Solar driven humidification-dehumidification desalination process : analysis on possible improvements and comparison between different configurations

The 21st century will witness the collision of two irreversible trends, population growth and climate change. With population growth, demand for water will inevitably increase, while the effects of climate change are increasing pressure on existing freshwater supplies. Communities suffering from limited freshwater availability need to implement a radical shift in water resource planning and management, and desalination of seawater or brackish water has received increasing consideration as an available option. In areas with a high potential for RES, but lacking in essential services as water and electricity supply, desalination through the process of humidification-dehumidification (HDH) has emerged as a promising technology. Previous works have shown that an HDH system, powered by PV/T panels and equipped by a fin-and-tube dehumidifier and a packed bed humidifier, is comparable in performance to a conventional RO system adopting the same PV/T system. The present work aims to evaluate possible improvements on this system. In particular, the replacement of the dehumidifier with a direct contact heat exchanger such as a multi-stage bubble column or a packed bed column is evaluated. The systems considered were designed to provide the same fresh water production of 30 kg/h at predefined nominal conditions (G = 700 W/m2 and Tamb = 25 °C), using the same sizes for both humidifier and PV/T system. Through an economic analysis, the relevance of each component on the overall expenditure was evaluated, identifying PV/T panels as the most critical element in each system. The performance analysis shows that the bubble column dehumidifier allows a slightly higher water production when external conditions increase, while it is strongly penalised by electrical power consumption due to the pressure drops in the air flow. The packed bed column dehumidifier shows very similar performances to the reference case, but with a slightly higher investment cost due to the additional components required, in particular an indirect liquid-liquid heat exchanger and a extra pump.

Il ventunesimo secolo assisterà alla collisione di due tendenze irreversibili, la crescita demografica e il cambiamento climatico. Con la crescita della popolazione, la domanda di acqua aumenterà inevitabilmente, mentre gli effetti del cambiamento climatico stanno aumentando la pressione sulle riserve preesistenti di acqua dolce. Le comunità che sono affette da una limitata disponibilità di acqua dolce necessitano di attuare una svolta radicale della pianificazione e della gestione delle risorse idriche e, tra le opzioni, la dissalazione di acqua marina o salmastra ha ricevuto crescente considerazione. Nelle aree con alto potenziale di fonti rinnovabili, ma che allo stesso tempo mostrano carenze nei servizi essenziali come la fornitura di acqua ed elettricità, la dissalazione attraverso il processo di umidificazione-deumidificazione (HDH) risultata una tecnologia promettente. Nello specifico, dei lavori precedenti hanno evidenziato come un sistema HDH, alimentato da pannelli PV/T e composto da un deumidificatore alettato e da un umidificatore a colonna a letto impaccato, mostri performance comparabili ad un sistema convenzionale a osmosi inversa (RO) considerando l’utilizzo del medesimo impianto PV/T. Il presente lavoro si pone l’obbiettivo di valutare possibili miglioramenti applicabili su tale sistema. In particolare, viene valutata la sostituzione del deumidificatore con uno scambiatore di calore a contatto diretto come il sistema a colonna a bolle multistadio oppure a colonna a letto impaccato. I sistemi sotto esame sono stati progettati per fornire la stessa produzione di acqua dolce pari a 30 kg/h in condizioni nominali prefissate (G = 700 W/m2 e Tamb = 25 °C), impiegando le stesse taglie relativamente all’umidificatore e all’estensione dell’impianto PV/T. Attraverso un’analisi economica è stata valutata la rilevanza di ciascun componente sulla spesa complessiva, identificando nei pannelli PV/T l’elemento più critico in tutti i sistemi. L’analisi delle performance invece mostra come al crescere delle condizioni esterne il deumidificatore a colonna a bolle permetta una produzione d’acqua leggermente superiore mentre risulta fortemente penalizzato dal punto di vista dei consumi elettrici dovuti alle perdite di carico nella corrente d’aria. Il deumidificatore a colonna a letto impaccato invece mostra performance molto simili al caso di riferimento mostrando però un costo di investimento leggermente superiore a causa dei componenti aggiuntivi necessari, su tutti uno scambiatore di calore indiretto liquido-liquido ed una pompa.