Simulation of DCMD shell and hollow fibre bundle module

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Paulo Augusto Berquó de Sampaio

Resumo

Desalination technologies can help mitigating the water scarcity problem facing humankind. In this work we consider the Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) concept for desalination, where the feed and the permeate flows are separated by a hydrophobic porous membrane. We employ the Dusty Gas Model to describe the vapour diffusion through the membrane pores [1]. A sustained heat flow is the mechanism responsible for maintaining the required temperature difference between the two sides. The present model accounts for all the relevant heat transfer processes. These include convective heat transfer, latent heat transport by the vapour crossing the membrane pores, and conductive heat transfer through the membrane matrix. The DCMD module is a cylindrical shell, with internal radius Rs, which is occupied by nf hollow fibres. A detailed 3D modelling of the flow inside the shell would render the analysis computationally expensive. Thus, we adopted a simplified one-dimensional model based on defining an equivalent channel for the shell flow surrounding a single representative hollow fibre, as shown in Figure 1. Analytical solutions of the mass and heat transfer across the membrane are combined with finite volume discretized equations describing energy and mass conservation for the feed and permeate streams. An iterative scheme is devised to solve the model equations and determining the flow and temperature variables inside the DCMD module. The computational model predictions show good agreement with experimental data available in the literature as shown in Figure 2 and Figure 3.

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Seção
Nuclear Reactor Engineering and Technology
Biografia do Autor

Paulo Augusto Berquó de Sampaio, Instituto de Engenharia Nuclear

Possui graduação em Engenharia Mecânica com ênfase nuclear pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1982), mestrado em Engenharia Nuclear e Planejamento Energético pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1985) e doutorado em Engenharia Civil - University of Wales (Swansea) (1991). É pesquisador titular III da Comissão Nacional de Energia Nuclear, colaborador da Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco, colaborador - Fondo para la Investigación Científica y Tecnológica (Argentina) e bolsista de produtividade em pesquisa do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). É consultor acadêmico da CAPES/MEC (área interdisciplinar). É docente fundador e primeiro coordenador do programa de pós-graduação em ciência e tecnologia nucleares do Instituto de Engenharia Nuclear-CNEN. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em Fenômenos de Transporte, atuando principalmente nos seguintes temas: fluidodinâmica computacional, termohidraulica de reatores, tecnologia de reatores e método dos elementos finitos. Tem atuado em bancas examinadoras e em bancas de comissões julgadoras de 7 programas de pós-graduação nas áreas de engenharia nuclear, civil e mecânica. Tem participado de encontros e congressos técnico-científicos no Brasil e no exterior, com trabalhos apresentados em eventos nos Estados Unidos, Grã-Bretanha, Alemanha, Espanha, França, Itália, Bélgica, Japão e Coréia do Sul. A produção científica do pesquisador é amplamente citada na literatura internacional, em livros de referência da área de elementos finitos aplicados à fluidodinâmica computacional, e em mais de 40 diferentes títulos de périódicos indexados no Science Citation Index (SCI). É Vice-Coordenador do Instituto Nacional de Ciência e Tecnlogia (INCT) de Reatores Nucleares Inovadores. É Diretor do Instituto de Engenharia Nuclear (IEN/CNEN). É membro do Comitê Diretor do Empreendimento RMB (Reator Multipropósito Brasileiro)