TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE MAISOTSENKO CYCLE
The global problem of the drinking water shortage is considered, and the main properties of existing water desalination and distillation technologies, based on "humidification-dehumidification" devices, are analyzed. An innovative experimental rig for the distilled water production...
Saved in:
| Date: | 2026 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/638 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1870287581835427840 |
|---|---|
| author | Soroka , P. Khalatov , A. Borysov, I. Stupak, O. |
| author_facet | Soroka , P. Khalatov , A. Borysov, I. Stupak, O. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "P. Soroka ",
"institution": "Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, Київ, Україна"
},
{
"author": "A. Khalatov ",
"institution": "Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, Київ, Україна"
},
{
"author": " I. Borysov",
"institution": "Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, Київ, Україна"
},
{
"author": " O. Stupak",
"institution": "Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, Київ, Україна"
}
] |
| author_sort | Soroka , P. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-09T12:14:07Z |
| description | The global problem of the drinking water shortage is considered, and the main properties of existing water desalination and distillation technologies, based on "humidification-dehumidification" devices, are analyzed. An innovative experimental rig for the distilled water production, based on the Maisotsenko cycle (M-cycle) with a cross-flow scheme, has been developed and tested. The design of a single-stage prototype is described, the test results and energy performance are presented. The possibility of the water condensate production with an energy consumption of 11.9 kWh/m³ is experimentally confirmed. The prospects for the equipment improvement when using the multi-stage distillation scheme are considered.  |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2026.2(85).317-331 |
| first_indexed | 2026-07-10T01:00:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
317
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
УДК 536.4 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2026.2(85).317-331
ТЕХНОЛОГІЯ ТА УСТАНОВКА ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ДИСТИЛЬОВАНОЇ ВОДИ
ЗА ЦИКЛОМ МАЙСОЦЕНКА
Отримано 19 лют. 2026 р.; рекомендовано до публікації 26 чер. 2026 р.
Доступно онлайн 30 чер. 2026 р.
Сорока П.1, Халатов А.2, Борисов І.3, Ступак О.4
Автор для кореспонденції: Сорока Павло,
e-mail: sorokua@gmail.com
Анотація. Розглянуто глобальну проблему дефіциту пи-
тної води та проаналізовано основні властивості існую-
чих технологій опріснення та дистиляції води на базі апа-
ратів «зволоження ‒ осушення». Розроблено та
випробувано інноваційну експериментальну установку
для отримання дистильованої води, що базується на ци-
клі Майсоценка (М-цикл), з перехреснотоковою схемою.
Описано конструкцію однокаскадного прототипу, пред-
ставлено результати його випробувань та енергетичні
показники. Експериментально підтверджено можливість
отримання конденсату води з енерговитратами 11,9 кВт·год/м³. Розглянуто перспективи удоско-
налення апарату при використанні багатокаскадних схем дистиляції.
Ключові слова: дистиляція води; цикл Майсоценка; однокаскадна установка; ефективність; продук-
тивність.
Вступ
Глобальна водна криза є однією з ключових проблем су-
часності, подолання якої оцінюється у трильйони до-
ларів. Згідно зі звітом Світового банку «High and Dry»,
дефіцит води може призвести до зниження ВВП окре-
мих регіонів на 6 % до 2050 року [1], що матиме ката-
строфічні економічні наслідки. Щорічні економічні
втрати через відсутність доступу до чистої води
(санітарія, здоров’я, продуктивність) становлять
близько 260 млрд дол. США [2]. Тому на цей час значні
зусилля науковців, інженерів і технологів спрямовані на
дослідження й розробку нових технологій дистиляції та
опріснення води, причому ця активність з кожним ро-
ком зростає. Ринок промислової очистки води досягає
140 млрд дол. [3], а сегмент технологій опріснення, за
прогнозами, сягне 50 млрд дол. до 2032 року [4], що
свідчить про значний потенціал для інновацій у цій
сфері.
Зараз для виробництва дистильованої води застосову-
ються два основних методи – мембранні та термічні тех-
нології. Серед мембранних технологій найпоши-
ренішими є зворотний осмос [5, 6] та електродіаліз [7],
а серед термічних можна виділити багатоступеневу і па-
рокомпресійну дистиляцію, а також багатоступеневу
флеш-дистиляцію [8]. Мембранні технології характери-
зуються дещо меншими капітальними витратами й на
порядок меншим енергоспоживанням порівняно з
термічними технологіями, але вони забезпечують
значно гіршу якість води. Недоліками термічних
технологій є громіздкість та утворення накипу. Викори-
стовується також технологія механічного стиснення
пари, вона забезпечує високу якість води, але вимагає
складного компресорного устаткування та має вище
споживання електроенергії [8]. Порівняння основних
методів опріснення та дистиляції води наведено в
табл. 1.
Показники в табл. 1 відображають лише зовнішні (екзо-
генні) витрати енергії, необхідні для функціонування
кожної конкретної системи. Для традиційних термічних
методів вказано витрати теплової енергії для кипіння
від зовнішнього джерела, тоді як у технологіях типу MVC
або «зволоження – осушення» енергія для випаро-
вування генерується всередині циклу за рахунок ме-
ханічної роботи або рекуперації. Таке порівняння дає
змогу оцінити чисте споживання ресурсів, які постача-
ються до установки ззовні.
Слід відзначити, що мембранні технології мають тех-
нічні обмеження, пов’язані з підвищенням концентрації
солей – стрімке підвищення осмотичного тиску та ризик
незворотного забруднення високовартісних мембран.
Ці обмеження перешкоджають глибокому кон-
центруванню розчинів без втрати енергоефективності
та ресурсу обладнання. Тому утилізація розсолу розгля-
дається як критичний недолік технології RO. Щодо низь-
кого відсотку відновлення в системах MSF (10–25 %):
причиною цього є велика кількість відпрацьованої води,
що скидається для охолодження системи та видалення
солей, тоді як інші системи дають змогу глибше
1 аспірант
https://orcid.org/0009-0007-6387-6906
2 академік НАН України, д-р. техн. наук
https://orcid.org/0000-0002-7659-4234
3 провідний науковий співроб.
https://orcid.org/0000-0001-7696-3901
4 д-р. філос.
https://orcid.org/0000-0002-8283-3115
1, 2, 3, 4 Інститут технічної теплофізики
Національної академії наук України, Київ,
Україна
318
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
концентрувати вихідний розчин без ризику миттєвого
виходу обладнання з ладу. Так, для зворотного осмосу
цей показник становить 35–50 %, а для електродіалізу
він взагалі сягає 80–90 %.
Таблиця 1. Порівняння методів дистиляції води
Технологія
Питоме енерго-спо-
живання,
кВт∙год/м3 Експл.
витрати,
дол./м3
Якість
води
(TDS),
ppm
Переваги Недоліки
Електро-
енергія
Теплова
енергія
Зворотний осмос
(RO) 4–8 – 0,5–1,0 < 500
Зріла технологія;
компактність; ши-
роке поширення
Високий тиск; дорогі
мембрани; чутливість
до хлору; проблема
утилізації розсолу
Електродіаліз
(ED) 2,8–5,5 – 0,4–0,7 < 500
Високий вихід води;
довговічні мем-
брани; низький тиск
Неефективний для
морської води
(TDS > 3000 ppm);
не видаляє органіку та
бактерії
Механічна ком-
пресія пари
(MVC)
7–12 – 0,6–1,0 < 10
Компактність; авто-
номність (тільки
електрика); висока
чистота води
Складні компресори;
шум; вібрація; високі
експлуатаційні ви-
трати
Термічна ком-
пресія пари (TVC)
1,6–1,8 14,5 0,7–1,0 < 10
Ефективна рекупе-
рація пари; немає
рухомих частин
(ежектор)
Потребує джерела
пари високого тиску;
низький ступінь
відновлення води
Багатоступенева
дистиляція (MED 2–2,5 12–19 0,8–1,2 < 10
Високий коефіцієнт
теплопередачі;
менше накипу
(нижча робоча тем-
пература)
Високі капітальні вит-
рати; складність мас-
штабування одинич-
ного блоку
Багатоступенева
флеш-дистиляція
(MSF)
2,5–5 16–24 1,0–1,5 < 500
Надійність; велика
одинична потуж-
ність; використання
скидного тепла
Корозія; громіздкість;
дуже низький відсо-
ток відновлення води
Отже, існує нагальна потреба в розробці конкурентного,
дешевого та енергоефективного методу виробництва
дистильованої води. Основним напрямом досліджень є
пошук компромісу між питомим енергоспоживанням,
технологічністю конструкції та якістю отриманого про-
дукту. Серед таких методів можна відзначити інно-
ваційні розробки, що базуються на принципі «зволо-
ження – осушення». Їх можна віднести до термічних
методів, але вони відрізняються тим, що вода не
нагрівається до кипіння і завдяки цьому значно спро-
щуються вимоги до технологічного устаткування. Засто-
совується пряме випарне «зволоження – осушення»,
непряме випарне «зволоження – осушення», та ви-
парне «зволоження – осушення» за циклом Майсо-
ценка. Порівняльне дослідження цих методів наведено
в роботі [8].
Цикл Майсоценка і його застосування для дистиляції
води
Серед методів «зволоження – осушення» особливо
варто відзначити дистиляцію за циклом Майсоценка.
Цей процес використовує потенціал оточуючого середо-
вища, він поєднує відносно низьке енергоспоживання
та низькі капітальні й експлуатаційні витрати. На відміну
від традиційних методів, обмежених температурою
мокрого термометра (𝑡мт), M-сycle дає змогу охолод-
жувати робоче тіло до температури точки роси (𝑡тр), що
значно розширює потенціал процесу зволоження та
конденсації вологи [8].
Перші апарати, які працюють за циклом Майсоценка,
були призначені для охолодження повітря [9], і лише
згодом були запропоновані технічні рішення для дисти-
ляції води [10]. Принципова схема та діаграма процесу
охолодження за М-циклом показані на рис. 1. Повітря в
сухому каналі внаслідок теплообміну з сусіднім вологим
каналом охолоджується до температури, близької до
температури точки роси (процес 1–2), а охолоджене по-
вітря спрямовується у вологий канал, де рухається про-
титечією або перехресно до потоку в сухому каналі. Ви-
паровуючись з поверхні вологого каналу, це повітря
асимілює теплоту (явну та приховану), що відводиться
від сухого каналу (процес 3–4). Принципова схема та
діаграма однокаскадного процесу дистиляції показані
на рис. 2. Апарат складається з трьох каналів: сухого ка-
налу, каналу зволоження (випаровування) і каналу осу-
шення (конденсації). Повітря надходить у точку 1, про-
ходить через сухий канал, надходить у канал
зволоження в точку 2, вступає в контакт з водою на
319
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
стінці вологого каналу та зволожує повітря в точці 3 тео-
ретично до 100 %. Далі вологе повітря надходить в ка-
нал осушення, де водяна пара конденсується за рахунок
охолодження, а дистильована вода збирається на дні
каналу. Відпрацьоване повітря виходить у точці 4, а
відпрацьована вода зливається внизу вологого каналу.
Рис. 1. Принципова схема одного з варіантів тепломасообмінного апарата за циклом Майсоценка
для охолодження повітря та психрометрична діаграма процесу
Рис. 2. Принципова схема однокаскадного тепломасообмінного апарата за циклом Майсоценка для дистиляції
води та психрометрична діаграма процесу
На цей час розроблені різні варіанти апаратів дисти-
ляції та опріснення води за циклом Майсоценка. Вико-
нане в роботі [11] термодинамічне моделювання трьох
методів «зволоження – осушення» показало, що на
відміну від циклів прямого й непрямого зволоження –
осушення цикл Майсоценка має потенціал для досяг-
нення температури точки роси повітря, що подається,
однак наближення до точки роси на практиці є пробле-
матичним і потребує значної довжини каналів. Згідно з
результаамив дослідження опріснювальна установка
за циклом Майсоценка є найменш енергоємною з
трьох розглянутих схем. У роботі [12] виконано термо-
динамічний аналіз схеми опріснення на основі «зволо-
ження – осушення» з використанням М-циклу та со-
нячного водонагрівача. Сформульовані основні
фактори, які впливають на продуктивність системи
опріснення та споживання енергії. Показано, що поси-
лення вихідної потужності та питоме споживання
енергії показують протилежну тенденцію для всіх
розглянутих випадків. У роботі [13] виконано матема-
тичне моделювання гібридної установки охолодження
житлового будинку та опріснення на основі циклу Май-
соценка з фотоелектричними / термальними со-
нячними колекторами.
У роботі [14] запропонована та математично змодельо-
вана опріснювальна установка «зволоження – осу-
шення», що працює від сонячної енергії та використовує
зволожувач повітря за циклом Майсоценка.
Порівняльне дослідження показало, що запропонована
схема забезпечує на 30 % вищу продуктивність прісної
води, на 46 % більший коефіцієнт відновлення та на
11 % більший коефіцієнт посилення вихідної потужності
320
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
порівняно з системою опріснення на основі зво-
ложувача прямої схеми. У роботі [15] розглянута схема
непрямого випаровування для відновлення та повтор-
ного використання стічних вод на основі М-циклу. Ро-
зроблена та протестована установка дистиляції води, в
якій блок дистиляції води складається з трьох суміжних
каналів: сухого, випарного та конденсаційного. Попе-
редні експерименти на дистиляційній установці дали
змогу оцінити нову концепцію непрямого випаро-
вування для відновлення стічних вод. Експерименти по-
казали необхідність попереднього нагрівання стічної
води до 60 °C для збільшення потоку водяного конден-
сату. У роботі [16] представлена пілотна установка для
одночасного вироблення холоду за допомогою М-
циклу та опріснення морської води.
Згідно з дослідженнями Pandelidis et al. [8], ключовою
перевагою процесу дистиляції за циклом Майсоценка є
те, що прихована теплота конденсації, яка виділяється у
сухому каналі, не втрачається, а використовується як
джерело енергії для випаровування води у вологому ка-
налі. Це забезпечує високу термічну ефективність (COP)
процесу. Зроблено висновок, що, термодинамічна
ефективність процесу дистиляції в таких системах ба-
зується на унікальній рекуперації теплоти. Процес відбу-
вається в рекуперативному тепломасообміннику зі
складною геометрією потоків.
Мета роботи
Аналіз наявних джерел літератури показав перспек-
тивність застосування М-циклу для дистиляції та
опріснення води. Цей метод має просту конструкцію,
достатньо високу продуктивність з відносно малими
енергозатратами, і його можна застосовувати з віднов-
люваними джерелами енергії. Також він задовольняє
вимогам до якості очистки води від домішок – більше
99 % – це рівень найпоширеніших сучасних методів очи-
щення, як-от зворотний осмос та адсорбційне очи-
щення. При цьому застосування відновлюваних джерел
енергії у зв’язці з цим методом дає змогу задовольнити
сучасні вимоги до екологічної безпеки і суттєво знизити
енергетичні витрати. Попри перспективність цього ме-
тоду дистиляції води, наявні результати носять загалом
теоретичний характер, недостатньо експериментальних
досліджень, щоби створювати ефективніше устатку-
вання. Метою цієї роботи є створення та тестування
апарата однокаскадної схеми для дистиляції води, що
працює за М–циклом з перехресним током теплоносіїв
та капілярно-пористою структурою у вологих каналах.
Експериментальна установка та вимірювальна апара-
тура
Для апробації запропонованої однокаскадної схеми
було створено та випробувано прототип установки,
який планується використовувати в подальших до-
слідженнях. Ключовою проблемою класичних випарних
охолоджувачів є нерівномірне змочування пластин, що
знижує інтенсивність масообміну у вологих каналах.
Для вирішення цієї проблеми у запропонованій кон-
струкції застосована капілярно-пориста структура для
капілярного підйому води з нижнього резервуара
відповідно до схеми, запропонованої в роботі [17]. Цей
матеріал забезпечує швидкий підйом води та її випаро-
вування, рівномірніший розподіл вологи по площі теп-
лообміну, та зниження аеродинамічного опору воло-
гого каналу порівняно з традиційними форсунковими
системами. Схему та загальний вигляд установки пока-
зано на рис. 3 та 4.
Рис. 3. Схема однокаскадної установки для отримання дистильованої води за циклом Майсоценка
Конструкція прототипу виконана за однокаскадною схе-
мою з перехресною течією, що дало змогу спростити
технологію виробництва компонентів установки мето-
дом 3D-друку та знизити її вартість. Вона умовно скла-
дається з двох теплообмінних апаратів: випаровування
(ТМО № 1), та конденсації (ТМО № 2). Довжина каналів
L обох блоків дорівнювала 350 мм, еквівалентний діа-
метр каналів 𝑑e та відносна довжина 𝐿/𝑑𝑒 становили,
відповідно, 3,1 та 113 мм.
Під час випробувань установки вимірювали витрату по-
вітря, температуру та відносну вологість в основних вуз-
лах робочого тракту, а також кількість конденсату, що
321
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
утворювався на виході з каналів. Схема вимірювань та
параметри потоку наведені на рис. 5. Температура та
вологість повітря вимірювалась термогігрометром
TESTO 605i, витрата повітря – анемометром TESTO 417-
2. Витрата і число Рейнольдса в каналах установки пред-
ставлені в табл. 2.
Рис. 4. Загальний вигляд однокаскадної установки
Рис. 5. Схема вимірювань робочих параметрів
Результати випробувань
Результати концептуального тестування установки
наведено в табл 2. Вимірювання виконані при ламінар-
ному режимі течії в каналах, витрата повітря становила
14 м3/год, а число Рейнольдса – 133,4. У подальших
експериментах буде вивчено вплив числа Рейнольдса, а
також інших факторів на характеристики установки. Пи-
томі енерговитрати на вироблення конденсату та якість
води виявились приблизно на рівні парокомпресійної
установки, але представлений прототип не потребує
джерел високого тиску, його конструкція значно
простіша, без рухомих елементів.
Напрацювання конденсату визначали двома різними
способами: безпосередньо (вимірюванням кількості
конденсату) та розрахунково, за діаграмою вологого по-
вітря, з використанням даних щодо температури та
вологості на вході та виході в каналах установки.
Розбіжність цих даних становила 2,4 %, що свідчить про
хорошу точність проведення експериментів. Продук-
тивність вироблення конденсату становила близько
170 г/год. Також було розраховано коефіцієнт вилу-
чення вологи, який показує частку вологи, що була ви-
парувана в повітря (у ТМО № 1), вдалося повернути у ви-
гляді дистильованої води (у ТМО № 2):
𝜇вим =
𝑑макс − 𝑑вих
𝑑макс − 𝑑вх
;
де 𝑑𝑚𝑎𝑥 – вологовміст насиченого повітря за вхідної
температури (г вологи/кг сухого повітря), 𝑑вх і 𝑑вих – во-
логовміст потоку повітря на вході в апарат та на виході з
нього. Розрахунки показали, що цей коефіцієнт стано-
вить 93,8 %, що демонструє достатньо високу ефек-
тивність конденсації вологи в каналах охолодження.
322
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
Таблиця 2. Результати тестування установки
Параметр
Значення параметра
На вході в
установку
ТМО № 1 ТМО № 2
На виході з
вологого
каналу
На виході з
охолоджуваль-
ного каналу
На виході з
вологого
каналу
На виході з
охолоджуваль-
ного каналу
Витрата повітря, м3/год 14 14 14 14
Швидкість повітря в
каналі, м/с 0,21 0,65 0,21 0,65
Еквівалентне число
Рейнольдса, Reeq
133,3 133,3
Температура повітря, 0С 34 26 15,5 21 14,5
Відносна вологість
повітря, % 27 95 67 97 94
Вологовміст, г/кг 9 20,3 7,3 15,2 9,7
Продуктивність за кон-
денсатом, м3/год 0,000168
Енергоспоживання вен-
тиляторами, Вт 2
Енергозатрати на вироб-
ництво конденсату,
кВт*год/м3
11,9
Термодинамічну ефективність елементарної комірки за
М-циклом визначали окремо для блоку випаровування
(ТМО № 1) та апарата в цілому (випаровування + кон-
денсація) за такими співвідношеннями [17]:
за температурою мокрого термометра
𝜀мт =
𝑡1 − 𝑡вих
𝑡1 − 𝑡мт
;
за температурою точки роси
𝜀тр =
𝑡1 − 𝑡вих
𝑡1 − 𝑡тр
.
де 𝑡1 – температура повітря на вході в апарат у точці 1
(див. діаграму на рис. 2); 𝑡мт та 𝑡тр – температури мок-
рого термометра й точки роси для вхідного повітря;
𝑡вих – вихідна температура повітря (для ТМО № 1 вона
дорівнює температурі в точці 2, а для апарата в цілому в
точці 4, див. діаграму на рис. 2).
Експериментальні дані щодо термодинамічної ефектив-
ності представлені в табл. 3.
Таблиця 3. Термодинамічна ефективність
Параметр ТМО № 1
випаровування
Апарат в
цілому
𝜀мт 1,33 1,4
𝜀тр 0,86 0,9
Експериментальні дані щодо термодинамічної ефектив-
ності комірки за М-циклом представлені в табл. 3. Як
видно в таблиці, термодинамічна ефективність комірки,
розрахована за температурою мокрого термометра,
перевищує одиницю, що є дуже важливим науковим і
прикладним результатом. При цьому підвищення тер-
модинамічної ефективності апарата в цілому (ТМО № 1
+ ТМО № 2) порівняно з ТМО № 1 становить 4 %. Термо-
динамічна ефективність комірки за температурою точки
роси близька до одиниці, і також слабо зростає за раху-
нок установки другої комірки. Як і в роботі [17], такі ви-
сокі характеристики термодинамічного циклу досягнуто
при ламінарному режимі течії (Reeq = 133). У роботі [17]
при Reeq = 133 термодинамічна ефективність εмт стано-
вила ≈ 1,10, а εТР – ≈ 0,85. Принципово можливе по-
дальше збільшення цих параметрів, однак це потребує
значного підвищення відносної довжини установки, що
пов’язано з додатковими енергетичними затратами.
Слід зазначити, що в експериментах було виявлено ут-
римання деякої частини конденсату в каналах конден-
сації за рахунок сил поверхневого натягу та капілярного
ефекту, що блокувало вільний вихід конденсату. Це ви-
магало періодичного механічного видалення рідини.
Для запобігання цьому ефекту під час проєктування
установки канали конденсації мають бути достатньо ве-
ликих розмірів.
Задачі подальших досліджень
У подальшій роботі для удосконалення процесу дисти-
ляції планується застосування кількох ступенів теплома-
сообмінних апаратів з перехресною течією, що викори-
стовуються для випаровування та подальшої
конденсації водяних парів. Це забезпечить вищу ефек-
тивність процесу дистиляції, підвищить продуктивність,
та знизить енергозатрати. Замість одного проти-
течійного тепломасообмінного апарата може бути вста-
новлена багатоступенева система послідовних
323
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
тепломасообмінних апаратів з перехресною течією, ви-
парні канали якої розташовані перпендикулярно до ка-
налів охолодження та конденсації. Регулювання про-
дуктивності апарата здійснюватиметься збільшенням
кількості ступенів передохолодження та безпосередньо
тепломасообмінних апаратів. Канали тепломасообмін-
ного апарата організовані в такий спосіб, що кожен пе-
редохолоджений канал додатково охолоджує наступ-
ний, і так далі, що дає змогу наблизитись до
температури точки роси з мінімальними втратами
тиску. Дослідження показали, що тепломасообмінні
апарати з перехресною течією характеризуються кон-
структивною простотою та можливістю їх масштабу-
вання для досягнення бажаної потужності. Завдяки
цьому можна досягати умов, близьких до точки роси,
що неможливо для однокаскадних схем. Можливість
модульного масштабування тепломасообмінних апа-
ратів дає змогу регулювати ефективність і продук-
тивність апарата, що забезпечує його ефективне за-
стосування в різних кліматичних зонах. Конфігурація
тепломасообмінних апаратів з перехресною течією з ба-
гатоступеневим передохолодженням випарних каналів
дає змогу досягти високої ефективності з мінімальними
втратами тиску, а також забезпечити вищу надійність за
рахунок відносно простої конструкції і меншої кількості
елементів. Буде також вивчена можливість викори-
стання гідрофільних / гідрофобних матеріалів, які забез-
печать вільне гравітаційне стікання плівки конденсату.
Новизна технічних рішень установок захищена заяв-
ками на інтелектуальну власність [18, 19].
Висновки
• У роботі представлено результати концептуального
дослідження дистиляції води в однокаскадному теп-
ломасообмінному апараті за циклом Майсоценка з
перехресним током теплоносіїв та капілярно-порис-
тою структурою у вологих каналах. Отримані резуль-
тати підтвердили високу термодинамічну ефектив-
ність концепції, при ламінарному режимі в каналах.
Досягнутий коефіцієнт ефективності за мокрим тер-
мометром становив 1,4, а за температурою точки
роси – 0,9.
• Коефіцієнт вилучення вологи становив 93,8 %, що
свідчить про мінімальні втрати вологи в апараті. За-
гальна продуктивність установки становила
0,168 л/год за енерговитрат 11,9 кВт·год/м³, що є
технічно прийнятним показником.
• Виявлено суттєвий вплив сил поверхневого натягу та
капілярного ефекту на умови видалення сконденсо-
ваної вологи, що обмежує мінімальний розмір кана-
лів конденсації апарата. З огляду на це в конструкції
апарата слід використати гідрофільні / гідрофобні
матеріали, які забезпечать умови для вільного граві-
таційного стікання плівки конденсату.
• Конструкція апарата є технологічною, вона дає змогу
використовувати доступні матеріали та адитивну те-
хнологію (3D-друк) виробництва, що суттєво знижує
капітальні витрати порівняно з традиційними техно-
логіями дистиляції.
• Подальші дослідження буде спрямовано на ви-
вчення різних факторів, які визначають термодина-
мічну ефективність і продуктивність однокаскадного
тепломасообмінного апарата за циклом Майсоце-
нка (число Рейнольдса в каналах, температура на
вході, концентрація розчину, інтенсифікація тепло- і
масообміну тощо). У перспективі значний інтерес
становитиме застосування дво- та трикаскадної
схеми тепломасообмінного апарату з метою підви-
щення термодинамічної ефективності циклу.
Дослідження проводилось у межах науково-дослідної
роботи «Теплофізичні засади підвищення енергоеко-
логічної ефективності в теплоенергетиці і енергома-
шинобудуванні при використанні традиційних енерго-
ресурсів, відновлюваних газів та твердих відходів», що
фінансується Національною Академією наук України з
державного бюджету, номер проєкту 1.7.1.909, та в
межах проєкту Відділення цільової підготовки НТУУ
«КПІ ім. І. Сікорського» при Національній Академії наук
України «Тепломасообмін в апараті Майсоценка з
капілярно-пористими стінками та нові застосування
в енергетиці, теплопостачанні та вентиляції
будівель», Договір № 2026/ТФ/01.
ПОСИЛАННЯ
1. World Bank, High and Dry: Climate Change, Water, and
the Economy, Washington, DC: World Bank, 2016.
2. World Bank, WB Confronts US$260 Billion a Year in
Global Economic Losses from Lack of Sanitation,
Washington, DC: World Bank, 2013.
3. Grand View Research, Industrial Water Treatment
Market Size, Share & Trends Analysis Report, 2025-
2033, San Francisco: Grand View Research, 2025.
4. Fortune Business Insights, Desalination Technologies
Market Size, Share & Global Growth Analysis, 2024-
2032, Pune: Fortune Business Insights, 2024.
5. Al-Karaghouli A., Kazmerski L. L. Energy consumption
and water production cost of conventional and
renewable-energy-powered desalination technologies.
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 24,
343-356.
6. Elimelech M., Phillip W. A. The future of seawater
desalination: energy, technology, and the
environment. Science, 2011, 333(6043), 712-717.
7. Curto D., Franzitta V., Guercio A. A review of the water
desalination technologies. Applied Sciences, 2021,
11(2), 670.
8. Pandelidis D., Cicho A., Pacak A., Drąg P., Drąg M.,
Worek W., Cetin S. Water desalination through the
324
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
dewpoint evaporative system. Energy Conversion and
Management, 2021, 229, 113757.
9. aisotsenko V. et al. Method and apparatus of indirect-
evaporation cooling. US Patent 6497107, 2002.
10. Maisotsenko V., Gilan L., Gilan A., Gilan R. Water
desalination method and apparatus. US Patent
8613839, 2013.
11. Mohammed M., Alqahtani N. K., Asfahan H. M., Sultan
M. Evaporation-Assisted Humidification–
Dehumidification Cycles for Desalination Application in
Tropical and Subtropical Regions, Water, 2023, 15,
1125.
12. Aziz M. A., Lin J., Mikšík F., Miyazaki T., Thu K., The
second law analysis of a humidification-
dehumidification desalination system using M-cycle,
Sustainable Energy Technologies and Assessments,
2022, 52, 102141.
13. Wang N., Wang D., Dong J., Wang H., Wang R., Shao L.,
Zhu Y., Performance assessment of PCM-based solar
energy assisted desiccant air conditioning system
combined with a humidification-dehumidification
desalination unit. Desalination, 2020, 496, 114705.
14. Tariq R., Nadeem A., Xamán A. S., Bassam X. An
innovative air saturator for humidification-
dehumidification desalination application. Applied
Energy, 2018, 228, 789-807.
15. Chudnovsky Y., Kozlov A. Integrated Wastewater
Recovery and Reuse via Waste Heat Utilization. ASME
International Mechanical Engineering Congress and
Exposition, Proceedings (IMECE), 2013, V. 8.
16. Chen Q., Burhan M., Shahzad M. W., Ybyraiymkul D.,
Akhtar F. H., Ng K. C. Simultaneous production of
cooling and freshwater by an integrated indirect
evaporative cooling and humidification-
dehumidification desalination cycle. Energy Conversion
and Management, 2020, 221, 113169.
17. Ступак О. С., Халатов А. А. Тепло- та масообмін в но-
вому енергоефективному тепломасообмінному апа-
раті за М-циклом. К.: Наук. думка, 2021. 106 с.
18. Сорока П. та ін. (Інститут технічної теплофізики НАН
України). Апарат для отримання дистильованої
води. Заявка на винахід України № a202406214,
2024.
19. Сорока П. та ін. (Інститут технічної теплофізики НАН
України). Апарат для отримання дистильованої
води. Заявка на корисну модель України №
u202406215, 2024.
325
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
УДК 536.4 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2026.2(85).317-331
TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER
BY THE MAISOTSENKO CYCLE
Received on Feb. 19. 2026; accepted 22 Mar. 2026
Available online 25 Mar. 2026
Soroka P.1, Khalatov A.2, Borysov I.3, Stupak O.4
Author for correspondence: Soroka Pavlo,
e-mail: sorokua@gmail.com
Abstract. The global problem of the drinking water shortage is
considered, and the main properties of existing water
desalination and distillation technologies, based on
"humidification-dehumidification" devices, are analyzed. An
innovative experimental rig for the distilled water production,
based on the Maisotsenko cycle (M-cycle) with a cross-flow
scheme, has been developed and tested. The design of a single-
stage prototype is described, the test results and energy
performance are presented. The possibility of the water
condensate production with an energy consumption of 11.9
kWh/m³ is experimentally confirmed. The prospects for the
equipment improvement when using the multi-stage distillation scheme are considered.
Keywords: water distillation; Maisotsenko cycle; single-stage installation; efficiency; productivity.
Abbreviations
HMX – heat/mass transfer exchanger
Introduction
The global water crisis is one of the key problems of our
time, and overcoming it is estimated to cost trillions of dol-
lars. According to the World Bank report "High and Dry,"
water scarcity could lead to a decline in the GDP of certain
regions by up to 6% by 2050 [1], with catastrophic eco-
nomic consequences. Annual economic losses due to the
lack of access to clean water (sanitation, health, productiv-
ity) amount to approximately $260 billion [2]. Therefore,
significant efforts by scientists, engineers, and technolo-
gists are currently directed towards researching and devel-
oping new water distillation and desalination technologies,
with this activity increasing every year. The industrial water
treatment market is valued at $140 billion [3], and the de-
salination technologies segment is projected to reach $50
billion by 2032 [4], indicating significant potential for inno-
vation in this field.
Currently, two main technologies are used for the distilled
water production: membrane and thermal technologies.
Among membrane technologies, reverse osmosis [5, 6] and
electrodialysis [7] are the most common ones, while ther-
mal methods include multi-stage and vapor compression
distillation, as well as multi-stage flash distillation [8]. Com-
pared to the thermal methods, the membrane technologies
require somewhat lower capital costs and an order of mag-
nitude less energy consumption, but they yield significantly
lower water quality. The disadvantages of thermal
technologies include their bulkiness and scaling issues. Me-
chanical vapor compression technology is also utilized; it
ensures high water quality but requires complex compres-
sor equipment and has higher electricity consumption [8].
A comparison of the primary water desalination and distil-
lation methods is presented in Table 1.
The indicators in Table 1 reflect only the external (exoge-
nous) energy consumption required for the operation of
each specific system. For traditional thermal methods, the
thermal energy consumption for boiling from an external
source is specified, whereas in technologies such as MVC or
"humidification-dehumidification," the energy for evapora-
tion is generated within the cycle through mechanical work
or recuperation. This comparison allows for an assessment
of the net consumption of resources supplied to the installa-
tion from external sources.
It should be noted that membrane technologies have tech-
nical limitations associated with increasing salt concentra-
tion—specifically, a rapid rise in osmotic pressure and the
risk of irreversible fouling of expensive membranes. These
limitations prevent deep concentration of solutions with-
out compromising energy efficiency and equipment service
life. Therefore, brine disposal is regarded as a critical disad-
vantage of RO technology. Regarding the low recovery rate
in MSF systems (10-25%), this is due to the large volume of
wastewater discharged for system cooling and salt
1 Graduate student
https://orcid.org/0009-0007-6387-6906
2 Academician of NAS of Ukraine, Doctor
of technical sciences
https://orcid.org/0000-0002-7659-4234
3 PhD
https://orcid.org/0000-0001-7696-3901
4 PhD
https://orcid.org/0000-0002-8283-3115
1, 2, 3, 4 Institute of Engineering
Thermophysics of NAS of Ukraine, Kyiv,
Ukraine
326
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
removal, whereas other systems allow for a higher concen-
tration of the feed solution without the risk of instantane-
ous equipment failure. For instance, this indicator ranges
from 35-50% for reverse osmosis and reaches as much as
80-90% for electrodialysis.
Table 1. Comparison of water desalination and distillation methods
Technology
Specific energy con-
sumption, kWh/m³ Operat-
ing costs,
USD/m³
Water
quality
(TDS),
ppm
Advantages Disadvantages
Electrical
energy
Thermal
energy
Reverse Osmosis
(RO) 4–8 – 0.5 – 1.0 < 500
Mature technology;
compactness; wide-
spread adoption
High pressure; expen-
sive membranes; chlo-
rine sensitivity; brine
disposal issues
Electrodialysis
(ED) 2.8–5.5 – 0.4 – 0.7 < 500
High water recovery;
durable membranes;
low pressure
Ineffective for sea-
water (TDS > 3000
ppm); does not remove
organic matter and
bacteria
Mechanical Vapor
Compression
(MVC)
7–12 – 0.6 – 1.0 < 10
Compactness;
standalone opera-
tion (electricity only);
high water purity
Complex compressors;
noise; vibration; high
operating costs
Thermal Vapor
Compression
(TVC)
1.6 – 1.8 14.5 0.7 – 1.0 < 10
Efficient vapor recov-
ery; no moving parts
(ejector)
Requires a high-pres-
sure steam source; low
water recovery
Multi-Effect Distil-
lation (MED) 2 – 2.5 12-19 0.8 – 1.2 < 10
High heat transfer
coefficient; less scal-
ing (lower operating
temperature)
High capital costs; diffi-
culty in scaling a single
unit
Multi-Stage Flash
(MSF) 2.5 – 5 16-24 1.0 – 1.5 < 500
Reliability; large unit
capacity; waste heat
utilization
Corrosion; bulkiness;
very low water recov-
ery rate
Consequently, there is an urgent need to develop a com-
petitive, low-cost, and energy-efficient method for distilled
water production. The primary research focus is on finding
a compromise among specific energy consumption, design
manufacturability, and product quality. Among such meth-
ods, innovative developments, based on the "humidifica-
tion-dehumidification" (HDH) principle, stand out. These
can be classified as thermal methods; however, they differ
in that the water is not heated to its boiling point, which
significantly simplifies the requirements for technological
equipment. Current applications include direct evaporative
HDH, indirect evaporative HDH, and evaporative HDH
based on the Maisotsenko cycle. A comparative study of
these methods is presented in [8].
The Maisotsenko Cycle and its Application for Water Dis-
tillation
Among the "humidification-dehumidification" (HDH) meth-
ods, distillation based on the Maisotsenko cycle is particu-
larly noteworthy. This process utilizes the environmental
potential, combining relatively low energy consumption
with low capital and operating costs. Unlike traditional
methods, limited by the wet-bulb temperature (𝑡𝑤𝑏), the
M-cycle allows for cooling the working medium down to
the dew point temperature (𝑡𝑑𝑝). This significantly expands
the potential of both the humidification and moisture con-
densation processes [8].
The first units operating on the Maisotsenko cycle were de-
signed for air cooling [9], and only later were technical so-
lutions for water distillation proposed [10]. The schematic
and the diagram of the M-cycle cooling process are shown
in Fig. 1. Due to heat exchange with the adjacent wet chan-
nel, air in the dry channel is cooled to a temperature ap-
proaching the dew point (process 1–2); this cooled air is
then directed into the wet channel, where it moves in a
counterflow or cross-flow pattern relative to the flow in the
dry channel. As it evaporates from the surface of the wet
channel, this air absorbs heat (both sensible and latent) re-
moved from the dry channel (process 3–4). The schematic
and diagram of a single-stage distillation process are shown
in Fig. 2. The apparatus consists of three channels, namely:
a dry channel, a humidification (evaporation) channel, and
a dehumidification (condensation) channel. Air enters at
point 1, passes through the dry channel, and enters the hu-
midification channel at point 2. There, it comes into contact
with water on the wet channel wall, humidifying the air at
point 3 theoretically up to 100%. Subsequently, the moist
air enters the dehumidification channel, where water vapor
condenses due to cooling, and the distilled water is col-
lected at the bottom of the channel. The exhaust air exits
at point 4, and the wastewater is drained at the bottom of
the wet channel.
327
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
Fig. 1. Schematic of one variant of a heat and mass exchanger using the Maisotsenko cycle for air cooling and a psychro-
metric diagram of the thermodynamic process
Fig. 2. Schematic of a single-stage heat and mass exchanger using the Maisotsenko cycle for water distillation and psy-
chrometric diagram of the process
Currently, various designs for distillation and water desali-
nation units based on the Maisotsenko cycle have been de-
veloped. Thermodynamic modeling of three "humidifica-
tion-dehumidification" (HDH) methods conducted in [11]
demonstrated that, compared to direct and indirect HDH
cycles, the Maisotsenko cycle has the potential to reach the
dew point temperature of the inlet air; however, approach-
ing the dew point in practice is problematic and requires
significant channel lengths. According to the research re-
sults, the M-cycle desalination unit is the least energy-in-
tensive among the three considered configurations. In [12],
a thermodynamic analysis of an HDH-based desalination
scheme using the M-cycle and a solar water heater was per-
formed. The primary factors influencing the performance
of the desalination system and its energy consumption
were identified. It was shown that the increase in output
power and the specific energy consumption exhibit oppos-
ing trends in all considered cases. Finally, [13] presents the
mathematical modeling of a hybrid residential cooling and
desalination system based on the Maisotsenko cycle inte-
grated with photovoltaic/thermal (PV/T) solar collectors.
In [14], a solar-powered humidification-dehumidification
(HDH) desalination unit utilizing an M-cycle air humidifier is
proposed and mathematically modeled. A comparative
study demonstrated that the proposed scheme provides a
30% higher fresh water yield, a 46% higher recovery ratio
(RR), and an 11% higher Gained Output Ratio (GOR) com-
pared to a desalination system based on a direct-contact
humidifier. In [15], an indirect evaporation scheme for
wastewater recovery and reuse based on the M-cycle is
considered. A water distillation unit was developed and
tested, featuring a distillation block consisting of three ad-
jacent channels: dry, evaporative, and condensation. Pre-
liminary experiments on this unit enabled assessment of
the new indirect evaporation concept for wastewater re-
covery. The results indicated the necessity of preheating
the feed wastewater to 60°C to increase the water conden-
sate flux. Finally, [16] presents a pilot plant designed for the
simultaneous production of cooling via the M-cycle and
seawater desalination.
328
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
According to the research of Pandelidis et al. [8], the key
advantage of the Maisotsenko cycle distillation process is
that the latent heat of condensation released in the dry
channel is not lost; instead, it is utilized as an energy source
for water evaporation in the wet channel. This ensures high
thermal efficiency (COP) of the process. It is concluded that
the thermodynamic efficiency of the distillation process in
such a system is rooted in this unique heat recovery. The
process takes place in a recuperative heat and mass ex-
changer (HMX) featuring complex flow geometry.
Objective of the work
An analysis of available literature has demonstrated the
promising prospects of utilizing the M-cycle for water dis-
tillation and desalination. This method is characterized by a
simple design, high productivity, and relatively low energy
consumption, which facilitates its integration with renewa-
ble energy sources. Furthermore, it meets stringent water
purification requirements, removing more than 99% of im-
purities—a performance level comparable to common
modern purification methods such as reverse osmosis and
adsorption. The application of renewable energy sources in
conjunction with this method meets contemporary envi-
ronmental safety standards and significantly reduces en-
ergy expenditures. However, despite the potential of this
distillation technique, current findings remain largely theo-
retical; there is a lack of experimental research necessary
for the development of more efficient equipment. The ob-
jective of this work is to develop and test a single-stage wa-
ter distillation apparatus operating according to the M-cy-
cle, featuring a cross-flow configuration and a capillary-
porous structure in the wet channels.
Experimental installation and measuring equipment
To validate the proposed single-stage configuration, a proto-
type unit was developed and tested, which is intended for
use in further research. A critical challenge in traditional
evaporative coolers is the non-uniform wetting of the plates,
which impairs mass transfer intensity within the wet chan-
nels. To overcome this issue, the proposed design incorpo-
rates a capillary-porous structure to facilitate the capillary
rise of water from a bottom reservoir, following the scheme
suggested in [17]. This material ensures rapid water
transport and evaporation, a more uniform moisture distri-
bution across the heat-exchange surface, and lower aerody-
namic resistance in the wet channel compared to conven-
tional nozzle-based (spray) systems. The schematic and
general view of the setup are presented in Figs. 3 and 4.
Fig. 3. Schematic view of a single-stage installation for producing distilled water using the Maisotsenko cycle
Fig. 4. General view of a single-stage installation
329
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
The prototype design follows a single-stage cross-flow con-
figuration, which simplified the manufacturing of compo-
nents via 3D printing and reduced the total cost of the unit.
It nominally consists of two heat and mass exchangers: an
evaporator (HMX No. 1) and a condenser (HMX No. 2). The
channel length (L) for both units is 350 mm, while the equiv-
alent channel diameter 𝑑e and relative length 𝐿/𝑑𝑒 were
3.1 mm and 113, respectively.
During testing of this unit, the air flow rate, temperature, and
relative humidity are measured at key points along the work-
ing circuit, as well as the amount of condensate formed at
the channel outlets. The measurement scheme and flow pa-
rameters are presented in Fig. 5. Air temperature and humid-
ity are measured using the TESTO 605i thermohygrometer,
while the air flow rate is measured with the TESTO 417-2 an-
emometer. The flow rates and Reynolds numbers within the
unit's channels are presented in Table 2.
Fig. 5. Scheme of measurements of operating parameters
Test results
The results of the conceptual testing of the unit are pre-
sented in Table 2. Measurements are carried out under a
laminar flow regime within channels, with an air flow rate
of 14 m³/h and a Reynolds number of 133.4. Future exper-
iments will investigate the influence of Reynolds number,
jointly with the other factors, on the system's performance
characteristics. It was observed that the specific energy
consumption for condensate generation and the resulting
water quality were comparable to those of a vapor-com-
pression system; however, the presented prototype does
not require high-pressure sources and features a signifi-
cantly simpler design with no moving parts.
Table 2. Installation test results
Parameter
Parameter values
At the
unit inlet
HMX No. 1 HMX No. 2
At the wet
channel outlet
At the dry channel
outlet
At the wet
channel outlet
At the dry channel
outlet
Air flow rate, m³/h 14 14 14 14
Air velocity in the channel,
m/s 0.21 0.65 0.21 0.65
Equivalent Reynolds num-
ber, Reeq
133.3 133.3
Air temperature, °C 34 26 15.5 21 14.5
Relative humidity, % 27 95 67 97 94
Humidity ratio, g/kg 9 20.3 7.3 15.2 9.7
Condensate production
rate, m³/h 0.000168
Fan power, W 2
Specific energy consump-
tion, kWh/m³ 11.9
330
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
The condensate production was determined using two dif-
ferent methods: directly (by measuring the quantity of col-
lected condensate), and by calculation, using a psychro-
metric chart based on the temperature and humidity data
at the inlets and outlets of the unit's channels. The discrep-
ancy between these two methods was 2.4%, indicating high
experimental accuracy. The condensate production rate
was approximately 170 g/h. Additionally, the moisture ex-
traction coefficient was calculated, which represents the
fraction of moisture evaporated into the air (within HMX
No. 1) that was successfully recovered as distilled water
(within HMX No. 2):
𝜇𝑠𝑎𝑡 =
𝑑𝑚𝑎𝑥 − 𝑑𝑜𝑢𝑡
𝑑𝑚𝑎𝑥 − 𝑑𝑖𝑛
;
where 𝑑𝑠𝑎𝑡 is the humidity ratio of saturated air at the inlet
temperature (g moisture/kg dry air), 𝑑𝑖𝑛 and 𝑑𝑜𝑢𝑡 are the
humidity ratios of the air stream at the inlet and outlet of
the apparatus, respectively. Calculations showed that this
coefficient is 93.8%, which demonstrates a high efficiency
of moisture condensation within the cooling channels.
The thermodynamic efficiency of the M-cycle unit cell was
evaluated separately for the evaporation block (HMX No. 1)
and the system as a whole (evaporation and condensation)
based on the following relations [17]:
Wet-bulb efficiency
𝜀𝑤𝑏 =
𝑡1 − 𝑡𝑜𝑢𝑡
𝑡1 − 𝑡𝑤𝑏
;
Dew-point efficiency
𝜀𝑑𝑝 =
𝑡1 − 𝑡𝑜𝑢𝑡
𝑡1 − 𝑡𝑑𝑝
.
where 𝑡1 is the inlet air temperature at point 1 (see dia-
gram in Fig. 2); 𝑡𝑤𝑏 and 𝑡𝑑𝑝 are the wet-bulb and dew-point
temperatures of the inlet air, respectively; and 𝑡𝑜𝑢𝑡 is the
outlet air temperature (for HMX No. 1, this corresponds to
the temperature at point 2, and for the system as a whole,
it corresponds to the temperature at point 4; see diagram
in Fig. 2).
The experimental data on thermodynamic efficiency are
presented in Table 3.
Table 3. Thermodynamic efficiency
Parameter
Evaporating
HMX No. 1
Overall system
𝜀𝑤𝑏 1.33 1.4
𝜀𝑑𝑝 0.86 0.9
The experimental data regarding the thermodynamic effi-
ciency of the M-cycle unit cell are presented in Table 3. As
shown, the thermodynamic efficiency of the unit cell, cal-
culated with respect to the wet-bulb temperature, exceeds
unity, which represents a highly significant result for the
fundamental theory and practical applications. Further-
more, the increase in the thermodynamic efficiency of the
overall system (HMX No. 1 + HMX No. 2) compared to HMX
No. 1 alone is 4%. The thermodynamic efficiency of the unit
cell relative to the dew-point temperature is close to unity
and also shows a slight increase due to the installation of
the second stage. Consistent with study [17], these high
thermodynamic performance characteristics were
achieved under a laminar flow regime (Reeq = 133). In [17],
at Reeq = 133, the wet-bulb efficiency εwb was ≈ 1.10, while
the dew-point efficiency εdp was about 0.85. While a further
increase in these parameters is theoretically possible, it
would require a substantial increase in the relative length
of the apparatus, leading to additional energy expendi-
tures.
It should be noted that during experiments, a small portion
of the condensate was found to be retained within the con-
densation channels due to surface tension forces and the
capillary effect, which obstructed the free discharge of the
liquid. This necessitated periodic mechanical removal of
the condensate. To prevent this phenomenon in future de-
signs, the condensation channels should be designed with
sufficiently large cross-sectional dimensions.
Tasks for further research
In future research, multi-stage cross-flow heat and mass ex-
changers (HMXs) will be employed to enhance the distilla-
tion process through staged evaporation and subsequent
condensation. This approach is expected to significantly im-
prove distillation efficiency, boost yield, and reduce specific
energy consumption. A multi-stage system comprising se-
quential cross-flow HMXs can replace a single counter-flow
unit, with evaporation channels oriented perpendicularly
to the cooling and condensation channels. System perfor-
mance can be modulated by adjusting the number of pre-
cooling stages and the number of individual HMX modules.
The channel architecture is designed so that each pre-
cooled stage further reduces the temperature of the sub-
sequent one, facilitating an approach to the dew-point
temperature with minimal pressure drop. Research indi-
cates that cross-flow HMXs offer structural simplicity and
inherent scalability, allowing the system to reach condi-
tions near the dew point—a feat unattainable by single-
stage configurations. Modular scalability enables fine-tun-
ing of efficiency and output for operation across diverse cli-
matic zones. Furthermore, this multi-stage cross-flow con-
figuration ensures high reliability due to its simplified
design and reduced component count. Future studies will
also investigate the integration of hydrophilic and hydro-
phobic materials to facilitate gravity-driven drainage of the
condensate film. The novelty of these technical solutions is
protected by pending intellectual property applications [18,
19].
Conclusions
• This paper presents results of a conceptual study of wa-
ter distillation in a single-stage M-cycle heat and mass
exchanger (HMX) featuring a cross-flow configuration
and a capillary-porous structure in the wet channels.
The findings confirm the high thermodynamic efficiency
of the proposed concept under a laminar flow regime
331
Відновлювана енергетика. № 2/2026 | Гідро-воднева енергетика
within channels. The achieved wet-bulb efficiency is 1.4,
while the dew-point efficiency is 0.9.
• The moisture extraction coefficient obtained is 93.8%,
indicating minimal moisture losses within the appa-
ratus. The overall system productivity is 0.168 L/h with
a specific energy consumption of 11.9 kWh/m3, which
represents a technically viable performance metric.
• A significant influence of surface tension forces and ca-
pillary effects on the removal of condensed moisture
was revealed, imposing a lower limit on the dimensions
of the condensation channels. Consequently, future de-
signs should incorporate hydrophilic and hydrophobic
materials to facilitate the free gravitational drainage of
the condensate film.
• The design of the apparatus is highly manufacturable,
enabling the use of readily available materials and addi-
tive manufacturing (3D printing), which significantly re-
duces capital expenditures (CAPEX) compared to tradi-
tional distillation technologies.
• Future research will focus on the investigation of vari-
ous factors that determine the thermodynamic effi-
ciency and productivity of the single-stage M-cycle heat
and mass exchanger (HMX), such as the channel Reyn-
olds number, inlet temperature, feed solution concen-
tration, and heat and mass transfer enhancement.
Looking ahead, the application of two- and three-stage
HMX configurations is of significant interest, as these
multi-stage schemes will allow a further increase in the
thermodynamic efficiency of the cycle.
This research was conducted as part of the research and
development (R&D) project "Thermophysical Foundations
for Increasing Energy and Environmental Efficiency in Heat
Power Engineering and Power Machine Building Using Tra-
ditional Energy Resources, Renewable Gases, and Solid
Waste," funded by the National Academy of Sciences of
Ukraine from the state budget (Project No. 1.7.1.909), and
within the project of the Department of Targeted Training
of Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute at the National
Academy of Sciences of Ukraine "Heat and Mass Transfer in
the Maisotsenko Apparatus with Capillary-Porous Walls
and New Applications in Power Engineering, Heat Supply,
and Building Ventilation" (Contract No. 2026/TF/01).
REFERENCES
1. World Bank, High and Dry: Climate Change, Water, and
the Economy, Washington, DC: World Bank, 2016.
2. World Bank, WB Confronts US$260 Billion a Year in
Global Economic Losses from Lack of Sanitation,
Washington, DC: World Bank, 2013.
3. Grand View Research, Industrial Water Treatment
Market Size, Share & Trends Analysis Report, 2025-
2033, San Francisco: Grand View Research, 2025.
4. Fortune Business Insights, Desalination Technologies
Market Size, Share & Global Growth Analysis, 2024-
2032, Pune: Fortune Business Insights, 2024.
5. Al-Karaghouli A., Kazmerski L. L., Energy consumption
and water production cost of conventional and
renewable-energy-powered desalination technologies,
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 24,
343-356.
6. Elimelech M., Phillip W. A., The future of seawater
desalination: energy, technology, and the environment,
Science, 2011, 333(6043), 712-717.
7. Curto D., Franzitta V., Guercio A., A review of the water
desalination technologies, Applied Sciences, 2021, 11(2),
670.
8. Pandelidis D., Cicho A., Pacak A., Drąg P., Drąg M.,
Worek W., Cetin S., Water desalination through the
dewpoint evaporative system, Energy Conversion and
Management, 2021, 229, 113757.
9. Maisotsenko V. et al., Method and apparatus of indirect-
evaporation cooling, US Patent 6497107, 2002.
10. Maisotsenko V., Gilan L., Gilan A., Gilan R., Water
desalination method and apparatus, US Patent
8613839, 2013.
11. Mohammed M., Alqahtani N. K., Asfahan H. M., Sultan
M., Evaporation-Assisted Humidification–
Dehumidification Cycles for Desalination Application in
Tropical and Subtropical Regions, Water, 2023, 15,
1125.
12. Aziz M. A., Lin J., Mikšík F., Miyazaki T., Thu K., The
second law analysis of a humidification-
dehumidification desalination system using M-cycle,
Sustainable Energy Technologies and Assessments,
2022, 52, 102141.
13. Wang N., Wang D., Dong J., Wang H., Wang R., Shao L.,
Zhu Y., Performance assessment of PCM-based solar
energy assisted desiccant air conditioning system
combined with a humidification-dehumidification
desalination unit, Desalination, 2020, 496, 114705.
14. Tariq R., Nadeem A., Xamán A. S., Bassam X., An
innovative air saturator for humidification-
dehumidification desalination application, Applied
Energy, 2018, 228, 789-807.
15. Chudnovsky Y., Kozlov A., Integrated Wastewater
Recovery and Reuse via Waste Heat Utilization, ASME
International Mechanical Engineering Congress and
Exposition, Proceedings (IMECE), 2013, V.8.
16. Chen Q., Burhan M., Shahzad M. W., Ybyraiymkul D.,
Akhtar F. H., Ng K. C., Simultaneous production of
cooling and freshwater by an integrated indirect
evaporative cooling and humidification-
dehumidification desalination cycle, Energy Conversion
and Management, 2020, 221, 113169.
17. Stupak O., Khalatov A., Heat and mass transfer in a
novel energy efficient apparatus of M-cycle, Kyiv:
Naukova dumka, 2021, 106 p.
18. Soroka P. et al. (Institute of Engineering Thermophysics),
Apparatus for producing distilled water, Patent
application № a202406214, 2024.
19. Soroka P. et al. (Institute of Engineering Thermophysics),
Apparatus for producing distilled water, Patent
application № u202406215, 2024
|
| id | veorgua-article-638 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-10T01:00:31Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/c0/b9aeaee3e5dcfe495b138d5a8ac2b4c0.pdf |
| spelling | veorgua-article-6382026-07-09T12:14:07Z TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE MAISOTSENKO CYCLE ТЕХНОЛОГІЯ ТА УСТАНОВКА ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ДИСТИЛЬОВАНОЇ ВОДИ ЗА ЦИКЛОМ МАЙСОЦЕНКА Soroka , P. Khalatov , A. Borysov, I. Stupak, O. water distillation; Maisotsenko cycle; single-stage installation; efficiency; productivity. дистиляція води; цикл Майсоценка; однокаскадна установка; ефективність; продуктивність. The global problem of the drinking water shortage is considered, and the main properties of existing water desalination and distillation technologies, based on "humidification-dehumidification" devices, are analyzed. An innovative experimental rig for the distilled water production, based on the Maisotsenko cycle (M-cycle) with a cross-flow scheme, has been developed and tested. The design of a single-stage prototype is described, the test results and energy performance are presented. The possibility of the water condensate production with an energy consumption of 11.9 kWh/m³ is experimentally confirmed. The prospects for the equipment improvement when using the multi-stage distillation scheme are considered.&nbsp; Розглянуто глобальну проблему дефіциту питної води та проаналізовано основні властивості існуючих технологій опріснення та дистиляції води на базі апаратів «зволоження ‒ осушення». Розроблено та випробувано інноваційну експериментальну установку для отримання дистильованої води, що базується на циклі Майсоценка (М-цикл), з перехреснотоковою схемою. Описано конструкцію однокаскадного прототипу, представлено результати його випробувань та енергетичні показники. Експериментально підтверджено можливість отримання конденсату води з енерговитратами 11,9 кВт·год/м³. Розглянуто перспективи удосконалення апарату при використанні багатокаскадних схем дистиляції. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2026-06-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/638 10.36296/1819-8058.2026.2(85).317-331 Vidnovluvana energetika ; No. 2(85) (2026): Scientific and applied Journal renewable energy ; 317-331 Возобновляемая энергетика; № 2(85) (2026): Scientific and applied Journal renewable energy ; 317-331 Відновлювана енергетика; № 2(85) (2026): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 317-331 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2026.2(85) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/638/548 Copyright (c) 2026 Vidnovluvana energetika |
| spellingShingle | water distillation Maisotsenko cycle single-stage installation efficiency productivity. Soroka , P. Khalatov , A. Borysov, I. Stupak, O. TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE MAISOTSENKO CYCLE |
| title | TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE MAISOTSENKO CYCLE |
| title_alt | ТЕХНОЛОГІЯ ТА УСТАНОВКА ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ДИСТИЛЬОВАНОЇ ВОДИ ЗА ЦИКЛОМ МАЙСОЦЕНКА |
| title_full | TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE MAISOTSENKO CYCLE |
| title_fullStr | TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE MAISOTSENKO CYCLE |
| title_full_unstemmed | TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE MAISOTSENKO CYCLE |
| title_short | TECHNOLOGY AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE MAISOTSENKO CYCLE |
| title_sort | technology and installation for the production of distilled water by the maisotsenko cycle |
| topic | water distillation Maisotsenko cycle single-stage installation efficiency productivity. |
| topic_facet | water distillation Maisotsenko cycle single-stage installation efficiency productivity. дистиляція води цикл Майсоценка однокаскадна установка ефективність продуктивність. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/638 |
| work_keys_str_mv | AT sorokap technologyandinstallationfortheproductionofdistilledwaterbythemaisotsenkocycle AT khalatova technologyandinstallationfortheproductionofdistilledwaterbythemaisotsenkocycle AT borysovi technologyandinstallationfortheproductionofdistilledwaterbythemaisotsenkocycle AT stupako technologyandinstallationfortheproductionofdistilledwaterbythemaisotsenkocycle AT sorokap tehnologíâtaustanovkadlâvirobnictvadistilʹovanoívodizaciklommajsocenka AT khalatova tehnologíâtaustanovkadlâvirobnictvadistilʹovanoívodizaciklommajsocenka AT borysovi tehnologíâtaustanovkadlâvirobnictvadistilʹovanoívodizaciklommajsocenka AT stupako tehnologíâtaustanovkadlâvirobnictvadistilʹovanoívodizaciklommajsocenka |