Innovativa deumidificazione essiccante solida mediante microonde distribuite

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7386 (2023) Citare questo articolo

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La deumidificazione è una delle sfide chiave che l'industria del condizionamento dell'aria (AC) deve affrontare nel trattamento dell'aria umida. Per molti decenni, il duplice ruolo degli scambiatori di calore dei refrigeratori AC per il raffreddamento sensibile e latente degli ambienti ha ostacolato la riduzione del sollevamento termico nel ciclo di refrigerazione a causa dei requisiti di rimozione del vapore acqueo al punto di rugiada e di smaltimento del calore nell'ambiente. aria. Questi vincoli pratici dei refrigeratori AC hanno portato per molti decenni al livellamento dell’efficienza energetica dei compressori meccanici di vapore (MVC). Un approccio promettente al miglioramento dell’efficienza energetica è il disaccoppiamento della deumidificazione dai processi sensibili in modo da poter applicare processi innovativi ma separati. In questo articolo viene studiato un metodo avanzato di deumidificazione a microonde in laboratorio, in cui l'energia delle microonde (2,45 GHz) può essere irradiata sulla struttura dipolare delle molecole di vapore acqueo, desorbendo rapidamente dai pori dell'adsorbente. I risultati mostrano un miglioramento significativo delle prestazioni della deumidificazione a microonde, fino a quattro volte, rispetto ai dati disponibili in letteratura.

La deumidificazione è la rimozione del vapore acqueo dall'aria per mantenere il comfort umano e un ambiente sano (umidità relativa (RH) al 40%-60%)1,2,3,4. Attualmente, la deumidificazione viene fornita raffreddando il flusso d'aria al punto di rugiada per condensare il vapore acqueo utilizzando un refrigeratore AC a doppio ruolo5; e i refrigeratori AC raffreddati ad aria hanno raggiunto il limite di prestazione asintotico, 0,7–0,85 kW/Rton (equivalente a un coefficiente di prestazione (COP)6 di 4–5)7. Gran parte della letteratura sui produttori di refrigeratori cita che i bassi kW/Rton sono attribuiti alle condizioni dei test di accettazione che ignorano il consumo di elettricità sostenuto da lunghe perdite nelle tubazioni dell'acqua refrigerata5. Una delle soluzioni per migliorare le prestazioni dell’aria condizionata è quella di disaccoppiare la deumidificazione dal raffreddamento sensibile, consentendo così l’incorporazione di nuovi metodi di deumidificazione. È noto che le microonde possono desorbire le molecole d'acqua dall'adsorbente o dall'assorbente. Pertanto, il meccanismo viene utilizzato nella deumidificazione a microonde, che è un metodo emergente rispettoso dell'ambiente. Nella deumidificazione a microonde, l'aria viene deumidificata a causa dell'attrazione delle molecole d'acqua su una superficie solida dei pori adsorbenti (essiccante) mediante fisioassorbimento (adsorbimento fisico)8,9,10,11, una caratteristica delle deboli forze di Van der Walls12,13 ,14,15. Quando i pori dell'adsorbente sono saturi d'acqua, inizia il desorbimento assistito da microonde (rimozione dell'acqua) e l'aria altamente umida viene eliminata. Il processo è presentato schematicamente in Fig. 1a,b.

Rappresentazione schematica della deumidificazione a microonde. (a) Deumidificazione del flusso d'aria mediante adsorbimento del vapore acqueo dall'aria umida sulla superficie dei pori dell'adsorbente a causa delle forze di Van der Walls. Le molecole di azoto e ossigeno nell'aria sono attratte molto poco a pressione e temperatura ambiente; (b) Desorbimento del vapore acqueo dai pori dell'adsorbente dovuto all'irradiazione mediante energia a microonde, dove l'energia a microonde (energizzata mediante oscillazione) viene erogata direttamente alle molecole d'acqua polari adsorbite. Le molecole d'acqua desorbite e le molecole d'aria quasi non assorbono l'energia delle microonde poiché possono muoversi liberamente allo stato gassoso. Il desorbimento a microonde è necessario per riacquistare la capacità dell'adsorbente di attrarre le molecole d'acqua.

Dalla letteratura disponibile, Roussy e Chenot hanno dimostrato il primo processo di deumidificazione a microonde con una guida d'onda monomodale nel 198116. Hanno presentato la dipendenza della temperatura dell'essiccante dal campo elettrico16. Inoltre, Roussy et al. ha proposto un modello per rappresentare la cinetica veloce del desorbimento delle microonde17. La maggior parte della ricerca negli ultimi 40 anni si è concentrata sullo sviluppo del metodo di desorbimento assistito da microonde con piccoli volumi16,17,18,19,20,21,22. In particolare, l'indagine è stata estesa con diversi adsorbenti (allumina attivata, zeolite e gel di silice)18. Sono stati rivelati molti vantaggi del desorbimento a microonde, come il trasferimento di energia in modo più efficiente rispetto al trasporto di energia per convezione23 e il desorbimento a basse temperature grazie al trasporto diretto di energia24. Tuttavia, un parametro critico come il COP veniva solitamente omesso in letteratura. Inoltre non sono stati forniti i valori della potenza elettrica; invece, veniva mostrata la potenza del microonde. Pertanto è stato introdotto il coefficiente di prestazione delle microonde (MCOP), che può costituire la piattaforma per confrontare diversi sistemi di deumidificazione a microonde. L'MCOP può essere calcolato utilizzando la potenza delle microonde, la durata dell'esposizione alle microonde e la quantità di acqua desorbita. I valori di MCOP calcolati per altri autori erano estremamente bassi, come riassunto nella Tabella 1. Le prestazioni del sistema dipendono dalla propagazione uniforme del campo elettrico25, dalla geometria della camera delle microonde, dal tempo di irraggiamento delle microonde, dal tipo di irraggiamento (continuo, pulsato ) e la quantità di potenza riflessa. Per il desorbimento è stato utilizzato un sistema a camera multimodale simile a un forno domestico19. Inoltre, il rotore essiccante fisso rivestito di zeolite è stato rigenerato utilizzando metodi di desorbimento a microonde e oscillazione della temperatura, ma le prestazioni erano basse, con MCOP intorno a 0,2221,22.