Desumidificação inovadora de dessecante sólido usando microondas distribuídas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7386 (2023) Citar este artigo

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A desumidificação é um dos principais desafios enfrentados pela indústria de ar condicionado (AC) no tratamento do ar úmido. Ao longo de muitas décadas, o duplo papel dos trocadores de calor dos chillers AC para o resfriamento sensível e latente do espaço tem dificultado a redução da elevação térmica no ciclo de refrigeração devido aos requisitos de remoção de vapor de água no ponto de orvalho e rejeição de calor para o ambiente. ar. Essas restrições práticas dos chillers AC resultaram no nivelamento da eficiência energética dos compressores mecânicos de vapor (MVC) por muitas décadas. Uma abordagem promissora para a melhoria da eficiência energética é a dissociação da desumidificação dos processos sensatos, para que possam ser aplicados processos inovadores mas separados. Neste artigo, um método avançado de desumidificação por micro-ondas é investigado em laboratório, onde a energia de micro-ondas (2,45 GHz) pode ser irradiada na estrutura dipolo das moléculas de vapor d'água, dessorvendo rapidamente dos poros do adsorvente. Os resultados mostram uma melhoria significativa no desempenho da desumidificação por microondas, até quatro vezes maior, em comparação com os dados disponíveis na literatura.

A desumidificação é a remoção do vapor de água do ar para manter o conforto humano e um ambiente saudável (umidade relativa (UR) de 40%-60%)1,2,3,4. Atualmente, a desumidificação é fornecida pelo resfriamento da corrente de ar até seu ponto de orvalho para condensar o vapor de água usando um resfriador AC de dupla função5; e os chillers AC resfriados a ar atingiram seu limite de desempenho assintótico, 0,7–0,85 kW/Rton (equivalente a um coeficiente de desempenho (COP)6 de 4–5)7. Muita literatura sobre fabricantes de resfriadores cita que o baixo kW/Rton é atribuído às condições de teste de aceitação que ignoram o consumo de eletricidade incorrido por longas perdas na tubulação de água resfriada5. Uma das soluções para melhorar o desempenho da AC é dissociar a desumidificação do resfriamento sensível, permitindo assim a incorporação de novos métodos de desumidificação. É bem conhecido que as microondas podem dessorver moléculas de água do adsorvente ou sorvente. Portanto, o mecanismo é usado na desumidificação por microondas, que é um método emergente e ecologicamente correto. Na desumidificação por microondas, o ar torna-se desumidificado devido à atração de moléculas de água sobre uma superfície de poro adsorvente sólido (dessecante) por fisiossorção (adsorção física)8,9,10,11, uma característica das forças fracas de Van der Walls12,13 ,14,15. Quando os poros adsorventes estão saturados com água, a dessorção assistida por micro-ondas (remoção de água) é iniciada e o ar altamente úmido é eliminado. O processo é apresentado esquematicamente na Fig. 1a, b.

Representação esquemática da desumidificação por microondas. (a) Desumidificação da corrente de ar por adsorção de vapor de água do ar úmido na superfície dos poros do adsorvente devido às forças de Van der Walls. As moléculas de nitrogênio e oxigênio no ar são muito pouco atraídas à pressão e temperatura ambiente; (b) Dessorção de vapor de água dos poros do adsorvente devido à irradiação por energia de micro-ondas, onde a energia de micro-ondas (energizada por oscilação) é diretamente entregue às moléculas polares de água adsorvidas. Moléculas de água e moléculas de ar dessorvidas quase não adsorvem energia de micro-ondas, pois podem se mover livremente no estado gasoso. A dessorção por microondas é necessária para recuperar a capacidade do adsorvente de atrair moléculas de água.

A partir da literatura disponível, Roussy e Chenot demonstraram o primeiro processo de desumidificação por microondas com guia de onda monomodo em 198116. Eles apresentaram a dependência da temperatura do dessecante no campo elétrico16. Além disso, Roussy et al. propuseram um modelo para representar a cinética rápida de dessorção de microondas . A maior parte das pesquisas nos últimos 40 anos concentrou-se no desenvolvimento do método de dessorção assistida por microondas com pequenos volumes . Notavelmente, a investigação foi ampliada com diferentes adsorventes (alumina ativada, zeólita e sílica gel)18. Muitas vantagens da dessorção por microondas foram reveladas, como a transferência de energia de forma mais eficiente do que o transporte de energia por convecção e a dessorção a baixas temperaturas devido ao transporte direto de energia . No entanto, um parâmetro crítico como o COP era geralmente omitido na literatura. Além disso, não foram fornecidos valores de energia elétrica; em vez disso, foi mostrada a potência do micro-ondas. Portanto, foi introduzido o coeficiente de desempenho de microondas (MCOP), que pode ser a plataforma para comparar diferentes sistemas de desumidificação por microondas. O MCOP pode ser calculado usando a potência das microondas, a duração da exposição às microondas e a quantidade de água dessorvida. Os valores de MCOP calculados por outros autores foram extremamente baixos, conforme resumido na Tabela 1. O desempenho do sistema depende da propagação uniforme do campo elétrico25, da geometria da câmara de micro-ondas, do tempo de irradiação de micro-ondas, do tipo de irradiação (contínua, pulsada ) e a quantidade de potência refletida. Um sistema de câmara multimodo semelhante a um forno doméstico foi utilizado para dessorção . Além disso, o rotor dessecante fixo revestido com zeólita foi regenerado usando métodos de dessorção por micro-ondas e oscilação de temperatura, mas o desempenho foi baixo, com MCOP em torno de 0,2221,22.