Déshumidification innovante par dessicant solide utilisant des micro-ondes distribuées

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7386 (2023) Citer cet article

1295 Accès

2 citations

3 Altmétrique

Détails des métriques

La déshumidification est l’un des principaux défis auxquels est confrontée l’industrie de la climatisation (AC) dans le traitement de l’air humide. Pendant de nombreuses décennies, le double rôle des échangeurs de chaleur des refroidisseurs AC pour le refroidissement sensible et latent de l'espace a entravé la réduction de l'élévation thermique dans le cycle de réfrigération en raison des exigences d'élimination de la vapeur d'eau au point de rosée et du rejet de chaleur dans l'air ambiant. air. Ces contraintes pratiques des refroidisseurs AC ont abouti à l’amélioration de l’efficacité énergétique des compresseurs mécaniques de vapeur (MVC) depuis de nombreuses décennies. Une approche prometteuse pour améliorer l’efficacité énergétique consiste à dissocier la déshumidification des processus sensibles afin que des processus innovants mais distincts puissent être appliqués. Dans cet article, une méthode avancée de déshumidification par micro-ondes est étudiée en laboratoire, où l'énergie des micro-ondes (2,45 GHz) peut être irradiée sur la structure dipolaire des molécules de vapeur d'eau, se désorbant rapidement des pores de l'adsorbant. Les résultats montrent une amélioration significative des performances de déshumidification par micro-ondes, jusqu'à quatre fois supérieure, par rapport aux données disponibles dans la littérature.

La déshumidification consiste à éliminer la vapeur d'eau de l'air pour maintenir le confort humain et un environnement sain (humidité relative (HR) entre 40 % et 60 %)1,2,3,4. Actuellement, la déshumidification est assurée en refroidissant le flux d'air jusqu'à son point de rosée pour condenser la vapeur d'eau à l'aide d'un refroidisseur AC à double rôle5 ; et les refroidisseurs AC refroidis par air ont atteint leur limite de performance asymptotique, de 0,7 à 0,85 kW/Rton (équivalent à un coefficient de performance (COP)6 de 4 à 5)7. Une grande partie de la littérature sur les fabricants de refroidisseurs indique que le faible kW/Rton est attribué aux conditions des tests d'acceptation ignorant la consommation électrique induite par les longues pertes dans les canalisations d'eau glacée5. L'une des solutions pour améliorer les performances de la climatisation consiste à dissocier la déshumidification du refroidissement sensible, permettant ainsi l'incorporation de nouvelles méthodes de déshumidification. Il est bien connu que les micro-ondes peuvent désorber les molécules d'eau de l'adsorbant ou du sorbant. Par conséquent, le mécanisme est utilisé dans la déshumidification par micro-ondes, qui est une méthode émergente respectueuse de l’environnement. Dans la déshumidification par micro-ondes, l'air est déshumidifié en raison de l'attraction des molécules d'eau sur la surface des pores d'un adsorbant solide (dessicant) par physiosorption (adsorption physique)8,9,10,11, une caractéristique des faibles forces de Van der Walls12,13. ,14,15. Lorsque les pores de l'adsorbant sont saturés d'eau, la désorption (élimination de l'eau) assistée par micro-ondes commence et l'air très humide est expulsé. Le processus est présenté schématiquement sur les figures 1a, b.

Représentation schématique de la déshumidification par micro-ondes. (a) Déshumidification du flux d'air par adsorption de la vapeur d'eau de l'air humide sur la surface des pores de l'adsorbant en raison des forces de Van der Walls. Les molécules d'azote et d'oxygène présentes dans l'air sont très peu attirées à la pression et à la température ambiantes ; (b) Désorption de la vapeur d'eau des pores de l'adsorbant en raison de l'irradiation par l'énergie micro-onde, où l'énergie micro-onde (excitée par oscillation) est directement délivrée aux molécules d'eau polaires adsorbées. Les molécules d’eau et d’air désorbées n’adsorbent presque pas l’énergie des micro-ondes car elles peuvent se déplacer librement à l’état gazeux. La désorption par micro-ondes est nécessaire pour retrouver la capacité de l'adsorbant à attirer les molécules d'eau.

À partir de la littérature disponible, Roussy et Chenot ont démontré le premier processus de déshumidification par micro-ondes avec un guide d'onde monomode en 198116. Ils ont présenté la dépendance de la température du dessicant sur le champ électrique16. Par ailleurs, Roussy et al. proposé un modèle pour représenter la cinétique rapide de désorption par micro-ondes17. La plupart des recherches menées au cours des 40 dernières années ont porté sur le développement de la méthode de désorption assistée par micro-ondes avec de petits volumes16,17,18,19,20,21,22. L’investigation a notamment été étendue à différents adsorbants (alumine activée, zéolite et gel de silice)18. De nombreux avantages de la désorption par micro-ondes ont été révélés, tels que le transfert d’énergie plus efficace que le transport d’énergie par convection23 et la désorption à basse température grâce au transport direct d’énergie24. Cependant, un paramètre critique tel que le COP était généralement omis dans la littérature. De plus, aucune valeur de puissance électrique n’a été fournie ; à la place, la puissance des micro-ondes était affichée. Par conséquent, le coefficient de performance des micro-ondes (MCOP) a été introduit, qui peut servir de plate-forme pour comparer différents systèmes de déshumidification par micro-ondes. La MCOP peut être calculée en utilisant la puissance des micro-ondes, la durée de l'exposition aux micro-ondes et la quantité d'eau désorbée. Les valeurs calculées de MCOP pour d'autres auteurs étaient extrêmement faibles, comme le résume le tableau 1. Les performances du système dépendent de la propagation uniforme du champ électrique25, de la géométrie de la chambre à micro-ondes, de la durée d'irradiation par micro-ondes, du type d'irradiation (continue, pulsée). ), et la quantité de puissance réfléchie. Un système de chambre multimode similaire à un four domestique a été utilisé pour la désorption19. De plus, le rotor déshydratant fixe recouvert de zéolite a été régénéré à l'aide de méthodes de désorption par micro-ondes et par variations de température, mais les performances étaient faibles, avec un MCOP d'environ 0,2221,22.