Inovadora desumidificação de dessecante sólido usando micro-ondas distribuídas

Dec 11, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 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 de ar úmido. Ao longo de muitas décadas, a dupla função dos trocadores de calor dos chillers AC para o resfriamento sensível e latente do espaço impediu a redução do aumento térmico no ciclo de refrigeração devido aos requisitos de remoção de vapor de água no ponto de orvalho e rejeição de calor ao ambiente ar. Essas restrições práticas dos chillers CA 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 sensíveis, de modo que processos inovadores, mas separados, possam ser aplicados. 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 de água, dessorvendo-se rapidamente dos poros do adsorvente. Os resultados mostram uma melhora significativa no desempenho da desumidificação por micro-ondas, em até quatro vezes, em relação aos 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) a 40%-60%)1,2,3,4. Atualmente, a desumidificação é fornecida resfriando a corrente de ar até seu ponto de orvalho para condensar o vapor de água usando um resfriador AC de função dupla5; e chillers CA refrigerados 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 chillers cita que o baixo kW/Rton é atribuído a condições de teste de aceitação, ignorando o consumo de eletricidade incorrido por longas perdas na tubulação de água gelada5. Uma das soluções para melhorar o desempenho do AC é desacoplar a desumidificação do resfriamento sensível, permitindo assim a incorporação de novos métodos de desumidificação. É bem conhecido que as micro-ondas podem dessorver moléculas de água do adsorvente ou sorvente. Portanto, o mecanismo é usado na desumidificação por micro-ondas, que é um método emergente e ecológico. Na desumidificação por micro-ondas, o ar torna-se desumidificado devido à atração de moléculas de água em uma superfície de poro adsorvente sólido (dessecante) por fisiossorção (adsorção física)8,9,10,11, uma característica de forças fracas de Van der Walls12,13 ,14,15. Quando os poros do adsorvente estão saturados com água, inicia-se a dessorção assistida por micro-ondas (remoção de água) e o ar altamente úmido é expelido. O processo é esquematicamente apresentado na Fig. 1a,b.

Representação esquemática da desumidificação por micro-ondas. (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. Moléculas de nitrogênio e oxigênio no ar são muito pouco atraídas à pressão e temperatura ambientes; (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 dessorvidas e moléculas de ar quase não adsorvem energia de micro-ondas, pois podem se mover livremente no estado gasoso. A dessorção por micro-ondas 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 micro-ondas com um 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 por micro-ondas17. A maior parte da pesquisa em 40 anos concentrou-se no desenvolvimento do método de dessorção assistida por micro-ondas com pequenos volumes16,17,18,19,20,21,22. Notavelmente, a investigação foi estendida com diferentes adsorventes (alumina ativada, zeólita e gel de sílica)18. Muitas vantagens da dessorção por micro-ondas foram reveladas, como a transferência de energia de forma mais eficiente do que o transporte de energia por convecção23 e a dessorção a baixas temperaturas devido ao transporte direto de energia24. No entanto, um parâmetro crítico como o COP foi geralmente omitido na literatura. Além disso, não foram fornecidos valores de potência elétrica; em vez disso, a potência do micro-ondas foi mostrada. Portanto, foi introduzido o coeficiente de desempenho de micro-ondas (MCOP), que pode ser a plataforma para comparar diferentes sistemas de desumidificação por micro-ondas. O MCOP pode ser calculado usando a potência de micro-ondas, a duração da exposição a micro-ondas 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 do micro-ondas, do tipo de irradiação (contínua, pulsada ) e a quantidade de energia refletida. Um sistema de câmara multimodo semelhante a um forno doméstico foi usado para dessorção19. 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.