Инновационное осушение твердыми осушителями с использованием распределенных микроволн.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7386 (2023) Цитировать эту статью

1295 Доступов

2 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Осушение является одной из ключевых задач, стоящих перед индустрией кондиционирования воздуха (AC) при обработке влажного воздуха. На протяжении многих десятилетий двойная роль теплообменников чиллеров переменного тока для явного и скрытого охлаждения помещений препятствовала снижению теплового подъема в холодильном цикле из-за требований удаления водяного пара в точке росы и отвода тепла в окружающую среду. воздух. Эти практические ограничения чиллеров переменного тока привели к выравниванию энергоэффективности механических паровых компрессоров (MVC) на многие десятилетия. Одним из многообещающих подходов к повышению энергоэффективности является отделение осушения от разумных процессов, чтобы можно было применять инновационные, но отдельные процессы. В этой статье в лаборатории исследуется усовершенствованный метод микроволнового осушения, при котором микроволновая энергия (2,45 ГГц) может облучаться дипольной структурой молекул водяного пара, быстро десорбируясь из пор адсорбента. Результаты показывают значительное улучшение производительности микроволнового осушения, вплоть до четырех раз, по сравнению с данными, доступными в литературе.

Осушение – это удаление водяных паров из воздуха для поддержания комфорта человека и здоровой окружающей среды (относительная влажность (ОВ) 40–60%)1,2,3,4. В настоящее время осушение обеспечивается путем охлаждения воздушного потока до точки росы для конденсации водяного пара с использованием двойного охладителя переменного тока5; а чиллеры переменного тока с воздушным охлаждением достигли асимптотического предела производительности, 0,7–0,85 кВт/Ртонна (что эквивалентно коэффициенту полезного действия (COP)6, равному 4–5)7. Во многих публикациях, посвященных производителям чиллеров, низкий уровень кВт/Ртонн объясняется условиями приемочных испытаний, в которых игнорируется потребление электроэнергии, вызванное длинными потерями в трубопроводах охлажденной воды5. Одним из решений по улучшению производительности кондиционеров является отделение осушения от разумного охлаждения, что позволит использовать новые методы осушения. Хорошо известно, что микроволны способны десорбировать молекулы воды с адсорбента или сорбента. Поэтому этот механизм используется в микроволновом осушивании, которое является новым экологически чистым методом. При микроволновом осушении воздух осушается за счет притяжения молекул воды к поверхности пор твердого адсорбента (осушителя) путем физиосорбции (физической адсорбции)8,9,10,11, что является характеристикой слабых сил Ван-дер-Воллса12,13. ,14,15. При насыщении пор адсорбента водой начинается микроволновая десорбция (удаление воды) и выдувается сильно влажный воздух. Схематически процесс представлен на рис. 1а,б.

Схематическое изображение микроволнового осушения. (а) Осушение воздушного потока за счет адсорбции водяного пара из влажного воздуха на поверхность пор адсорбента за счет сил Ван-дер-Вальса. Молекулы азота и кислорода в воздухе очень мало притягиваются при окружающем давлении и температуре; (б) Десорбция водяного пара из пор адсорбента за счет облучения микроволновой энергией, при которой микроволновая энергия (подаваемая за счет колебаний) непосредственно доставляется к полярно адсорбированным молекулам воды. Десорбированные молекулы воды и молекулы воздуха практически не адсорбируют микроволновую энергию, поскольку могут свободно перемещаться в газообразном состоянии. Микроволновая десорбция необходима для восстановления способности адсорбента притягивать молекулы воды.

Из доступной литературы Русси и Шено продемонстрировали первый процесс микроволнового осушения с помощью одномодового волновода в 1981 году16. Они представили зависимость температуры осушителя от электрического поля16. Более того, Русси и др. предложил модель для представления быстрой кинетики микроволновой десорбции17. Большая часть исследований в течение 40 лет была сосредоточена на разработке метода микроволновой десорбции малых объемов16,17,18,19,20,21,22. Примечательно, что исследование было расширено с использованием различных адсорбентов (активированного оксида алюминия, цеолита и силикагеля)18. Были выявлены многие преимущества микроволновой десорбции, такие как более эффективная передача энергии по сравнению с конвекционным переносом энергии23 и десорбция при низких температурах за счет прямого переноса энергии24. Однако такой критический параметр, как COP, в литературе обычно опускается. Кроме того, не были предоставлены значения электрической мощности; вместо этого была показана микроволновая мощность. Поэтому был введен коэффициент эффективности микроволнового излучения (MCOP), который может стать платформой для сравнения различных систем микроволнового осушения. MCOP можно рассчитать, используя мощность микроволнового излучения, продолжительность микроволнового воздействия и количество десорбированной воды. Рассчитанные значения MCOP у других авторов оказались крайне низкими, что отражено в таблице 1. Производительность системы зависит от равномерности распространения электрического поля25, геометрии СВЧ-камеры, времени СВЧ-облучения, типа облучения (непрерывное, импульсное ) и величину отраженной мощности. Для десорбции использовалась многорежимная камерная система, похожая на домашнюю духовку19. Кроме того, фиксированный осушающий ротор с цеолитовым покрытием был регенерирован с использованием методов микроволновой десорбции и десорбции с колебанием температуры, но производительность была низкой: MCOP около 0,2221,22.