Innovative Trockenmittelentfeuchtung mittels verteilter Mikrowellen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7386 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Entfeuchtung ist eine der größten Herausforderungen für die Klimatechnikbranche bei der Aufbereitung feuchter Luft. Über viele Jahrzehnte hat die Doppelfunktion der Wärmetauscher von Wechselstromkühlern für die sensible und latente Raumkühlung die Reduzierung des thermischen Auftriebs im Kühlkreislauf aufgrund der Anforderungen der Wasserdampfentfernung am Taupunkt und der Wärmeabgabe an die Umgebung behindert Luft. Diese praktischen Einschränkungen von Wechselstromkühlern haben über viele Jahrzehnte hinweg dazu geführt, dass die Energieeffizienz mechanischer Dampfkompressoren (MVC) angeglichen wurde. Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Energieeffizienz ist die Entkopplung der Luftentfeuchtung von sinnvollen Prozessen, sodass innovative, aber getrennte Prozesse eingesetzt werden können. In dieser Arbeit wird eine fortschrittliche Mikrowellen-Entfeuchtungsmethode im Labor untersucht, bei der Mikrowellenenergie (2,45 GHz) auf die Dipolstruktur von Wasserdampfmolekülen gestrahlt werden kann, die schnell aus den Poren des Adsorptionsmittels desorbieren. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung der Leistung der Mikrowellen-Entfeuchtung, bis zu viermal im Vergleich zu den in der Literatur verfügbaren Daten.

Unter Entfeuchtung versteht man die Entfernung von Wasserdampf aus der Luft, um das menschliche Wohlbefinden und eine gesunde Umwelt (relative Luftfeuchtigkeit (RH) bei 40–60 %) aufrechtzuerhalten1,2,3,4. Gegenwärtig erfolgt die Entfeuchtung durch Abkühlung des Luftstroms auf seinen Taupunkt, um Wasserdampf mithilfe eines AC-Kühlers mit Doppelfunktion zu kondensieren5; und luftgekühlte Wechselstromkühler haben ihre asymptotische Leistungsgrenze von 0,7–0,85 kW/Rton erreicht (entspricht einem Leistungskoeffizienten (COP)6 von 4–5)7. In der Literatur zu Kältemaschinenherstellern wird häufig darauf hingewiesen, dass niedrige kW/Rton auf Abnahmetestbedingungen zurückzuführen sind, wobei der Stromverbrauch, der durch lange Kaltwasserleitungsverluste entsteht, außer Acht gelassen wird5. Eine der Lösungen zur Verbesserung der Leistung von Klimaanlagen besteht darin, die Entfeuchtung von der sensiblen Kühlung zu entkoppeln und so die Integration neuer Entfeuchtungsmethoden zu ermöglichen. Es ist allgemein bekannt, dass Mikrowellen Wassermoleküle aus Adsorbens oder Sorptionsmittel desorbieren können. Daher wird der Mechanismus bei der Mikrowellen-Entfeuchtung eingesetzt, einer neuen umweltfreundlichen Methode. Bei der Mikrowellentfeuchtung wird die Luft durch die Anziehung von Wassermolekülen auf die Porenoberfläche eines festen Adsorptionsmittels (Trockenmittels) durch Physiosorption (physikalische Adsorption) entfeuchtet8,9,10,11, ein Merkmal schwacher Van-der-Walls-Kräfte12,13 ,14,15. Wenn die Poren des Adsorptionsmittels mit Wasser gesättigt sind, wird die mikrowellenunterstützte Desorption (Entfernung von Wasser) eingeleitet und stark feuchte Luft wird ausgeblasen. Der Prozess ist in Abb. 1a,b schematisch dargestellt.

Schematische Darstellung der Mikrowellentfeuchtung. (a) Entfeuchtung des Luftstroms durch Adsorption von Wasserdampf aus der feuchten Luft auf der Porenoberfläche des Adsorptionsmittels aufgrund von Van-der-Walls-Kräften. Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in der Luft werden bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur nur sehr wenig angezogen; (b) Desorption von Wasserdampf aus Poren des Adsorptionsmittels aufgrund der Bestrahlung mit Mikrowellenenergie, wobei Mikrowellenenergie (durch Oszillieren angeregt) direkt an polar adsorbierte Wassermoleküle abgegeben wird. Desorbierte Wassermoleküle und Luftmoleküle absorbieren nahezu keine Mikrowellenenergie, da sie sich im Gaszustand frei bewegen können. Um die Fähigkeit des Adsorbens, Wassermoleküle anzuziehen, wiederherzustellen, ist eine Mikrowellendesorption erforderlich.

Aus der verfügbaren Literatur demonstrierten Roussy und Chenot 1981 den ersten Mikrowellen-Entfeuchtungsprozess mit einem Einmoden-Wellenleiter16. Sie präsentierten die Abhängigkeit der Trockenmitteltemperatur vom elektrischen Feld16. Darüber hinaus haben Roussy et al. schlugen ein Modell zur Darstellung der schnellen Kinetik der Mikrowellendesorption vor17. Der Großteil der Forschung innerhalb von 40 Jahren konzentrierte sich auf die Entwicklung der mikrowellenunterstützten Desorptionsmethode mit kleinen Volumina16,17,18,19,20,21,22. Bemerkenswerterweise wurde die Untersuchung mit verschiedenen Adsorbentien (aktiviertes Aluminiumoxid, Zeolith und Kieselgel)18 erweitert. Es zeigten sich viele Vorteile der Mikrowellendesorption, wie z. B. eine effizientere Energieübertragung als der Energietransport durch Konvektion23 und die Desorption bei niedrigen Temperaturen aufgrund des direkten Energietransports24. Ein kritischer Parameter wie der COP wurde in der Literatur jedoch meist weggelassen. Darüber hinaus wurden keine elektrischen Leistungswerte angegeben; Stattdessen wurde Mikrowellenleistung angezeigt. Daher wurde der Mikrowellen-Leistungskoeffizient (MCOP) eingeführt, der als Plattform für den Vergleich verschiedener Mikrowellen-Entfeuchtungssysteme dienen kann. MCOP kann anhand der Mikrowellenleistung, der Mikrowellen-Expositionsdauer und der desorbierten Wassermenge berechnet werden. Die berechneten MCOP-Werte für andere Autoren waren extrem niedrig, wie in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Leistung des Systems hängt von der gleichmäßigen Ausbreitung des elektrischen Feldes25, der Geometrie der Mikrowellenkammer, der Mikrowellenbestrahlungszeit und der Art der Bestrahlung (kontinuierlich, gepulst) ab ) und der reflektierten Leistungsmenge. Für die Desorption wurde ein Multimode-Kammersystem ähnlich einem Haushaltsofen verwendet19. Darüber hinaus wurde der feststehende, mit Zeolith beschichtete Trockenmittelrotor mithilfe von Mikrowellen- und Temperaturwechseldesorptionsmethoden regeneriert, die Leistung war jedoch gering, mit einem MCOP von etwa 0,2221,22.

Trotz jahrzehntelanger Forschung zur Mikrowellentfeuchtung haben wir eine Wissenslücke entdeckt, die ihre Entwicklung behinderte. Dies hängt damit zusammen, dass sich der Forschungsschwerpunkt im letzten halben Jahrhundert auf die Weiterentwicklung von Methoden mit kleinen Stichproben verengt hat. Die Beschränkung der Forschung auf kleine Einmoden-Hohlräume ist auf die gleichmäßige Verteilung des elektrischen Feldes zurückzuführen, die zur Vernachlässigung hemmender Faktoren wie geringer Leistung führte. Bisher wurden die meisten Experimente mit Waagen unter 160 g und einem Volumen von 1 L durchgeführt16,17,18,19,20,21,22. Folglich wurden nicht alle Laborstudien zur Entfeuchtung der Luft auf Pilotniveau entwickelt. Eine Vergrößerung des Labormaßstabs kann zu einer ungleichmäßigen Verteilung des elektrischen Feldes, einer Erwärmung schmaler Abschnitte (nahe der Oberfläche) und folglich zu einem Rückgang der Effizienz führen25. Um ein leistungsstarkes Pilotsystem zu erreichen, mussten die folgenden kritischen Einschränkungen gelöst werden: (I) Interne Entropieerzeugung aufgrund unbeheizter Bereiche (die Ungleichmäßigkeit des elektrischen Feldes); (II) Enorme Energieverschwendung (eine starke Reflexion der Mikrowellenleistung); (III) Übermäßige Mikrowellenbestrahlungszeit.

In dieser Arbeit haben wir experimentell gezeigt, dass 97–99,5 % der eingestrahlten Mikrowellenleistung effizient genutzt werden können, wodurch sich die Leistung erstmals in einem Pilotprojekt im Labormaßstab um das Vierfache steigert. Durch die Optimierung konnten wir die reflektierte Leistung auf 0,5–3 % der Mikrowellen-Eingangsleistung reduzieren und die Mikrowellen homogen verteilen. Die wichtigsten Neuerungen sind folgende: (a) Ein rotierender Reflektor mit angebrachtem Waben-Trockenmittel wurde vorgeschlagen; es sorgt für eine gleichmäßigere Verteilung des elektrischen Feldes und verhindert eine Überhitzung des Trockenmittels; (b) ein neuer Optimierungsansatz wurde vorgeschlagen, um die reflektierte Mikrowellenleistung und unbeheizte Bereiche zu verringern; (c) Die Auswirkungen der Mikrowellenbestrahlungszeit und der Wärmerückgewinnung auf den COP wurden experimentell bewertet. Das vorgeschlagene Entfeuchtungssystem mit optimierter Struktur und Betriebsparametern wird dazu beitragen, alle oben genannten Einschränkungen zu überwinden und nachhaltige grüne Entfeuchtungsziele zu erreichen. Wir hoffen, dass unsere Arbeit dazu beitragen wird, Mikrowellenprozesse weiter zu modellieren und neue Technologien zu entwickeln. Eine detaillierte Erläuterung des Systems finden Sie in den folgenden Abschnitten.

Die Entwicklung der Mikrowellenentfeuchtung erfolgte bisher unter Vernachlässigung der Leistung, daher konzentrierten sich numerische Optimierungen und Experimente stark auf die Leistung. Als Trockenmittelrad wurde das mit Kieselgel beschichtete Trockenmittelrad vom Typ RD mit Wabenstruktur verwendet. Der Durchmesser des Rades betrug 0,448 m, die Höhe betrug 0,4 m, die Dichte des Verbundmaterials betrug 668 kg/m3, das Volumen einschließlich Hohlräume betrug 0,063 m3 und die Trockenmasse des Trockenmittelrades betrug 11,8 kg. Die durchschnittliche Dicke der Wabenkanalwand (einschließlich Beschichtung + Zellulose + Bindemittel) wurde aus einem Querschnitt-REM-Bild (Dicke betrug 208 µm) ermittelt, das in Abb. 2a dargestellt ist. Abbildung 2b zeigt eine gebrochene Trockenmittelbeschichtungsoberfläche, die mit Fasermaterial verbunden ist. Diese Brüche erhöhen die Massendiffusion und den Feuchtigkeitsfluss. Die Wahl der Wabenstruktur und des Kieselgels vom Typ RD erfolgte aufgrund seiner hohen Wasseradsorptionskapazität und der hohen Eindringtiefe der Mikrowellen. Zusätzlich wurden Adsorptionsisothermen des Trockenmittelrads erhalten, bei dem es sich um eine kombinierte Trockenmittelstruktur (Wabenzellulose, Adsorptionsmittel und Bindemittel) handelt, wie in Abb. 2c dargestellt. Den Ergebnissen zufolge kann die Verbundstruktur bei höherer Luftfeuchtigkeit bis zu 30 % ihrer trockenen Knochenmasse Feuchtigkeit aufnehmen. Allerdings kann es in einem Bereich mit mäßiger Luftfeuchtigkeit etwa 20 % seiner trockenen Knochenmasse absorbieren. Darüber hinaus zeigt Abb. 2c eine zusammengesetzte Trockenmittelprobe auf dem Tiegel des dynamischen Dampfsorptionsanalysators „Aquadyne DVS“, der nach dem gravimetrischen Prinzip arbeitet und zur Messung von Adsorptionsisothermen vollautomatisch ist. Mit einem Impedanzanalysator von Agilent wurde die komplexe Dielektrizitätskonstante eines Trockenmittelverbundmaterials gemessen, das gleichmäßig und ohne Hohlräume beprobt wurde. Anschließend wurden die effektiven Werte gemäß Gleichung (1) bestimmt. (2). Abbildung 2d zeigt die komplexe Permittivität (dielektrische Eigenschaften) eines Verbund-Trockenmittelmaterials mit unterschiedlichen Adsorptionsaufnahmen. Die Eindringtiefe ist die Tiefe, bei der das elektrische Feld im Medium auf 37 % seines Eintrittswertes reduziert wird. Es ist zu beachten, dass Mikrowellen bis zur Mitte des Trockenmittelrades vordringen können, da der Radradius (0,224 m) geringer ist als die Eindringtiefe im Betriebsbereich der Adsorptionsaufnahme (0,05–0,2). Wenn die Menge des adsorbierten Wassers abnimmt, erhöht sich die Eindringtiefe der Mikrowelle mit abnehmender komplexer Dielektrizitätskonstante des Trockenmittelrads. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Eindringtiefe im Betriebsbereich der Adsorptionsaufnahme (0,05–0,02) kaum variiert, was zur Vereinfachung der Simulation beiträgt.

Eigenschaften der zusammengesetzten Trockenmittelstruktur (Wabenzellulose, Adsorptionsmittel und Bindemittel). (a) REM-Bild des Trockenmittelquerschnitts; (b) REM-Bild der Trockenmitteloberfläche; (c) Isothermen der zusammengesetzten Trockenmittelstruktur. Eine zusammengesetzte Trockenmittelprobe auf dem Tiegel des dynamischen Dampfsorptionsanalysators „Aquadyne DVS“; (d) Abhängigkeit der effektiven komplexen Permittivität und der Eindringtiefe von Mikrowellen von der Adsorptionswasseraufnahme bei 2,45 GHz.

Drei globale Optimierungen wurden für drei Fälle (zylindrisch, rechteckig und Trichterform) mit zufälligen anfänglichen Kontrollvariablen durchgeführt, wie im Abschnitt „Methoden“ (Unterabschnitt „Mehrobjektive Optimierung der Mikrowellenkammer“) erläutert. Abbildung 3a zeigt die Entwicklung der reflektierten Leistung und des Verhältnisses des niedrigen elektrischen Feldes für die optimalsten drei Fälle der globalen Optimierung mit einer zufälligen anfänglichen Kontrollvariablen. Darüber hinaus war Fall 3 innerhalb von drei Fällen der optimalste. Der optimale Wert der Kontrollvariablen (dargestellt in Abb. 6b) für Fall 3 betrug 0,14 oder c = 0,14. Der Unterschied im Verhältnis niedriger elektrischer Felder war in drei Fällen bei optimalen Werten unbedeutend. Die Ergebnisse zeigen, dass Mikrowellen emittierende Wellenleiter im zentralen Teil der Kammer und nicht an der Seite platziert werden sollten, um eine homogenere (gleichmäßigere) Ausbreitung des elektrischen Feldes zu erreichen, was dem niedrigsten elektrischen Feldverhältnis entspricht. Die reflektierte Leistung für Fall 3 beträgt 44 W (0,7 % der abgestrahlten Leistung), was den niedrigsten Wert unter anderen Fällen darstellt. Die geringe Reflexion kann nicht durch die Position des Wellenleiters erklärt werden, da die reflektierte Leistung bei der Optimierung auf 914 W (15 % der emittierten Leistung) ansteigt. Dennoch wies die kreisförmige Geometrie während der Optimierung die geringste Mikrowellenleistungsreflexion auf. Optimierungsergebnisse zeigen, dass die Form der Kammer einen erheblichen Einfluss auf die Leistung hat als die Position des Wellenleiters. Abbildung 3b zeigt Stromlinien des Poynting-Mikrowellenvektors im Querschnitt der Kammer. Diese Stromlinien zeigen den Ausbreitungsweg von Mikrowellen an. Die Farbskala bezieht sich auf den normierten Wert von S (Leistungsfluss). Den Ergebnissen zufolge wurde der größte Teil der Mikrowellenleistung während der Reflexion (Abprallen) der Mikrowellen in der Kammer absorbiert. Aufgrund der parabolischen Form (die im Querschnitt zu sehen ist) verhindert die Metallabdeckung der Kammer im Gehäuse 3, dass Mikrowellenstrahlen zurück zum Magnetron gelangen. Abbildung 3c zeigt den objektiven Funktionsraum, in dem wir auch die optimalen Werte für drei Fälle erkennen können, die sich in der Nähe der optimalen Frontlinie befinden, die auch Pareto-Front genannt wird. Die Summe der Zielfunktionen im Fall 3 (zylindrische Form) erreichte den Extremwert, sodass der globale optimale Zustand zu Fall 3 mit c = 0,14 m gehört.

Optimierungsergebnisse eines Mikrowellen-Entfeuchtungssystems. (a) Reflektierte Leistung und niedriges elektrisches Feldverhältnis für die optimalsten drei Fälle der globalen Optimierung mit zufälliger anfänglicher Kontrollvariable; (b) Stromlinie des „Poynting“-Vektors von Mikrowellen im Querschnitt. Das Trockenmittelrad ist in der zylindrischen Mikrowellenkammer eingebettet. Die Wellenlänge der Mikrowelle beträgt 0,122 m. Der Radius des Zylinders beträgt r = 0,5 m. Die Farbskala bezieht sich auf den normalisierten Wert von S. (c) Zielfunktionenraum für die globale Mehrzieloptimierung mit zufälligen anfänglichen Kontrollwerten.

Basierend auf den Optimierungsergebnissen wurde von den Autoren das System mit einer effizienten Multimode-Kammer gebaut. Die Experimente wurden in zwei Modi durchgeführt: ohne Wärmerückgewinnung und mit Wärmerückgewinnung (aus dem Ausströmen der Spülluft).

Der effizienteste (maximaler COP) innerhalb der experimentellen Ergebnisse (unterschiedliche Mikrowellenbestrahlung, Luftströmungsrate) wurde in Abb. 4 a, b für jeden Modus gezeigt. Abbildung 4a zeigt Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisprofile am Einlass und Auslass des Systems ohne Wärmerückgewinnung. Die Mikrowellenbestrahlungszeit betrug 17 Minuten. Allerdings war die Desorptionszeit aufgrund der Restenergie (thermische Masse des Trockenmittelrades) länger als die Strahlungszeit. Die Einlasslufttemperatur war während der Adsorptions- und Desorptionszyklen konstant und entsprach 24 °C. Ebenso betrug das Einlassfeuchtigkeitsverhältnis (ω) während des gesamten Experiments 10,3 g/kg. Wie in Abb. 4a dargestellt, stieg die Temperatur des Trockenmittelrads zu Beginn der Mikrowellenemission stark an. Die Auslasslufttemperatur stieg mit der Zeit an, ihre Temperatur war jedoch niedriger als die Radtemperatur.

Experimentelle Ergebnisse eines Mikrowellen-Entfeuchtungssystems. (a) Feuchtigkeitsverhältnis und Temperatur für den Nicht-Wärmerückgewinnungsmodus; (b) Feuchtigkeitsverhältnis und Temperatur für den Wärmerückgewinnungsmodus. Die experimentellen Ergebnisse entsprechen dem maximalen COP-Wert jedes Modus.

Es wurde bewiesen, dass Energie durch Mikrowellen direkt zum adsorbierten Wasser transportiert wird. Dadurch erhöhte sich der Druck auf die Oberfläche des Adsorptionsmittels, wodurch sich der Ausgangswert des Feuchtigkeitsverhältnisses auf 43 g/kg erhöhte. Dennoch begann das Feuchtigkeitsverhältnis nach 500 s zu sinken und erreichte zum Zeitpunkt des Stoppens der Mikrowellenbestrahlung 40 g/kg. Da die Luftströmungsrate während der Desorption konstant war und 185 m3/h betrug, verringerte die Verringerung des Auslassfeuchtigkeitsverhältnisses offensichtlich die Leistung des Systems. Das Feuchtigkeitsverhältnis am Auslass war aufgrund der thermischen Masse von adsorbiertem Wasser und Trockenmittel zu Beginn der Mikrowellenemission dürftig. Der thermische Masseneffekt erfordert eine längere Mikrowellenemissionszeit. Der abnehmende Trend des Feuchtigkeitsverhältnisses zeigt jedoch, dass es nicht sehr lange dauern kann. Während des Desorptionszyklus wurden im aktuellen Modus 2 kg Wasser desorbiert, was zeigt, dass viele Wasserdämpfe aufgefangen und in Trinkwasser umgewandelt oder zum Betrieb von IEC-Systemen verwendet werden können. Der COP des Systems betrug 0,55 und der MCOP 0,83. Die Temperatur des Trockenmittelrads stieg nicht sehr hoch, was die hervorragende Verteilung des elektrischen Feldes beweist, die anhand numerischer Ergebnisse ermittelt wurde. Aufgrund des kontinuierlichen Betriebs des Rührers in der Mitte des Trockenmittelrads und der Radrotation, die das System sicher und nachhaltig machten, wurden keine heißen Stellen oder eine nachlassende Leistung des Systems beobachtet. Darüber hinaus überschritt die Trockenmitteltemperatur 80 °C nicht. Dennoch wird ein Teil der transportierten Energie durch die Erwärmung der Auslasstemperatur auf 51 °C verschwendet, weshalb es sinnvoll ist, den Modus in Betracht zu ziehen, bei dem die Wärme durch den Wärmetauscher von der heißen Auslassluft auf die Einlassluft zurückgewonnen wird. Abbildung 4b zeigt Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisprofile für die Mikrowellendesorption mit einem Wärmerückgewinnungsmodus.

Ein schematisches Diagramm des Modus ist in Abb. 7b dargestellt. Die Mikrowellenzeit betrug 12 Minuten und 20 Sekunden und die Luftströmungsrate betrug 140 m3/h. Die Temperatur der Einlassluft ist aufgrund der Wärmerückgewinnung von der Auslasstemperatur gestiegen. Außerdem unterschied sich das Temperaturprofil vom Temperaturprofil ohne Wärmerückgewinnung; Bemerkenswert ist, dass die Auslasslufttemperatur in kürzerer Zeit als im vorherigen Modus 51 °C erreichte. Infolgedessen hat das System den höchsten COP als andere Modi, und der COP beträgt 0,58 und der MCOP entspricht 0,87. Darüber hinaus lässt sich eine hohe Leistung anhand des Feuchtigkeitsverhältnisprofils erkennen, das mit der Zeit zunahm, bis die Mikrowellenbestrahlung gestoppt wurde. Im Vergleich zum Modus ohne Wärmerückgewinnung wird ein Teil der Abwärme effizient genutzt und so die Systemleistung erhöht. Während des Desorptionsprozesses wurden rund 1,54 kg Wasserdampf aus dem Trockenmittelrad desorbiert. Abbildung 5b zeigt die Systemleistung und die Menge des desorbierten Wassers für die unterschiedliche Dauer (3,5–17 Minuten) der Mikrowellenemission für beide Modi. Die desorbierte Wassermenge war nahezu linear von der Zeit abhängig. Die Ergebnisse zeigen, dass der COP mit zunehmender Dauer der Mikrowellenbestrahlung für Nicht-Wärmerückgewinnungsmodi aufgrund der thermischen Masse des gesättigten Verbundtrockenmittels zunimmt. Zu Beginn der Mikrowellenstrahlung wurde ein Teil der Energie für die schnelle Erwärmung des gesättigten Trockenmittelrads von 24 °C auf 48 °C (Abb. 4a) verwendet, sodass der COP in dieser kurzen Zeit niedrig war. Wenn wir die Mikrowelle länger laufen lassen, können wir den Effekt der thermischen Masse reduzieren und den COP des Systems erhöhen. Die Mikrowellenbestrahlung dauerte jedoch nicht länger als 17 Minuten, da der größte Teil des Wassers desorbiert wurde (Adsorptionsaufnahme betrug 0,03).

Leistung des Mikrowellen-Entfeuchtungssystems. (a) Methodik zur Berechnung des MCOP zum Vergleich der Effizienz der Mikrowellen-Entfeuchtungssysteme verschiedener Autoren und deren Unterschiede zum COP-Berechnungskonzept. (b) COP und desorbierte Wassermenge vs. Dauer der Mikrowellenemission. (c) Vergleich der Entfeuchtungsleistung mit Referenzautoren mit aktuellem Fortschritt, der viermal höher ist als bei anderen Autoren.

Die bisherige Forschungslücke bestand darin, dass man sich nicht auf die Leistung der Mikrowellen-Entfeuchtung konzentrierte. Da Simulation und Experiment darauf abzielten, die maximale Leistung zu erzielen, wurde das effizienteste Mikrowellen-Entfeuchtungssystem mit einem COP von 0,58 und einem MCOP von 0,87 entwickelt. Ein MCOP von 0,87 bedeutet, dass der Großteil der Mikrowellenenergie direkt an die Wassermoleküle abgegeben wurde, mit der geringsten internen Entropieerzeugung und einer geringen reflektierten Leistung an das Magnetron. Die Erzeugung interner Entropie wird auf eine ungleichmäßige Erwärmung innerhalb des Volumens zurückgeführt. Es tritt im Bereich hoher Werte mit „niedrigem elektrischem Feldverhältnis“ auf. Die reflektierte Mikrowellenleistung lag auf dem niedrigsten Wert (0,5–3 % der zugeführten Mikrowellenleistung), was einen enormen Einfluss auf die Mikrowellen-Entfeuchtungsleistung hat. Der Umwandlungswirkungsgrad des Mikrowellengenerators, der elektrische Energie in Mikrowellenenergie umwandelt, betrug 0,7, was für den COP von 0,58 verantwortlich war, während der MCOP sogar 0,87 betrug. Der COP war jedoch der höchste in der verfügbaren Literatur. Der höchste COP (0,58) für Wärmerückgewinnungsmodi entspricht dem Zeitpunkt, an dem das Feuchtigkeitsverhältnis den höchsten Wert erreicht. Durch die Wärmerückgewinnung kann die Leistung gesteigert werden, die Wärmerückgewinnung hat jedoch kurzzeitig oder langfristig weniger Wirkung. Unterdessen war die desorbierte Wassermenge bei Wärmerückgewinnungsmodi höher als bei Nicht-Wärmerückgewinnungsmodi. Die Leistung der Mikrowellendesorption sollte als allgemeiner Leistungskoeffizient (COP) und mikrowellenleistungsbasierter Leistungskoeffizient (MCOP) anhand der folgenden Gleichung betrachtet werden:

wobei \(\Delta m\) die desorbierte (Wasser-)Feuchtigkeitsmasse in [kg] ist, \({h}_{fg}\) die Verdampfungswärme in [J/kg] ist, \({E}_{ mw}\) ist die vom Magnetron emittierte Mikrowellenenergie in [J] und \({P}_{elec}\) ist die verbrauchte elektrische Energie in [J]. Die Entfeuchtung durch Trockenmittel funktioniert immer als Kreislauf (Adsorption und Desorption), sodass die Menge an adsorbierter und desorbierter Wassermasse gleich ist. Um sich bei der Berechnung auf die Leistung der Mikrowellenentfeuchtung zu konzentrieren, wurde die desorbierte Wassermasse herangezogen. Daher beträgt die Umwandlungseffizienz \(\eta\) 0,7. Abb. 5a zeigt den Unterschied zwischen MCOP und COP in der Schätzmethode. Abbildung 5c zeigt einen Vergleich in MCOP für verschiedene Autoren mit Mikrowellendesorption. Es ist ersichtlich, dass das aktuelle System, das von Autoren der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) entwickelt, entworfen und gebaut wurde, den höchsten COP und MCOP aufweist. Es bestätigt, dass durch numerische Optimierung der Kammerform und Erzielung der besten Betriebsbedingungen beide Einschränkungen überwunden werden können. Bei der Mikrowellen-Entfeuchtung wurde ein Quantensprung mit einer Vervierfachung des MCOP auf bis zu 0,87 im Vergleich zur verfügbaren Literatur erzielt. Durch die Verbesserung des mikrowellenbasierten MCOP konnten wir die Mikrowellenleistungen verschiedener Autoren vergleichen. Ein weiteres Problem bestand darin, dass die Mikrowellenzeit keinen Einfluss auf die Leistung des Systems hatte.

Das System wurde auf kommerzielle Großsystemleistung verbessert. Es zeigt, dass der Aufbau eines Mikrowellensystems ein Verständnis der Physik und Mechanik elektromagnetischer Wellen erfordert, was dabei helfen kann, ein System mit hohen Sicherheitsstandards und hoher Leistung zu entwerfen. Die Rolle numerischer Optimierungsmethoden ist neben Experimenten von entscheidender Bedeutung.

Ein Mikrowellen-Luftentfeuchter-Pilotprojekt im Labormaßstab wurde erfolgreich getestet und konnte im Vergleich zur verfügbaren Literatur eine vierfache Verbesserung des MCOP auf bis zu 0,87 erzielen. Diese Entfeuchtungsverbesserungen wurden auf das bessere Wellenleiter- und Kammerdesign zurückgeführt, was die Empfindlichkeit der Desorption (Entfeuchtung) von Wassermolekülen gegenüber der Bereitstellung von Mikrowellenenergie demonstriert. Allerdings haben die parasitären Verluste der Stromumwandlung in Mikrowellen, etwa 30 % der Stromzufuhr, zu einem Gesamt-COP von 58 % geführt. Daher gibt es viel Raum für die elektrische Technologie der Mikrowellenerzeugungsforschung, falls ein nachhaltiger Mikrowellen-Luftentfeuchter-COP von 75 % gewünscht wird.

Van-der-Waals-Kraft (oder Energiezentren) ziehen während der Entfeuchtung Wassermoleküle auf die Oberfläche des verkauften Trockenmittelmaterials (Abb. 1a). Adsorbiertes Wasser kann durch Druckwechsel26,27 und thermischen Wechsel12,28 entfernt werden. Es ist der energieintensivste Prozess bei der Entfeuchtung29. Andererseits haben Anziehungskräfte ein elektrostatisches Verhalten, so dass sich oszillierende Wassermoleküle mit Dipolstruktur mit elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen) im Vergleich zu den oben genannten Methoden schneller und mit weniger Energie von der Oberfläche lösen könnten. Die mikrowellenunterstützte Desorption ist eine neue Methode (Abb. 1b), bei der zwei Desorptionsmechanismen angewendet werden: der direkte Mikrowelleneffekt auf Moleküle (selektiver Energietransport) und der thermische Mikrowelleneffekt23. Es ist keine Erwärmung des gespülten Luftstroms erforderlich, um Energie zu transportieren, wie beim thermischen Schwung; Stattdessen wird die Energie direkt zum Wassermolekül transportiert23. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen im Bereich von etwa 1 m bis 0,001 m (mit Frequenzen zwischen 0,3 GHz und 300 GHz)30 und gehorchen wie alle elektromagnetischen Wellen den Maxwellschen Gleichungssystemen. Das zeitharmonische elektromagnetische Feld kann durch die folgende Differentialgleichung dargestellt werden, die aus Maxwell-Gleichungssystemen durch Anwendung eines Frequenzbereichsansatzes erhalten wird:

wobei \(\nabla\) (nabla) ein Vektordifferentialoperator ist, \(\overrightarrow{E}({E}_{x},{E}_{y},{E}_{z})\) ist das Vektorfeld eines elektrischen Feldes in [V/m], \({k}_{0}\) ist die Wellenzahl in [rad/m]. \({\varepsilon }_{r,eff}\) ist die effektive komplexe Permittivität und hat reelle und komplexe Komponenten, wie die folgende Gleichung zeigt:

wobei \({\varepsilon }_{r,eff}^{"}\) der Realteil der effektiven komplexen Permittivität (Dielektrizitätskonstante) ist, \({\varepsilon }_{r,eff}^{"}\) ist der Imaginärteil der effektiven komplexen Permittivität (dielektrischer Verlustfaktor). In Simulationen wird die vom Trockenmittelrad verbrauchte durchschnittliche Mikrowellenleistung gemäß der Poynting-Gleichung berechnet: \({P}_{mw}=V\pi f{\varepsilon }_{0}^{ }{\varepsilon }_{ r,eff}^{"}{E}^{2}\), wobei Pmw die Mikrowellenleistung in [W] ist, V das Volumen des Trockenmittelrads in [m3] ist, f die Frequenz der Mikrowelle in [Hz] ist, \({\varepsilon }_{0}\) ist die Permittivität im freien Raum in [F/m]. Ein weiterer wichtiger Parameter ist das zeitlich gemittelte Vektorfeld (\(\overrightarrow{S}\)), das die Leistung anzeigt Strömungs- und Mikrowellenrichtung. \(\overrightarrow{S}=\overrightarrow{E}\times \overrightarrow{{H}^{*}}\), wobei \(\overrightarrow{{H}^{*}}\) ist das Vektorfeld des Magnetfelds und des komplexen Konjugats. Unter den Adsorptionsmitteln wurde Kieselgel ausgewählt und auf ein Wabenstrukturrad auf Zellulosebasis aufgetragen, um eine große Oberfläche pro Volumeneinheit des Rades zu erreichen. Diese Materialien (Kieselgel und Zellulose) sind nahezu transparent für Mikrowellenstrahlung; daher ist die Mikrowellenenergie ausschließlich darauf konzentriert, die Wassermoleküle aus den Poren des Adsorptionsmittels auszustoßen.

Das wabenbasierte Adsorptionsrad ermöglicht den Luftstrom durch seine kanalisierten Hohlräume. Für eine genaue Modellierung ist es notwendig, die effektive komplexe Permittivität des Wabenrads zu ermitteln, die eine Funktion der komplexen Permittivität von Luft und Trockenmitteln (Kieselgel, Bindemittel, Zellulose) ist, d. h.31:

Dabei ist fop der Volumenanteil der Luft in den Öffnungen (Waben) und fcd = 1-fop der Volumenanteil des zusammengesetzten Trockenmittels. Die Eindringtiefe von Mikrowellen wird auch mit der effektiven komplexen Permittivität nach der folgenden Formel23 berechnet:

wobei \({D}_{p}\) die Eindringtiefe der Mikrowellen in [m] und \({\lambda }_{0}\) die Wellenlänge der Mikrowellen in [m] ist.

Es wurde eine Optimierung durchgeführt, bei der die reflektierte Mikrowellenleistung und unbeheizte Bereiche minimiert wurden, um die Heizleistung innerhalb des Wabenrads zu erhöhen. Es wurden drei Optimierungen mit mehreren Zielen mit der gewichteten Summe der Ziele durchgeführt, wobei drei Formen berücksichtigt wurden, nämlich (i) die erste ist eine rechteckige Blockkammer mit einer pyramidenförmigen trichterförmigen Seite, (ii) die zweite ist ein rechteckiger Block, und (iii) eine zylindrische Kammer. Die Kontrollvariablen wurden mit a, b, c, d bezeichnet und in Abb. 6a dargestellt. Der globale optimale Wert wurde mit zufälligen anfänglichen Kontrollwerten innerhalb des einschränkenden Bereichs erhalten. Darüber hinaus wurde die Optimierung durch die Kammergeometrie eingeschränkt, wobei die Radabmessungen bei einem Radius von 0,224 m und einer Höhe von 0,4 m konstant gehalten wurden (Abb. 6b). Für die mathematische Modellierung wurden die folgenden Annahmen verwendet: 1) Die komplexe Permittivität und die effektive komplexe Permittivität des Wabenmaterials sind homogen und isotrop; 2) Es wurde angenommen, dass das perforierte Metallblech aufgrund des viel kleineren Perforationslochdurchmessers (4 mm) als die Wellenlänge der Mikrowellen (124 mm) die gleichen Reflexionseigenschaften wie das nicht perforierte hat. Für den Entwurf des Wellenleiters und der Kammer gilt Gl. (1) wurde gelöst, um das elektrische Feld (V/m) unter den Randbedingungen zu erhalten. Am Eingang des Wellenleiters (vom Magnetron) wird das elektrische Feld der x-Richtung gemäß Gl. (7) während die entsprechenden Werte in y- und z-Richtung Null sind32:

Numerische Optimierungsbereiche und Geometrie der Mikrowellenkammer. (a) Mikrowellenkammern mit drei verschiedenen Formen, nämlich einer rechteckigen Blockform mit einer pyramidenförmigen trichterförmigen Seite, einer rechteckigen Blockform und einer zylindrischen Form. Mikrowellen emittierende Wellenleiter positionieren die Variablen a,b,c,d. die als Steuervariablen bei der Optimierung verwendet werden; (b) Positionierung des Trockenmittelrads in den drei verschiedenen Kammern, wobei die Luft grau und das Trockenmittelrad rot gefärbt ist, um in drei Fällen verschiedene Domänen mit unterschiedlichen Eigenschaften für die Simulation anzuzeigen.

Gleichung (7) würde die als TE10-Modus klassifizierte Mikrowellenbestrahlung unter dem standardmäßigen industriellen Wellenleiter (WR340) bei einer Frequenz (f) von 2,45 GHz erfüllen. Die Annahme des perfekten elektrischen Leiters wurde für alle Wände und Lochbleche angewendet, bei denen die Tangentialkomponenten des elektrischen Feldes gleich Null gesetzt wurden:

Der Berechnungsbereich besteht aus zwei Domänen (Abb. 6b), da Luft (grau) und das Trockenmittelrad (rot) unterschiedliche effektive komplexe Permittivität aufweisen. Für Optimierungsrechnungen wurde der Nelder-Mead-Algorithmus verwendet. Der Nelder-Mead-Algorithmus ist eine nichtlineare Optimierungsmethode, die das Simplex-Konzept verwendet. Bei jeder Iteration wird ein neuer Scheitelpunkt durch die vier Operationen definiert, die als Reflexion, Expansion, Kontraktion und Schrumpfung bekannt sind. Der Wert der Zielfunktion am n + 1 Scheitelpunkt eines Simplex wird berechnet, während er sich zum Minimalpunkt bewegt33. Es wurden zwei Zielfunktionen definiert, wie das Verhältnis der reflektierten Leistung und das Verhältnis des niedrigen elektrischen Feldes:

wobei der Gewichtungskoeffizient (\({w}_{c}\)) gleich 5 war, da normalerweise 20 % der Mikrowellenleistung zurückreflektiert wurden.

wobei \({E}_{threshold}\) gleich 3000 V/m war, was aus dem Wellenleiterexperiment der Autoren herausgefunden wurde. Um eine gleichmäßige Erwärmung durch Mikrowellen aufrechtzuerhalten, ist ein niedriges elektrisches Feldverhältnis erforderlich. Im Folgenden werden Kontrollvariablen und ihre Grenzen für alle Fälle dargestellt:

Fall 1: 0,5[m] > h > 0,005[m]; Fall 2: 0,2[m] > a > 0, 0,25[m] > b > 0; Fall 3: 0,2[m] > c > 0.

Für die Optimierung wurde die Rechenplattform COMSOL Multiphysics verwendet. Das Gleichungssystem wurde mit FGMRES Iterative Solver gelöst, der die neu gestartete flexible verallgemeinerte Minimum-Residuen-Methode verwendet. Netz bestehend aus (mindestens) 2.251.507 tetraedrischen Domänenelementen und 73.048 dreieckigen Randelementen.

Zur Erzeugung der Mikrowellen wurde ein Mikrowellengenerator (Fricke und Mallah, Deutschland) mit einem Wirkungsgrad von 0,7 zur Umwandlung von Wechselstromleistung (9 kW) in Mikrowellenleistung verwendet. Ein Magnetronkopf (mit einem Zirkulator und einem Richtkoppler) wurde verwendet, um Mikrowellen zu erzeugen und die weitergeleitete und reflektierte Mikrowellenleistung zu messen. Ein Tuner mit drei Stichleitungen (Fricke und Mallah, Deutschland) wurde verwendet, um die Mikrowellenphase abzustimmen und eine Impedanzanpassung zur Maximierung der Energieübertragung durchzuführen. Rahmen und Ausrüstung wurden mit einer Schutzerdung geerdet, um Benutzer vor Gefahren durch Hochspannung zu schützen.

Es wurde ein speziell angefertigter Doppel-Faraday-Käfig verwendet, um zu verhindern, dass Mikrowellen in die Umgebung gelangen. Der erste Käfig ist eine Multimode-Kammer, in der ein Trockenmittelrad platziert wurde und dessen Geometrie auf der Grundlage numerisch optimierter Ergebnisse erstellt wurde (ausführlichere Informationen zur numerischen Optimierung finden Sie in den Abschnitten 4 und 5). Der erste Käfig wurde in den zweiten Käfig gestellt und beide Käfige bestehen aus einem 3 mm dicken Aluminiumblech. Aluminium hat einen geringen Widerstand und hohe Mikrowellenreflexionseigenschaften. Ein Elektromotor (DKM-Motoren, Korea) wurde verwendet, um ein Trockenmittelrad mit einer voreingestellten Geschwindigkeit zu drehen, um den Mikrowellenprozess zu steuern. Zur Messung der elektrischen Leistung wurde ein dreiphasiger Stromzähler PowerLogic PM5110 (Schneider Electric, UK) mit einem Messbereich von 3–30 kW und einer Genauigkeit (0,5 % FS) verwendet. Für Luftstrommessungen, die gemäß den ISO/ANSI-Standards mit hoher Genauigkeit durchgeführt wurden (RecoV, Italien), wurde eine kalibrierte Aluminiumdüse verwendet.

Zur Messung des Differenzdrucks an der Düse wurde ein Differenzdrucksensor Modell 264 (Setra, USA) mit hoher Genauigkeit (± 0,25 % FS) und einem Bereich von 0–250 Pa verwendet. Pt100-RTD-Temperatursensoren (Omega, UK) wurden verwendet, um Trocken- und Feuchtkugeltemperaturen mit einer Genauigkeit von ± 0,1 °C und in einem Bereich von −20–350 °C zu messen. Ein Infrarot-Temperatursensor OS-MINIUSB (Omega, UK) mit einer Genauigkeit von 1 °C wurde verwendet, um die Temperatur eines rotierenden Trockenmittelrads zu messen, das im Bereich von 0–250 °C messen kann. Ein automatisiertes Datenprotokollierungssystem wurde von den Autoren mit der Software LabVIEW erstellt, das Daten vom Agilent 34970A protokolliert. Ein Luftwärmetauscher wurde verwendet, um Energie aus der Abluft zurückzugewinnen, und luftdurchströmte Kanäle, Leitungen und Mikrowellenkammer wurden mit Schaumgummi thermisch isoliert. Aus Sicherheitsgründen war ständig ein Mikrowellen-Lecksucher in Betrieb.

Trockenmittel (Kieselgel) fängt Feuchtigkeit aus der Luft ein (Abb. 1a). Anschließend wird die Feuchtigkeit im Trockenmittel durch Mikrowellen desorbiert (Abb. 1b). Das Hauptmerkmal von Mikrowellen besteht darin, dass sie Wassermoleküle in Schwingung versetzen und von der Oberfläche des Adsorbens (Kieselgel) desorbieren können. Das Pilot-Mikrowellen-Entfeuchtungssystem im Labormaßstab ist in Abb. 7a dargestellt und sein schematisches Diagramm ist in Abb. 7b dargestellt. Zur Erzeugung der Mikrowellen wurde ein Mikrowellengenerator (Fa. Fricke und Mallah, Deutschland) verwendet. Rahmen und Ausrüstung wurden mit einer Schutzerdung geerdet, um Benutzer vor Gefahren durch Hochspannung zu schützen. Es wurden zwei Modi berücksichtigt: der Modus ohne Wärmerückgewinnung und der Modus mit Wärmerückgewinnung aus der Abluft. Die Temperatur- und Differenzdruckwerte wurden für beide Modi kontinuierlich von der Software Labview und Agilent 34970A protokolliert. Die Drehzahl des Trockenmittelrad-Rotationsmotors wurde auf den gewünschten Wert eingestellt und lief nur während der Desorption. Abbildung 7b zeigt ein Setup-Diagramm. In der Studie wurde das folgende Verfahren ohne Wärmerückgewinnung durchgeführt: Luftklappe 1 und Luftklappe 3 wurden geöffnet und Luftklappe 2 und Luftklappe 4 geschlossen, sodass die Luft am Wärmerückgewinnungsgerät vorbeiströmen konnte. Anschließend wurde das Trockenmittelrad mit Wabenstruktur bei konstanter relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur und einer regelmäßigen Luftströmungsrate mit Feuchtigkeit gesättigt, bis die Einlass- und Auslasstemperaturen gleich waren: Die gleiche Temperatur und Luftfeuchtigkeit zeigten Gleichgewichtsbedingungen an. Folglich wurden die Mikrowellen für die voreingestellte Zeit und die voreingestellte Leistung über das Bedienfeld eingeschaltet; Der Desorptionsprozess endet, wenn das Feuchtigkeitsverhältnis am Auslass niedriger wird als das Feuchtigkeitsverhältnis am Einlass. Der Modus mit Wärmerückgewinnung ähnelt dem Modus ohne Wärmerückgewinnung; Als die Einlass- und Auslasstemperaturen gleich waren, wurden Luftklappe 1 und Luftklappe 3 geschlossen und Luftklappe 2 und Luftklappe 4 geöffnet, um Wärme aus der Auslassluft zurückzugewinnen.

Ansicht eines experimentellen Mikrowellen-Entfeuchtungs-Pilotsystems. (a) Bildansicht des Mikrowellen-Entfeuchtungssystems, bestehend aus Bedienfeld, Magnetronkopf (wo Mikrowellen erzeugt werden), 3-Stub-Tuner, Mikrowellenkammer und Trockenmittelrad. Vergrößerte Bilder zeigen Pech in Wabenstruktur; (b) Schematische Darstellung des Mikrowellen-Entfeuchtungssystems. Die Wärmerückgewinnung erfolgt durch einen Wärmetauscher zwischen Abluft und Zuluft.

Die präsentierten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren bedanken sich für die großzügige Finanzierung durch (1) das Projekt KAUST Cooling Initiative (KCI), REP/1/3988-01-01 und REP/1/3988-04-01, (2) das Water Desalination and Reuse Center (WDRC), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). Die Abbildungen 1a,b wurden von DY gezeichnet

BESE-Abteilung, Wasserentsalzungs- und Wiederverwendungszentrum, King Abdullah University of Science and Technology, Thuwal, 23955, Saudi-Arabien

Doskhan Ybyraiymkul, Muhammad Burhan, M. Kum Ja & Kim Choon Ng

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Qian Chen

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Faheem Hassan Akhtar

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Überfallen Sie AlRowais

Abteilung für Maschinenbau und Bauingenieurwesen, Northumbria University, Newcastle Upon Tyne, NE1 8ST, Großbritannien

Muhammad Wakil Shahzad

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DY arbeitete an der Konzeptualisierung, Methodik, Analyse, Untersuchung, Modellierung, Validierung, dem Verfassen des Originalentwurfs und der Visualisierung. QC beschäftigte sich mit dem Schreiben, Überprüfen, Bearbeiten, der formalen Analyse und der Methodik. MWS beschäftigte sich mit Schreiben, Überprüfen, Bearbeiten, formaler Analyse und Methodik. RA hat eine formale Analyse durchgeführt. KJ hat eine formale Analyse durchgeführt. MB arbeitete an der Untersuchung und Visualisierung. Die FHA arbeitete an der Untersuchung und Visualisierung. KCN arbeitete an der Konzeptualisierung, Methodik, formalen Analyse, dem Verfassen des Originalentwurfs, der Überwachung und der Finanzierungsbeschaffung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Doskhan Ybyraiymkul.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ybyraiymkul, D., Chen, Q., Burhan, M. et al. Innovative Trockenmittelentfeuchtung mittels verteilter Mikrowellen. Sci Rep 13, 7386 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34542-9

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Eingegangen: 20. Januar 2023

Angenommen: 03. Mai 2023

Veröffentlicht: 06. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34542-9

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