Innovadora deshumidificación desecante sólida mediante microondas distribuidas

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7386 (2023) Citar este artículo

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La deshumidificación es uno de los desafíos clave que enfrenta la industria del aire acondicionado (AC) en el tratamiento del aire húmedo. Durante muchas décadas, la doble función de los intercambiadores de calor de las enfriadoras de aire acondicionado para el enfriamiento sensible y latente del espacio ha dificultado la reducción de la elevación térmica en el ciclo de refrigeración debido a los requisitos de eliminación del vapor de agua en el punto de rocío y rechazo del calor al ambiente. aire. Estas limitaciones prácticas de las enfriadoras de aire acondicionado han dado como resultado la nivelación de la eficiencia energética de los compresores mecánicos de vapor (MVC) durante muchas décadas. Un enfoque prometedor para mejorar la eficiencia energética es desvincular la deshumidificación de los procesos sensibles para poder aplicar procesos innovadores pero separados. En este artículo, se investiga en el laboratorio un método avanzado de deshumidificación por microondas, donde la energía de microondas (2,45 GHz) puede irradiarse sobre la estructura dipolar de las moléculas de vapor de agua, desorbiéndose rápidamente de los poros del adsorbente. Los resultados muestran una mejora significativa en el rendimiento de la deshumidificación por microondas, hasta cuatro veces mayor, en comparación con los datos disponibles en la literatura.

La deshumidificación es la eliminación del vapor de agua del aire para mantener la comodidad humana y un ambiente saludable (humedad relativa (HR) del 40% al 60%)1,2,3,4. Actualmente, la deshumidificación se logra enfriando la corriente de aire hasta su punto de rocío para condensar el vapor de agua mediante un enfriador de aire acondicionado de doble función5; y los enfriadores de aire acondicionado enfriados por aire han alcanzado su límite de rendimiento asintótico, 0,7–0,85 kW/Rton (equivalente a un coeficiente de rendimiento (COP)6 de 4–5)7. Gran parte de la literatura sobre fabricantes de enfriadoras cita que los bajos kW/Rton se atribuyen a condiciones de prueba de aceptación que ignoran el consumo de electricidad incurrido por largas pérdidas en las tuberías de agua enfriada5. Una de las soluciones para mejorar el rendimiento del aire acondicionado es desacoplar la deshumidificación de la refrigeración sensible, permitiendo así la incorporación de nuevos métodos de deshumidificación. Es bien sabido que las microondas pueden desorber moléculas de agua del adsorbente o sorbente. Por lo tanto, el mecanismo se utiliza en la deshumidificación por microondas, que es un método emergente respetuoso con el medio ambiente. En la deshumidificación por microondas, el aire se deshumidifica debido a la atracción de moléculas de agua sobre una superficie de poro adsorbente sólido (desecante) mediante fisiosorción (adsorción física)8,9,10,11, una característica de las fuerzas débiles de Van der Walls12,13 ,14,15. Cuando los poros del adsorbente se saturan con agua, se inicia la desorción (eliminación de agua) asistida por microondas y se purga el aire muy húmedo. El proceso se presenta esquemáticamente en las figuras 1a,b.

Representación esquemática de la deshumidificación por microondas. (a) Deshumidificación de la corriente de aire mediante adsorción de vapor de agua del aire húmedo sobre la superficie de los poros del adsorbente debido a las fuerzas de Van der Walls. Las moléculas de nitrógeno y oxígeno del aire se sienten muy poco atraídas a la presión y temperatura ambiente; (b) Desorción de vapor de agua de los poros del adsorbente debido a la irradiación por energía de microondas, donde la energía de microondas (energizada por oscilación) se entrega directamente a las moléculas de agua polares adsorbidas. Las moléculas de agua y de aire desorbidas casi no absorben la energía de las microondas, ya que pueden moverse libremente en estado gaseoso. Es necesaria la desorción por microondas para recuperar la capacidad del adsorbente de atraer moléculas de agua.

A partir de la literatura disponible, Roussy y Chenot demostraron el primer proceso de deshumidificación por microondas con una guía de ondas monomodo en 198116. Presentaron la dependencia de la temperatura del desecante del campo eléctrico16. Además, Roussy et al. propusieron un modelo para representar la cinética rápida de la desorción por microondas17. La mayor parte de la investigación a lo largo de 40 años se ha centrado en desarrollar el método de desorción asistida por microondas con pequeños volúmenes16,17,18,19,20,21,22. Cabe destacar que la investigación se amplió con diferentes adsorbentes (alúmina activada, zeolita y gel de sílice)18. Se revelaron muchas ventajas de la desorción por microondas, como la transferencia de energía de manera más eficiente que el transporte de energía por convección23 y la desorción a bajas temperaturas debido al transporte directo de energía24. Sin embargo, un parámetro crítico como el COP generalmente se omite en la literatura. Además, no se proporcionaron valores de energía eléctrica; en cambio, se mostró la potencia de microondas. Por lo tanto, se introdujo el coeficiente de rendimiento de microondas (MCOP), que puede ser la plataforma para comparar diferentes sistemas de deshumidificación por microondas. El MCOP se puede calcular utilizando la potencia de las microondas, la duración de la exposición a las microondas y la cantidad de agua desorbida. Los valores de MCOP calculados por otros autores fueron extremadamente bajos, como se resume en la Tabla 1. El rendimiento del sistema depende de la propagación uniforme del campo eléctrico25, la geometría de la cámara de microondas, el tiempo de irradiación de las microondas, el tipo de irradiación (continua, pulsada ) y la cantidad de potencia reflejada. Para la desorción se utilizó un sistema de cámara multimodo similar a un horno doméstico19. Además, el rotor desecante fijo recubierto de zeolita se regeneró utilizando métodos de desorción por cambio de temperatura y microondas, pero el rendimiento fue bajo, con un MCOP de alrededor de 0,2221,22.

A pesar de muchas décadas de estudiar la deshumidificación por microondas, hemos descubierto una brecha de conocimiento que obstaculizó su desarrollo. Está asociado con un enfoque cada vez más limitado de la investigación en el avance de métodos con muestras pequeñas durante el último medio siglo. La limitación de la investigación a las pequeñas cavidades monomodo se debe a la distribución uniforme del campo eléctrico, lo que llevó a que se descuidaran factores como el bajo rendimiento. Hasta ahora, la mayoría de los experimentos se han realizado en básculas de menos de 160 g con un volumen de 1 L16,17,18,19,20,21,22. En consecuencia, no todos los estudios a escala de banco se desarrollaron a nivel piloto para deshumidificar el aire. La ampliación del sistema a escala de banco puede provocar una distribución desigual del campo eléctrico, calentamiento de secciones estrechas (cerca de la superficie) y, en consecuencia, una caída de la eficiencia25. Para lograr un sistema piloto de alto rendimiento, se tuvieron que resolver las siguientes limitaciones críticas: (I) generación de entropía interna debido a áreas no calentadas (la falta de uniformidad del campo eléctrico); (II) Enorme desperdicio de energía (un alto reflejo de la potencia de las microondas); (III) Exceso de tiempo de irradiación de microondas.

En este artículo, demostramos experimentalmente que entre el 97% y el 99,5% de la potencia de microondas irradiada se podría utilizar de manera eficiente, cuadriplicando el rendimiento en un piloto a escala de laboratorio por primera vez. La optimización nos permitió reducir la potencia reflejada al 0,5-3% de la potencia de microondas de entrada y distribuir las microondas de manera homogénea. Las principales novedades son las siguientes: a) se propuso un reflector giratorio con un desecante alveolar adjunto; hace una distribución más uniforme del campo eléctrico y evita el sobrecalentamiento del desecante; (b) se propuso un nuevo enfoque de optimización para disminuir la potencia de microondas reflejada y las áreas no calentadas; (c) Se evaluaron experimentalmente los efectos del tiempo de irradiación de microondas y la recuperación de calor sobre el COP. El sistema de deshumidificación propuesto con una estructura y parámetros operativos optimizados ayudará a superar todas las limitaciones anteriores y lograr objetivos de deshumidificación ecológica sostenible. Esperamos que nuestro trabajo ayude a modelar aún más los procesos de microondas y desarrollar tecnologías emergentes. En las siguientes secciones se proporciona una explicación detallada del sistema.

La deshumidificación por microondas se estaba desarrollando hasta ahora descuidando el rendimiento, por lo que la optimización numérica y los experimentos se centraron en gran medida en el rendimiento. Como rueda desecante se utilizó la rueda desecante recubierta de gel de sílice tipo RD con estructura de panal. El diámetro de la rueda fue de 0,448 m, la altura fue de 0,4 m, la densidad del material compuesto fue de 668 kg/m3, el volumen, incluidos los huecos, fue de 0,063 m3 y la masa seca de la rueda desecante fue de 11,8 kg. El espesor promedio de la pared del canal en forma de panal (incluido el recubrimiento + celulosa + aglutinante) se obtuvo a partir de una imagen SEM de sección transversal (el espesor fue de 208 µm), que se muestra en la Fig. 2a. La Figura 2b muestra una superficie de revestimiento desecante fracturada unida con material de fibra. Estas fracturas aumentan la difusión de masa y el flujo de humedad. La selección de la estructura de panal y el gel de sílice tipo RD se debió a su alta capacidad de adsorción de agua y su alta profundidad de penetración de microondas. Además, se obtuvieron isotermas de adsorción de la rueda desecante, que es una estructura desecante combinada (celulosa en forma de panal, adsorbente y aglutinante), como se muestra en la Fig. 2c. Según los resultados, la estructura compuesta puede absorber humedad hasta el 30% de su masa ósea seca a mayor humedad. Sin embargo, puede absorber alrededor del 20% de su masa ósea seca en una región de humedad moderada. Además, la Fig. 2c muestra una muestra de desecante compuesto en el crisol del analizador dinámico de sorción de vapor "Aquadyne DVS", que opera según el principio gravimétrico y está completamente automatizado para medir isotermas de adsorción. Se utilizó un analizador de impedancia Agilent para medir la permitividad compleja del material desecante compuesto que se muestreó uniformemente sin huecos, y luego se determinaron los valores efectivos de acuerdo con la ecuación. (2). La Figura 2d ilustra la permitividad compleja (propiedades dieléctricas) de un material desecante compuesto con diferentes absorciones. La profundidad de penetración es la profundidad a la que el campo eléctrico se reduce al 37% de su valor de entrada en el medio. Cabe señalar que las microondas pueden penetrar hasta el centro de la rueda desecante ya que el radio de la rueda (0,224 m) es menor que la profundidad de penetración en el rango operativo de absorción de adsorción (0,05–0,2). A medida que se reduce la cantidad de agua adsorbida, la profundidad de penetración de las microondas aumenta al disminuir la permitividad compleja de la rueda desecante. Además, revela que la profundidad de penetración varía poco en el rango operativo de absorción de adsorción (0,05–0,02), lo que ayuda a simplificar la simulación.

Características de la estructura desecante compuesta (celulosa alveolar, adsorbente y aglutinante). (a) Imagen SEM de la sección transversal del desecante; (b) Imagen SEM de la superficie desecante; (c) Isotermas de la estructura desecante compuesta. Una muestra de desecante compuesto en el crisol de los analizadores de sorción dinámica de vapor "Aquadyne DVS"; (d) Dependencia de la permitividad compleja efectiva y la profundidad de penetración de las microondas en la absorción de agua por adsorción a 2,45 GHz.

Se realizaron tres optimizaciones globales para 3 casos (cilíndrico, rectangular y de tolva) con variables de control iniciales aleatorias, como se explica en la sección "Métodos" (subsección "Optimización multiobjetivo de la cámara de microondas"). La Figura 3a muestra la evolución de la potencia reflejada y la baja relación del campo eléctrico para los 3 casos más óptimos de optimización global con una variable de control inicial aleatoria. Además, en 3 casos, el caso 3 fue el más óptimo. El valor óptimo de la variable de control (ilustrada en la Fig. 6b) para el caso 3 fue igual a 0,14 o c = 0,14. La diferencia en la relación de campo eléctrico bajo fue insignificante en 3 casos en valores óptimos. Los resultados muestran que la guía de ondas emisoras de microondas debe colocarse en la parte central de la cámara y no a un lado para obtener una propagación más homogénea (uniforme) del campo eléctrico, que corresponde a la relación de campo eléctrico más baja. La potencia reflejada para el caso 3 es 44 W (0,7% de la potencia emitida), que es el valor más bajo entre otros casos. La baja reflexión no puede explicarse por la posición de la guía de ondas, ya que la potencia reflejada aumenta durante la optimización a 914 W (15 % de la potencia emitida). Sin embargo, la geometría circular tuvo la reflexión de potencia de microondas más baja durante la optimización. Los resultados de la optimización demuestran que la forma de la cámara tiene un impacto significativo en el rendimiento que la posición de la guía de ondas. La Figura 3b ilustra las líneas de corriente del vector de microondas de Poynting en la sección transversal de la cámara. Estas líneas de corriente indican la ruta de propagación de las microondas. La escala de colores se refiere al valor normalizado de S (flujo de potencia). Según los resultados, la mayor parte de la potencia de las microondas fue absorbida durante el reflejo (rebote) de las microondas dentro de la cámara. Debido a la forma parabólica (que se puede ver en la sección transversal), la cubierta metálica de la cámara en el caso 3 impide que los rayos de microondas regresen al magnetrón. La Figura 3c muestra el espacio de función objetivo, donde también podemos detectar los valores óptimos para 3 casos ubicados cerca de la línea frontal óptima, que también se llama frente de Pareto. La suma de las funciones objetivo en el caso 3 (forma cilíndrica) alcanzó el valor extremo, por lo que la condición óptima global pertenece al caso 3 con c = 0,14 m.

Resultados de optimización de un sistema de deshumidificación por microondas. (a) Potencia reflejada y baja relación de campo eléctrico para los 3 casos más óptimos de optimización global con variable de control inicial aleatoria; (b) Línea de corriente del vector "Poynting" de microondas en la sección transversal. La rueda desecante está incrustada en la cámara cilíndrica de microondas. La longitud de onda del microondas es de 0,122 m. El radio del cilindro es r = 0,5 m. La escala de colores se refiere al valor normalizado de S. (c) Espacio de funciones objetivas para optimización global multiobjetivo con valores de control iniciales aleatorios.

Basándose en los resultados de la optimización, los autores construyeron el sistema con una cámara multimodo eficiente. Los experimentos se llevaron a cabo en dos modos: sin recuperación de calor y con recuperación de calor (de la salida de aire purgado).

El más eficiente (COP máximo) dentro de los resultados experimentales (irradiación de microondas diferente, caudal de aire) se demostró en la Fig. 4 a, b para cada modo. La Figura 4a muestra los perfiles de relación de temperatura y humedad en la entrada y salida del sistema sin recuperación de calor. El tiempo de radiación con microondas fue igual a 17 min. Sin embargo, el tiempo de desorción fue mayor que el tiempo de radiación debido a la energía residual (masa térmica de la rueda desecante). La temperatura del aire de entrada fue constante durante los ciclos de adsorción y desorción y equivalía a 24 °C. De manera similar, la relación de humedad de entrada (ω) fue igual a 10,3 g/kg durante todo el experimento. Como se presenta en la Fig. 4a, la temperatura de la rueda desecante aumentó drásticamente al inicio de la emisión de microondas. La temperatura del aire de salida aumentó con el tiempo, pero su temperatura era más baja que la temperatura de la rueda.

Resultados experimentales de un sistema de deshumidificación por microondas. (a) Relación de humedad y temperatura para el modo sin recuperación de calor; (b) Relación de humedad y temperatura para el modo de recuperación de calor. Los resultados experimentales corresponden al valor COP máximo de cada modo.

Se demostró que las microondas transportaban energía directamente al agua adsorbida. En consecuencia, la presión sobre la superficie del adsorbente aumentó, elevando el valor de salida de la relación de humedad a 43 g/kg. Sin embargo, la relación de humedad comenzó a disminuir después de 500 segundos y alcanzó 40 g/kg en el momento de detener la irradiación de microondas. Como el caudal de aire durante la desorción fue constante e igual a 185 m3/h, la disminución de la relación de humedad de salida evidentemente redujo el rendimiento del sistema. La relación de humedad de salida fue escasa debido a la masa térmica de agua adsorbida y desecante en el momento de inicio de la emisión de microondas. El efecto de masa térmica necesita más tiempo de emisión de microondas. Sin embargo, la tendencia decreciente del índice de humedad demuestra que no puede durar mucho tiempo. Se desorbieron 2 kg de agua para el modo actual durante el ciclo de desorción, lo que demuestra que muchos vapores de agua pueden capturarse y convertirse en agua potable o usarse para hacer funcionar sistemas IEC. El COP del sistema fue 0,55 y el MCOP fue 0,83. La temperatura de la rueda desecante no subió mucho, lo que demuestra la excelente distribución del campo eléctrico obtenida mediante resultados numéricos. No se observaron puntos calientes ni disminución del rendimiento del sistema debido al funcionamiento continuo del agitador en el centro de la rueda desecante y a la rotación de la rueda, lo que hizo que el sistema fuera seguro y sostenible. Además, la temperatura del desecante no superó los 80 °C. Sin embargo, parte de la energía transportada se desperdicia al calentar la temperatura de salida a 51 °C, por lo que es motivado considerar el modo con recuperación de calor del aire caliente de salida al aire de entrada mediante el intercambiador de calor. La Figura 4b presenta los perfiles de relación de temperatura y humedad para la desorción por microondas con un modo de recuperación de calor.

En la Fig. 7b se muestra un diagrama esquemático del modo. El tiempo de uso del microondas fue de 12 min 20 s y el caudal de aire fue de 140 m3/h. La temperatura del aire de entrada aumentó debido a la recuperación del calor de la temperatura de salida. Además, el perfil de temperatura fue diferente al perfil de temperatura sin recuperación de calor; En particular, la temperatura del aire de salida alcanzó los 51 °C en menos tiempo que en el modo anterior. Como resultado, el sistema tiene el COP más alto que otros modos, y el COP es igual a 0,58 y el MCOP equivale a 0,87. Además, se puede observar un alto rendimiento en el perfil de la relación de humedad que aumentó con el tiempo hasta que se detuvo la irradiación de microondas. En comparación con el modo sin recuperación de calor, parte del calor desperdiciado se utiliza de manera eficiente, lo que aumenta el rendimiento del sistema. Durante el proceso de desorción se extrajeron alrededor de 1,54 kg de vapor de agua de la rueda desecante. La Figura 5b demuestra el rendimiento del sistema y la cantidad de agua desorbida para diferentes duraciones (3,5 a 17 minutos) de emisión de microondas para ambos modos. La cantidad de agua desorbida tenía una dependencia casi lineal con el tiempo. Los resultados muestran que el COP aumenta con la duración de la irradiación de microondas para los modos sin recuperación de calor debido a la masa térmica del desecante compuesto saturado. Al comienzo de la radiación de microondas, se utilizó una parte de la energía para el calentamiento rápido de la rueda desecante saturada de 24 °C a 48 °C (Fig. 4a), por lo que el COP en el corto tiempo fue bajo. Al hacer funcionar el microondas por más tiempo, podemos reducir el efecto de la masa térmica y aumentar el COP del sistema. Sin embargo, la irradiación con microondas no duró más de 17 minutos ya que la mayor parte del agua se desorbió (la absorción de adsorción fue de 0,03).

Rendimiento del sistema de deshumidificación por microondas. (a) Metodología para el cálculo del MCOP para comparar la eficiencia de los sistemas de deshumidificación por microondas de diferentes autores y su diferencia con el concepto de cálculo del COP. (b) COP y cantidad de agua desorbida versus duración de la emisión de microondas. (c) Comparación del rendimiento de deshumidificación con autores de referencia con avance actual, que es 4 veces mayor que otros autores.

Hasta ahora, el vacío en la investigación era no centrarse en el rendimiento de la deshumidificación por microondas. Dado que la simulación y el experimento tenían como objetivo obtener el máximo rendimiento, se desarrolló el sistema de deshumidificación por microondas más eficiente con un COP de 0,58 y un MCOP de 0,87. MCOP de 0,87 significa que la mayor parte de la energía de microondas se entregó directamente a las moléculas de agua, con la menor generación de entropía interna y una baja potencia reflejada en el magnetrón. La generación de entropía interna se atribuye a un calentamiento desigual dentro del volumen. Ocurre en la región de valores altos de "baja relación de campo eléctrico". La potencia de microondas reflejada estaba en el valor más bajo (0,5–3 % de la potencia de microondas de entrada), lo que tiene un impacto tremendo en el rendimiento de la deshumidificación por microondas. La eficiencia de conversión del generador de microondas, que convierte la energía eléctrica en energía de microondas, fue de 0,7, lo que representó un COP de 0,58 cuando el MCOP llegaba a 0,87. Sin embargo, el COP fue el más alto dentro de la literatura disponible. El COP más alto (0,58) para los modos de recuperación de calor corresponde al momento en que el ratio de humedad alcanza el valor más alto. La recuperación de calor puede aumentar el rendimiento, pero la recuperación de calor tiene menos efecto durante un período breve o prolongado. Mientras tanto, la cantidad de agua desorbida para los modos de recuperación de calor fue más elevada que para los modos sin recuperación de calor. El rendimiento de la desorción por microondas debe considerarse como el coeficiente de rendimiento general (COP) y el coeficiente de rendimiento basado en la potencia de microondas (MCOP) mediante la siguiente ecuación:

donde \(\Delta m\) es la masa de humedad desorbida (agua) en [kg], \({h}_{fg}\) es el calor de evaporación en [J/kg], \({E}_{ mw}\) es la energía de microondas emitida por el magnetrón en [J], y \({P}_{elec}\) es la energía eléctrica consumida en [J]. La deshumidificación por desecante siempre funciona como un ciclo (adsorción y desorción), por lo que la cantidad de masa de agua adsorbida y desorbida es la misma. Para centrarse en el rendimiento de la deshumidificación por microondas en el cálculo, se utilizó la masa de agua desorbida. Por lo tanto, la eficiencia de conversión \(\eta\) es 0,7. La figura 5a ilustra la diferencia entre MCOP y COP en la metodología de estimación. La Figura 5c muestra una comparación en MCOP para diferentes autores con desorción por microondas. Se puede ver que el sistema actual desarrollado, diseñado y construido por autores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST) tiene el COP y MCOP más altos. Verifica que la optimización numérica de la forma de la cámara y la obtención de las mejores condiciones operativas pueden superar ambas limitaciones. Se logró un salto cuántico en la deshumidificación por microondas, con un aumento de cuatro veces en el MCOP, hasta 0,87, en comparación con la literatura disponible. La mejora del MCOP basado en microondas nos permitió comparar el rendimiento de las microondas de diversos autores. Otro problema fue no considerar el tiempo de uso del microondas en el rendimiento del sistema.

El sistema se mejoró hasta alcanzar el rendimiento de un sistema comercial de gran tamaño. Muestra que para construir un sistema de microondas es necesario comprender la física y la mecánica de las ondas electromagnéticas, lo que puede ayudar a diseñar un sistema con altos estándares de seguridad y alto rendimiento. El papel de los métodos de optimización numérica es crucial, así como los experimentos.

Se probó con éxito un piloto de deshumidificador por microondas a escala de laboratorio y logró una mejora cuatro veces mayor en el MCOP hasta 0,87 en comparación con la literatura disponible. Estas mejoras en la deshumidificación se atribuyeron a un mejor diseño de la guía de ondas y de la cámara, lo que demuestra la sensibilidad de la desorción (deshumidificación) de las moléculas de agua al suministro de energía de microondas. Sin embargo, las pérdidas parásitas de la conversión de electricidad a microondas, alrededor del 30% del consumo de electricidad, han dado como resultado un COP global del 58%. Por lo tanto, hay mucho espacio para la investigación de la tecnología eléctrica de la generación de microondas, en caso de que se desee un COP deshumidificador por microondas sostenible del 75%.

La fuerza de Van der Waals (o sitios de energía) atraen moléculas de agua a la superficie del material desecante vendido durante la deshumidificación (Fig. 1a). El agua adsorbida se puede eliminar mediante cambios de presión26,27 y cambios térmicos12,28. Es el proceso que más energía consume en la deshumidificación29. Por otro lado, las fuerzas de atracción tienen un comportamiento electrostático, por lo que las moléculas de agua con estructura dipolo oscilante con ondas electromagnéticas (microondas) podrían desprenderse de la superficie más rápido y con menos energía en comparación con los métodos mencionados anteriormente. La desorción asistida por microondas es un método emergente (Fig. 1b), donde se aplican dos mecanismos de desorción: el efecto directo de las microondas sobre las moléculas (transporte selectivo de energía) y el efecto térmico de las microondas23. No requiere calentamiento de la corriente de aire purgado para transportar energía como en el caso del cambio térmico; en cambio, la energía se transporta directamente a la molécula de agua23. Las microondas son ondas electromagnéticas que van desde aproximadamente 1 ma 0,001 m (con frecuencias entre 0,3 GHz y 300 GHz)30 y, como todas las ondas electromagnéticas, obedecen los sistemas de ecuaciones de Maxwell. El campo electromagnético armónico en el tiempo se puede representar mediante la siguiente ecuación diferencial que se obtiene a partir de los sistemas de ecuaciones de Maxwell aplicando un enfoque en el dominio de la frecuencia:

donde \(\nabla\) (nabla) es un operador diferencial vectorial, \(\overrightarrow{E}({E}_{x},{E}_{y},{E}_{z})\) es el campo vectorial de un campo eléctrico en [V/m], \({k}_{0}\) es el número de onda en [rad/m]. \({\varepsilon }_{r,eff}\) es permitividad compleja efectiva y tiene componentes reales y complejos, como lo muestra la siguiente ecuación:

donde \({\varepsilon }_{r,eff}^{"}\) es la parte real de la permitividad compleja efectiva (constante dieléctrica), \({\varepsilon }_{r,eff}^{"}\) es la parte imaginaria de la permitividad compleja efectiva (factor de pérdida dieléctrica). En las simulaciones, la potencia de microondas promedio consumida por la rueda desecante se calcula según la ecuación de Poynting: \({P}_{mw}=V\pi f{\varepsilon }_{0}^{ }{\varepsilon }_{ r,eff}^{"}{E}^{2}\), donde Pmw es la potencia de microondas en [W], V es el volumen de la rueda desecante en [m3], f es la frecuencia de microondas en [Hz], \({\varepsilon }_{0}\) es la permitividad del espacio libre en [F/m]. Otro parámetro importante es el campo vectorial promediado en el tiempo (\(\overrightarrow{S}\)), que mostró la potencia dirección del flujo y microondas. \(\overrightarrow{S}=\overrightarrow{E}\times \overrightarrow{{H}^{*}}\), donde \(\overrightarrow{{H}^{*}}\) es el campo vectorial del campo magnético y el conjugado complejo. Se eligió gel de sílice entre adsorbentes y se recubrió una rueda con estructura de panal a base de celulosa para lograr una alta superficie por unidad de volumen de la rueda. Estos materiales (gel de sílice y celulosa) son Es casi transparente a la radiación de microondas; por lo tanto, la energía de las microondas se concentra únicamente en expulsar las moléculas de agua de los poros del adsorbente.

La rueda adsorbente con forma de panal permite el flujo de aire a través de sus huecos canalizados. Para un modelado preciso, es necesario obtener la permitividad compleja efectiva de la rueda alveolar, que es función de la permitividad compleja del aire y los materiales desecantes (gel de sílice, aglutinante, celulosa), es decir31:

donde fop es la fracción de volumen de aire en las aberturas (panal) y fcd = 1-fop es la fracción de volumen de desecante compuesto. La profundidad de penetración de las microondas también se calcula con permitividad compleja efectiva mediante la siguiente fórmula23:

donde \({D}_{p}\) es la profundidad de penetración de las microondas en [m] y \({\lambda }_{0}\) es la longitud de onda de las microondas en [m].

Se realizó una optimización minimizando la potencia de microondas reflejada y las áreas no calentadas para aumentar el rendimiento de calentamiento dentro de la rueda alveolar. Se realizaron tres optimizaciones multiobjetivo con la suma ponderada de objetivos al considerarse tres formas, a saber, (i) la primera es una cámara de bloques rectangular con un lado en forma de tolva piramidal, (ii) la segunda es un bloque rectangular, y (iii) una cámara cilíndrica. Las variables de control se indicaron con a, b, c, d y se muestran en la Fig. 6a. El valor óptimo global se obtuvo con valores de control iniciales aleatorios dentro del rango restrictivo. Además, la optimización estuvo limitada por la geometría de la cámara, con las dimensiones de la rueda mantenidas constantes en un radio de 0,224 my una altura de 0,4 m (Fig. 6b). Para el modelado matemático, se utilizaron los siguientes supuestos: 1) La permitividad compleja y la permitividad compleja efectiva del material alveolar son homogéneas e isotrópicas; 2) Se supuso que la lámina de metal perforada tenía las mismas características reflectantes que la no perforada debido al diámetro del orificio de perforación mucho más pequeño (4 mm) que la longitud de onda de las microondas (124 mm). Para el diseño de la guía de ondas y la cámara, la Ec. (1) se resolvió para obtener el campo eléctrico (V/m) sujeto a las condiciones de contorno. En la entrada de la guía de ondas (del magnetrón), el campo eléctrico de la dirección x se diseña de acuerdo con la ecuación. (7) mientras que los valores correspondientes en las direcciones y y z son cero32:

Dominios de optimización numérica y geometría de la cámara de microondas. (a) Cámaras de microondas con 3 formas diferentes, a saber, una forma de bloque rectangular con un lado en forma de tolva piramidal, una forma de bloque rectangular y una forma cilíndrica. Posiciones de la guía de ondas emisoras de microondas variables a,b,c,d. que se utilizan como variables de control en la optimización; (b) Colocación de la rueda desecante en las 3 cámaras diferentes, donde el aire está coloreado en gris y la rueda desecante está coloreada en rojo para mostrar diferentes dominios con diferentes propiedades para la simulación en 3 casos.

La ecuación (7) satisfaría la irradiación de microondas clasificada como modo TE10 según la guía de ondas industrial estándar (WR340) a una frecuencia (f) de 2,45 GHz. La suposición del conductor eléctrico perfecto se aplicó para todas las paredes y láminas perforadas, donde los componentes tangenciales del campo eléctrico se igualaron a cero:

La región de cálculo consta de dos dominios (Fig. 6b) porque el aire (gris) y la rueda desecante (roja) tienen diferente permitividad compleja efectiva. Para los cálculos de optimización se utilizó el algoritmo de Nelder-Mead. El algoritmo Nelder-Mead es un método de optimización no lineal que utiliza el concepto simplex. En cada iteración, se define un nuevo vértice mediante las cuatro operaciones conocidas como reflexión, expansión, contracción y contracción. El valor de la función objetivo en n + 1 vértice de un simplex se calcula a medida que se mueve hacia el punto mínimo33. Se definieron dos funciones objetivo como la relación de potencia reflejada y la relación de campo eléctrico bajo:

donde el coeficiente de ponderación (\({w}_{c}\)) era igual a 5, ya que normalmente se reflejaba el 20% de la potencia de microondas.

donde \({E}_{threshold}\) era igual a 3000 V/m, lo cual se descubrió a partir del experimento de guía de ondas de los autores. Se necesita una relación de campo eléctrico baja para mantener un calentamiento uniforme mediante microondas. Las variables de control y sus límites para todos los casos se presentan a continuación:

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

Para realizar la optimización se utilizó la plataforma computacional COMSOL Multiphysics. El sistema de ecuaciones se resolvió con FGMRES Iterative Solver, que utiliza el método residual mínimo generalizado flexible reiniciado. Malla construida con (mínimo) 2.251.507 elementos de dominio tetraédrico y 73.048 elementos de límite triangulares.

Para generar las microondas se utilizó un generador de microondas (Fricke und Mallah, Alemania) con un valor de eficiencia de 0,7 para convertir energía eléctrica de corriente alternativa (CA) (9 kW) en energía de microondas. Se utilizó un cabezal de magnetrón (con un circulador y un acoplador direccional) para generar microondas y medir la potencia de microondas transmitida y reflejada. Se utilizó un sintonizador de tres terminales (Fricke und Mallah, Alemania) para sintonizar la fase de microondas para realizar una adaptación de impedancia para maximizar la transferencia de energía. El marco y el equipo se conectaron a tierra con protección para evitar que los usuarios sufrieran riesgos eléctricos de alto voltaje.

Se utilizó una jaula de Faraday doble especialmente diseñada para evitar fugas de microondas al área circundante. La primera jaula es una cámara multimodo donde se colocó una rueda desecante y su geometría se construyó en base a resultados optimizados numéricamente (se proporciona información más detallada sobre la optimización numérica en las Secciones 4 y 5). La primera jaula se colocó en la segunda jaula y ambas jaulas están hechas de una lámina de aluminio de 3 mm de espesor. El aluminio tiene características de baja resistencia y alta reflexión de microondas. Se utilizó un motor eléctrico (motores DKM, Corea) para hacer girar una rueda desecante con una velocidad preestablecida para controlar el proceso de microondas. Para medir la energía eléctrica se utilizó un medidor de energía eléctrica trifásico PowerLogic PM5110 (Schneider Electric, Reino Unido), con un rango de medición de 3 a 30 kW y con una precisión (0,5% FS). Se utilizó una boquilla de aluminio calibrada para las mediciones del flujo de aire que se realizaron de acuerdo con los estándares ISO/ANSI con alta precisión (RecoV, Italia).

Se utilizó un sensor de presión diferencial Modelo 264 (Setra, EE. UU.) con alta precisión (± 0,25% FS) y con un rango de 0 a 250 Pa para medir la presión diferencial a través de la boquilla. Se utilizaron sensores de temperatura Pt100 RTD (Omega, Reino Unido) para medir las temperaturas de bulbo seco y húmedo con una precisión de ± 0,1 °C y con un rango de −20–350 °C. Se utilizó un sensor de temperatura infrarrojo OS-MINIUSB (Omega, Reino Unido) con una precisión de 1 °C para medir la temperatura de una rueda desecante giratoria que puede medir en el rango de 0 a 250 °C. Los autores crearon un sistema de registro de datos automatizado en el software LabVIEW que registra datos de Agilent 34970A. Se utilizó un intercambiador de calor de aire para recuperar energía del aire de salida, y los canales de flujo de aire, los conductos y la cámara de microondas se aislaron térmicamente con gomaespuma. Un detector de fugas de microondas estuvo funcionando todo el tiempo por razones de seguridad.

El desecante (gel de sílice) captura la humedad del aire (Fig. 1a). Luego, la humedad del desecante es absorbida por microondas (Fig. 1b). La característica clave de las microondas es que pueden hacer oscilar las moléculas de agua y desorberlas de la superficie del adsorbente (gel de sílice). El sistema piloto de deshumidificación por microondas a escala de laboratorio se ilustra en la Fig. 7a, y su diagrama esquemático se muestra en la Fig. 7b. Para generar las microondas se utilizó un generador de microondas (Fricke und Mallah, Alemania). El marco y el equipo se conectaron a tierra con protección para evitar que los usuarios sufrieran riesgos eléctricos de alto voltaje. Se consideraron dos modos: el modo sin recuperación de calor y el modo con recuperación de calor del aire de salida. Las lecturas de temperatura y presión diferencial se registraron continuamente mediante el software Labview y Agilent 34970A para ambos modos. La velocidad del motor de rotación de la rueda desecante se ajustó al valor deseado, funcionando solo durante la desorción. La Figura 7b muestra un diagrama de configuración. El estudio realizó el siguiente procedimiento sin recuperación de calor: se abrieron las compuertas de aire 1 y 3, y se cerraron las compuertas de aire 2 y 4, dejando que el aire pasara por alto el dispositivo de recuperación de calor. Luego, la rueda desecante con estructura de panal se saturó con humedad a humedad relativa constante y temperatura a un caudal de aire regular hasta que las temperaturas de entrada y salida fueron las mismas: la misma temperatura y humedad indicaron condiciones de equilibrio. En consecuencia, se encendieron las microondas durante el tiempo y potencia preestablecidos desde el panel de control; El proceso de desorción finaliza cuando la relación de humedad de salida es inferior a la relación de humedad de entrada. El modo con recuperación de calor es similar al modo sin recuperación de calor; Cuando las temperaturas de entrada y salida se volvieron iguales, se cerraron las compuertas de aire 1 y 3, y se abrieron las compuertas de aire 2 y 4 para recuperar el calor del aire de salida.

Vista del sistema piloto experimental de deshumidificación por microondas. (a) Vista pictórica del sistema de deshumidificación por microondas, compuesto por el panel de control, el cabezal del magnetrón (donde se generan las microondas), el sintonizador de 3 terminales, la cámara de microondas y la rueda desecante. Las imágenes ampliadas muestran brea en estructura de panal; (b) Diagrama esquemático del sistema de deshumidificación por microondas. La recuperación de calor se ve afectada por un intercambiador de calor entre el aire de salida y de entrada.

Los datos presentados están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Descargar referencias

Los autores agradecen la generosa financiación de (1) el proyecto KAUST Cooling Initiative (KCI), REP/1/3988-01-01 y REP/1/3988-04-01, (2) el Centro de reutilización y desalinización de agua. (WDRC), Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST). Las figuras 1a,b fueron dibujadas por DY

División BESE, Centro de Desalinización y Reutilización de Agua, Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah, Thuwal, 23955, Arabia Saudita

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

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Qian Chen

Departamento de Química e Ingeniería Química, Universidad de Ciencias de la Gestión de Lahore, Lahore, 54792, Pakistán

Faheem Hassan Akhtar

Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Jouf, Sakakah, 72388, Arabia Saudita

Incursión en AlRowais

Departamento de Ingeniería Mecánica y de la Construcción, Universidad de Northumbria, Newcastle Upon Tyne, NE1 8ST, Reino Unido

Muhammad Wakil Shahzad

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DY trabajó en conceptualización, metodología, análisis, investigación, modelado, validación, redacción del borrador original y visualización. QC trabajó en redacción, revisión, edición, análisis formal y metodología. MWS trabajó en redacción, revisión, edición, análisis formal y metodología. RA hizo un análisis formal. KJ hizo un análisis formal. MB trabajó en investigación y visualización. La FHA trabajó en investigación y visualización. KCN trabajó en la conceptualización, metodología, análisis formal, redacción del borrador original, supervisión y adquisición de financiamiento. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Doskhan Ybyraiymkul.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ybyraiymkul, D., Chen, Q., Burhan, M. et al. Innovadora deshumidificación por desecante sólido mediante microondas distribuidas. Representante científico 13, 7386 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34542-9

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Recibido: 20 de enero de 2023

Aceptado: 03 de mayo de 2023

Publicado: 06 de mayo de 2023

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

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