Déshumidification déshydratante solide innovante utilisant des micro-ondes distribuées

Dec 11, 2023

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

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

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

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

A partir de la littérature disponible, Roussy et Chenot ont mis en évidence le premier procédé de déshumidification par micro-ondes avec un guide d'onde monomode en 198116. Ils ont présenté la dépendance de la température du dessicant au champ électrique16. De plus, Roussy et al. ont proposé un modèle pour représenter la cinétique rapide de la désorption micro-onde17. La plupart des recherches menées en 40 ans se sont concentrées sur le développement de la méthode de désorption assistée par micro-ondes avec de petits volumes16,17,18,19,20,21,22. Notamment, l'investigation a été étendue à différents adsorbants (alumine activée, zéolithe et gel de silice)18. De nombreux avantages de la désorption par micro-ondes ont été révélés, tels que le transfert d'énergie plus efficacement que le transport d'énergie par convection23 et la désorption à basse température grâce au transport d'énergie direct24. Cependant, un paramètre critique tel que le COP était généralement omis dans la littérature. De plus, aucune valeur de puissance électrique n'a été fournie; à la place, la puissance des micro-ondes a été montrée. Par conséquent, le coefficient de performance micro-ondes (MCOP) a été introduit, qui peut être la plate-forme pour comparer différents systèmes de déshumidification micro-ondes. La MCOP peut être calculée en utilisant la puissance des micro-ondes, la durée d'exposition aux micro-ondes et la quantité d'eau désorbée. Les valeurs calculées de MCOP pour d'autres auteurs étaient extrêmement faibles, comme résumé dans le tableau 1. Les performances du système dépendent de la propagation uniforme du champ électrique25, de la géométrie de la chambre à micro-ondes, du temps d'irradiation des micro-ondes, du type d'irradiation (continue, pulsée ), et la quantité de puissance réfléchie. Un système de chambre multimode similaire à un four domestique a été utilisé pour la désorption19. De plus, le rotor déshydratant fixe revêtu de zéolite a été régénéré à l'aide de méthodes de désorption par micro-ondes et oscillation de température, mais les performances étaient faibles, avec un MCOP d'environ 0,2221,22.

Malgré de nombreuses décennies d'étude de la déshumidification par micro-ondes, nous avons découvert un manque de connaissances qui a entravé son développement. Il est associé au rétrécissement de la recherche sur l'avancement des méthodes avec de petits échantillons au cours du dernier demi-siècle. La limitation de la recherche par de petites cavités monomodes est due à la distribution uniforme du champ électrique, qui a conduit à négliger les facteurs gênants, tels que les faibles performances. Jusqu'à présent, la plupart des expériences ont été réalisées sur des échelles inférieures à 160 g avec un volume de 1 L16,17,18,19,20,21,22. Par conséquent, toutes les études à l'échelle du laboratoire n'ont pas été développées au niveau pilote pour déshumidifier l'air. La mise à l'échelle du système à l'échelle du banc peut entraîner une répartition inégale du champ électrique, un échauffement de sections étroites (près de la surface) et, par conséquent, une baisse de l'efficacité25. Pour réaliser un système pilote performant, les limitations critiques suivantes ont dû être résolues : (I) Génération d'entropie interne due aux zones non chauffées (la non-uniformité du champ électrique) ; (II) Énorme gaspillage d'énergie (réflexion élevée de la puissance des micro-ondes) ; (III) Temps d'irradiation aux micro-ondes excessif.

Dans cet article, nous avons démontré expérimentalement que 97 à 99,5 % de la puissance des micro-ondes irradiées pouvaient être utilisées efficacement, multipliant par quatre les performances d'un pilote à l'échelle du laboratoire pour la première fois. L'optimisation nous a permis de réduire une puissance réfléchie à 0,5 à 3 % de la puissance micro-onde d'entrée et de distribuer les micro-ondes de manière homogène. Les principales nouveautés sont les suivantes : (a) Un réflecteur rotatif avec déshydratant en nid d'abeille attaché a été proposé ; il rend une distribution plus uniforme du champ électrique et empêche la surchauffe du dessicant ; (b) une nouvelle approche d'optimisation a été proposée pour diminuer la puissance micro-onde réfléchie et les zones non chauffées ; ( c ) Les effets du temps d'irradiation aux micro-ondes et de la récupération de chaleur sur le COP ont été évalués expérimentalement. Le système de déshumidification proposé avec une structure et des paramètres de fonctionnement optimisés aidera à surmonter toutes les limitations ci-dessus et à atteindre des objectifs de déshumidification verte durable. Nous espérons que notre travail aidera à modéliser davantage les processus micro-ondes et à développer des technologies émergentes. Une explication détaillée du système est fournie dans les sections suivantes.

La déshumidification par micro-ondes se développait avec une négligence des performances jusqu'à présent, de sorte que l'optimisation numérique et les expériences étaient fortement axées sur les performances. La roue déshydratante revêtue de gel de silice de type RD avec une structure en nid d'abeille a été utilisée comme roue déshydratante. Le diamètre de la roue était de 0,448 m, la hauteur était de 0,4 m, la densité du matériau composite était de 668 kg/m3, le volume, y compris les vides, était de 0,063 m3 et la masse sèche de la roue déshydratante était de 11,8 kg. L'épaisseur de l'épaisseur moyenne de la paroi du canal en nid d'abeille (y compris le revêtement + la cellulose + le liant) a été obtenue à partir d'une image SEM en coupe (l'épaisseur était de 208 µm), illustrée à la Fig. 2a. La figure 2b représente une surface de revêtement déshydratant fracturée liée avec un matériau fibreux. Ces fractures augmentent la diffusion de masse et le flux d'humidité. Le choix de la structure en nid d'abeilles et du gel de silice de type RD était dû à sa capacité d'adsorption d'eau élevée et à sa profondeur de pénétration élevée des micro-ondes. De plus, des isothermes d'adsorption de la roue déshydratante, qui est une structure déshydratante combinée (cellulose en nid d'abeille, adsorbant et liant), ont été obtenues, comme le montre la figure 2c. Selon les résultats, la structure composite peut adsorber l'humidité jusqu'à 30 % de sa masse osseuse sèche à une humidité plus élevée. Cependant, il peut adsorber environ 20 % de sa masse osseuse sèche dans une région à humidité modérée. En outre, la figure 2c montre un échantillon de dessicant composite sur le creuset de l'analyseur dynamique de sorption de vapeur "Aquadyne DVS", qui fonctionne sur le principe gravimétrique et est entièrement automatisé pour mesurer les isothermes d'adsorption. Un analyseur d'impédance Agilent a été utilisé pour mesurer la permittivité complexe du matériau déshydratant composite qui a été échantillonné uniformément sans vides, puis les valeurs efficaces ont été déterminées selon l'équation. (2). La figure 2d illustre la permittivité complexe (propriétés diélectriques) d'un matériau déshydratant composite avec différentes absorptions d'adsorption. La profondeur de pénétration est la profondeur à laquelle le champ électrique est réduit à 37 % de sa valeur d'entrée dans le milieu. Il convient de noter que les micro-ondes peuvent pénétrer au centre de la roue déshydratante car le rayon de la roue (0,224 m) est inférieur à la profondeur de pénétration dans la plage de fonctionnement de l'absorption d'adsorption (0,05 à 0,2). Au fur et à mesure que la quantité d'eau adsorbée diminue, la profondeur de pénétration des micro-ondes augmente avec la diminution de la permittivité complexe de la roue déshydratante. De plus, il révèle que la profondeur de pénétration varie peu dans la plage de fonctionnement de l'absorption d'adsorption (0, 05 à 0, 02), ce qui contribue à la simplification de la simulation.

Caractéristiques de la structure déshydratante composite (cellulose en nid d'abeille, adsorbant et liant). (a) Image SEM de la section transversale du dessicant ; (b) Image SEM de la surface du dessicant ; (c) Isothermes de structure déshydratante composite. Un échantillon composite de dessicant sur le creuset des analyseurs dynamiques à sorption de vapeur "Aquadyne DVS" ; ( d ) Dépendance de la permittivité complexe efficace et de la profondeur de pénétration des micro-ondes sur l'absorption d'eau d'adsorption à 2, 45 GHz.

Trois optimisations globales ont été effectuées pour 3 cas (cylindrique, rectangulaire et en forme de trémie) avec des variables de contrôle initiales aléatoires, comme expliqué dans la section "Méthodes" (sous-section "Optimisation multi-objectifs de la chambre à micro-ondes"). La figure 3a montre l'évolution de la puissance réfléchie et du faible rapport de champ électrique pour les 3 cas les plus optimaux d'optimisation globale avec une variable de contrôle initiale aléatoire. De plus, dans 3 cas, le cas 3 était le plus optimal. La valeur optimale de la variable de contrôle (illustrée à la Fig. 6b) pour le cas 3 était égale à 0,14 ou c = 0,14. La différence de faible rapport de champ électrique était insignifiante dans 3 cas aux valeurs optimales. Les résultats montrent que le guide d'ondes émettant des micro-ondes doit être placé dans la partie centrale de la chambre plutôt que sur le côté pour obtenir une propagation plus homogène (uniforme) du champ électrique, ce qui correspond au rapport de champ électrique le plus faible. La puissance réfléchie pour le cas 3 est de 44 W (0,7 % de la puissance émise), ce qui est la valeur la plus basse parmi les autres cas. La faible réflexion ne peut pas être expliquée par la position du guide d'onde car la puissance réfléchie augmente lors de l'optimisation à 914 W (15% de la puissance émise). Néanmoins, la géométrie circulaire avait la réflexion de puissance micro-onde la plus faible lors de l'optimisation. Les résultats d'optimisation démontrent que la forme de la chambre a un impact significatif sur les performances que la position du guide d'ondes. La figure 3b illustre les lignes de courant du vecteur de Poynting des micro-ondes à la section transversale de la chambre. Ces lignes de courant indiquent le chemin de propagation des micro-ondes. L'échelle de couleurs se réfère à la valeur normalisée de S (flux de puissance). Selon les résultats, la majeure partie de la puissance des micro-ondes a été adsorbée lors de la réflexion (rebondissement) des micro-ondes à l'intérieur de la chambre. En raison de la forme parabolique (que l'on peut voir sur la coupe transversale), le couvercle métallique de la chambre du boîtier 3 empêche le retour des rayons micro-ondes vers le magnétron. La figure 3c montre l'espace des fonctions objectives, où nous pouvons également repérer les valeurs optimales pour 3 cas situés près de la ligne de front optimale, également appelée front de Pareto. La somme des fonctions objectives au cas-3 (forme cylindrique) a atteint une valeur extrême, donc la condition optimale globale appartient au cas-3 avec c = 0,14 m.

Résultats d'optimisation d'un système de déshumidification par micro-ondes. (a) Puissance réfléchie et faible rapport de champ électrique pour les 3 cas les plus optimaux d'optimisation globale avec une variable de contrôle initiale aléatoire ; (b) Streamline du vecteur "Poynting" des micro-ondes à la section transversale. La roue déshydratante est intégrée dans la chambre cylindrique à micro-ondes. La longueur d'onde des micro-ondes est de 0,122 m. Le rayon du cylindre est r = 0,5 m. L'échelle de couleurs fait référence à la valeur normalisée de S. (c) Espace des fonctions objectives pour une optimisation globale multi-objectifs avec des valeurs de contrôle initiales aléatoires.

Sur la base des résultats de l'optimisation, le système avec une chambre multimode efficace a été construit par les auteurs. Les expériences ont été réalisées en deux modes : sans récupération de chaleur et avec récupération de chaleur (à partir de la sortie d'air purgé).

Le plus efficace (COP maximum) dans les résultats expérimentaux (irradiation micro-ondes différente, débit d'air) a été démontré sur les Fig. 4 a, b pour chaque mode. La figure 4a montre les profils de rapport de température et d'humidité à l'entrée et à la sortie du système sans récupération de chaleur. Le temps d'irradiation aux micro-ondes était égal à 17 min. Cependant, le temps de désorption était plus long que le temps d'irradiation en raison de l'énergie résiduelle (masse thermique de la roue dessicante). La température de l'air d'admission était constante pendant les cycles d'adsorption et de désorption, et elle était équivalente à 24 °C. De même, le taux d'humidité d'entrée (ω) était égal à 10,3 g/kg tout au long de l'expérience. Comme présenté sur la figure 4a, la température de la roue déshydratante a fortement augmenté au début de l'émission de micro-ondes. La température de l'air de sortie a augmenté avec le temps, mais sa température était inférieure à la température de la roue.

Résultats expérimentaux d'un système de déshumidification par micro-ondes. (a) Taux d'humidité et température pour le mode sans récupération de chaleur ; (b) Taux d'humidité et température pour le mode de récupération de chaleur. Les résultats expérimentaux correspondent à la valeur maximale du COP de chaque mode.

Il a prouvé que l'énergie était transportée par les micro-ondes directement vers l'eau adsorbée. Par conséquent, la pression à la surface de l'adsorbant augmente, élevant la valeur de sortie du taux d'humidité à 43 g/kg. Néanmoins, le taux d'humidité a commencé à diminuer après 500 s et a atteint 40 g/kg au moment de l'arrêt de l'irradiation aux micro-ondes. Comme le débit d'air lors de la désorption était constant et égal à 185 m3/h, la diminution du taux d'humidité de sortie réduisait évidemment les performances du système. Le taux d'humidité de sortie était faible en raison de la masse thermique d'eau adsorbée et de dessiccant au moment du démarrage de l'émission des micro-ondes. L'effet de masse thermique nécessite plus de temps d'émission micro-onde. Cependant, la tendance à la baisse du taux d'humidité démontre qu'il ne peut pas être très long. 2 kg d'eau ont été désorbés pour le mode actuel pendant le cycle de désorption, ce qui montre que de nombreuses vapeurs d'eau peuvent être capturées et transformées en eau potable ou utilisées pour faire fonctionner des systèmes IEC. Le COP du système était de 0,55 et le MCOP de 0,83. La température de la roue déshydratante n'est pas montée très haut, ce qui prouve l'excellente répartition du champ électrique obtenue par les résultats numériques. Des points chauds ou une diminution des performances du système n'ont pas été observés en raison du fonctionnement continu de l'agitateur au centre de la roue de dessicant et de la rotation de la roue qui ont rendu le système sûr et durable. De plus, la température du dessicant ne dépasse pas 80 °C. Néanmoins, une partie de l'énergie transportée est gaspillée en chauffant la température de sortie à 51 ° C, il est donc motivé d'envisager le mode avec récupération de chaleur de l'air chaud de sortie à l'air d'entrée par l'échangeur de chaleur. La figure 4b présente des profils de rapport de température et d'humidité pour la désorption par micro-ondes avec un mode de récupération de chaleur.

Un diagramme schématique du mode est représenté sur la figure 7b. Le temps de micro-ondes était égal à 12 min 20 s, et le débit d'air était de 140 m3/h. La température de l'air d'admission a augmenté en raison de la récupération de chaleur à partir de la température de sortie. De plus, le profil de température était différent du profil de température sans récupération de chaleur ; notamment, la température de l'air de sortie a atteint 51 °C en un temps plus court que le mode précédent. En conséquence, le système a le COP le plus élevé que les autres modes, et le COP est égal à 0,58 et le MCOP est équivalent à 0,87. De plus, des performances élevées peuvent être observées à partir du profil du taux d'humidité qui a augmenté avec le temps jusqu'à ce que l'irradiation par micro-ondes soit arrêtée. Par rapport au mode sans récupération de chaleur, une partie de la chaleur perdue est utilisée efficacement, augmentant ainsi les performances du système. Environ 1,54 kg de vapeur d'eau a été désorbé de la roue déshydratante pendant le processus de désorption. La figure 5b montre les performances du système et la quantité d'eau désorbée pour les différentes durées (3,5 à 17 min) d'émission de micro-ondes pour les deux modes. La quantité d'eau désorbée avait une dépendance presque linéaire du temps. Les résultats montrent que le COP augmente avec la durée d'irradiation par micro-ondes pour les modes sans récupération de chaleur en raison de la masse thermique du dessicant composite saturé. Au début du rayonnement micro-ondes, une partie de l'énergie était utilisée pour le chauffage rapide de la roue de dessicant saturée de 24 ° C à 48 ° C (Fig. 4a), de sorte que le COP à court terme était faible. En faisant fonctionner le micro-ondes plus longtemps, nous pouvons réduire l'effet de masse thermique et augmenter le COP du système. Cependant, l'irradiation aux micro-ondes n'a pas duré plus de 17 minutes car la majeure partie de l'eau a été désorbée (l'absorption par adsorption était de 0,03).

Performances du système de déshumidification par micro-ondes. (a) Méthodologie de calcul du MCOP pour comparer l'efficacité des systèmes de déshumidification par micro-ondes de différents auteurs et leur différence par rapport au concept de calcul du COP. (b) COP et quantité d'eau désorbée en fonction de la durée d'émission des micro-ondes. (c) Comparaison des performances de déshumidification avec les auteurs de référence avec une avance actuelle, qui est 4 fois supérieure à celle des autres auteurs.

Ne pas se concentrer sur les performances de la déshumidification par micro-ondes était la lacune de la recherche jusqu'à présent. Étant donné que la simulation et l'expérimentation visaient à obtenir les performances maximales, le système de déshumidification par micro-ondes le plus efficace a été développé avec un COP de 0,58 et un MCOP de 0,87. Un MCOP de 0,87 signifie que la majeure partie de l'énergie des micro-ondes a été transmise directement aux molécules d'eau, avec la moindre génération d'entropie interne et une faible puissance réfléchie vers le magnétron. La génération d'entropie interne est attribuée à un chauffage inégal dans le volume. Il se produit dans la région de valeurs élevées de "faible rapport de champ électrique". La puissance des micro-ondes réfléchie était à la valeur la plus basse (0,5 à 3 % de la puissance des micro-ondes d'entrée), ce qui a un impact considérable sur les performances de déshumidification des micro-ondes. L'efficacité de conversion du générateur de micro-ondes, qui transforme l'énergie électrique en énergie micro-ondes, était de 0,7, ce qui était responsable du COP de 0,58 lorsque le MCOP était aussi élevé que 0,87. Cependant, le COP était le plus élevé dans la littérature disponible. Le COP le plus élevé (0,58) pour les modes de récupération de chaleur correspond au moment où le taux d'humidité atteint la valeur la plus élevée. La récupération de chaleur peut augmenter les performances, mais la récupération de chaleur a moins d'effet pendant une courte ou une longue période. Pendant ce temps, la quantité d'eau désorbée pour les modes de récupération de chaleur était plus élevée que pour les modes sans récupération de chaleur. La performance de la désorption des micro-ondes doit être considérée comme le coefficient de performance général (COP) et le coefficient de performance basé sur la puissance des micro-ondes (MCOP) par l'équation suivante :

où \(\Delta m\) est la masse d'humidité désorbée (eau) en [kg], \({h}_{fg}\) est une chaleur d'évaporation en [J/kg], \({E}_{ mw}\) est l'énergie micro-onde émise par le magnétron dans [J], et \({P}_{elec}\) est l'énergie électrique consommée dans [J]. La déshumidification par déshydratant fonctionne toujours comme un cycle (adsorption et désorption), de sorte que la quantité de masse d'eau adsorbée et désorbée est la même. Pour se concentrer sur les performances de la déshumidification par micro-ondes dans le calcul, la masse d'eau désorbée a été utilisée. Par conséquent, l'efficacité de conversion \(\eta\) est de 0,7, la figure 5a illustre la différence entre MCOP et COP dans la méthodologie d'estimation. La figure 5c montre une comparaison de MCOP pour différents auteurs avec désorption par micro-ondes. On peut voir que le système actuel qui a été développé, conçu et construit par des auteurs de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST) a le COP et le MCOP les plus élevés. Il vérifie que l'optimisation numérique de la forme de la chambre et l'obtention des meilleures conditions de fonctionnement peuvent surmonter ces deux limitations. Un saut quantique a été réalisé dans la déshumidification par micro-ondes, avec une multiplication par quatre du MCOP, jusqu'à 0,87, par rapport à la littérature disponible. L'amélioration du MCOP basé sur les micro-ondes nous a permis de comparer les performances des micro-ondes de divers auteurs. Un autre problème était de ne pas tenir compte du temps de micro-ondes sur les performances du système.

Le système a été amélioré pour atteindre les performances d'un grand système commercial. Il montre que la construction d'un système à micro-ondes nécessite une compréhension de la physique et de la mécanique des ondes électromagnétiques, ce qui peut aider à concevoir un système avec des normes de sécurité élevées et des performances élevées. Le rôle des méthodes d'optimisation numérique est crucial, ainsi que celui des expérimentations.

Un pilote de déshumidificateur à micro-ondes à l'échelle du laboratoire a été testé avec succès pour obtenir une amélioration quadruple du MCOP jusqu'à 0,87 par rapport à la littérature disponible. Ces améliorations de la déshumidification ont été attribuées à la meilleure conception du guide d'ondes et de la chambre, démontrant la sensibilité de la désorption des molécules d'eau (déshumidification) à l'apport d'énergie micro-ondes. Cependant, les pertes parasites de la conversion de l'électricité en micro-ondes, de l'ordre de 30 % de l'électricité consommée, ont entraîné un COP global de 58 %. Par conséquent, il y a beaucoup de place pour la technologie électrique de la recherche sur la génération de micro-ondes, si un COP durable du déshumidificateur micro-ondes de 75 % est souhaité.

La force de Van der Waals (ou sites énergétiques) attire les molécules d'eau à la surface du matériau déshydratant vendu pendant la déshumidification (Fig. 1a). L'eau adsorbée peut être éliminée par oscillation de pression26,27 et oscillation thermique12,28. C'est le procédé le plus énergivore en déshumidification29. D'autre part, les forces d'attraction ont un comportement électrostatique, de sorte que les molécules d'eau à structure dipôle oscillante avec des ondes électromagnétiques (micro-ondes) pourraient se détacher de la surface plus rapidement et avec moins d'énergie par rapport aux méthodes mentionnées ci-dessus. La désorption assistée par micro-ondes est une méthode émergente (Fig. 1b), où deux mécanismes de désorption sont appliqués : l'effet direct des micro-ondes sur les molécules (transport sélectif d'énergie) et l'effet thermique des micro-ondes23. Il ne nécessite pas de chauffage du flux d'air purgé pour transporter l'énergie comme dans l'oscillation thermique ; au lieu de cela, l'énergie est transportée directement à la molécule d'eau23. Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques allant d'environ 1 m à 0,001 m (avec des fréquences comprises entre 0,3 GHz et 300 GHz)30, et comme toutes les ondes électromagnétiques, elles obéissent aux systèmes d'équations de Maxwell. Le champ électromagnétique harmonique dans le temps peut être représenté par l'équation différentielle suivante obtenue à partir des systèmes d'équations de Maxwell en appliquant une approche dans le domaine fréquentiel :

où \(\nabla\) (nabla) est un opérateur différentiel vectoriel, \(\overrightarrow{E}({E}_{x},{E}_{y},{E}_{z})\) est le champ vectoriel d'un champ électrique en [V/m], \({k}_{0}\) est le nombre d'onde en [rad/m]. \({\varepsilon }_{r,eff}\) est la permittivité complexe effective, et elle a des composants réels et complexes, comme le montre l'équation suivante :

où \({\varepsilon }_{r,eff}^{"}\) est la partie réelle de la permittivité complexe effective (constante diélectrique), \({\varepsilon }_{r,eff}^{"}\) est la partie imaginaire de la permittivité complexe effective (facteur de perte diélectrique). Dans les simulations, la puissance micro-onde moyenne consommée par la roue déshydratante est calculée selon l'équation de Poynting : \({P}_{mw}=V\pi f{\varepsilon }_{0}^{ }{\varepsilon }_{ r,eff}^{"}{E}^{2}\), où Pmw est la puissance micro-onde en [W], V est le volume de la roue déshydratante en [m3], f est la fréquence micro-onde en [Hz], \({\varepsilon }_{0}\) est la permittivité de l'espace libre en [F/m]. Un autre paramètre important est le champ vectoriel moyenné dans le temps (\(\overrightarrow{S}\)), qui montre la puissance direction du flux et des micro-ondes. \(\overrightarrow{S}=\overrightarrow{E}\times \overrightarrow{{H}^{*}}\), où \(\overrightarrow{{H}^{*}}\) est le champ vectoriel du champ magnétique et conjugué complexe. Le gel de silice a été choisi parmi les adsorbants et enduit sur une roue structurée en nid d'abeille à base de cellulose pour obtenir une surface élevée par unité de volume de la roue. Ces matériaux (gel de silice et cellulose) sont presque transparent au rayonnement micro-ondes ; par conséquent, l'énergie micro-ondes est uniquement concentrée sur l'éjection des molécules d'eau des pores de l'adsorbant.

La roue adsorbante à base de nid d'abeilles permet la circulation de l'air à travers ses vides canalisés. Pour une modélisation précise, il est nécessaire d'obtenir la permittivité complexe effective de la roue en nid d'abeille, qui est fonction de la permittivité complexe de l'air et des matériaux déshydratants (gel de silice, liant, cellulose), soit31 :

où fop est la fraction volumique d'air dans les ouvertures (nid d'abeilles), et fcd = 1-fop est la fraction volumique de déshydratant composite. La profondeur de pénétration des micro-ondes est également calculée avec la permittivité complexe effective par la formule suivante23 :

où \({D}_{p}\) est la profondeur de pénétration des micro-ondes en [m] et \({\lambda }_{0}\) est la longueur d'onde des micro-ondes en [m].

Une optimisation a été effectuée, minimisant la puissance micro-onde réfléchie et les zones non chauffées pour augmenter les performances de chauffage dans la roue en nid d'abeille. Trois optimisations multi-objectifs avec la somme pondérée des objectifs ont été réalisées en considérant trois formes, à savoir, (i) la première est une chambre à bloc rectangulaire avec un côté en forme de trémie pyramidale, (ii) la seconde est un bloc rectangulaire, et (iii) une chambre cylindrique. Les variables de contrôle ont été désignées par a, b, c, d et affichées sur la figure 6a. La valeur optimale globale a été obtenue avec des valeurs de contrôle initiales aléatoires dans la plage contraignante. De plus, l'optimisation a été contrainte par la géométrie de la chambre, avec des dimensions de roue maintenues constantes à un rayon de 0,224 m et une hauteur de 0,4 m (Fig. 6b). Pour la modélisation mathématique, les hypothèses suivantes ont été utilisées : 1) La permittivité complexe et la permittivité complexe effective du matériau en nid d'abeilles sont homogènes et isotropes ; 2) La tôle perforée a été supposée avoir les mêmes caractéristiques réfléchissantes que la tôle non perforée en raison du diamètre du trou de perforation beaucoup plus petit (4 mm) que la longueur d'onde des micro-ondes (124 mm). Pour la conception du guide d'ondes et de la chambre, Eq. (1) a été résolu pour obtenir le champ électrique (V/m) soumis aux conditions aux limites. A l'entrée du guide d'onde (du magnétron), le champ électrique de la direction x est conçu selon l'Eq. (7) alors que les valeurs correspondantes dans les directions y et z sont nulles32 :

Domaines d'optimisation numérique et géométrie de la chambre hyperfréquence. (a) Chambres à micro-ondes de 3 formes différentes, à savoir une forme de bloc rectangulaire avec un côté en forme de trémie pyramidale, une forme de bloc rectangulaire et une forme cylindrique. Le guide d'ondes émettant des micro-ondes positionne les variables a,b,c,d. qui sont utilisées comme variables de contrôle dans l'optimisation ; (b) Positionnement de la roue déshydratante dans les 3 chambres différentes, où l'air est coloré en gris, et la roue déshydratante est colorée en rouge pour montrer différents domaines avec des propriétés différentes pour la simulation dans 3 cas.

L'équation (7) satisferait l'irradiation micro-onde classée comme mode TE10 sous le guide d'onde industriel standard (WR340) à une fréquence (f) de 2,45 GHz. L'hypothèse du conducteur électrique parfait a été appliquée pour tous les murs et tôles perforées, où les composantes tangentielles du champ électrique ont été fixées égales à zéro :

La région de calcul se compose de deux domaines (Fig. 6b) car l'air (gris) et la roue desséchante (rouge) ont des permittivités complexes effectives différentes. L'algorithme de Nelder-Mead a été utilisé pour les calculs d'optimisation. L'algorithme de Nelder-Mead est une méthode d'optimisation non linéaire qui utilise le concept du simplexe. A chaque itération, un nouveau sommet est défini par les quatre opérations appelées réflexion, expansion, contraction et retrait. La valeur de la fonction objectif à n + 1 sommet d'un simplexe est calculée au fur et à mesure qu'elle se déplace vers le point minimum33. Deux fonctions objectives ont été définies telles que le rapport de puissance réfléchie et le rapport de champ électrique faible :

où le coefficient de pondération (\({w}_{c}\)) était égal à 5 ​​car généralement 20 % de la puissance des micro-ondes était réfléchie.

où \({E}_{seuil}\) était égal à 3000 V/m, ce qui a été découvert à partir de l'expérience de guide d'ondes des auteurs. Un faible rapport de champ électrique est nécessaire pour maintenir un chauffage uniforme par les micro-ondes. Les variables de contrôle et leurs bornes pour tous les cas sont présentées ci-dessous :

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

La plate-forme de calcul COMSOL Multiphysics a été utilisée pour effectuer l'optimisation. Le système d'équations a été résolu avec FGMRES Iterative Solver, qui utilise la méthode résiduelle minimale généralisée flexible redémarrée. Maillage constitué de (minimum) 2 251 507 éléments de domaine tétraédriques et 73 048 éléments de frontière triangulaires.

Un générateur de micro-ondes (Fricke und Mallah, Allemagne) avec une valeur d'efficacité de 0,7 pour convertir la puissance électrique du courant alternatif (CA) (9 kW) en puissance micro-ondes a été utilisé pour générer les micro-ondes. Une tête de magnétron (avec un circulateur et un coupleur directionnel) a été utilisée pour générer des micro-ondes et mesurer la puissance des micro-ondes transmises et réfléchies. Un tuner à trois tronçons (Fricke und Mallah, Allemagne) a été utilisé pour régler la phase micro-ondes afin d'effectuer une adaptation d'impédance pour maximiser le transfert d'énergie. Le cadre et l'équipement ont été mis à la terre avec une mise à la terre de protection pour protéger les utilisateurs des risques électriques à haute tension.

Une cage de Faraday double spécialement conçue a été utilisée afin d'éviter les fuites de micro-ondes dans la zone environnante. La première cage est une chambre multimode où une roue déshydratante a été placée, et sa géométrie a été construite sur la base de résultats numériquement optimisés (des informations plus détaillées sur l'optimisation numérique sont fournies dans les sections 4 et 5). La première cage a été placée dans la deuxième cage, et les deux cages sont constituées d'une feuille d'aluminium de 3 mm d'épaisseur. L'aluminium a une faible résistance et des caractéristiques de réflexion élevées des micro-ondes. Un moteur électrique (moteurs DKM, Corée) a été utilisé pour faire tourner une roue déshydratante avec une vitesse prédéfinie pour contrôler le processus micro-ondes. Un compteur d'énergie électrique triphasé PowerLogic PM5110 (Schneider Electric, Royaume-Uni), avec une plage de mesure de 3 à 30 kW et une précision de (0,5 % FS), a été utilisé pour mesurer la puissance électrique. Une buse en aluminium calibrée a été utilisée pour les mesures de débit d'air qui ont été effectuées selon les normes ISO/ANSI avec une grande précision (RecoV, Italie).

Un capteur de pression différentielle modèle 264 (Setra, États-Unis) avec une précision élevée (± 0,25% FS) et avec une plage de 0 à 250 Pa a été utilisé pour mesurer la pression différentielle à travers la buse. Des capteurs de température Pt100 RTD (Omega, Royaume-Uni) ont été utilisés pour mesurer les températures de bulbe sec et humide avec une précision de ± 0,1 °C et avec une plage de − 20 à 350 °C. Un capteur de température infrarouge OS-MINIUSB (Omega, Royaume-Uni) avec une précision de 1 °C a été utilisé pour mesurer une température de roue déshydratante rotative pouvant mesurer dans la plage de 0 à 250 °C. Un système d'enregistrement de données automatisé a été créé par les auteurs sur le logiciel LabVIEW qui enregistre les données d'Agilent 34970A. Un échangeur de chaleur à air a été utilisé pour récupérer l'énergie de l'air de sortie, et les canaux d'écoulement d'air, les conduits et la chambre à micro-ondes ont été isolés thermiquement avec du caoutchouc mousse. Un détecteur de fuite à micro-ondes fonctionnait en permanence pour des raisons de sécurité.

Le déshydratant (gel de silice) capte l'humidité de l'air (Fig. 1a). Ensuite, l'humidité contenue dans le déshydratant est désorbée par les micro-ondes (Fig. 1b). La principale caractéristique des micro-ondes est qu'elles peuvent faire osciller les molécules d'eau et se désorber de la surface de l'adsorbant (gel de silice). Le système pilote de déshumidification par micro-ondes à l'échelle du laboratoire est illustré à la Fig. 7a, et son schéma de principe est illustré à la Fig. 7b. Un générateur de micro-ondes (Fricke und Mallah, Allemagne) a été utilisé pour générer les micro-ondes. Le cadre et l'équipement ont été mis à la terre avec une mise à la terre de protection pour protéger les utilisateurs des risques électriques à haute tension. Deux modes ont été considérés : le mode sans récupération de chaleur et le mode avec récupération de chaleur à partir de l'air soufflé. Les températures et les lectures de pression différentielle ont été enregistrées en continu par le logiciel Labview et Agilent 34970A pour les deux modes. La vitesse du moteur de rotation de la roue déshydratante a été réglée à la valeur souhaitée, ne fonctionnant que pendant la désorption. La figure 7b illustre un schéma de configuration. L'étude a effectué la procédure suivante sans récupération de chaleur : les registres d'air 1 et 3 ont été ouverts, et les registres d'air 2 et 4 ont été fermés, laissant l'air contourner le dispositif de récupération de chaleur. Ensuite, la roue déshydratante à structure en nid d'abeille a été saturée d'humidité à humidité relative et température constantes à un débit d'air régulier jusqu'à ce que les températures d'entrée et de sortie soient les mêmes : la même température et la même humidité indiquaient des conditions d'équilibre. Par conséquent, les micro-ondes ont été allumées pour le temps et la puissance prédéfinis à partir du panneau de commande ; le processus de désorption se termine lorsque le taux d'humidité de sortie devient inférieur au taux d'humidité d'entrée. Le mode avec récupération de chaleur est similaire au mode sans récupération de chaleur ; Lorsque les températures d'entrée et de sortie sont devenues identiques, le registre d'air-1 et le registre d'air-3 ont été fermés, et le registre d'air-2 et le registre d'air-4 ont été ouverts pour récupérer la chaleur de l'air de sortie.

Vue du système pilote expérimental de déshumidification par micro-ondes. (a) Vue illustrée du système de déshumidification par micro-ondes, composé du panneau de commande, de la tête du magnétron (où les micro-ondes sont générées), du tuner à 3 embouts, de la chambre à micro-ondes et de la roue desséchante. Les images agrandies montrent la hauteur dans la structure en nid d'abeilles ; (b) Schéma de principe du système de déshumidification par micro-ondes. La récupération de chaleur est effectuée par un échangeur de chaleur entre l'air d'échappement et l'air d'admission.

Les données présentées sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs remercient le généreux financement de (1) le projet KAUST Cooling Initiative (KCI), REP/1/3988-01-01 et REP/1/3988-04-01, (2) le Water Desalination and Reuse Center (WDRC), Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST). Les figures 1a,b ont été dessinées par DY

Division BESE, Centre de dessalement et de réutilisation de l'eau, Université des sciences et technologies du roi Abdallah, Thuwal, 23955, Arabie saoudite

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

Institut d'ingénierie océanique, École supérieure internationale de Shenzhen, Université Tsinghua, Campus Tsinghua, Ville universitaire, Shenzhen, 518055, Chine

Qian Chen

Département de chimie et de génie chimique, Université des sciences de gestion de Lahore, Lahore, 54792, Pakistan

Fahim Hassan Akhtar

Département de génie civil, Collège d'ingénierie, Université de Jouf, Sakakah, 72388, Arabie saoudite

Raid Al Rowais

Département de génie mécanique et de construction, Université de Northumbria, Newcastle Upon Tyne, NE1 8ST, Royaume-Uni

Muhammad Wakil Shahzad

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DY a travaillé sur la conceptualisation, la méthodologie, l'analyse, l'investigation, la modélisation, la validation, la rédaction du projet original et la visualisation. QC a travaillé sur la rédaction, la révision, l'édition, l'analyse formelle et la méthodologie. MWS a travaillé sur la rédaction, la révision, l'édition, l'analyse formelle et la méthodologie. RA a fait une analyse formelle. KJ a fait une analyse formelle. MB a travaillé sur l'investigation et la visualisation. La FHA a travaillé sur l'investigation et la visualisation. KCN a travaillé sur la conceptualisation, la méthodologie, l'analyse formelle, la rédaction du projet original, la supervision et l'acquisition de financement. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Doskhan Ybyraiymkul.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ybyraiymkul, D., Chen, Q., Burhan, M. et al. Déshumidification déshydratante solide innovante utilisant des micro-ondes distribuées. Sci Rep 13, 7386 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34542-9

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Reçu : 20 janvier 2023

Accepté : 03 mai 2023

Publié: 06 mai 2023

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

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