分散マイクロ波を使用した革新的な固体乾燥剤による除湿

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7386 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

除湿は、湿った空気の処理において空調 (AC) 業界が直面する重要な課題の 1 つです。 何十年にもわたって、ACチラーの熱交換器は空間の顕熱冷却と潜熱冷却という二重の役割を果たしており、露点での水蒸気の除去と周囲への熱の遮断の要件により、冷凍サイクルにおけるサーマルリフトの削減が妨げられてきました。空気。 AC チラーのこうした実際的な制約により、何十年にもわたって機械式蒸気圧縮機 (MVC) のエネルギー効率が平準化されてきました。 エネルギー効率を改善するための有望なアプローチの 1 つは、革新的だが別個のプロセスを適用できるように、合理的なプロセスから除湿を切り離すことです。 この論文では、マイクロ波 (2.45 GHz) エネルギーを水蒸気分子の双極子構造に照射し、吸着剤の細孔から急速に脱着できる高度なマイクロ波除湿方法を実験室で研究します。 結果は、文献で入手可能なデータと比較して、マイクロ波除湿のパフォーマンスが最大 4 倍大幅に向上していることを示しています。

除湿とは、人間の快適さと健康的な環境 (相対湿度 (RH) 40% ～ 60%) を維持するために空気から水蒸気を除去することです1、2、3、4。 現在、除湿は、二役の AC チラー 5 を使用して空気流を露点まで冷却し、水蒸気を凝縮させることによって実現されています。 空冷式 AC チラーは、漸近的な性能限界である 0.7 ～ 0.85 kW/Rton (4 ～ 5 の成績係数 (COP)6 に相当)7 に達しています。 チラーメーカーに関する多くの文献では、kW/Rton が低いのは、長い冷水配管の損失によって生じる電力消費を無視した受け入れテスト条件に起因すると言及されています5。 エアコンの性能を向上させる解決策の 1 つは、除湿を体感冷却から切り離すことで、新しい除湿方法の組み込みを可能にすることです。 マイクロ波が吸着剤や収着剤から水分子を脱着できることはよく知られています。 そのため、この機構は環境に優しい新しい方法であるマイクロ波除湿に使用されています。 マイクロ波除湿では、弱いファン デル ウォールス力の特徴である物理吸着 (物理吸着) 8、9、10、11 によって固体吸着剤 (乾燥剤) の細孔表面に水分子が引き寄せられるため、空気は除湿されます 12、13。 、14、15。 吸着剤の細孔が水で飽和すると、マイクロ波による脱着（水分の除去）が始まり、高湿度の空気が排出されます。 このプロセスを図 1a、b に概略的に示します。

マイクロ波除湿の概略図。 (a) ファンデルウォール力による吸着剤の細孔表面への湿った空気からの水蒸気の吸着による空気流の除湿。 空気中の窒素と酸素の分子は、周囲の圧力と温度ではほとんど引き寄せられません。 (b) マイクロ波エネルギーの照射による吸着剤の細孔からの水蒸気の脱着。マイクロ波エネルギー（振動によってエネルギーを与えられる）が極性の吸着された水分子に直接伝えられます。 脱離した水分子や空気分子は気体状態で自由に移動できるため、マイクロ波エネルギーをほとんど吸収しません。 吸着剤が水分子を引き付ける能力を取り戻すには、マイクロ波脱着が必要です。

入手可能な文献から、Roussy と Chenot は 1981 年にシングルモード導波管を使用した最初のマイクロ波除湿プロセスを実証しました 16。彼らは、電場に対する乾燥剤の温度の依存性を示しました 16。 さらに、Roussy ら。 は、マイクロ波脱着の高速反応速度を表すモデルを提案しました17。 40 年間の研究のほとんどは、小容量のマイクロ波支援脱着法の開発に焦点を当ててきました 16、17、18、19、20、21、22。 注目すべきことに、調査はさまざまな吸着剤（活性アルミナ、ゼオライト、シリカゲル）を使用して拡張されました18。 対流エネルギー輸送よりも効率的にエネルギーを伝達し23、直接エネルギー輸送により低温で脱着する24など、マイクロ波脱着の多くの利点が明らかになりました。 ただし、COP などの重要なパラメータは通常、文献では省略されています。 さらに、電力値は提供されていません。 代わりに、マイクロ波電力が表示されました。 したがって、さまざまなマイクロ波除湿システムを比較するためのプラットフォームとなるマイクロ波成績係数 (MCOP) が導入されました。 MCOPは、マイクロ波出力、マイクロ波曝露時間、脱離水分量を用いて計算できます。 他の著者による MCOP の計算値は、表 1 にまとめられているように、非常に低かった。システムの性能は、電界の均一な伝播 25、マイクロ波チャンバーの形状、マイクロ波照射時間、照射の種類 (連続、パルス) に依存する。 ）と反射電力量。 家庭用オーブンと同様のマルチモードチャンバーシステムが脱着に使用されました19。 さらに、固定ゼオライトでコーティングされた乾燥剤ローターは、マイクロ波および温度スイング脱着法を使用して再生されましたが、性能は低く、MCOP は約 0.2221,22 でした。