The use of desiccant wheels for air humidification : numerical and experimental analysis

Desiccant wheels are usually used in DEC systems (Desiccant Evaporative Cooling), which are air handling units employed to cool and dehumidify a room. In these kinds of system, the dehumidification process is up to desiccant wheels. These components are rotary heat exchanger counter flow composed by a honeycomb matrix made of paper and covered by an adsorbent material, such as silica gel or zeolite: thanks to this layer, the wheel is able to exchange both sensible energy and mostly latent energy. The air stream which gives away its water content to the adsorbent coal is named “process air”, while the air stream that takes away this water content form the coal is called “regeneration air” because it regenerates the adsorbent layer which will be able to adsorb water from the process air again. Desired outlet conditions and so efficiency of the desiccant wheels strongly depend on inlet conditions: both temperature and humidity of the two air streams, air flow rates and revolution speed of the rotor. Aim of this paper is to study experimentally and numerically the desiccant wheels when used for humidification instead of the typical dehumidification and to state which is the optimum condition they have to work in. The two types of configuration analyzed in this report are the one exchanging with external air and the other exchanging with exhaust air. Usually process air, which is hot and moist, is sent to the building dehumidified, while in this paper it is the regeneration air to be sent humidified, thanks to a cold and dry process air. Moreover these setups are energetically compared to one of the classic way to humidify: steam humidification.

Le ruote essiccanti trovano la loro classica occupazione nei sistemi DEC (Desiccant Evaporative Cooling), ovvero unità di trattamento aria con lo scopo di raffreddare e deumidificare gli ambienti. Nello specifico, le ruote essiccanti in tali tipi di sistemi sono utilizzate per la deumidificazione dell’aria. Questi particolari componenti sono degli scambiatori di calore rotativi aria-aria costituiti da una matrice cartacea a nido d’ape ricoperta da materiale adsorbente, solitamente silica gel o zeoliti: è grazie a questo strato adsorbente che la ruota è in grado di trasferire vapore da una corrente d’aria all’altra. La corrente d’aria che, attraversando la ruota, cede umidità al materiale adsorbente viene chiamata “aria di processo”, mentre la corrente d’aria che acquista questa umidità è definita “aria di rigenerazione” proprio perché va a rigenerare lo strato adsorbente che sarà quindi di nuovo in grado di iniziare un nuovo ciclo. Le condizioni di umidità e temperatura dell’aria di processo e di rigenerazione all’uscita delle ruote essiccanti dipendono fortemente da fattori come temperature e umidità in ingresso, portate di alimentazione e velocità della ruota. Diversamente dall’utilizzo canonico delle ruote essiccanti, in questo lavoro si analizza sperimentalmente e numericamente il loro comportamento nel caso di utilizzo per umidificare una corrente d’aria, andando a valutare le configurazioni per un loro funzionamento ottimale sia per applicazioni con sola aria esterna, che per applicazioni con recupero dall’aria di espulsione. Se solitamente l’aria di processo entra calda e umida affinché sia deumidificata e inviata in ambiente, nel caso analizzato sarà l’aria di rigenerazione ad essere inviata in ambiente. avendo scambiato con aria di processo fredda e secca. In seguito si confrontano tali risultati con le soluzioni tipiche applicate nell’ambito della umidificazione: il confronto è effettuato rispetto alla umidificazione a vapore.