Modeling and experimental analysis of silica gel packed beds for air humidification

In this thesis a humidification system based on steady cyclic operations of two silica gel packed beds is investigated both numerically and experimentally. The proposed system aims to adsorb water vapor from outdoor air and directly release it to the air stream supplied to the building. The aforesaid system is an interesting substitute to steam humidifiers in sanitary applications, where adiabatic humidifiers are not allowed due to contamination issues. A PGC model, which assumes a constant water content in the silica gel grain, and a SSR model were developed. The effects of material hysteresis are investigated as well for the step change in inlet air conditions tests. Such models showed a good agreement with experimental data and predicted deviations were similar. For this reason the performance of the humidification system is analyzed through the PGC model alone, in order to optimize computational time. An optimal configuration for the packed beds is obtained, adopting winter conditions that are representative of Southern Europe, in particular of center of Italy. It is shown that in these conditions the system can properly match the latent load of the building. Finally, the power consumption based on the primary energy source is compared to conventional technologies. It is found that the humidification system performs well in design conditions, however power consumption augments when conditions get severe. The present analysis is performed through numerical tests of the silica gel packed beds in winter conditions and through heat and mass transfer analysis of the device.

In questa tesi è stato studiato un sistema di umidificazione basato su due letti impaccati di silica gel in regime ciclico con un approcio numerico e sperimentale. L'umidificazione tramite materiali desiccanti può essere un valido sostituto agli umidificatori a vapore in ambito ospedaliero, in quanto gli umidificatori adiabatici non posso essere adoperati per il rischio di contaminazione dovuto alla presenza di acqua. Il sistema proposto mira ad umidificare l'ambiente considerato adsorbendo vapore da aria esterna, e rilasciandolo direttamente al flusso d'aria che serve l'edificio. Sono stati sviluppati due modelli numerici per lo studio dei letti impaccati: il primo che trascura la distribuzione del contentuto d'acqua nel grano di silica gel, chiamato PGC, mentre il secondo tiene conto della resistenza alla diffusione, chiamato SSR. Entrambi i modelli descrivono i risultati sperimentali in modo appropriato, mostrando simili errori. Per questa ragione, le performance del sistema di umidificazione proposto sono state svolte solo con il modello PGC, per ottimizzare e ridurre il costo computazionale. Nelle condizioni invernali scelte, che sono rappresentative dell'Europa meridionale, in particolare del centro Italia, è stata ottenuta una configurazione ottimale che soddisfa il carico dell'edificio. Infine, è stata calcolata la potenza necessaria all'umidificazione riferita alla fonte d'energia primaria, che è stata poi confrontata con i principali sistemi di umidificazione convenzionali. Il sistema proposto presenta consumi competitivi nelle condizioni di progetto, ma subisce un aumento quando le condizioni esterne dell'aria diventano critiche. Tuttavia, questo sistema può sfruttare fonti di energia a bassa temperatura, a contrario dei sitemi a produzione di vapore. La presente analisi è stata eseguita attraverso test numerici in condizioni invernali, attraverso la modellizzazione dei letti con equazioni di scambio termico e di massa.