Comparative analysis for the dehumidification of humid air through different technologies

This study is focus on performance analysis of different technologies for the dehumidification of saturated humid air. Three technologies random, structured packed bed and bubble column with spiral coil are selected to perform the analysis in term of water production (m3/h), exit water and air temperature (oC), thermal duty (kW). For this purpose, three random packings with different specific area (m2/m3) and nominal diameter sizes, two structured type packings with different characteristics provided by the manufacturer have been studied. Three different analytical Models from the literature are utilized to estimate the exit air and water temperature, exit humidity and rate of condensation. Reason for using the two different model for random and structure packing is non availability of heat and mass transfer characteristics for random packed bed. For the estimation the heat and mass transfer co-efficient empirical correlations suggested by Onda are used. For the structured packing Merkel Model for cooling tower is used to estimate the exit air and liquid conditions and fill characteristics are provided by MITA cooling technologies s.r.l. As this work is done in collaboration with the MITA cooling technologies s.r.l which is specialize in producing cooling towers on commercial scale, other purpose is to study the cooling tower packing material as a dehumidification tower for the development of desalination process of brackish water for drinking purposes. The third technology analyzed is bubble column with spiral coil. Bubble column is modeled as well-mixed column liquid at constant temperature and on the coil side chilled water is used to remove the heat from the column. Modeling a bubble column with constant column temperature approach is only valid for the small-scale column to meet the well mixed liquid condition. The suggestion to do the performance analysis as a multi-stage bubble column. In this study single stage bubble column is analyzed with two different coil lengths. The study of these technologies shows that the random packed bed performance is little higher in term of water condensate production but there is not a very significant difference between the random packing and PVC structured packings. There is no evidence available in the literature that can verify our results, but a relationship can be found between the geometric parameters of the packing, condensate production, sprayed water mass flow flux and thermal duty. Condensation effect dependency is higher on liquid to gas mass ratio but less on the air inlet temperature and relative humidity. Results from two different mathematical models for random and structure packings can brought in a doubt due to different assumption made by mathematical models. For random packed bed model Onda uses two different constants for gas side mass transfer coefficient in his empirical equation C = 2 for diameter of packing less than 15 mm and C = 5.23 for greater diameter. There is no explanation found for the decrease in mass transfer below 15 mm packing diameter. Three random packings A-245/26 specific area of 245 m2/m3, A-114/50 specific area of 114 m2/m3 and A-120/170 specific area of 120 m2/m3 were Selected to compare the performance. The length of the bed used in the modeling is 0.9 m for all fills. The cross-sectional area of the packing is 1 m2. In practical experience of MITA cooling technologies s.r.l the input condition chosen for the analysis are suitable for selected dimensions but still for designing purposes proper sizing and experimental data is needed. Designing and sizing is out of scope in this work. Random packing A-245/26 with high surface density 245 m2/m3 shows highest condensation rate and air and water exits approximately at the same temperature. The two hypotheses can be made as the bed height is too large and theoretical equilibrium is achieved at the end of the bed or the bed is flooded since the model does not mimic the effect of pressure drop and flooding condition and unavailability of data related to maximum loading capacity of the random packings and pressure drops. In general practice it understandable that highly dense surface (m2/m3) with smaller nominal packing diameter have highest pressure drops at low gas velocities compare to less dense (m2/m3) packings. Results for Packing type A-120/170 shows that it is not suitable for the dehumidification process. Packing type, A-114/50 can be considered as good option for direct contact condensation. Two PVC structure packings K-type with specific surface area of 150 m2/m3 and C-type with 240 m2/m3 have been analyzed. The investigation shows not much of a significant difference in production of water condensate unless increase in the liquid loading up to maximum loading capacity which is 30 m3/m2h. Results shows mass ratio above 2.4, C-type structure packing shows better performance than k-type which explains the phenomena of fully wet conditions and high driving force (the difference between the saturated air at wet bulb temperature or enthalpy and air at liquid temperature) due to the decrease in temperature inside the dehumidifier is achieved. Other parameter that can affect the performance is the mass flow rate of saturated air and can affect significantly the production of condensate. Thermal duty is related to amount of condensate obtain and the exit water temperature. Results for the bubble column are not included in this study since its applicability on large scale is questionable and only theoretical model is presented in this study.

Questo studio è incentrato sull'analisi delle prestazioni di diverse tecnologie per la deumidificazione dell'aria umida satura. Tre tecnologie random, letto impaccato strutturato e colonna a bolle con serpentina a spirale sono selezionate per eseguire l'analisi in termini di produzione di acqua (m3/h), temperatura dell'acqua e dell'aria in uscita (oC), servizio termico (kW). A tal fine sono state studiate tre baderne di diversa area specifica (m2/m3) e diametri nominali, due baderne di tipo strutturato con differenti caratteristiche fornite dal produttore. Tre diversi modelli analitici della letteratura sono utilizzati per stimare la temperatura dell'aria e dell'acqua in uscita, l'umidità in uscita e il tasso di condensazione. Il motivo per l'utilizzo dei due diversi modelli per l'imballaggio casuale e strutturale è la non disponibilità delle caratteristiche di trasferimento di calore e di massa per il letto imballato in modo casuale. Per la stima vengono utilizzate le correlazioni empiriche dei coefficienti di scambio termico e di massa suggerite da Onda. Per l'imballaggio strutturato viene utilizzato il modello Merkel per la torre di raffreddamento per stimare le condizioni dell'aria e del liquido in uscita e le caratteristiche di riempimento sono fornite da MITA Cooling Technologies s.r.l. Poiché questo lavoro viene svolto in collaborazione con la MITA Cooling Technologies srl, specializzata nella produzione di torri di raffreddamento su scala commerciale, altro scopo è studiare il materiale di riempimento della torre di raffreddamento come torre di deumidificazione per lo sviluppo del processo di desalinizzazione dell'acqua salmastra per uso potabile . La terza tecnologia analizzata è la colonna a bolle con spirale. La colonna a bolle è modellata come un liquido di colonna ben miscelato a temperatura costante e sul lato della batteria viene utilizzata acqua refrigerata per rimuovere il calore dalla colonna. La modellazione di una colonna a bolle con un approccio a temperatura di colonna costante è valida solo per la colonna su piccola scala per soddisfare la condizione del liquido ben miscelato. Il suggerimento di eseguire l'analisi delle prestazioni come una colonna a bolle multistadio. In questo studio la colonna a bolle a stadio singolo viene analizzata con due diverse lunghezze della bobina. Lo studio di queste tecnologie mostra che le prestazioni del letto impaccato casuale sono leggermente superiori in termini di produzione di condensa d'acqua, ma non c'è una differenza molto significativa tra l'imballaggio casuale e gli imballaggi strutturati in PVC. Non ci sono prove disponibili in letteratura che possano verificare i nostri risultati, ma è possibile trovare una relazione tra i parametri geometrici dell'imballaggio, la produzione di condensa, il flusso di massa dell'acqua spruzzata e il carico termico. La dipendenza dall'effetto della condensazione è maggiore dal rapporto massa liquido/gas ma minore dalla temperatura di ingresso dell'aria e dall'umidità relativa. I risultati di due diversi modelli matematici per impaccamenti casuali e strutturali possono portare a dubbi a causa delle diverse ipotesi fatte dai modelli matematici. Per il modello a letto impaccato casuale, Onda utilizza due diverse costanti per il coefficiente di trasferimento di massa lato gas nella sua equazione empirica C = 2 per diametro dell'imballaggio inferiore a 15 mm e C = 5,23 per diametro maggiore. Non è stata trovata alcuna spiegazione per la diminuzione del trasferimento di massa al di sotto di 15 mm di diametro dell'imballaggio. Per confrontare le prestazioni sono stati selezionati tre imballaggi casuali A-245/26 con un'area specifica di 245 m2/m3, A-114/50 con un'area specifica di 114 m2/m3 e A-120/170 con un'area specifica di 120 m2/m3. La lunghezza del letto utilizzato nella modellazione è di 0,9 m per tutti i riempimenti. L'area della sezione trasversale dell'imballaggio è di 1 m2. Nell'esperienza pratica delle tecnologie di raffreddamento MITA s.r.l, le condizioni di input scelte per l'analisi sono adatte per le dimensioni selezionate, ma ancora per scopi di progettazione è necessario un dimensionamento e dati sperimentali adeguati. La progettazione e il dimensionamento sono fuori portata in questo lavoro. L'imballaggio casuale A-245/26 con un'elevata densità superficiale 245 m2/m3 mostra il tasso di condensazione più elevato e l'aria e l'acqua escono approssimativamente alla stessa temperatura. Le due ipotesi possono essere fatte in quanto l'altezza del letto è troppo grande e l'equilibrio teorico è raggiunto alla fine del letto o il letto è allagato poiché il modello non imita l'effetto di caduta di pressione e condizione di allagamento e indisponibilità di dati relativi alla massima capacità di carico delle confezioni casuali e perdite di carico. Nella pratica generale è comprensibile che una superficie altamente densa (m2/m3) con un diametro nominale di impaccamento inferiore abbia perdite di carico più elevate a basse velocità del gas rispetto a impaccamenti meno densi (m2/m3). I risultati per il tipo di imballaggio A-120/170 mostrano che non è adatto per il processo di deumidificazione. Il tipo di guarnizione, A-114/50, può essere considerato una buona opzione per la condensazione a contatto diretto. Sono stati analizzati due imballaggi con struttura in PVC di tipo K con superficie specifica di 150 m2/m3 e di tipo C con 240 m2/m3. L'indagine mostra una differenza non molto significativa nella produzione di acqua condensata a meno che non aumenti il ​​carico di liquido fino alla capacità di carico massima che è di 30 m3/m2h. I risultati mostrano un rapporto di massa superiore a 2,4, l'imballaggio della struttura di tipo C mostra prestazioni migliori rispetto al tipo k, il che spiega i fenomeni di condizioni completamente bagnate e un'elevata forza motrice (la differenza tra l'aria satura alla temperatura del bulbo umido o l'entalpia e l'aria alla temperatura del liquido) dovuto alla diminuzione della temperatura all'interno del deumidificatore. Altro parametro che può influenzare le prestazioni è la portata massica di aria satura e può influenzare significativamente la produzione di condensa. Il dovere termico è legato alla quantità di condensa prelevata e alla temperatura dell'acqua in uscita. I risultati per la colonna a bolle non sono inclusi in questo studio poiché la sua applicabilità su larga scala è discutibile e in questo studio viene presentato solo il modello teorico.