A study of alternative desiccant cooling materials and equipment for low temperature trigeneration systems

The aim of the present work is to investigate on potential improvements for desiccant cooling air conditioning units coupled with low temperature fuel cell-based trigeneration systems. Fuel cell technology is an extremely promising solution for small scale combined heat, cooling and power (CHCP) production owing to their potentially high efficiency, low noise and near-zero emissions. In the vast scenario of fuel cells, polymer electrolyte membrane ones (PEFC) are proved to be the most mature and almost close to the commercialization; however, owing to its very low operating temperatures (below 80°C), coupling PEFC with a thermally driven cooling process might be extremely demanding. With such crucial constraints on regeneration temperature there exist two main fields in which desiccant cooling performance can be improved. The former is a desiccant driven approach, in which alternative desiccant materials with more favorable isotherm shape are investigated. The latter consists in finding out optimal system configuration in order to minimize primary energy consumption. It is broadly known that regular density silica gel is quite a well performing adsorption material whose main drawback consists in its almost linear adsorption isotherm, with no rapid variation in moisture uptake as a function of equilibrium air relative humidity. Among alternative desiccant materials, zeolite based-molecular sieves show a typical S-shape adsorption isotherm which is ideally good for dehumidification and drying process. Yet adsorption isotherm steepest gradient zone is in the very low humidity range, i.e., the minimal amount of adsorbed water vapor is achieved only at extremely low relative humidity; this means, in turn, very high regeneration temperatures. New generations of synthetic zeolites recently referred to as FAM (Functional Advanced Material) benefit from a particular adsorption isotherm steepest gradient zone that is significantly shifted towards higher relative humidity values; therefore, dehumidification can be even better than the one attained with conventional materials in the same working condition range. First, a comprehensive experimental campaign has been carried out in two test facilities: the compact climate test facility at CSIRO Energy Centre (Newcastle, Australia) and the advanced desiccant wheel laboratory at Politecnico di Milano. As a considerable part of the whole project, test facility design description is provided and experimental procedure broadly discussed. Experimental campaign has involved mainly two different desiccant wheels based on silica gel and advanced zeolite respectively. Tests have been accomplished as a function of air inlet humidity for different level of regeneration temperatures, with constant area split and adjustable revolution speed. Dehumidification performance proved to be significantly dependent on inlet water vapor mass fraction and moisture removal capacity appeared to increase with inlet humidity. However, zeolite-based desiccant wheels show less than a linear trend, while silica gel-based wheels keep good water vapor removal rate even for very high humidity. This discrepancy has been justified with zeolite peculiar isotherm curve, which achieves maximum water uptake for equilibrium air relative humidity higher than 60%. A finite difference time dependent numerical model has been developed as a tool to predict and optimize desiccant wheel performance in air conditioning systems. A gas-solid side numerical model has been chosen in order to take into account the effect of both air side and desiccant side internal resistances. Model has been validated on experimental data and good agreement is achieved for low and medium regeneration temperatures. Optimization analysis show that maximum latent cooling capacity is always attained with equal cross section split for both desiccant, as long as regeneration temperature is lower than 80°C. Only for high temperatures maximum latent cooling capacity is achieved with a wider process cross section fraction, close to 0.6. Therefore, if low grade heat is considered as thermal driving force, area ratio must be set close to 0.5. As a result of comparative analysis, FAM dehumidification performance is quite similar for low process flow water vapor mass fraction (RH<40%), despite a larger differential moisture uptake in the moderately high relative humidity range. For dump conditions a regular density Silica Gel desiccant wheel performs better, especially in the low regeneration temperature range (50-60°C), up to 15% more in terms of moisture removed. For higher grade heat, moisture removal discrepancy between the two desiccant devices decreases and reverses owing to a better dehydration of molecular sieves desiccant layer. In the range of substantially similar latent cooling capacity zeolite desiccant leads to higher rise in process temperature and the aforementioned temperature glide increases with regeneration temperature. It is found that for low regeneration temperature applications and very humid process air streams novel zeolite desiccant wheels are not appropriate to perform desiccant cooling based air conditioning, while in mild climate desiccants can be considered almost equivalent. The final section of the work focuses on overall system design and seasonal performance. Since low grade heat-driven single stage desiccant cooling is barely sufficient to cool down fresh air stream properly, double stage desiccant dehumidification and coupling with backup conventional cooling devices are investigated. Hourly energy simulations are set on a reference case based on open loop air conditioning system with high level of occupancy. Simulations include detailed models of adsorption devices and semi-empirical correlations fit on experimental data for heat and mass recovery exchangers. It is found that secondary stage dehumidification involves relatively warm and dry process air streams, therefore with double stage applications FAM Zeolite wheels can achieve greater latent cooling capacity with better heat recovery and, in turn, higher thermal coefficient of performance. The higher the temperature at which the desiccant swing occurs, the greater the efficiency zeolite based systems lead to. On the other hand, integration of chilled water cooling coils does require high relative humidity targeted desiccants, therefore regular density silica gel still remain the best available solution. In addition, hybrid cycles prove to be less sensitive to outdoor conditions, while double stage cycles show lack of flexibility for off-design control. The aforementioned alternative desiccant cooling systems are compared with conventional vapor compression chiller technology over the entire cooling season. It is found that silica gel-based desiccant cooling solution can achieve primary energy saving up to 10% even with baseline electrical power efficiency (22%) and for advanced technology scenario this value may be almost doubled. Maximum regeneration temperature can be kept at 60°C and no indirect evaporative cooling is needed on secondary air stream. Given the same operating conditions, double stage desiccant cooling cycles provide a lower cooling capacity than expected, with a larger amount of regeneration heat and higher ventilation consumptions. This implies that achieving primary energy saving is crucial with baseline CHP systems. For advanced scenarios, if CHP electrical efficiency can be raised up to 30% double stage desiccant cooling might be an alternative to hybrid cycles. For very low grade heat, it is found that advanced zeolite-based desiccant cooling may attain poor effective benefits. Only if regeneration temperature can be raised up to 70°C an effective advantage over silica gel desiccant cooling cycles may be achieved.

Lo scopo del presente lavoro è quello di indagare su nuovi materiali e configurazioni per impianti di desiccant cooling accoppiati ad unità trigenerative basate su celle a combustibile a bassa temperatura. La tecnologia delle celle a combustibile è una soluzione estremamente promettente per la produzione combinata di calore e potenza elettrica su piccola scala (CHP) grazie alla potenziale efficienza globale, la bassa rumorosità ed emissioni trascurabili. Nel vasto scenario delle celle a combustibile, quelle a membrana elettrolitica polimerica (PEFC) costituiscono le più mature e vicine alla commercializzazione; tuttavia a causa delle temperature di recupero del calore molto basse (inferiori ad 80° C), sostenere un processo di raffreddamento. Dati tali vincoli si possono distinguere due campi di indagine volti a migliorare le prestazioni di un impianto di desiccant cooling. Il primo consiste nella ricerca di nuovi materiali la cui isoterma di adsorbimento più favorevole. Il secondo consiste nell’individuare una configurazione ottimale del sistema al fine di minimizzare il consumo di energia primaria . È ampiamente noto che il gel di silice è un materiale adsorbente altamente performante il cui principale inconveniente è costituito da un’isoterma di adsorbimento quasi lineare, senza alcuna rapida variazione rapida di uptake in funzione dell'umidità relativa della corrente d’aria trattata. Tra i materiali adsorbenti alternativi , setacci molecolari a base di zeoliti sintetiche mostrano una tipica forma a S nella curva di adsorbimento che costituisce idealmente una condizione ottimale per il processo di deumidificazione. Tuttavia la zona di massimo gradiente è concentrata nel campo delle umidità relative molto basse, cioè , la massima disidratazione del materiale si ottiene solo per temperature di rigenerazione molto elevate. Alcune nuove famiglie di zeoliti sintetiche, recentemente indicate come FAM (Functional Advanced Material) beneficiano di una curva di adsorbimento i cui massimi gradienti sono significativamente traslati verso valori più alti di umidità relativa, per cui le prestazioni possono addirittura di quello ottenuto con materiale convenzionale nella stessa campo di lavoro condizione. Come prima cosa è stata condotta una vasta campagna sperimentale su due impianti di prova : il CCTF Lab presso il CSIRO Energy Centre (Newcastle , Australia) e il laboratorio avanzato per recuperatori e ruote essiccanti ADW Lab presso il Politecnico di Milano. In quanto parte considerevole del presente lavoro, alcune note relative alla parte di progetto, settaggio e start-up degli impianti vengono brevemente presentati. I test condotti hanno coinvolto principalmente due ruote diverse basate rispettivamente su gel di silice regular density e setacci molecolari a basi di zeoliti avanzate. I test sono stati compiuti in funzione dell'umidità dell'aria in ingresso per diversi livelli di temperatura di rigenerazione, con rapporto d’area costante e velocità di rotazione regolabile. La capacità di deumidificazione dipende in maniera significativa dalle condizioni in ingresso e la rimozione di vapor d’acqua aumenta con l’umidità ingresso. Tuttavia, ruote essiccanti a base di zeoliti mostrano meno di un trend meno che lineare , mentre le ruote a base di gel di silice assicurano un buon tasso di rimozione di vapore acqueo anche per umidità di processo molto elevate. Questa dissomiglianza viene giustificata alla luce della peculiare isoterma di adsorbimento, che raggiungono il massimo assorbimento di acqua per l'umidità relativa ingresso superiore al 60 % . Al fine di ottimizzare i parametri di funzionamento è stato sviluppato un modello numerico alle differenze finite per predire i fenomeni di scambio termico e di massa all’interno di una ruota essiccante. In particolare il modello rientra nella categoria GSSR (gas-solide side resistance) in quanto modella i fenomeni di trasporto nella corrente d’aria trattata e nella matrice essiccante. Il modello è stato validato su dati sperimentali ottenendo un buon accordo nel campo di rigenerazione per temperature medio-basse. I risultati dell’analisi di ottimizzazione mostrano che la massima potenza latente viene sempre ottenuta con un rapporto d’area unitario, purché la temperatura di rigenerazione sia inferiore ad 80°C. Solo per alte temperature massima potenza latente si ottiene con un angolo di processo più ampio, vicino a 0.6. L’analisi adimensionale mostra inoltre che è possibile correlare la velocità ottima di rotazione alla velocità della corrente in ingresso al fine di mantenere la ruote in condizioni di ottimo a carico parziale. L’analisi comparativa mostra che i setacci molecolari, pur godendo di una isoterma dall’andamento favorevole, garantiscono livelli di deumidificazione simili o lievemente superiori al gel di silice per correnti con umidità relative contenute. Tuttavia, per alti valori di umidità ruote essiccanti a base di gel di silice rimuovono quantità di vapor d’acqua nettamente superiori, soprattutto nella fasce di temperatura di rigenerazione medio-basse ( 50-60 °C ). Per livelli di temperatura via via più elevati la discrepanza tra i due materiali in termini di vapor d’acqua rimosso diminuisce e inverte la sua tendenza per via di una più efficace disidratazione dei setacci molecolari. Nel campo di sostanziale equivalenza tra i due materiali le zeoliti avanzate portano ad un maggiore incremento della temperatura di processo in uscita; tale incremento è tanto più grande quanto maggiore è la temperature di rigenerazione. La parte finale del lavoro si concentra sulla progettazione del sistema e sulle prestazioni stagionali. Si è scelto di eseguire un confronto tra cicli DEC a singolo e doppio stadio con eventuale integrazione di macchine frigorifere a compressione di vapore. Le simulazioni comprendono modelli dettagliati per le ruote essiccanti e correlazioni semi- empiriche per altri componenti, quali scambiatori e recuperatori di massa e calore. Si può riscontrare che nei cicli DEC bi-stadio senza sistemi integrativi si può ottenere una maggiore rimozione di vapor d’acqua con ruote essiccanti a base di setacci molecolari, in quanto il processo di deumidificazione secondario tratta correnti relativamente meno umide e moderatamente calde; in questo modo si perviene ad una maggiore capacità di rimozione latente con un adeguato recupero di calore e, a sua volta, con un coefficiente di prestazione più elevato. Tuttavia i cicli ibridi monostadio risultano essere meno sensibili alle condizioni esterne, al contrario dei cicli bi-stadio mostrano la mancanza di flessibilità per il controllo delle condizioni di immissione fuori progetto. Inoltre, la quantità di calore richiesta per un ciclo bi-stadio senza integrazione di acqua refrigerata risulta troppo elevata per garantire un risparmio effettivo alla luce dei contenuti rendimenti di cogenerazione. Pertanto si è scelto di indagare configurazioni bi-stadio a portata volumetrica di rigenerazione ridotta (rapporto d’area maggiore del 50%) e con integrazione parziale di macchine frigorifere a compressione di vapore. Le suddette configurazioni DEC sono state confrontate con la convenzionale tecnologia di refrigerazione a compressione di vapore su tutta la stagione di raffreddamento. Si può dimostrare che con impianti DEC monostadio con ruote essiccanti a base di gel di silice possono ottenere risparmi di energia primaria fino al 10 % anche in condizioni di minimo rendimento elettrico cogenerativo di primo principio (22%) e per scenari a tecnologia avanzata tale risparmio può essere quasi raddoppiato. La temperatura massima di rigenerazione può essere mantenuta al di sotto dei 55° C per il climi miti e senza utilizzo del raffreddamento evaporativo indiretto sul flusso di aria secondario. Date le stesse condizioni operative, i cicli di raffreddamento bi-stadio carichi latenti sensibilmente inferiori o, equivalentemente, richiedono un apporto termico più consistente a parità di effetto utile, a prescindere dal tipo di materiale utilizzato. Per scenari più avanzati, laddove il rendimento elettrico di cogenerazione può essere aumentato fino al 30% i cicli bi-stadio possono costituire una soluzione alternativa. Al di sotto dei 65°C si riscontra una sostanziale equivalenza tra sistemi di adsorbimento a gel di silice e sistemi basati su setacci molecolari. Laddove la temperatura di rigenerazione può essere spinta fino a 70°C le zeoliti avanzate possono offrire un migliore utilizzo del calore e quindi un risparmio di energia primaria più consistente.