《Journal of Building Engineering》：Electro-Cyclonic Air Dehumidification Using High-Voltage Electrospray Charging, Dielectrophoresis, and Cyclone Separation
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本文提出利用电喷雾产生的带电水滴与离心分离器结合的新方法，通过电雾力和离心力分离实现空气除湿，减少冷却负荷。实验表明在4CFM气流、90-99%RH条件下，绝对湿度降低3%，潜热系数达3.4，优于传统干燥轮0.2-0.5。
杰拉德·穆特巴（Gerard Muteba）|洛伦佐·克雷马斯基（Lorenzo Cremaschi）
美国阿拉巴马州奥本大学机械工程系，邮编36849
摘要
空气除湿是一个能耗较高的过程，通常需要使用蒸汽压缩系统将空气温度降至露点以下。减少蒸发器盘管的潜热负荷并提高蒸发温度可以为暖通空调（HVAC）系统节省大量能源。本文研究了一种新的方法，该方法利用静电力和介电泳力在电喷雾中分离显热负荷和潜热负荷，并利用离心力在旋风分离器中进行分离。作为这些技术的实际应用，研究人员设计、制造并测试了相关原型。
首先通过验证文献中的研究结果（针对非常小的气流速率），概念验证实验表明，电喷雾产生的带电水滴在气流中不会像传统喷雾那样蒸发。电喷雾是一种成熟的技术，可用于生成高度可控的带电微滴（例如在质谱分析、静电雾化/涂层、气溶胶/纳米粒子合成和药物微胶囊化等领域）；而旋风分离器则是一种经过验证的、可靠的去除液滴/颗粒的技术（例如除尘、消除雾气、喷雾干燥回收和暖通空调预分离）。通过将电喷雾技术与旋风分离器结合，本文探讨了电场强度、旋风分离效率、压力降以及进气湿度对空气除湿效果的影响。在4立方英尺每分钟（cfm）的气流速率和90–99%的相对湿度（RH）条件下，测得绝对湿度降低了3%；对于饱和水蒸气和空气混合物，其潜热系数（COP）高达3.4，高于干燥轮的潜热系数0.2–0.5。为了将该新除湿方法应用于大型建筑的暖通空调系统，实现进一步规模化，关键在于保持稳定的小电晕放电电流。
引言
环境控制系统常常依赖有效的除湿策略来维持室内空气质量、支持工业流程并提高热舒适度。如图1所示，当空气在系统中循环时，通过向气流中喷洒高电荷水滴来实现水蒸气的凝结。随着蒸汽分子在液滴表面聚集，它们会凝结并附着在液滴上。由涡流产生的最佳速度能够捕获这些液滴，这些液滴会被收集到旋风分离器的底部，然后重新送回电喷雾器或用于其他用途。温暖干燥的空气从旋风分离器的顶部排出。实际上，液滴在飞行过程中捕获了水蒸气分子。
在涡流中，带电水滴上的介电泳（DEP）水蒸气凝结技术可以实现实用的湿度控制和水分回收。潜在的应用包括建筑物的空气除湿、大气水分收集、冷却塔中的水蒸气回收、农业温室中的湿度控制以及造纸和纸浆行业中的应用。许多传统的热处理方法通过将空气冷却至露点以下来达到除湿效果，同时分离显热和潜热；之后空气通常需要重新加热以提高舒适度。
由于传统的基于冷却的除湿方法会对冷却盘管造成较大负荷，尤其是在炎热潮湿的气候条件下，因此寻找能够减少甚至消除对空气冷却和再加热需求的过程显得尤为重要。本文研究的方法正是其中之一。基于这一动机，下一节将介绍基于非均匀电场中极化力原理的DEP凝结机制，并探讨静电学如何作为一种高效途径来选择性地提取水分并减少空气冷却。
参考文献
液滴中的电荷会增加蒸汽在其表面沉积的倾向[1]。这一现象自20世纪初就已为人所知[2]，并且空气电离曾被研究作为产生大气水分的方法[3][4]。关于电驱动除湿技术的最新进展和当前局限性的综述可以在相关文献中找到[5][6]。其中最有前景的技术之一是电渗透固体干燥剂。
研究方法
当前研究中的实验设施（包括传感器、设备和数据采集系统DAQ）在作者之前的工作中已有详细描述[30]，但为完整性起见，图2中也提供了示意图。实验装置包括一个封闭的气流风洞，可以控制空气的温度、湿度和流速。变速鼓风机（3）和一组挡板（图2中未显示）用于调节空气速度，而空气温度则由其他装置控制。
结果与讨论
电喷雾液滴所携带的显著电荷使其能够吸引空气中的水蒸气，并将其凝结成液态水滴。图8总结了本研究的新实验结果，并将其与现有文献和作者之前的工作进行了对比。左侧的第一组数据显示，实验数据（用虚线绿色条形表示）再现了相关研究结果。
结论
传统空气除湿方法通常需要大量能源，因为它们使用蒸汽压缩将空气温度降至露点以下。本文提出了一种创新技术，旨在分离显热负荷和潜热负荷。该方法结合了电喷雾中的静电力和介电泳力以及旋风分离器的离心分离作用来实现空气除湿。为了将这些原理付诸实践，研究人员开发并制造了多个原型，并对其进行了严格测试。
作者贡献声明
杰拉德·坎丁迪·穆特巴（Gerard Kandindi Muteba）：负责撰写初稿、可视化处理、数据验证、软件开发、方法设计、实验设计、数据分析及概念构建。洛伦佐·克雷马斯基（Lorenzo Cremaschi）：负责审稿与编辑、项目监督、资源协调及资金筹集。
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利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本材料基于美国能源部能源效率与可再生能源办公室（EERE）在建筑技术计划下授予的项目编号DE-EE0009161的支持。作者感谢奥本大学机械工程系的阿赫梅特·托普库奥卢（Ahmet Topcuoglu）博士研究生及研究生研究助理在数据收集方面的协助。同时感谢克里斯蒂安·福尔（Christian Fauer）博士研究生及研究生研究助理的支持。
