Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental...

179
Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391 Assessment of Desiccant Dehumidification: Literature and Technology Review Prepared by: Sustainable Design & Consulting LLC Prepared for: University of Hawaii at Manoa, Hawaii Natural Energy Institute July 2016

Transcript of Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental...

Page 1: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

Hawaii Energy and

Environmental Technologies

(HEET) Initiative

Office of Naval Research

Grant Award Number N0014-11-1-0391

Assessment of Desiccant Dehumidification:

Literature and Technology Review

Prepared by:

Sustainable Design & Consulting LLC

Prepared for:

University of Hawaii at Manoa, Hawaii Natural Energy Institute

July 2016

Page 2: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

ASSESSMENT OF DESICCANT DEHUMIDIFICATION

Project Deliverable 2:

Literature and Technology ReviewJuly 9, 2016

FinalFinal

Sustainable Design & Consulting LLC

Prepared by: 

Manfred J. Zapka, PhD, PE   

James Maskrey, MEP, MBA

Prepared for: 

Hawaii Natural Energy institute

RCUH P.O. #Z10117197

Page 3: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

  

  

ASSESSMENT OF DESICCANT DEHUMIDIFICATION 

 

 

Project Deliverable No. 2:   

Literature and Technology Review   

FINAL  

Prepared for  

Hawaii Natural Energy Institute 

 RCUH P.O. #Z10117197 

 

 

 

 

 

July 9, 2016 

 

Prepared by:  

 

 

Manfred J. Zapka, PhD, PE  (1) 

James Maskrey, MEP, MBA, Project Manager (2) 

 

(1)       Sustainable Design & Consulting LLC, Honolulu, Hawaii (2)       Hawaii Natural Energy Institute Honolulu, Hawaii  

Page 4: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

  

  

 

ACKNOWLEDGEMENTS  

This research was supported and funded by the Office of Naval Research grant award N00014‐11‐0391 

in collaboration with the Hawaii Natural Energy Institute at the University of Hawaii at Manoa.  

The authors believe that desiccant cooling applications can play a significant part making building 

conditioning more energy efficient and foster the implementation of more environmentally friendly 

ways to provide occupant comfort in buildings.  

 

 

   

Page 5: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

  

  

ABBREVIATIONS  

AC     Air‐conditioning  

ACHR  Air Conditioning, Heating and Refrigeration NEWS  

AHU   Air‐handling Unit  

ASHRAE   American Society of Heating, Refrigerating, and Air‐Conditioning Engineers 

BET  Brunauer–Emmett–Teller  

CHP   Combined Heat and Power 

CA   conditioned air (also CA’ after treatment) 

COP   Coefficient of performance  

DP    Dew point  

DX  Direct Expansion Air Conditioning System  

DEAC   Direct Evaporative Air Coolers   

DEC   Direct evaporative cooler  

EER  Energy Efficiency Ratio Engelard Titanium Silicate (ETS)  

EAC  Evaporative Air Cooling external source of energy (Q)  

GTI   Gas Technology Institute  

GCI   Green Cooling Initiative  

HNEI  Hawaii Natural Energy Institute  

HR  Humidity Ratio    

HVAC    Heating Ventilation Air Conditioning  

IC    Internal Combustion   

IEAC   Indirect Evaporative Air Coolers  

LDDX   Liquid Desiccant DX System  

IDECOAS  Indirect and Direct Evaporative‐Cooling‐Assisted Outdoor Air System  

IRR  Internal Rate of Return  

LD  Liquid Desiccant  

LDAC   Liquid‐Desiccant Air Conditioner  

LD‐IDECOAS  Liquid Desiccant Indirect and Direct Evaporative‐Cooling‐Assisted Outdoor Air System  

IEC   Indirect Evaporative Cooler  

LiCl  Lithium Chloride  

LCST  Lower Critical Solution Temperature  

M‐cycle   Maisotsenko (M) ‐Cycle  

MIT  Massachusetts Institute of Technology    

Page 6: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

  

  

ABBREVIATIONS (CONT.) 

O&M   Operations & Maintenance  

OA    Outdoor (or outside) Air (also OA’ after treatment) 

pH.    Numeric Scale Used to Specify the Acidity or Basicity (alkalinity) of an Aqueous Solution 

PV  Photovoltaic System, also solar‐PV Power System 

RH    Relative Humidity  

SHR  Sensible Heat Ratio  

R  Separation Factor   

SAC  Solar air‐conditioning  

SDC   Sustainable Design & Consulting LLC 

SI  International System of Units 

TAT  Thermally Activated Technologies 

TSA   Temperature Swing Adsorption  

VAC   Vapor‐Compression Air Conditioning  

WBT  Wet‐bulb temperature  

VAV   Variable Air Volume 

DEVAP   Desiccant Enhanced Evaporative Air Conditioning 

 

UNITS  

atm   Atmosphere pressure  

BTU  British Thermal Unit  

BTUH/sqft    BTU per square feet  

°C   Degree Celsius  

CFM  Cubic feet per minute  

F    Fahrenheit  

K  Kelvin 

kW  kilo Watt 

kJ  kIlo Joule  

MPa  Mega Pascale 

square feet   Square Feet  

 

Page 7: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

TABLE OF CONTENTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No. 2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9, 2016                                                                                                                                                                                  Page i 

  

TABLE OF CONTENTS 

SECTION 1 ‐ EXECUTIVE SUMMARY AND OVERALL CONCLUSIONS ............................................................ 1 

SECTION 2 ‐ INTRODUCTION OF DESICCANTS IN REFRIGERATION AND COOLING .................................... 3 

SECTION 3 ‐ BASICS OF THE DEHUMIDIFICATION PROCESS ........................................................................ 6 

3.1  Methods of Dehumidification ............................................................................................................ 6 

3.2 Review of Psychrometrics ‐ Principles ................................................................................................ 8 

3.3  Application of Psychrometric Chart ................................................................................................. 15 

3.4  Introduction to Desiccants ............................................................................................................... 21 

3.5  Desiccant Cycle ................................................................................................................................. 22 

3.6  Desiccant Material ........................................................................................................................... 24 

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION ...................................................................................... 29 

4.1  Cooling‐based Dehumidification ...................................................................................................... 29 

4.2  Desiccant Dehumidification ............................................................................................................. 32 

4.3 Comparing Desiccant to Cooling‐based Humidification ................................................................... 41 

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS ................................................................................ 44 

5.1  Basic Considerations of Physical Properties in Desiccant Dehumidification ................................... 44 

5.2  Isotherms ......................................................................................................................................... 45 

5.3  Types of Isotherm Models ............................................................................................................... 48 

5.4  Adsorption Energy ............................................................................................................................ 54 

5.5  Chemical and Physical Stability ........................................................................................................ 55 

5.6   Adsorption Rate and Performance.................................................................................................. 55 

5.7  Basic Heat and Mass Transfer Modelling by Example of Desiccant Wheel ..................................... 59 

5.8  Heat and Mass Transfer Characteristics of Desiccant Polymers ...................................................... 66 

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES ..................................................................... 75 

6.1  Desiccant Regeneration with Heat from Natural Gas or other Fossil Fuels ..................................... 75 

6.2  Desiccant Regeneration with Waste Heat ....................................................................................... 78 

6.3  Desiccant Regeneration with Solar Heat and other Renewable Heat Sources ................................ 83 

 

Page 8: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

TABLE OF CONTENTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No. 2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9, 2016                                                                                                                                                                                  Page ii 

  

TABLE OF CONTENTS (CONT.) 

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION .. 87 

7.1  Thermal Cooling Technologies ......................................................................................................... 89 

7.2  Evaporative Cooling – General Principle .......................................................................................... 90 

7.3   Direct Evaporative Cooler – Working Process ................................................................................. 93 

7.4   Indirect Evaporative Cooler – Working Process .............................................................................. 94 

7.5   Maisotsenko (M) ‐Cycle Enhanced Indirect Evaporative Cooling ................................................... 97 

7.6  Absorption Chillers ........................................................................................................................... 99 

7.7   Adsorption Chillers ........................................................................................................................ 106 

7.8   Comparison between Absorption and Adsorption Cooling Technology ....................................... 111 

7.9   Magnetic Refrigeration as an Alternative to Vapor Compression Refrigeration .......................... 112 

SECTION 8 ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS ................................................................................ 116 

8.1    Solid Desiccant Cooling Systems using Different Cooling Devices ............................................... 116 

8.2    Solid Desiccant Cooling with Evaporative Cooling ....................................................................... 124 

8.3   Solid Desiccant Cooling to Increase Conventional AC System ...................................................... 129 

8.4   Solid Desiccant Colling with Solar Heat ......................................................................................... 135 

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS ............................................................................... 139 

9.1   General System Configuration of Liquid Desiccant Cooling Systems ............................................ 139 

9.2   Liquid Desiccant Systems to Enhance Conventional AC System ................................................... 144 

9.3   Liquid Desiccant Cooling with Evaporative Cooling and Solar Energy .......................................... 149 

9.4  Desiccant Enhanced Evaporative Air‐Conditioning ........................................................................ 158 

SECTION 10 ‐ GENERAL FINDINGS OF THE LITERATURE REVIEW ............................................................ 164 

REVIEWED LITERATURE ............................................................................................................................ 167 

 

 

 

Page 9: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 1 ‐ EXECUTIVE SUMMARY AND OVERALL CONCLUSIONS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 1 of 171 

  

SECTION 1 ‐ EXECUTIVE SUMMARY AND OVERALL CONCLUSIONS  

The present literature and technology review is the deliverable of Part 1 of the project “Assessment of 

Desiccant Dehumidification” which Sustainable Design & Consulting (SDC), LLC is performing for Hawaii 

Natural Energy Institute (HNEI). Part two of the project follows the literature review and will assess the 

feasibility of using candidate desiccant dehumidification systems in conjunction with building 

conditioning in the hot and humid sub‐tropical climate of Hawaii  

Under Part 1 of the project, an extensive literature review has been performed on the subject of 

desiccant dehumidification with an emphasis on cooling and dehumidification applications for buildings. 

A further emphasis was placed on building and space conditioning in humid climates, such as is found 

throughout the Hawaiian islands.  

Since the literature review addresses many technical and applied scientific papers and publications 

discussing intricate thermodynamic concepts, the literature review also presents some important 

thermodynamic concepts to facilitate understanding by the non‐technical or the non‐HVAC expert 

reader.   

This literature and technology review presents a succession of dehumidification technology 

developments over the past 20 to 30 years. Desiccant dehumidification is being extensively used in 

specific industrial and commercial applications where dry air is required below the dew point that could 

be achieved with cooling‐coil based dehumidification.  

This literature and technology review focuses on the use of desiccant dehumidification technology in 

conjunction with building conditioning. To date these desiccant applications have mostly used solid 

desiccant material installed in vessel‐swing operation or rotary wheel structures. The use of desiccants 

in conventional AC has been mostly concerned with energy savings by recovering sensible and latent 

loads in central AC‐systems. Such desiccant applications have become standard applications for 

conventional AC‐systems. Liquid desiccant dehumidification in conjunction with conventional has only 

received limited attention in the literature.    

The use of desiccants in conjunction with evaporative cooling, often referred to in the literature as 

desiccant cooling, was introduced about two decades ago and has not seen a wide‐spread use in 

building designs and operations, although such systems can generate significant energy savings. Both 

solid and liquid desiccant systems are suitable for integration with evaporative cooling applications.  

While solid desiccant dehumidification integrations have the advantage of longer track record in actual 

building installations, it is liquid desiccants which have attracted much attention in recent developments 

of desiccant cooling operations. In fact, since 2010 several groundbreaking liquid desiccant cooling 

technologies have been proposed. These recent liquid desiccant technologies developments suggest 

significant application potential for Hawaii, because of their favorable process performance even in 

Page 10: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 1 ‐ EXECUTIVE SUMMARY AND OVERALL CONCLUSIONS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 2 of 171 

  

Hawaii’s humid climate and their ability to work with low‐grade, unconventional heat sources, including 

solar heat and waste‐heat from combined heat and power applications. 

Page 11: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 2 ‐ INTRODUCTION OF DESICCANTS IN REFRIGERATION AND COOLING

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 3 of 171 

  

SECTION 2 ‐ INTRODUCTION OF DESICCANTS IN REFRIGERATION AND COOLING  

Over the past decade, the worldwide demand for residential and commercial cooling has been growing 

at a strong pace. Most of the near‐term and long‐term growth will come from developing countries and 

countries in transition.  

Industry related assessments for the short‐term (five year) development of the world‐wide refrigeration 

and air‐conditioning market (ACHR, 2016) indicate an overall annual growth of 6%. Under this 

projection, the biggest growth is projected with eight percent in both the Americas and Asia and two 

percent in Europe and the Middle East, India & Africa. Asia‐Pacific is reported as the largest market in 

absolute sales, with China and Japan representing 82 percent of that market by value. 

A long‐term prediction of the global market by the Green Cooling Initiative (GCI) predicts that between 

2010 and 2030 the market volume of the refrigeration and air conditioning sectors for these countries is 

projected to increase by factor of nearly four (GCI, 2016).  

While the demand for cooling is increasing, conventional cooling technology causes significant 

environmental impact mainly due to harmful refrigerants and high energy consumption. This fact 

coupled with the market trend suggests that impacts from cooling applications will likely increase in the 

years to come. The logical method for impact mitigation would be to reduce the two main causes by 

significant reduction in energy demand and release of harmful process agents, meaning harmful 

refrigerants. Another possible mitigation measure is to develop and implement environmentally friendly 

sustainable cooling technologies as a way to mitigate negative impacts.  

GCI promotes the use of “Green cooling”, an overall strategy that leads to impact mitigation for the 

cooling sectors (GCI, 2016). Green cooling uses a combination of three approaches, which include 

maximizing energy efficiency, encouraging the use of natural refrigerants, and fostering a sustainable 

approach to private and commercial energy consumption.  Green cooling helps to protect the 

environment, resources and the climate and supports the use of renewable technologies within cooling. 

It thereby contributes towards a sustainable reduction of fossil fuel consumption. 

The Heating Ventilation and Air‐Conditioning (HVAC) industry has acted upon the need for impact 

mitigation with the introduction of various technology innovations. Innovations include, but are not 

limited to, variable capacity compressors, system improvements in humidity control, high efficiency fans 

and building construction improvements (Kammers,2010). Among these innovations, improved humidity 

control provides significant benefits, in particular for the residential and commercial building sector.   

Innovative humidity control extends beyond the conventional humidity management technology of 

providing cold surfaces for below dew point separation of humidity in conditioned spaces. This 

innovative humidity control separates the processes of heat rejection and humidity control in space 

conditioning applications, which means the removal of sensible and latent loads, respectively. In this 

Page 12: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 2 ‐ INTRODUCTION OF DESICCANTS IN REFRIGERATION AND COOLING

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 4 of 171 

  

application, desiccant humidification replaces in of cold‐coil dehumidification. Using conventional HVAC 

technology, three space condition functions of ventilation, sensible heat and latent heat removal are 

performed concurrently, by means of air flow forced over external cooled coils. This conventional 

process invariably causes energy losses and frequent over cooling of spaces, as excess cooling must be 

provided to remove humidity, especially in hot and humid climates. Desiccant dehumidification avoids 

some of the drawbacks by providing a means to dehumidify spaces without the need of cold coils for 

condensation. As fundamental shift in space condition, desiccant dehumidification allows for a 

separation of sensible and latent heat removal in space conditioning, as desiccants remove humidity, 

and therefore the latent load, and a separate cooling technology removes the sensible load.  

Desiccant dehumidification is not a new technology used in the refrigeration and cooling industry. In 

fact, numerous industrial and commercial processes rely on low humidity process conditions, which can 

be achieved more economically with desiccants rather than with cooling‐based dehumidification. In the 

building industry, desiccant dehumidification has seen a limited range of applications. The reason for the 

limited acceptance of desiccant dehumidification can be attributed to initial installation costs, the fact 

that operational benefits are not fully understood, lack of technology awareness, and company 

priorities, which are not focused on benefits of new technology (ECW, 2000). The main benefits 

reported by the desiccant industry are the ability for precise humidity control and for the utilization of 

low grade heat sources, such as solar and waste heat.  

One of the other main reasons why desiccant systems have not been used to a great extent in space 

conditioning is the fact that in high‐dew point applications, vapor compression systems are usually more 

energy efficient than desiccant systems. The typical dew point in space conditioning, e.g. air‐

conditioning, is about 50 F, for a standard conditioned space temperature and relative humidity of 72 F 

and 50%, respectively. Therefore, dew point reduction applications in buildings favor cooling‐based 

dehumidification, based on cost advantages and technology familiarity of conventional vapor 

compression cooling technology by building management.  

When efficiency gains through building system integration and the building industry movement towards 

“green” building technologies become more important considerations, benefits for the use of desiccant 

systems can outweigh reasons to stick with the conventional HVAC. Apart from the key advantage of 

independent sensible and latent heat removal, the use of waste or solar heat for desiccant regeneration 

can lead to very favorable operational conditions. In fact, desiccant systems can compete if large 

amounts of outside air must be processed, if electric demand charges are high, or if large amounts of 

low costs solar and waste heat are available. 

The use of low cost solar energy and waste heat from industrial processes for regeneration of desiccant 

material is making the dehumidification system more cost‐effective. The initial cost of solar energy can 

be significant, but life cycle costs typically contribute to a favorable present value analysis. Solar 

Page 13: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 2 ‐ INTRODUCTION OF DESICCANTS IN REFRIGERATION AND COOLING

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 5 of 171 

  

radiation is intermittent and weather‐dependent.  Therefore, back‐ up heat sources or heat storage is 

required to continue the drying process when solar energy is not available.   

Besides desiccant dehumidification as a means to augment conventional cooling technology, another 

technology approach is the integration of desiccant dehumidification with evaporative cooling. This 

combination offers significant energy saving and environmental impact mitigating potential. Evaporative 

cooling is the adiabatic increase in absolute humidity with a simultaneous reduction in dry bulb 

temperature. Here, air is subjected to free water surfaces which enhances evaporation while keeping 

the enthalpy of the air constant. Typically, evaporative cooling is only effective at high temperatures and 

low humidity levels, since the driving forces for evaporation are reduced in humid climates.  Since the 

Hawaii climate is the representative environmental condition for this literature review, stand‐alone 

evaporative cooling would not be considered as applicable. Desiccant dehumidification can, however, 

favorably enhance conditions for evaporative cooling by reducing the dew point of the external air 

upstream of the evaporative cooler.  

Apart from the purely technical considerations, the success of solar/desiccant cooling technologies will 

depend on the encouragement and promotional schemes offered by the policymakers, and the efforts 

undertaken by the manufacturers to improve the cost efficiency as well in developing better 

technologies.  

Page 14: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 6 of 171 

  

SECTION 3 ‐ BASICS OF THE DEHUMIDIFICATION PROCESS  

This section introduces basic processes of dehumidification. Dehumidification is an essential process 

with a wide range of industrial and commercial applications, most of them with specific 

dehumidification technologies. The focus of this literature and technology review is, however, on 

dehumidification in conjunction with building conditioning. Therefore, only processes and technologies 

which are pertinent for space conditioning are discussed in more detail.  

3.1 Methods of Dehumidification  

There are two basic methods of dehumidification, cooling‐based and desiccant dehumidification. Apart 

from these there are more specialized niche methods, which use pressure and electric field properties. 

These dehumidification technologies have, however, only very limited application potential in building 

conditioning and are not further discussed in this review    

Cooling‐based Dehumidification  

The method of dehumidification in conventional air‐conditioning systems uses cooling coils which are 

maintained at a temperature below the desired dew point of the supply air. As air flows past the cooling 

coils the air temperatures drop and water vapor condenses on the coils. Lowering air temperature 

decreases the air’s ability to hold moisture. Thus, the air can be made drier by cooling it.  

The water condensate drains into a pan by means of gravity and is thereby removed from the system. 

The amount of moisture removed from the air is a function of the temperature of the coil. The coils are 

cooled by chilled water, refrigerants, glycol solutions, or engineered fluids circulating through the coil.  

Since this method reduces the temperature of the HVAC‐system supply air, spaces could be subcooled if 

the rooms do not have sufficient internal heat gain to offset the low‐temperature air. Typically, the 

supply air is therefore reheated downstream of the cooling coils to provide the desired indoor air supply 

temperature. Reheating the supply air requires a significant amount of energy, depending on the target 

room temperature. In applications that require low air temperature for dehumidification purposes, 

while the requirement for sensible heat removal would not require such low air supply temperatures 

overcooling can be a problem. In these applications a heat energy recovery strategy could be effectively 

used to lower the energy input for reheat the air downstream and for pre‐cooling the air up‐stream of 

the cooling point. A suitable strategy would be a heat‐pipe run‐around system, where coils on either 

side of the cooling coil and use a refrigerant to economically pre‐cool and reheat the air stream. 

Another limitation to this technique is the freezing point of water. When air is dried via refrigeration, the 

cooling surfaces of the coils may attain sub‐freezing temperatures. Under these conditions ice can form 

on the coils, which reduces the efficiency of the cooling system.  

Page 15: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 7 of 171 

  

Desiccant Dehumidification 

Desiccant dehumidification provides an effective method for dehumidification through the use of 

sorption of water vapor to and into a material that has a natural affinity to water. Desiccant 

dehumidification uses adsorption and absorption, which use physical processes to take up the additional 

moisture given up by the air without changing the size or shape of desiccants. Absorbents take up 

humidity by allowing water vapor to enter into the desiccant material. Adsorbent materials, on the 

other hand, attract and hold water molecules in pores at their surface. Absorbents generally can attract 

and hold greater quantities of water per pound of desiccant material.  

The desiccant based dehumidification does not require elaborate cooling equipment as used in the 

cooling‐based dehumidification process.  In typical technical dehumidification application, the desiccant 

agent takes up moisture until an equilibrium state is reached between the desiccant material and the 

air. At this point the desiccant is regenerated, typically through thermal processes, after which the 

desiccant is again available for the dehumidification process.  

There are two technical processes under which desiccant dehumidification is carried out, liquid and solid 

desiccant systems. 

Liquid‐desiccant systems: In liquid desiccant dehumidification, a liquid desiccant solution is brought into 

contact with the air stream and water vapor is entering the desiccant solution through a difference 

in vapor pressure. The method of providing free surfaces of liquid desiccant is dependent on the 

design of the process apparatus, which can be based on spray, packed column or bubble bed. When 

an unsaturated desiccant solution is exposed to air, the desiccant absorbs moisture from the 

gaseous phase. The process conditions can be varied by changing the concentration of the liquid 

desiccant, pressure and temperature. Upon saturation, which means a process threshold in the 

diminishing ability to take up more moisture, the liquid desiccant is regenerated by heating it and 

subsequent desorption of captured moisture to a waste air stream. An additional benefit of using 

selected liquid desiccant systems is that the desiccant solutions can act as a biocide for the 

conditioned air, which is beneficial in applications for which bacteria or viruses are the least 

desirable.  

Solid‐desiccant systems: In solid desiccant dehumidification, a solid desiccant material is brought into 

contact with the air stream and water vapor attaches to the surface of the desiccant material. Moist 

air is drawn through the spaces around desiccant material, which absorbs the moisture. As the 

desiccant reaches its capacity, the material is moved into a warmer reactivation air stream. Moisture 

is rejected from the desiccant surface through a difference in vapor pressure and is expelled by a 

waste air stream. The regeneration of the desiccant material requires a heated or dry air stream. 

There are different configurations of solid desiccants devices, such as the often used desiccant 

wheel.  

Page 16: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 8 of 171 

  

Other dehumidification methods  

There are other dehumidification methods for specialized industrial and commercial applications in use. 

One of these methods is dehumidification of air by means of compression. As the pressure in air is 

increased, the dew point or temperature at which water will condense is raised. In order to get dry air 

within the vessel, a heat sink is needed to cool the compressed air. Typically, costs can be prohibitive 

when used outside the specialized process, because of the equipment, space, and auxiliary equipment 

required for the process. If compressed air is already available and only very small amounts of dry air are 

needed for humidity control, compression could be feasible route to dry air. Dehumidification by 

compression of air is, however, not feasible for application of space conditioning. 

One new humidification method is electrostatic dehumidification technology. Rather than removing 

humidity from the air by means of cooling‐based phase change or physical sorption processes, moisture 

is removed through electrostatic fields which separate moisture vapor from air streams.  The reported 

benefit is a significant reduction in energy used for dehumidification, by eliminating energy needed for a 

phase change or the regeneration of desiccants. This literature review has not identified advanced 

prototypes or even commercially available of electrostatic dehumidifiers at this time.  

 

3.2  Review of Psychrometrics ‐ Principles 

Psychrometrics describes the physical and thermodynamic properties of gas‐vapor mixtures, whereby 

the properties of moist air, e.g. a mixture of water vapor and air, is of significance to human comfort and 

conditions in the built environment. In the process of humidification and dehumidification properties of 

the moist air are changed, sometimes with or without transfer of heat or matter between the air and its 

surroundings, which is referred to as isothermal or adiabatic processes. The review of dehumidification 

methods necessitates a basic understanding of psychrometric principles. The following provides an 

overview of some of the most important topics and metrics of moist air processes related to 

dehumidification. A more comprehensive introduction to moist air properties and processes used in the 

HVAC is given by ASHARE (2009).  

Psychrometric Chart 

The analysis of moist air properties in HVAC processes is facilitated by the psychrometric chart and 

related property tables. There are multiple psychrometric charts available, each providing graphical 

interpretations for constant pressures. Figure 3.1.1 shows the ASHRAE psychrometric chart for sea‐level 

(ASGRAE, 2009). The chart is in SI units.  If any two properties of the moist air are known, the chart 

allows for a quick assessment of all other properties of moist air. 

 

Page 17: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 9 of 171 

  

Dry‐Bulb Temperature  

The dry‐bulb temperature is also referred to as the “sensible” temperature of the air — the heat which 

can be sensed by a dry thermometer. In the chart below, the dry bulb temperature of the air is displayed 

at the bottom, increasing from left to right. Constant dry bulb temperatures are depicted as vertical 

lines. (refer to Figure 3.1.2).  

 

Figure 3.1.1:  Psychrometric 

Chart for pressure at sea 

level  (ASHRAE, 2009) 

Presented in SI (metric 

units)  

 

 Figure 3.1.2:  Dry‐bulb temperature 

displayed in the psychrometric chart, 

(ASHRAE, 2009) 

 

In the depicted psychrometric chart 

temperature are given in degrees Celsius 

(°C).  

 

Base psychrometric Chart by ASHRAE; 

modified for illustration example 

Page 18: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 10 of 171 

  

The dry‐bulb temperature is usually referred to as “air temperature”. The dry‐bulb temperature is 

measured with a thermometer that is exposed to the air but shielded from radiation, and refers basically 

to the ambient air temperature. It is called "Dry Bulb" because the air temperature is indicated by a 

thermometer not affected by the moisture of the air.  

Wet‐Bulb Temperature  

The Wet Bulb temperature is the adiabatic saturation temperature. This means the temperature at 

which water, by evaporating into moist air at a certain dry bulb temperature and absolute humidity 

ratio, can bring air to saturation adiabatically, at a constant pressure. The adiabatic evaporation of water 

and resulting the cooling effect causes the wet bulb temperature to be lower than the dry‐bulb 

temperature.      

The wet‐bulb temperature can be measured by a psychrometer, which consists of two thermometers, 

where one thermometer’s sensor is covered by a wetted wick. Placing the instrument in an airstream 

promotes evaporation and cooling, with the equilibrium temperature being the wet‐bulb temperature. 

While this procedure is not strictly adiabatic saturation, the resulting error compared to the exact 

thermodynamic wet‐bulb temperature is sufficiently small enough to allow use of the experimental 

procedure for technical applications. Figure 3.1.3 illustrates wet‐bulb temperatures as lines in the 

psychrometric graph.  

 

 

Figure 3.1.3:  Wet‐bulb temperature 

displayed in the psychrometric chart  

 

 

 

 

 

Base psychrometric Chart by ASHRAE; 

modified for illustration example 

  

 

Page 19: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 11 of 171 

  

Relative Humidity ‐ Percent of Saturation 

In the technical literature relative humidity is often referred to as the moisture content of air, expressed 

as a percent value, which air "can hold". This definition is not exact since it does not express a 

temperature dependency, and sometimes causes confusion with the absolute humidity. As can be seen 

in Figure 3.1.4.  On the psychrometric chart, relative humidity is displayed as a series of curves, 

increasing from the bottom of the chart. The “saturation curve” is the left boundary and represents 

100% relative humidity. (see Figure 3.1.4) 

Figure 3.1.4:  Relative humidity of air‐

water vapor mixtures  

 

 

 

 

 

Base psychrometric Chart by ASHRAE; 

modified for illustration example 

The more exact definition of relative humidity in air can be expressed by vapor and air partial pressure, 

density of the vapor and air, or by the actual mass of the vapor and air. Since partial vapor pressure is an 

important property for all dehumidification processes, we define relative humidity as the ratio of vapor 

partial pressure in the air to the saturation vapor partial pressure of the air at a certain dry bulb 

temperature. The following equation calculates the relative humidity (The EngineeringToolBox).  

    ϕ = pW / pWS * 100%         (1) 

    where:     ϕ = relative humidity (%)     pW = vapor partial pressure (mbar)     pWS = saturation vapor partial pressure at the actual dry bulb temperature (mbar) 

 

 

 

Page 20: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 12 of 171 

  

Dew Point Temperature: 

With decreasing temperatures moist air can “hold” less moisture than at higher temperatures. The dew 

point refers to the temperature at which water vapor starts to condense out of the air. The dew point 

depends on the absolute amount of water vapor in the air. The higher the amount of water vapor in the 

air the higher is the dew point. Figure 3.1.5 shows an example of a dew point for a sample of moist air, 

whose properties are defined by dry‐bulb and wet‐bulb temperature of 20°C and 16°C, respectively.  

Consequently, dew‐point temperature tdp is the temperature of moist air saturated at pressure p, with 

the same absolute humidity as that of the given sample of moist air. Cooling‐based dehumidification 

systems remove moisture from air by cooling it below its dew‐point temperature, at which water vapor 

condenses and is separated from the air as liquid phase draining from the cold coils.   

 

Figure 3.1.5:  Dew point temperature 

The example shows a sample of moist air 

with dry‐bulb and wet‐bulb temperatures 

at 20°C and 16°C, respectively (A). The 

value of absolute moisture of the sample 

is determined by the horizontal line (A) to 

(C). As the sample is cooled (sensitive 

cooling) the state point of the sample 

moves along the horizontal line towards 

the saturation line (B). The dry‐bulb 

temperature of the intersection of the 

horizontal line of constant absolute 

humidity and the saturation curse is the 

dew point for the sample.     

Base psychrometric Chart by ASHRAE; 

modified for illustration example 

 

Humidity Ratio 

The humidity ratio can be defined as the ratio between mass of water vapor present in moist air to the 

mass of dry air.  

    x = mw / ma            where     x   =   humidity ratio (kg/kg or g/Kg)      mw =   mass of water vapor (kg or g)     ma  =   mass of dry air (kg) 

Page 21: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 13 of 171 

  

Figure 3.1.6 illustrates the use of humidity ratio for a sample of moist air, whose properties are defined 

by dry‐bulb and wet‐bulb temperature of 20°C and 16°C, respectively.   

 

Figure 3.1.6:  Humidity Ratio 

The example shows a sample of moist air 

with dry‐bulb and wet‐bulb temperatures 

at 20°C and 16°C, respectively (A).  

The resulting humidity ratio can be read 

from the graph as approximately 9.7 g/kg, 

which indicates that are 9.7 g of water 

vapor per kg of dry air. The humidity ratio 

can also be expressed as kg/kg. In our case 

9.7 g/kg converts to 0.0097 kg/kg.  

Base psychrometric Chart by ASHRAE; 

modified for illustration example 

 

Enthalpy  

Enthalpy is the measure of the total energy in air. The enthalpy of moist air includes sensible and latent 

heat, which is the enthalpy of the dry air and the enthalpy of the evaporated water in the air, 

respectively. The total enthalpy, e.g. the sum of sensible and latent, is used when calculating cooling and 

heating processes. The specific enthalpy of moist air is defined as the total enthalpy of the dry air and 

the water vapor mixture per unit mass (of dry air. Therefore, the specific enthalpy has the units of 

kJ/Kgda. 

Specific enthalpy of moist air can be expressed as (ASHRAE, 2009): 

    h = ha + x hw 

    where 

    h = specific enthalpy of moist air (kJ/kg, Btu/lb) 

    ha = specific enthalpy of dry air (kJ/kg, Btu/lb) 

    x = humidity ratio (kg/kg, lb/lb) 

    hw = specific enthalpy of water vapor (kJ/kg, Btu/lb) 

 

The determination of difference in enthalpy when going between state points in the psychrometric chart 

is of important in determining energy requirements in heating and cooling processes. Figure 3.1.7 

illustrates the use of enthalpy in moist air applications for a sample of moist air, whose properties are 

defined by dry‐bulb and wet‐bulb temperature of 20°C and 16°C, respectively.   

Page 22: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 14 of 171 

  

 

Figure 3.1.7:  Enthalpy 

The example shows a sample of moist air 

with dry‐bulb and wet‐bulb temperatures 

at 20°C and 16°C, respectively (A).  

The resulting specific enthalpy is shown as 

44.5 kJ/kgda  

 

 

 

Base psychrometric Chart by ASHRAE; 

modified for illustration example 

 

Specific Volume  

Often it is required to convert between mass and volumetric flow rates or to calculate energies required 

to move between state points. Therefore, the specific volume v of a moist air mixture is expressed in 

terms of a unit mass of dry air: 

v = V/Mda [m3/kgda] 

where  

V is the total volume of the mixture and Mda is the total mass of dry air 

 

Figure 3.1.8 illustrates the determination of specific volume for a sample of moist air, whose properties 

are defined by dry‐bulb and wet‐bulb temperature of 20°C and 16°C, respectively. 

The use of psychrometric chart in solving mass and heat transfer processes in cooling is best carried out 

with illustrative examples. Section 3.2 presents three representative cases, which helps in the 

understanding of cooling and dehumidification processes presented in this literature review. For a more 

analytical explanation of the examples refer to ASHRAE (2009).   

 

Page 23: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 15 of 171 

  

 

Figure 3.1.8:  Humidity Ratio 

The example shows a sample of moist air 

with dry‐bulb and wet‐bulb temperatures 

at 20°C and 16°C, respectively (A).  

The resulting specific volume is shown as 

0.864 m3/kgda 

 

 

Base psychrometric Chart by ASHRAE; 

modified for illustration example 

 

 

 

3.3  Application of Psychrometric Chart 

This section presents three case applications of the psychrometric chart, which helps the reader to 

understand cooling and dehumidification processes presented in this literature and technology review.   

 

Application of psychrometric chart ‐ Illustrative Case A; Sensitive Cooling 

Statement: Moist air at dry‐bulb and wet‐bulb temperature of 30°C and 18°C, respectively, enters a 

cooling coil assembly at a rate of 5 m3/s. The chilled air leaves the coil at a dry‐bulb temperature of 20C. 

Determine the rate of heat that has to extracted from the air flow.  

Solution: Figure 3.2.1 shows the heat and mass flow diagram of the example. Figure 3.2.2 shows the 

psychrometric properties of the moist air at state points (1) and (2).  

Page 24: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 16 of 171 

  

 

Figure 3.2.1:  Heat and mass flow diagram 

Moist air with properties at (1) and at 5 m3/s flow rate enters the system interface cooling coils assembly (1) and is cooled by an external heat sink. The rejected heat through the cooling coils results in the air properties at system interface (2).   

mda is the mass flow in m3/s  h is the specific enthalpy in kJ/kgda  W is the humidity ratio in g/kgda  1q2  is the heat rate in kW that is extracted 

from the air flow between interfaces (1) and (2)   

 

 

 

Figure 3.2.2: Psychrometric 

property for illustrative case A 

 

The following properties are read 

from the chart: 

h1 = 50.5 kJ/kgda 

h2 = 40.0 kJ/kgda 

v1  = 0.869 m3/kgda 

W1 = W2 = 8 g/kgda 

 

Base psychrometric Chart by 

ASHRAE; modified for illustration 

example 

 

Since there is no phase change the moisture ratio of conditions (1) and (2) remain constant at 8 g/kgda 

The air mass flow rate is calculated with mda = 5.0 m3/s / 0.869 m3/kgda = 5.75 kgda/s.  

The rate of heat that is extracted from the air is calculated as follows: 

1q2 = mda *( h1 ‐ h2)  =  5.75 [kgda/s] * (50.5 – 40.0) [kJ/kgda] = 60.4 [kJ/s] = 60.4 kW 

 

 

   

Page 25: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 17 of 171 

  

Application of psychrometric chart ‐ Illustrative Case B; Moist air cooling and dehumidification: 

Statement: Moist air at 32°C dry‐bulb temperature and 60% RH enters a cooling coil at 10 m3/s and is 

processed to a final saturation condition at 10°C. Find the required rate of heat extraction 

(refrigeration). 

Solution: Figure 3.2.3 shows the heat and mass flow diagram of the example. Figure 3.2.4 shows the 

psychrometric properties of the moist air at system interfaces (1) and (2).  

 

Figure 3.2.3  Heat and mass flow diagram for illustrative case C (ASHRAE, 2009) 

 

Moist air with properties at (1) and at 10 m3/s flow rate enters the system interface (1) and is cooled by an external heat sink. The rejected heat through the cooling coils results in the air properties at system interface (2) and a mass of water (condensate)    

 

mda is the mass flow in m3/s  h is the specific enthalpy in kJ/kgda  W is the humidity ratio in g/kgda  hw is the specific enthalpy of water at 

saturation at final saturation temperature 

mw is the mass flow rate of condensed water  

1q2  is the heat rate in kW that is extracted from the air flow between interfaces (1) and (2)   

 

Figure 3.1.11 indicates the energy equation as follows: 

Heat flux incoming  Heat flux outgoing 

mda * h1    mda * h2 + mw * hw + 1q2 

 

Page 26: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 18 of 171 

  

Figure 3.2.4: Psychrometric 

property for illustrative case 

 

The following properties 

are read from the chart: 

h1 = 70.5 kJ/kgda 

h2 = 29.5 kJ/kgda 

v1    =    0.885 m3/kgda 

W1 = 15.0 g/kgda 

W2 = 7.6   g/kgda 

 

Base psychrometric Chart 

by ASHRAE; modified for 

illustration example 

 

The air mass flow rate is calculated with mda = 10.0 m3/s / 0.885 m3/kgda = 11.3 kgda/s.  

The tabulated value of specific Enthalpy, of Water at Saturation at (2) is 42.02 kJ/kgw 

The rate of heat that is extracted from the system is calculated as follows: 

mda * h1  =  mda * h2 + mw * hw + 1q2 

1q2  = mda (h1 ‐ h2) ‐ mw * h hw 

With:   mw = mda * (W1 ‐W2)  

1q2  = mda (h1 ‐ h2) ‐ mda * (W1 ‐W2)  * hW 

1q2  = mda ((h1 ‐ h2) ‐ (W1 ‐W2) * hW) 

1q2  = 11.3 [kgda/s] * ((70.5‐29.5) [kJ/kgda] – ((15.0‐7.6)/1000) [kgw/kgda] * 42.02 [kJ/kgw]) 

1q2  = 459.8 kJ/s    =   459.8 kW        

   

Page 27: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 19 of 171 

  

Application of psychrometric chart ‐ Illustrative Case C; Adiabatic mixing of two moist air streams  

Statement:  Two streams of moist air are adiabatically mixed. Stream (1) has 4 m3/s with 6°C and 4°C 

dry‐bulb and wet‐bulb temperatures, respectively and Stream (2) has 10 m3/s with 25°C dry‐bulb 

temperature with 60% RH. Find the dry‐bulb temperature and RH of the resulting moist air mixture. 

Solution: Figure 3.2.5 shows the heat and mass flow diagram of the example. Figure 3.2.6 shows the 

psychrometric properties of the moist air at system interfaces (1) and (2).  

 

Figure 3.2.5: mass and energy flow 

diagram for illustrative case C 

Two streams (1) and (2) of moist air are 

adiabatically mixed. The resulting mixed 

stream (3) is a combination of the two 

psychrometric conditions.  

 mda is the mass flow in m3/s 

h is the specific enthalpy in kJ/kgda 

W is the humidity ratio in g/kgda 

 

 

 

Under the adiabatic conditions conservation of energy and mass results in the following three 

relationships:  

Heat flux incoming  Heat flux outgoing 

mda1 * h1  +  mda2 * h2  mda3 * h3 

Dry air mass incoming  Dry air mass outgoing

mda1 +  mda2   mda3  

Water vapor mass incoming  Water vapor mass outgoing

mda1 * W1  +  mda2 * W2  mda3 * W3 

   

Page 28: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 20 of 171 

  

Figure 3.12.6: Psychrometric 

properties for illustrative case C 

The following properties are read 

from the chart: 

h1   =  17.2 kJ/kgda 

h2   =  55.7 kJ/kgda 

v1    =  0.776 m3/kgda 

v2    =  0.861 m3/kgda 

W1  =  4.3 g/kgda 

W2  =  12.0   g/kgda 

 

Base psychrometric Chart by 

ASHRAE; modified for illustration 

example 

 

The three relationships can be rearranged: 

h2 – h3 = 

W2 – W3 = 

mda1 

h3 – h1  W3 – W1  mda2 

This results in a weighted distribution of properties, where the resulting properties of condition (3) as 

follows:  

mda1    =   4.0 [m3/s]  / 0.776 [m3/kgda]   =  5.2    [kgda/s]    

mda2    =   10.0 [m3/s] / 0.861 [m3/kgda]  =  11.6 [kgda/s]    

mda1  / mda2   =   5.2 / 11.6  =  0.444   [‐]   

h3   =  (h2 + 0.444*h1) / 1.444  =  43.9  [kJ/kgda] 

W3   = (W2 + 0.444 * W1 / 1.444 =  9.6  [g/kgda] 

 

Figure 3.2.7 shows the results depicted in the psychrometric chart 

Page 29: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 21 of 171 

  

 

Figure 3.2.7: Resulting 

psychrometric properties for 

illustrative case C 

h3    =   43.6  kJ/kgda 

W3   =  10.0 g/kgda 

Tdb3  =  18.5 °C 

RH3  =  74% 

 

The property of (3) is on line between (1) and (2); the distance (2) to (3) is 44.4% and (3) to (1) is 55.6% of the distance (1) to (2)  

Base psychrometric Chart by ASHRAE; modified for illustration example 

 

3.4  Introduction to Desiccants  

Desiccants are types of sorbents, where sorbents are materials characterized by their ability to attract 

and hold gases or liquids. Desiccants have a particular affinity to water.  

Virtually any material acts as desiccants and attracts water. Building materials can attract sizable 

amounts of water, such as woolen carpets, which can hold up to 23% of their dry mass in water vapor.  

Commercial desiccants must have much higher ratios of water attraction, as high as 1000% their dry 

mass in water vapor, depending on the type and on the moisture available in the environment. In 

addition, desiccants continue to attract moisture even when the surrounding air is quite dry and the 

driving forces for sorption are small, a characteristic that other materials do not share. 

The process of water sorption is basically the same in all types of commercial desiccants.  The 

conditioned desiccant material is subjected to a moist air stream and attracts moisture until saturated, 

reaching equilibrium with the surrounding air. The desiccant is then regenerated by applying heat to 

drive out moisture. Since the process of sorption generates heat due to latent heat of water vapor and, 

to a smaller amount, due to additional heat of sorption, the desiccant material has to be cooled before 

the next cycle of sorption can commence.  

There are two basic processes of sorption, referred to as adsorption or absorption, depending on 

whether the desiccant undergoes a chemical change as it takes on moisture. Adsorption does not 

change the desiccant, except by adding water vapor mass. Absorption changes the desiccant as water 

enters into and changes properties of the material.   

Page 30: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 22 of 171 

  

Typical Desiccant Applications  

Desiccants have been used in the HVAC industry to a certain extent, to dry moist ambient air. Their 

market penetration is, however, well behind cooling‐based dehumidification, due to cold coil 

dehumidification being a relatively simple and low cost alternative. While lacking in the number of 

installed units compared to conventional HVAC applications, desiccant dehumidification can offer 

tangible benefits under the following operating conditions:   

•   The latent load in the moist air is large in comparison to the sensible load; using only cooling‐

based dehumidification could overcool the building.  

•   Energy cost to regenerate the desiccant is low compared to the energy costs of refrigeration 

dehumidification, including the energy for reheating of low dew point air supply. 

•   If too low dew‐point air is required, refrigeration dehumidification coils would need to be 

operated at subfreezing dew points resulting in icing problems.  

 

3.5  Desiccant Cycle  

The driving force of desiccant dehumidification is the difference between water vapor pressures at the 

desiccant’s surface and of the surrounding air. Sorption of moisture occurs with a positive vapor 

pressure gradient at the desiccant surface, which means a higher vapor pressure in the surrounding air 

than at the exposed desiccant surface. Desorption occurs with an opposite pressure gradient, when the 

desiccant surface vapor pressure is higher than that of the surrounding air.  

The nonlinear relationship between desiccant moisture content and vapor pressure at the desiccant 

surface is depicted in Figure 3.4.1. As the moisture content of the desiccant rises, so does the water 

vapor pressure at its surface. At some point, an equilibrium condition occurs, when the vapor pressure 

at the desiccant surface is the same as that of the surrounding air. At this point neither sorption nor 

desorption occurs, since the pressure difference has reached a minimum threshold which is an 

insufficient driving force. At this point the desiccant has to be regenerated to restore the desiccant’s 

ability for sorption of water vapor. Figure 3.4.2 illustrates the effect of temperature on vapor pressure at 

the desiccant surface. Both higher temperature and increased moisture content increase surface vapor 

pressure. This indicates that desiccants can attract moisture better at lower temperatures, since the 

pressure gradient between the surrounding air and the desiccant surface is larger. At higher 

temperatures the vapor pressure at the desiccant surface is higher, which results in less sorption or, in 

case of desiccant regeneration, in better desorption when moisture is driven from the desiccant to the 

surrounding air.   

Figure 3.4.2 illustrates the sorption and desorption cycle used in desiccant dehumidification. The cycle 

starts at (1) with a cold and dry desiccant coming into contact with a moist air stream. During process 

Page 31: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 23 of 171 

  

step (1) to (2) moisture is attracted and the moisture content of the desiccant increases. The desiccant 

surface temperature increases due to latent heat and heat of sorption. As the desiccant enters 

equilibrium conditions at (2) sorption stops. During process steps (2) to (3) external heat is added and 

the vapor pressure at the desiccant surface increases, creating a pressure gradient to drive moisture out 

of the desiccant. At (3) the moisture content of the has fallen to a desired process condition. During 

process step (3) to (1) the desiccant is cooled to attain the lower vapor pressure of the initial state at (1), 

where a new cycle starts.  

The effectiveness of desiccant cycle depends on the energy required to move through this cycle. The 

process step (1) to (2), when dehumidification occurs, requires only relatively small fan or pump energy 

to bring the desiccant and the air stream into physical contact. The process steps (2) to (3) and (3) to (1) 

requires significant heating and cooling energy, respectively.    

 

Figure 3.4.1: Desiccant Water Vapor Pressure as Function of Moisture Content and Temperature (ASHRAE, 2009) 

Figure 3.4.2: Desiccant Cycle (ASHRAE, 2009)

 

 

 

During process step (2) to (3) heating requires the sum of the following heat input: 

•   Sensible heat input to raise the desiccant to a temperature high enough to make its surface vapor 

pressure higher than that of the surrounding air, the higher the  

•   Latent heat input to evaporate moisture  

Page 32: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 24 of 171 

  

•   Latent heat for desorption of water from the desiccant (a small amount)  

During process step (3) to (1) cooling requires sensible heat rejection to the surrounding, where the 

required cooling capacity is proportional to the desiccant mass properties and difference between its 

temperature at (3) and (1).  Regeneration in the desiccant cycle also works with pressure differences. 

This is used in certain industrial and commercial applications but not in HVAC applications.   

Summarizing, the greater the difference between the air and desiccant surface vapor pressures, the 

greater is the ability of the desiccant material to attract moisture from the air. The selection of the most 

effective desiccant for a particular application depends on the range of water vapor pressures in the air, 

the temperature of the regeneration process, and moisture sorption and desorption characteristics of 

the desiccant.  

 

3.5   Desiccant Material  

There are two forms of desiccant materials, solid and liquid desiccants.  

Liquid Desiccants act as absorbents to attract and hold moisture. In a liquid absorption dehumidifier, air 

is brought into contact with liquid desiccant solution. If the water vapor pressure of the liquid desiccant 

surface is lower than that of air, moisture is absorbed at the surface film surface and therefore moisture 

migrates from the air to the desiccant; this process is called dehumidification. Conversely, if water vapor 

pressure at the desiccant surface is higher than that in the air moisture migrates to the air; this process 

is called desorption. 

The vapor pressure of the liquid desiccant is directly proportional to its temperature and inversely 

proportional to its concentration. Figure 3.5.1 illustrates the effect of temperature and concentration on 

the vapor pressure of various solutions of water and lithium chloride (LiCl), a common liquid desiccant. 

In the sample condition shown in Figure 3.5.1 the solution that is 25% lithium chloride has a vapor 

pressure of 1.25 kPa and 3.3 kPa at temperatures of 21°C and 37.8°C, respectively. This indicates that 

the warmer the liquid desiccant is, the less moisture it can absorb from the air. 

In standard practice, performance of liquid desiccants is controlled by adjusting process temperature, 

concentration, and pressure. The desiccant process temperature is controlled by simple heaters and 

coolers to adjust the temperature of the desiccant. Liquid desiccant concentration is controlled by 

heating the desiccant to drive moisture out into a waste airstream or directly to the ambient. 

Commercially available liquid desiccants have an especially high water‐holding capacity. Selected 

products have water absorption capacity of more than 1,000 % on a dry‐mass basis. In order to achieve 

effective sorption and desorption processes, the two‐phase flow through the process reactor has to 

provide sufficient free surfaces of desiccant and a good flow distribution. High surface renewal rates and 

Page 33: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 25 of 171 

  

maximum contact time between the gaseous and liquid phase allow the desiccant agent to approach its 

theoretical sorption and desorption capacity.  

Solid desiccants attract moisture as a surface active sorption process. The moisture does not change the 

nature of the solid adsorbent. The condensed adsorbed moisture is confined into capillaries, and the 

individual adsorbents attract moisture through electrical field charges at the desiccant surface. The 

electric field is not uniform in magnitude and polarity, therefore specific sites on the desiccant surface 

attract water molecules that have a net opposite charge. When the complete surface is covered with 

moisture, the adsorbent can hold still more moisture because vapor condenses into the first water layer 

and fills the capillaries throughout the material.  

The ability of solid adsorbents to attract moisture is a function of vapor pressure difference between the 

adsorbent surface and the surrounding air. Generally, solid adsorbents have a smaller capacity to attract 

water per dry weight than liquid absorbents. ASHRAE (2009) suggests that, a typical molecular sieve 

adsorbent can hold 17% of its dry mass in water when the air is at 21°C and 20% RH, whereas a LiCl‐

solution can hold 130% of its mass at the same process conditions.  

Solid adsorbents have an advantage with respect to temperature dependency. Molecular sieves, for 

example, can adsorb moisture in warm airstreams, making dehumidification possible at elevated 

outdoor temperatures. Solid adsorbent can be manufactured with specific pore diameters to increase 

adsorption capacity for selected ingredient in the air stream. For example, water has an effective 

molecular diameter of 0.32 nm. A molecular sieve adsorbent with an average pore diameter of 0.40 nm 

adsorbs water but has almost no capacity for larger molecules, such as organic solvents. This selective 

adsorption characteristic is useful in many applications. For example, several desiccants with different 

pore sizes can be combined in series to remove first water and then other specific contaminants from an 

airstream. 

Intrinsic parameters that affect adsorption performance of different desiccant material include total 

surface area, total volume of capillaries, and range of capillary diameters. A large surface area gives the 

adsorbent a larger capacity at low relative humidity. Large capillaries provide a high capacity for 

condensed water, which gives the adsorbent a higher capacity at high relative humidity. A narrow range 

of capillary diameters makes an adsorbent more selective in holding vapor molecules.  Figure 3.5.1 

illustrates the effects of the three parameters shown by three noncommercial silica gel adsorbents. Each 

of the adsorbents has a different internal structure. Gel 1, shown in Figure 3.5.1 has large capillaries, 

making its total volume large but its total surface area small. Gel shows large and small adsorption rates 

at high and low relative humidity, respectively. 

For example, materials with large capillaries necessarily have a smaller surface area per unit of volume 

than those with smaller capillaries. As a result, adsorbents are sometimes combined to provide a high 

adsorption capacity across a wide range of operating conditions.  

Page 34: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 26 of 171 

  

 

Figure 3.5.1: Adsorption and Structural 

Characteristics of Some Experimental 

Silica Gels (ASHRAE, 2009) 

 

The figure illustrates the effect of 

capillary diameters on the capacity of 

adsorbents to attract and hold 

moisture. 

The adsorbent Gel 1 has a high capacity 

to attract condensation, which means at 

high relative humidity.    

 

 

Types of solid desiccants: Sorbent Systems (2016) presents five types of solid desiccants which are often 

used dehumidification applications: 

Montmorillonite Clay (“Clay”) is a naturally occurring porous adsorbent with good regeneration 

characteristics at low temperatures without substantial deterioration or swelling. Clay is inexpensive 

and effective within normal temperature and relative humidity ranges. Variations in adsorption 

performance are due to differences in obtaining this naturally occurring material. 

Silica gel has an amorphous micro‐porous structure with a distribution of pore opening sizes of roughly 

3‐60 angstroms, which results in a very large surface area that will attract and hold water by 

adsorption and capillary condensation. Silica gel is efficient at temperatures below 77°F, but loses 

Page 35: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 27 of 171 

  

adsorbing capacity at higher temperatures, similar to Clay. Silica gel is non‐corrosive and nontoxic 

and has received approval for use in food and drug packaging. 

Molecular sieves (also Zeolite) has a larger adsorption capacity than either silica gel or clay. A molecular 

sieve is synthetic rather than naturally occurring, and therefore higher in cost per unit, but due to its 

extremely large range of adsorptive capabilities, it might often be the best value.  

Calcium oxide (CaO) can adsorb much greater amounts of water at low relative humidity than other 

materials. It is also effective in retaining moisture at high temperatures. This desiccant is relatively 

inexpensive as compared to many other desiccants. 

Calcium sulfate (CaSO4), also known commercially as Drierite®, is an inexpensive manufactured 

desiccant alternative general‐purpose desiccant geared mainly toward laboratory use. It is 

chemically stable, non‐disintegrating, nontoxic, non‐corrosive, and does not release its adsorbed 

water when exposed to higher ambient temperatures. CaSO4 is a low cost desiccant but has a 

comparably smaller small adsorbent rate compared to dry weight. CaSO4 has regeneration 

characteristics that tend to limit its useful life. Table 3.5.1: shows important properties of the five 

solid desiccants.  

Table 3.5.1: Properties of the five desiccants. (Sorbent Systems, 2016) 

 Property Molecular Sieve

Silica Gel  Clay  CaO  CaSO4 

Adsorptive Capacity at low 

H20 Concentrations Excellent  Poor  Fair  Excellent  Good 

Rate of Adsorption  Excellent  Good  Good  Poor  Good 

Capacity for Water @77° F, 

40% RH High  High  Medium  High  Low 

Separation by Molecular 

Sizes Yes  No  No  No  No 

Adsorptive Capacity at 

Elevated Temperatures Excellent  Poor  Poor  Good  Good 

 

Figure 3.5.2 shows the moisture adsorption capacity of the five desiccants as a function of relative 

humidity. Figure 3.5.3 illustrates activation conditions of several desiccants. Activation conditions are of 

importance for regeneration. Figure 3.5.5 illustrates the adsorption rates as a function of time.  

Page 36: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 3 ‐ BASICS OF DEHUMIDIFICATION PROCESS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 28 of 171 

  

   

Figure 3.5.2:   Adsorption capacity for moisture as a function of relative humidity (Sorbent Systems, 2016) 

Figure 3.5.3:  Temperature dependence of activation conditions for regeneration (Sorbent Systems, 2016) 

   

 

Figure 3.5.4:    Equilibrium Capacity (H2O) of solid 

desiccants (Sorbent Systems, 2016) 

Page 37: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 29 of 171 

  

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION 

This section presents main methods of dehumidification.  While the topic of this literature report is 

desiccant dehumidification and related technology applications, a brief summary of cooling based 

dehumidification is provided. There are potential applications where desiccant and cooling‐based 

dehumidification can be combined to achieve effective cooling and space conditioning.   

4.1  Cooling‐based Dehumidification 

The basis for cooling‐based dehumidification is the compression refrigeration cycle. Figure 4.1.1 shows a 

simple process diagram of the cooling‐based dehumidification, where humid air passes over cooling 

coils, moisture condenses and is removed by gravity separation. The low temperature in the cooling 

coils is maintained by a refrigeration system. Typically, cooling‐based dehumidification occurs in 

conjunction with an air conditioning systems.   

Figure 4.1.2 illustrates the psychrometric process of cooling the air below the dew point. The figure 

indicates that there are two thermal processes, sensible and latent cooling, where latent cooling is the 

process of dehumidification.   

 

Figure 4.1.1:  Basic process cycle for cooling‐based 

dehumidification.  (Harriman, 2002) 

Humid air passes over cooling coils which are at a 

temperature below the dew point of air. The 

humidity condenses on the coils     

Figure 4.1.2:  Psychrometric air path (Harriman, 2002)

Cooling systems first chill the air to its dew point (100% 

relative humidity). After that point, further chilling 

removes moisture. The more the air is cooled, the more 

will it be dried. 

 

Figure 4.1.3 shows the type of refrigeration cycle which is used in most commercial and residential air 

conditioning systems. The system basically conveys and rejects heat from the conditioned space to the 

outdoor environment, using the refrigerant to transport the heat energy.  

Page 38: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 30 of 171 

  

Heat is removed from the conditioned space by first transferring its heat energy to the expanding and 

vaporizing refrigerant in the evaporator. The latent heat of the refrigerant evaporation in the evaporator 

creates a significant heat sink. From the evaporator, the refrigerant vapor flows to the compressor, 

where pressure in the refrigerant is increased. Further downstream the high pressure refrigerant vapor 

enters the condenser where condensation occurs creating high temperatures resulting in heat rejection 

to the external environment or another external heat sink. The now liquid refrigerant flows to an 

expansion valve which creates a pressure differential across the valve as the in the refrigerant travels 

downstream to the low pressure evaporator. As the refrigerant enters the evaporator, the refrigeration 

cycle is completed.   

Figure 4.1.3:  Basic refrigeration cycle used in 

The type of refrigeration cycle shown is used in most 

commercial and residential air conditioning systems.   

 

Cooling‐based dehumidification systems can have different component configuration. There are three 

basic working principles to provide the cooling capacity and heat sink for water vapor condensation:  

Direct expansion cooling system 

Chilled liquid cooling system 

Dehumidification‐with‐reheat system  

For the direct expansion cooling and chilled liquid cooling systems dehumidification occurs in 

conjunction with air conditioning systems where cooling and dehumidification occurs. The 

dehumidification‐with‐reheat system does not contribute to space cooling, but only contributes to 

dehumidification.   

Direct expansion cooling:  This type of cooling system is often referred to as “DX” or direct expansion 

system. This system is mostly used in residential or roof top cooling system installations. Figure 

4.1.4 illustrates the DX‐system diagram. Moist supply air flows over cooling coils, which serve as 

the evaporator.  

Chilled liquid cooling: Chilled liquid systems use a secondary cooling loop to cool and dehumidify air. In 

the secondary cooling loop chilled water, or other secondary cooling fluid, is used to transport heat 

from the cooling coils to the evaporator. The secondary cooling loop adds complexity to the system 

Page 39: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 31 of 171 

  

and therefore it is typically used in larger system installations, where they can gain advantages of 

installed cost and operating efficiency over DX systems. Figure 4.1.5 illustrates the chilled liquid 

cooling system diagram. 

Dehumidification‐with‐reheat: It is common practice that air‐conditioning systems use reheat to 

increase the temperature of the supply air downstream of the cooling coils. This is done to assure 

occupant comfort, since cold air can lead to draft and overcooling of conditioned spaces. This 

section presents a dehumidification configuration that most residential, but some commercial, 

dehumidifiers use. This system is depicted in Figure 4.1.6, and only controls humidity level in spaces 

humidity without cooling.  The dehumidification‐reheat systems uses combined cooling and to 

achieve great efficiency. As illustrated in Figure 4.1.6, the dehumidification‐reheat system has a 

condenser coil for reheat immediately downstream of the evaporator, which is the cooling coil 

where moist air sheds humidity. This configuration results in an efficient dehumidification process 

performance, since the low air temperature after the cooling coil makes the refrigerant condenser 

very efficient. The reheat energy from the condenser is essentially free, since it is heat rejected by 

the cooling process.  

While for most dehumidification applications cooling‐based process provides good system performance, 

there are problems with frozen condensate that can occur with very low dew point conditions. In these 

cases, frozen condensate reduces heat transfer effectiveness and can clog coils, thus reducing the 

airflow. For systems that cool air below 32°F dew point defrost coil systems and suitable controls can 

provide some mitigation.   

 

Figure 4.1.4: Direct expansion 

cooling process diagram 

(Harriman, 2002) 

The DX‐cooling cycle is mostly 

used in commercial and 

residential cooling applications. 

Here dehumidification occurs 

in conjunction with space 

cooling. In the DX system the 

cooling coils over which the 

moist air flows function as the 

evaporator.  

 

Page 40: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 32 of 171 

  

 

Figure 4.1.5: Chilled liquid 

cooling process diagram 

(Harriman, 2002) 

The chilled liquid cooling cycle 

uses a secondary cooling loop 

to transport heat between the 

cooling coils and the 

evaporator. The secondary 

cooling loop complexity and 

but offers benefits. The chilled 

liquid cooling loop is typically 

used in larger installations.   

 

 

 

Figure 4.1.6:  Dehumidification‐reheat 

system (Harriman, 2002) 

This dehumidifier configuration uses a cooling‐reheat scheme 

 

 to remove moisture from air. The arrangement is energy efficient because it uses condenser reheat downstream of the evaporator. The reheat energy is essentially free, and the condenser is most efficient in the low temperature air that comes from the evaporator coil. 

 

The source image (Harriman, 2002) was 

edited by adding comments 

 

4.2  Desiccant Dehumidification 

This section introduces several process characteristics of desiccant dehumidifying.  Section 5 will present 

more detail about the physical properties of desiccants and the desiccant dehumidification process. The 

process of desiccant dehumidification can be separated in three main process steps. These three main 

process steps are described in Figure 4.2.1.  

Page 41: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 33 of 171 

  

 

 

 

Desiccant Dehumidification process‐step A:  Sorption 

This process steps describes the process from point (1) to point 

(2). 

The surface vapor pressure of the desiccant material is low 

because it is dry and cool and has a low moisture content 

(conditions at point (1)). As the desiccant draws moisture from 

the surrounding air, the desiccant surface becomes saturated 

and hot, because of the heat of condensation and sorption 

(conditions at point (2)). At point (2) vapor pressure is equal to 

that of the surrounding air and the desiccant cannot collect 

more moisture because there is no pressure difference 

between the surface and the vapor in the air. 

 

Desiccant Dehumidification process‐step B:  Desorption

This process steps describes the process from point (2) to point 

(3). 

The desiccant to conditions of state point (2) requires energy 

(e.g. heat) input to go to point (3). For this the desiccant is 

taken out of the moist air, heated, and placed into a different 

airstream. Due to an increase of temperature the vapor partial 

pressure at the desiccant surface increases to a point where 

the vapor pressure is higher than in the surrounding air. 

Therefore, moisture moves off the desiccant surface to the air 

to equalize the pressure differential. At the conditions at point 

(3) the desiccant is dry and hot. Therefore, although the 

desiccant is dry, its vapor pressure is still too high to collect 

moisture from the air, due to the desiccants high temperature.  

Page 42: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 34 of 171 

  

 

Desiccant Dehumidification process‐step C:  Cooling  

This process steps describes the process from point (3) to point 

(1). This completes the desiccant basic process cycle.   

The desiccant is cooled to restore a low vapor pressure, 

returning it to conditions at point (1).  

 

Figure 4.2.1:  Three main process steps A through C of the basic desiccant dehumidification cycle,               

(Harriman, 2002) 

 

These three basic process steps are used in basically all desiccant equipment configurations. Harriman 

(2002) presents five typical process equipment configurations for desiccant dehumidifiers: 

1. Liquid desiccant packed column 

2. Solid desiccant packed tower 

3. Solid desiccant rotating horizontal bed 

4. Solid desiccant multiple vertical bed 

5. Solid desiccant rotating Honeycomb 

Liquid desiccant packed columns:  In the packed column dehumidifiers liquid desiccant solution is 

brought into contact with moist air. Figure 4.2.2 shows a typical configuration with two process vessels. 

The larger of the two vessels is used for the dehumidification (sorption) process step and the smaller 

vessel for the regeneration (desorption) of the desiccant solution. In both vessels, liquid desiccant 

solution is either sprayed or distributed on the packing inside the vessel (e.g. packing of rings and other 

geometries). The liquid desiccant solution runs down on the packing material and shear forces stimulate 

surface renewal.  Moist air is flowing upwards and is brought into contact with the liquid desiccant 

solution. The desiccant solution drips down into a pan and from where a portion is recirculated and the 

remaining portion is pumped to the smaller regeneration. Control indicates how much desiccant has to 

be recirculated.  In the smaller vessel liquid desiccant is regenerated by adding heat, letting it run down 

over packing like in the larger vessel and blowing a separate air stream, the reactivation air, through the 

smaller vessel. Moisture leaves the desiccant and moves to the reactivation air. An important process 

parameter is the creation of active surfaces, also referred to as surface renewal. In this process surfaces 

of droplets renew frequently as droplets break up, form new drops and are mixed into the mass of the 

liquid desiccant. Some inert packing or baffles inside the sorption process vessel increases the 

Page 43: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 35 of 171 

  

magnitude of surface renewal. The numbers on the diagram indicates how the process equipment 

perfumes in regard to the basic desiccant dehumidification process.  

 

 

Figure 4.2.2:  Liquid desiccant packed column – process vessel ‐ These units are like air washers, except they 

spray liquid desiccant into the process air instead of simply water. The heat and moisture from the 

dehumidification process is transferred to the desiccant. Heat is rejected through an external cooling system 

and moisture is rejected in the desiccant regenerator, which re‐concentrates the diluted desiccant solution.  

(Harriman, 2002) 

As the desiccant returns from the regenerator to the sump on the dehumidification vessel, it is dry but 

still hot, which results in a high vapor pressure. The desiccant is circulated through a cooler, which is 

connected to a chilling system or cooling tower. Downstream of the cooler, the vapor pressure of the 

desiccant is lowered since it is both dry and cool and is ready to absorb more moisture. Among the 

advantages of the packed column is good control of heating and cooling.  As an added benefit, 

independent of the thermal treatment, the liquid desiccant can eliminate particles from the supply air 

flow.   

Disadvantages of the system include process inertia, which makes adaptation of rapidly changing 

humidity conditions difficult. Larger quantities of desiccant solution may be distributed throughout a 

large piping system with large reserve sump. This can result in significant time to respond to fast 

changing internal moisture loads or different necessary outlet conditions. The slow response on the 

Page 44: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 36 of 171 

  

outlet conditions, however, can also be a benefit since to creates “process inertia” which means slow 

responses to inlet changes. A large mass of recirculating desiccant is used to protect the internal process 

from rapid changes in weather moisture. 

Typically, liquid spray dehumidifiers are employed in large, central systems rather than small, free‐

standing units. The main reason is the somewhat higher complex of the liquid spray dehumidifier in 

comparison to solid desiccant units. Some large systems connect several dehumidification process 

vessels to a single regenerator reactor. This can have advantages of first cost, at the expense of 

complexity of controls.  Maintenance varies between the type of liquid desiccants used, since some 

desiccants solutions are more corrosive than others.   

Solid desiccant packed tower: The solid desiccant packed tower dehumidifier system consists of pairs of 

process vessels which are filled with solid granular desiccant material, such as silica gel or molecular 

sieve. The pairs of vessels operate in a batch wise, or process swing mode.  

Figure 4.2.3 illustrates the working principles. One process vessel operates in dehumidification mode 

while the other regenerates the desiccant material after it becomes saturated with moisture. In Figure 

4.2.3, the two vessels are identified as process vessels A and B. In dehumidification mode, moist process 

air starts to pass through process vessel A. The desiccant material in vessel A is cool and is effective to 

adsorb humidity. The moisture content and temperature of the desiccant increases as moist process air 

flows through vessel A. At the same time when moist process air flows through vessel A, vessel B is in 

desorption mode. Reactivation air, heated by the so‐called desiccant heater, is passed through vessel B 

driving out the moisture from the desiccant and transferring the moisture to the reactivation air.  After 

the desiccant in vessel A becomes saturated and/or the desiccant in vessel B is fully regenerated, the 4‐

way valves switch the air flow and the functions of vessels A and B are reversed.  

Since drying and reactivation take place in separate, sealed compartments, the packed tower 

dehumidifier is frequently used to dry pressurized process gases. The process can achieve very low dew 

points, as low as below ‐40°F. Desiccant dehumidifiers for compressed air are frequently the packed‐

tower type. 

Since the system operates batch wise and not continuous, conditions of the process air change during 

one cycle of the swing operation.  At the start of dehumidification, dry and cool desiccant is exposed to 

the process airstream. Since the vapor pressure is at a maximum, the process air can be deeply dried. As 

its moisture capacity fills up, the air is not dried as efficiently. In order to limit the changes in the 

desiccant, controls are provided to ensure the process vessels are changed before the process air 

condition become too wet. The air flow velocities inside the process vessels are kept low in order to 

avoid uneven air flow distribution and the disturbance of the granulated desiccants. As a result, the solid 

packed tower units can be quite large.  

Page 45: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 37 of 171 

  

 

Figure 4.2.3:  Solid packed tower dehumidifier (Harriman, 2002) with annotations added  

Moist air is dried in pairs of process vessel, which operate batch wise. The process vessels are filled with 

granulated solid desiccant. The two process vessel alternate as between dehumidification and desiccant 

regeneration mode.  The desiccant is regenerated by hot airstream. The system is used frequently for 

compressed air and pressurized process gasses. It is less common in ambient‐pressure applications.  

 

Rotating horizontal bed 

The rotating horizontal bed dehumidifier consists of granular desiccant that are held in a series of 

shallow, perforated trays which rotate continuously between sections the process and reactivation 

airstreams. In dehumidification mode, trays rotate through a section where moist process air passes 

vertically through the trays. The desiccant adsorbs moisture. The trays then rotate into a position where 

reactivation airstream heats the desiccant, raising its vapor pressure and releasing the moisture into the 

reactivation air. The hot desiccant material is cooled by cold air flowing through the trays before the tray 

reaches the section where the desiccant is again exposed to the moist process air. Figure 4.2.4 illustrates 

a typical system configuration.   

Page 46: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 38 of 171 

  

The system configuration can operate in modular fashion in order to increase drying capacity.  Increased 

capacity can also be obtained by increasing the tray diameter to hold more desiccants or the number of 

beds stacked on top of one another is increased. The rotating horizontal bed can provide constant outlet 

moisture level.   

A disadvantage can be an uneven settlement and resulting distribution of the granulated desiccant 

material, which increases the possibility of uneven flow and leakage of air flow through the beds. A 

typical remedy is to direct the process and reactivation airflow in parallel, rather than generating a 

counter flow. With regard to energy efficiency, a parallel arrangement of process and reactivation 

airflows does not perform as well as a counter flow arrangement. As a result, reactivation energy 

consumption can be higher than compared to other designs. A significant benefit of rotating horizontal 

bed systems are the low first costs. The design is simple, expandable and easy to manufacture. 

Operating costs of the system can, however, be higher than with other designs, especially when energy 

costs are high.  

 

Figure 4.2.4:  Rotating horizontal bed dehumidifier ‐ (Harriman, 2002)  

Horizontal solid desiccant material is slowly rotated between process and reactivation airstreams. Leakage 

between moist and dry airstreams can affect the performance.   

   

Page 47: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 39 of 171 

  

Multiple vertical bed:  This dehumidification system has solid desiccant sitting in a vertical bed 

configuration. The air streams, either the process or activation air streams, pass vertically through the 

relatively high cells. This vertical bed configuration combines feature of a packed tower and a rotating 

horizontal bed design in an arrangement that is well‐suited to atmospheric pressure dehumidification 

applications. Figure 4.2.5 illustrates the assembly.  

 

Figure 4.2.5: Multiple vertical bed dehumidifier ‐  (Harriman, 2002)  ‐ Granular desiccant beds are installed vertically on a rotating assembly. Multiple cell like segments of the circular assemble pass through process and activation air streams. The system combines benefits static packed towers and rotating tray dehumidifiers. The design includes more complex parts due counter flowing process and reactivation air streams, which offer more energy efficient operation. The increased installation cost is offset by a lower operating cost than either packed tower or rotating horizontal bed type units 

Rather than single or double packed tower systems which operate batch‐wise, the multiple vertical beds 

are installed on a circular carousel with eight or more towers. These towers are exposed to alternative 

process and reactivation air streams. This design can achieve low dew points since leakage between 

process and reactivation air circuits is minimized. Due to separation between adjacent towers, process 

and reactivation airstreams can be arranged in the more efficient counter flow pattern for better heat 

and mass transfer. Different from the stationary packed tower with discrete process steps (e.g. swing 

operation), the rotating multiple vertical bed assembly operates more or less continuously and can 

provide a relatively constant outlet moisture condition on the process air. This can be a significant 

advantage to the undulating performance of the packed tower units. 

Page 48: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 40 of 171 

  

In comparison to the horizontal bed dehumidifier, the system is mechanically more complex, has a 

higher first cost and requires more complex operation. Generally, however, these are minor limitations 

compared to the large savings in energy and performance improvements at low dew points. 

Rotating Honeycomb or Solid Desiccant Dehumidification Wheel: The dehumidifier design uses a 

rotating wheel which hold structures of desiccant material about a horizontal axis. This assembly is often 

referred to as either “desiccant wheel” or rotating honeycomb. The wheel is a light weight structure 

with corrugated and desiccant impregnated material. The structure allows ready horizontal passes of 

the air streams through the slowly rotating wheel, resulting in low pressure losses. Figure 4.2.6 shows a 

typical corrugated assembly, where the desiccant material adheres to the inner surfaces of the 

horizontal small cells.  

 

Figure 4.2.6: Honeycomb Structure of the Solid Desiccant Dehumidification Wheel , (Carnegie Mellon University, 2016) 

Desiccant material covers a lightweight, open structure through which air can flow with small pressure losses.  

 

Figure 4.2.7 illustrates the working principle of the desiccant wheel.  Process air flows through the 

horizontal cells of the corrugations in a major section of the desiccant wheel (or process) section. The 

desiccant adsorbs moisture from the moist air stream until it becomes saturated (attains process point 

(2)). As the wheel turns further, the desiccant material enters a section of the wheel that is exposed to 

the reactivation section of the wheel enclosure, where a heated reactivation air stream dries out the 

desiccant material in a counter flow process (attain process point (3)). After rotating through the 

reactivation section the desiccants in the corrugated wheel structure are cooled by small portion of the 

process air to lower their surface vapor pressure and bring the desiccant material to point (1). From 

here, a new process cycle continues.  

The rotating desiccant wheel design has several advantages over other dehumidifier configuration. The 

structure is lightweight and offers an effective moisture removal capacity to overall weight ratio. As a 

result, mechanical power to drive the system can be kept low. The corrugated wheel structure offers 

few air flow obstructions and therefore pressure losses and flow resistance remain low. All of these 

performance parameters result in good energy performance and relatively low maintenance efforts and 

costs.  

Page 49: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 41 of 171 

  

 

Figure 4.2.7: Rotating Honeycombe® or Solid Desiccant Dehumidification Wheel ‐ (Harriman, 2002)  ‐ The 

design combines high surface area with low total desiccant mass, making these units especially efficient. The 

small number of parts reduces maintenance to a minimum. 

 

4.3 Comparing Desiccant to Cooling‐based Humidification  

The selection of the desiccant dehumidifier for a specific application requires a careful optimization of 

the entire system installation and operation. Harriman (2002) suggested that the following criteria have 

to be addressed.  

Installed cost:  The first cost of the dehumidifier itself typically is only a small fraction of the cost 

of the entire installation, which includes heating and cooling systems and overall site 

infrastructure, including piping, electricity and other process components 

O&M cost: Operating and maintenance costs are usually significantly larger than the first costs, 

since dehumidification is an energy intensive process. The leading O&M cost items are heat for 

reactivation and cooling for the desiccant and process air. Harriman (2002) suggested that 

available low‐cost energy sources, such as solar or waste heat can often offset installed cost 

differences in a relatively short time period. 

Demonstrated operational reliability: Dehumidifier configurations differ between applications and 

weather conditions. The installation of the reliable equipment for the condition is of importance.  

Page 50: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 42 of 171 

  

Design assumptions: The selection of the type and size of dehumidification equipment 

configuration is dependent on the design assumption. Reasons for varying equipment selections 

could include incomplete or erroneous data available to the system designer. It impossible to 

state universally accurate comparisons because the working conditions of the desiccant 

dehumidification systems can differ between applications.  

With regard to selecting between desiccant and cooling‐based dehumidification, Harriman (2002) 

suggested the following additional design considerations: 

Cooling and desiccant‐based dehumidification technologies should complement each other and 

costs can be lowered by using integrated systems.  

The selection about using desiccant or cooling‐based dehumidification depends on cost of 

electrical power and thermal energy. When using solar or waste heat and high electricity costs, 

desiccant systems outperform cooling based systems. If electricity is inexpensive and activation 

thermal energy costly, cooling‐based dehumidification can outperform desiccant systems.  

Conventional design recommends cooling‐based dehumidification at high air temperatures and 

moisture levels. At low target dew point, e.g. below a 40F dew point, the cooling‐based 

dehumidification process becomes inoperative because condensate freezes on the coil. In these 

cases, only desiccant dehumidification is the viable option.   

Desiccants have advantages when treating ventilation air for building HVAC systems which also 

use ice storage. In these cases, desiccants can offer significant cost savings.  

Figure 4.3.1 presents data that compares first and O&M cost of various desiccant and cooling‐based 

dehumidification technologies as a function of target dew point of dried air.  

 

Page 51: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION  4 ‐ METHODS OF DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 43 of 171 

  

 

Figure 4.3.1: First and 

O&M costs of various 

desiccant and cooling‐

based dehumidification 

technologies as compared 

to a Honeycombe® 

desiccant wheel 

dehumidifier 

(Harriman,2002) 

 

Page 52: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 44 of 171 

  

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS  

This section discusses important physical properties of desiccants, which affect the underlying processes 

and the performance of desiccant dehumidification technology.  

5.1  Basic Considerations of Physical Properties in Desiccant Dehumidification  

Xing (2000) suggested that predicting the performance of desiccant material is difficult, because physical 

properties of desiccant material typically varies between vendors and is significant manufacturing‐

process dependent. The author suggested that even for the same type of desiccant, different 

manufacturers have different property data, which are sometimes considered proprietary, since specific 

dehumidification applications call for different desiccant.   

Desiccant materials are hygroscopic substances that create significant affinity for water vapor. Several 

authors pointed out that “technically speaking”, any material would qualify as a desiccant since they can 

attract some amount of water from the air. In order to qualify for commercial use in space conditioning, 

however, a desiccant must be able to hold much larger amounts of water; some commercial solid 

desiccant materials can hold up to 50% of their weight in water Xing (2000). 

Collier et al (1981) suggested the following desirable physical properties for any desiccant material used 

in desiccant cooling applications are:  

1. Mechanical and Chemical Stability: Solid desiccant material does not deliquesce (become liquid). 

Desiccants should not undergo hysteresis when cycled.  

2. Large Moisture Capacity per Unit Weight:  It is desirable to cycle as much water as possible for a 

given amount of desiccant. This reduces the amount of desiccant required and the size of the 

cooling system.  

3. Large Adsorption/ Absorption Capacity at Low Water Vapor Pressures: The moisture capacity 

should not deteriorate at very low water vapor pressures. This increases the relative dryness 

achievable, which will have a strong effect on reducing fan power requirements.  

4. Low Heat of Adsorption/Absorption:  A low heat of adsorption increases cooling capacity and COP.  

5. Ideal Isotherm Shape:  The isotherm shape should be close to the “Ideal” function of the 

application. This lowers regeneration temperature and thus increases COP. 

 

 

 

 

Page 53: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 45 of 171 

  

5.2  Isotherms 

An isotherm is defined as the relation between relative humidity of the air in equilibrium with the 

desiccant particle and the water content of the particle at a specified temperature. Isotherms are 

considered important physical properties of desiccant materials, to assess heat and moisture transfer 

interactions during adsorption and desorption processes in various kinds of desiccant dehumidification 

systems.  

Using the example of silica gel Ramzy et al (2015) presented a procedure of developing isotherm 

equations of desiccant material that can be used in predicting heat and mass transfer interactions. The 

optimization of the desiccant bed design requires mathematical assessment of the heat and mass 

transfer interactions in the desiccant bed. Ramzy et al (2015) pointed out that several investigators have 

presented different procedures to identify the isotherm equations required for their theoretical 

simulations. All of the isotherm equations are based on experimental data. Two examples of isotherm 

expressions for silica gel are presented in the following:  

Ng et al. (2001) found that silica gel water vapor isotherms can be estimated by a detailed Henry's law's 

correlation for silica.  The authors provide the following equation: 

 

 

Where: 

W   =  Gel water content [kgw/kgdry silica gel] 

Ts   =  Temperature in oC 

Pv   =  Partial pressure of vapor in the air [Pa],  

R   =  Gas constant of air in [J/(kg*K)],  

K10 and Qst are tabulated values for specific silica gel products. 

 

San et al.(2002) presented the isotherms for water vapor‐silica gel in terms of absolute humidity and 

particle temperature 

 

 

Page 54: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 46 of 171 

  

Where: 

W   =  Gel water content [kgw/kgdry silica gel] 

Ts   =  The temperature in oC 

C   =  The air absolute humidity [g/m3] 

 

Ramzy et al (2015) suggested that obtaining experimental data which can be used in developing 

equations can represent a significant effort. The authors presented their own simple procedure to 

identify the water vapor‐ silica gel isotherm, which requires less time effort and cost and provides 

acceptable predictions for the isotherm equation. 

In this procedure the water content of silica gel is identified by drying the silica gel sample with infrared 

heat. The authors pointed out that although silica gel has a very high melting temperature (1,600 ºC), it 

will lose its chemically bound water and hygroscopic properties if heated above 300 °C. By determining 

the initial weight (before heating process) and the dry weight (after heating process) the initial water 

content of the silica gel is obtained.  

The representative isotherm curve was obtained by analyzing 20 samples with the same 10 % initial and 

different final water content. The samples remained in the fluidized bed for 48 hours so that water 

content changing adsorption and desorption processes could obtain final equilibrium.   

The results were curve fitted which resulted in the following isotherm relationship: 

                                                                                                      [Ramzy et al (2015)] 

  

The graph of this isotherm relationship is depicted in Figure 5.2.1.  

Page 55: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 47 of 171 

  

 

Figure 5.2.1: Relative humidity of inter particle air at different silica gel water content [Ramzy et al, 2015)] 

Figure 5.2.2 shows a comparison between the simplified procedure proposed by Ramzy et al (2015) and 

several other researchers. The results reported by Ramzy et al are labeled (7) in Figure 5.2.2.  

 

Figure 5.2.2: Isotherms of water vapor‐ silica gel collected from literature along with the isotherm obtained from the present work (Ramzy et al,2015)

  

Page 56: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 48 of 171 

  

Figure 5.2.3 shows the results of a sensitivity analysis comparing the theoretical isotherm equations with 

the same experimental data. Figure 5.2.3 suggests that the simple procedure for developing the 

equilibrium isotherm equation of water vapor and silica gel lies in the same range of the isotherms 

obtained in literature.  

 

 

Figure 5.2.3: Experimental and theoretical variations of exit air humidity ratio and temperature during adsorption process using different isotherm equations [Ramzy et al (2015)], Annotated  

 

5.3  Types of Isotherm Models  

Generally speaking, the adsorption process creates a film of the adsorbate on the surface of the 

adsorbent. Adsorption is a surface phenomenon, and the adsorption process is controlled by surface 

active energy. The basic premise of adsorption is bonding capacities of atoms at the surface of the 

adsorbent. Atoms on the surface of the adsorbent are not wholly surrounded by other adsorbent atoms 

and therefore can attract adsorbates. The exact nature of the bonding depends on the desiccant 

material. The adsorption process is generally classified as electrostatic, chemical or physical sorption.  

Foo and Hameed (2010) presented a comprehensive investigation into types of adsorption isotherm, 

which they characterized as an “invaluable graph describing the phenomenon governing the retention 

(or release) or mobility of a substance to a solid‐phase at a constant temperature and pH”.  Adsorption 

equilibrium (the ratio between the adsorbed amount with the remaining in the solution) is established 

when an adsorbate containing phase has been contacted with the adsorbent for sufficient time to 

achieve dynamic balance.   

Page 57: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 49 of 171 

  

Foo and Hameed (2010) reported that over the years, a wide variety of equilibrium isotherm models 

have been formulated, included the often used isotherm models by Langmuir, Freundlich, Brunauer–

Emmett–Teller, Redlich–Peterson, Dubinin–Radushkevich, Temkin, Toth, Koble–Corrigan, Sips, Khan, Hill, 

Flory–Huggins and Radke–Prausnitz. According to Foo and Hameed (2010) these models can be grouped 

into three fundamental approaches, namely two parameter isotherm model, the three parameter 

isotherm model and multilayer physisorption isotherms. 

Each of the isotherm models describe different adsorption characteristics. In conjunction with desiccant 

adsorption processes the Brunauer–Emmett–Teller (BET) isotherm model is widely used. The BET model 

was developed to derive multilayer adsorption systems with relative pressure ranges from 0.05 to 0.30 

MPa. 

Brunauer et al (1938) categorized sorption isotherms depending upon their sorption mechanisms. The 

sorption mechanisms are defined as types 1 through 5. Figure 5.3.1 through 5.3.4 show five types of 

Brunauer isotherms. Mei et al (1992) presented some commercially available materials (Figure 5.3.5). 

Generally speaking, molecular sieves are considered type 1 materials, silica gels are considered type 2 

materials, and wool is considered a type 3 material. Hydratable salts vary between type 2 and type 3. 

Mei et al (1992) suggested an “ideal” isotherm for desiccant cooling applications (Figure 5.3.6).  

Figure 5.3.1: Brunauer isotherms of types Figure 1 and 3 compared to a linear sorption isotherm  (Brunauer, 1938) reproduced 

Figure 5.3.2:  Brunauer type 2 isotherm (Brunauer, 1938) reproduced 

 

Page 58: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 50 of 171 

  

Figure 5.3.3: Brunauer type 4 isotherm; (Brunauer, 1938) reproduced 

Figure 5.3.4:  Brunauer type 5 isotherm; (Brunauer, 1938) reproduced  

 

 

Figure 5.3.5: Adsorption isotherms of typical desiccants (Mei, 1992) modified 

Figure 5.3.6:  Ideal isotherm for desiccant cooling applications, (Mei, 1992) modified

Page 59: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 51 of 171 

  

Pesaran (1993) reported on research in conjunction with a desiccant cooling ventilation cycle that 

identified the desiccant isotherm shape (characterized by separation factor) which would result in the 

optimum performance. The author applied different regeneration temperatures ranging from 65°C to 

160°C to identify the corresponding optimum isotherm shape at each. The research used Brunauer 

Types 1 and 3 isotherms because previous studies had shown their potential over other desiccant types 

for the investigated application. The author described the relationship between moisture uptake and 

relative humidity for Type I and III desiccants by the equation:  

 

W*  = RH* 

R + RH* ‐ R • RH* 

 

where: 

R   =   Separation factor 

RH*   =  Temperature adjusted relative humidity 

W*   =   Moisture loading fraction, w /W max 

 

The isotherm shapes of various Type 1and 3 desiccants used by the author are shown in Figure 5.3.7.  

The Type 1 isotherms correspond to desiccants with a separation factor of R < 1, and Type 3 isotherms 

correspond to desiccants with a separation factor of R > 1. Separation factors were varied between R = 

0.05 (Type I moderate) and R = 1.5 (Type III moderate). 

Collier (1981) discussed the characteristics of an “ideal” desiccant material, which he contended are 

almost impossible to meet in practical applications. Collier suggested that the requirement of an "ideal" 

desiccant material would be that adsorption/absorption capacity are independent of water vapor 

pressure. The author points out that, "unfortunately", the heat of adsorption is not independent of the 

isotherm shape but is defined by the Clausius‐Clapeyron relationship. This relationship defines that a 

material with a weak pressure dependence must also have a weak temperature dependence in order to 

keep the heat of adsorption low.  

It is important to keep the heat of adsorption of the desiccant material reasonably low. Even though 

most of this energy can be recaptured by the sensible‐heat exchanger, a high heat of adsorption leads to 

the requirement of a high regeneration temperature.  

Page 60: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 52 of 171 

  

 

Figure 5.3.7:  Normalized 

Moisture Capacity for Various 

Type I and III Isotherms used 

for the determination of 

adsorption in a desiccant 

cooling ventilation cycle 

Pesaran (1993) 

The figure shows isotherms 

for Type I and III desiccant 

material with different 

separation factors.  

 

 

 

Figures 5.3.8 through 5.3.10 show the adsorption isotherms for natural zeolite, molecular sieve, and 

silica gel. Silica gel shows considerable vapor pressure dependence, whereas natural zeolite and 

molecular sieve show much smaller water vapor pressure dependence. Natural zeolite and molecular 

sieve must undergo very large temperature variations in order to experience minimal changes in water 

content. Silica gel, on the other hand, can experience large variations in water uptake for much smaller 

temperature swings, because of the relatively low heat of adsorption of water. In actual practice, 

molecular sieve, natural zeolite, and silica gel produce about the same net cooling effect per unit weight 

of material with nearly the same adsorption energy.  

What silica gel loses in its pressure dependence, it seems to gain in its temperature dependence.   The 

temperature insensitivity of molecular sieve and natural zeolites is advantageous during the 

dehumidification process; it is a disadvantage during the regeneration process. For silica gel, the 

temperature sensitivity is a disadvantage during dehumidification but an advantage during 

regeneration. 

 

Page 61: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 53 of 171 

  

 

Figure 5.3.8: Adsorption Isotherms for 

Natural Zeolite; Collier (1981) 

 

 

 

 

Figure 5.3.9: Adsorption Isotherms for 

Molecular Sieve; Collier (1981) 

 

 

 

Page 62: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 54 of 171 

  

 

Figure 5.3.10: Adsorption Isotherms 

for Silica Gel; Collier (1981) 

 

 

 

5.4  Adsorption Energy 

The adsorption energy is referred to as the heat which is liberated or absorbed during the adsorption or 

desorption process, respectively. Mei et al (1992) suggested that it is very important to note that 

temperature dependence of the isotherm shape and the adsorption energy are related. Therefore, the 

shape of the isotherm will be uniquely determined by the heat of adsorption at that temperature and 

loading. The author pointed out that the physics that ties these properties together is defined by the 

Clausius‐Clapeyron relationship. 

During the adsorption processes the heat of adsorption is not constant over the entire range of 

desiccant loadings. The first molecules that attach themselves to the surface of the adsorbent are 

bonded by the strongest forces available to the system and they have the highest adsorption energies 

(strongest bonds) associated with them. As the process of molecules accumulating at the surface of the 

desiccant progresses, the available sites for bonding fill and the desiccant loading increases. This results 

in less energetic sites being occupied. As the desiccant approaches saturation conditions, the binding 

energies approach energy levels of condensation, or evaporation. Therefore, heat of adsorption will be 

highest when loading is zero and will be lowest at saturation loading. The rate at which this energy 

changes with water loading will vary depending upon the material. 

Page 63: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 55 of 171 

  

5.5  Chemical and Physical Stability  

As specified in the literature, desiccant material can suffer from performance losses if it is not stable 

under certain process conditions. Mei et al (1992) presented two important aspects of physical and 

chemical stability that deserve special attention. These are (1) the ability of the desiccant material to 

withstand high regeneration temperatures and (2) to be reliably regenerated by ambient‐source air. 

Many commercial desiccants rely on molecular sieve structures which are considers as not stable at high 

temperatures. Desiccant dehumidification cycles, however, require that desiccant sorption properties 

should be stable at temperatures between 300 F and 400 F. Some desiccants are "fouled" by the 

presence of certain molecules that have a greater affinity for the active sites than water vapor does. 

Others change chemical composition in the presence of certain compounds that change the desiccants 

water sorption characteristics.  

 

5.6   Adsorption Rate and Performance 

The adsorption process is dependent on a number of properties, such as isotherm shape, heat of 

adsorption, heat capacity, moisture capacity, and on other operating conditions, including temperature 

and method of regeneration.  

Pesaran and Hoo (1993) investigated the characteristic shape of the desiccant isotherm as a function of 

regeneration temperature and process which affect the performance for a solar desiccant cooling cycle 

operating in ventilation mode. The authors used thermal coefficient of performance and cooling 

capacity of the system as metrics to describe the process.  

The authors suggested that solar heat derived from flat‐plate collectors was initially considered to be a 

good low‐temperature heat source available for regeneration. However, lower regeneration 

temperatures typically resulted in decreased cooling performance with several candidate systems 

investigated. As a consequence, size and cost of the solar cooling system had to be increased. As a 

remedy, high‐temperature regeneration desiccant materials and cycles were proposed to improved 

thermodynamic performance at higher regeneration temperatures. The main objective of the research 

reported by Pesaran and Hoo (1993) was the determination of how the performance of a solar desiccant 

cooling system would improve when the regeneration temperature was increased. 

The system used for the investigation resembled a desiccant cooling ventilation cycle with a rotary 

desiccant dehumidifier, a heat exchanger, two evaporative coolers, a desiccant regeneration heater, and 

ancillary equipment such as fans and pumps. Figure 5.6.1 illustrates the system schematic where outside 

air was dried in the dehumidifier and then cooled by regenerative evaporative coolers and supplied to 

the conditioned space. The regeneration heater (powered by solar energy) heated the air, which 

reactivated the desiccant by driving the moisture from it. 

Page 64: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 56 of 171 

  

Figure 5.6.1: Schematic Diagram of a Desiccant Cooling System; Pesaran and Hoo (1993) 

Based on previous investigations, Pesaran and Hoo (1993) used Brunauer Types 1 and 3 desiccant 

isotherms because these desiccant characteristics had shown better performance than other desiccant 

types. In addition, in order to investigating the effects of regeneration temperatures and dynamics two 

regeneration methods were used, referred to as “staged” and “no‐staged” regeneration methods. The 

authors revealed that the differences of the staged and no‐staged methods had a significant effect on 

the mass and heat transfer performance.  

Figure 5.6.2 shows a schematic of the staged and no‐staged regeneration schemes. The two methods 

differ in their regeneration process configuration. In the staged regeneration method, only a fraction of 

the regeneration airstream is heated to the design regeneration temperature. The remainder of the 

regeneration airstream is composed of warm air returning from the conditioned space.  A portion of the 

heat of adsorption is added to the return air via heat exchange between the downstream dehumidifier 

flow and the upstream regeneration flow. Under the staged method, only a small portion of the 

regenerated area of the rotary desiccant bed (30% of the desiccant exposed to the high temperature 

airstream), at the end of the regeneration cycle, is exposed to high temperature airstream from the 

regeneration heater. Thus makes up about 30% of the total regeneration airstream. The 30% value was 

selected based on the previous experiments published by Collier (1989). Collier had suggested that the 

maximum thermal COP is achieved with a separation factor of R = 0. 1 and a regeneration temperature 

of 95°C. 

The results of the no‐staged regeneration are shown in Figure 5.6.3 and 5.6.4. Figure 5.6.3 correlates the 

cooling capacity and coefficient of performance (COP) with the regeneration temperature.  Figure 5.6.4 

indicates that thermal COP performance improves with lower regeneration temperature, with the 

maximum COP value encountered at the lowest temperature investigated. This performance is due to 

the fact that under the no‐staged method the entire regeneration area is subjected to the regeneration 

temperature and the desiccant material is exposed to the drying airstream for a much longer period 

Page 65: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 57 of 171 

  

than necessary. This causes desiccant over‐regeneration and a drier and hotter desiccant bed at the 

start of the dehumidification cycle. While this increases the cooling capacity, it results in a lower thermal 

COP because of the inefficient use of the thermal energy in regeneration. This process especially applies 

to high regeneration temperatures as over‐regeneration becomes more pronounced and the COP 

decreases accordingly. On the opposite side, at low regeneration temperatures the over‐regeneration of 

the desiccant is less pronounced and one could would expect the thermal COP to improve.  

The Pesaran and Hoo (1993) pointed out that if cooling capacity and size of equipment is of higher 

concern than the cost of thermal energy the no‐staged regeneration is a good solution. The cost of 

thermal energy in a solar desiccant cooling system, however, is a major concern and has a significant 

impact on the overall size of the system. Under these circumstances a tradeoff between cooling capacity 

per unit size versus equipment size and cost of the solar collectors must be closely examined. 

Figure 5.3.4 shows that the associated separation factors varies between Type I moderates (R=0.1) and 

nearly linear isotherms (R = 1). For no‐staged regeneration, the two performance criteria of thermal COP 

and system cooling capacity do not correspond to the same value of R. Maximizing cooling capacity 

favors a Type I moderate isotherm, while emphasizing COP performance favors a more linear isotherm. 

 

 

Figure 5.6.2:  Schematic Diagram of Staged Regeneration and No‐staged Regeneration Schemes, (Pesaran & Hoo,1993) 

 

 

Page 66: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 58 of 171 

  

Figure 5.6.3: Maximum Cooling Capacity Performance with Corresponding COP, No‐staged Regeneration (Pesaran & Hoo,1993)  

Figure 5.6.4: Optimum Separation Factors Resulting in Maximum Thermal COP and Maximum Cooling Capacity Performance, No‐staged Regeneration (Pesaran & Hoo,1993) 

The results of the staged regeneration are shown in Figure 5.6.5 and 5.6.6. Figure 5.6.5 correlates the 

cooling capacity and Coefficient of performance (COP) with the regeneration temperature.  Figure 5.6.6 

suggests that the maximum thermal efficiency and maximum cooling capacity are reached at 

regeneration temperatures of 110 °C and 160 °C, respectively. Figure 5.6.6 shows that for staged 

regeneration, optimum performance of the system in terms of thermal COP seems to favor two 

different values of R, one for low‐temperature applications and a second for high‐temperature 

applications. A similar trend can be observed for cooling capacity.  

Pesaran and Hoo (1993) concluded that No‐staged regeneration, while inherently simpler than a staged 

regeneration method, requires significant compromises in the performance of the overall system. 

Maximum thermal COP and maximum cooling capacity performance were achieved at completely 

different separation factors, especially at regeneration temperatures above 80°C. In addition, the 

regeneration temperature has opposing effects on thermal COP and cooling capacity, increasing one 

while decreasing the other. As a result, significant tradeoffs must generally be accepted when optimizing 

for either thermal COP or cooling capacity. On the other hand, Pesaran and Hoo (1993) concluded that 

staged regeneration, while adding complexity to the desiccant cooling system, provides an excellent 

combination of cooling capacity and thermal COP performance. At high regeneration temperatures, a 

low separation factor maximizes both COP and cooling capacity. At low regeneration temperatures, the 

value of R resulting in maximum COP performance.  

Page 67: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 59 of 171 

  

The authors suggested that staged regeneration, when used in high‐temperature applications (T > 

120°C), generally reduces the size and cost of a solar desiccant cooling systems. For most low‐

temperature applications (T < 80°C), it would appear that no‐staged regeneration is preferred. 

Figure 5.6.5: Maximum Cooling Capacity Performance with Corresponding COP, Staged Regeneration (Pesaran & Hoo,1993)  

Figure 5.6.6: Optimum Separation Factors Resulting in Maximum Thermal COP and Maximum Cooling Capacity Performance, Staged Regeneration (Pesaran & Hoo,1993) 

 

5.7  Basic Heat and Mass Transfer Modelling by Example of Desiccant Wheel 

Ruivo, C. et al (2011) suggested that desiccant dehumidification lowers O&M costs through a reduction 

in peak electricity demand and associated electricity infrastructure costs. The drawback is the higher 

initial cost compared with equivalent conventional systems. The authors identified opportunities of cost 

reduction at the design stage through careful cycle selection, flow optimization and size reduction. 

Designers typically can use only data given by the manufacturers of desiccants, which are usually 

restricted to particular sets of operating conditions. This design data is based on experimental or 

numerical approaches which by‐and‐large provide tools to assess steady‐state, but no dynamic heat and 

mass transfer performance of the desiccant applications. The authors pointed out the need to establish 

numerical models to describe the dynamic aspect of heat and mass transfer in desiccant applications.  

Ruivo, C. et al (2011) described the desiccant wheel as a compact and mechanically resistant heat and 

mass transfer system composed of a high number of channels with porous desiccant walls. The 

hygroscopic matrix is submitted to a cyclic sequence of adsorption and desorption of water molecules. 

Page 68: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 60 of 171 

  

The regeneration process of the matrix (desorption) is imposed by a hot airflow. In each channel of the 

matrix, a set of physical phenomena occurs, which include heat and mass convection on the air side and 

heat and mass diffusion and water sorption processes in the desiccant lined wall.  

Figure 5.7.1 shows the schematics of the desiccant wheel system that was used to define the dynamics 

of the combined heat and transfer processes.  The airflow 1 (process air) and airflow 2 (regeneration air) 

cross the matrix in a counter‐flow configuration, with equal or different mass flow rates. The desorption 

zone is generally equal or smaller than the adsorption zone. 

   

(a) Desiccant wheel with porous structure of the matrix 

(b) Desiccant wheel, definition of adsorption and desorption zones  

Figure 5.7.1: Desiccant wheel system,  (Ruivo, C. et al, 2011), annotated  

 

Ruivo, C. et al (2011) pointed out that approaching airflows in each zone can present instabilities and 

heterogeneities and are generally turbulent. The flow conditions inside the matrix, however, are laminar 

mainly because of low values of hydraulic diameter of the channels. In very short matrixes with larger 

hydraulic diameters of the channels, the entrance effects can be relevant. During the adsorption/ 

desorption processes there are non‐uniform distributions of adsorbed water content and temperature, 

inside the matrix.  

The authors provided examples of steady‐state and dynamic heat and mass transfer processes. Figure 

5.7.2 (a) and (b) illustrate the differences between steady‐state and dynamic performance of sorption 

observed in a desiccant wheel. The annotations depict the psychrometric evolutions in both air flows 1 

and 2. Figure 5.7.2 (a) describes the steady‐state conditions of the airflow and (b) the dynamic 

conditions. Figure 5.7.2 (b) indicates the influence of the channel length and of the cycle duration on the 

psychrometric evolutions. The authors suggested that for each channel length there is an optimum 

Page 69: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 61 of 171 

  

value of the cycle duration, i.e. the optimum rotational speed that maximizes the dehumidification rate. 

The effect of optimal rotation diminishes with increasing channel length. 

 

(a) Steady‐state conditions   (b) Dynamic conditions, with Influence of the channel length and of the cycle duration 

Figure 5.7.2: Psychrometric evolutions of the airflows in a desiccant wheel (Ruivo, C. et al, 2011), annotated  

 

The authors utilized a numerical model of the channel flow with a set of conservation equations. Fig. 

5.7.3 illustrates the physical domain of the channel model used in the investigations. Two phases co‐

exist in equilibrium inside the desiccant porous medium, the equilibrium being characterized by sorption 

isotherms. Using a simplification, the authors used two mechanisms of mass transport, surface diffusion 

of adsorbed water and Knudsen (mean free path) diffusion of water vapor, with the wall considered to 

be a homogeneous desiccant porous material. Other boundaries of the domain were considered 

impermeable and adiabatic. 

  

Page 70: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 62 of 171 

  

 

Figure 5.7.3:  Physical domain of the modelled channel (Ruivo, C. et al, 2011)  Here Hc is hydraulic radius of the channel, x = distance from channel entrance.    

 

The authors reported on the dynamic heat and mass transfer responses in the desiccant matrix. Figure 

5.7.4  (a) and (b) show heat and mass transfer characteristic of the bulk air flow inside a channel of the 

desiccant matrix.  The data plotted in Figure (a) and (b) illustrate heat and mass transfer behavior of a 

desiccant wheel with a channel length of 0.3 m and a cycle time of 500 sec. The x‐values in the figure 

describe the distance from the channel entrance. The desiccant wheel used was divided into two equal 

parts, the adsorption and desorption zones with counter‐current airflows. 

The desiccant material used was silica gel. The inlet temperatures of the process and regeneration 

airflows were 30 °C and 100 °C, respectively. For the analysis the two airflows had the same inlet water 

vapor content (0.01 kg kg–1) and mass flow rate. Figure 5.7.4 (a) and (b) show the dependencies of heat 

and mass flow on the time step in the process, respectively. Figure 5.7.4 (a) and (b) suggest that the 

airflow and the desiccant lined wall were close to thermodynamic equilibrium throughout most of the 

wheel cycle in most of the rotor domain. This suggests that it is possible to optimize the 

dehumidification performance of the rotor through a selection of rotation speed and of the extent of 

the adsorption and desorption zones. 

Other cases with different cycle durations were simulated. The registered influence of cycle τ on the 

global heat and mass transfer rates is shown in Fig. 5.7.5.  

Ruivo, C. et al (2011) investigated the internal resistance to heat and mass transfer of the desiccant 

matrix. The authors pointed out the shortcomings of simplified methods describing air stream processes 

and related interaction with the desiccant medium by assuming a fictitious bulk flow pattern, as well as 

fictitious heat and mass convection coefficients for the gas side.  

 

 

Page 71: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 63 of 171 

  

 

Figure 5.7.4 (a): Heat 

transfer characteristic 

inside a channel of the 

desiccant matrix. 

 

Ti = Temperature at the 

matrix interface   

Tf = Temperature of the 

bulk airflow  

 

 

 

(Ruivo, C. et al, 2011) 

 

 

Figure 5.7.4 (b): Mass 

transfer characteristic 

inside a channel of the 

desiccant matrix. 

 

Wi = Water ratio at the 

matrix interface   

Wf = Water ratio of the  

bulk airflow  

 

 

 

(Ruivo, C. et al, 2011) 

Figure 5.7.6 illustrates the physical model used to describe heat and mass transfer inside a desiccant 

wall element, which is reduced to an element of the channel wall consisting of a homogeneous 

desiccant medium. The heat and mass transfer phenomena inside the porous medium are considered 

Page 72: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 64 of 171 

  

only in the lateral direction (e.g. y – direction). For simplification, the bulk air flow was considered fully 

mixed, which means it was characterized by constant and uniform properties. 

 

Figure 5.7.5: 

Heat and mass transfer rates 

per unit of transfer area of 

the desiccant wheel as a 

function of the wheel cycle 

time  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ruivo, C. et al, 2011) 

 

Figure 5.7.6: Schematic 

representation of the 

channel wall element 

HP = Thickness of 

channel wall element.   

(Ruivo, C. et al, 2011) 

Figure 5.7.7 (a) and (b) show time‐varying profiles of dependent variables along the desorption process 

in a desiccant layer of HP = 1 mm, for temperature and adsorbed water content, respectively.  Figs. 5.7.7 

(a) and (b) depict results obtained with the “normal” internal resistances. Figure 5.7.7 (a) shows small 

temperature gradients, which indicate that the internal resistance to heat diffusion is almost 

insignificant. Figure 5.7.7 (b), on the other hand shows significant mass diffusion gradients. The 

gradients of the adsorbed water content are significant during almost all the transient process, mainly 

near the convective surface.  

Page 73: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 65 of 171 

  

 

Figure 5.7.7 (a): Time‐varying 

profiles of temperature in a 

desiccant layer of Hp = 1 mm 

 

 

 

 

 

 

 

(Ruivo, C. et al, 2011) 

 

Figure 5.7.7 (b): Time‐varying 

profiles of adsorbed water 

content X` in a desiccant 

layer of Hp = 1 mm 

 

 

 

 

(Ruivo, C. et al, 2011) 

 

In order to account for varying assessments of heat and mass transfer coefficients Ruivo, C. et al (2011) 

introduced two additional scenarios. These are referred to as “A” = negligible internal resistances to the 

heat and mass diffusion (approach A‐“null resistances”) and “B” = thermal lumped capacitance method 

(approach B‐“null thermal resistance”). Figure 5.7.8 (a) and (b) suggest that significant inaccuracies may 

result when the internal resistance to mass diffusion is neglected, leading to unrealistic estimation of 

the convection fluxes at the interface.  

Page 74: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 66 of 171 

  

 

Figure 5.7.8 (a): Predicted 

temperature at the convective 

interface, Hp = thickness of 

desiccant film 

 

(Ruivo, C. et al, 2011) 

Figure 5.7.8 (b):  Predicted 

adsorbed water content at the 

convective interface,  

Hp = thickness of desiccant film 

(Ruivo, C. et al, 2011) 

 

 

5.8  Heat and Mass Transfer Characteristics of Desiccant Polymers 

Staton (1998) discussed heat and mass transfer characteristics of advanced desiccant material in 

conjunction with air conditioning applications. The author described process characteristics of total 

energy exchangers, where the heat and mass transfer processes occur in a two phase process, and at 

different rates.  

Page 75: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 67 of 171 

  

As an illustration, a limiting process factor could be the desiccant moisture uptake rate, if a desiccant 

material has a slow moisture uptake rate. As a consequence, an energy transfer wheel would have to 

rotate much slower to transfer moisture than heat. The author indicates that the difference in wheel 

rotation could be significant, with a desiccant wheel and a heat transfer wheel spinning at typical speeds 

of 6‐10 rph and 60 rpm, respectively. As a consequence, slow adsorption and desorption transfer rates 

of the desiccant material used in an air conditioning systems could necessitate installing two phase 

processing wheels for latent and sensible load reduction.  

On the other hand, the use of a desiccant material with an increased rate of absorption and desorption 

and a low desorption temperature could enable the designer to incorporate the sensible heat exchanger 

component with the desiccant dehumidifier to produce a total enthalpy exchanger. The author pointed 

out that total enthalpy exchanger introduces possibilities for increased energy transfer efficiency, 

reduced material costs, a decrease in the number of components required to properly condition the air, 

and a decline in the demand for refrigerant‐based components within the conditioner. Figures 5.8.1 (a) 

and (b) illustrate the one and two step conditioning process of the supply and discharge air in air 

conditioning systems, respectively.  

(a) One Step Air Conditioning Process  (b) Two Step Air Conditioning Process 

Figure 5.8.1:  Schematic of one and two step air conditioning process, Staton (1998)   

Staton (1998) suggests the use of polymer desiccants as an alternative to traditional desiccants within 

energy exchanger applications, since polymers have reported higher sorption rates and require lower 

regeneration temperatures. The author refers to five desirable characteristics for these new desiccant 

materials: 

1.    Mechanical and chemical stability 

2.   Large maximum moisture capacity 

3.    High sorption rates at low vapor pressures 

4.   Low heats of adsorption 

5.     Ideal Isotherm shape 

Page 76: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 68 of 171 

  

Polymers are large molecules consisting of repeating chemical units, or mers. One polymer molecule, or 

’macro‐molecule’, can consist of 50 to 3000 mers. Polymers are capable of being cross‐linked, which is 

the condition of the polymer chains being bonded together to form a network. The bonds responsible 

for cross‐linking are covalent bonds, which will neither dissolve when put in solution nor flow when 

heated. Super‐Absorbent Polymers (SAP) are hydrogels, water‐insoluble hydrophilic homopolymers or 

copolymers, which are able to swell and absorb 10 to 1000 times their own weight in water. Super‐

Absorbent Polymers are crosslinked in order to avoid dissolution. There are three main classes of SAPs: 

1.   Cross‐linked polyacrylates and polyacrylamides 

2.   Cellulose‐ or starch‐acrylonitrile graft copolymers 

3.   Cross‐linked maleic anhydride copolymers 

The most important property of hydrogels is their high affinity for water. The capability of hydrogels to 

attract water can be attributed to the presence of groups like hydroxyl groups which are highly water‐

soluble. Even when saturated, hydrogels can remain insoluble and structurally stable due to the three‐

dimensional cross‐linked network. 

Staton (1998) identified five candidate polymer desiccant materials and conducted scoping tests to 

identify the best polymer desiccant for further studies. The five polymer desiccant materials and two 

traditional desiccant materials were as follows: 

Cross‐linked polyacrylamide copolymer: Typically used as a soil additive to keep moisture content 

more constant. Known to maintain strength when swollen and readily absorbs and desorbs 

water.  

Polyacrylate: Acrylic acid cross‐linked with sodium acetate; typically used in hygiene products. 

Known for selective absorbency as a result of the pH of the water. 

Polyvinyl alcohol: Porous open‐cell sheet foam capable of absorbing up to twelve times its weight in 

water. Also available in powder and liquid forms. Typically used as sponges in cosmetic and 

industrial applications. 

Polyethylene glycol: Copolymer exhibiting LCST characteristics with water in lower molecular 

weights. Lower molecular weight materials are in liquid form. These can be used as thickeners in 

cosmetics and food products. 

Polypropylene glycol: Copolymer exhibiting lower critical solution temperature (LCST) characteristics 

with water in lower molecular weights. Typically used in food, cosmetic, personal care and 

pharmaceutical applications. 

Silica Gel: Ceramic desiccant popular for use in dehumidification applications. Used for comparison 

with the polymer desiccants. 

Calcium sulfate: Ceramic desiccant popular for use in dehumidification applications. Used for 

comparison with the polymer desiccants. 

Page 77: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 69 of 171 

  

For the above mentioned desiccant materials experiments were conducted (Staton, 1998) to determine 

each material’s ability to absorb water and to determine each materials maximum sorption capacity. 

Similar experiments were also conducted to determine how quickly the material released the stored 

moisture (desorption rates). Figures 5.8.2 and 5.8.3 show the results of these scoping tests. Table 5.8.1 

indicates the equilibrium adsorption rates.  

 

Figure 5.8.2:  Candidate polymer desiccant adsorption rates;  (Staton, 1998) 

  Table 5.8.1: Equilibrium moisture content values for the desiccant material candidates; (Staton, 1998) 

 

 

Page 78: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 70 of 171 

  

 

Figure 5.8.3:  Candidate 

polymer desiccant desorption 

rates;  (Staton, 1998) 

 

The results of the tests suggested that polymer desiccant polyvinyl alcohol had the best process 

performance, which included the fastest rate of adsorption and the fact that that desorption could be 

accomplished at low regenerative temperatures. In addition, film and foams, the desiccant material 

forms of interest, were proven safe to use in heat recovery ventilation application. Therefore, a more 

detailed analysis was conducted with this desiccant material only.   

Staton (1998) analyzed three different forms of polyvinyl alcohol coating applications for total energy 

exchanger in a desiccant wheel and fixed plate total enthalpy exchanger. Figures 5.8.4 through 5.8.6 

summarize some main results and comparisons of the desiccant exchanger used in the tests.  The three 

polyvinyl alcohol material coatings evaluated above were compared to a commercially available 

desiccant dehumidifier manufactured by LaRoche Air Systems. The LaRoche desiccant material is a 

ceramic coating on a fibrous paper substrate. Similar to the pure polyvinyl alcohol foam wheel structure, 

the LaRoche paper wheel needs no supporting substrate, which means that can be made entirely of the 

ceramic‐coated paper.  

Page 79: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 71 of 171 

  

Polyvinyl Alcohol Film‐Coated Rotary Wheel Total 

Enthalpy Exchanger 

Polyvinyl Alcohol Foam Coated Rotary Wheel Total 

Enthalpy Exchanger 

 

 

Polyvinyl Alcohol/Ceramic Composite Coated Rotary 

Wheel Total Enthalpy Exchanger 

 

 

Figure 5.8.4:  Wheel Total Enthalpy Exchanger Efficiency vs. Channel Depth;   (Staton (1998) 

Page 80: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 72 of 171 

  

Polyvinyl Alcohol Film‐Coated Rotary Wheel Total 

Enthalpy Exchanger 

Polyvinyl Alcohol Foam Coated Rotary Wheel Total 

Enthalpy Exchanger 

 

 

Polyvinyl Alcohol/Ceramic Composite Coated Rotary 

Wheel Total Enthalpy Exchanger 

 

 

Figure 5.8.5:  Wheel Total Enthalpy Exchanger Efficiency vs. Desiccant Coating Thickness;   (Staton (1998) 

 

Figure 5.8.7 compares the efficiencies of the three polymer desiccant materials and the LaRoche coating 

option. The performance of a fixed counter flow plate exchanger was determined for polyvinyl alcohol 

foam coating and La Roche coating. The results are presented in Figure 5.8.8. The results suggest a 

significantly higher efficiency of polyvinyl alcohol foam coating for the plat exchanger than for desiccant 

wheel applications. 

Page 81: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 73 of 171 

  

Polyvinyl Alcohol Film‐Coated Rotary Wheel Total 

Enthalpy Exchanger 

Polyvinyl Alcohol Foam Coated Rotary Wheel Total 

Enthalpy Exchanger 

 

 

Polyvinyl Alcohol/Ceramic Composite Coated Rotary 

Wheel Total Enthalpy Exchanger 

 

 

Figure 5.8.6:  Wheel Total Enthalpy Exchanger Efficiency vs. air stream velocity;  (Staton (1998) 

 

 

 

 

 

Page 82: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 5 ‐ PHYSICAL PROPERTIES OF DESICCANTS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 74 of 171 

  

 

Figure 5.8.7: Comparison 

between different rotary 

wheel total enthalpy 

exchanger coatings;         

(Staton ,1998) 

 

 

 

 

Figure 5.8.8: Comparison 

between fixed plate total 

enthalpy exchanger desiccant 

materials; (Staton ,1998) 

Page 83: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 75 of 171 

  

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES  

Daou (2006) described the process of desiccant thermal regeneration as part of desiccant cooling. The 

regeneration heat source supplies the thermal energy necessary for driving out the moisture that the 

desiccant had taken up during the sorption phase. Several possible energy sources were considered. 

Those included solar energy, waste heat, and natural gas heating, and the possibility of energy recovery 

within the system. (Figure 6.1)  

In the case of solid desiccant, the heat of regeneration is furnished by blowing the scavenger air stream 

concurrently through the desiccant matrix. For a liquid desiccant system being used, the heat of 

regeneration is furnished to the desiccant solution inside the regenerator process vessel where a 

scavenger air stream is concurrently blown to carry away the moisture desorbed under the desiccant 

heating. The scavenger air can also be a hot air stream brought into contact with the dilute desiccant 

solution inside the regenerator thereby heating it. 

 

 

Figure 6.1: Process schematics of desiccant cooling,  (Daou  2006) 

 

6.1  Desiccant Regeneration with Heat from Natural Gas or other Fossil Fuels 

There are numerous desiccant applications where the regeneration heat is provided by fossil fuel. A 

typical application is natural gas dehydration systems using desiccants remove water vapor from natural 

gas during production, transmission, and distribution. Natural gas flowing from production wells or 

underground storage requires dehydration to protect the distribution system from corrosion and 

hydrate formation.  In the commonly used solid desiccant absorption dehydration process, wet gas flows 

Page 84: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 76 of 171 

  

through a pressure vessel tower filled with solid desiccant. Natural gas is used to gently heating the 

regeneration gas, and sending it to the wet desiccant tower to dry out the desiccant.   

Farang (2011) conducted research on a natural gas drying process using molecular sieves, which is 

considered as one of the most important desiccant materials in industrial natural gas dehydration.  The 

authors stated that for the regeneration of weak desiccants, such as molecular sieve, the higher the 

regeneration temperature, the smaller are the required quantities of regeneration gas. In the 

experiments, the drying operation resulted in dew points of minus 30 °C or lower (pressure 20 MPa). 

With a regeneration temperature equal or close to the adsorption temperature, the quantity of purge 

gas depended on its pressure. For example, when the regeneration pressure is increased from 0.1 to 0.5 

MPa, the flow rate of purge gas is increased from 10% to 20%. Regeneration of the sorbent at a 

temperature above the adsorption temperature was leading to a reduction of the purge gas quantity. 

The authors identified a regeneration temperature as 200–230 °C. 

Netušil and Ditl (2012) described natural gas dehydration method water by a solid desiccant. They 

suggested molecular sieve, silica gel or alumina as the desiccant material of choice. The authors 

identified recommended regeneration temperatures of 230, 240 and 290 °C for silica gel, alumina and 

molecular sieves. Figure 6.1.1 shows a typical scheme of the temperature swing adsorption dehydration 

process used by the authors. The amount of adsorbed water increases with the pressure in the process 

vessel and decreases with its temperature. The swing adsorption dehydration columns always work 

batch wise. A minimum of two vessels are used, where one vessel dries the gas while the other is being 

regenerated.  

This method is known as temperature swing adsorption (TSA). The TSA heater was an ordinary burner or 

a shell and tube heat exchanger warmed by steam or other hot process fluid. The regeneration gas 

warms in the heater and flows into the column, where it passes through the adsorbent and the water 

desorbs into the regeneration gas. The water saturated regeneration gas then flowed into the cooler. 

The cooler used cold air to decrease the temperature of the regeneration gas. When the water 

saturated regeneration gas is cooled, partial condensation of the water occurs.  

Kozubal et al (2012) introduced the new concept of Desiccant Enhanced Evaporative Air‐Conditioning 

(DEVAP). The system is a compact AC‐system for residential and commercial applications. The 

regeneration heat for the liquid desiccant can be supplied by a variety of heat sources including natural 

gas, waste heat or even solar heat. Figure 6.1.2 show illustrations of a DEVAP used in a commercial 

application. Person (1994) presented a two stage desiccant conditioner. Figure 6.1.3 illustrates the 

process where the desiccant wheel is regenerated by a natural gas burner heating an air flow.   

 

Page 85: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 77 of 171 

  

 

Figure 6.1.1:  Typical scheme of the temperature swing adsorption dehydration process, (Netušil and Ditl, 2012) 

 

 

  

 

 

Figure 6.1.2: Process schematics of the DEVAP system, (Kozubal et al, 2012) 

 

Figure 6.1.3: All‐Air VAV System 

Retrofitted with a Desiccant 

Preconditioning System, (Pesaran, 

1994) 

 

Page 86: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 78 of 171 

  

6.2  Desiccant Regeneration with Waste Heat 

Jalalzadeh‐Azar (2005) described desiccant cooling as an important part of the wide range of Thermally 

Activated Technologies (TAT) which use conversion of heat for the purpose of indoor air quality control.  

For regeneration of the desiccant, the vapor pressure differential is reversed in the regeneration process 

that drives the moisture from the desiccant. A burner or a thermally compatible source of waste heat 

can provide the required heat for regeneration.  

When implemented in the context of combined heat and power (CHP), also known as cogeneration, TAT 

can significantly improve fuel efficiency/utilization through heat recovery from the on‐site power 

generators and leads to a significant reduction in emissions. Desiccant materials with regeneration 

source temperatures typically ranging from about 160 F to 300 F are compatible with various types of 

on‐site generators, including reciprocating IC engines, micro‐turbines, and certain types of fuel cells. 

Cascading desiccant cooling with another compatible technology, such as absorption or adsorption 

cooling, further enhances the overall system fuel efficiency and utilization. Cascading processes allows 

sequential heat recovery from a single heat source for driving two or more thermally activated systems 

with different operating temperatures to achieve higher efficiencies. 

Jalalzadeh‐Azar (2005) described a CHP system which incorporated a 60‐kW micro‐turbine for onsite 

power generation and a gas‐to‐liquid heat exchanger for heat recovery from the exhaust gas for space 

heating and desiccant dehumidification, depending on the season. A gas compressor was added to the 

systems to boost the natural gas pressure to the operating pressure of the micro turbine combustor. 

Figure 6.2.1 illustrates the air‐handling unit (AHU) incorporating a desiccant wheel, a DX cooling coil, and 

a heating coil. A glycol solution leaving the heat exchanger at about 180 F preheats the regeneration air, 

which is further heated by a gas burner to about 275 F for regeneration of the desiccant. In the heating 

season, the hot liquid is circulated through the space‐heating coil instead (Figure 6.2.2). 

Monitoring of the system over a year revealed that the overall efficiency of the CHP system could 

exceed 50% on humid summer days, compared to the corresponding net electrical efficiency of about 

21% to 23%. These results emphasized the importance of TAT, without which the CHP systems cannot 

attain high energy conversion efficiencies which usually justifies for higher first costs. 

 

Page 87: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 79 of 171 

  

 

CHP system, roof top installation 

 

Schematic of air‐handling unit

Figure 6.2.1:  CHP system with desiccant unit   (Jalalzadeh‐Azar, 2005) 

 

Kassem (2013) suggest that the use of heat to regenerate desiccant material in a drying system can 

lower the potential of energy saving in cooling desiccant cooling applications. However, the use of low 

energy or free available energy such as waste heat from industrial processes for regeneration of 

desiccant material will make the system more cost‐effective. 

Figure 6.2.2 shows the operational concept and diagram of a desiccant‐based ventilation and air‐

conditioning system. The temperature of the processed air from the desiccant dehumidifier increases 

due to the heat of condensation and heat of sorption. Heat recovery devices are used to recover this 

energy. Downstream of the heat recovery the air becomes warm and dry. Since the air is warmer than 

required for space comfort temperature, an evaporative cooling process is applied by either direct 

addition of air moisture or indirect addition of air moisture in secondary air stream. The 

Page 88: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 80 of 171 

  

application of evaporative cooling process reduces the air temperature with either slight increase of air 

moisture content or constant air moisture content for the direct or indirect evaporative cooler, 

respectively.  

 

Figure 6.2.2:  Operational 

concept and diagram of the 

desiccant‐based ventilation 

and air‐conditioning system 

(Kassem, 2013) 

 

Kassem (2013) suggests that liquid desiccants are better suited for the use of waste heat than solid 

desiccants. While the capacity to absorb moisture is generally greater in liquid than in solid desiccants, 

liquid desiccants require lower regenerating temperature, mostly in the range of 40–70 °C while it is in 

the range of 60–115 °C for a solid desiccant. Figure 6.2.3 shows an example of a liquid desiccant cooling 

system which uses low grade regeneration heat, such as derived from waste heat.  

In the depicted system (in Figure 6.2.3) concentrated solution is sprayed at point A over the cooling coil 

at point B while supply air at point 1 is blown across the stream. The solution absorbs moisture from the 

air and is simultaneously cooled down by the cooling coil. The results of this process are the cool dry air 

at point 2 and the diluted solution at point C. 

 

Page 89: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 81 of 171 

  

 

Figure 6.2.3:  A liquid 

desiccant cooling system 

using low grade heat for 

desiccant regeneration, 

(Kassem, 2013), annotated 

 

An aftercooler reduces the air stream temperatures further down, if required. In the regenerator, the 

diluted solution from the dehumidifier is sprayed over the heating coil at point E which derives its heat 

supply from a waste heat source. Ambient air at point 4 is blown across the solution stream. Some water 

is taken away from the diluted solution by the air while the solution is being heated by the heating coil. 

The resulting concentrated solution is collected at point F and hot humid air is rejected to the ambient 

at point 5. A recuperative heat exchanger preheats the cool and diluted solution from the dehumidifier 

using the waste heat of the hot concentrated solution from the regenerator, resulting in a higher COP. 

Another process application of waste heat in desiccant regeneration is the use waste heat from 

condensers in vapor compression refrigeration systems. Misha (2012) suggested the system depicted in 

Figure 6.2.4, which is a hybrid system combining a vapor compression system with liquid desiccant 

dehumidification and regeneration. Such a system can obtain high thermal performance and energy 

saving.  

Zhang and Yin (2008) conducted simulations of the system depicted in Figure 6.2.4 and concluded that 

the air and desiccant flow rates are the governing process parameters. Figure 6.2.5 (a) and (b) show the 

regeneration efficiency as a function of air and desiccant flow rates.   From these results the authors 

conclude that: 

For air‐side heating source regeneration models, there is an optimum solution flow rate to achieve 

maximum regeneration efficiency, which greatly depends on the air flow rate; 

The maximum regeneration efficiency decreases with the increase of the air flow rate; 

Usually, the maximum regeneration efficiency can achieve at very low flow rate of the desiccant 

solution. 

Page 90: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 82 of 171 

  

Figure 6.2.4: An energy‐

efficient air conditioner 

with a liquid desiccant 

regenerator using 

exhausted hot air from the 

condenser; (Misha, 2012) 

 

(a) Air flow rate  (b) Desiccants flow rate 

Figure 6.2.5:  Results of simulation of a liquid desiccant cooling system using low grade heat for desiccant 

regeneration; (Zhang and Yin, 2008) 

 Process parameters indexed in Figure 6.2.5 are as follows:  

G   = mass flow rate, kg/s 

X   = mass concentration of desiccant solution, % 

 Ƞreg   = regeneration efficiency, dimensionless   

Vair   = Volume flow rate, m3/s 

 

Page 91: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 83 of 171 

  

6.3  Desiccant Regeneration with Solar Heat and other Renewable Heat Sources 

Solar heat is often mentioned as a main advantage of using desiccant dehumidification to remove latent 

loads in air conditioning systems. While energy and cost savings can be realized during the operation, 

solar heat from thermal collectors often also qualify for installation incentives (Chen et al, 1992).   

Many authors point out benefits of using heat energy instead of utility electricity to energize 

dehumidification. Heat sources required to regenerate/dry the desiccant for reuse can include various 

solar energy and recovered waste heat as well as gas‐produced heat (direct‐fired or cogenerated). Off‐

peak electric resistance heaters or heat pumps can also be used. 

Barlow (1982) performed a comprehensive analysis of solar heat used in desiccant dehumidification. The 

author suggested that both solid and liquid desiccants are suitable for solar heat regeneration. Barlow 

suggested that data and correlations of the properties of regular density silica gel appeared to be the 

most suitable available solid desiccant for solar cooling systems.  

Sahlot and Riffat (2016) suggested that the use of solar energy for desiccant applications in space 

conditioning has several overlapping benefits. Desiccant cooling systems require electricity to operate 

pumps and fans and heat energy to pre‐heat the desiccant solution for regeneration. The author stated 

that a solar PV system can be used to derive electricity to drive the pumps and fans. Secondly, solar heat 

can be used to regenerate weak desiccant solution. Figure 6.3.1 shows the schematic diagram of a 

desiccant cooling system integrated with an evaporative cooler and a solar collector. Combined solar 

collector and regenerator is used directly to pre‐heat the desiccant solution before introducing it in the 

regenerator. Another type of solar collector uses water as a medium of heat transfer between collector 

and liquid desiccant. The combined type of solar collector device is more efficient as all the heat energy 

absorbed by the collector is directly transferred to the desiccant solution. However, as desiccant 

solution is often corrosive, the solar collector would need to be corrosion resistant.  

Sultan et al (2015) provided a comprehensive review of desiccant applications powered by solar heat. 

The authors suggested that zeolite prepared from fly ash has shown significant potential for solar cooling applications. While solid desiccants have advantages because of their relative operational ease, 

liquid desiccants are often aggressive agents and require suitable material and care when handled in 

operation. Common liquid desiccants are lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), calcium chloride 

(CaCl2) and triethylene glycol [37,38,42]. Liquid desiccants have the advantage that they are requiring 

lower regeneration temperature, typically 60 to 75 °C, which makes them very suitable to utilize solar or 

low grade waste heat. 

 

Page 92: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 84 of 171 

  

 

Figure 6.3.1: Solar powered desiccant cooling system, (Sahlot and Riffat, 2016) 

 

Kassem (2013) highlights the cost effectiveness of the use of low energy or free solar energy for 

regeneration of desiccant material. The authors presented a review of solar energy as a “free energy” 

for the regeneration and pointed to the extensive research which had been conducted. The initial cost 

of solar energy system is considerable, but over time significant savings can be realized. Therefore, the 

payback period should be considered. A disadvantage is that solar radiation is weather‐dependent; 

therefore, back‐ up energy or energy storage would be required to continue the drying process when 

solar energy is not available. Kassem (2013) pointed out that The use of evaporative coolers for mass 

exchange equipment can be applied in liquid desiccant systems. This application can reduce the 

installation cost of such systems because the evaporative coolers are available in the market with lower 

cost when compared with designing and manufacturing specified mass exchange equipment for such 

systems. 

Kassem (2013) mentioned advantages of the liquid desiccant over solid desiccants as the lower 

regenerating temperatures of liquid desiccants, typically in the range of 40–70 °C, while the higher 

values in the temperature range of solid desiccants is as high as 115 °C. This allows the use of low grade 

heat sources such as solar energy or waste heat for liquid desiccant regeneration. In addition, liquid 

desiccants can be stored in form of concentrated solution for use during periods when solar energy is 

absent, and thus offer more flexible operational characteristics. The liquid desiccants are attractive 

because of their operational flexibility and their capability of absorbing pollutants and bacteria. Their 

disadvantages include entrainment and subsequent carryover of desiccant droplets into the process air 

stream during the dehumidification operation.  

Page 93: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 85 of 171 

  

Technologically, the equipment providing air/solution contact surface (contactor) for liquid desiccant 

solutions include wetted wall/falling film absorber, a spray chamber or a packed tower. The packed 

towers are subdivided into regular (structured) or irregular (random) packing modes.  Kassem (2013) 

concluded that liquid desiccant assisted air conditioning can achieve up to 40% of energy savings with 

regard to traditional air conditioning system and those savings become even greater when the calorific 

energy needed for regeneration is drawn from waste heat, solar energy or any other free energy 

sources. Figure 6.3.2 shows a typical liquid desiccant cooling process, where liquid desiccant is 

regenerated by solar heat.   

Daho (2006) commented on feasibility studies of solar driven desiccant cooling in diverse European 

cities representing different climatic zones on the continent. The conclusion reached by the author was 

that primary energy savings were achieved in all climatic conditions. A decline in energy savings was 

noticed in highly humid zones. This decline was attributed to the high temperature required to 

regenerate the desiccant in the climates of high humidity. Sahlot and Riffat (2016) estimated that 

potential of solar energy uses in desiccant cooling systems and concluded that desiccant systems can 

save up to 50% of primary energy.   

 

Figure 6.3.2: A liquid desiccant cooling system with solar collector;  (Kassem, 2013) 

 

Besides solar heat, other renewable heat sources can be used to regenerate desiccants. Jradi and Riffat 

(2014) present a tri‐generation system which was driven by biofuel. The process, as illustrated in Figure 

6.3.3, used a biofuel gasifier to provide fuel for the generator, and the waste heat used to heat domestic 

Page 94: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 6 ‐ DESICCANT REACTIVATION ENERGY SOURCES

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 86 of 171 

  

water supply as well as for use in absorption chiller. The authors pointed out that waste heat could drive 

the regeneration heat instead of the absorption chillers.  

 

Figure 6.3.3: An internal combustion‐based tri‐generation system with a biomass gasification unit ; (Jradi and 

Riffat, 2014) 

 

Page 95: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 87 of 171 

  

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION   

The main focus of this literature review is the application of desiccant dehumidification to the 

conditioning of buildings. This section presents the technologies which are important to derive effective 

cooling applications combined with desiccant dehumidification. It must be noted that often the term 

desiccant cooling is used, which is somewhat inaccurate, since desiccants carry out only the latent heat 

removal while other cooling technologies contribute sensible heat removal. Figure 7.1 shows the types 

of AC systems discussed in this section.  

1.  Grid powered Conventional AC systems:  A large percentage of all existing AC systems work with grid 

supplied power and conventional vapor compression cooling. The three functions of the AC‐system are 

carried out as follows: 

A. Sensible heat removal: Supply air passing cooling coils  

B. Latent heat removal: water vapor condenses in cooling oils  

C. Ventilation: Air supply that passes the cooling coils is provided to the spaces  

2. Grid powered alternative AC systems: This alternative system works with a conventional vapor 

compression cooling systems which is augmented with a desiccant dehumidification system. The three 

functions of the AC‐system are carried out as follows: 

A. Sensible heat removal: Supply air passing cooling coils 

B. Latent heat removal: Water vapor is removed by desiccant sorption. The desiccant regeneration 

uses process (waste) heat derived from either combined heat and power (CHP) systems, other 

process heat or fossil fuel combustion. A combined dehumidification process of cooling based 

dehumidification (condensation on conventional cooling coils) and desiccant dehumidification is 

also possible, which can save energy.   

C. Ventilation: Air supply that passes the cooling coils is provided to the spaces  

3. Solar powered Conventional AC systems: This AC‐system uses PV‐solar derived electric energy to drive 

a conventional AC‐system. The three functions of the AC‐system are carried out as follows: 

A. Sensible heat removal: Supply air passing cooling coils  

B. Latent heat removal: water vapor condenses on cooling oils  

C. Ventilation: Air supply that passes the cooling coils is provided to the spaces  

4. Thermal solar powered Alternative AC systems: This alternative system obtains most of its energy 

through thermal energy conversion for sensible cooling and dehumidification.  The three functions of 

the AC‐system are carried out as follows: 

A. Sensible heat removal: Sensible heat is removed by supply air passing over surfaces, cooled by 

closed systems, or be adiabatic evaporative cooling   

B. Latent heat removal: Water vapor is removed by desiccant sorption. The desiccant regeneration 

uses solar heat.  

C. Ventilation: Air supply that passes the cooling surfaces is provided to the spaces  

Page 96: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 88 of 171 

  

 

Figure 7.1:  Types of building AC systems  

Note: Section 7 discusses only literature relative to closed and open thermal systems which supply sensible heat 

removal (shaded block in point 4 of above bulleted list) 

 

Page 97: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 89 of 171 

  

7.1  Thermal Cooling Technologies 

This section provides a brief review of several alternative cooling technologies which remove sensible 

heat from conditioned spaces.  Table 7.1.1 provides an overview of the technologies reviewed hereafter, 

where the main distinction is made between closed and open systems.   

Closed cycle systems are equipped with thermally driven chillers, which provide chilled water that is 

either used in air handling units to provide sensible and latent (cooling‐based) load removal or that 

is distributed via a chilled network to decentralized room installations such as fan coils or chilled 

ceilings. Available thermally driven chillers on the market are absorption chillers, which are most 

common, and adsorption chillers, offered currently by few manufacturers only. A component, 

necessary in all chilled water systems, is a heat rejection system. 

Open cycle systems are evaporative chillers which provide sensible heat removal. The “refrigerant” 

is always water, which is brought into direct contact with the process air and adiabatically reduce 

the dry bulb temperature of the moist air.  

Among the thermally driven cooling systems, closed cycle systems currently occupy a central position. 

According to a survey in 2003, approx. 71 % of the installations were equipped with chillers (63 % using 

absorption technology and 8 % using adsorption chillers) (SOLAIR (2009). 29 % of the installations are 

desiccant cooling systems 

SOLAIR (2009) suggested that solar cooling systems represent a fast growing market with several new 

international companies selling products. New interesting developments and concepts are appearing in 

the different technologies. In the future, the main barriers to overcome in order to increase the market 

share of thermal cooling technologies are the organization of the sector, cost reduction, and the 

adaptation of the machines and the main components to technical specifications of solar cooling 

systems. 

Table 7.1.1:   Overview of main air conditioning technologies using thermal energy, SOLAIR (2009) 

Method  Closed cycle  Open cycle 

Principle / Process 

Providing chilled water for convective 

(supply air) or radiative cooling 

surfaces  

Adiabatic heat removal through 

evaporation of water in air supply  

Name of cooling 

technology 

Adsorption 

chiller 

Absorption 

chiller 

Direct 

evaporative 

cooling 

Indirect 

evaporative 

cooling 

Adds humidity to air  No  No  Yes  No 

Phase of sorbent  Solid  Liquid  N/A  N/A 

Typical material pairs  water ‐ silica gel  water/Li‐Br  water ‐ air  water ‐ air 

 

Page 98: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 90 of 171 

  

7.2  Evaporative Cooling – General Principle  

Evaporative cooling has been used for a long time to provide relief to humans exposes to high 

temperature climate. The concept of using water for air cooling has been around for centuries (Watt and 

Brown, 1997). While complex evaporative cooling systems have been invented and refined over the past 

decades, the basic concept has not changed. Egyptian frescoes portraying large, porous jars of water 

being fanned to force evaporation and subsequent cooling have shown the prevalence of evaporative 

cooling since ancient times. In the Arizona desert in the 1920s, people would often sleep outside on 

screened‐in sleeping porches during the summer. On hot nights, bed sheets or blankets soaked in water 

would be hung inside of the screens. Whirling electric fans would pull the night air through the moist 

cloth to cool the room. 

That concept, slightly more refined, became the evaporative coolers that to this day provide a low‐cost, 

low‐technology alternative to refrigerated air conditioning.  An evaporative cooler produces effective 

cooling by combining a natural process ‐ water evaporation ‐ with a simple, reliable air‐moving system. 

Fresh outside air is pulled through moist pads where it is cooled by evaporation and circulated through a 

building by a fan system. With the evaporative process, the outside air temperature can be lowered as 

much as 30 F. (Palmer, 2002)  

The term “swamp cooler” is frequently used for evaporative coolers, because of the standard design of 

having a tray which collects the water that is not evaporating. Evaporative coolers work well, provided 

the outside air they are drawing in is dry and desert‐like. As the humidity increases, the ability for these 

systems to cool the air decreases.  

The dependency of the outside climate and humidity was one of the reasons that conventional air 

conditioning systems, basically all vapor compression systems, became popular since their ability to cool 

the air was not impeded by the outside humidity. The advantages of these conventional mechanical AC‐

systems were readily apparent as they were able to lower the temperature to a thermostatically 

controlled temperature, even on humid days. The disadvantage of conventional vapor compression AC‐

systems is their significant electricity demand, as much as four times the electricity needs of evaporative 

coolers. In addition, conventional AC‐systems are more expensive to install and maintain than 

evaporative coolers.  And, they require ozone‐damaging refrigerants (Green Cooling Initiative, 2016). 

Palmer (2002) points out that in dry desert areas, evaporative coolers work the best, but they also 

perform reasonably well fine most of the time in California's more humid climates. Sacramento, for 

example, averages about 45 percent humidity on a typical hot summer afternoon, still dry enough for 

evaporative cooling to work effectively. Despite the potential, however, fewer than five percent of 

California homes and businesses use evaporative cooling. 

   

Page 99: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 91 of 171 

  

Several authors such as Kozubal et all (2011), Watt and Brown (1997), and Sahlot and Riffat (2016) 

summarize the benefits of evaporative cooling as follows:  

Evaporative coolers use significantly less electric energy use than energy intensive vapor 

compressor based cooling. The only electricity demands of evaporative chillers are supply fans 

and a sump pump. As a consequence, evaporative cooling requires 1/5 to 1/2 as much electricity 

as mechanical cooling to operate.  

Maintenance requirements are simpler for evaporative cooling systems than for refrigerated air 

conditioning equipment. Refrigeration compressors, evaporators and condensers must operate 

under high pressures, which require specialized tools and certified maintenance personnel. 

Evaporative cooler users can maintain their peak cooling effectiveness without the need for 

costly and sometimes unavailable specialized maintenance contracts.  

The compounded (life‐cycle cost) of using evaporative cooling is less than a comparable 

refrigerated air unit. This includes all dollar values such as first cost, energy, water, time value of 

money and maintenance costs. 

Evaporative cooling saves water at the power plant. During a typical summer in New Mexico, a 

coal fired power plant using evaporative cooling towers will typically need about 0.95 gallons 

per kWh. This quantity does not include the water needed to mine, process and deliver the coal 

used to generate the electricity. The amount of water used by an evaporative cooler is stated in 

terms of tons of cooling per gallon, which is on average one gallon of water per 0.6 ton of 

refrigeration. Therefore, the water requirement for evaporative cooling is about 50 to 60% of a 

typical water requirement for a thermal power plant.   

Evaporative cooling does not directly use any working fluids which are detrimental to the earth’s 

ozone layer. This is unlike most of the pre‐2000 commercial refrigerants whose use is regulated 

in order to reduce their harmful impact on the environment. Evaporative coolers do not operate 

under high pressure conditions and do not require any expensive controlled substances for their 

operation. 

An evaporative cooled building will always require less power to operate than a mechanically 

cooled building. As a rule of thumb 0.5 to 5 kW and 3 to 10 kW of electrical power is required by 

evaporative and mechanical cooling, respectively.  The reduced power demand does not only 

lower operational costs through smaller demand charges, but also lowers first costs for electrical 

components will cost less. 

The energy savings of evaporative cooling translates directly into reduced carbon dioxide and 

other emissions from power plants, and decrease the peak electricity demand load that typically 

occurs during peak summer cooling hours.  

There are approximately 4 million evaporative air cooling units in operation in the United States 

which provide an estimated annual energy savings equivalent to 12 million barrels of oil, and 

annual reduction of 5.4 billion pounds of carbon dioxide emissions. They also avoid the need for 

24 million pounds of refrigerant traditionally used in residential VAC (vapor‐compression air 

conditioning or refrigerated air) systems".  

Since evaporative cooling typically uses 100% outside air rather than recirculated air indoor air 

quality is improved. The outside air and humidity added to the room air by an evaporative 

Page 100: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 92 of 171 

  

cooler can improve comfort conditions, flush out contaminants which are generated in the 

building and reduce the incidence of static electric shock which can be detrimental to micro‐

electronics. 

The working principle of evaporative cooling systems is water evaporation. This change of phase 

requires latent heat to be absorbed from the surrounding air and the remaining liquid water. As a result, 

the air temperature decreases and the relative humidity of the air increases. The maximum cooling that 

can be achieved is a reduction in air temperature to the wet‐bulb temperature (WBT) at which point the 

air would be completely saturated, but most evaporative cooling devices attain less than the technically 

feasible temperature drop.  

When air below saturation moves over a surface of water evaporates. This evaporation results in a 

reduced temperature and an increased vapor content in the air. The bigger the area of contact between 

the air and water the more evaporation occurs, resulting in more cooling and the addition of moisture. 

In order for water to evaporate, heat is required. In order to evaporate one gallon of water 

approximately 8,700 BTU’s of heat are required. For evaporative cooling, this heat is taken from the air, 

thereby cooling it. 

There are two basic types of evaporative air cooling (EAC) processes. Direct evaporative cooling occurs 

when process air has direct contact with the evaporating water. Indirect evaporative coolers utilize a 

heat exchanger; therefore, the process air never comes into direct contact with the cooling water. Direct 

EAC is commonly used for residential cooling. Developments in the evaporative cooling industry have 

reliably increased the efficiency or effectiveness of the cooling media. All direct EAC’s use 100% outside 

air. Indirect evaporative air coolers (IEAC's) can be used in conjunction with direct EAC's and/or with 

refrigerated air coolers. IEAC systems use electricity for the supply fan motor, a sump pump, and a 

smaller secondary fan motor used for the heat exchanger’s airflow. The combination evaporative and 

refrigerated system has a higher first cost, but offers a good mix of energy conservation and comfort. 

Additionally, these redundant cooling systems are more reliable.  

IEAC are rated from 60% to 78% thermal efficiency, depending on the configuration and the air speed 

past the heat exchanger. IEAC systems can be used in combination with direct evaporative cooling, in 

combination with refrigerated air systems or as a stand‐alone system. When combined with direct EAC 

systems the effectiveness is additive. It is essential that indirect evaporative chillers do not add moisture 

to the room air stream and therefore do not increase the room humidity level. Therefore, indirect 

evaporative coolers can recirculate the room air.  

The possible energy savings of evaporative coolers are significant when compared with conventional 

mechanical refrigeration cycles. Table 7.2.1 shows a comparison of average energy savings through the 

use of evaporative cooling systems Palmer (2002).  

 

Page 101: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 93 of 171 

  

Table 7.2.1: comparison of evaporative and conventional split system AC; (Palmer, 2002) 

 

 

7.3   Direct Evaporative Cooler – Working Process  

The typical direct evaporative cooler unit consists of a metal, plastic or fiberglass housing and frame, a 

supply fan, water holding sump, water circulation pump, water distribution tubing, electric connections 

and a wetted pad. These pads are the surface from which the water evaporates, and are usually made of 

aspen shavings, paper or plastic media. Typical manufacturers stated evaporative effectiveness for this 

type of wetted media is 65 to 78%. All EACs use a small fractional horsepower pump to raise the water 

over the pads, then gravity and capillary action wet the entire area of the evaporative media. 

Advantages of direct evaporative cooling are its low life‐cycle cost, improved indoor air quality, reduced 

peak electrical demand, simple controls and low‐tech maintenance. Disadvantages include relatively 

short service life of aspen media aspen pad coolers (1 to 3 years, depending on media type and 

maintenance), the need for seasonal maintenance and reduced cooling performance during the wet 

season. 

There are many types of wetted media used in various configurations. Rigid media coolers are usually 

more effective than flexible aspen pad coolers because they have more surface area per cubic volume of 

media. A value of 100 to 130 square feet of surface area per cubic foot is common for rigid wetted 

media (Palmer, 2002). As an added advantage rigid wetted media does not sag and reduce cooling 

performance. It is available in various thicknesses between 2 and 24 inches, but 12‐inch thick media is 

common for school and commercial building air handling units. As shown in the section on evaporative 

media, the manufacturers ratings of effectiveness of rigid media is 75% to 95%, depending on the 

thickness and air velocity through the media. Rigid media is washable, and with good regular 

maintenance will last 7 to 10 years. One significant factor is that direct EAC systems cannot recirculate 

the room air. All the air must be exhausted or otherwise relieved from the building.  

Page 102: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 94 of 171 

  

Figure 7.3.1 and 7.3.2 show a basic process diagram for a direct evaporative cooler and a typical Wetted 

Aspen Pad Cooler, respectively.  

 

Figure 7.3.1: Direct 

evaporative cooling AC  

(Palmer, 2002) 

 

 

Figure 7.3.2: Typical 

Wetted Aspen Pad Cooler 

(Palmer, 2002) 

 

 

7.4   Indirect Evaporative Cooler – Working Process 

Indirect EAC's (IEAC's) have been in used not as long as direct EACs, but they have gained increased 

acceptance because of more cost‐effective manufacturing and improved performance. Since IEAC’s use 

Page 103: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 95 of 171 

  

heat exchangers they do not add moisture to the room air stream, thus they only provide sensible 

cooling.  

Figure 7.4.1 shows a schematic view of an indirect evaporative cooling section located upstream of a 

direct rigid media evaporative cooler. IEAC heat exchangers transfer heat across sheets of plastic or 

metal configured to keep the two air streams from mixing. A smaller fan pulls the wetter air through the 

secondary side of the heat exchanger. This type of air‐to‐air heat exchanger is used to transfer heat from 

the primary space supply air stream to the evaporative cooled secondary air stream.  

 

 

Figure 7.4.1: Schematic of 

indirect evaporative 

cooler; (Palmer, 2002) 

 

 

 

Palmer (2002) suggested that following system configurations of IEACs: 

Air‐to‐air heat exchangers (see Figure 7.4.2): Direct and indirect evaporative air cooling components 

are commonly packaged together in the same cooling unit by the manufacturer. The main 

advantages of using both types of evaporative cooling systems are the lower supply air temperature, 

increased reliability and more available comfort hours. The direct EAC section will usually cool the 

air more than the indirect section due to the losses of the IEAC heat exchanger 

Combination IEAC and refrigerated systems (Figure 7.4.3): IEAC's are used in combination with 

refrigerated air systems, because they do not add moisture to the air stream. The advantage of this 

combination is that the reduction in air temperature due to the indirect evaporative section comes 

at a significant cost savings, since cooling capacity by an IEAC is much cheaper than provided by a 

conventional mechanical refrigerated system alone. The return air from the room can be 

recirculated past both the IEAC and the refrigerated coil, or the IEAC can be located to pre‐cool only 

the required outside air.  

Page 104: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 96 of 171 

  

Cooling tower "free cooling" (Figure 7.4.4):  Indirect evaporative cooling system can be combined 

with a waterside economizer. This is often the case with a chiller system that uses evaporative 

cooling tower(s) for condenser heat rejection. When the outside air humidity level is sufficiently low, 

the evaporative cooling tower system works so well that the chillers can be kept off much of the 

time. The indirect system uses a water‐to‐air cooling coil in the room air stream. This evaporative 

cooled water in the cooling tower sump can get very cool, especially when the air is dry. Depending 

on the design parameters of the system, this water can be within 3 to 6 degrees of the wet‐bulb 

temperature. 

 

Figure 7.4.2: Air‐to‐Air 

Heat Exchanger Indirect 

+ Direct EAC; (Palmer , 

2002) 

 

The figure shows a 

section through an IEAC 

combined with a direct 

EAC. 

 

 

 

 

 

Figure 7.4.3: 

Combination 

Evaporative and 

Refrigerated Cooling 

System Schematic; 

(Palmer, 2002) 

 

 

 

Page 105: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 97 of 171 

  

 

Figure 7.4.4: “Free Cooling” 

Evaporative and Refrigerated 

Combination System; (Palmer, 

2002) 

 

 

7.5   Maisotsenko (M) ‐Cycle Enhanced Indirect Evaporative Cooling 

A recent development in evaporative cooling is M‐cycle evaporative cooling, which can be utilized as a 

special and highly effective process of indirect evaporative cooling. The M‐cycle operates on the 

principles of sub‐wet bulb cooling. These properties make the M ‐ Cycle ideal for many evaporative 

cooling applications, including cooling towers, where steady cooled water temperatures can be 

delivered as the higher inlet temperatures increase the cooling capacity.  

In conventional direct evaporative cooling technology, the temperature of the cold water produced is 

limited to the outside air wet bulb temperature. As a result, the typical cooling towers are most suitable 

for extremely dry regions. Unlike conventional evaporative cooling technologies, heat transfer within 

the M ‐ Cycle is driven by a dew point temperature gradient, not wet bulb temperature. As such, only 

the absolute outside ambient humidity is important, not the temperature of incoming air or water. 

Film‐type packing has gained prominence in the evaporative cooling process vessel design because of its 

ability to expose greater water surface within a given packed volume. Its efficient heat transfer can give 

greater cooling capacity, requiring less fan energy. Using the conventional evaporative cooling process 

with any existing type of fill for cooling towers, it is possible to cool down fluid (air or water) to near the 

wet bulb temperature. However, with the M‐cycle, using the existing film fill and a change of air and 

water distributions cooled water temperatures approaching the dew point temperature of the working 

gas is possible. Gas Technology Institute (GTI) (201) presented a comparison of a conventional and M‐

cycle evaporative cooling towers. Figure 7.5.1 and 7.5.2 compares the performance of a conventional 

and M‐cycle evaporative cooling tower, respectively.   

Page 106: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 98 of 171 

  

 

 

Flow diagram      packing Psychrometric chart 

Subscripts: DB= dry bulb, WB= wet bulb, DP= dew point

Figure 7.5.1: Forced draft conventional cooling tower,  (GTI, 2010) annotated  

 

 

                             packing                     Psychrometric chart

Subscripts: DB= dry bulb, WB= wet bulb, DP= dew point

Figure 7.5.2: M‐cycle open cooling tower,   (GTI, 2010) annotated 

Page 107: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 99 of 171 

  

Table 7.5.1 presents the results of the GTI investigation of the conventional and M‐cycle evaporative 

cooling tower performance. The result presented in Table 7.5.1 highlights the significant process 

improvement of the M‐cycle of providing cooling water for indirect evaporative cooling systems.  

 

Table 7.5.1:  Comparison of process effectiveness of conventional versus M‐cycle evaporative cooling tower 

Process flow    unit  conventional cycle   M‐cycle 

Water to be cooled   [F]  90  90 

process air intake DB  [F]  86  86 

process air intake WB  [F]  66  66 

process air intake DP  [F]  54.7  54.7 

Cooled water temperature   [F]  72  55.6 

 

Dew point evaporative cooling processes, such as the M‐cycle, can be used to remove undesired heat 

from a wide range of thermal applications, including building air conditioning systems. Dew point 

evaporative cooling processes take advantage of the fact that when a parcel of air is sensibly cooled, the 

saturated water vapor pressure decreases, reducing its wet bulb temperature, thus increasing its 

evaporative cooling potential. Consequently, as the working fluid is humidified, the temperature of the 

evaporative cooling liquid that it is in contact with is also cooled to theoretically as low as the incoming 

air dew point temperature  

GTI (2010) emphasized that the operating efficiency of the M‐cycle cooling tower can be enhanced by 

reducing the dew point temperature of the incoming air. For example, reduced dew point temperatures 

can be achieved by desiccants, which can take place before and/or after the air actually enters the dry 

channel. Additionally, heat sources can be utilized to increase the system cooling capacity, in preheating 

the incoming working gas (e.g. ambient air) which improves the thermal performance of the M‐Cycle.   

This process characteristics is especially advantageous in high absolute humidity climates where the dew 

point temperature of ambient air is in the range of 60 °F to 70 F. For even higher dew point 

temperatures, the effect of changing absolute humidity, with changing temperature, will become even 

larger. Similarly, use of a warmer evaporative liquid (e.g. hot water) will have the same effect as pre ‐ 

heating the incoming gas (e.g. air).    

7.6  Absorption Chillers  

The process of Absorption refrigeration is not a new process. In 1858 the absorption cooling process was 

invented by the French scientist Ferdinand Carré where a mixture of water and sulphuric acid was used 

Page 108: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 100 of 171 

  

as the absorbent (Arsenault, 2016). The low coefficient of performance (COP) of the absorption cooling 

cycle was the development of the alternative means to provide cooling capacity and refrigeration, the 

vapor compression cycle, which was invented by Wills Carrier in 1902. The vapor compression 

refrigeration cycle became the cooling process of choice, whereas the absorption chiller remains as an 

alternative where suitable quality and quantity of process waste heat is available. The chillers can be 

classified by the type of thermal energy source, whether they are single‐ or double‐effect processes and 

whether they are directly or indirectly fired.  

There are a number of absorption chillers available, including single‐effect indirect‐fired (steam, hot 

water); double‐effect indirect‐fired (external heat source); and double‐effect direct‐fired (gas and/or oil 

burner). Single‐effect absorption chillers have single set of process vessels. Double‐effect absorption 

chillers have two sets which make them more energy efficient since process heat is not rejected to the 

environment, as in the case of the single effect absorption chiller, but is recycled internally.  

Absorption chillers have substantially reduced internal pressures to take advantage of the lower water 

boiling temperatures. Absorption chiller internal pressures can range from 0.1 atmosphere (atm) to 

below 0.01 atm (Sakraida, 2016).  Figure 7.6.1 show a basic absorption chiller process diagram.  

Figure 7.6.1.: Basic flow diagram of a single effect absorption chiller 

The diagram indicates the mass flow of the absorption and regeneration process.  Pressures and energy flows (e.g. heat rejection) are not all indicated.  (EERE, 2016) 

 

 

The absorption cooling process works on the basis of a solution of lithium bromide and water, which 

absorbs water vapor and drives the process. As illustrated in Figure 7.6.1 water in tank A evaporates and 

water vapor flows towards the absorber (tank B) which contains the absorbing solution.  Evaporation of 

Page 109: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 101 of 171 

  

the water in in the evaporator (tank A) causes the temperature to decrease. The achievable 

temperature in the evaporator depends on the evaporator pressure and the effectiveness of the 

evaporative process. Since mass enters the absorber (tank B) and dilutes the solution, fluid from the 

absorber is continuously pumped from tank B to the generator (tank C). In the generator, the solution is 

heated either directly by a natural gas burner, or indirectly by means of a steam coil. While the solution 

is heated, water evaporates and passes into the condenser (tank D). The regenerated and concentrated 

solution accumulates in the sump of tank C, and is then returned to the absorber (tank B). Here, it again 

absorbs water vapor that comes from the evaporator. Water vapor in the condenser (tank D) is cooled 

by a separate coil of pipe through which cooling water passes. The condensed water is returned to the 

evaporator (A).  

Figure 7.6.2 shows the absorption cooling cycle by adding cooling and chilled water loops as well as 

pumps.  

 

Figure 7.6.2: Process diagram of a single effect absorption chiller with major process components added, (EERE, 2016) 

 

Page 110: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 102 of 171 

  

 

Figure 7.5.3:  Single‐effect 

absorption refrigeration cycle; 

(Sakraida, 2016); annotated  

 

 

A more detailed process illustration is provided in Figure 7.5.3. The following describes the main 

components of the process shown in Figure 7.5.3.   

Evaporator vessel (1): Liquid refrigerant (chilled water loop water) is pumped through the chilled water 

tube bundle. The chilled water cycle provides cooling capacity to conditioned spaces by transporting 

chilled water out of the evaporator. Water which cycled inside the evaporator is sprayed on the tube 

bundle and evaporates. At the low evaporator pressure (as low as less than 0.01 atm), the water 

evaporates at approximately 38 F, removing heat energy from the chilled water. Most lithium bromide 

absorption chillers can only produce chilled‐water supply temperatures down to about 40 F (Sakraida 

,2016). Process water which does not evaporate drops down into a well and is recirculated. The vapor 

generated by evaporation flows to the absorber through a low pressure loss conduit. 

Absorber vessel (2): The water vapor entering the absorber from the evaporator passes through a falling 

film or spray of liquid lithium‐bromide solution. The lithium bromide solution absorbs the vaporized 

refrigerant and becomes diluted. Cooling water absorbs the heat of vapor absorption and rejects it the 

heat to the outside. A portion of the liquid lithium‐bromide solution in the well is recirculated to the 

falling film or spray by the absorber spray pump (A). The remaining portion of the liquid lithium‐bromide 

solution is transported by pump (B) to the generator/concentrator vessel. On its way to the generator/ 

concentrator vessel the solution passes through a heat exchanger (E) where process heat is recovered.   

Page 111: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 103 of 171 

  

Generator/concentrator vessel (3): In the generator/concentrator vessel the dilute lithium‐bromide 

solution is heated by steam or hot water. The temperature of the lithium bromide solution increases to 

a point where the water which is absorbed in the solution evaporates. The water vapor travels to the 

condenser. The concentrated lithium bromide solution flows down to the absorber and passes through 

the heat exchanger (C).  

Condenser vessel (4): In the condenser, the water vapor is condensing on a tube bundle through which 

cooling water flows, which rejects the heat of condensation to the outside. The condensate collects in a 

well from where it overflows to the evaporator.  

Expansion piping (5): The condensate (water) flows from the condenser through expansion piping to the 

well in the evaporator vessel. Since the pressure in the condenser (about 0.1 atm) is significantly higher 

than in the evaporator (less than 0.01 atm) the water flow experiences a drop in pressure and 

temperature. Excess vapor, which is compromising the low process pressure in the evaporator is 

expelled from the system by the purge pump. This completes the refrigerant cycle.  

Figure 7.6.4 and 7.6.5 illustrate the difference between single cycle and multiple cycle absorption 

refrigeration cycles. The energy transfer, e.g. the process flows inside the system and across the systems 

boundaries is illustrated in Figure 7.6.4. Double‐effect absorption cycles capture some internal heat to 

provide part of the energy required in the generator to create the high‐pressure refrigerant vapor. Using 

the heat of absorption reduces the steam or natural gas requirements and boosts system efficiency. 

Figure 7.6.5. shows the reuse of internal process heat energy by the following effect in the double‐effect 

absorption cycle.   

Page 112: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 104 of 171 

  

Figure 7.6.4:  Indirect heated single‐effect absorption refrigeration cycle; (Thermax, 2016) 

 

The double effect chiller requires significantly more system components and controls, but the efficiency 

of a double‐effect absorption cycle can be significantly increased of the single‐cycle process. Sakraida 

(2016) reports that the coefficient of performance (COP) of the double‐effect is near double that of the 

single‐effect system, with: 

Hot water or steam single‐effect chiller . . . . . . . 0.60 to 0.75  COP 

Hot water or steam double‐effect chiller . . . . . . 1.19 to 1.35  COP 

 

Page 113: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 105 of 171 

  

Figure 7.6.5:  Indirect heated double ‐effect absorption refrigeration cycle;  (Thermax, 2016) 

 

SOLAIR (2009), an European Solar Cooling Initiative of 13 countries, suggests that many absorption 

chiller products are available in the market, however typical chilling capacities of absorption chillers are 

several hundred kW. For several years, the smallest machine available was a Japanese product with 35 

kW capacity. The absorption chillers are typically supplied with district heat, waste heat or heat from co‐

generation. The required heat source temperature is usually above 80 °C for single‐effect machines and 

the coefficient of performance (COP) is in the range from 0.6 to 0.8. Double‐effect machines with two 

generator stages require driving temperature of above 140 °C, but the COP’s may achieve values up to 

1.2. 

Page 114: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 106 of 171 

  

In a recent move to facilitate thermal solar energy conversion, several single‐effect absorption chillers 

with capacities below 50 kW are now available. Therefore, solar air‐conditioning (SAC) systems can now 

manufacture smaller units and be more flexible. A newly developed model for small capacity chiller 

enables part‐load operation with reduced chilling power at a heat source temperature of 65 °C and a 

COP of still approximately 0.7, which is quite promising in combination with a solar heat source. This 

shows that there is a high potential for performance improvements of absorption chillers. The new 

medium‐size and small‐size absorption chiller will be suitable to cover the cooling loads for building 

areas from 200 m² to 500 m². The European manufacturers are located in Germany, Austria, Spain, 

Sweden, Italy and Portugal. Some of the new absorption chiller models are still being tested in pilot 

installations.   

 

7.7   Adsorption Chillers  

When compared to absorption refrigeration, adsorption chillers are a relatively recent thermal 

technology development. Adsorption refrigeration builds on the older absorption chiller process, yet has 

important operational differences, especially in regard to usability in solar energy conversion (SOLAIR, 

2009).  Adsorption chillers use solid sorption materials instead of liquid solutions to drive the 

refrigeration process. Commercially available adsorption systems use water as refrigerant and silica gel 

or zeolite as the sorbent material.  

The currently available adsorption chillers consist of two process vessel compartments, one evaporator 

and one condenser, which are used batch‐wise. Figure 7.7.1 illustrates the basic process scheme of 

adsorption cooling. While regeneration of the sorbent occurs in the compartment 1, using hot water 

from the external heat source, such as solar generated hot water, the sorbent in compartment 2 

adsorbs the water vapor which is generated in the evaporator. Compartment 2 has to be cooled in order 

to enable a continuous adsorption of water vapor. Due to the low pressure conditions in the evaporator 

vessel, the refrigerant (water) vaporized by taking up heat of from the chilled water loop and thereby 

producing cooling capacity. When sorption material in the adsorption compartment is saturated with 

water vapor to a certain degree, the chambers are switched over in their function. 

The available adsorption chiller technology can work with external heat sources at temperature of 80 °C, 

where a coefficient of performance (COP) of about 0.6 is obtained. It is possible, however, to operate 

the systems with heat source temperatures as low of approx. 60 °C. The capacities of the commercially 

available chillers range from 5.5 kW to 500 kW chilling power. Greenchiller (2016) reports significant 

benefits of using adsorption chillers, such as long life of the system and very low operating costs. The 

chiller’s electrical load of just 0.4 KW, for the 1.8‐ton model, is for the controls and two small pumps. 

One is a vacuum pump for non‐condensable gases and the other is a refrigerant liquid (water) pump 

that runs only while unloading. Other operational costs such as maintenance are also very low. 

Page 115: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 107 of 171 

  

 

Figure 7.7.1:  Basic process 

scheme of adsorption 

cooling; (SOLAIR, 2009), 

annotated  

 

 

The German company InvenSor 

 GMBH, which is one the leading European manufacturer of adsorption chillers, offers systems with a 

range of chilling capacities between 10 and 30 kW. The typical specification of InvenSor adsorption 

chillers lists a thermal coefficient of performance (COP) of 0.72, as the efficiency of the use of heat for 

cooling, and an outstanding maximum energy efficiency ratio (EER) of 33, which included the use of 

electric energy.  

Figure 7.7.2 illustrates the working principle of the InvenSor adsorption chiller. The compartments (1) 

and (2) interconnect the evaporator and condenser vessels inside the machine.  An illustrated step‐wise 

description is illustrated in Figure 7.7.3. Figure 7.7.4. depicts the Adsorption Chiller InvenSor Model LTC 

10, with a rated capacity of 10 kW. The machine operates with external heat sources as low as 65°C.   

 

 

 

Page 116: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 108 of 171 

  

 

Process Step A:

Compartment (1) serves as the receiving process vessel for the water vapor that is generated in the evaporator.  

Compartment (2) serves as the regeneration of the sorbent.  

(InvenSor, 2016), annotated  

 

Process Step B: 

Compartment (1) and (2) switch their functions.  

Compartment (1) now serves as the regeneration of the sorbent 

Compartment (2) now serves as the receiving process vessel for the water vapor that is generated in the evaporator.  

(InvenSor, 2016), annotated 

 

Definition of working fluid flow  

Figure 7.7.2:  Two‐phased working process of InvenSor adsorption cooling, (InvenSor, 2016), annotated 

Page 117: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 109 of 171 

  

 

Process step 1: Evaporation and adsorption 

in one compartment   Water in the evaporator vaporizes and creates chilling capacity that is transferred to the chilled water flow. 

Water vapor flow to compartment (2) where vapor is adopted by the solid sorbent. 

The heat of adsorption is rejected to the cooling water   

 

   

 

Process step 2: Evaporation and adsorption 

in two compartments  When the adsorption capacity of the solid sorbent is diminishing compartment (2), the regenerated sorbent in compartment (1) is operating parallel to Compartment (2) as the absorber vessel.  

 

Page 118: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 110 of 171 

  

 

Process step 3: Evaporation and 

Regeneration in one compartment 

As the sorbent in compartment (2) 

becomes saturated with water vapor, the 

process function of compartment (2) 

changes to desorption, where the solid 

sorbent is regenerated.  

External heat is supplied to compartment 

(2) and water vapor is liberated from the 

solid sorbent. 

The liberated water vapor flows from 

compartment (2) to the condenser where 

the vapor condenses on cooling coils.     

Compartment (1) is still in adsorption 

mode.  

 

Process step 3: Evaporation and 

Regeneration in two compartments 

As the sorbent in compartment (1) 

becomes saturated with water vapor, the 

process function of compartment (1) 

changes to desorption, where the solid 

sorbent is regenerated.  

Both compartments are now in desorption, 

e.g. regeneration mode,  

The water vapor condensate flows back to the evaporator  

 

Figure 7.7.3:   Process steps 1 through 4 of the InvenSor adsorption cooling process, source (InvenSor, 2016), 

graphics created by the author  

 

Page 119: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 111 of 171 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 7.7.4: Adsorption Chiller InvenSor LTC 10, rated 

capacity of 10 kW, (InvenSor, 2016) 

The machine operates with external heat sources as 

low as 65°C.     

 

7.8   Comparison between Absorption and Adsorption Cooling Technology  

Absorption refrigeration process has been used for a long time, while adsorption refrigeration is a 

relatively recent development of thermal cooling technology.  Bargman (2016) discusses the main 

differences of the two thermal cooling processes and points out main design and operational 

characteristics.  

Bargman (2016) suggested that since there is no use of CFC's or ammonia, the thermally driven cooling 

process is environment friendly. Adsorption chillers are known for their robust construction, ease of 

installation, and in many cases, considered more advantageous than absorption chillers. Adsorption 

chillers are not prone to problems such as crystallization, corrosion, hazardous leaks, and the electricity 

consumption is very low.  The typical cooling capacity of absorption and adsorption chiller are ranges 

between 4.5 KW to 5 MW and 5.5 to 500 KW, respectively.  

Perhaps the most significant difference between absorption and adsorption chillers is the expected 

useful life of the equipment. Absorption chillers have an average lifetime of 7 to 9 years due to corrosion 

problems, and the systems are high in complexity and maintenance time. On the other hand, adsorption 

chillers have a high chiller life expectancy of about 30 years The main advantages of absorption and 

adsorption chillers are indicated in Table 7.8.1. 

 

Page 120: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 112 of 171 

  

Table 7.8.1: Comparison of Adsorption Chillers vs Absorption Chillers; Bargman (2016) 

FACTORS  ADSORPTION CHILLERS  ABSORPTION CHILLERS 

Corrosion Protection  Not Required  High Corrosion Protection 

Required 

Crystallization  No Crystallization  Very High 

Inhibitor  Not Required  Heavy Metal Inhibitors 

Life Expectancy  Greater than 30 Years  7 to 9 Years 

Complexity  Simple, Easy Mechanical 

Operation 

Complex, Chemical Operation 

Replacement Requirements  Not Required  Heat Exchangers, Boilers, 

Absorbent Replacement 

Required 

Temperature  Down to 122°F  Shut down at 180°F, Needs 

Back‐up Heater 

Chilled Water Output  40°‐ 55°F  48°F or More 

 

 

7.9   Magnetic Refrigeration as an Alternative to Vapor Compression Refrigeration 

While the man objective of this chapter is to present thermally operated air‐conditioning technology, 

the recent cooling technology development of magnetic refrigeration is included in this literature and 

technology review. Magnetic refrigeration has the potential of being a “disruptive cooling technology” 

since it offers several significant benefits over the conventional vapor compression refrigeration 

technology. Early magnetic cooling products suggest that these cooling systems are more energy 

efficient, smaller and less noisy than vapor compression cooling and operate with much less 

maintenance. In regard to energy efficient cooling and desiccant dehumidification systems, magnetic 

refrigeration could be viable candidate to provide sensible cooling and waste heat for desiccant 

regeneration.  

 

 

 

Page 121: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 113 of 171 

  

The magnetic refrigeration process has been known for over seventy years to achieve near 0 K 

temperatures for small gas volumes by a process known as “adiabatic demagnetization refrigeration”.  

Magnetic refrigeration is based on the magnetocaloric effect which was first observed in the early 20th 

century by various researchers. Magnetic refrigeration has long been considered one of the simplest 

ways to retrieve extremely low temperatures.  However, the application of focus in current research has 

shifted from providing extremely cold temperature to more practical uses, including consumer‐based 

refrigerators.  In the 1950's, several magnetic refrigerators operated at temperatures between 1 and 30 

K.  However, these were too inefficient to be used commercially and could only run for a couple of days 

(O’Handley, 2004).  Magnetic refrigeration has only very recently been developed to commercial 

product status. The main advantage of magnetic refrigeration is the avoidance of refrigerant agents in 

providing chilling capacity, which is eliminating several environmentally harmful effects of refrigerants, 

including global warming and the depletion of the ozone layer.  

When a magnetic field is applied to a magnetic material which has a magnetocaloric effect. A spin of the 

magnets lowers the entropy of the system since disorder has decreased.  In order to compensate for the 

aligned spins, the atoms of the material begin to vibrate, and lower the entropy of the system again.  In 

doing so, the temperature of the magnetocaloric material increases.  The warming and cooling process 

can be compared, in principle, to a standard refrigerator which implements compressing and expanding 

gases for variations in heat exchange and surrounding temperature. Figure 7.9.1 illustrates the basic 

working scheme of the magnetic refrigeration cycle which is composed of the process of magnetization 

and demagnetization, in which heat is discharged or absorbed in four steps. 

While there have been early prototypes of magnetic refrigeration in ranges that can be used in 

consumer products, high costs have been a main barrier to gaining market share from conventional 

vapor compression refrigeration. One significant breakthrough on the way to making magnetic 

refrigeration competitive with conventional systems is the discovery of the so‐called "giant" Magnetic 

cooling effect which made previously considered implausible advancements possible.  Some materials 

were observed to have unusually large magnetocaloric effects, and this discovery made it much more 

feasible to develop a machine at lower costs (Kuba and Ota, 2006).   

The French company Cooltech is offering the first commercial magnetic refrigeration product (Cooltech, 

2016). Figure 7.9.2 shows Cooltech’s proposed cooling application. Figure 7.9.3 shows a detail view of 

the core of Cooltech’s magnetic cooling systems.  

 

Page 122: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 114 of 171 

  

 

Figure 7.9.1: Basic working 

scheme of magnetic 

refrigeration  

(Cooltech, 2016) 

 

 

 

 

 

Figure 7.9.2:  Cooltech’s proposed cooling application for magnetic refrigeration system (Cooltech, 2016) 

    

 

Page 123: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 7 – ALTERNATIVE COOLING SYSTEMS INTEGRATED WITH DESICCANT DEHUMIDIFICATION

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 115 of 171 

  

 

Figure 7.9.3: The Magnetic Refrigeration System (M.R.S) 

2015, (Cooltech, 2016) 

 

This device is the first commercially available refrigeration 

device based entirely on magnetocaloric effect.  

 

Benefits of magnetic cooling are reported as flows (Cooltech, 2016):  

 

Energy savings:  Magnets are permanent and do not require an energy source to operate. 

Achievable energy savings could be as high as 50%.   

Cost reduction:  Magnetic cooling provides lower operational costs due to optimized level of 

maintenance (low rotational speed, low pressure, no leaks and no hazardous chemicals…) and 

lower energy consumption.  

No Refrigerant Gas: The magnetic refrigeration system does not use any refrigerant gas and is not 

concerned with the regulations of harmful refrigerants.   

Safety: Magnetic refrigeration provides safety due to the absence of refrigerant gas. This protects 

the users from hazardous leaks. Measurements were performed on all Cooltech machines and 

showed magnetic emissions that surrounded Cooltech’s devices were in safe ranges.  

Reduced noise and vibrations: The magnetic refrigeration system operates with a low noise level 

(less than 35db) and reduced vibrations. 

 

Page 124: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 116 of 171 

  

SECTION 8 ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS 

This section presents the review of literature that discusses the integrated use of desiccant 

dehumidification and cooling systems. Kolewar, A. et al (2014) suggested that desiccant cooling can be 

either a substitute to the traditional vapor compression air conditioning technology or can expand 

conventional AC systems and make them more cost efficient, accessible, and cleaner. The authors 

pointed out that when powered by free energy sources (renewable energy sources) such as waste heat 

and solar energy, desiccant cooling can considerably reduce the operating costs and increase noticeably 

the user‐friendliness to the air conditioning for the populations in remote areas.  

The emphasis of this literature and technology review is on alternative and energy efficient cooling 

systems which are augmented by desiccant dehumidification. This section presents several system 

combinations of solid desiccant and various cooling technologies.   

 

8.1    Solid Desiccant Cooling Systems using Different Cooling Devices  

Daou et al (2005) discussed the use of different cooling units for desiccant cooling systems. A desiccant 

cooling system comprises three main components, namely the regeneration heat source, the 

dehumidifier (desiccant material), and the cooling unit. The author pointed out that the cooling unit can 

be the evaporator of a conventional air conditioner, an evaporative cooler or a cold coil. The function of 

the cooling unit is handling of the sensible load while the desiccant removes the latent load. When a 

desiccant wheel system is implemented, a heat exchanger is generally used in tandem with it to 

preliminarily cool the dry and warm air stream before its further cooling by an evaporative cooler or a 

cold coil, etc. In this case, the heat exchanger together with the evaporator cooler or the cold coil 

constitutes the cooling unit. Fig.  8.1.1. shows a psychrometric representation of the different cooling 

process combinations, with the following main process steps:  

Desiccant dehumidification lowers humidity of the air and at the same time increases the temperature of the air through the heat of adsorption of water vapor on the solid desiccants. (state 1 to state 2) 

A heat wheel lowers the air temperature by rejecting sensible heat (state 2 to state 3), while no latent load is removed.  

A cooling coil can act in concert with the heat wheel and further lower the air dry bulb temperature (state 3 to state 4’).   

Alternatively, an evaporative cooler can adiabatically lower the air dry bulb temperature and simultaneously increasing the humidity. (state 3 to state 4).    

 

The evaporative cooling process depicted in Figure 8.1.1 is direct evaporative cooling where water is 

sprayed directly into the air stream. The drawback of the direct evaporative cooling process is the added 

Page 125: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 117 of 171 

  

humidity in the process air, which can be avoided with indirect evaporative cooling. Figure 8.1.2 depicts 

the psychrometric properties of both direct and indirect evaporative cooling.  

 

Figure 8.1.1: Psychrometric chart illustrating the principle of desiccant cooling, (Daou, 2005) annotated 

 

Indirect evaporative cooling uses another air stream, which is cooled evaporatively (called second air 

stream), as the heat sink to cool the primary air stream, which is the process air. Typically, a plate heat 

exchanger is used to transfer heat between the primary and secondary air stream. Direct evaporative 

cooling works best in climates with low sensible heat ratio (SHR), since increasing the indoor humidity 

does not compromise thermal comfort due to high relative humidity levels. The indirect evaporative 

cooling is the better choice in humid climate since it provides sensible heat removal without adding 

moisture into the process air. In regard to cooling efficiency, direct evaporative cooling is more efficient 

because of the thermal losses of the secondary air cooling the primary air through the heat exchangers.  

Daou (2005) suggests that the effectiveness of direct and indirect evaporative cooling can be as high as 

90% and 70 to 80%, respectively. Both processes are effective cooling technologies and can reach a COP 

of 5 in dry climates. In humid climates their effectiveness decreases as the maximum temperature drop 

is the difference between dry bulb and wet bulb temperatures. Therefore, in order to use evaporative 

cooling in humid climates, dehumidification of the supply air is required upstream of the evaporative 

cooler, which removes a portion of the humidity in the process air and thus creates the conditions of an 

effective evaporative cooling process. Sultan et al (2015) presented the basic working principles of 

desiccant cooling in Figure 8.1.3, where the desiccant dehumidifier is removing latent heat and a host of 

cooling technologies is rejecting sensible load. In Figure 8.1.3 the desiccant dehumidifier is situated 

upstream of the cooling device. This is only necessary, however, for evaporative cooling since it requires 

Page 126: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 118 of 171 

  

dry air to function efficiently. Therefore, especially in humid climate, evaporative cooling process has to 

lower the humidity upstream of the evaporative cooling device.  

Figure 8.1.2: Psychometric 

of direct and indirect 

evaporative cooling, 

(Daou, 2005) annotated 

 

 

Figure 8.1.3.  

Basic working principle of 

desiccant cooling 

(Sultan et al, 2015) 

 

 

 

Sultan et al (2015) presented a generic desiccant cooling process diagram (Figure 8.1.4) using solid 

desiccant dehumidification and a range of cooling technologies. The numbered process steps in Figure 

8.1.4 are as follows:  

Page 127: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 119 of 171 

  

 

Figure 8.1.4:  

Generic schematic of desiccant cooling systems 

The generic system can accommodate various cooling devices and regeneration heat sources  

 

(Sultan et al, 2015), annotated  

 

 

 

Process step 1 to 2: The outside air is dehumidified be the desiccant wheel (e.g. rotor) and the air 

temperature is increased due to the heat of adsorption.  

Process step 2 to 3: The dehumidified air is cooled at constant humidity using sensible heat exchanger 

(heat wheel); the heat sink for the heat of adsorption is the return air from the conditioned spaces.  

Process step 3 to 4: The air is cooled by one of the following cooling techniques; the air attains the 

required temperature for suitable thermal comfort zone conditions. The candidate cooling technologies 

include: 

(A) direct or indirect evaporative cooling  (B) cold coil, e.g. chilled water, (C) M‐cycle cooling,  

(D) Evaporator of the VAC. 

Page 128: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 120 of 171 

  

Notes:   

In case of DEAC cooling the water vapor is added as an isenthalpic process as shown in process 3–4 

whereas the rest of cooling is performed at constant humidity that can be noticed from process 3–5.   

The M‐cycle, which is an extremely efficient evaporative cooling process can be applied for cooling 

towers, especially in humid climate. While an M‐Cycle based cooling tower design is not yet 

commercially available, the principles of sub‐wet bulb cooling are getting considerable attention. 

These favorable properties make the M ‐cycle attractive for many evaporative cooling applications.  

Unlike many evaporative cooling technologies, heat transfer within the M‐cycle is driven by the dew 

point temperature gradient, not wet bulb temperature. As such, only the absolute outside ambient 

humidity is important, not the temperature of incoming air or water. (Gas Technology Institute, 2010) 

Process step 6 to 7: Sensible heat is transferred from the supply to the exhaust air stream. Therefore, 

the temperature of the airstream of the exhaust air stream is increased. 

Process step 7 to 8: Heat is added for the regeneration of the solid desiccant.  

Process step 8 to 9: Desiccant is regenerated (e.g. activated) by heating the desiccant.   

Sultan (2013) suggested that the available solid desiccant cooling systems can be categorized as follows: 

The type of the solid desiccant system ‐ adsorbent bed or rotating wheel type, 

Number of stages ‐ single‐stage or multi‐stage dehumidification type, 

Type of rotor ‐ single‐rotor or multi‐rotor type, 

Integration into conventional HVAC systems ‐ hybrid system assisted by VAC, and  

(Heat source used for regeneration ‐ electricity/gas/solar/waste energy. 

TRANE (2005) discussed different system configurations of desiccant wheel and conventional cooling 

devices.  The three system configurations were wheel upstream of cooling coil, wheel downstream of 

cooling coil and series regeneration. Refer to Figure 8.1.4. 

Page 129: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 121 of 171 

  

 

Figure 8.1.4:  Typical 

desiccant isotherms 

(TRANE, 2005) 

 

The case “wheel upstream of cooling coil” is often used in parallel arrangements of desiccant 

dehumidification wheels with Type I or Type II desiccants. The desiccant wheel rotates between two 

discrete air streams. The regeneration air stream may be the building exhaust or a second outdoor air 

stream that is used exclusively to regenerate the desiccant material, where a suitable heat source 

provides the heat for regeneration. As a result, water vapor transfers from the higher‐RH process air 

(OA) to the lower‐RH regeneration air (RG’).  

Figure 8.1.5 and 8.1.6 illustrates this system configuration and the psychrometric state points, 

respectively. In the illustration, a second, dedicated, outdoor air stream regenerates the desiccant. 

Figure 8.1.5 shows the desiccant wheel removing moisture from the process air stream—but for every 

Btu of latent heat (moisture) removed, it adds more than one Btu of sensible heat. Therefore, air leaving 

the process side of the wheel (OA’) is dry (at a low dew point) but hot (145 F DB in the case depicted).  

Due to the costs of regeneration and re‐cooling, traditional desiccant wheels typically are used only 

when the required process‐air dew point can’t be achieved with standard mechanical equipment. The 

cost penalty becomes larger if the price of energy for wheel regeneration rises.) 

The case “wheel downstream of cooling coil” is depicted in Figure 8.1.7. This wheel configuration applies 

more favorably to the operating principles of cooling coils and desiccants. In this wheel configuration, 

the process air (OA) first passes through a DX or chilled water cooling coil, where it’s cooled and 

dehumidified. The cool, saturated air (CA) passes through the desiccant wheel, which adsorbs moisture 

from the high‐RH air thereby lowering the dew point but raising the dry‐bulb temperature. The resulting 

conditioned air (CA’) is dry and warm— but not as hot as in the “wheel upstream” configuration (Figure 

8.1.5) described earlier. Water vapor transfers from the desiccant to the regeneration air (RG’) as the 

wheel rotates into the regeneration air stream. 

Page 130: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 122 of 171 

  

Compared with the “wheel upstream” arrangement, the “wheel downstream” configuration can 

dehumidify the process air to an equally low dew point, but requires less or perhaps non re‐cooling 

because the resulting dry‐bulb temperature isn’t as hot. This system configuration still requires a 

separate regeneration air stream, and that air typically must be heated to dry out the desiccant. 

 

Figure 8.1.5: Desiccant dehumidification 

wheel upstream of cooling coil, parallel 

regeneration, (TRANE, 2005) 

 

 

Figure 8.1.6: Desiccant 

dehumidification wheel 

upstream of cooling coil, 

parallel regeneration,  

(TRANE ,2005) 

 

The case “desiccant wheel in series with the cooling coil” is depicted in Figure 8.1.9.  This system 

configuration has the regeneration side of the wheel upstream of the cooling coil and the process side 

down stream of the coil. Moisture transfer occurs within a single air stream, where the desiccant wheel 

adsorbs water vapor from the process air downstream of the cooling coil and then releases the collected 

moisture upstream of that coil, allowing the cooling coil to remove it through condensation. A separate, 

regeneration air stream is not needed. This wheel placement requires a Type 3 desiccant selected 

specifically for this application, since desiccant must adsorb water vapor when the relative humidity of 

Page 131: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 123 of 171 

  

the air is high.  When the RH is below 80 %, moisture adsorption ability drops significantly. Therefore, 

adsorption is more driven by the Type 3 desiccant’s ability to regenerate at low temperatures than by 

hot regeneration air, often without supplemental heat. A preheat coil can be added upstream of the 

regeneration side of the wheel for applications that require even drier air. 

 

 

Figure 8.1.7: Desiccant 

dehumidification wheel 

downstream of cooling coil, parallel 

regeneration, (TRANE, 2005) 

 

Figure 8.1.6: Desiccant 

dehumidification wheel 

downstream of cooling coil, 

parallel regeneration,  

(TRANE, 2005) 

 

Adding the series configuration of the desiccant wheel changes the dehumidification performance of the 

traditional cooling coil, trading sensible capacity for more latent capacity. The latent (dehumidification) 

capacity of the cooling coil increases while the total cooling capacity (enthalpy change across the coil) 

remains the same. 

Page 132: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 124 of 171 

  

 

Figure 8.1.9: Desiccant dehumidification wheel desiccant wheel in series with the cooling coil, (TRANE 

,2005) 

 

 

8.2    Solid Desiccant Cooling with Evaporative Cooling 

In an early study Collier et al (1981) presented three basic process modes or cycles. These basic modes 

and cycles have been used in many desiccant cooling applications: 

Ventilation mode 

Recirculation mode 

Dunkle cycle  

The ventilation mode is illustrated in Figure 8.2.1. In this mode, room air is used to regenerate the 

dehumidifier bed and outdoor air is cooled. The air leaving the room (6) is evaporatively cooled (7) and 

used as the cold sink for the dried room‐return air. The room‐exit air is heated during the heat 

exchange. (8). The return air is then further heated by an external source of energy (Q) for desiccant 

regeneration (9). Drying the desiccant cools and humidifies the air (10). Ambient air (1) is dried by the 

desiccant (2) to supply room make‐up air and cooled by heat exchanger (3) with room‐exit air. The dried 

and cooled ambient air is further chilled by evaporative cooling (4). Just before point (5), remix air is 

introduced. This scheme mixes evaporative cooled room dried room make‐up air in order to control the 

sensible heat factor. 

 

Page 133: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 125 of 171 

  

Figure 8.2.1: Ventilation mode (Collier et al, 1981), annotated   The locations in the block diagram (a) correspond with state points in the psychrometric chart (b) 

 

The recirculation mode shown in Figure 8.8.2. This mode uses the same components as the ventilation 

mode except that room air is constantly reconditioned in a closed loop and outdoor air is used for 

regeneration. Thermodynamically, this cycle has the advantage of processing air with greater cooling 

capacity. The disadvantage is having a warmer cold‐sink temperature than the ventilation mode. 

Selecting either mode is a trade‐off which depends upon room and ambient conditions. This trade‐off 

will be discussed in greater detail later in this literature review. Another important difference between 

this mode and the ventilation mode is that there is no direct fresh‐air supply, whereas the ventilation 

mode uses all fresh air. For the recirculation mode, as well as for most vapor‐compression cycles, fresh 

air to the building space is supplied by normal infiltration. In an era of tighter buildings, this fact is a 

disadvantage, since air intake has to be controlled.   

The Dunkle cycle shown in Figure 8.2.3. This process cycle combines the thermodynamic advantages of 

both the ventilation and recirculation modes. The cycle uses the advantage of processing the higher 

cooling availability room air as in the recirculation mode, while retaining the lower cold‐sink 

temperature of the ventilation mode. This advantage in performance comes at the cost of increased 

complexity and an additional sensible heat exchanger. As with the recirculation mode, the lack of 

controlled fresh air to the building space is a disadvantage with tighter building envelopes.  

Page 134: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 126 of 171 

  

 

Figure 8.2.2: Recirculation mode; (Collier et al, 1981), annotated  

 

The locations in the block diagram (a) correspond with state points in the psychrometric chart (b) 

 

Pesaran and Hoo (1993) discussed desiccant cooling system where air is passed through a desiccant 

dehumidifier in order to increase the performance of the downstream evaporative cooling.  Figure 8.2.4 

shows the desiccant cooling ventilation cycle which used a rotary desiccant dehumidifier, a heat 

exchanger, two direct evaporative coolers, a desiccant regeneration heater, and ancillary equipment 

such as fans and pumps. In this cycle outside air is dried in the dehumidifier and then cooled by 

evaporative coolers and supplied to the conditioned space.  

 

 

Page 135: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 127 of 171 

  

 

Figure 8.2.3: Dunkle cycle; 

(Collier et al, 1981), annotated  

 

The locations in the block 

diagram (a) correspond with 

state points in the psychrometric 

chart (b) 

 

 

Figure 8.2.4: Evaporative cooling system,  (Pesaran and Hoo, 1993), annotated  

  

Page 136: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 128 of 171 

  

The working process of the system depicted in Figure 8.2.4 is described in the following with 

annotations referring to important process steps.  

Drying of the outside air (1): Outside air is dried by a desiccant wheel which is reactivated by the 

reheated exhaust air (process step (8)). Downstream of the desiccant wheel the air is lower in 

humidity but warmer than the outside air, due to the heat of adsorption of the solid desiccants.  

Cooling of the outside air (2): The conditioned outside air flows through an air‐to‐air heat 

exchanger, such as a heat wheel, where heat is transferred from the outside air flow to the 

return air.  

First stage of evaporative cooling (3): The outside air passes through a direct evaporative cooler 

where sensible heat is adiabatically removed from the air by the cooling effect of water droplets 

vaporizing in the air stream. The resulting colder and moister supply air is provided to the 

conditioned spaces. 

Conditioned space (4): In the conditioned space sensible and latent load is added to the air, 

which is vented out of the conditioned space.  

Second stage of evaporative cooling (5): The return air passes through a direct evaporative 

cooler where sensible heat is adiabatically removed from the air. This process results in a colder 

and moister air downstream of the second stage evaporative cooler.  

Warming of the return air (6): The air‐to‐air heat exchanger is cooled by the return air, thereby 

adding sensible heat to the outside air.  

Regeneration heat supply (7: Thermal heat is provided to a portion of the return air thereby 

heating up the air flow that passes through the desiccant wheel. A remaining portion of the 

return air bypasses the desiccant wheel which provides for a precise heating of the desiccant 

wheel and avoids over heating of return air and the desiccants.  

Drying of the desiccant wheel (8): The heated air flow through the desiccant wheel dries the 

desiccant matric of the wheel and provides adsorption capacity for the outside air (1) as the 

reactivated portion of the desiccant wheel is available for the outside air passing through the 

wheel matrix.   

 

The advantage of the desiccant cooling cycle depicted in Figure 8.2.4 is that the system works in climate 

zones with high humidity levels. In humid higher climate zones evaporative cooling becomes less 

effective as a higher wet point of the outside air limits the removal of sensible heat. In addition, in 

humid climate zones humidity has to be removed from the outside air as it is supplied to the 

conditioned spaces. The drying of the outside air flow upstream of the evaporative cooler lowers the 

humidity level and therefore enables more effective evaporative cooling.  

Page 137: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 129 of 171 

  

The level of dehumidification upstream of the evaporative cooling has to be higher in the case of 

indirect evaporative cooling than for direct evaporative cooling systems. The indirect evaporative 

cooling process does not add humidity to the air, which is an advantage. However, since the 

effectiveness of indirect evaporative cooling is lower than the direct process only detailed design 

analysis can ascertain whether direct or indirect evaporative cooling cycle is the best match for the 

desiccant system.  

8.3   Solid Desiccant Cooling to Increase Conventional AC System  

Pesaran (1993) presented an application of an indirect evaporative coolers working in conjunction with 

two types of solid desiccant systems. The entire system was implemented to augment the cooling 

capacity of a conventional VAV system. The author presented a design strategy to add cooling capacity 

and enhance ventilation rates to the conditioned space. Rather than adding approximately 500 tons of 

conventional chiller capacity to the existing building. the author proposed to add a desiccant cooling 

system for pre‐conditioning the supply air. The proposed desiccant cooling pre‐conditioning process is 

described hereafter.  

Figure 8.3.1 depicts the existing AC system which was undersized for the actual load.  

 

Figure 8.3.1. Schematic of an Existing All‐Air VAV System of an Office Building; (Pesaran, 1993)  The figure shows the existing AC system which was undersized to provide 15.0 and 2.5 BTUH/sqft of sensible and latent load. In addition, the existing 0.1 CFM/sqft ventilation rate was deemed as not sufficient.   

 

Page 138: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 130 of 171 

  

Figure 8.3.2. shows the proposed addition of a pre‐conditioning outside air supply to the existing AC 

system. The added desiccant cooling system included two solid desiccant systems and an indirect 

evaporative cooler.  

Outside air enters the system and the pressure is increased in order to overcome pressure 

losses of the air as it passes through two desiccant wheels and one indirect evaporative cooler.   

The pressurized outside air supply passes through an enthalpy wheel where humidity and heat is 

transferred from the outside air to the return air (e.g. exhaust air).  

Downstream of the desiccant wheel the air flow is separated into two flow paths.  A portion of 

the air flow passes through desiccant dehumidifier (e.g. desiccant wheel) while the remaining 

portion bypasses the desiccant wheel. The humidity of the air flowing through the desiccant 

wheel is transfers to the solid desiccants of the wheel.  

The solid desiccant material of the desiccant wheel is activated (e.g. regenerated) by a separate 

outside air flow that is heated by a natural gas furnace. An air‐to‐air heat exchanger pre‐heats 

the outside air upstream of the natural gas furnace.  

Downstream of the desiccant wheel an indirect evaporative cooler provide sensible heat 

removal to the air flow which serves as the preconditioned outdoor air supply.  

The system is depicted in Figure 8.3.3. It provides an example of how desiccant cooling can enhance 

existing conventional AC‐systems in retrofit applications. In the early 1990s a desiccant cooling system 

that enhances conventional HVAC installations was first introduced and sold by ICC Technologies, Inc. 

The system used a desiccant drier, heat exchanger, and evaporative coolers in series to dry and then 

cool the air. The systems were marketed as alternatives or supplements to more traditional commercial 

air conditioning units, largely in light commercial and supermarket systems. The type of desiccant 

material used in the system was a so‐called Engelhard Titanium Silicate (ETS), which is suitable for low‐

temperature applications. One form of ETS desiccant could be regenerated at less than 140°F, so waste 

heat from condensing units of electric chillers could be used. Figure 8.3.3 shows ICC's DESI/AIR System 

which with a desiccant wheel, heat‐exchanger wheel, and evaporative cooling pads, and can be used as 

a preconditioner for ventilation air.   (ICC Systems 1993).  

 

Page 139: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 131 of 171 

  

 

Figure 8.3.2: Schematic of an Existing All‐Air VAV System of an Office Building; (Pesaran, 1993), annotated  

 

Page 140: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 132 of 171 

  

 

Figure 8.3.3: ICC Technologies DESI/Air System  (ICC Technology, 1993)   

 

 

   

Page 141: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 133 of 171 

  

Daou et al (2005) suggested that desiccant cooling in conjunction with conventional cooling coils can be 

successfully used in radiant cooling applications. The author pointed out several generic benefits of 

radiant systems. Such radiant cooling systems include metal ceiling panels, chilled beams, and tube 

embedded ceilings, wall and floors (e.g. also called core cooling). Benefits suggested by the author 

included energy savings in the range of 27 to 37%, due to a significantly reduced ventilation rate, the 

lower energy demand of pumping chiller water in lieu of air and the decoupling of ventilation to sensible 

heat rejection. The author also stressed benefits of radiant cooling on occupant comfort.   

The block diagram and configuration of the proposed system is depicted in Figure 8.3.4 (a) and (b), 

respectively. The system included desiccant a wheel and a heat wheel which dehumidify and provide 

sensible cooling to the incoming air. The supply air had to be dried in order to prevent condensation on 

the radiant surfaces and a resulting reduction in comfort. Chilled water discharge from the cold coil was 

circulated through the chilled‐ceiling system. The incoming air was dehumidified by a desiccant wheel 

and pre‐cooled by heat wheel before been cooled further by the cold coil to the supply temperature. 

The author suggested that sensible load is entirely handled by the chilled‐ceiling radiant cooler while the 

latent load is extracted by the desiccant. The use of the desiccant wheel is of very importance for 

comfort point of view if this system is to be used in a hot and humid climatic zone.  

Daou (2005) stated several advantages of chilled‐ceiling itself and the integration of the decoupled 

desiccant assisted ventilation and sensible heat rejection as follows: 

The sensible and latent loads are handled independently, realizing the so‐called decoupled 

cooling approach. 

The absence of reheating allows great energy saving, the author suggested about 44% of 

primary energy savings in comparison with the vapor compression 

A single water chiller is used since water is circulated in series in the cold coil and the cooling 

panel. The temperature of chilled water can be as high as 17 °C, which increases the COP of the 

chiller  

The system can be driven by low grade energy, especially the free energy such as solar energy 

and waste heat. 

The system delivers a draft and noise free conditioned air. 

 

 

 

 

 

Page 142: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 134 of 171 

  

 

(a)   Block diagram of the desiccant cooling system   The desiccant cooling system provides latent heat removal and ventilation  

 

(b)  Sensible heat rejection from the conditioned space through a chilled ceiling    The discharge of the cooling coil is cold enough to serve as the chilled water supply of the chilled ceiling 

Figure 8.3.4:  Desiccant cooling integrated into radiant cooling systems (Daou, 2005)  

 

 

 

 

 

 

 

Page 143: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 135 of 171 

  

8.4   Solid Desiccant Colling with Solar Heat 

Parmar and Hindoliya (2011) suggested that solar energy is a suitable option for regeneration of 

desiccant cooling system and thus saves the regeneration energy input. The authors suggest the use of 

evaporative cooling techniques in humid climate, with a solid desiccant as the dehumidifier. Figure 8.4.1. 

illustrates the basic approach of using solar heat for the activation of the desiccant material.   

 

Figure 8.4.1: Basic approach of using solar heat for the activation of the desiccant material.   (Parmar and Hindoliya, 2011) 

 

This literature search revealed an increasing interest in the use of solar heat for desiccant cooling. Three 

examples of solar supported desiccant cooling applications are presented hereafter.  

Sultan et al (2015) proposed hybrid solar thermal and electric driven desiccant cooling system that is 

shown in Figure 8.4.2. During night time the system uses stored thermal energy that was harvested 

during the day. This electric back‐up system made the system cost effective by using relatively lower 

price off‐peak electricity and prevented uncertainty by preventing total reliance on solar energy. The 

system was tested and the performance was satisfactory.  

The outdoor and indoor conditions were set to 30°C and 60% RH and 26°C and 55% RH, respectively. 

Effect of desiccant regeneration temperature on the system performance, measured in COP is shown in 

Table 8.4.1. The results suggest that the dehumidification performance by the system was improved 

with the increase in regeneration temperature, but this came with the penalty of increased supply air 

temperatures. The system COP decreased from 0.44 to 0.35 with the increase in regeneration 

temperature from 60 to 75°C. The authors concluded that the thermal heat supplied to the desiccant AC 

system is not exactly proportional to the actual cooling effect and that an optimum regeneration air 

temperature is required to obtain efficient performance of a desiccant AC system.  

 

Page 144: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 136 of 171 

  

 

Figure 8.4.2:  Schematic diagram of solar thermal and electric driven desiccant AC‐system    (Sultan, 2015) 

 

Table 8.4.1: Response of COP to regeneration temperature, for system depicted in Figure 8.4.2; (Sultan, 2015) 

 

Page 145: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 137 of 171 

  

Archibald (2001) presented a solar hybrid desiccant cooling system which is depicted in Figure 8.4.3. The 

system includes a solar thermal system, a desiccant evaporative cooler, one additional direct 

evaporative cooler, one indirect evaporative cooler and one hot water heating system using the waste 

heat from the desiccant regeneration. The psychometrics of the integrated cycle are shown in Figure 

8.4.4. The cycle shown does not use recovered heat from the heat exchanger for desiccant regeneration. 

Instead, the excess solar heated air from the solar thermal tile roof is used as the primary heating source 

for desiccant regeneration. 

 

8.4.3:  Solar roof integrated desiccant cooling system schematic,  

 (Archibald, 2001) 

 

8.4.4:  Solar roof integrated desiccant cooling system psychometrics 

(Archibald, 2001) 

 

Page 146: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 8  ‐  SOLID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 138 of 171 

  

Sultan (2015) discussed a solar driven two‐stage desiccant cooling system (TSDC), assisted by a VAC 

system to condition an office building (see Figure 8.4.5). The desiccant cooling unit had a design cooling 

capacity of 10kW, a VAC unit with nominal cooling capacity of 20 kW and a flat plate solar collector array 

of 90 m2. Internal heat exchangers were used to reduce the adsorption heat in the process air flow. The 

system proved that it can provide sufficient cooling and dehumidification even at high temperatures and 

high humidity level, such as outside conditions of 35°C and a humidity ratio of 21.54 g/kg.  

The two‐stage dehumidification provided higher air flow rate as compared to single‐stage at a 

comparable dehumidification level. Another benefit of the multi‐stage dehumidification is that the 

desiccant regeneration temperature can be decreased, which increases the overall COP. The fact that 

lower regeneration temperatures are used makes the system more suitable for utilizing low grade waste 

heat and solar energy for desiccant regeneration. 

 

 

Figure 8.4.5: Schematic diagram of solar driven two‐stage hybrid DAC system, (Sultan, 2015) 

 

Page 147: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 139 of 171 

  

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS 

Liquid desiccants have been in use in various industrial applications. Their use in conjunction with 

building cooling applications, however, has been very limited, since the solid desiccant dehumidifiers, 

such as the rotary desiccant devices, have become HVAC industry standards. ES Magazine (2010) 

suggested that various companies had proposed liquid desiccant dehumidification for HVAC applications 

in the past. Although these systems had produced very impressive EER and COP, these systems were 

small and few were installed, therefore these systems never overcame the critical mass for larger scale 

adoption. The authors stated, however, that there is a renewed interest in liquid desiccant technology 

for HVAC systems and these new liquids desiccant systems are showing very encouraging performances 

characteristics. This section presents several of recent liquid desiccant cooling applications.  

 

9.1   General System Configuration of Liquid Desiccant Cooling Systems 

Sahlot and Riffat (2016) suggested advantages and disadvantages of liquid desiccant cooling systems as 

follows:  

Advantages 

(1)  Low‐pressure drop across the liquid desiccant system makes them suitable to use with low 

regeneration temperatures.  

(2)  The ability to pump liquid desiccants makes the entire unit small and compact. 

(3)  Liquid desiccants can be stored and used when heat source is not available. This is advantageous 

when heat source is only intermittently available for desiccant regeneration. 

 

Disadvantages 

(1)  Liquid desiccants like lithium chloride, lithium bromide and all other salts are corrosive and can 

damage the desiccant system. 

(2)  Any carry‐over of liquid desiccant along with supply air stream can cause harm to the health of 

the occupants. 

(3)  In order to handle large volume of liquid desiccant, large pumps are required, which draws a 

large amount of power. 

(4)  Desiccants of aqueous salts also face the problem of crystallization. 

 

In the basic liquid desiccant dehumidification process moisture from the process air is removed in the 

dehumidification or absorber unit, where the desiccant absorbs the water vapor from the process air 

due to a difference in vapor pressure between the desiccant solution and process air. While water vapor 

is absorbed, the temperature of liquid desiccant rises due to heat of absorption and condensation being 

liberated. The diluted desiccant is pumped back to the regenerator for regeneration. Downstream of the 

Page 148: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 140 of 171 

  

regeneration the diluted solution passes through a plate heat exchanger for heat recovery and a heating 

coil, where its temperature of the desiccant solution is raised. In the regenerator, the hot diluted 

solution is exposed to regenerative air stream, and moisture is transferred from the weak solution to air 

due to the difference in vapor pressure.  

Lowenstein (1998) discussed the evolution of industrial liquid desiccant dehumidifier and suggested that 

liquid desiccant devices used in conjunction with HVAC would have the same basic working scheme as 

industrial liquid desiccant systems. The author pointed out that the liquid desiccant would have to be 

adapted to the level of the target dew point and other issues, such as carry over and desiccant 

isotherms. Figure 9.1.1 shows a simple industrial desiccant system configuration.  

 

 

 

Figure 9.1.1.: Simple industrial desiccant system configuration (Lowenstein, 1998) 

 

 

 

Figure 9.1.2 shows a generic process flow diagram of a liquid desiccant system comprised of 

dehumidification and regeneration units. Figure 9.1.3 depicts the psychrometric performance of the 

liquid desiccant process, showing the state points (A) through (D) corresponding to the locations in 

process diagram in Figure 9.1.2. Figure 9.1.3 indicates that the vapor pressure of the liquid desiccant 

solution decreases with increasing concentration.  

 

Page 149: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 141 of 171 

  

Figure 9.1.2.: Generic liquid desiccant process diagram (Sahlot and Riffat ,2016) 

 

 

Figure 9.1.3.: Psychrometric process  (Sahlot and Riffat ,2016)  The process states (A) through (D) correspond to the locations A through D in the process diagram  

 

 

The process vessels for liquid desiccant dehumidification are classified with regard to internal geometry, 

such as finned‐tube surface, spray and packed tower and their heat extraction process, adiabatic and 

internally cooled dehumidifiers. Figure 9.1.4 (a) and (b) shows an adiabatic and internally cooled 

dehumidifier, respectively. Sahlot and Riffat (2016) discuss advantages of multiple stage 

dehumidification and suggest that the effectiveness of the entire system can be significantly improved 

by adding successive effects.  The authors suggest that the successive stages can be optimized not only 

in size but also be using different liquid desiccant systems.  

Page 150: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 142 of 171 

  

 

(A) Adiabatic dehumidifier: Process heat removal occurs through air passing through the tower. Higher flow rates have disadvantages.   

  (B) Internally cooled dehumidifier:  Process heat removal occurs through cooling device inside the tower. 

Figure 9.1.4: Liquid desiccant dehumidification – type of heat removal  (Sahlot and Riffat ,2016) 

 

Kassem (2013) investigated three common flow patterns in an adiabatic dehumidifier: parallel flow, 

cross‐flow and counter flow, (see Figure 9.1.5) through simulations and experimental verification. Flow 

patterns of liquid desiccant and contact air determine the contact area and the process of interaction 

between desiccant and airflow. The author concluded that the performance of counter flow is best 

followed by cross‐flow, while the performance of parallel flow is not optimum. 

 

 

Figure 9.1.5: Flow patterns of air and liquid desiccant in dehumidification unit,  (Kassem, 2013) 

 

Figure 9.1.6 illustrates basic process characteristic of liquid desiccant cooling. A liquid desiccant system 

used in cooling applications has several main components namely the dehumidifier (also absorber or 

conditioner), the regenerator (also desorber), the regeneration heat source and the cooling unit. Packed 

Page 151: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 143 of 171 

  

columns or beds are the most frequently used technology for these components. The dehumidification 

process (sorption) is carried out by spraying the liquid desiccant into the process air to absorb the 

moisture out of the air. The liquid desiccant falls to a sump and is pumped back to the top of the process 

vessel where nozzles to be sprayed back to the air and onto the packing.  

As the desiccant solution becomes diluted as a result of absorbing moisture out of the air stream the 

solution must be regenerated. Liquid desiccant material continuously circulated through the regenerator 

where an external heat source drives desorption. Also, the desiccant solution is heated before any 

connection with air to raise the partial pressure of the desiccant above that of the of the air. Thus, the 

moisture content of desiccant is transferred to the regeneration air (desorption), which leaves the 

regenerator as hot and humid air. After the regeneration process, the liquid desiccant solution becomes 

concentrated and free from moisture content and must be cooled to lower the vapor pressure. Before 

being sprayed into the process air again to complete the cycle, the liquid desiccant solution is cooled by 

a chiller or cooling tower to adjust the temperature to the desired level (cooling). Sensible cooling is 

provided via employing traditional vapor compression and vapor absorption, direct or indirect 

evaporative coolers.   

 

(a) Schematic of a desiccant cooling air conditioning  (b)  Moisture removal process by desiccant 

Figure 9.1.6: Basic process characteristics of liquid desiccant cooling,  (Abdulrahman, 2013)  

 

 

Page 152: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 144 of 171 

  

9.2   Liquid Desiccant Systems to Enhance Conventional AC System   

Unlike solid desiccants, liquid desiccant dehumidification systems have not become a standard design 

component to augment conventional AC systems using vapor compression cooling. The literature 

reviewed presented some liquid desiccant dehumidification applications, which will be presented in the 

following.   

Daou (2006) presented a vapor compression air conditioning which is aided by a liquid desiccant cooling 

system. Figure 9.2.1 shows the system process diagram. Cool strong desiccant solution is sprayed onto 

the top of the dehumidifier. Since desiccant solution vapor pressure is less than that of the air vapor 

pressure, water vapor migrates from the air stream to the desiccant solution and condenses therein. 

Consequently, the process heat liberated increase in the temperature of the solution. The process air 

stream is slightly cooled down due to its contact with the cold desiccant solution. The dehumidified and 

warm process air stream then passes successively through the evaporative cooler and the evaporator of 

the traditional refrigerant vapor compression AC‐unit, before the air is delivered to the conditioned 

space. The diluted desiccant solution, which exits the dehumidifier, is circulated through the regenerator 

where it is heated. The moisture absorbed in the dehumidifier unit is now lost to the scavenger air 

stream. The hot and strong desiccant solution is thereafter cooled down in the pre‐cooler and then 

cooled further in the heat exchanger (HX) before being ready again to dehumidify the incoming process 

air.  

Because the latent load is handled independently by the desiccant dehumidifier, ventilation air does not 

have to be cooled below its dew point. The temperature of evaporation can thus be lifted up to 15 °C 

from its generally level of 5 °C for cooling‐based dehumidification in the traditional vapor compression 

system. This saves energy since reheating is not required and the increase in cooling coil temperature 

increases the system’s coefficient of performance (COP). 

AIL (2016) presented an innovative and highly effective integration of liquid desiccant into a vapor 

compression cycle. This system is the Liquid‐Desiccant Direct‐Expansion air conditioner (LDDX), which is 

especially suited for hot and moist outdoor conditions. The system is described as an efficient, high 

latent cooling system that can adjust its Sensible Heat Ratio (SHR) between 0.35 to 0.75 and still retains 

a high overall efficiency with minimal losses in its rated total cooling capacity. The electric efficiency 

stays close to its projected value of 11.4 EER. AIL stated that the LDDX system is the first embodiment of 

a compressor‐based liquid‐desiccant air conditioner in which a solution of lithium chloride floods the 

surfaces of the air conditioner’s evaporator and condenser providing direct contact between the 

desiccant and the air flowing through these two coils.  

 

Page 153: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 145 of 171 

  

 

Fig. 9.2.1:  Schematic of liquid desiccant aided vapor compression air conditioning, (Daou, 2006) 

 

Figure 9.2.2 (a) and (b) shows a 3D depiction of the LDDX system and a liquid desiccant flow diagram, 

respectively. Figure 9.2.2 (a) shows a strong desiccant applied to the top of a wicking‐fin evaporator and 

weak desiccant to the top of a wicking‐fin condenser.  The strong desiccant absorbs water vapor from 

the process air flowing through the evaporator.  The weak desiccant flowing off the evaporator is 

warmed in the interchange heat exchanger before it is delivered to the top of the condenser.  The heat 

rejected in the condenser further warms the weak desiccant which then desorbs water to the cooling air 

that flows through the condenser.  The warm, strong desiccant that flows off the condenser is cooled in 

the interchange heat exchanger before it is supplied to the evaporator. 

The essential characteristic of the LDDX is its ability to supply cool, unsaturated air without reheat.  

Whereas a conventional DX air conditioner without reheat might have a sensible heat ratio (SHR) of 

0.75, the LDDX can have an SHR as low as 0.35. The SHR adjustment is achieved by varying the amount 

of liquid desiccant that is recirculated over the evaporator.  Figure 9.2.2 (b) illustrates a diverting valve 

which controls the desiccant flow from the evaporator to the condenser. 

The essential characteristic of the LDDX is its ability to supply cool, unsaturated air without reheat and 

to avoid overcooling when the latent load is high, e.g. with low SHR. In applications where high dew 

point air is processed, for example Dedicated Outdoor Air Systems operating in humid locales, the most 

efficient cooling system would be a two stage system, with a first‐stage conventional DX air conditioner 

Page 154: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 146 of 171 

  

that delivers saturated, partly cooled air to a second‐stage LDDX, which dehumidifies the air. Such a two 

stage system in shown in Figure 9.2.2.  

 

 

 

(a)  3D‐rendering of the LDDX system  

Showing the refrigeration and liquid desiccant flow 

system 

(b)  Flow system of the liquid desiccant loop 

shoeing the diverting valve for SHR adjustment  

Figure 9.2.2: Description of the single stage LDDX system (AIL, 2016)  

 

Figure 9.2.3: Description of a two‐stage LDDX system (AIL, 2016) 

 

Page 155: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 147 of 171 

  

Sahlot (2016) discussed a liquid desiccant system which was combined with a vapor compression and 

demonstrates that such an integrated system can be highly efficient in space cooling with possible 

savings in primary energy of up to 50%. The COP of the system tested was 3.8, with a total cooling 

capacity of 6.15 kW, using 2.6 kW VCS. Lithium chloride was the liquid desiccant solution. Figure 9.2.4 

shows the schematic diagram. Strong solution from the tank is pumped and sprayed uniformly over the 

evaporator surface area. Process air is passed through the evaporator. The evaporator and desiccant are 

engaged in simultaneously cooling and dehumidifying the process air while the diluted desiccant 

solution is collected in the weak solution tank. The diluted solution is then pumped to absorb heat from 

the heat exchanger that uses the waste heat rejected from the condenser of the vapor compression 

system to preheat the diluted solution. A heating coil in the regenerator tank provides additional heat 

for regeneration.  

 

Figure 9.2.4: A schematic of hybrid desiccant‐assisted air conditioner,   (Sahlot, 2016)    

 

Kassel (2013) demonstrated a simple integration of a liquid desiccant dehumidifier into a vapor 

compression air‐conditioning cycle. The hybrid system is depicted in Figure 9.2.5.   

 

 

Page 156: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 148 of 171 

  

Such a system can succeed in obtaining high thermal performance and energy savings since waste heat 

is recovered internally and used for the desiccant regenerator to recover waste heat. Although the 

performance of the regenerator is not as good as the regenerator using the heating desiccant solution, 

this system uses free heat from waste hot air.  

In order to overcome intrinsic disadvantages of using waste heat, the author discusses the importance 

of identifying the optimum inlet parameters that drive the rate of evaporation of water vapor from the 

regenerated liquid desiccant, a was solution of CaCl2. The main inlet parameters considered are the inlet 

air temperature, solution flow rate, solution inlet concentration, airflow rate and humidity of inlet air. 

The author reported that the regeneration process is highly dependent on the air inlet temperature, 

humidity, and flow rate. An increases in air velocity from 0.5 to 1.5 m/s resulted in the overall mass‐

transfer coefficient in the structured packing dehumidifier and regenerator from 4.0 to 8.5 g/m2 s and 

from 2.0 to 4.5 g/m2 s, respectively. Higher solution temperature resulted in lower overall mass‐transfer 

coefficients.  

 

 

Figure 9.2.5: An energy‐efficient air conditioner with a desiccant solution regenerator using exhausted hot air from the condenser  (Kassel, 2013) 

 

Jradi and Riffat (2014) demonstrated the feasibility of desiccant supported air‐conditioning in a tri‐

generation system powered by biomass gasification.  The tri‐generation system used was a combined 

heating, cooling and power system, which was operated using gas turbine, internal combustion unit 

(Figure 9.2.6). Regeneration heat for the liquid desiccant was obtained from the waste heat of the gas 

turbine that ran with gasified biomass. 

 

Page 157: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 149 of 171 

  

 

 

 

Figure 9.2.6: An internal combustion‐based tri‐generation system with a biomass gasification unit, (Jradi and Riffat,  2014) 

 

 

9.3   Liquid Desiccant Cooling with Evaporative Cooling and Solar Energy 

Liquid desiccants perform the same basic function as their solid desiccant counterpart in integrated 

cooling applications with evaporative cooling. The main function is to regulate humidity levels of the 

supply air to the conditioned spaces. In climates with higher humidity levels, the effectiveness of 

evaporative cooling is impeded and, in the case of direct evaporative coolers, adding more moisture to 

the already humid outdoor air would create uncomfortable, or even unhealthy indoor conditions. This 

section presents several desiccant cooling systems where sensible load is removed by means of 

evaporative cooling. The systems are examples of basic systems designs. A very innovative and ground 

breaking approach to evaporative air‐conditioning is presented in the Chapter 9.4. The use of 

evaporative cooling in conjunction with liquid desiccant dehumidification will be illustrated with 

examples of solar and other heat sources for regeneration.  

The basic concept of liquid desiccant based evaporative cooling, either direct or indirect, is illustrated in 

Figure 9.3.1 and 9.3.2. Figure 9.3.1 illustrates the concept of liquid desiccant cooling, which is two‐stage 

process of removing sensible and latent loads. A mixture of outside and return air first passes through 

Page 158: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 150 of 171 

  

first stage which is the liquid desiccant dehumidifier where humidity is reduced. Then, in the second 

stage evaporative cooling reduces the air temperature, which means it reduces the outside air dry bulb 

temperature and the heat of absorption from the first stage desiccant dehumidification.  

 

 

Figure 9.3.1: Concept of liquid desiccant based evaporative cooling system), (Buker, 2015) 

 

Legend: 

 

Figure 9.3.2 illustrates the difference between direct and indirect evaporative cooling. The main 

difference being that direct evaporation increases the humidity in the air whereas the indirect process 

does not, since the heat transfer occurs through an impermeable membrane, such as a metal plate. For 

both types of evaporative cooling, however, the importance of the first stage dehumidification is that 

humidity levels are reduced so that evaporative cooling can be effective, especially in humid climate.    

The use of solar heat for regeneration is of significant importance and many system developments of 

liquid desiccants cooling use of solar or some other low grade waste heat source for desiccant 

regeneration.  Advantages of liquid desiccant applications using solar heat is pointed out by a number of 

researches and HVAC practitioners. For example, Enteria and Mizutani (2011) discussed that liquid 

desiccant regeneration can be accomplished with at a temperature as low as 40–50 °C, thus at 

temperatures that can be easily obtained by solar thermal devices, such as flat plate collector. That fact 

that regeneration temperatures can be below 80 °C is one of the most favorable features of the liquid 

desiccant systems. The authors state that carry‐over of desiccant droplets to the supply air is one of the 

main concerns of the liquid desiccant cooling systems. Liquid desiccant solutions are usually corrosive 

and simple handling of the working media is difficult. These design problems, however, are currently 

being solved thanks to fast technology advancement. The authors conclude that the potential of the 

liquid desiccant is remarkable.  

Page 159: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 151 of 171 

  

 

 

(a)  (b) 

(a) Indirect evaporative cooler has two air streams: the primary air stream is cooled by heat transfer over metal 

plates of an air‐to‐air heat exchanger and rejects heat to the secondary air stream, e.g. there is only heat 

transfer and no mass transfer (b) direct evaporative cooling has only one air stream: the secondary air stream 

has an adiabatically evaporation of water which results in significant temperature drop but also increase in 

humidity in the air stream; (b) direct evaporative cooler is cooled by  water vaporizing and lowering the 

temperature, but the humidity level of the primary air stream increases.  

Figure 9.3.2:  Concept of liquid desiccant based evaporative cooling system and illustration of direct and indirect 

evaporative cooling;   (Buker, 2015) 

 

Buker and Riffat (2015) discussed a solar liquid‐desiccant air conditioner (LDAC) coupled with a direct 

evaporative cooler for the climate in Queensland, Australia. The system is shown in Figure 9.3.3. The 

system used a high effectiveness cross‐flow polymer plate heat exchanger as an absorber. The liquid 

desiccant agent was a lithium chloride solution which was regenerated by using hot water derived from 

flat plate solar collectors. The process air was dehumidified by strong desiccant solution and then the 

warm and dry air was cooled and humidified through the direct evaporative cooler. The supply air was 

then provided to the conditioned space. The test results revealed that electrical COP of the system was 

around 6 with 3.5 kW electrical energy consumption and the effectiveness of the conditioner with the 

desiccant solution was about 82%. 

Buker and Riffat (2015) discussed a prototype of a solar driven liquid desiccant systems which was 

operated in the hot and humid tropical climate of Thailand. The system (Figure 9.3.4) used only solar 

energy for the regeneration of liquid desiccant. The authors pointed out that the system was capable of 

reducing the temperature by 1.2 °C and relative humidity by 11.1%. The reason for the limited 

performance was the performance of the conventional cooling tower.  Since the ambient air was humid, 

the cooling of process water in the cooling tower was only limited. 

 

Page 160: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 152 of 171 

  

 

Figure 9.3.3: 

Schematic diagram of 

the solar LDAC system 

in Queensland, 

Australia, (Buker and 

Riffat, 2013) 

 

 

 

Figure 9.3.4: Schematic diagram of the solar regenerated liquid desiccant system, (Buker and Riffat, 2015) 

 

Das et al (2013) presented a small capacity solar liquid desiccant cooling prototype system which was 

tested in the laboratory (See Figure 9.3.5). One of the main differences to other liquid desiccant cooling 

Page 161: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 153 of 171 

  

systems was the intent to avoid carry‐over of liquid desiccant solutions to the supply air. The system 

provided 100% outdoor air and consisted of a dehumidifier or absorber (b), a regenerator or desorber 

(i), an indirect evaporative cooler (d), a cooling tower (f), two water‐solution heat exchangers (g, j), and 

one solution to solution heat exchanger (h). Hot and humid ambient air (a) entered the unit and passed 

through a dehumidifier (b). In the dehumidifier (also called an absorber), concentrated liquid desiccant 

absorbed water vapor from the process air. The air and the liquid channels were separated by 

semipermeable microporous membranes. Therefore, only the water vapor passed through the 

membranes into the liquid desiccant when the vapor pressure of the air exceeds that of the liquid 

desiccant. The authors emphasized that indirect contact between desiccant and air stream in the 

dehumidifier eliminates carryover of the liquid desiccant into the supply air. 

Downstream, the dehumidified air was first cooled by a fin‐tube air‐water heat exchanger and an 

indirect evaporative cooler (d) and then supplied to the room via a fan (e). The indirect evaporative 

cooler used part of the dehumidified process, while the recirculated air got humidified and exhausted to 

the atmosphere. Moisture‐laden dilute desiccant from the dehumidifier was preheated in the solution 

heat exchanger (h) by recovering heat from the hot concentrated desiccant leaving the regenerator and 

stored in a tank (o). The preheated dilute desiccant was then pumped to the plate heat exchanger (j) 

where it was further heated by hot water. Water was heated in solar collectors (k) (Evacuated tube 

Collectors, Heat Pipe Collectors) and stored in a hot water storage tank (l). The hot dilute desiccant 

flowed through the regenerator (i), where it released water vapor to the air stream owing to the vapor 

pressure difference. The concentrated desiccant from the regenerator was stored in a tank (n) and then 

precooled in the solution‐solution heat exchanger (h). The solution was then pumped to the plate heat 

exchanger (g) where it was cooled by water from the cooling tower. Cooling increased the vapor 

pressure difference between air and concentrated desiccant, resulting in higher dehumidification 

efficiency. Das et al (2013) stated that the system performances need some further optimization to 

lower thermal and pressure losses.  

Since the liquid desiccant cooling is well suited for air at higher humidity level, air at lower humidity 

levels does not necessarily need dehumidification upstream of the evaporative cooler to function 

effectively. The level of humidity in the air can either by a characteristic of region or of season. For 

instance, a region with constantly high humidity levels in the summer or during periods in the year could 

have dryer air conditions for the rest of the year. These changes would require that the liquid desiccant 

systems are suitable to adjust for different outdoor air conditions. Kim et al (2014) discussed an air 

conditioning system which offered flexibility by engaging the different main systems components. 

 

Page 162: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 154 of 171 

  

 

Figure 9.3.5: Prototype of solar liquid desiccant cooling prototype system  (Das, 2013) 

 

Kim et al (2014) discussed the performance enhancement of an indirect and direct evaporative‐cooling‐

assisted 100% outdoor air system (IDECOAS) by a liquid desiccant dehumidification unit. The authors 

called the liquid desiccant enhanced IDECOAS the LD‐IDECOAS. The authors state that prior studies had 

indicated that an IDECOAS could save as much as 50% of the energy requirement for a conventional 

variable air volume (VAV) system. However, during a hot and humid summer, the energy savings 

potential of the IDECOAS was significantly reduced by the low process effectiveness of the evaporative 

cooling units. A desiccant system to precondition the incoming outdoor air upstream of the IDECOAS 

was added to mitigate high humidity effects on the evaporative coolers. Figures 9.3.6 through 9.3.8 

show the system configurations that were used in comparing the annual performance of the 

conventional VAV, the IDECOAS and the LD‐IDECOAS, respectively.  

Page 163: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 155 of 171 

  

 

Figure 9.3.6:  Schematics of a conventional VAV system used in system comparison (Kim et al, 2014) 

  

 

Figure 9.3.7:  Schematics of IDECOAS used in system comparison (Kim et al, 2014) 

 

 

Figure 9.3.8:  Schematics of LD‐IDECOAS used in system comparison (Kim et al, 2014); colored system components refer to four regions in psychrometric chart shown in Figure 9.3.10 

Page 164: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 156 of 171 

  

Kim et al (2014) stated that both solid and liquid desiccant systems could be used to dehumidify the 

outdoor air flow. The authors, however, suggested that liquid desiccant system can provide deeper 

dehumidification with less regeneration energy consumption compared to solid desiccants. Additional 

benefits of the liquid desiccant included less fan energy due to lower pressure drops in the airside of the 

system, and the ability to use solar derived regeneration heat for the desiccant.  

 

Figure 9.3.9:  Liquid desiccant sub‐system of the LD‐IDECOAS (Kim et al, 2014) 

 

The LD‐IDECOAS shown in Figure 9.3.8 consists of an indirect (IEC) and direct (DEC) evaporative cooler 

and a liquid desiccant system for dehumidification of the process air. The liquid desiccant loop is 

depicted in Figure 9.3.9. The heat of regeneration of the liquid desiccant units can be derived from a 

range of heat sources, including solar heat or low grade waste heat. In order to achieve an enhanced 

cooling effect in the IEC, the exhaust air can be supplied into the secondary side of the IEC when the 

exhaust air has a lower wet bulb temperature than the outdoor air. The heating coil (HC) and sensible 

heat exchanger (SHE) are located at the exhaust air side to maintain adequate temperature set points 

during periods when no cooling was needed. The supply air flow rate was modulated on the basis of the 

air‐conditioning load of the conditioned zones, in the same way as in a conventional VAV systems. 

Figure 9.3.10 shows a psychrometric chart which the authors divided into four regions. These four 

regions represented either different climate zones or different phases during the annual climate cycle at 

a particular location. Within the four regions the components of the system would operate at different 

levels or would be turned off or on or they would be bypassed. Table 9.3.1 summarizes how the main 

system components of direct and indirect evaporative coolers and the liquid desiccant unit would 

operate. The authors concluded from their system analysis that all different system operating settings 

(e.g. Regions A through D) performed well with different components on or off and that the required 

supply air temperature and humidity could be continuously maintained. The results indicated that on an 

annual level the LD‐IDECOAS resulted in a 64% energy savings relative to the conventional VAV system. 

By using solar heat for the desiccant regeneration would enhance the energy savings further. The 

Page 165: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 157 of 171 

  

authors point out that the use of the liquid desiccant systems resulted in a 23% annual energy reduction 

over the IDECOAS system (e.g. without dehumidification) due to the increased effectiveness of the 

evaporative cooling process. While the energy savings are higher in the LD‐ IDECOAS than in the 

IDECOAS, in very humid conditions the LD‐ IDECOAS would be required to provide suitable indoor 

humidity levels, since the IDECOAS would not be able to provide such humidity levels. Figure 9.3.11 

suggest additional system improvements of the LD‐IDECOAS could include the use of solar heat and 

cooling tower for the liquid desiccant system.  

 

Figure 9.3.10: Four regions of performance of the LD‐IDECOAS (Kim et al, 2014) 

 

 

Table 9.3.1:  Modes of operation of LD, DEC and IEC in four regions of psychrometric chart, (Kim et al, 2014) 

 

Page 166: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 158 of 171 

  

 

Figure 9.3.11: LD‐IDECOAS with thermal components added  (Kim et al, 2014) 

 

9.4  Desiccant Enhanced Evaporative Air‐Conditioning 

This section is dedicated to the discussion of a recent desiccant cooling systems development by 

National Renewable Energy Laboratory (NREL) which AC‐system developers called nothing short of 

“revolutionary AC‐technology” (MIT Technology Review, 2016).  

The system is referred to as DEVAP, from Desiccant Enhanced Evaporative Air Conditioning. As discussed 

in Section 9.3 the thermodynamic performance of evaporative cooling is impeded in humid weather and 

adding desiccants to dehumidify the supply air to the evaporative coolers can rectify this shortcoming. 

The DEVAP technology solves the combined desiccant dehumidification and evaporative cooling by using 

membrane technology that separates desiccant from air travelling through the process vessel. The 

polymer membrane used in the process has pores about 1 micrometer to 3 micrometers in diameter, big 

enough that water vapor passes through easily while the salty liquid cannot pass through it. The 

membrane material is also coated with a Teflon‐like substance to repel liquid water. The desiccant pulls 

moisture from the airstream, leaving dry, warm air. This dry and warm air stream enters a second 

channel, where water evaporates indirectly to cool a secondary airstream, which in turn cools the first 

airstream. The result is cool and dry air. 

Page 167: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 159 of 171 

  

Kozubal et al (2011), who are the inventor of the DEVAP process, discussed that simply combining 

desiccant‐based dehumidification and indirect evaporative cooling technologies is feasible, but has not 

shown promise because the equipment is too large and complex. The DEVAP technology provides a 

single cooling core, evaporative and desiccant cooling, which makes the system easier to install and 

operate and renders dehumidification many times more efficient. The authors claimed that due to the 

DEVAP technology of using membranes, the system solves the important issues of eliminating desiccant 

entrainment into the airstream. When an additional water containment is used wet surfaces are 

eliminated, which prevents bacterial growth and mineral buildup, therefore avoiding cooling core 

degradation. 

DEVAP decouples cooling and dehumidification performance, which results in independent temperature 

and humidity control. The energy input is largely switched away from electricity to low‐grade thermal 

energy including waste heat, solar, or biofuels. Thermal energy consumption correlates directly to the 

humidity level in the operating environment. The authors suggested that yearly combined source energy 

savings can be as high as 90% for dry climate and about 30% for very humid climate. The authors further 

pointed out that liquid desiccant technology is a new science with unpracticed technology 

improvements that can reduce energy consumption an additional 50%.  

The DEVAP technology builds on the previously developed liquid‐desiccant‐based A/C (LDAC) technology 

by an industry partner of NREL. In this particular LDAC process liquid desiccant is absorbed into the 

conditioner (absorber) where the inlet ambient air is dehumidified. The liquid desiccant is regenerated 

in the regenerator (desorber) where the water vapor desorbs into the exhaust air stream. This process is 

called low flow liquid desiccant A/C, because the desiccant flow is minimized in both heat and mass 

exchangers to the flow rate needed to absorb the necessary moisture from the air stream. The heat and 

mass exchangers must therefore have integral heating and cooling sources (55 F –85 F cooling tower 

water is supplied to the conditioner). The regenerator uses hot water or hot steam at 160°–212 F.  

The DEVAP enhancements to the LDAC system is illustrated in Figure 9.4.1. The figure depicts how the 

DEVAP cooling core enhances the already developed LDAC technology and converts it from a dedicated 

outdoor air system to an air conditioner that performs space temperature and humidity control and 

provides all the necessary ventilation air. DEVAP can be configured to provide 30% ‐ 100% outdoor air. 

As a further significant advantage the DEVAP system does not require a cooling tower, which reduces 

maintenance requirements. Figure 9.4.1 illustrates the three basic ways to regenerate the desiccant 

system with a thermal source: solar, water heater, and a double effect. The water heater or boiler can 

be fueled by many sources, including natural gas, combined heat and power (CHP), or even biofuels. 

 

Page 168: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 160 of 171 

  

 

Figure 9.4.1:  DEVAP enhancement for LDAC, (Kozubal et al, 2011) 

 

   

Page 169: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 161 of 171 

  

Figure 9.4.2 illustrates, and the following steps describe the physical DEVAP process: 

1. Ventilation air [1] and warm indoor air [2] are mixed into a single air stream. 

2. This mixed air stream (now the product air) is drawn through the top channel in the heat exchange pair. 

3. The product air stream is brought into intimate contact with the drying potential of the liquid desiccant [d] through a vapor‐permeable membrane [e]. 

4. Dehumidification [ii] occurs as the desiccant absorbs water vapor from the product air. 

5. The product air stream is cooled and dehumidified, then supplied to the building space [3]. 

6. A portion of the product air, which has had its dew point reduced (dehumidified), is drawn through the bottom channel of the heat exchange pair and acts as the secondary air stream. 

7. The secondary air stream is brought into intimate contact with the water layer [c] through a vapor‐permeable membrane [b]. 

8. The two air streams are structurally separated by thin plastic sheets [a] through which thermal energy flows, including the heat of absorption [i]. 

9. Water evaporates through the membranes and is transferred to the air stream [iii]. 

10. The secondary air stream is exhausted [4] to the outside as hot humid air. 

 

 

Figure 9.4.2: Physical DEVAP concept description, (Kozubal et al, 2011) 

 

Figure 9.4.2 indicates the use of two types of membranes, the water‐side and the desiccant‐side 

membranes.   The desiccant‐side membrane is necessary to guarantee complete containment of the 

desiccant droplets, which thus prevents desiccant leaks and entrainment into the air stream. The water‐

side membrane is part of the original DEVAP concept, but is not a necessary component. Its advantages 

are complete water containment and dry surfaces, which are made completely of plastic and resist 

biological growth. 

Page 170: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 162 of 171 

  

Kozubal (2013) provided an illustrated DEVAP heat and mass flow process which is depicted in Figure 

9.4.3. From the psychrometric performance the process has the significant advantage that the 

achievable dry bub temperature is not limited by the wet bulb temperature at saturation but rather by 

the dry bulb temperature of the air. This characteristic is comparable with the M‐cycle evaporative 

cooling which was discussed in Section 7.  

 

 

(a)   Physical heat and mass flow diagram for DEVAP process  The locations in the schematics correspond to the state point in the psychrometric chart  

 

(b)   Psychrometric chart with state point for DEVAP process 

Figure 9.4.3: Thermal performance of the DEVAP process, (Kozubal, 2013) 

 

Page 171: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 9 ‐ LIQUID DESICCANT COOLING SYSTEMS

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 163 of 171 

  

Kozubal et al (2011) presented possible DEVAP installations in residential and commercial buildings. 

Figure 9.4.4 illustrates proposed generic DEVAP implementations in residential and commercial building 

implementations. In both cases solar heat is used for all or a major part of the desiccant regeneration.  

 

 

 

 

In a residential applications DEVAP performs the following functions: 

Air conditioner with independent temperature and 

humidity control 

Dedicated dehumidifier 

Mechanical ventilator 

In commercial applications DEVAP units would be installed as roof top units (RTU). There are several options desiccant regeneration heat sources, such as:  

Natural gas only 

CHP with or without natural gas backup 

Solar heat with or without natural gas backup. 

The figure above shows DEVAP system with a solar and CHP options.  

Figure 9.4.4: Example of commercial and residential installation of DEVAP A/C, (Kozubal et al, 2011) 

 

 Kozubal et al (2011) performed a simplified cost analysis for a typical commercial DEVAP installation, 

which assumed monthly electricity and natural gas costs, but did not include time‐of use electricity 

costs, such peak power. Because electric power draw is a main concern of commercial peak 

consumption, inclusion of time of use costing would increase electricity costs and therefore savings, 

thus improve the economics of DEVAP applications. A 15‐year present value analysis suggested a 28% 

and 39% internal rate of return (IRR), for the humid Houston and dry Phoenix climate, respectively.  

Page 172: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 10 ‐ GENERAL FINDINGS OF THE LITERATURE REVIEW

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 164 of 171 

  

SECTION 10 ‐ GENERAL FINDINGS OF THE LITERATURE REVIEW  

The main findings of this literature and technology review are as follows: 

 

The basis for dehumidification is described by means of psychrometric properties which can be 

readily used to describe the heat and mass transfer of dehumidification of air. 

There are two major forms of dehumidification, cooling based and desiccant humidification, 

which are used for most air drying applications. There are some specialized dehumidification 

using pressure and electricity as the driving forces to remove water, but these applications are 

not used on a greater scale and are not discussed in this literature and technology review.     

Cooling‐based dehumidification cools the moist air to below dew point and induces 

condensation of the water vapor phase, thereby removing the moisture from the air. Cooling‐

based dehumidification can only dry air to a dew point that corresponds to the freezing 

temperature of water, since at temperatures below freezing, the cooling coils generate ice and 

the process is no longer effective.  

Desiccant dehumidification removes water vapor through absorption into liquid desiccants or 

adsorption to a solid desiccant material. The desiccant material takes up water vapor due to 

differences in vapor pressure of the desiccants and the air to be dehumidified. Desiccants can 

reach lower dew point temperature than cooling‐based dehumidification.     

Cooling‐based dehumidification in building conditioning has lower first costs than desiccant 

dehumidification, and therefore cooling‐based dehumidification systems are mostly used. The 

potential advantages of lower operating cost through desiccants have not been a strong enough 

incentive to increase the market share of desiccants in building dehumidification.      

Desiccant dehumidification has its roots in specialized industrial and commercial applications. 

Desiccants are used in a wide range of applications to mitigate negative effects of humidity in 

products and processes. Typically, in their usual industrial or commercial applications desiccants 

are develop for specific applications and are sold for a dedicated market segment.  

Desiccant dehumidification has been used in conjunction with building air‐conditioning systems 

for several decades. While there were a limited number of liquid desiccant air‐condition 

applications, the vast majority of working desiccant systems in buildings are using solid 

desiccant material.     

Desiccant dehumidification units have been added to conventional vapor compression air 

condition systems in efforts to increase the energy efficiency of the overall system and utilize 

heat and humidity sinks for energy recovery.  

Page 173: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 10 ‐ GENERAL FINDINGS OF THE LITERATURE REVIEW

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 165 of 171 

  

Over the past 20 years there has been increasing interest to use desiccant dehumidification as a 

way to achieve separation of the three basic air‐conditioning functions, which are sensible 

cooling, latent heat removal and space ventilation. The typical cooling‐based air‐conditioning 

combines these three functions, however, it is next to impossible to optimize all three in one 

system setting, because building and climate conditions may require one function to dictate the 

performance envelope of the overall system. For example, in humid climates, the requirement 

to remove latent heat often results in overcooling of the spaces since sensible heat removal 

would require less cooling capacity than has to be supplied for humidity control. In such cases, 

separating the three basic functions of air‐conditioning systems would provide ample 

opportunity for effective system optimization. 

When desiccants are used for humidity control, the sensible heat removal can be carried out at 

above dew point set‐points, which avoids overcooling and results in more energy effective use 

of the space and building conditioning system. Providing sensible cooling at a higher 

temperature than the below dew point temperature of a conventional vapor compression AC 

system increases the coefficient of performance of the vapor compressor.   

When desiccants take up moisture, they become saturated as the water vapor pressure in the 

desiccant material approaches the water vapor pressure in the air stream. At that point in the 

process, the water in the desiccant has to be removed by applying heat, in order to establish a 

water vapor pressure differential that drives the desorption process. Depending on the type of 

desiccant material there are several different of heat sources that can be used for desiccant 

regeneration, such as high grade (steam, natural gas burners) and low grade (solar, waste 

process heat) heat sources.   

When desiccants are used in system integration with dedicated sensible heat removal, the term 

“desiccant cooling” is often used. This term indicates that latent loads in the moist air are 

removed by desiccants, while the sensible heat removal can be carried out by a range of cooling 

technologies, including conventional and alternative cooling methods. Alternative cooling 

methods can include open‐cycle evaporative cooling, closed‐cycle adsorption and absorption 

and magnetic refrigeration.  

Typically, conventional evaporative cooling works effectively only in low‐humidity climates. In 

moist, high humidity climates, the high humidity level impedes the cooling effectiveness of 

water vaporization. If desiccants are used upstream of evaporative cooling devices, evaporative 

cooling can also be used in moist climates. This opens up a significant market for evaporative 

cooling also in the tropics and sub‐tropics, with their hot and moist climates.  

Evaporative cooling works either in a direct or indirect mode. In the direct mode water is 

sprayed into the air stream adiabatically reducing the dry bulb temperature of the air stream. As 

a side effect the humidity increases in the airstream since water vapor is generated through 

Page 174: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

SECTION 10 ‐ GENERAL FINDINGS OF THE LITERATURE REVIEW

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 166 of 171 

  

vaporization. In the indirect evaporative cooling mode, the air stream to the conditioned spaces 

is cooled through air‐to‐air heat exchange with a secondary air stream which experiences 

evaporative cooling. The advantage of indirect evaporative cooling is that no additional humidity 

is added to the primary air stream. The disadvantage is additional heat transfer steps, with 

unavoidable heat losses.  

The literature and technology review reports on a recently developed enhanced indirect 

evaporative cooling technology, called the M‐cycle, which is based on a so‐called dew‐point 

reduction process. This innovative indirect evaporative cooling technology provides chilled 

water at near to dew point rather than wet point temperatures, even when working with high 

humidity air. This increased range of application of evaporative cooling effectiveness could open 

up new and energy efficient thermal cooling applications.   

While, generally, solid desiccants were used for the design of desiccant supported evaporative 

cooling, there has been a significant interest in the use of liquid desiccant systems in the past 10  

years. Liquid desiccant systems typically require lower regeneration temperatures than solid 

desiccants. This makes them more suitable for the use with low grade heat sources, such as 

solar and waste heat from processes (e.g. combined heat and power systems). In addition, liquid 

desiccant systems can avoid significant energy for fans, and these systems are usually 

significantly smaller and allow for a more space efficient installation arrangement of the 

equipment. The significant disadvantage of liquid desiccants is that concentrated desiccant 

solutions can be very corrosive and need specialized handling. Another operational difficulty is 

the possibility of liquid desiccant solution entrainment into the process air. The literature and 

technology review identified technology development efforts to overcome these drawbacks of 

liquid desiccant systems.  

A recently developed integrated liquid desiccant and evaporative cooling process is the DEVAP 

technology, which has been called a “breakthrough cooling technology”. The DEVAP system 

solves many performance problems of earlier liquid desiccant cooling systems and provides a 

compact core cooling device that can be used in residential and commercial applications. The 

system uses innovative membrane technology which contains the desiccant and avoids 

entrainment into the process air stream. The thermal performance of the system offers a high 

coefficient of performance. The system can be used in high humidity climate through a dew‐

point reduction process, similar to the M‐cycle.     

The conclusions of this literature and technology review are used to identify candidate desiccant 

cooling systems for which the feasibility for Hawaii’s climate is assessed in the second part of 

this project.  

 

 

Page 175: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

REVIEWED LITERATURE

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 167 of 171 

  

REVIEWED LITERATURE  

Abdulrahman, M., et al. (2013) "Historical review of liquid desiccant evaporation cooling technology", 

Energy Build. 67 (2013). 

AIL (2016) "Compressor Based Liquid Desiccant Air Conditioner", Ail Research Inc., http://ailr.com/our‐

technology/lddx‐compressor‐based‐liquid‐desiccant‐air‐conditioner/ accessed may 20156 

Air Conditioning, Heating and Refrigeration (ACHR) NEWS (2016)  "BSRIA World Air Conditioning Market 

Trends Reveal Increased Sales Worldwide", http://www.achrnews.com/articles/127385‐global‐ac‐

market‐starting‐to‐warm‐up;  accessed March 2016 

Archibald, J.  (2001) "A New Desiccant Evaporative Cooling Cycle for Solar Air Conditioning and Hot 

Water heating ", American Solar Roofing Company  

ASHRAE (2009) “ASHRAE Handbook—Fundamentals”, American Society of Heating, Refrigerating and 

Air‐Conditioning Engineers 

Armstrong, P.R. and Brusewitz, G. H. (1984) "Design and Testing of a Liquid Desiccant Dehumidifier", 

TRANSACTIONS of the American Society of Agricultural Engineers (ASAE_ —1984 

Arsenault,R. (2016) "History of Air Conditioning", 

http://allsands.com/History/Objects/airconditioning_vsb_gn.htm, accessed May 2016 

Bargman, R. (2016) "Adsorption vs. Absorption Chillers: Applications and Use Overview", 

http://hubpages.com/education/Adsorption‐vs‐Absorption‐Chillers‐Applications‐Use‐Overview, 

accessed April 2016 

Bartow, Robert (1982) "Analysis of the Adsorption Process and of Desiccant Cooling Systems ‐ A Pseudo‐ 

Steady‐State Model for Coupled Heat and Mass Transfer", Solar Energy Research Institute (SERI), 

Prepared Under Task No. 1131.00 and l f 32.11 

Brunauer, S.,E et al (1938) "Adsorption of gases in multimolecular layers", J. Am. Chem. Soc. 60 (1938) 

309–316 

Carnegie Mellon University (2016) "Active Desiccant Dehumidification Module", 

http://www.cmu.edu/iwess/components/ventilation/Equipment/REV_2250/active‐desiccant‐

dehumidification‐module.html, Accessed March 2016 

Collier, R.K.(1989) "Desiccant Properties and Their Effect on Cooling System Performance," ASHRAE  

 Transactions 1989, Vol. 95, Pt.1. 

Page 176: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

REVIEWED LITERATURE

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 168 of 171 

  

Collier, R. et al (1981) "An Overview of Open‐cycle Desiccant cooling systems and Materials", JOURNAL 

OF  SOLAR  ENERGY ENGINEERING 

Cooltech (2016) "Magnetic Refrigeration System", http://www.cooltech‐applications.com/, accessed 

April 2016 

Daou, K., et al (2005) "Desiccant cooling air conditioning: a review", Renewable and Sustainable Energy 

Reviews, 10 (2006) 55–77 

Das, R.S., et al (2013) "Investigations on solar energy driven liquid desiccant cooling systems for tropical 

climates”, Proceedings of the 50th Annual Conference, Australian Solar Energy Society, Melbourne, 2012 

Energy Center of Wisconsin (ECW) (2000) "Desiccant Dehumidification Systems", 

https://www.seventhwave.org/sites/default/files/430‐1.pdf, accessed March 2016 

EERE (2016) "Absorption Cooling Basics", (Energy.gov, Office of Energy Efficiency & Renewable Energy 

(EERE), http://energy.gov/eere/energybasics/articles/absorption‐cooling‐basics, accessed April 2016 

Enteria, N. and  Mizutani, K. (2011) "The role of the thermally activated desiccant cooling technologies in 

the issue of energy and environment", Renew. Sustain. Energy Rev. 15 (4) 

ES Magazine (2016) "Liquid Desiccant Dehumidification", Engineered Systems Magazine, May 1, 2010 

Farag, H., et al  (2011) "Natural gas dehydration by desiccant materials", Alexandria Engineering Journal,  

50,  Alexandria University 

Fischer, J.C., Sand, J.R., Elkin, B. and Mescher, K. (2002) “Active desiccant, total energy recovery hybrid 

system optimizes humidity control, IAQ, and energy efficiency in an existing dormitory facility”. ASHRAE 

Transactions, 108 (Part 2), pp. 537‐545. 

Foo, K.Y.; Hameed, B.H. (2010). "Insights into the modeling of adsorption isotherm systems". Chemical  

Engineering Journal 156 

GAS TECHNOLOGY INSTITUTE (2010) "Maisotsenko Cycle Enhanced Cooling Towers", 

http://www.gastechnology.org/Expertise/Documents/EndUse‐Cooling‐Towers‐Brochure‐Sep2010.pdf, 

accessed May 2016 

Greenchiller (2016) "green Adsorption chillers", http://www.greenchiller.biz/ , accessed April 2016 

Green Cooling Initiative, GCI (2016) website http://www.green‐cooling‐initiative.org/, accessed March 

2016 

Page 177: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

REVIEWED LITERATURE

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 169 of 171 

  

Hariharan, S. (2014) "The Effect of Air Velocity in Liquid Desiccant Dehumidifier Based on Two Phase 

Flow Model Using Computational Method", International Journal of Emerging Engineering Research and 

Technology, Volume 2, Issue 7, October 2014 

Harriman, L.G. (2002)"The Dehumidification Handbook, Second Edition", Munters Corporation, 

AMESBURY, MA 

Harriman, L.G. et al (1997) "Dehumidification and Cooling Loads From Ventilation Air", ASHRAE Journal,  

November, 1997 

InvenSor (2016) "Adsorption Chillers, Product description", 

http://www.invensor.com/en/products/ltc30e‐hi‐efficiency‐chillers.htm , InvenSor GmbH, Berlin, 

Germany 

Jalalzadeh‐Azar, A. (2005) "Thermally Activated Desiccant Technology for Heat Recovery and Comfort", 

National Renewable Energy Laboratory, ASME Advanced Energy Systems Division Newsletter, Fall 2005  

Jradi, M. and Riffat, S. (2014) "Tri‐generation systems: energy policies, prime movers, cooling 

technologies, configurations and operation strategies" Renew Sustain Energy Rev 2014;32:396–415. 

Jradi, M. and Riffat, S. (2014B) "Experimental investigation of a biomass‐fueled micro‐scale tri‐

generation system with an organic Rankine cycle and liquid desiccant cooling unit", Energy, Volume 71, 

15 July 2014 

Kammers, Brian (2010) "HVAC Innovation", Energy & Storage Development Conference, Minneapolis, 

September 2010 

Kassem, T. (2013) "Solar Powered Dehumidification Systems Using Desert Evaporative Coolers: Review", 

International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), Volume‐3, Issue‐1, October 2013 

Kim, M.H., et al (2014) "Annual operating energy savings of liquid desiccant and evaporative‐cooling‐

assisted 100% outdoor air system", Energy and Buildings 76 (2014) 538–550 

Kolewar, A. et al (2014) "Feasibility of Solar Desiccant Evaporative Cooling: A Review", International 

Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 10, October‐2014     

Kozubal, E. et al (2011) "Desiccant Enhanced Evaporative Air‐Conditioning (DEVap): Evaluation of a New 

Concept in Ultra Efficient Air Conditioning", Technical Report NREL/TP‐5500‐49722 

Kozubal, E. (2013) "Seminar 14 – Desiccant Enhanced Air Conditioning Desiccant Enhanced Evaporative 

Air Conditioning", NREL 2013 Winter Conference, Dallas, Texas 

Page 178: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

REVIEWED LITERATURE

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 170 of 171 

  

Kuba J. and Ota J. (2006) "Magneto‐caloric effect in refrigeration technology", Department of Fluid 

Dynamics and Power Engineering, CTU, Prague, Tchech Republic   

Lowenstein, A. et al (1998) "Advanced Commercial Liquid‐Desiccant Technology Development Study", 

National Renewable Energy Laboratory (NREL) 

Mei,V.C. et. al.  (1992) "An Assessment of Desiccant Cooling and Dehumidification Technology", OAK 

RIDGE NATIONAL LABORATORY 

Misha, S., et al  (2012) Review of solid/liquid desiccant in the drying applications and its regeneration 

methods. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 4686–4707. 

MIT Technology Review (2016) "An energy saving air conditioner", 

https://www.technologyreview.com/s/419396/an‐energy‐saving‐air‐conditioner/, accessed May 2016. 

Netušil, M. and Ditl, P. (2012) "Natural Gas Dehydration", Czech Technical University in Prague, Faculty 

of Mechanical Engineering, Department of Process Engineering 

Ng, H. et al (2001) "Experimental investigation of the silica gel –water adsorption isotherm 

characteristics", Applied Thermal Engineering 21 (2001). 

O’Handley, R. (2004) "Magnetic Refrigeration, A Chilling Attraction: An Evaluation of Recent Materials 

and Technological Developments", Department of Materials Science & Engineering, Massachusetts 

Institute of Technology 

Parmar, H. and Hindoliya, D.A. (2011) "Desiccant Cooling System for Thermal Comfort: A Review", 

International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST) 

Pesaran, A. and Hoo, E.  (1993) "Study of Parameters Affecting the Performance of Solar Desiccant 

Cooling Systems", Solar 93, ASME/IASES Joint Solar Energy Conference, Washington, D.C.,April 22‐28, 

1993 

Pesaran, A. (1993) "A Review of Desiccant Dehumidification Technology", Energy Efficient Humidity 

Control for Commercial and Institutional Buildings Conference, New Orleans, Louisiana June 2‐3, 1993 

Ramzy A., et al (2015) "Experimental Procedure to Develop the Isotherm Equation for Moisture 

Adsorption on Silica Gel Particles", Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology 

(JMEST), Vol. 2 Issue 1, January ‐ 2015 

Ruivo, C. et al (2011) "Heat and Mass Transfer in Desiccant Wheels", in Advanced Topics in Mass 

Transfer, Mohamed El‐Amin (editor)  

Sakraida, V. (2016) "Basics for Absorption Chillers", Engineered Systems, March 2009 

Page 179: Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative · Hawaii Energy and Environmental Technologies (HEET) Initiative Office of Naval Research Grant Award Number N0014-11-1-0391

FINAL  Assessment of Desiccant Dehumidification – Literature and Technology Review

REVIEWED LITERATURE

  

 

RCUH P.O. #Z10117197                                                                         Project Deliverable No.2.:  Literature and Technology Review Hawaii Natural Energy Institute                                                                                                       Sustainable Design & Consulting LLC 

July 9,  2016                                                                                                                                                                  Page 171 of 171 

  

San et al. (2002) "Validity of solid‐side mass diffusivity in simulation of water vapor adsorbed by silica gel 

in packed beds", International Journal of Thermal Sciences 41 (2002). 

Saudagar, R. T. (2013) "A Review of Emerging Technologies for Solar Air Conditioners", International 

Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, Vol.2, Issue 6, June 2013   

Sahlot, M. and  Riffat, S. (2016) "Desiccant cooling systems: a review", International Journal of Low‐

Carbon Technologies 2016, 0, 1–17 

SOLAIR (2009) "Absorption Chillers", http://www.solair‐project.eu/143.0.html, accessed May 2016 

Sorbent Systems (2016) "Desiccant Chart Comparisons", 

https://www.sorbentsystems.com/desiccants_charts.html , accessed March 2016 

Staton, J. (1998) "Heat and Mass Transfer Characteristics of Desiccant Polymers", Virginia Polytechnic  

Institute and State University 

Sultan, M. et al (2015) "An overview of solid desiccant dehumidification and air conditioning systems",  

Renewable and Sustainable Energy Reviews 46 (2015) 16–29 

The Engineering Tool Box (2016), various definitions and parameters, 

http://www.engineeringtoolbox.com,  accessed February to March 2016 

Thermax (2016) "Hot Water Driven Vapor Absorption Machine", Thermax Ldt. Pune, India 

TRANE (2005) "Advances in Desiccant‐Based Dehumidification", Trane engineers newsletter volume 34 –

4, 2005 

TRANE (2016) “Absorption Liquid Chillers”, http://www.trane.com/commercial/north‐

america/us/en/products‐systems/equipment/chillers/absorption‐liquid‐chillers.html, accessed April 

2016 

Xing, Hwlen (2000) "Desiccant Dehumidification Analysis", Massachusetts Institute of Technology, 

Cambridge, Massachusetts   

Zhai, C. et al (2008) "Performance Modelling of Desiccant Wheels", Proceedings of ES2008, Energy 

Sustainability 2008, Jacksonville, Florida USA