活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附制冷用于制冰機

　　吸附制冷系統生產冰被認為是一種有前途的可持續解決方案，適用于這些系統可以直接由低品位熱能源驅動的許多應用。此外，水、甲醇和乙醇等天然制冷劑被用作吸附制冷系統中的工作流體，可以減少對全球變暖潛勢較高的制冷劑的依賴。吸附式制冷系統是新興的脫碳技術之一，可以使用環保的熱源和工作流體。活性炭基復合吸附劑是吸附制冰系統常用的材料，可以從不同的來源獲得，但是對活性炭的指標有一些硬性要求。本次使用活性炭加石墨烯納米材料合成的材料來測試活性炭吸附制冷的效果。

　　吸附制冷的方法

　　吸附制冰系統的兩床配置來檢查使用50%活性炭、10%聚乙烯醇和40%石墨烯納米片的復合吸附劑。制冰可以通過循環乙二醇來完成，乙二醇在-2℃下進入吸附制冷的蒸發器，并帶有外部制冰塊，如圖1所示。復合活性炭吸附劑應用于吸附床中普通銅管的外表面上，加熱和冷卻流體被泵入管內。加熱和冷卻水在四個過程(預熱、解吸、預冷和吸附)之間在兩個床之間切換，完成一個床循環。根據操作模式，切換閥用于將蒸發器和冷凝器與吸附床連接起來。

　　圖1：用于制冰的活性炭吸附系統示意圖。

　　制冷數值模擬

　　活性炭復合吸附劑的壓力和溫度決定了平衡吸收，它代表了在給定時間分別在吸附和解吸階段可以達到的最大和最小吸收容量。然而，顆粒內和顆粒間的傳質阻力表明吸附材料在每種給定情況下可以多快達到其平衡吸收能力。這突出了在本研究中同時求解兩種傳質機制與其他控制方程的重要性，以顯示促進傳熱對傳質的凈效應。圖2顯示了在430秒循環時間內，考慮到預熱和預冷階段均為30秒的時間間隔內代表性部分的固結吸附劑域的溫度分布。

　　圖2：整個周期內不同時間步長的合并形式的溫度分布。

　　圖3顯示了瞬時吸收的空間變化如何響應在碳基復合吸附劑中使用石墨烯納米片實現的傳熱增強。在預熱過程中，從復合域釋放的量用于在打開與冷凝器的連接閥之前在床真空空間中建立壓力。因此，由于來自靠近管側的吸附劑的解吸量累積到靠近真空空間的另一側，因此幾乎沒有注意到平均吸收量的變化。盡管隨著時間的推移溫度的空間變化較少被注意到，但在圖6中可以注意到相對較高的吸收空間變化。這可歸因于由估計為活性炭的復合吸附劑的較低總孔隙率引起的顆粒間傳質阻力增加。

　　圖3：整個周期內不同時間步長的合并形式的吸收分布。

　　活性炭吸附制冰系統的性能

　　在活性炭厚度為2、5和10mm時，循環時間的變化對制冰系統的每日制冰量和冷卻性能系數的凈影響如圖4所示。總體而言，在給定范圍內增加循環時間可以增加或減少系統的每日制冰量，具體取決于活性炭復合材料的厚度。然而，無論活性炭復合材料的厚度如何，系統的冷卻性能系數通過增加循環時間而增加。盡管如此，系統冷卻性能系數在1230的較長循環時間和5mm活性炭復合材料厚度下達到其最大值。通過增加活性炭復合材料的厚度，日冰產量在不同循環時間內的變化范圍顯著減小，這可以通過比較圖4a-c中給出的每日制冰量范圍看出。這歸因于活性炭復合材料厚度較厚時有效吸收的減少。

　　圖4：不同循環時間和(a)2mm、(b)5mm、(c)10mm活性炭復合材料厚度下系統的具體日冰產量和性能系數。

　　活性炭吸附制冷用于制冰機，我們使用固結形式的活性炭復合材料，在吸附系統水平上進行了數值檢查。該系統用于在低于-2℃的溫度下從乙二醇生產冰。復合吸附劑主要用于提高活性炭的導熱性，以尋求更高的整體吸附系統性能。在系統層面，由于在吸附制冰系統中使用固結形式，吸附床內的傳熱和傳質的不一致影響。從實用的角度來看，采用固結形式的活性炭吸附劑材料可以方便吸附劑床的組裝，避免填料工藝中使用細網造成的堵塞和壓降增加。然而，未來的研究應側重于降低固結形式的吸附劑層的傳質阻力，以獲得更高的系統性能。

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