活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　吸附冷凍冷卻是比較成熟的技術(shù)，可在沒有活動(dòng)部件的情況下從正常的室溫冷卻到零下一百多度。因此，與其他低溫冷卻器相比，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和可靠性高的特點(diǎn)。氮通常用作工作流體，用于冷卻至負(fù)一百七十多度，活性炭是用于此目的的吸附劑。本文主要介紹了使用顆粒活性炭開發(fā)氮?dú)馕�附式壓縮機(jī)，和為表征所選活性炭上的氮吸附而進(jìn)行的吸附測量，并且將壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與平衡條件分析和數(shù)值傳熱分析預(yù)測進(jìn)行比較。

　　在平衡條件下的吸附分析

　　我們研究了一種氮?dú)饣钚蕴课�附池的單級原型，該原型用于�?qū)動(dòng)低溫冷卻器。壓縮機(jī)的一些主要特性取決于所需的低溫冷卻器性能參數(shù)，尤其是工作壓力和氮?dú)饬髁俊ＴO(shè)計(jì)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)吸附池，一些組件如圖1所示。在上面研究了氮在所選活性炭上的吸附，并且已經(jīng)提出改進(jìn)的Freundlich模型來計(jì)算作為溫度和壓力的函數(shù)的吸附氮的量。該模型用作計(jì)算吸附式壓縮機(jī)循環(huán)參數(shù)的基礎(chǔ)。吸附劑是商用顆粒狀活性炭。顆粒直徑為3毫米，以煤為基礎(chǔ)，由高溫蒸汽活化，具有1000的高比表面積。

　　圖1：活性炭吸附池的一些組件：(a)組裝到池底的電加熱器(b)閥(c)活性炭。

　　壓縮機(jī)電池設(shè)計(jì)

　　實(shí)際上，氮吸附池不處于平衡狀態(tài)。因此，上述分析僅對初步設(shè)計(jì)有幫助。動(dòng)態(tài)效應(yīng)主要是由于活性炭中的溫度分布而發(fā)生并且必須估計(jì)。在目前的研究中，我們選擇進(jìn)行數(shù)值傳熱分析。首先，根據(jù)平衡條件下的分析設(shè)計(jì)壓縮機(jī)電池，然后根據(jù)傳熱分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)。要確定的第一個(gè)參數(shù)是活性炭的質(zhì)量。一方面，大量活性炭提供更多的解吸氮，這意味著更高的流速，但另一方面，它需要更多的時(shí)間進(jìn)行傳熱，從而增加循環(huán)持續(xù)時(shí)間并降低流速。吸附單元的橫截面視圖顯示在圖2中。

　　圖2：氮?dú)饣钚蕴课�附池的橫截面視圖。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了研究活性炭吸附池吸附池設(shè)計(jì)，進(jìn)行了數(shù)值傳熱分析。對于有限元計(jì)算，簡化了單元模型。鋁包殼和不銹鋼底座采用自由對流邊界條件，加熱功率與電加熱器連接。在該分析中未模擬吸附熱，盡管事實(shí)上它不可忽略(估計(jì)為該過程中傳遞的總熱量的約3%)。包括吸附熱使分析顯著復(fù)雜化并消除分析使得分析更容易使用，因?yàn)樗�可以提供更快的加熱和冷卻持續(xù)時(shí)間。分析的初始條件假定所有組分均為26℃。在加熱階段期間，將500W施加到電加熱器，并且在氣隙熱開關(guān)填充0.01MPa的氮?dú)狻：苊黠@，在300秒后，部分吸附劑達(dá)到526℃，而大部分仍然在126℃左右。圖3顯示了僅具有自然對流的冷卻階段的結(jié)果。

　　圖3：僅具有自然對流的冷卻階段的數(shù)值傳熱分析。

　　排出壓力約為3.5MPa的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。250秒后，加熱功率為500W，中心溫度超過476℃，而電池底座溫度則為76℃。然而，將電池達(dá)到其穩(wěn)態(tài)溫度分布需要大約60分鐘，其中電池基座中的溫度為166℃。活性炭的溫度不允許超過526℃。 60分鐘，加熱功率逐漸降低，以保持最高溫度低于526℃，壓力高于3.5MPa。由于電池基座的溫升速率隨時(shí)間降低，輸送的氮量也減少了。因此，在15分鐘后結(jié)束放電階段僅從活性炭吸附池釋放4.6g氮。圖4中的冷卻階段持續(xù)約100分鐘，并且如果放電階段在15分鐘后結(jié)束(此時(shí)基礎(chǔ)溫度僅為126℃)，則可以減少冷卻階段。活性炭中的加熱和冷卻速率以及溫度分布與數(shù)值分析估計(jì)的相似。這表明簡化的數(shù)值傳熱分析為吸附池中的傳熱提供了令人滿意的估計(jì)。

　　圖4：排出壓力為約3.5MPa的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　我們對活性炭氮吸附壓縮機(jī)的一部分的吸附單元進(jìn)行了徹底的研究。該研究開始于基于先前為初始估計(jì)所需活性炭的穩(wěn)態(tài)等溫線的平衡吸附分析。設(shè)計(jì)吸附池并進(jìn)行數(shù)值傳熱分析以估算加熱功率和循環(huán)持續(xù)時(shí)間。并對制造吸附單元并進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)。通過數(shù)值傳熱分析和實(shí)驗(yàn)觀察到的活性炭中的溫度梯度降低了吸附池輸送的氮?dú)赓|(zhì)量。目前的研究已經(jīng)形成了吸附式低溫冷卻器研究的開始。這里開發(fā)的方法包括基于平衡吸附等溫線的初步分析和數(shù)值傳熱分析，顯示出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是令人滿意的。該方法有助于進(jìn)一步研究和改進(jìn)活性炭吸附池。

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