活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭乙醇小型吸附冷卻系統，使用活性炭和乙醇作為工作對的翅片管型吸附器的性能研究，并開發了一種瞬態二維軸對稱計算流體動力學(CFD)模型。吸附器換熱器的設計對提高吸附式冷卻系統的性能具有重要意義。本期研究的CFD模型將用于翅片高度和翅片間距優化，并可擴展到其它基于活性炭吸附劑的吸附冷卻系統。

　　制冷是不斷發展和可持續的經濟。它對食品和其他需要低溫儲存的物品起到重要做用。然而，常規的制冷系統采用可影響全球升溫的制冷劑，如氯氟烴(CFCs)，氫氯氟烴(HCFCs)和氫氟碳化合物(HFCs)，其排放量占總排放量的37%，其余63%是間接由能源消耗冷卻和空調系統。在這種情況下，吸附冷卻系統是蒸汽壓縮冷卻系統的可行替代方案。實際上，它們是由低等級的廢熱(低于100℃)或太陽熱能驅動的。此外，它們采用天然和環境友好的制冷劑，例如活性炭，水，乙醇，甲醇，氨，CO 2等。因此，吸附式冷卻系統的廣泛發展將有助于解決各種能源和環境相關問題。

　　活性炭吸附冷卻系統的工作原理

　　圖1顯示了活性炭吸附冷卻系統的示意圖。它通常由四部分組成：冷凝器，蒸發器，填充活性炭的吸附器/解吸塔床和膨脹閥。吸附循環包括四個過程，即預熱，解吸，預冷和吸附。在預熱過程中，床與蒸發器斷開并且熱水在吸附床中循環以增加床壓。當床壓高于冷凝器時，它連接到冷凝器并開始解吸過程。由于額外的加熱，乙醇蒸汽從活性炭上解吸到床上，并移動到冷凝器并冷凝。解吸完成后，床與冷凝器斷開并且冷卻水在稱為預冷卻過程的吸附器床中循環。由于冷卻水的供應，床中的壓力下降并低于蒸發器中的壓力。此時，吸附床與蒸發器連接，蒸發的乙醇蒸汽從吸附器中排出，并被吸附在活性炭中。在吸附過程中，冷卻水連續供給床以去除吸附熱。吸附器床與蒸發器連接并且蒸發的乙醇蒸汽從吸附器中出來并被吸附在活性炭中。在吸附過程中，冷卻水連續供給床以去除吸附熱。吸附器床與蒸發器連接并且蒸發的乙醇蒸汽從吸附器中出來并被吸附在活性炭中。在吸附過程中，冷卻水連續供給床以去除吸附熱。

　　圖1.活性炭解吸過程中吸附冷卻系統的示意圖。

　　活性炭流體動力學建模

　　采用活性炭和乙醇對翅片管型吸附器的性能實驗開展。實驗裝置由吸附器，蒸發器和與不銹鋼管連接的冷凝器組成。所有組件的溫度和壓力分別由K型熱電偶和壓力計測量。兩個銅翅片管結合在吸附器內部。翅片管熱交換器由190個圓形翅片組成，翅片連接到長度為700mm的環形管上。翅片高度，翅片間距和翅片厚度分別為10,3.7和0.53mm。將多孔活性炭填充在兩個連續的翅片之間并用網片密封。環形管的厚度為1.5mm，內徑為26mm。乙醇被認為是制冷劑。此外，水被用作傳熱流體并通過環形管。1和T5在圖2中。

　　圖2.顯示計算域的翅片管活性炭吸附器的2D軸對稱幾何。

　　吸附冷卻系統性能調查

　　吸附冷卻系統(ACS)的性能已經通過使用等式以相應的特定冷卻功率(SCP)和性能系數(COP)進行評估。估計的SCP和COP循環時間為800s，分別為488W/kg活性炭和性能系數為0.61。這一性能也與之前在其他研究中活性炭-乙醇對性能相關。考慮兩種不同粒徑和三種不同區域的活性炭乙醇對的比冷容量在424-710W/kg活性炭之間。此外，基于活性炭纖維-乙醇的吸附冷卻系統的性能發現SCP為200W/kg，性能系數為0.65。

　　性能系數隨著循環時間的增加而增加。然而，SCP在800s的周期時間內達到最大值。隨著活性炭吸附時間的增加，冷卻效應隨著吸附總量的增加而增加。然而，吸附開始時吸附質量的流速急劇增加，然后降低。因此，制冷功率隨著循環時間的增加而增加，并在800s的最佳循環時間達到其最大值。然后，為了更高的吸附/解吸時間，冷卻功率降低。隨著吸附/解吸時間的增加，性能系數增加，其隨著所產生的冷卻效果的增加高于從活性炭解吸制冷劑所消耗的熱量的增加。

　　已經進行了使用活性炭-乙醇作為吸附劑-被吸附物對的翅片管吸附器的流體動力學建模。將模擬的壓力和溫度分布與本實驗室測得的蒸發溫度15°C，冷卻溫度20°C，加熱溫度80°C和總循環時間800s的實驗數據進行比較。在實驗和模擬結果之間找到了很好的一致。系統的性能進行了數值研究，吸附/解吸階段的時間從300到700s不等。預熱和吸附階段以及預冷卻和吸附階段的最佳循環時間相當于400s。在此條件下，冷卻功率達到每千克吸附劑488W，性能系數為0.61。

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