活性炭吸附制冷用于制冰機

　　吸附制冷系統(tǒng)生產(chǎn)冰被認(rèn)為是一種有前途的可持續(xù)解決方案，適用于這些系統(tǒng)可以直接由低品位熱能源驅(qū)動的許多應(yīng)用。此外，水、甲醇和乙醇等天然制冷劑被用作吸附制冷系統(tǒng)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(tǒng)是新興的脫碳技術(shù)之一，可以使用環(huán)保的熱源和工作流體。活性炭基復(fù)合吸附劑是吸附制冰系統(tǒng)常用的材料，可以從不同的來源獲得，但是對活性炭的指標(biāo)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(tǒng)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(fù)合吸附劑。制冰可以通過循環(huán)乙二醇來完成，乙二醇在-2℃下進(jìn)入吸附制冷的蒸發(fā)器，并帶有外部制冰塊，如圖1所示。復(fù)合活性炭吸附劑應(yīng)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(nèi)。加熱和冷卻水在四個過程(預(yù)熱、解吸、預(yù)冷和吸附)之間在兩個床之間切換，完成一個床循環(huán)。根據(jù)操作模式，切換閥用于將蒸發(fā)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(tǒng)示意圖。

　　制冷數(shù)值模擬

　　活性炭復(fù)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(dá)到的最大和最小吸收容量。然而，顆粒內(nèi)和顆粒間的傳質(zhì)阻力表明吸附材料在每種給定情況下可以多快達(dá)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(zhì)機制與其他控制方程的重要性，以顯示促進(jìn)傳熱對傳質(zhì)的凈效應(yīng)。圖2顯示了在430秒循環(huán)時間內(nèi)，考慮到預(yù)熱和預(yù)冷階段均為30秒的時間間隔內(nèi)代表性部分的固結(jié)吸附劑域的溫度分布。

　　圖2：整個周期內(nèi)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(yīng)在碳基復(fù)合吸附劑中使用石墨烯納米片實現(xiàn)的傳熱增強。在預(yù)熱過程中，從復(fù)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(cè)的吸附劑的解吸量累積到靠近真空空間的另一側(cè)，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(fù)合吸附劑的較低總孔隙率引起的顆粒間傳質(zhì)阻力增加。

　　圖3：整個周期內(nèi)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(tǒng)的性能

　　在活性炭厚度為2、5和10mm時，循環(huán)時間的變化對制冰系統(tǒng)的每日制冰量和冷卻性能系數(shù)的凈影響如圖4所示。總體而言，在給定范圍內(nèi)增加循環(huán)時間可以增加或減少系統(tǒng)的每日制冰量，具體取決于活性炭復(fù)合材料的厚度。然而，無論活性炭復(fù)合材料的厚度如何，系統(tǒng)的冷卻性能系數(shù)通過增加循環(huán)時間而增加。盡管如此，系統(tǒng)冷卻性能系數(shù)在1230的較長循環(huán)時間和5mm活性炭復(fù)合材料厚度下達(dá)到其最大值。通過增加活性炭復(fù)合材料的厚度，日冰產(chǎn)量在不同循環(huán)時間內(nèi)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(fù)合材料厚度較厚時有效吸收的減少。

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

　　活性炭吸附制冷用于制冰機，我們使用固結(jié)形式的活性炭復(fù)合材料，在吸附系統(tǒng)水平上進(jìn)行了數(shù)值檢查。該系統(tǒng)用于在低于-2℃的溫度下從乙二醇生產(chǎn)冰。復(fù)合吸附劑主要用于提高活性炭的導(dǎo)熱性，以尋求更高的整體吸附系統(tǒng)性能。在系統(tǒng)層面，由于在吸附制冰系統(tǒng)中使用固結(jié)形式，吸附床內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)的不一致影響。從實用的角度來看，采用固結(jié)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(xì)網(wǎng)造成的堵塞和壓降增加。然而，未來的研究應(yīng)側(cè)重于降低固結(jié)形式的吸附劑層的傳質(zhì)阻力，以獲得更高的系統(tǒng)性能。

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