活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附制冷用于制冰机

　　吸附制冷系统生产冰被认为是一种有前途的可持续解决方案，适用于这些系统可以直接由低品位热能源驱动的许多应用。此外，水、甲醇和乙醇等天然制冷剂被用作吸附制冷系统中的工作流体，可以减少对全球变暖潜势较高的制冷剂的依赖。吸附式制冷系统是新兴的脱碳技术之一，可以使用环保的热源和工作流体。活性炭基复合吸附剂是吸附制冰系统常用的材料，可以从不同的来源获得，但是对活性炭的指标有一些硬性要求。本次使用活性炭加石墨烯纳米材料合成的材料来测试活性炭吸附制冷的效果。

　　吸附制冷的方法

　　吸附制冰系统的两床配置来检查使用50%活性炭、10%聚乙烯醇和40%石墨烯纳米片的复合吸附剂。制冰可以通过循环乙二醇来完成，乙二醇在-2℃下进入吸附制冷的蒸发器，并带有外部制冰块，如图1所示。复合活性炭吸附剂应用于吸附床中普通铜管的外表面上，加热和冷却流体被泵入管内。加热和冷却水在四个过程(预热、解吸、预冷和吸附)之间在两个床之间切换，完成一个床循环。根据操作模式，切换阀用于将蒸发器和冷凝器与吸附床连接起来。

　　图1：用于制冰的活性炭吸附系统示意图。

　　制冷数值模拟

　　活性炭复合吸附剂的压力和温度决定了平衡吸收，它代表了在给定时间分别在吸附和解吸阶段可以达到的最大和最小吸收容量。然而，颗粒内和颗粒间的传质阻力表明吸附材料在每种给定情况下可以多快达到其平衡吸收能力。这突出了在本研究中同时求解两种传质机制与其他控制方程的重要性，以显示促进传热对传质的净效应。图2显示了在430秒循环时间内，考虑到预热和预冷阶段均为30秒的时间间隔内代表性部分的固结吸附剂域的温度分布。

　　图2：整个周期内不同时间步长的合并形式的温度分布。

　　图3显示了瞬时吸收的空间变化如何响应在碳基复合吸附剂中使用石墨烯纳米片实现的传热增强。在预热过程中，从复合域释放的量用于在打开与冷凝器的连接阀之前在床真空空间中建立压力。因此，由于来自靠近管侧的吸附剂的解吸量累积到靠近真空空间的另一侧，因此几乎没有注意到平均吸收量的变化。尽管随着时间的推移温度的空间变化较少被注意到，但在图6中可以注意到相对较高的吸收空间变化。这可归因于由估计为活性炭的复合吸附剂的较低总孔隙率引起的颗粒间传质阻力增加。

　　图3：整个周期内不同时间步长的合并形式的吸收分布。

　　活性炭吸附制冰系统的性能

　　在活性炭厚度为2、5和10mm时，循环时间的变化对制冰系统的每日制冰量和冷却性能系数的净影响如图4所示。总体而言，在给定范围内增加循环时间可以增加或减少系统的每日制冰量，具体取决于活性炭复合材料的厚度。然而，无论活性炭复合材料的厚度如何，系统的冷却性能系数通过增加循环时间而增加。尽管如此，系统冷却性能系数在1230的较长循环时间和5mm活性炭复合材料厚度下达到其最大值。通过增加活性炭复合材料的厚度，日冰产量在不同循环时间内的变化范围显着减小，这可以通过比较图4a-c中给出的每日制冰量范围看出。这归因于活性炭复合材料厚度较厚时有效吸收的减少。

　　图4：不同循环时间和(a)2mm、(b)5mm、(c)10mm活性炭复合材料厚度下系统的具体日冰产量和性能系数。

　　活性炭吸附制冷用于制冰机，我们使用固结形式的活性炭复合材料，在吸附系统水平上进行了数值检查。该系统用于在低于-2℃的温度下从乙二醇生产冰。复合吸附剂主要用于提高活性炭的导热性，以寻求更高的整体吸附系统性能。在系统层面，由于在吸附制冰系统中使用固结形式，吸附床内的传热和传质的不一致影响。从实用的角度来看，采用固结形式的活性炭吸附剂材料可以方便吸附剂床的组装，避免填料工艺中使用细网造成的堵塞和压降增加。然而，未来的研究应侧重于降低固结形式的吸附剂层的传质阻力，以获得更高的系统性能。

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