活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　基于活性炭的解吸冷却，每年从全球冰箱中排放30亿吨二氧化碳的制冷剂气体是全球变暖的主要原因。最常用的制冷剂-氢氟碳化合物列在七种最严重导致温室效应的气体之一，通常被称为一温室气体。氢氟碳化合物和氢氯氟烃的泄漏对气候变化有不利影响，不仅因为它们是强大的温室气体，而且因为泄漏系统的能源效率较低。因此，全球能源消耗已经更多地关注常规制冷系统替代品。使用活性炭和二氧化碳的解吸降温已经成为臭氧消耗潜能值为零的可能替代方案之一。吸附技术通常用于气体分离过程，其中气体在高压下被吸附在微孔 - 介孔吸附剂的填充柱上。然后使柱减压，从而吸附的组分从固体中吸热解吸，从而提供冷却效果。

　　吸附剂可以重新使用。基于这种简单的解吸冷却过程，设计了一种按需提供冷却产品的新技术。这种按需冷却系统避免了对冷藏的任何要求。它利用了先前吸附到自冷产品内腔中所含活性炭床上的二氧化碳的解吸所提供的冷却效果。这种技术有可能应用于需要在需要快速冷却的消费或服务点处冷却的任何类型的产品。本文介绍了一种自冷式单元的设计和评估，以便对这种技术进行一种可能的应用：一种自冷式饮料罐。该系统由容纳饮料的外部钢罐和称为热交换单元的内部铝罐组成，其包含与石墨混合的活性炭以增加导热性并加载二氧化碳。饮料不与活性炭接触，位于容器底部的通风口允许二氧化碳释放到大气中，释放换热机组内部的压力。从活性炭解吸二氧化碳是吸热的，因此提供了理想的降低饮料温度约15K的冷却效果。这里给出CO的具体考虑因素从椰子壳制成的活性炭解吸。在以前的工作中，与煤基活性炭相比，已经了解了这种活性炭源的潜在环境效益。

　　CO 2-活性炭组合

　　一些研究已经报道了使用二氧化碳作为制冷剂和活性炭作为吸附剂的固体吸附冷却。这种溶质-吸附剂组合似乎是最好的。首先，在CO 2既不是有毒的也不易燃，而且很便宜和广泛可用的。因为它是一些工业过程的废物，任何后续的使用对全球环境的影响都很小。气体的热力学性质也特别好，因为它的解吸热很高，所需的吸附压力是可以接受的。

　　活性炭传热

　　吸附系统的传热和传质不良是妨碍吸附式制冷系统广泛应用的因素之一，并且是需求急冷系统的一个潜在负面因素。为了有效地发挥作用，自冷系统需要快速冷却饮料并使其保持冷却，同时不会因过度冷却换热机组本身和排出的二氧化碳而损失过多的潜在冷却。因此，伴随足量的吸附二氧化碳的解吸充分冷却以实现所需的冷却，在换热机组和饮料之间良好的热传递是重要的。

　　实验装置

　　使用设计为模拟自冷却罐的换热机组(HEU)为200mL容积的圆柱形容器进行实验。该设备在图1中示意性地示出; 参见图1a中的照片。换热机组(HEU)的主体由铝制成，并用黄铜盖封闭。水浴也是实验装置的一部分。

　　图1、实验装置，a.自冷式罐头模拟器的图片b.热电偶在活性炭床内和钻机外表面上的位置。

　　图2显示了水中浸泡实验中换热机组各个位置测得的温度。正如所料，外壁温度相对于周围水中的温度相对较快，而床的中心加热速度最慢。有效热导率的最佳估计值为0.50 W m -1 K -1。正如预期的那样，这似乎高于传统的活性炭(0.17-0.28 W m -1 K -1)，但低于膨胀天然石墨(1-32 W m -1 K -1)的范围2。考虑到膨胀天然石墨的典型的导热系数范围，该值表明活性炭内的石墨量低，因此增加石墨含量可以进一步改善床的导热性，因此在解吸期间系统的冷却效果。

　　图2、 当设备从环境条件转移到40℃的水中时，床中和设备外表面上的温度分布。

　　已经进行了实验工作来研究自冷饮料罐的热性能。表明活性炭颗粒的生产是对冷热需求系统的整体环境影响的主要原因，因此环境因素使得增加交流电的数量并不理想。据估计，所需的22kJ的冷却负荷可由热交换单元(HEU)的当前设计使用约2300kpa的操作压力提供，该操作压力仅略高于最初建议的1500-2000kpa的范围罐头。已经进行了实验来探索什么限制了冷却的有效性。首先确定换热机组中材料的有效热导率。揭示的主要方面是在床和外表面之间的不同径向位置之间的显着温差，特别是在解吸冷却过程中。可能的原因可能是活性炭的低导热系数：0.5 W m-1 K -1的测定值高于传统活性炭(0.17-0.28 W m -1 K -1)，但仍低于其他研究报道的活性炭和石墨混合物(CENG - 1 - 32 W m -1 K -1)。

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