活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　吸附冷冻冷却是比较成熟的技术，可在没有活动部件的情况下从正常的室温冷却到零下一百多度。因此，与其他低温冷却器相比，不会产生振动和可靠性高的特点。氮通常用作工作流体，用于冷却至负一百七十多度，活性炭是用于此目的的吸附剂。本文主要介绍了使用颗粒活性炭开发氮气吸附式压缩机，和为表征所选活性炭上的氮吸附而进行的吸附测量，并且将压缩机实验结果与平衡条件分析和数值传热分析预测进行比较。

　　在平衡条件下的吸附分析

　　我们研究了一种氮气活性炭吸附池的单级原型，该原型用于驱动低温冷却器。压缩机的一些主要特性取决于所需的低温冷却器性能参数，尤其是工作压力和氮气流量。设计构建实验吸附池，一些组件如图1所示。在上面研究了氮在所选活性炭上的吸附，并且已经提出改进的Freundlich模型来计算作为温度和压力的函数的吸附氮的量。该模型用作计算吸附式压缩机循环参数的基础。吸附剂是商用颗粒状活性炭。颗粒直径为3毫米，以煤为基础，由高温蒸汽活化，具有1000的高比表面积。

　　图1：活性炭吸附池的一些组件：(a)组装到池底的电加热器(b)阀(c)活性炭。

　　压缩机电池设计

　　实际上，氮吸附池不处于平衡状态。因此，上述分析仅对初步设计有帮助。动态效应主要是由于活性炭中的温度分布而发生并且必须估计。在目前的研究中，我们选择进行数值传热分析。首先，根据平衡条件下的分析设计压缩机电池，然后根据传热分析结果进行改进。要确定的第一个参数是活性炭的质量。一方面，大量活性炭提供更多的解吸氮，这意味着更高的流速，但另一方面，它需要更多的时间进行传热，从而增加循环持续时间并降低流速。吸附单元的横截面视图显示在图2中。

　　图2：氮气活性炭吸附池的横截面视图。

　　实验结果

　　为了研究活性炭吸附池吸附池设计，进行了数值传热分析。对于有限元计算，简化了单元模型。铝包壳和不锈钢底座采用自由对流边界条件，加热功率与电加热器连接。在该分析中未模拟吸附热，尽管事实上它不可忽略(估计为该过程中传递的总热量的约3%)。包括吸附热使分析显着复杂化并消除分析使得分析更容易使用，因为它可以提供更快的加热和冷却持续时间。分析的初始条件假定所有组分均为26℃。在加热阶段期间，将500W施加到电加热器，并且在气隙热开关填充0.01MPa的氮气。很明显，在300秒后，部分吸附剂达到526℃，而大部分仍然在126℃左右。图3显示了仅具有自然对流的冷却阶段的结果。

　　图3：仅具有自然对流的冷却阶段的数值传热分析。

　　排出压力约为3.5MPa的实验结果如图4所示。250秒后，加热功率为500W，中心温度超过476℃，而电池底座温度则为76℃。然而，将电池达到其稳态温度分布需要大约60分钟，其中电池基座中的温度为166℃。活性炭的温度不允许超过526℃。 60分钟，加热功率逐渐降低，以保持最高温度低于526℃，压力高于3.5MPa。由于电池基座的温升速率随时间降低，输送的氮量也减少了。因此，在15分钟后结束放电阶段仅从活性炭吸附池释放4.6g氮。图4中的冷却阶段持续约100分钟，并且如果放电阶段在15分钟后结束(此时基础温度仅为126℃)，则可以减少冷却阶段。活性炭中的加热和冷却速率以及温度分布与数值分析估计的相似。这表明简化的数值传热分析为吸附池中的传热提供了令人满意的估计。

　　图4：排出压力为约3.5MPa的实验结果。

　　我们对活性炭氮吸附压缩机的一部分的吸附单元进行了彻底的研究。该研究开始于基于先前为初始估计所需活性炭的稳态等温线的平衡吸附分析。设计吸附池并进行数值传热分析以估算加热功率和循环持续时间。并对制造吸附单元并进行一组实验。通过数值传热分析和实验观察到的活性炭中的温度梯度降低了吸附池输送的氮气质量。目前的研究已经形成了吸附式低温冷却器研究的开始。这里开发的方法包括基于平衡吸附等温线的初步分析和数值传热分析，显示出与实验结果是令人满意的。该方法有助于进一步研究和改进活性炭吸附池。

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