活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附改善空調的性能系數

　　在很多炎熱地區，使用空調的耗能是很大的。有些資源匱乏的地區，由于發電能力不足，空調制冷的電源不太穩定。在溫度和濕度較高的地區空調的冷卻負荷不僅是對空氣的顯著冷卻，而且還包括潛熱去除，在這種情況下，這意味著除濕。空調機除濕是一個耗能的過程，因為應該將空氣冷卻到其露點，以除去水分作為冷凝物。因此，空調中制冷劑的蒸發溫度必須非常低，這降低了空調的性能系數。干燥劑空調系統使用活性炭直接從空氣中去除水分，并且活性炭不需要高質量的能量(例如電或氣)進行再生。

　　活性炭是低成本吸附劑比較實用的材料之一，因為它可以由多種材料制成，包括農業殘留物。活化過程的成本也可以通過使用物理激活來降低。但是，由于活性炭通常是疏水性的，并且在較低的相對壓力下水的吸收量很小，因此可用的活性炭吸附水的數據并不多。但是，一些數據顯示活性炭具有很高的吸水能力，尤其是在相對壓力大于0.6的情況下。本次我們討論了活性炭作為干燥劑除濕劑的吸附能力，以及通過使用活性炭進行除濕來節省空調能耗的可能性。

　　濕熱環境下活性炭的除濕能力

　　活性炭的除濕能力可以定義為在給定溫度和濕度條件下的有效吸附量，其計算方式為吸附與解吸之間的平衡吸附之差。考慮到實際環境條件，相當于室外空氣條件的吸附條件為干球溫度為32℃，相對濕度為80%。解吸條件是由再生空氣溫度從40℃到80℃給出的，室外空氣條件下的濕度比為24g/kg。計算出的除濕能力如圖1所示。比較了活性炭和典型硅膠(A型和B型硅膠)在不同再生溫度下的除濕能力。在硅膠的情況下，由于缺乏數據，吸附和解吸之間的磁滯被忽略了，并且預期它很小。

　　圖1：活性炭除濕能力與硅膠的比較。

　　結果表明，活性炭具有較高的除濕能力。值得注意的是，活性炭的除濕能力約為B型硅膠的兩倍。此外，有趣的是，改性活性炭在40℃的再生溫度下表現出比活性炭更好的性能。較低的再生溫度導致解吸過程中較高的相對壓力。盡管改性活性炭的磁滯較大，但在相對壓力略高于活性炭的情況下，解吸等溫線會急劇變化。因此，改性活性炭可以在40℃的再生溫度下保持足夠的有效吸附。還應該注意的是，當再生溫度提高到一定水平時，活性炭，改性活性炭和B型硅膠的解吸能力提高很小。這對于具有所謂的S形等溫線的吸附劑是合理的，因為有效的吸附不會隨著相對壓力的降低而增加。換句話說，這些吸附劑將在低再生溫度下提供其最佳性能，例如，對于活性炭，50℃就足夠了。

　　活性炭改善空調的性能系數

　　活性炭除濕的目的是承擔潛熱去除并減少空調的冷卻負荷。如果空調僅在顯冷條件下工作，則與露點冷卻箱相比，冷卻負荷將減半，并且可以提高制冷劑的蒸發溫度。這樣，將大大減少空調的電力消耗。因此，在本節中，將通過詳細的熱力學循環仿真來分析蒸發溫度對空調冷卻性能系數的影響。

　　熱泵循環模擬

　　熱泵是空調的熱力學原理，可以基于狀態點的熱物理特性來預測熱泵的熱力學性能。圖2(a)顯示了典型熱泵的示意圖，圖2(b)顯示了壓力-焓線圖上的熱泵循環。在我們的模擬中，不僅計算了每種狀態下的熱物理性質，而且還計算了蒸發器和冷凝器中的熱交換過程。由于換熱器規格的可用性限制，所以將換熱器建模為雙管逆流式換熱器，該換熱器用于我們的實驗裝置中。

　　圖2：典型的熱泵循環。

　　改進空調的性能系數，更改導熱液的溫度以分析空調的送風溫度對冷卻性能系數的影響。盡管模擬中的導熱液是水，但無論導熱液是水還是空氣，制冷劑側的行為都無關緊要。因此，導熱液被保留為水，因為它已針對實驗進行了驗證。假設室內空氣溫度為25℃，相對濕度為50%，則必須通過空調將空氣冷卻至14℃以下以進行除濕。為了通過冷凝有效地去除空氣中的水分并達到較低的濕度比，必須充分冷卻空氣，例如10℃。在這種情況下，室內空氣和除濕空氣之間的焓差約為20kJ/kg。另一方面，如果空調不負責除濕，則供氣不必太冷。在這種情況下，送風可以更接近室溫，例如，如果溫度為20℃，則送風與送風之間的焓差是前一種情況的四分之一。

　　活性炭吸附改善空調的性能系數。我們評估了兩種活性炭的除濕能力。詳細的熱泵循環模擬還通過減少空調的除濕負荷來預測性能系數的提高。活性炭的吸水能力的評估表明，活性炭具有比硅膠更好的除濕能力。除此之外，它不需要很高的再生溫度，而50℃的溫度就足夠了。熱泵循環的模擬分析表明，通過提高蒸發溫度可以大大提高空調的性能系數。結果表明，隨著蒸發溫度從8.5℃升高到18.5℃，空調性能系數改善了50%，相當于減少了30%的電力輸入。除了降低冷卻負荷本身之外，通過將除濕負荷與空調分開將大大減少空調的電力消耗。

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