活性炭吸附改善空調(diào)的性能系數(shù)

　　在很多炎熱地區(qū)，使用空調(diào)的耗能是很大的。有些資源匱乏的地區(qū)，由于發(fā)電能力不足，空調(diào)制冷的電源不太穩(wěn)定。在溫度和濕度較高的地區(qū)空調(diào)的冷卻負(fù)荷不僅是對(duì)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(diào)機(jī)除濕是一個(gè)耗能的過(guò)程，因?yàn)閼?yīng)該將空氣冷卻到其露點(diǎn)，以除去水分作為冷凝物。因此，空調(diào)中制冷劑的蒸發(fā)溫度必須非常低，這降低了空調(diào)的性能系數(shù)。干燥劑空調(diào)系統(tǒng)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(zhì)量的能量(例如電或氣)進(jìn)行再生。

　　活性炭是低成本吸附劑比較實(shí)用的材料之一，因?yàn)樗�可以由多種材料制成，包括農(nóng)業(yè)殘留物。活化過(guò)程的成本也可以通過(guò)使用物理激活來(lái)降低。但是，由于活性炭通常是疏水性的，并且在較低的相對(duì)壓力下水的吸收量很小，因此可用的活性炭吸附水的數(shù)據(jù)并不多。但是，一些數(shù)據(jù)顯示活性炭具有很高的吸水能力，尤其是在相對(duì)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(guò)使用活性炭進(jìn)行除濕來(lái)節(jié)省空調(diào)能耗的可能性。

　　濕熱環(huán)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(jì)算方式為吸附與解吸之間的平衡吸附之差。考慮到實(shí)際環(huán)境條件，相當(dāng)于室外空氣條件的吸附條件為干球溫度為32℃，相對(duì)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(jì)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(shù)據(jù)，吸附和解吸之間的磁滯被忽略了，并且預(yù)期它很小。

　　圖1：活性炭除濕能力與硅膠的比較。

　　結(jié)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(xiàn)出比活性炭更好的性能。較低的再生溫度導(dǎo)致解吸過(guò)程中較高的相對(duì)壓力。盡管改性活性炭的磁滯較大，但在相對(duì)壓力略高于活性炭的情況下，解吸等溫線會(huì)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(yīng)該注意的是，當(dāng)再生溫度提高到一定水平時(shí)，活性炭，改性活性炭和B型硅膠的解吸能力提高很小。這對(duì)于具有所謂的S形等溫線的吸附劑是合理的，因?yàn)橛行У奈�附不�?huì)隨著相對(duì)壓力的降低而增加。換句話說(shuō)，這些吸附劑將在低再生溫度下提供其最佳性能，例如，對(duì)于活性炭，50℃就足夠了。

　　活性炭改善空調(diào)的性能系數(shù)

　　活性炭除濕的目的是承擔(dān)潛熱去除并減少空調(diào)的冷卻負(fù)荷。如果空調(diào)僅在顯冷條件下工作，則與露點(diǎn)冷卻箱相比，冷卻負(fù)荷將減半，并且可以提高制冷劑的蒸發(fā)溫度。這樣，將大大減少空調(diào)的電力消耗。因此，在本節(jié)中，將通過(guò)詳細(xì)的熱力學(xué)循環(huán)仿真來(lái)分析蒸發(fā)溫度對(duì)空調(diào)冷卻性能系數(shù)的影響。

　　熱泵循環(huán)模擬

　　熱泵是空調(diào)的熱力學(xué)原理，可以基于狀態(tài)點(diǎn)的熱物理特性來(lái)預(yù)測(cè)熱泵的熱力學(xué)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(huán)。在我們的模擬中，不僅計(jì)算了每種狀態(tài)下的熱物理性質(zhì)，而且還計(jì)算了蒸發(fā)器和冷凝器中的熱交換過(guò)程。由于換熱器規(guī)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(shí)驗(yàn)裝置中。

　　圖2：典型的熱泵循環(huán)。

　　改進(jìn)空調(diào)的性能系數(shù)，更改導(dǎo)熱液的溫度以分析空調(diào)的送風(fēng)溫度對(duì)冷卻性能系數(shù)的影響。盡管模擬中的導(dǎo)熱液是水，但無(wú)論導(dǎo)熱液是水還是空氣，制冷劑側(cè)的行為都無(wú)關(guān)緊要。因此，導(dǎo)熱液被保留為水，因?yàn)樗�已針�?duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。假設(shè)室內(nèi)空氣溫度為25℃，相對(duì)濕度為50%，則必須通過(guò)空調(diào)將空氣冷卻至14℃以下以進(jìn)行除濕。為了通過(guò)冷凝有效地去除空氣中的水分并達(dá)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(nèi)空氣和除濕空氣之間的焓差約為20kJ/kg。另一方面，如果空調(diào)不負(fù)責(zé)除濕，則供氣不必太冷。在這種情況下，送風(fēng)可以更接近室溫，例如，如果溫度為20℃，則送風(fēng)與送風(fēng)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(diào)的性能系數(shù)。我們?cè)u(píng)估了兩種活性炭的除濕能力。詳細(xì)的熱泵循環(huán)模擬還通過(guò)減少空調(diào)的除濕負(fù)荷來(lái)預(yù)測(cè)性能系數(shù)的提高。活性炭的吸水能力的評(píng)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(huán)的模擬分析表明，通過(guò)提高蒸發(fā)溫度可以大大提高空調(diào)的性能系數(shù)。結(jié)果表明，隨著蒸發(fā)溫度從8.5℃升高到18.5℃，空調(diào)性能系數(shù)改善了50%，相當(dāng)于減少了30%的電力輸入。除了降低冷卻負(fù)荷本身之外，通過(guò)將除濕負(fù)荷與空調(diào)分開將大大減少空調(diào)的電力消耗。

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