吸附冷凍冷卻是比較成熟的技術，可在沒有活動部件的情況下從正常的室溫冷卻到零下一百多度。因此，與其他低溫冷卻器相比，不會產生振動和可靠性高的特點。氮通常用作工作流體，用于冷卻至負一百七十多度，活性炭是用于此目的的吸附劑。本文主要介紹了使用顆粒活性炭開發氮氣吸附式壓縮機，和為表征所選活性炭上的氮吸附而進行的吸附測量，并且將壓縮機實驗結果與平衡條件分析和數值傳熱分析預測進行比較。

　　在平衡條件下的吸附分析

　　我們研究了一種氮氣活性炭吸附池的單級原型，該原型用于驅動低溫冷卻器。壓縮機的一些主要特性取決于所需的低溫冷卻器性能參數，尤其是工作壓力和氮氣流量。設計構建實驗吸附池，一些組件如圖1所示。在上面研究了氮在所選活性炭上的吸附，并且已經提出改進的Freundlich模型來計算作為溫度和壓力的函數的吸附氮的量。該模型用作計算吸附式壓縮機循環參數的基礎。吸附劑是商用顆粒狀活性炭。顆粒直徑為3毫米，以煤為基礎，由高溫蒸汽活化，具有1000的高比表面積。

　　圖1：活性炭吸附池的一些組件：(a)組裝到池底的電加熱器(b)閥(c)活性炭。

　　壓縮機電池設計

　　實際上，氮吸附池不處于平衡狀態。因此，上述分析僅對初步設計有幫助。動態效應主要是由于活性炭中的溫度分布而發生并且必須估計。在目前的研究中，我們選擇進行數值傳熱分析。首先，根據平衡條件下的分析設計壓縮機電池，然后根據傳熱分析結果進行改進。要確定的第一個參數是活性炭的質量。一方面，大量活性炭提供更多的解吸氮，這意味著更高的流速，但另一方面，它需要更多的時間進行傳熱，從而增加循環持續時間并降低流速。吸附單元的橫截面視圖顯示在圖2中。

　　圖2：氮氣活性炭吸附池的橫截面視圖。

　　實驗結果

　　為了研究活性炭吸附池吸附池設計，進行了數值傳熱分析。對于有限元計算，簡化了單元模型。鋁包殼和不銹鋼底座采用自由對流邊界條件，加熱功率與電加熱器連接。在該分析中未模擬吸附熱，盡管事實上它不可忽略(估計為該過程中傳遞的總熱量的約3%)。包括吸附熱使分析顯著復雜化并消除分析使得分析更容易使用，因為它可以提供更快的加熱和冷卻持續時間。分析的初始條件假定所有組分均為26℃。在加熱階段期間，將500W施加到電加熱器，并且在氣隙熱開關填充0.01MPa的氮氣。很明顯，在300秒后，部分吸附劑達到526℃，而大部分仍然在126℃左右。圖3顯示了僅具有自然對流的冷卻階段的結果。

　　圖3：僅具有自然對流的冷卻階段的數值傳熱分析。

　　排出壓力約為3.5MPa的實驗結果如圖4所示。250秒后，加熱功率為500W，中心溫度超過476℃，而電池底座溫度則為76℃。然而，將電池達到其穩態溫度分布需要大約60分鐘，其中電池基座中的溫度為166℃。活性炭的溫度不允許超過526℃。 60分鐘，加熱功率逐漸降低，以保持最高溫度低于526℃，壓力高于3.5MPa。由于電池基座的溫升速率隨時間降低，輸送的氮量也減少了。因此，在15分鐘后結束放電階段僅從活性炭吸附池釋放4.6g氮。圖4中的冷卻階段持續約100分鐘，并且如果放電階段在15分鐘后結束(此時基礎溫度僅為126℃)，則可以減少冷卻階段。活性炭中的加熱和冷卻速率以及溫度分布與數值分析估計的相似。這表明簡化的數值傳熱分析為吸附池中的傳熱提供了令人滿意的估計。

　　圖4：排出壓力為約3.5MPa的實驗結果。

　　我們對活性炭氮吸附壓縮機的一部分的吸附單元進行了徹底的研究。該研究開始于基于先前為初始估計所需活性炭的穩態等溫線的平衡吸附分析。設計吸附池并進行數值傳熱分析以估算加熱功率和循環持續時間。并對制造吸附單元并進行一組實驗。通過數值傳熱分析和實驗觀察到的活性炭中的溫度梯度降低了吸附池輸送的氮氣質量。目前的研究已經形成了吸附式低溫冷卻器研究的開始。這里開發的方法包括基于平衡吸附等溫線的初步分析和數值傳熱分析，顯示出與實驗結果是令人滿意的。該方法有助于進一步研究和改進活性炭吸附池。

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