5.1 Принцип работы установки
Научная и технологическая основа конструкции охладителя на твёрдых сорбентах, базируется на инновационных решениях, а именно: выборе эффективной пары сорбент/сорбат, повышении удельной ёмкости сорбента, интенсификации процесса тепло- и массообмена внутри пористого сорбента с помощью фазовых переходов сорбция/десорбция и испарение/конденсация, а также сорбента со стенкой адсорбера и окружающей средой. Для обеспечения длительного ресурса работы нового охладителя на твёрдых сорбентах необходимо найти решение ряда проблем: обеспечить совместимость материалов и теплоносителей, а также гарантировать отсутствие неконденсирующихся газов внутри охладителя. Для того, чтобы обеспечить высокую плотность запасаемой энергии и термодинамическую эффективность охладителя. Разработанный сорбент должен быть дешёвым, нетоксичным, иметь большую теплоту сорбции, быть негорючим и экологически чистым.
Основным сорбентом адсорбера охладителя было выбрано активированное углеволокно “Бусофит” – универсальный сорбент для различных газов (H2, N2, O2, CH4, NH3 и т. д.). Активированное угольное волокно “Бусофит” (ACF – activated carbon fiber) используется в качестве базового сорбента для адсорбции аммиака. Вторичным сорбентом были выбраны микро/нанокристаллы солей MnCl2 и BaCl2, расположенные на поверхности угольного волокна. Благодаря высокой проницаемости сорбента и широкого спектра пор различного размера (от нано пор до макро пор), выполненного из активированного угольного волокна, тепло- и массообмен внутри сорбента осуществляется конвекцией с наличием фазовых переходов (сорбция/десорбция, испарение/конденсация) и химических реакций (абсорбция/декомпозиция). Объем реактора охладителя заполнен пористым сорбентом: 40% активированного угля с микро/нано кристаллами соли, 50% микро/нано пор и 10% макро/мезопор. У такого сорбента имеет место равномерное распределение микро и нано пор (0.6–1.6 нм) на поверхности волокна; содержится малое количество макропор (100–200 нм) с удельной поверхностью 0.5-2 м2/г и мезопор с удельной поверхностью 50 м2/г, основная часть пор – микро и нано поры.
Источником тепловой энергии для охладителя на твердых сорбентах является электрический нагреватель, либо газовая горелка.
5.2 Схема экспериментальной установки
Установка для изучения гидродинамики и теплообмена в охладителе на твёрдых сорбентах состоит из низкотемпературного адсорбера, высокотемпературных адсорберов, системы нагрева и охлаждения сорбента, системы терморегулирования и системы измерения, Рис. 5.2.1. Блоки построены независимыми друг от друга и могут быть изменены или улучшены без значительного влияния друг на друга.
Сорбционная часть установки имеет три независимо подсоединённых адсорбера, которые так же можно изменять при необходимости проведения различных экспериментов Рис. 5.2.2.
Рис. 5.2.1. Схема установки
Рис. 5.2.2. Схема сорбционной части установки.
5.3 Сорбент
Сорберы содержат внутри стального цилиндрического корпуса комплексный сорбент, который состоит из активированного углеволокна «Бусофит», пропитанного солями металлов.
Активированное углеволокно является хорошим адсорбентом, так как обладает большой поверхностью. Это позволяет проводить процесс сорбции/десорбции с высокой скоростью. Однако, в процессе физической сорбции сорбенты поглощают не так много адсорбата, как химические сорбенты. Но химические сорбенты не обладают такой же большой скоростью реакции, как физические.
Основным сорбентом адсорбера охладителя выбран активированный уголь – универсальный сорбент для различных газов (H2, N2, O2, CH4, NH3 и т. д.). Активированное угольное волокно “Бусофит” (ACF – activated carbon fiber) используется в качестве базового сорбента для адсорбции аммиака. Благодаря высокой проницаемости сорбента, из угольного волокна тепло- и массообмен внутри сорбента осуществляется конвекцией. Сорбент содержит до 40% активированного угля, 50% микро/нано пор и до 10% макро/мезопор. У такого сорбента равномерное распределение пор (0.6–1.6 нм) на поверхности волокна; малое количество макропор (100–200 нм) с удельной поверхностью 0.5-2 м2/г и мезопор с удельной поверхностью 50 м2/г, основная часть пор – микро и нанопоры.
Вторичным сорбентом являются микро/нанокристаллы солей MnCl2 и BaCl2, расположенные на поверхности угольного волокна.
Помещая микрокристаллы солей на поверхность активированного углеволокна, мы можем получить ёмкость сорбента выше, чем у активированного углеволокна, и скорость процессов сорбции-десорбции при этом получается выше, чем у монолитной соли, из-за огромной удельной поверхности сложного сорбента. Тем самым мы получаем сорбент, обладающий преимуществами, как физических, так и химических сорбентов.
Применяя различные соли для пропитки углеволокна можно задавать область температуры сорбции/десорбции сложного сорбента. В установке для высокотемпературного сорбера была применена соль MnCl2, для низкотемпературного сорбера – соль BaCl2.
Источником тепловой энергии для охладителя на твёрдых сорбентах является электрический нагреватель. При необходимости электрический нагреватель может быть заменён любым другим источником тепла, например, газовой горелкой. Вне зависимости от конкретной реализации и природы источника тепла происходит нагрев адсорберов и десорбция сорбента именно за счёт тепловой энергии.