Hấp phụ than hoạt tính cải thiện hệ số hoạt động của máy điều hòa không khí

Ở nhiều vùng nóng, việc sử dụng điều hòa tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Ở một số khu vực nghèo tài nguyên, việc cung cấp điện cho điều hòa không khí và điện lạnh không ổn định do không đủ công suất phát điện. Ở những khu vực có nhiệt độ và độ ẩm cao, tải làm mát của máy điều hòa không khí không chỉ là làm mát đáng kể không khí mà còn loại bỏ nhiệt tiềm ẩn, trong trường hợp này có nghĩa là hút ẩm. Hút ẩm của máy điều hòa không khí là một quá trình tiêu tốn năng lượng vì không khí cần được làm mát đến điểm sương của nó để loại bỏ hơi ẩm dưới dạng ngưng tụ. Do đó nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong máy lạnh phải rất thấp làm giảm hệ số hiệu suất của máy lạnh. Hệ thống điều hòa không khí hút ẩm sử dụng than hoạt tính để loại bỏ trực tiếp hơi ẩm trong không khí, và than hoạt tính không yêu cầu năng lượng chất lượng cao (như điện hoặc khí) để tái tạo.

Than hoạt tính là một trong những vật liệu thiết thực hơn cho chất hấp phụ chi phí thấp vì nó có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm cả phụ phẩm nông nghiệp. Chi phí của quá trình kích hoạt cũng có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng kích hoạt vật lý. Tuy nhiên, vì than hoạt tính thường kỵ nước và lượng nước hấp thụ rất nhỏ ở áp suất tương đối thấp hơn, nên không có nhiều dữ liệu về than hoạt tính có sẵn để hấp phụ nước. Tuy nhiên, một số dữ liệu cho thấy than hoạt tính có khả năng hút nước cao, đặc biệt khi áp suất tương đối lớn hơn 0,6. Lần này chúng ta thảo luận về khả năng hấp phụ của than hoạt tính như một chất hút ẩm hút ẩm, và khả năng tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của điều hòa không khí bằng cách sử dụng than hoạt tính để hút ẩm.

Khả năng hút ẩm của than hoạt tính trong môi trường nóng ẩm

Khả năng hút ẩm của than hoạt tính có thể được định nghĩa là khả năng hấp phụ hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm nhất định, được tính bằng hiệu số hấp phụ cân bằng giữa hấp phụ và giải hấp. Xét điều kiện môi trường thực tế, điều kiện hấp phụ tương đương với điều kiện không khí ngoài trời là nhiệt độ khô là 32 °C và độ ẩm tương đối là 80%. Các điều kiện giải hấp được đưa ra bởi nhiệt độ không khí tái sinh từ 40 °C đến 80 °C, và tỷ lệ độ ẩm trong điều kiện không khí ngoài trời là 24g / kg. Công suất hút ẩm được tính toán được thể hiện trong Hình 1. Khả năng hút ẩm của than hoạt tính và silica gel điển hình (silica gel loại A và B) ở các nhiệt độ tái sinh khác nhau được so sánh. Trong trường hợp của silica gel, do thiếu dữ liệu, độ trễ giữa hấp phụ và giải hấp đã bị bỏ qua, và nó được cho là nhỏ.

　　Hình 1: So sánh khả năng hút ẩm của than hoạt tính và silica gel.

Kết quả cho thấy than hoạt tính có khả năng hút ẩm cao hơn. Điều đáng chú ý là khả năng hút ẩm của than hoạt tính gấp đôi so với silica gel loại B. Ngoài ra, một điều thú vị là than hoạt tính biến tính thể hiện hiệu suất tốt hơn than hoạt tính ở nhiệt độ tái sinh 40 °C. Nhiệt độ tái sinh thấp hơn dẫn đến áp suất tương đối cao hơn trong quá trình giải hấp. Mặc dù độ trễ của than hoạt tính biến tính là lớn, nhưng đường đẳng nhiệt giải hấp sẽ thay đổi mạnh khi áp suất tương đối cao hơn một chút so với áp suất của than hoạt tính. Do đó, than hoạt tính biến tính có thể duy trì sự hấp phụ hiệu quả đủ ở nhiệt độ tái sinh 40 °C. Cũng cần lưu ý rằng khi tăng nhiệt độ tái sinh đến một mức nhất định, khả năng giải hấp của than hoạt tính, than hoạt tính biến tính và silica gel loại B sẽ tăng lên một chút. Điều này là hợp lý đối với chất hấp phụ được gọi là đường đẳng nhiệt hình chữ S, vì hiệu quả hấp phụ không tăng khi giảm áp suất tương đối. Nói cách khác, các chất hấp phụ này sẽ cung cấp hiệu suất tốt nhất của chúng ở nhiệt độ tái sinh thấp, ví dụ, đối với than hoạt tính, 50 °C là đủ.

Than hoạt tính cải thiện hệ số hoạt động của máy điều hòa không khí

Mục đích của quá trình hút ẩm bằng than hoạt tính là thực hiện việc loại bỏ nhiệt tiềm ẩn và giảm tải làm mát của điều hòa không khí. Nếu máy điều hòa không khí chỉ hoạt động trong điều kiện làm mát hợp lý, tải làm mát sẽ giảm một nửa so với hộp làm mát điểm sương và nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh có thể được tăng lên. Bằng cách này, lượng điện năng tiêu thụ của điều hòa sẽ giảm đi rất nhiều. Do đó, trong phần này sẽ sử dụng mô phỏng chu trình nhiệt động chi tiết để phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến hệ số hiệu suất làm lạnh của máy lạnh.

Mô phỏng chu trình bơm nhiệt

Máy bơm nhiệt là nguyên lý nhiệt động lực học của máy điều hòa không khí, và hiệu suất nhiệt động lực học của máy bơm nhiệt có thể được dự đoán dựa trên các đặc tính nhiệt lý của điểm trạng thái. Hình 2 (a) cho thấy sơ đồ của một máy bơm nhiệt điển hình và Hình 2 (b) cho thấy chu trình của máy bơm nhiệt trên biểu đồ áp suất-entanpi. Trong mô phỏng của nhóm tác giả, tác giả không chỉ tính toán các đặc tính nhiệt lý ở mỗi trạng thái, mà còn tính toán quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ. Do có sẵn các thông số kỹ thuật của bộ trao đổi nhiệt, bộ trao đổi nhiệt được mô hình hóa như một bộ trao đổi nhiệt ngược dòng hai ống, được sử dụng trong thiết bị thử nghiệm.

Hình 2: Chu trình bơm nhiệt điển hình

Cải thiện hệ số hiệu suất của máy điều hòa không khí và thay đổi nhiệt độ của chất lỏng nhiệt để phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ cấp khí của máy điều hòa không khí đến hệ số hiệu suất làm lạnh. Mặc dù chất lỏng nhiệt trong mô phỏng là nước, hoạt động của chất làm lạnh không quan trọng chất lỏng nhiệt là nước hay không khí. Do đó, chất lỏng nhiệt được giữ lại dưới dạng nước vì nó đã được kiểm chứng cho các thí nghiệm. Giả sử rằng nhiệt độ không khí trong nhà là 25 °C và độ ẩm tương đối là 50%, thì không khí phải được làm mát xuống dưới 14 °C bằng máy lạnh để hút ẩm. Để loại bỏ hiệu quả độ ẩm trong không khí thông qua quá trình ngưng tụ và đạt được tỷ lệ độ ẩm thấp hơn, không khí phải được làm mát đủ, ví dụ, 10 °C. Trong trường hợp này, sự chênh lệch entanpi giữa không khí trong nhà và không khí được làm ẩm là khoảng 20kJ / kg. Ngược lại, nếu máy điều hòa không khí không có nhiệm vụ hút ẩm thì nguồn cung cấp không khí không cần quá lạnh. Trong trường hợp này, không khí cấp có thể gần với nhiệt độ phòng hơn, ví dụ, nếu nhiệt độ là 20 °C, chênh lệch entanpi giữa không khí cấp và không khí cấp bằng 1/4 so với trường hợp trước.

Hấp phụ than hoạt tính giúp cải thiện hệ số hoạt động của máy điều hòa không khí. Tác giả đã đánh giá khả năng hút ẩm của hai nguyên tử cacbon hoạt hóa. Mô phỏng chi tiết chu trình bơm nhiệt cũng dự đoán sự cải thiện của hệ số hiệu suất bằng cách giảm tải hút ẩm của máy điều hòa không khí. Việc đánh giá khả năng hút nước của than hoạt tính cho thấy than hoạt tính có khả năng hút ẩm tốt hơn so với silica gel. Ngoài ra, nó không yêu cầu nhiệt độ tái sinh cao, và nhiệt độ 50 °C là đủ. Phân tích mô phỏng của chu trình bơm nhiệt cho thấy rằng hệ số hiệu suất của máy điều hòa không khí có thể được cải thiện đáng kể bằng cách tăng nhiệt độ bay hơi. Kết quả cho thấy khi nhiệt độ bay hơi tăng từ 8,5 °C lên 18,5 °C, hệ số hiệu suất của điều hòa không khí cải thiện 50%, tương đương với việc giảm 30% điện năng đầu vào. Ngoài việc tự giảm tải làm mát, việc tách tải hút ẩm ra khỏi điều hòa sẽ giúp giảm đáng kể điện năng tiêu thụ của điều hòa.