专利名称：一种静电荷控制强化的活性炭纤维吸附床结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过输入和释放静电荷实现控制强化的高功率密度吸附床，特别是指用于固体吸附制冷系统的高效吸附床。
背景技术：
固体吸附制冷系统中的吸附床是以周期性加热/冷却方式运行的。冷剂蒸汽在吸附剂微孔中的传热传质速率决定了制冷系统的比功率输出。常规的活性碳颗粒吸附床由于传热阻力大而造成床体功率密度低，体积庞大，影响了其实用性。活性碳纤维(ACF)的微孔分布在纤维表面，孔径分布均匀，吸附速率快，吸附容量大，是一种优良的固体吸附剂。为克服堆密度低的缺陷，已将活性碳纤维编织成布，再挤压或紧裹在传热壁面上形成吸附剂薄层。这种薄层结构大幅度降低了吸附床热阻，但由于纤维丝束的间隙控制着传质速率，因此，传质阻力将上升为影响吸附速率的主要因素。
对活性碳纤维-甲醇吸附过程的分子模拟已经显示，由于甲醇分子具有永久偶极矩，活性碳纤维本身具有导电性，活性碳纤维表面添加静电荷可以显著增加吸附容量，加速甲醇分子向微孔壁面聚集的速率；而当吸附达到平衡后，再释放掉静电荷，平衡状态的失衡有助于在较低脱附温度下获得较好的脱附效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实施对活性碳纤维布添加和释放静电荷的吸附床结构和运行方法，其可显著提高活性碳纤维布的吸附容量和吸附速率，降低脱附温度，从而提高吸附床功率密度，减小床体体积，降低成本，提高系统整体性能。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种静电荷控制强化的活性炭纤维吸附床结构，其芯体具有静电输入端，可以对吸附床芯体进行可控充放静电荷；当吸附床处于吸附状态时，静电输入端与直流电源正极相连，向床内活性碳纤维布充入正电荷，使静电力场与微孔壁面吸附势叠加，以强化吸附效果；而当吸附床处于脱附状态时，使静电输入端与直流电源接地端相连，释放掉正电荷，平衡力场的失衡有利于降低脱附温度。
所述的活性炭纤维吸附床结构，其吸附床芯体与壳体及封头之间，是通过聚四氟乙烯或氟橡胶静电绝缘材料隔离以实现静电绝缘的。
所述的活性炭纤维吸附床结构，其所述静电输入端，通过控制线路分别与直流电源正极和接地端相连；控制线路的动作与连接吸附床和蒸发器的真空挡板阀同步；当床内蒸汽压低于蒸发器蒸发压力，真空挡板阀打开时，静电输入端通过控制线路与直流电源正极相连，向活性碳纤维布输入正电荷以强化吸附；当活性碳纤维布吸附达到饱和，连接吸附床和蒸发器的真空挡板阀关闭时，静电输入端通过控制线路与直流电源的接地端相连，释放掉正电荷，以利于降低脱附温度。
所述的活性炭纤维吸附床结构，其芯体由芯体端板、金属U形管、静电输入端、铝翅片组成；芯体端板一侧端设有静电输入端，下表面有静电绝缘密封圈，通过静电绝缘密封圈与壳体相连；金属U形管上端与芯体端板固接；金属U形管两上端贯通芯体端板、静电绝缘板和封头底板，分别与封头的两空腔相通；铝翅片水平均匀分布，固接于金属U形管上；每一铝翅片的上下表面均附着活性碳纤维布，构成一个吸附单元，吸附单元之间用多孔陶瓷分隔。
所述的活性炭纤维吸附床结构，其所述铝翅片与活性碳纤维布及多孔陶瓷整体加压组装，在提高活性碳纤维布堆密度的同时，不影响冷剂蒸汽通道；活性碳纤维布的厚度在1~3mm，所用多孔陶瓷的平均孔径在0.5～3mm，厚度在3～5mm。
所述的活性炭纤维吸附床结构，其所述金属U形管为复数个；活性碳纤维布的平均孔径≥2nm。
实施本发明的技术方案归纳包括1，本发明提出的吸附床结构中，芯体与壳体通过静电绝缘材料实现静电隔离；2，吸附床内所选择的活性碳纤维的平均孔径应≥2nm；3，活性碳纤维布、多孔陶瓷和铝翅片整体加压组装，既可提高活性碳纤维布的装填密度，又提供了冷剂蒸汽进入活性碳纤维布的流通通道；4，吸附床芯体设置静电输入端接口，接口通过静电绝缘的两点开关分别与直流电源正极和接地端连接；5，静电绝缘两点开关的动作由控制系统根据吸附床内温度和压力信号控制；6，吸附床壳体兼具冷凝器功能(与申请号为01140436的发明专利相同)。
采用本发明的技术方案可以达到以下的目的和功效1.吸附阶段通过静电输入端对床内活性碳纤维布添加正电荷，由于静电力是一种长程力，静电力场扩大了壁面吸附势的作用范围，加速了甲醇分子向吸附位的迁移，从而达到显著提高吸附容量和吸附速率的目的；2.脱附阶段当达到吸附平衡后，通过将静电输入端与接地端连接，释放掉芯体正电荷，平衡状态失衡的结果强化了甲醇分子脱离微孔壁面的倾向，同时，由于微孔孔径较大(≥2nm)壁面吸附势相对较弱，导致在较低的脱附温度下达到较好的脱附效果；3.对于一种固体吸附剂而言，壁面吸附势是不可控的。平均孔径越小，吸附势就较强，吸附量较大，但脱附温度也高；反之，平均孔径越大，吸附势较弱，脱附温度就偏低，但吸附量也小。而静电力的输入和释放是可控的，通过人为输入和释放静电荷，可以在提高吸附量的同时降低脱附温度，从而大幅度提高吸附循环效率，达到高效利用低品位余热资源的目的；4.吸附床壳体兼具冷凝器功能，这一点与申请号为01140436的发明专利所述相同，从而保留了该专利所述的所有功效。
图1为吸附床芯体与壳体的电绝缘示意图。
图2为吸附床芯体的结构示意图。
具体实施例方式
为进一步描述本发明的结构特征和功能，以下结合
如下
请参阅图1，芯体端板4、金属U形管5、静电输入端6、铝翅片7及翅片上附着物8构成了吸附床芯体1，芯体1通过聚四氟乙烯或氟橡胶材料与壳体2及封头3静电绝缘，对芯体1输入或释放静电荷只能通过静电输入端6进行。聚四氟乙烯或氟橡胶材料包括静电绝缘密封圈9和静电绝缘板10，静电绝缘密封圈9置于壳体2和芯体端板4之间，位于芯体端板4下表面，与壳体2敞口周缘固接。静电绝缘板10置于芯体端板4上表面与封头3底面之间，密封固接。
图2为吸附床芯体1的结构示意图。吸附床芯体1由芯体端板4、金属U形管5、静电输入端6、铝翅片7及翅片上附着物8构成。芯体端板4一侧端设有静电输入端6；金属U形管5上端与芯体端板4固接。金属U形管5两上端贯通芯体端板4、静电绝缘板10和封头3底板，分别与封头3的两空腔相通，请参见图1。铝翅片7水平均匀分布，固接于金属U形管5上。翅片上附着物8包括活性碳纤维布81，及隔离材料多孔陶瓷82。每一铝翅片7的上下表面均直接压紧附着活性碳纤维布81，构成一个吸附单元，吸附单元之间用多孔陶瓷82分隔。多孔陶瓷82孔径约在1～3mm之间，一方面作为冷剂蒸汽进入活性碳纤维的通道，另一方面，通过整体加压组装，压缩活性碳纤维布81的比容，提高其堆密度，减少热阻。
金属U形管5也可为复数个。活性碳纤维布81的平均孔径应≥2nm。
本发明是在申请号为01140436的发明专利的基础上，进一步提出以下两个全新的特点1，吸附床芯体设计了静电输入端和静电绝缘结构，可以通过静电输入端向活性碳纤维输入或释放静电荷，使吸附/脱附过程的强化具有可控性，达到既强化吸附过程，又降低了脱附温度，显著提高了吸附循环效率；2，采用活性碳纤维布作为固体吸附剂，活性碳纤维布通过和多孔陶瓷整体组装，直接压紧到传热翅片上，无需添加粘结剂，最大程度保留了活性碳纤维原材料的吸附性能。多孔陶瓷提供了足够的蒸汽通道，既不影响传质过程，也不影响静电荷在活性碳纤维布上的分布。
实施过程请参阅图1、图2。
冷却吸附过程冷却水从封头3进口端进入空腔内，通过空腔下面孔板流入金属U形管5，对翅片7及活性碳纤维布81进行冷却。活性碳纤维布81通过多孔陶瓷82的孔道开始吸附充满于周围空间的甲醇蒸气。当周围空间的蒸汽压低于蒸发器的蒸发压力时，连接吸附床和蒸发器的真空挡板阀13打开，吸附剂吸收来自蒸发器的甲醇蒸气。与此同时，静电输入端6通过控制线路与直流电源正极连接，对活性碳纤维布81输入正电荷，强化吸附过程。蒸发器维持在蒸发状态，吸收蒸发器内冷媒水管路中冷媒水的热量而制冷。当活性碳纤维布81吸附饱和后，连接吸附床和蒸发器的真空挡板阀13关闭，载热流体管路通过切换，来自热源的热水从封头3进口端进入空腔内。
加热脱附过程热水从载热流体进口端进入封头3空腔内，通过空腔下面孔板流入金属U形管5，对翅片7及活性碳纤维布81进行加热。与此同时，静电输入端6通过控制线路与直流电源接地端连接，释放掉活性碳纤维布81上的正电荷，强化脱附过程。活性碳纤维布81受热后，吸附于其中的甲醇以蒸汽态通过多孔陶瓷82的孔道脱附出来，充满于吸附床内的低真空空间，蒸汽压逐渐升高。与此同时，温度为20℃左右的冷却水通过壳体外水套环绕壳体外壁面流动，使脱附出来的甲醇蒸汽在壳体内壁面冷凝成液体，释放出凝结热，并沿壁面流到底部，经凝液出流管11、真空阀12、节流装置后，流回蒸发器。释放出的凝结热被壳体2外表面冷却水套内的冷却水带走。
当活性碳纤维布81充分脱附后，凝液出流管11上的真空阀12关闭，载热流体管路通过切换，冷却水再次对床内芯体1进行冷却，开始新一轮冷却吸附过程。
权利要求
1.一种静电荷控制强化的活性炭纤维吸附床结构，其特征在于芯体具有静电输入端，可以对吸附床芯体进行可控充放静电荷；当吸附床处于吸附状态时，静电输入端与直流电源正极相连，向床内活性碳纤维布充入正电荷，使静电力场与微孔壁面吸附势叠加，以强化吸附效果；而当吸附床处于脱附状态时，使静电输入端与直流电源接地端相连，释放掉正电荷，平衡力场的失衡有利于降低脱附温度。
2.根据权利要求1所述的活性炭纤维吸附床结构，其特征在于吸附床芯体与壳体及封头之间，是通过聚四氟乙烯或氟橡胶静电绝缘材料隔离以实现静电绝缘的。
3.根据权利要求1所述的活性炭纤维吸附床结构，其特征在于所述静电输入端，通过控制线路分别与直流电源正极和接地端相连；控制线路的动作与连接吸附床和蒸发器的真空挡板阀同步；当床内蒸汽压低于蒸发器蒸发压力，真空挡板阀打开时，静电输入端通过控制线路与直流电源正极相连，向活性碳纤维布输入正电荷以强化吸附；当活性碳纤维布吸附达到饱和，连接吸附床和蒸发器的真空挡板阀关闭时，静电输入端通过控制线路与直流电源的接地端相连，释放掉正电荷，以利于降低脱附温度。
4.根据权利要求1所述的活性炭纤维吸附床结构，其特征在于芯体由芯体端板、金属U形管、静电输入端、铝翅片组成；芯体端板一侧端设有静电输入端，下表面有静电绝缘密封圈，通过静电绝缘密封圈与壳体相连；金属U形管上端与芯体端板固接；金属U形管两上端贯通芯体端板、静电绝缘板和封头底板，分别与封头的两空腔相通；铝翅片水平均匀分布，固接于金属U形管上；每一铝翅片的上下表面均附着活性碳纤维布，构成一个吸附单元，吸附单元之间用多孔陶瓷分隔。
5.根据权利要求4所述的活性炭纤维吸附床结构，其特征在于所述铝翅片与活性碳纤维布及多孔陶瓷整体加压组装，在提高活性碳纤维布堆密度的同时，不影响冷剂蒸汽通道；活性碳纤维布的厚度在1~3mm，所用多孔陶瓷的平均孔径在0.5～3mm，厚度在3～5mm。
6.根据权利要求4所述的活性炭纤维吸附床结构，其特征在于所述金属U形管为复数个；活性碳纤维布的平均孔径≥2nm。
全文摘要
本发明涉及一种通过输入和释放静电荷实现控制强化的高功率密度吸附床，特别是指用于固体吸附制冷系统的高效吸附床。该静电荷控制强化的活性炭纤维吸附床结构，其芯体具有静电输入端，可以对吸附床芯体进行可控充放静电荷；当吸附床处于吸附状态时，静电输入端与直流电源正极相连，向床内活性炭纤维布充入正电荷，使静电力场与微孔壁面吸附势叠加，以强化吸附效果；而当吸附床处于脱附状态时，使静电输入端与直流电源接地端相连，释放掉正电荷，平衡力场的失衡有利于降低脱附温度。吸附床芯体与壳体及封头之间，是通过聚四氟乙烯或氟橡胶静电绝缘材料隔离以实现静电绝缘的。
文档编号B01D53/04GK1679997SQ20041003084
公开日2005年10月12日 申请日期2004年4月8日 优先权日2004年4月8日
发明者徐靖中, 梁世强, 陈坚 申请人:中国科学院工程热物理研究所