مطالعه تجربی و تخمین ضرایب هدایت حرارتی و هدایت حرارتی تماسی توده کربن فعال دانه‌ای به صورت تابعی از چگالی کربن

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

3 دکتری تخصصی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه واریک، کاونتری، انگلستان

10.22044/jsfm.2020.6207.2475

چکیده

کربن فعال نوعی از کربن است که به دلیل دارا بودن حفره‌های بسیار کوچک و کم‌حجم، سطح تماس بسیار زیادی را به منظور جذب سطحی و انجام واکنش‌های شیمیایی در دسترس قرار می‌دهد. کربن فعال به مرور زمان کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف همچون فیلتراسیون، تصفیه آب، تبرید، کشاورزی، صنایع دارویی و غیره یافته است. شناخت خصوصیات حرارتی کربن فعال به منظور ارائه طراحی مناسب، به خصوص در سیکل‌های تبرید جذبی، اهمیت بسیاری دارد. در چنین طراحی‌هایی، مهم‌ترین پارامتر حرارتی توده کربن فعال ضریب هدایت حرارتی و مقاومت تماسی توده کربن فعال با دیوار‌ه‌ها می‌باشد. در این مطالعه، طراحی آزمایش برای انجام مطالعه تجربی و تخمین پارامترهای توده کربن فعال دانه‌ای صورت گرفته است. بدین منظور، کربن فعال با چهار چگالی مختلف از دانه‌های کربن در داخل یک استوانه فولادی بسته‌بندی می‌شود و بارگذاری حرارتی بر روی استوانه انجام می‌گیرد. با اندازه‌گیری دمای گذرا در مرکز استوانه و استفاده از روش‌های معکوس حرارتی اقدام به تخمین ضریب هدایت حرارتی مؤثر توده کربن و مقاومت تماسی آن در تماس با دیواره فولادی می‌شود. نتایج آزمایش نشان می‌دهند که با افزایش چگالی کربن (از 400 تا 750 kgm-3)، هدایت گرمایی توده‌ای کربن (از 22/0 تا 46/0 Wm-1k-1) و همچنین هدایت گرمایی تماسی با دیواره فولادی مجاور آن (از 60 تا 700 Wm-2k-1) افزایش می‌یابد که روابطی برای آن‌ها استخراج شده است.

کلیدواژه‌ها


[1] Li Z, Wang L, Li Y, et al (2019) Carbon-based functional nanomaterials: Preparation, properties and applications. Compos Sci Technol 179: 10-40.

[2] Movahedi N, Taherishargh M, Belova IV, et al (2018) Mechanical and Microstructural Characterization of an AZ91−Activated Carbon Syntactic Foam. Mater Basel Switz 12.

[3] Saleh TA, Adio SO, Asif M, Dafalla H (2018) Statistical analysis of phenols adsorption on diethylenetriamine-modified activated carbon. J Clean Prod 182: 960-968.

[4] Harrache Z, Abbas M, Aksil T, Trari M (2019) Thermodynamic and kinetics studies on adsorption of Indigo Carmine from aqueous solution by activated carbon. Microchem J 144: 180-189.

[5] Vozár L (1996) A computer-controlled apparatus for thermal conductivity measurement by the transient hot wire method. J Therm Anal 46: 495-505.

[6] Swift DL (1966) The thermal conductivity of spherical metal powders including the effect of an oxide coating. Int J Heat Mass Transf 9: 1061-1074.

[7] Shulman ZP, Novichyonok LN, Belskaya EP, et al (1982) Thermal conductivity of metal-filled systems. Int J Heat Mass Transf 25: 643-651.

[8] Okazaki M, Yamasaki T, Gotoh S, Toei R (1981) Effective thermal conductivity for granular beds of various binary mixtures. J Chem Eng Jpn 14: 183-189.

[9] Critoph RE, Turner L (1995) Heat transfer in granular activated carbon beds in the presence of adsorbable gases. Int J Heat Mass Transf 38: 1577-1585.

[10] Critoph RE, Thorpe R (1996) Momentum and heat transfer by forced convection in fixed beds of granular active carbon. Appl Therm Eng 16: 419-427.

[11] Chiang Y-C, Chiang P-C, Chang E-E (1998) Comprehensive approach to determining the physical properties of granular activated carbons. Chemosphere 37: 237-247.

[12] Garrett D, Ban H (2011) Compressive pressure dependent anisotropic effective thermal conductivity of granular beds. Granul Matter 13: 685.

[13] Tian B, Wang L, Jin Z, Wang R (2011) Permeability and thermal conductivity of host compressed natural graphite for consolidated activated carbon adsorbent. Front Energy 5: 159-165.

[14] Tian B, Jin ZQ, Wang LW, Wang RZ (2012) Permeability and thermal conductivity of compact chemical and physical adsorbents with expanded natural graphite as host matrix. Int J Heat Mass Transf 55: 4453-4459.

[15] Wang LW, Tamainot-Telto Z, Thorpe R, et al (2011) Study of thermal conductivity, permeability, and adsorption performance of consolidated composite activated carbon adsorbent for refrigeration. Renew Energy 36: 2062-2066.

[16] Zhan-Jun S, Neng-Ting P, Zhao W, et al (2012) Preparation and properties of activated carbons with high thermal conductivity. Huaxue Gongcheng Chemical Eng 14: 14-18.

[17] Zahid M, Sharma R, Bhagat AR, et al (2019) Micro-structurally informed finite element analysis of carbon/carbon composites for effective thermal conductivity. Compos Struct 226: 111221.

[18] Xiao J, Liu Y, Wang J, et al (2012) Finite element simulation of heat and mass transfer in activated carbon hydrogen storage tank. Int J Heat Mass Transf 55: 6864-6872.

[19] Askalany AA, Saha BB, Ahmed MS, Ismail IM (2013) Adsorption cooling system employing granular activated carbon-R134a pair for renewable energy applications. Int J Refrig 36: 1037-1044.

[20] Jin Z, Tian B, Wang L, Wang R (2013) Comparison on thermal conductivity and permeability of granular and consolidated activated carbon for refrigeration. Chin J Chem Eng 21: 676-682.

[21] Chen F, Cai C, Cheng D, Zhan X (2013) Heat transfer characteristics of alumina membrane coated activated carbon with core–shell structure. Ind Eng Chem Res 52: 3653-3657.

[22] Menard D, Py X, Mazet N (2007) Activated carbon monolith of high thermal conductivity for adsorption processes improvement: Part B. Thermal regeneration. Chem Eng Process Process Intensif 46: 565-572.

[23] Menard D, Py X, Mazet N (2005) Activated carbon monolith of high thermal conductivity for adsorption processes improvement: Part A: Adsorption step. Chem Eng Process Process Intensif 44: 1029-1038.

[24] Oskouei MK, Tamainot-Telto Z (2014) Effect of packing density on thermal properties of granular activated carbon packed bed by using of inverse heat conduction method. Therm Sci 12: 1-12

[25] Kuwagaki H, Meguro T, Tatami J, et al (2003) An improvement of thermal conduction of activated carbon by adding graphite. J Mater Sci 38: 3279-3284.

[26] Pacho AMR, Critoph RE (2015) Wall contact thermal resistance and bulk thermal conductivity in activated carbon for adsorption generators. Heat Transf Res 46.

[27] Kennedy J, Eberhart R (1995) Particle swarm optimization. In: Proceedings of ICNN’95 - International Conference on Neural Networks. 4: 1942-1948.

[28] Kennedy J (1997) The particle swarm: Social adaptation of knowledge. In: Proceedings of 1997 IEEE International Conference on Evolutionary Computation (ICEC ’97).

[29] Jones JC (1998) Indirect evidence of relatively high thermal conductivities in powdered activated carbons. Fuel 77: 1679-1681.