劉雪燕，趙惠忠，唐祥虎，郝方圓

( 上海海事大學，上海 201306 )

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吸附制冷用吸附劑性能測試及實驗研究

劉雪燕，趙惠忠，唐祥虎，郝方圓

( 上海海事大學，上海 201306 )

研究吸附工質(zhì)對的性能對于吸附式干燥、除濕、制冷具有重要作用，而吸附劑的吸附量、導熱系數(shù)和吸附材料的性質(zhì)、溫度、壓力等許多因素有關(guān)，因此用實驗來測定就變得十分的有必要。本文以3A作為吸附劑，水作為制冷劑，組成吸附式制冷工質(zhì)對，通過液位法對工質(zhì)對的吸附制冷性能進行了研究。結(jié)果表明：它的最大吸附量為24.5g，最大吸附率為0.112g/g。本實驗吸附床中3A沸石分子篩的量為218.5g，在脫附溫度為260℃，吸附環(huán)境溫度為25℃時，根據(jù)已有的對太陽能冷管的改進實驗，選用同樣材料的太陽能冷管計算時，可得其制冷量為147.864J，制冷系數(shù)COP為0.116。

吸附劑性能；液位法；3A；吸附制冷；制冷量

1　引言

固體吸附式制冷因為具有環(huán)保和節(jié)能兩大優(yōu)勢，在化石能源日漸匱乏的今天越來越受到廣泛的關(guān)注。吸附制冷工質(zhì)對的熱力學性質(zhì)、吸附脫附性能、熱導率等對吸附制冷系統(tǒng)影響很大，選用合適的吸附工質(zhì)對對提高吸附制冷性能有很重要的意義。工業(yè)上常用的固體吸附劑有物理吸附劑和化學吸附劑兩大類，吸附式制冷系統(tǒng)中常見的物理吸附劑有分子篩、活性炭、硅膠等，常見的化學吸附劑有氯化鋰、氯化鍶、氯化鈣、溴化鋰等。目前，吸附性能測試的測試方法主要有質(zhì)量法、容重法、液位法、熱平衡法和熱重法等。質(zhì)量法具有相對較高的測量精度；容重法本身就是利用理想氣體狀態(tài)方程處理實際氣體，也會有較大的誤差；熱平衡法具有結(jié)構(gòu)簡單和方便的優(yōu)點，而且測試環(huán)境更加接近實際樣機，具有更好的指導意義。液位法測量原理以及測量方法比較簡單，隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及遠傳液位精度的提高，它將在測量吸附劑性能中發(fā)揮重要的作用。

早期對吸附制冷技術(shù)的研究主要是從吸附劑—制冷劑的性能著手的，主要采用實驗研究的方法，在實驗中加以應(yīng)用和改進。這些研究工作使吸附式制冷的基本理論得到初步完善和發(fā)展，并使研究工作集中于對一些典型的吸附劑和制冷劑性能的研究[1]。太陽能吸附式冰箱和太陽能吸附式制冰機的開發(fā)和利用肯定了這些研究的成功[2]。吸附劑對制冷劑的吸附和解吸容量、速度與系統(tǒng)內(nèi)部尤其是吸附床的傳熱傳質(zhì)特性等相關(guān)。在吸附式制冷技術(shù)方面，許多結(jié)論已經(jīng)達成國際共識，對吸附式制冷的技術(shù)的認識也比較明確。

對于吸附劑制冷性能，有很多學者做過研究，比如曲天飛對吸附制冷的常用工質(zhì)及其特點進行研究[3]，嚴愛珍[4]針對沸石分子篩-水工質(zhì)對做了性能實驗研究和應(yīng)用探討[5]，朱瑞琪[6]等對沸石一水的吸附特性及其制冷效果進行研究，張敏[7]等研究了沸石分子篩—水吸附工質(zhì)對的吸附性能及導熱性能，王如竹[8]等對吸附式制冷進行了熱力學分析[9]。這些研究使后人對于這些吸附劑的性能有了一個更清晰的認識，便于選擇合適的吸附劑用于吸附制冷。本文以3A為原材料，通過液位法測試制冷劑3A沸石的吸附性能，對吸附制冷的基礎(chǔ)實驗研究做一點貢獻。

2　實驗內(nèi)容

2.1試驗臺的搭建和實驗原理

2.1.1試驗臺簡述

試驗中所用試驗臺，對吸附床上中下分別設(shè)置測點，在安捷倫數(shù)據(jù)采集儀中將熱電偶接入各自的通道，進行初步設(shè)置，通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀器將測點的溫度顯示出來。同時在壓力變送器處設(shè)置壓力測點，通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀將系統(tǒng)壓力顯示出來。溫控器的存在就是為了實現(xiàn)加熱脫附時對吸附床內(nèi)部壓力的控制，防止溫度過高，使加熱爐損壞。軸流風機的作用，是在吸附床吸附過程中對吸附床進行冷卻，帶走吸附過程中吸附劑顯熱，使吸附過程進行順利。真空泵的作用，就是在實驗開始前，給整個實驗裝置營造一個真空環(huán)境，給水蒸氣一個流動的動力，使實驗順利進行。

2.1.2實驗原理

液位法是通過目測法或者電磁液位傳感器直接測量制冷劑的液位變化得出吸附劑的吸附性能，實驗原理是利用吸附床在脫附/吸附時冷凝器/蒸發(fā)器的液位變化，測量吸附劑的吸附性能。在加熱脫附時，電加熱器為吸附床提供熱量，脫附出來的制冷劑蒸汽進入冷凝器，冷凝器液位通過目測法讀出；在冷卻吸附時，由鼓風機冷卻吸附床，蒸發(fā)器中的制冷劑在吸附床的作用下蒸發(fā)，進入吸附床，蒸發(fā)器的液位通過目測法讀出。這樣通過液位的變化，以及安捷倫數(shù)據(jù)采集儀器，就可以得到吸附與脫附過程中相關(guān)的參數(shù)，從而得到吸附劑的性能。同時，為了保證測試的精度，吸附劑的質(zhì)量需要多一些，冷凝器/蒸發(fā)器的管徑小一些，這樣一來，測量的液位的變化才更明顯。

2.2實驗步驟

(1)活化處理：將3A沸石分子篩放入加熱爐中加熱，由于加熱爐的最高溫度為300℃，因此在加熱3A時，將溫度控制在280℃左右，持續(xù)加熱12小時。

(2)熱排空：本實驗是閉式吸附，為了使實驗測試數(shù)據(jù)更加準確，在進行吸附過程前必須對整個實驗裝置進行排空處理，以保證足夠的真空度。把經(jīng)過活化處理過的3A吸附劑放入吸附床內(nèi)，關(guān)閉吸附床出口閥門，關(guān)閉冷凝器/蒸發(fā)器的閥門，對吸附床進行加熱，然后打開真空泵入口前的閥門，把吸附床內(nèi)部的熱空氣抽空，使得系統(tǒng)壓力低于大氣壓。然后打開冷凝器入口前閥門，關(guān)閉吸附床出口閥門，把冷凝器/蒸發(fā)器中的空氣排出，待壓力降到大氣壓以下時，關(guān)閉真空泵。

(3)吸附過程：熱排空過程結(jié)束以后，記錄下水柱的初始液位，打開吸附床散熱，同時開啟抽風機，待吸附床內(nèi)部空氣溫度在儀器上顯示為室溫時，關(guān)閉吸附床，然后緩慢旋開冷凝器/蒸發(fā)器入口前閥門，防止突然的壓力增大，使其爆沸。隨著實驗進行，每隔5分鐘記錄一次冷凝器的液位變化，同時觀察吸附過程中各個測點的溫度和壓力變化，避免實驗過程中出現(xiàn)的異常變化，以便及時處理。當冷凝器/蒸發(fā)器的液位不再變化時，證明吸附過程基本完成。

(4)脫附過程：吸附過程完成以后，關(guān)閉吹風機，開始對吸附床進行加熱，吸附劑由于受熱脫附，釋放出水蒸氣，然后在冷凝器中冷凝，從而使液位不斷升高。同樣的，安捷倫數(shù)據(jù)采集裝置每隔5分鐘對吸附床的各個測點的溫度和壓力進行一次采集，通過目測液位數(shù)值記錄液位變化。直到液位不再升高，也就意味著脫附過程結(jié)束。

(5)實驗結(jié)束，實驗數(shù)據(jù)的后處理。

2.3吸附量和吸附壓力的測定

吸附量和吸附壓力的測定都是在平衡吸附量裝置上進行。在一定的吸附溫度下，使得吸附質(zhì)在其吸附溫度的飽和蒸汽下吸附，每隔一段時間間隔，讀取吸附劑吸附量的變化值，本實驗不是直接測量吸附量，而是從冷凝器的液位變化來體現(xiàn)吸附量的變化，同樣的，脫附量的測定則從蒸發(fā)器中液位的變化來體現(xiàn)。而吸附壓力和吸附溫度，直接通過安捷倫數(shù)據(jù)采集器采集出來，從而得到吸附過程中的溫度變化，以及吸附量隨時間的變化關(guān)系。

3　結(jié)果與討論

3.1吸附/脫附過程溫度變化

圖1　脫附過程中吸附床溫度

圖2　吸附過程中吸附床溫度

3A吸附劑脫附過程的溫度變化如圖1所示，實驗中吸附床三個測點的溫度變化趨勢一致。脫附過程中，是需要通過外界對其加熱以實現(xiàn)脫附，因此溫度會迅速升高，但是隨著脫附的進行，脫附速度會逐漸減慢，直至脫附完全，在此過程中，溫度也就呈現(xiàn)緩慢增加，甚至不再增加，保持穩(wěn)定的一個趨勢。上部中部下部溫度分別由28.999℃，29.149℃，28.928℃升高至261.835℃，271.906℃，259.477℃。

3A吸附劑吸附過程的溫度變化如圖2所示，吸附過程中為了使得吸附床獲得更高的吸附量，會加鼓風機給吸附床降溫，同時還能克服吸附過程中放出的顯熱。因此在吸附初始階段，吸附床的三個測點的溫度迅速降低，直至最后幾乎耦合為一條曲線。上部中部下部溫度分別由41.499℃，49.696 ℃,45.18℃降至28.939℃，29.115℃，28.939℃。

3.2吸附/脫附速率

圖3　吸附速率

圖4　脫附速率

3A吸附劑吸附的液位變化曲線如圖3所示，通過液位的變化能夠間接反映出吸附速率的大小。在吸附初始階段，液位變化比較明顯，顯然反映出吸附速度比較快，隨著吸附過程的進行，吸附劑的吸附能力隨著吸附量的增加而減弱，因此液位變化緩慢，吸附速率減慢，直到吸附劑的吸附能力達到飽和，吸附量將不再變化，吸附速率基本為零。

如圖4所示，在脫附過程中，液位的變化同樣反映出吸附速率的變化。脫附開始時，脫附能力較強，脫附速率比較大，液位迅速上升。隨著吸附的進行，吸附劑的脫附能力減弱，速率逐漸減小，液位緩慢上升。直到脫附達到最大限度時，液位不再上升，脫附速率變?yōu)榱恪?/p>

3.3吸附過程中系統(tǒng)壓力

圖5　系統(tǒng)壓力變化

圖6　系統(tǒng)局部壓力

3A吸附劑吸附過程中系統(tǒng)的壓力變化如圖5所示，由圖可以看出0～300分鐘的時候，系統(tǒng)壓力迅速增加，由初始的1800Pa迅速增加為3150 Pa,300分鐘以后壓力緩慢增加，最后基本不變，達到峰值3300Pa。之所以會出現(xiàn)這種情況，是因為初始吸附開始時，壓力比較低，低于水的飽和蒸汽壓力，水會不斷蒸發(fā)變?yōu)樗魵?，系統(tǒng)壓力也會逐漸蒸發(fā)接近水蒸氣的飽和壓力，因此整體會呈現(xiàn)上升趨勢。隨著吸附的進行，壓力逐漸增大，水蒸氣少量蒸發(fā)，再加上吸附劑的吸附能力逐漸減弱，吸附能力達到飽和，壓力也就不再增加，呈現(xiàn)水平這樣一個現(xiàn)象。

由于在40～200分鐘的時間范圍內(nèi)壓力出現(xiàn)了不一般的情況，為此專門對此部分數(shù)據(jù)做了一個局部的放大，以便更清楚地分析這個情況。如圖6，壓力變化類似“喘振”，初步分析出現(xiàn)這種情況的原因是吸附開始時，吸附劑的吸附能力強，壓力就會有一個劇烈的變化。在吸附劑迅速吸附水蒸氣時，壓力驟降，當壓力降到水蒸氣的蒸發(fā)壓力時，液態(tài)水開始蒸發(fā)，壓力又開始上升。因此就出現(xiàn)了圖中這種情況。

3.4吸附量和吸附率

圖7　吸附率隨時間變化

圖8　吸附量隨時間的變化

3A吸附劑的吸附量曲線如圖8所示，可以看出0～300分鐘的時候，吸附量迅速增加，300分鐘以后水位基本不變，也就是說吸附基本平衡。冷凝器的初始液位為83.5ml，最終液位為59ml，得其最大吸附量為24.5g。結(jié)合吸附劑質(zhì)量和每個過程吸附量可計算吸附率曲線圖7，與圖8的現(xiàn)象一致，且最大吸附率為0.112g/g。

4　結(jié)論

本文通過液位法對制冷用吸附劑3A的吸附性能進行了測試。它的最大吸附量為24.5g，最大吸附率為0.112g/g。本實驗吸附床中3A沸石分子篩的量為218.5g，在脫附溫度為260℃，吸附環(huán)境溫度為25℃時，根據(jù)張津[10]等對太陽能冷管的改進實驗，選用同樣材料的太陽能冷管計算時，可得其制冷量為147.864J，制冷系數(shù)COP為0.116。這為吸附式制冷吸附劑的基礎(chǔ)研究奠定了一定的基礎(chǔ)，同時研究吸附劑最終的目的還是為了可以提高其作為吸附劑的吸附制冷系統(tǒng)的性能。

[1] 馮毅，譚盈科．沸石分子篩．吸附式制冷原理和工質(zhì)的選擇[J]．廣州化工，1989，(1)：48-52

[2] M.Pons,J.J.Cuilleminot.Design of an experimental solar-powered solid adsorption cycle,Int.Journal of Ambient Energy Engineering,1986,4:115-123

[3] 曲天飛，王如竹．吸附式制冷系統(tǒng)的常用工質(zhì)及其應(yīng)用特點[J]．新能源，2000,(9)：16-21

[4] 嚴愛珍，鮑書林，顏貽春，等．沸石分子篩吸附式制冷I：沸石分子篩體系的選擇[J]．制冷學報，1982，(4)：24-32

[5] 嚴愛珍，董家騄，鮑書林，等．沸石分子篩在吸附制冷應(yīng)用上的探討[J]．南京大學學報，1986，22(2)：371-378

[6] 朱瑞琪，韓寶琦．沸石一水的吸附特性及其制冷/熱泵性能分析[J]．西安交通大學學報，1991，25(4)：9-15

[7] 張敏，盧允莊，王如竹．沸石分子篩—水吸附工質(zhì)對的吸附性能及導熱性能[J]．太陽能學報，2003，24(1)：37-40

[8] 王如竹，吳靜怡，代彥軍，等．吸附式制冷[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2001

[9] 王如竹，吳靜怡，滕毅，等．固體吸附式制冷的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．太陽能學報，1998，(1)：20-29

[10] 張津，聶晶．新型太陽能冷管制冷熱力循環(huán)分析計算[J]．低溫與特氣，2014，32(2)4-7

Adsorption Refrigeration Adsorbent Performance Testing and Experimental Study

LIU Xueyan，ZHAO Huizhong，TANG Xianghu，HAO Fangyuan

( Shanghai Maritime University,Shanghai 201306 )

Adsorption performance of the working pair to the adsorption drying,dehumidification,refrigeration plays an important role,but a number of factors adsorption capacity adsorbent,thermal conductivity and adsorption properties of the material,temperature,pressure and so on.Therefore,to determine experimentally becomes very necessary.In 3A as adsorbent,water as a refrigerant,the composition of adsorption refrigeration working pair,the paper will level method of working fluids for absorption refrigeration performance were studied.The results showed that:its maximum adsorption of 24.5g,maximum adsorption rate of 0.112g / g.In this study,the amount of the adsorbent bed of Zeolite 3A is 218.5g,at desorption temperature of 260℃,adsorption ambient temperature of 25℃,according to other improvements for solar cooling tube experiments,Selection calculate solar cooling tube of the same material,it can be lent cooling capacity of 147.864J,refrigeration COP coefficient of 0.116.Key words：Sorbent performance；Level method；3A；Absorption refrigeration；Cooling capacity

2015-11-28

劉雪燕(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：制冷與空調(diào)的節(jié)能、蓄能技術(shù)。Email：945719390@qq.com

趙惠忠。Email：hzzhao@shmtu.edu.cn

ISSN1005-9180(2016)03-023-05

TQ028.1+4；TQ051.8+6文獻標示碼：Adoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.004