嚴昊鑫

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

一種新型吸附性制冷吸附劑的性能研究

嚴昊鑫

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

吸附劑在吸附式制冷中起著至關(guān)重要的作用，13X沸石分子篩作為物理吸附劑具有穩(wěn)定和安全的特點。本文通過閉式吸附測試系統(tǒng)對分別浸泡5%，10%，15%，20%CaCl2溶液的13X沸石分子篩進行吸附性能測試，得出通過浸泡一定濃度的CaCl2溶液可以提高13X沸石分子篩的吸附能力，但是一旦超過臨界濃度，浸泡高濃度CaCl2溶液會減弱13X沸石分子篩的吸附能力。

復(fù)合吸附劑；CaCl2溶液；13X沸石分子篩

Abstract：Adsorbent plays an important role in absorption refrigeration.13X zeolite has features of stability and safety as a physical adsorbent.This essay uses a kind of vacuum absorption testing system to examine 13X zeolite which has been mixed with 5%，10%，15%，20% CaCl2.Results show that certain density CaCl2can help to strengthen 13X′s ability to absorb water，once it exceeds critical point，it can decrease the ability of absorbing water.

Keywords：Composite adsorbent；CaCl2；13X zeolite

引言

二戰(zhàn)結(jié)束后，世界各國飛速發(fā)展，能源和環(huán)保問題日益嚴重，吸附式制冷技術(shù)被大家重視起來。1992年巴黎首屆國際固體吸附式制冷大會后，吸附式制冷獲得了大幅度發(fā)展，進行了更系統(tǒng)的研究?，F(xiàn)階段，國外的整體研究水平高于國內(nèi)研究水平，法國[1-2]、英國[3-4]、意大利[5-6]、美國[7]、埃及[8]等研究團隊的研究成果都非常具有代表意義。我國對吸附式制冷研究最早的是20世紀(jì)80年的嚴愛珍、譚盈科及研究團隊[9-10]，上海交通大學(xué)的王如竹教授及研究團隊[11-12]從九十年代后也作了大量的吸附式制冷研究工作。

上海交通大學(xué)[13]開發(fā)了以活性炭-甲醇為吸附制冷工質(zhì)對的船用吸附式制冷機組，這種系統(tǒng)的優(yōu)點是用甲醇作為制冷劑，安全可靠。該系統(tǒng)最大制冰量達到20kg/h。劉艷玲[14-16]對以硅膠-水為吸附工質(zhì)對的吸附制冷系統(tǒng)做了實驗研究。由于硅膠自身的特性，在吸附/脫附過程中對溫度有要求，只可以在熱源較低的條件下使用，而且冷凝和冷卻溫度都需要相對較低。在以沸石-水為吸附制冷工質(zhì)對的研究上，Hart Baoqit[17]使用吸附冷管的單元管上部作為吸附床，下部放置制冷劑，當(dāng)吸附劑-沸石分子篩的灌裝量為400g時，冷管能夠把1kg的水從室溫24℃冷卻至約2℃。

本文研究了一種新型的復(fù)合固體吸附劑的吸附性能，通過閉式吸附系統(tǒng)來測量這種吸附劑的吸附效果。實驗裝置見圖1。

1 實驗原理

1-吸附床 2-制冷劑通道 3-電加熱爐 4-溫控器 5-進口閥 6-空氣進口 7-風(fēng)機 8-出口閥 9-空氣出口 10-法蘭 11-真空球閥 12-真空球閥 13-壓力變送器 14-真空球閥 15-真空球閥 16-冷凝/蒸發(fā)器 17-真空泵圖1 實驗裝置原理圖

本實驗旨在利用閉式吸附系統(tǒng)來測試復(fù)合固體吸附劑在松散堆積情況下的吸附性能。主要使用的方法是液位法，通過觀察蒸發(fā)/冷凝器的液位變化來觀察吸附劑的吸附和脫附量，從而了解吸附劑的吸附性能。主要的實驗步驟有：

(1)熱排空：將真空球閥11，12打開，接通壓力變送器。利用溫控器對吸附床進行恒溫加熱，溫度控制在300℃對吸附床進行加熱，并在吸附床溫度趨于穩(wěn)定之后停止加熱。然后打開真空球閥14，接通真空泵17，將壓力控制在相對真空狀態(tài)。斷開風(fēng)機，關(guān)閉球閥11，14，斷開真空泵。風(fēng)機運行。

(2)蒸發(fā)/冷凝器多余空氣處理：接通真空泵，打開球閥14，緩慢打開球閥15(防止壓力劇變導(dǎo)致的暴沸)。將多余的空氣抽出，當(dāng)壓力穩(wěn)定在對應(yīng)溫度的水的飽和蒸汽壓時，關(guān)閉真空球閥14，15，斷開真空泵。

(3)吸附過程：記錄蒸發(fā)/冷凝器初始液位，打開真空球閥11，15，此時蒸發(fā)/冷凝器和吸附床構(gòu)成一個封閉系統(tǒng)。吸附劑開始吸附蒸發(fā)/冷凝器中的水蒸氣，每隔5分鐘記錄一次液位，直至液位穩(wěn)定。

(4)加熱脫附：吸附完成后，接通溫控器，重新對吸附床進行300℃恒溫加熱。當(dāng)吸附床溫度到達180℃時，注意蒸發(fā)/冷凝器液面變化。記錄液面讀數(shù)和時間，并每隔5min記錄一次直至液面穩(wěn)定。

2 復(fù)合吸附劑制備

本實驗使用13X沸石分子篩和無水CaCl2制備復(fù)合吸附劑。13X沸石分子篩和無水CaCl2都是比較常用和穩(wěn)定的吸附劑，這兩種吸附劑復(fù)合而成的固體吸附劑同樣具備安全性，可靠性。本實驗使用廊坊亞太龍興化工有限公司生產(chǎn)的顆粒度3～5mm的13X沸石分子篩和國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的無水CaCl2，將13X沸石分子篩分別浸泡在5%，10%，15%，20%的CaCl2溶液中，浸泡超過24小時，對其進行漂洗和活化備用。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 吸附床溫度變化

圖2 吸附床在加熱過程中的溫度變化

圖3 吸附床在冷卻過程中的溫度變化

本實驗分別在吸附床內(nèi)部空氣通道上中下(b1，b2，b3)，吸附床外壁上中下(a1，a2，a3)處分別設(shè)置熱電偶測量吸附床溫度。圖2、圖3為吸附床外部和吸附床內(nèi)部在加熱和冷卻過程中的溫度變化。圖2所示吸附床的內(nèi)部溫度和外部溫度隨著加熱的進行逐漸趨于穩(wěn)定，吸附床底部外部溫度逐漸穩(wěn)定在260.070℃，吸附床底部內(nèi)部溫度逐漸穩(wěn)定在265.034℃，利用吸附床外部溫度模擬內(nèi)部溫度誤差為1.87%；圖3表示冷卻過程中吸附床的溫度變化情況。同樣，隨著冷卻過程的進行，吸附床的溫度逐漸穩(wěn)定。吸附床底部外壁的溫度逐漸穩(wěn)定在28.685℃，吸附床底部內(nèi)部溫度逐漸穩(wěn)定在27.986℃，利用吸附床外部溫度模擬內(nèi)部溫度誤差為2.49%。

3.2 系統(tǒng)內(nèi)部壓力變化

圖4所表示的是系統(tǒng)的壓力曲線。在吸附過程的初始階段，整個系統(tǒng)的真空度相對高，其結(jié)果就是冷凝器中的水蒸發(fā)速率較大。與此同時，吸附床此時的溫度相對高，所以吸附劑此時的吸附速率較小，從而系統(tǒng)壓力會隨水的蒸發(fā)而快速升高；吸附進行到中間階段時，水的蒸發(fā)速率減弱，吸附床的溫度也在逐漸降低，此時吸附速率增大。與此同時，復(fù)合吸附劑此時的吸附作用要強于水的蒸發(fā)作用，系統(tǒng)內(nèi)部的壓力會因為水蒸氣的減少而降低。當(dāng)壓力持續(xù)減小至接近水蒸氣的飽和壓力時，冷凝/蒸發(fā)器內(nèi)的液態(tài)水會發(fā)生暴沸現(xiàn)象，從而使系統(tǒng)壓力迅速增大，此時壓力曲線會呈現(xiàn)出快速上升的趨勢，但是系統(tǒng)整體壓力趨于減??；由于吸附劑逐漸吸附飽和，系統(tǒng)的吸附作用逐漸減弱，吸附速率開始小于冷凝/蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率，最終系統(tǒng)壓力不斷升高。

圖4 系統(tǒng)的壓力曲線

圖5 吸附過程中的吸附床溫度和吸附效率

3.3 復(fù)合吸附劑吸附性能

圖6 復(fù)合吸附劑吸附量隨時間變化

圖5表示吸附過程中吸附床溫度隨時間的變化以及復(fù)合吸附劑的吸附效率隨時間的變化。在熱排空之后，吸附床的溫度從105℃逐漸降低至室溫。與此同時，復(fù)合吸附劑的吸附作用也從初始的1.82×10-3g /(g·min)逐漸降低至0.21×10-3g /(g·min)。

3.4 復(fù)合吸附劑吸附量隨時間變化

圖6所示的是復(fù)合吸附劑的吸附量隨時間的變化。曲線1表示13X沸石分子篩的吸附量隨時間的變化；曲線2-5分別表示13X沸石分子篩與5%，10%，15%，20%的CaCl2溶液浸泡后所得CaCl2-13X復(fù)合吸附劑的吸附量隨時間的變化。由圖6可以看出，隨著吸附過程的進行，復(fù)合吸附劑的吸附量最終趨于穩(wěn)定。吸附劑的吸附量和是否與CaCl浸泡有關(guān)，與浸泡CaCl2溶液的濃度有關(guān)。與曲線1相比，曲線2和曲線3的吸附量明顯高于曲線1。說明13X沸石分子篩在浸泡了質(zhì)量分數(shù)為5%和10%的CaCl2溶液后，吸附效果要高于13X沸石分子篩的吸附效果。從曲線4和曲線5可以看出，浸泡了15%和20%CaCl2溶液的13X沸石分子篩的吸附量并沒有單純的13X沸石分子篩高，說明其吸附能力是低于13X沸石分子篩的。所以，可以看出13X沸石分子篩浸泡CaCl2溶液可以提高其吸附能力，但是浸泡的CaCl2溶液的濃度具有一個臨界值，一旦超過了這個臨界值，浸泡CaCl2溶液反而會降低13X沸石分子篩的吸附能力。在本實驗中，吸附效果最好的是浸泡10%CaCl2溶液的13X沸石分子篩，吸附量為71.64g，沸石分子篩質(zhì)量為190g，最大吸附率為0.377g/g。相比較13X沸石分子篩最大吸附量為68.48g，最大吸附率為0.360g/g，提高了0.017g/g。

4 結(jié)論

本實驗通過設(shè)計搭建閉式吸附系統(tǒng)用于測試吸附式制冷中的一種新型復(fù)合吸附劑的吸附效果。通過對吸附床溫度進行研究后，發(fā)現(xiàn)其能夠滿足吸附性能試驗的要求。從而進行進一步的吸附性能的實驗測試。通過與查閱文獻中測定的單純13X分子篩的吸附性能的比較，得出本實驗的可行性和可靠性。通過對吸附床溫度，系統(tǒng)壓力以及復(fù)合吸附劑的性能分析可以得出以下結(jié)論：

(1)本實驗系統(tǒng)采用熱排空和真空泵使系統(tǒng)達到傳質(zhì)需要的真空工況，利用加熱爐令初始脫附溫度為200℃，利用風(fēng)機令初始吸附溫度為105℃。

(2)加熱脫附段用吸附床外壁底部的溫度近似估計吸附床內(nèi)固體吸附劑的溫度的偏差為1.87%，冷卻吸附段用吸附床外壁底部的溫度近似估計吸附床內(nèi)固體吸附劑的溫度的偏差為2.49%。偏差較小，可以使用吸附床外壁底部的溫度表示床內(nèi)吸附劑的溫度。

(3)13X沸石分子篩浸泡一定濃度的CaCl2溶液是可以提高其吸附能力的，但是CaCl2溶液的濃度具有一個臨界值，超出這個臨界值就會降低13X沸石分子篩的吸附能力。作者認為，這是因為13X沸石分子篩具有完整的微孔結(jié)構(gòu)，浸泡CaCl2溶液會使一定量的CaCl2分子附著在這些通道中提高13X沸石分子篩的吸附能力。超過臨界濃度的CaCl2溶液會使13X沸石分子篩的微孔結(jié)構(gòu)堵塞，減弱其吸附能力。本實驗中，吸附效率最高的一組是浸泡10%CaCl2溶液的13X沸石分子篩。

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StudyonthePerformanceofaNewAdsorptionRefrigerationAdsorbent

YAN Haoxin

(Shanghai Maritime University Commercial and Shipping college，Shanghai 201306 )

2016-9-28

上海海事大學(xué)校內(nèi)基金項目(20120094)

嚴昊鑫(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：制冷與空調(diào)的節(jié)能、蓄能技術(shù)。E-mail：427751482@qq.com

ISSN1005-9180(2017)03-019-05

TQ028.1+5文獻標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.004