新型復(fù)合吸附劑的吸附特性與機(jī)理及其在高效熱管型余熱制冷中的應(yīng)用.pdf

1、在吸附式制冷的應(yīng)用方面，對(duì)于高于0℃的空調(diào)溫區(qū)，所采用的硅膠—水制冷機(jī)組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。而對(duì)于低于0℃的冷凍溫區(qū)，其最佳吸附制冷工質(zhì)對(duì)金屬氯化物—氨在應(yīng)用中，存在的關(guān)鍵問題是吸附機(jī)理不清、系統(tǒng)小型化困難、二次換熱耗能大且換熱效果有限?？紤]到復(fù)合吸附劑由于所采用的物理吸附劑具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，可以為實(shí)現(xiàn)金屬氯化物—氨系統(tǒng)的高效制冷提供可能，本課題通過金屬氯化物—氨吸附機(jī)理的研究，確定化學(xué)吸附性能衰減的規(guī)律及氨合氯化物這種絡(luò)合物合理的生長

2、過程，然后將金屬氯化物的絡(luò)合機(jī)理與物理吸附劑的吸附機(jī)理相結(jié)合，利用復(fù)合吸附劑中物理吸附劑豐富的微孔結(jié)構(gòu)改善金屬氯化物的傳質(zhì)，解決金屬氯化物在實(shí)際應(yīng)用中機(jī)組難以小型化及長期使用中性能不穩(wěn)定的問題，同時(shí)突破熱管技術(shù)在吸附系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合吸附劑應(yīng)用中吸附床無驅(qū)動(dòng)部件、冷熱交變且高換熱效率的加熱解吸與冷卻吸附過程，確定復(fù)合吸附劑的實(shí)用化方案。 新型復(fù)合吸附劑中所采用的化學(xué)吸附劑為金屬氯化物的典型代表——氯化鈣，物理吸附劑則

3、為具有豐富微孔同時(shí)能夠?qū)Π碑a(chǎn)生復(fù)合吸附作用的活性炭。對(duì)氯化鈣及活性炭的吸附機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明活性炭的吸附機(jī)理為微孔內(nèi)液體凝聚并被吸附質(zhì)充滿的過程，氯化鈣的吸附動(dòng)力學(xué)則為分子內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、分子間反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與制冷劑的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)的三重效果，這種動(dòng)力學(xué)對(duì)吸附的影響反映在化學(xué)吸附前驅(qū)態(tài)對(duì)吸附過程的影響之中，結(jié)果表現(xiàn)為Ca2+的分布密度直接影響Ca2+與NH3氣體分子之間的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力。氨合氯化鈣這種絡(luò)合物最為合理的生長過程可以通過控制吸附劑的

4、膨脹空間而得到，其機(jī)理為通過膨脹空間的控制得到合理的Ca2+分布密度以及合理的Ca2+與NH3氣體分子之間的距離，從而抑制吸附劑的短期性能衰減并得到理想的吸附性能。但氯化鈣的解吸動(dòng)力則主要受分子內(nèi)部反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，這從機(jī)理上來分析，則主要受解吸過程的穩(wěn)定常數(shù)及活化能的影響，而這種影響與吸附過程并不相同，這種差別也導(dǎo)致化學(xué)吸附與解吸過程之間存在著嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象。 氯化鈣—氨工質(zhì)對(duì)在最為合理的膨脹空間中絡(luò)合時(shí)，主要問題是存在著嚴(yán)重

5、的結(jié)塊現(xiàn)象。利用物理及化學(xué)吸附的研究成果，對(duì)物理與化學(xué)吸附劑的復(fù)合吸附劑進(jìn)行研究，其目的在于通過物理吸附劑豐富的微孔結(jié)構(gòu)改善化學(xué)吸附劑的結(jié)塊現(xiàn)象，提高化學(xué)吸附劑的傳質(zhì)以及體積制冷量，實(shí)現(xiàn)金屬氯化物—氨系統(tǒng)的小型化。通過不同配比、不同固化手段的復(fù)合吸附劑特性研究表明，氯化鈣與活性炭質(zhì)量比為2：1的新型復(fù)合吸附劑——固體復(fù)合吸附劑，可以將吸附床內(nèi)CaCl2的最佳填充量提高45﹪。將CaCl2的最佳體積制冷量在制冷劑的飽和溫度為-15℃的條件

6、下，提高39﹪。復(fù)合吸附機(jī)理的研究表明，復(fù)合吸附中由于物理吸附劑毛細(xì)管內(nèi)的液體凝聚作用的影響，已經(jīng)超出化學(xué)吸附機(jī)理及動(dòng)力學(xué)所能解釋的范圍。 在新型復(fù)合吸附劑的應(yīng)用中，提出采用復(fù)合交變熱管理論，實(shí)現(xiàn)吸附系統(tǒng)無驅(qū)動(dòng)部件的加熱與冷卻過程。針對(duì)熱管理論在吸附系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)——吸附床加熱與冷卻的合理復(fù)合以及吸附床高效的冷卻換熱，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出采用壓差驅(qū)動(dòng)的泵液式回?zé)峒夹g(shù)以及內(nèi)置式熱管上升段設(shè)計(jì)方案，同時(shí)采用雙床回?zé)峄刭|(zhì)實(shí)現(xiàn)復(fù)合吸附劑

7、高效的加熱解吸與冷卻吸附。結(jié)果表明，回質(zhì)大幅度地提高了系統(tǒng)的性能，在最高解吸溫度為90℃時(shí)，相對(duì)于平衡吸附狀態(tài)回質(zhì)過程將復(fù)合吸附劑的循環(huán)吸附量提高了2倍。以船用吸附制冰為應(yīng)用背景進(jìn)行制冷性能測(cè)試，系統(tǒng)的最低蒸發(fā)溫度達(dá)到了-42℃。有回?zé)峄刭|(zhì)的條件下，蒸發(fā)溫度為-15℃時(shí)，COP(制冷性能系數(shù))與SCP(單位質(zhì)量吸附劑的制冷功率)的平均值分別高達(dá)0.41與731W/kg。與國際上目前的研究成果相對(duì)比，SCP比空調(diào)工況下實(shí)驗(yàn)所得的最高SCP

8、值提高了1.2倍，比制冰工況下實(shí)驗(yàn)所得的最高SCP值提高了2.2倍。同時(shí)復(fù)合吸附系統(tǒng)加工完成8個(gè)多月的時(shí)間中，試驗(yàn)測(cè)試表明系統(tǒng)不存在性能衰減現(xiàn)象。 將回?zé)峄刭|(zhì)式復(fù)合交變分離熱管型高效復(fù)合吸附系統(tǒng)與針對(duì)漁船制冰而建立的活性炭—甲醇吸附制冰機(jī)相比，其COP與SCP分別提高2.5倍與22.2倍，換熱系數(shù)提高了約88﹪，同時(shí)回?zé)峄刭|(zhì)式復(fù)合交變分離熱管型系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中只需要一個(gè)冷水泵，相對(duì)于普通型活性炭—甲醇吸附制冰機(jī)的四個(gè)水泵，大幅度