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6 9 2 化 工 进 展 旦 里 垒 I N D U S T R Y A N D E N G INE E R I N G P R O G R E S S 2 0 1 6 年第3 5 卷第3 期 含添加剂沸石分子筛混合吸附剂物理特性及其制冷应用性能 武卫东 王闯 孟晓伟 张华 上海理工大学制冷与低温工程研 究所 上海 2 0 0 0 9 3 摘要 为改善吸附剂用于吸附制冷的传热传质性能 以微米级铁粉 铝粉和非金属膨胀石墨为添加剂 制备了8 种不同烧结型 1 3 X沸石分子筛 包括粉末型和颗粒型 混合吸附剂 对其进行了S E M观察以及热导率 吸附等 温线 孔径分布等物性的测量与表征分析 结果显示 添加剂为膨胀石墨的粉末型分子筛微粒之间的紧密型最 好 接触面积最大 添加剂为铝粉的粉末型分子筛热导率和热扩散系数最高 相比纯组分颗粒型分子筛的分别 提 高了 1 0 0 9 和 3 1 5 6 添加剂为铁粉的粉末型分子筛比热容最低 相比纯组分颗粒型分子筛的降低了3 3 9 加入添加剂的粉末型和颗粒型分子筛的比表面积和孔隙率都有不同程度的降低 其顺序由高到低均为膨胀石墨 铝粉 铁粉 将制备的各种混合吸附剂应用于吸附制冷单元管进行实验测试 讨论分析了其循环周期 制冷量 C O P和 S C P等性能指标的改进与吸附剂物性改变之间的内在联系 关键词 微米级 金属添加剂 1 3 X沸石分子筛 混合吸附剂 物性 吸附单元冷管 性能 中图分类号 T B 6 4 T B 6 9 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 6 0 3 0 6 9 2 0 8 DoI l 0 1 6 0 8 5 i s s n 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 6 0 3 0 0 6 Ph y s ic a l pr o pe r t ie s a nd r e f r ig e r a t io n pe r f o r m a nce o f c o mpo u nd a ds o r be nt co m p o s e d o f a dd it iv e a n d z e o l it e mo l e cul a r s ie ve We id o n g WANG Chu a n g MENGXi ao we i Z HANG Hu a I n s t i t u t e o f Re f r i g e r a t io n a n d Cr y o g e n i c En g i n e e r i n g Un i v e r s it y o fS h a n g h a i f o r S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y S h an g h a i 2 0 0 0 9 3 Ch i n a Abs t r act To impr o ve a d s or be nt S he a t a n d ma s s t r a ns f e r pe r f o r m a nce us e d f o r a ds o r pt ion r e f r i g e r a t io n we p r e p a r e d e ig h t s in t e r in g co mp o u n d a d s o r b e n t s co mp o s e d o f l 3 X z e o l it e b o t h p o wd e r s a n d g r a n u l a r t y p e a n d a d d it iv e s in cl u d in g micr o n s iz e d i r o n a l u min u m a n d e x p a n d a b l e g r a p h it e S EM o b s e r v a t io n a s we l l a s me a s u r e me n t a n d ch a r a ct e r i z a t io n a n a l y s is o f t h e r ma l co n d u ct i v it y a d s o r p t io n is o t h e r m p o r e s iz e d is t r ib u t io n a n d o t h e r p h y s i ca l p r o p e r t ie s we r e ca r r ie d o u t T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e p o wd e r z e o l it e wit h e x p a n d e d g r a p h it e a s a d d it iv e h a d t h e b e s t co mp a ct a n d t h e l a r g e s t co n t a ct a r e a a mo n g z e o l it e p a r t icl e s Th e p o wd e r z e o l it e wit h a l u min u m p o wd e r a s a d d it i v e h a d t h e h ig h e s t t h e r ma l co n d u ct iv i t y a n d t h e rm a l d if f u s iv it y in cr e a s e d b y 1 0 0 9 a n d 3 1 5 6 r e s pe ct ive l y co mp a r e d wit h p ur e co mp on e n t g r a n ul a r z e o l i t e The po wd e r z e ol i t e wit h ir on po wd e r h a d t h e l o we s t he a t ca p a ci t y d e cr e a s e d by 3 3 9 co mpa r e d wit h p u r e g r a n ul a r z e o l it e The s p e cifi c s u r f a ce a r e a a n d p o r o s ity o f p o wd e r a n d g r a n u l a r z e o l i t e s we r e r e d u ce d d u e t o t h e a d d it io n o f a d d it iv e s T h e v a r io u s t y p e s o f co mp o u n d a d s o r b e n t s s t u d ie d we r e e mp l o y e d i n a d s o rpt io n r e frig e r a t io n u n i t tub e a n d r e l e v a n t p e r f o rm a n ce e x p e r i me n t s we r e ca r r i e d o u t T h e in t e ma l me ch a n is ms b e t we e n 收稿日期 2 0 1 5 0 9 1 4 修改稿日期 2 0 1 5 I 1 0 4 基金项 目 国家 自然科学基金 5 0 6 0 6 0 2 7 教育部留学回国人员科 研启动基金及上海市自然科学基金 1 4 Z R1 4 2 9 0 0 0 项 目 第一作者及联系人 武卫东 1 9 7 3 一 男 副教授 E ma i l u s s tww d 1 6 3t o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3期 武卫东等 含添加剂沸石分子筛混合吸附剂物理特性及其制冷应用性能 6 9 3 i mp r o v e me n t o f t h e a d s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n t u b e S p e r f o r ma n c e i n d e x e s i e c y c l e t i me c o o l i n g c a p a c i t y COP a n d S CP a n d r e s p e c t i v e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s e c o mp o u n d a d s o r b e n t s we r e d i s c u s s e d Ke y wo r d s mi c r o n s i z e d me t a l a d d i t i v e 1 3 X z e o l i t e c o mp o u n d a d s o r b e n t p h y s i c a l p r o p e r t y a d s o rpt i o n u n i t t u b e p e r f o rm a n c e 固体吸 附式制冷 因可利用低 品位能源和 以环保 制冷剂为主要工质 且具有制作简单 无振动部件 无结 晶和腐蚀 等优点 是一种极具潜力 的制冷技 术L I J 近几年 吸附式制冷的研究己得到各国学者 的广泛关注 并取得了很大的进展 但是在实际的 应用中还存在很多不足 如系统性能系数低 循环 时 间较长 单位质量吸附剂的制冷功率 S C P 小 等 其瓶颈之一就是因为吸附剂的传热传质性能在 一 定程度上受到限制 针 对吸 附床传 热传 质性能 的提 高 目前主要 方 法有 结构法 在 热交换器壁 面增加翅片 肋 片 引 固化处理法 固结床 壁面涂层 训 添 加剂法 在吸附剂 中添加导热材料或者采用活性炭 纤维 石墨等多孔介质 5 其 中采用添加剂法制 作 的混合吸附剂成本最低 技术最简单 因此有不 少 学者对其进行过研究 方利国等I 6 在吸附剂中加 入 一定 比例且略小于吸附剂颗粒的铝粒 结果表 明 加入铝粒 的复合吸附剂达到吸附平衡的时间比纯组 分吸附剂缩短了 3 0 左右 DE MI R等 J 研究了不 同 尺 寸的金属添加剂 宽度为 1 0 2 8 mm 和 2 8 4 7 5 mm 的铝 铜 黄铜和不锈钢片 对硅胶吸附 床有效热导率和热扩散系数的影响 结果表 明 其 中 1 0 2 8 mm 的铝片效果最好 吸附床的有效热 导率和热扩散系数相 比纯硅胶分别提高了 l 5 7 和 2 4 2 魏新利等 1 以膨胀石墨为添加剂 利用金相 显微镜和 N o v a表面积与孔径测定仪对复合吸附剂 的微观特征进行 了分析与研究 结果表 明膨胀石墨 在吸附剂 内部形成网状结构 与分子筛紧密结合 使得热量和制冷剂能够方便地通过 由膨胀石墨形成 的网络进入吸附剂内部 从而在提高复合吸附剂 的 热导率的同时使其吸附性能下降幅度不大 高建 明 等 提 出一种新型含添加剂可膨胀石墨 粒径为 5 0 目 金属 M 的氢氧化物 硅胶等复合吸附剂 复 合吸附剂块的热导率得到提高 通过实验确定了各 组分间的最佳配比 可膨胀石墨 4 5 g M O H 6 0 g 硅胶 1 2 g 陈海军等 U J 以 1 3 X分子筛粉末为吸附剂 凹凸捧土为黏结剂 采用在吸附床 内混装导热材料 铝片 铁屑 铝粉 粒径为 2 0 0 3 0 0目 和在吸附 剂制备 中添加铝粉 石墨粉 粒径为 2 0 0 3 0 0目 的方法来强化传热 测定 了复合吸附剂的吸附等温 线 并实验评价了吸附剂传热和吸 脱附性能 结果 表明 吸附床传热温差降低 了 2 3 3 0 单位质 量吸附剂的制冷能力增加 了 7 5 1 2 5 但复合 吸附剂的吸附量有所下降 以上多数文献中所采用 添加剂粒径较大 质量重 导致吸附剂材料间不够 致密 吸附剂的质量分数 降低幅度大 影响总体吸 附性能 且缺乏同时从传热和传质两个角度对混合 吸附剂进行较全面综合的基础物性分析 微米级金属粒子 粒径为 6 0 0 0 8 0 0 0目 具有 粒径小 质轻 比表面积大等优点 相比上述文献 中所提到的添加剂 具有明显的优势 目前关于添 加剂为微米级金属的复合吸附剂的基础物性及其在 吸附制冷实际中应用 的研究还较少见 因此 本文 选用微米级金属 铝粉 铁粉 以及研究中较常用 的膨胀石墨 作为对 比 为添加剂 与 1 3 X型沸石 分子筛按 比例混合并作烧结固化处理 制备 了多种 不同烧结型沸石分子筛混合吸附剂 利用扫描 电子 显微镜 S E M 热常数分析仪和比表面及孔径分 析仪对所制备的混合吸附剂进行了较全面的物性参 数测量与表征分析 并将制备的混合吸附剂应用于 吸附制冷单元管进行了性能测试 对比研究了不同 添加剂对混合吸附剂物性 以及冷管性能的影响 分 析了两者变化之间的内在联系 1 混合吸附剂的制备与物性测量 1 1 不同混合吸附剂的配置方案 选用 1 3 X型沸石分子筛颗粒和粉末 由颗粒型 分子筛研磨而成 分别作吸附剂原材料 凹凸棒土 为黏结剂 微米级铝粉 铁粉 粒径均为 6 0 0 0 8 0 0 0 目 或膨胀石墨 2 0 0 mL g的可膨胀石墨粉 作添 加剂 按 比例进行混合配置 将混合好的复合吸附 剂加入适量 的去离子水 搅拌均匀 使其润湿 稍 具黏性 取混合物适量填充到模具 中 按照一定的 温度 曲线高温焙烧至设定温度 保持一段时间后 脱模空冷得到 8种烧结成型的混合吸附剂 其 中 沸石分子筛和凹凸棒土 以质量 比 4 1混合 添加 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3期 武 卫东等 含添加剂沸石分子筛混合吸 附剂物理特性及其制冷应用性 能 6 9 5 图 1中的 e i 分别为添加微米铁粉 铝粉 膨胀石墨后 的分子筛颗粒 或粉末 混合吸附剂的 S E M 图 通过比较分析可 以看 出 带添加剂的粉末 型分子筛形貌较颗粒型的相对规则 排列紧凑 这 是 由于凹凸棒土的黏结作用将微米级添加剂与分子 筛粉末充分黏合在 了一起 进一步观察可以发现 带有添加剂 的粉末型沸石分子筛混合吸附剂中 添 加剂为膨胀石墨的微粒之间的紧密型最好 接触面 积最大 其次为铁粉 接触面积最小的为铝粉 这 主要是 由微米级添加剂的表面粗糙度和其延展性决 定的 而从不 同添加剂微观形貌上看 微米级铁粉 和铝粉 的混合吸附剂呈较规则的球形 膨胀石墨混 合吸附剂的形状多变 有多面体型 扁平型以及少 量的球形等 2 2 热物性参数的测量 Ho t D i s k热常数分析仪的测量原理基于瞬态平 面热源法 采用连续双螺旋结构金属镍作为探头 测试时 探头输 出功率恒定的直流电 其阻值变化 将被一一记录下来 基于阻值 的大小系统建立起测 试期间探头所经历的温度随时间变化关系 可 以较 为精确地得到被测样品的导热性能 得出热导率后 热扩散系数通过迭代运算计算得出 需要注意的是 根据不同材料的热导率大小 系统要选择不同的测 试参数 包括输出功率 测试时间以及采用探头的 尺寸等L 1 引 本次实验采用输 出功率为 O 1 2 W 测试 时间为 1 6 0 s 样 品温度为环境温度 2 0 C 探头型号 8 5 6 3 探头半径 9 8 6 8 mm 探测深度为 1 2 7 m m 仪器引入的热导率和热扩散系数的相对标准不确定 度分别为 1 7 3 2 8 9 测量结果如图 2 图 3 图 中颗粒和粉末均指纯组分沸石分子筛 其中 热扩 散系数萨 式中 讷 热扩散系统 m2 s k为热 口 C 导率 W m K P 为密度 k g m C为 比热容 J m3 K 是材料在 自己本身内部传播温度变化能 力大小的指标 热扩散系数越大 表示材料 由非稳 一 旨 芝 斛 样品 图2 纯组分沸石分子筛及不同混合吸附剂的热导率对比图 二 卜 呈 螺 貉 l 8 l 3 8 5 萄s 圉 酉 雷 1 403 图 态到稳态的过渡时间越短 从图 2 图 3中的数据可 以发现 1 样 品 颗 粒型分子筛 黏结剂 相 比纯分子筛颗粒的热导率 和热扩散系数均有所提高 表明凹凸捧土的混入增 加了分子筛颗粒之间的接触面积 提高了传热性能 而 2 样 品 粉末型分子筛 黏结剂 的热导率相 比 纯分子筛粉末变化不大 但热扩散系数有所下降 降低 了 2 9 9 这是因为黏结剂的混入使得原本接 触面积较大的分子筛粉末之问接触更为紧凑 样品 密度增大 阻碍了热量的传递 在上述基础上 增 加有添加剂后 6 样品 粉末型分子筛 黏结剂 微 米级铝粉 的热导率和热扩散系数最大 相比纯组 分粉末型沸石分子筛分别提高 了 1 0 0 9 3 1 5 6 说 明铝粉的加入提高 了吸附剂的热导率 增强 了传 热效果 其次 4 样品 粉末型分子筛 黏结剂 微 米级铁粉 的热导率相 比纯组分 的吸 附剂提高 了 8 2 0 而 8 样品 粉末型分子筛 黏结剂 微米级 膨胀石墨 热导率相对较低 只提高了 7 0 5 这 是 由于膨胀石墨为各向异性材料 在垂直和平行 于施加压力方 向的两条轴线上的热导率相差很大 因此导致混合吸附剂的总热导率提高量相对较小 但对于热扩散系数 8 样 品要比 4 样 品的热扩散系 数高 这是 因为膨胀石墨是在天然鳞片石墨基础上 经过插层 水洗 干燥和高温膨化过程得到的一种 疏松多孔型的蠕虫状物质 特别是经过高温膨化后 石墨本身的平面层 明显裂开 继而发生不均匀变形 且呈卷 曲状态 其表面为网状孔型结构 一定程度 上降低了混合吸附剂间的密度 使得热扩散系数提 高 对于带添加剂的颗粒型分子筛混合吸附剂 3 5 7 样品 其热导率和热扩散系数的变化趋势 同 粉末 型分子筛混合吸附剂 4 6 8 样品 基本 一 样 对于颗粒型和粉末型沸石分子筛的比热容 其 5 0 5 O 5 O 5 O 5 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 6 9 6 化 工 进 展 2 0 1 6 年第 3 5卷 最低的分别是 3 样品 颗粒型分子筛 黏结剂 微米 级铁粉 和 4 样品 粉末型分子筛 黏结剂 微米级 铁粉 这是 由于在环境温度 2 5 下 添加剂为铁 粉 的比热容最小 为 0 4 2 2 J k g K 1 分别小于膨胀 石墨 0 7 0 7 J k g K 和铝粉 0 9 0 5 J k g K 这将对 这些吸附剂应用于单元冷管时的循环耗热量产生相 应影响 2 3 吸附等温线及孔隙率的测量 吸附等温线是指在恒定温度下吸附过程达到平 衡 时吸附质分子在两相 中浓度之间的关系曲线 B R AN AUE R等 l J 根据大量的吸附等温线的实验结 果 提出了目前最为广泛使用 的 B D DT分类方法 将气体吸附等温线分为 I I I m 和 V型 5种 基本类型 其中 I 型吸附等温线 即 L a n g mu i r 等温 线 其特点是在相对压力p ip o 较低时 仍有较大的 吸附量 且当相对压力p i p 增大到一定数值 吸附 量保持不变 即达到饱和吸附状态 通过测量一系列恒温条件下不同相对压力下的 吸附量 即可得到吸附等温线 本文利用 比表面及 孔径分析仪 测得了不同组分混合吸附剂的吸附等 温线 如图 4所示 图中横坐标为相对压力 p i p 0 P 表示吸附质 气体 饱和蒸气压 P表示吸附质 气体 压力 测试条件为环境温度 1 9 恒温浴 温度 7 7 3 K 预处理脱气温度 3 0 0 脱气时 间 3 0 0 mi n 饱和蒸气压 1 0 3 3 7 b a r 1 b a r 0 1 MP a 从 图 4中可 以看出 不同组分混合吸附剂 的吸 附等温线总体趋势一致 属于 I型等温线 对比各 样品在等分压下的吸附量情况发现 1 样 品 纯分 一 0D 量 吲 莲 图4 不同组分混合吸附剂的吸附等温线 子筛颗粒 黏结剂 的吸附量最大 4 样品 粉末型 分子筛 黏结剂 微米级铁粉 最小 这是由于在等 温等分压条件下 吸附剂的吸附量只与单位质量吸 附剂的孔体积成正 比 对于有添加剂的情况 由于 铁粉和铝粉非多孔介质 占用 了单位质量吸附剂的 孔体积 比 因此吸附量相对较小 而 7 样品 颗粒 型分子筛 黏结剂 膨胀石墨 和 8 样品 粉末型分 子筛 黏结剂 膨胀石墨 中的膨胀石墨为多孔材 料 虽然其加入降低了分子筛吸附剂的质量 比 但 其 自身的多孔性质一定程度地弥补了这一弱项 因 此相应吸附量在有添加剂的混合吸附剂中分别为最 大 仅次于只含有凹凸捧土黏结剂混合吸附剂的情况 通过 比表面及孔径分析仪 采用 B J H法测量 了 各吸附剂 的孔径分布 比表面积 孔体积等结构参 数 具体见表 3 其中 根据孑 L 体积可 以计算出吸附剂床层的孔 隙率计算式为式 1 表 3 各混合吸附剂的结构参数 注 微孔体积是指单位质量材料孔径小于 2 n m 的孔径体积 孔体积是指单位质量除微孔体积外所有孔径的总体积 总孔体积是指单位质量材料所 有孔径的体积 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3期 武卫东等 含添加剂沸石分子筛混合吸附剂物理特性及其制冷应用性能 6 9 7 1 0 一 1 7 R L o 式 中 为总吸附孔体积 为吸附床层 体积 m m 为吸附剂质量 g 和 分别为吸 附剂的微孔体积和孔体积 mL g R1 为吸附管 内径 m R 2 为蒸汽通道半径 m L 0 为吸附床长度 m 从表 3中数据可 以看出 加入添加剂后混合吸 附剂孔隙率都有不同程度的降低 这是因为添加剂 粒径较小 且其加入还降低 了分子筛质量的填充 颗粒型和粉末型混合吸附剂的孔隙率由低到高分别 为 3 样 品 颗粒型分子筛 黏结剂 微米级铁粉 5 样品 颗粒型分子筛 黏结剂 微米级铁粉 7 样品 颗粒型分子筛 黏结剂 膨胀石墨 和 4 样 品 粉末型分子筛 黏结剂 微米级铁粉 6 样品 粉 末型分子筛 黏结剂 微米级铁粉 8 样品 粉末型 分子筛 黏结剂 膨胀石墨 其中添加剂为膨胀石 墨的吸附剂 颗粒型和粉末型 的孔隙率相比纯组 分颗粒型分子筛 吸附剂的降低幅度最小 分别为 3 6 7 样 品 1 9 8 样 品 这主要是因为膨 胀石墨为多孔材料 其加入在一定程度 弥补了分子 筛质量 占比降低这一不足 孔隙率的大小将会对 吸 附剂 的传质性能产生直接影响 这可从 图 4中的结 果得到 印证 即 7 样品和 8 样品的等温吸附量分别 高于 5 样品和 6 样品 3 样品和 4 样品 对于混合 吸附剂的比表面积 颗粒型和粉末型的变化趋势均 同孔隙率相 同 3 混合吸附剂在单元冷管中的应用 性能分析 将所制 备的混合吸 附剂应 用于吸附制冷单元 管 L 1 6 J 进 行 循环 性 能测 试 测试 条件 为 热源 温度 3 0 0 环境温度 2 0 环境湿度 5 0 和 自然对流 条件 图 5为不 同混合吸附剂 1 2 3 5 6 7 8 样 品 单元冷管循环周期中吸附 脱附水 量随时问的变化 曲线 如图 5所示 主原料为分子筛颗粒和粉末的吸 附剂两种情况变化曲线总体趋势一致 即在开始加 热解吸阶段 解吸速率 曲线斜率 较大 随着解 吸过程的进行 吸附床层 中含有的吸附质量越来越 小 解吸速率随之变小 直至解吸完全 脱附水量 达到最大值 在冷却吸附阶段 吸附端温度下降 吸附过程开始 吸附速率与解吸阶段类 同 吸附速 率 由大变小 直至达到饱和状态 吸附过程结束 盖 差 图 5 混合吸附剂单元冷管循环周期中吸附 脱附水量 随时间的变化 一 个循环完成 对比实验结果可 以看出 各样 品单 元管的吸附量 由高到低依次是 2 分子筛粉末 黏结剂 8 分子筛粉末 黏结剂 膨胀石墨 6 分子筛粉末 黏结剂 微米级铝粉 4 分子筛粉 末 黏 结剂 微米级铁粉 1 分子筛颗粒 黏结 剂 7 分子筛颗粒 黏结剂 膨胀石墨 5 分 子筛颗粒 黏结剂 微米级铝粉 3 分子筛颗粒 黏结剂 微米级铁粉 对 比粉末型混合吸附剂和颗 粒型混合吸附剂可 以发现 粉末型混合吸附剂的吸 附 脱附水量高于颗粒型的 这是因为研磨后的分子 筛粉末填充质量较多 进而吸附量大 对于含添加 剂的情况 7 样品和 8 样品分别为含添加剂 的颗粒 型和粉末型混合吸附剂中吸附量最大的 这是 由于 膨胀石墨为多孔介质 相比微米级铁粉和铝粉 其 加入降低 了由分子筛质量缺失造成孔隙率下降的影 响 而铁粉和铝粉非多孔介质 占用了单位质量吸 附剂的孔体积 比 因此吸附量相对较小 对 比循环时间可 以发现 6 样品单元冷管循环 工作时间最短 各样 品从低到高依次是 6 分子 筛粉末 黏结剂 微米级铝粉 8 分子筛粉末 黏 结剂 膨胀石墨 4 分子筛粉末 黏结剂 微米级 铁粉 5 分子筛颗粒 黏结剂 微米级铝粉 3 分子筛颗粒 黏结剂 微米级铁粉 7 分子筛颗 粒 黏结剂 膨胀石墨 2 分子筛粉末 黏结剂 1 分子筛颗粒 黏结剂 对 比粉末型和颗粒型混 合吸附剂可以发现 粉末型混合吸附剂 的循环时间 比颗粒型的要短 这是由于经研磨后的分子筛粉末 之间的接触面积增大 热导率和热扩散系数都得到 了提高 进而缩短 了循环时间 对于含添加剂的情 况 5 样品和 6 样 品的循环时间依次为 2 1 l min 1 9 6 min 分别为含添加剂 的颗粒型和粉末型混合吸 附剂 中循环 时间最短的 这是因为铝粉为金属材料 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 6 9 8 化 工 进 展 2 0 1 6年第 3 5 卷 导热性能好 传热效果最好 如图 2 图 3 对应 6 样 品的热导率和热扩散系数最高 故循环时间最 短 另外 虽然 8 样品的热导率比 4 样品的小 但 其循环时间却较 4 样品短 这是因为实际循环过程 为吸附工质对的传热传质耦合过程 吸附速率不仅 与热导率有关 而且受传质过程 中的孔隙率影响 多孔介质膨胀石墨的加入不但提高了混合吸附剂的 热导率 而且相 比添加铁粉和铝粉的吸附剂孔隙率 有所提高 从而加快 了传质速率 为了全面评价不 同混合吸附剂单元冷管的制冷 性能 还对其制冷量 制冷系数 C O P 单位质量吸 附剂的制冷量 S C P等性能参数进行了计算对比分 析 各参数最终结果如表 4 其 中颗粒型混合吸附 剂的平均冷凝温度和平均蒸发温度分别为 5 9 4 C 9 2 粉末型混合吸附剂的平均冷凝温度和平均蒸 发温度分别为 6 0 7 4 剂 铁粉和铝粉 孔隙率大 吸附量也相应较大 而其加入也弥补 了添加剂加入带来的分子筛质量填 充减少的影响 对 比 C O P分析 其顺序 由高到低依 次是 6 8 4 5 7 3 2 1 由C OP计 算公式可知 C O P不仅受制冷量的影响 还受吸附 床加热及解析过程总耗热量影响 且与制冷量成正 比 与吸附床总耗热量成反 比 由于 6 样品的比热 容最低 导致总耗热量最小 综合制冷量的大小 其 C O P表现最大 对于各样 品冷管 S C P 由高到低 顺序依次是 6 4 8 5 7 2 3 1 因 S C P受循环时间影响 6 样品循环时间最短 同时 综合制冷量和单元管吸附剂填充量的大小 其 S C P 表现最大 综上分析 添加剂为微米级铝粉 的混合吸附剂 的综合性能最好 主要体现在热导率和热扩散系数 大 比热容低 比表面积和孔隙率降低幅度小 且 在实际系统中 循环时间短 C O P和 S C P高 壅 鱼 型 篁 鱼 堂 墨 4 结 论 制冷量 Q o m A x L ccX r 式中 m为分子筛质量 为吸附量之 差 L为水的蒸发潜热 为冷凝温度与蒸发温度之差 cp 为水的比热 容 制冷系数 C OP Q 0 QIl 式中 为制冷量 QIl 为吸附床加热及 解析过程总耗热量 单位质量吸附剂制冷量 s cp 2 O o t m 式中 f 为循环时间 从表 4中可 以看出 各样 品冷管制冷量顺序由 高到低依次是 2 分子筛粉末 黏结剂 8 分 子筛粉末 黏结剂 膨胀石墨 4 分子筛粉末 黏 结剂 微米级铁粉 6 分子筛粉末 黏结剂 微米 级铝粉 1 分子筛颗粒 黏结剂 7 分子筛颗 粒 黏结O f U 膨胀石墨 3 分子筛颗粒 黏结剂 微米 级铁粉 5 分子筛颗粒 黏结剂 微米级铝 粉 对于含添加剂的情况 7 样品 8 样品的制冷 量分别高于 3 样 品 4 样品和 5 样品 6 样品 这 是 由于本身为多孔介质的膨胀石墨 相比其他添加 1 带添加剂 的粉末型沸石分子筛混合吸附 剂中 添加剂为膨胀石墨的微粒之间紧密型最好 接触面积最大 其次依次为微米级铁粉和铝粉 添 加剂为铝粉 的粉末型分子筛吸附剂热导率和热扩散 系数最高 分别为 O 2 9 8 7 W m K1 4 1 8 1 1 0 1 m2 s 相 比纯 组分 颗粒 型分 子 筛吸 附剂 分别 提 高 了 1 0 0 9 和3 1 5 6 而 其 比 热 容 最 低 为 1 0 1 3 x 1 0 J m3 K 1 相比纯组分颗粒型分子筛吸附 剂降低了 3 1 5 在等温等分压下 对比含添加剂 的样品 添加剂为膨胀石墨的颗粒型分子筛吸附量 最大 对 比粉末型和颗粒型混合吸附剂的比表面积 和孔隙率 其中添加剂为膨胀石墨的均为最大 其 次为铝粉和铁粉 2 将制备的各种混合吸附剂应用于单元冷 管 并实验分析 了其制冷性能 结果表 明 当吸附 管采用添加剂为微米级铝粉混合吸附剂时 冷管的 循环时间最短 循环性能最好 C O P为 0 3 3 4 S C P 为 5 0 5 9 W k g 综上所述 采用微米级金属添加剂 提高了混合吸附剂的热导率和热扩散系数 降低了 比热容 强化 了吸附 解吸过程中的传热传质性能 缩短了循环时间 从而总体提高了吸附单元冷管的 制 冷性 能 参考文献 1 杨小聪 张秀霞 樊荣 等 太阳能吸收式和吸附式制冷系统的 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3期 武卫东等 含添加剂沸石分子筛混合吸附剂物理特性及其制冷应用性能 研究 J 真空与低温 2 0 1 3 1 9 3 1 3 0 1 3 4 2 何兆红 鲁涛 黄宏宇 等 新型吸附床的研究进展 J 化学工程 2 0 1 1 3 9 1 0 3 4 3 8 3 D A WOUD B e l a 1 Wa t e r v a p o r a d s o r p t io n k i n e t ics o n s ma l l a n d f u l l s ca l e z e o l i t e co a t e d a b s o r b e r s a co mp a r i s o n J A p p l i e d T h e r ma l En g in e e r in g 2 01 3 5 0 2 l 6 4 5 1 6 51 f 4 1 T AT LI ER M E RDE M S E NA I AR A T h e e ffe ct s o ft h e rm a l a n d ma s s d if f u s iv ifi e s o n the p e rfo r ma n ce o f a dso r p t io n h e a t p u mp s e m p l o y i n g z e o l i t e s y n the s i z e d o n me ta l s u p p o r t s J Mi cr o p o r o u s a n d Me s o p o r o u s Ma t e ria l s 1 9 9 9 2 8 1 1 9 5 2 0 3 5 高佼 何燕 林艳 等 氯化钙 膨胀石墨混合吸附剂导热性能研 究 J 制冷学报 2 0 1 3 3 4 4 9 3 9 5 6 方利国 汪立军 朱冬生 等 吸附式制冷中吸附剂传热传质的 强化 J 高校化学工程学报 1 9 9 8 1 1 7 2 3 7 DE MI R H MO B E DI M O K O S Th e u s e o f me t a l p ie ce a d d i t i v e s t o e n h an ce h e a t t r an s f e r r a t e t h r o u g h an u n co n s o l id a t e d a d s o r b e n t b e d J I n t e rna t i o n al J o u r n a l o f R e f r ig e r a t i o n 2 0 1 0 3 3 7 1 4 7 2 0 8 魏新利 孟祥睿 膨胀石墨影响复合吸附剂性能的成因分析 J 化 工进展 2 0 0 9 2 8 s 2 4 2 4 9 高建明 王国庆