吸附制冷用吸附剂性能测试及实验研究

刘雪燕，赵惠忠，唐祥虎，郝方圆

( 上海海事大学，上海 201306 )



吸附制冷用吸附剂性能测试及实验研究

刘雪燕，赵惠忠，唐祥虎，郝方圆

( 上海海事大学，上海 201306 )

研究吸附工质对的性能对于吸附式干燥、除湿、制冷具有重要作用，而吸附剂的吸附量、导热系数和吸附材料的性质、温度、压力等许多因素有关，因此用实验来测定就变得十分的有必要。本文以3A作为吸附剂，水作为制冷剂，组成吸附式制冷工质对，通过液位法对工质对的吸附制冷性能进行了研究。结果表明：它的最大吸附量为24.5g，最大吸附率为0.112g/g。本实验吸附床中3A沸石分子筛的量为218.5g，在脱附温度为260℃，吸附环境温度为25℃时，根据已有的对太阳能冷管的改进实验，选用同样材料的太阳能冷管计算时，可得其制冷量为147.864J，制冷系数COP为0.116。

吸附剂性能；液位法；3A；吸附制冷；制冷量

1　引言

固体吸附式制冷因为具有环保和节能两大优势，在化石能源日渐匮乏的今天越来越受到广泛的关注。吸附制冷工质对的热力学性质、吸附脱附性能、热导率等对吸附制冷系统影响很大，选用合适的吸附工质对对提高吸附制冷性能有很重要的意义。工业上常用的固体吸附剂有物理吸附剂和化学吸附剂两大类，吸附式制冷系统中常见的物理吸附剂有分子筛、活性炭、硅胶等，常见的化学吸附剂有氯化锂、氯化锶、氯化钙、溴化锂等。目前，吸附性能测试的测试方法主要有质量法、容重法、液位法、热平衡法和热重法等。质量法具有相对较高的测量精度；容重法本身就是利用理想气体状态方程处理实际气体，也会有较大的误差；热平衡法具有结构简单和方便的优点，而且测试环境更加接近实际样机，具有更好的指导意义。液位法测量原理以及测量方法比较简单，随着科学技术的发展以及远传液位精度的提高，它将在测量吸附剂性能中发挥重要的作用。

早期对吸附制冷技术的研究主要是从吸附剂—制冷剂的性能着手的，主要采用实验研究的方法，在实验中加以应用和改进。这些研究工作使吸附式制冷的基本理论得到初步完善和发展，并使研究工作集中于对一些典型的吸附剂和制冷剂性能的研究[1]。太阳能吸附式冰箱和太阳能吸附式制冰机的开发和利用肯定了这些研究的成功[2]。吸附剂对制冷剂的吸附和解吸容量、速度与系统内部尤其是吸附床的传热传质特性等相关。在吸附式制冷技术方面，许多结论已经达成国际共识，对吸附式制冷的技术的认识也比较明确。

对于吸附剂制冷性能，有很多学者做过研究，比如曲天飞对吸附制冷的常用工质及其特点进行研究[3]，严爱珍[4]针对沸石分子筛-水工质对做了性能实验研究和应用探讨[5]，朱瑞琪[6]等对沸石一水的吸附特性及其制冷效果进行研究，张敏[7]等研究了沸石分子筛—水吸附工质对的吸附性能及导热性能，王如竹[8]等对吸附式制冷进行了热力学分析[9]。这些研究使后人对于这些吸附剂的性能有了一个更清晰的认识，便于选择合适的吸附剂用于吸附制冷。本文以3A为原材料，通过液位法测试制冷剂3A沸石的吸附性能，对吸附制冷的基础实验研究做一点贡献。

2　实验内容

2.1试验台的搭建和实验原理

2.1.1试验台简述

试验中所用试验台，对吸附床上中下分别设置测点，在安捷伦数据采集仪中将热电偶接入各自的通道，进行初步设置，通过安捷伦数据采集仪器将测点的温度显示出来。同时在压力变送器处设置压力测点，通过安捷伦数据采集仪将系统压力显示出来。温控器的存在就是为了实现加热脱附时对吸附床内部压力的控制，防止温度过高，使加热炉损坏。轴流风机的作用，是在吸附床吸附过程中对吸附床进行冷却，带走吸附过程中吸附剂显热，使吸附过程进行顺利。真空泵的作用，就是在实验开始前，给整个实验装置营造一个真空环境，给水蒸气一个流动的动力，使实验顺利进行。

2.1.2实验原理

液位法是通过目测法或者电磁液位传感器直接测量制冷剂的液位变化得出吸附剂的吸附性能，实验原理是利用吸附床在脱附/吸附时冷凝器/蒸发器的液位变化，测量吸附剂的吸附性能。在加热脱附时，电加热器为吸附床提供热量，脱附出来的制冷剂蒸汽进入冷凝器，冷凝器液位通过目测法读出；在冷却吸附时，由鼓风机冷却吸附床，蒸发器中的制冷剂在吸附床的作用下蒸发，进入吸附床，蒸发器的液位通过目测法读出。这样通过液位的变化，以及安捷伦数据采集仪器，就可以得到吸附与脱附过程中相关的参数，从而得到吸附剂的性能。同时，为了保证测试的精度，吸附剂的质量需要多一些，冷凝器/蒸发器的管径小一些，这样一来，测量的液位的变化才更明显。

2.2实验步骤

(1)活化处理：将3A沸石分子筛放入加热炉中加热，由于加热炉的最高温度为300℃，因此在加热3A时，将温度控制在280℃左右，持续加热12小时。

(2)热排空：本实验是闭式吸附，为了使实验测试数据更加准确，在进行吸附过程前必须对整个实验装置进行排空处理，以保证足够的真空度。把经过活化处理过的3A吸附剂放入吸附床内，关闭吸附床出口阀门，关闭冷凝器/蒸发器的阀门，对吸附床进行加热，然后打开真空泵入口前的阀门，把吸附床内部的热空气抽空，使得系统压力低于大气压。然后打开冷凝器入口前阀门，关闭吸附床出口阀门，把冷凝器/蒸发器中的空气排出，待压力降到大气压以下时，关闭真空泵。

(3)吸附过程：热排空过程结束以后，记录下水柱的初始液位，打开吸附床散热，同时开启抽风机，待吸附床内部空气温度在仪器上显示为室温时，关闭吸附床，然后缓慢旋开冷凝器/蒸发器入口前阀门，防止突然的压力增大，使其爆沸。随着实验进行，每隔5分钟记录一次冷凝器的液位变化，同时观察吸附过程中各个测点的温度和压力变化，避免实验过程中出现的异常变化，以便及时处理。当冷凝器/蒸发器的液位不再变化时，证明吸附过程基本完成。

(4)脱附过程：吸附过程完成以后，关闭吹风机，开始对吸附床进行加热，吸附剂由于受热脱附，释放出水蒸气，然后在冷凝器中冷凝，从而使液位不断升高。同样的，安捷伦数据采集装置每隔5分钟对吸附床的各个测点的温度和压力进行一次采集，通过目测液位数值记录液位变化。直到液位不再升高，也就意味着脱附过程结束。

(5)实验结束，实验数据的后处理。

2.3吸附量和吸附压力的测定

吸附量和吸附压力的测定都是在平衡吸附量装置上进行。在一定的吸附温度下，使得吸附质在其吸附温度的饱和蒸汽下吸附，每隔一段时间间隔，读取吸附剂吸附量的变化值，本实验不是直接测量吸附量，而是从冷凝器的液位变化来体现吸附量的变化，同样的，脱附量的测定则从蒸发器中液位的变化来体现。而吸附压力和吸附温度，直接通过安捷伦数据采集器采集出来，从而得到吸附过程中的温度变化，以及吸附量随时间的变化关系。

3　结果与讨论

3.1吸附/脱附过程温度变化

图1　脱附过程中吸附床温度

图2　吸附过程中吸附床温度

3A吸附剂脱附过程的温度变化如图1所示，实验中吸附床三个测点的温度变化趋势一致。脱附过程中，是需要通过外界对其加热以实现脱附，因此温度会迅速升高，但是随着脱附的进行，脱附速度会逐渐减慢，直至脱附完全，在此过程中，温度也就呈现缓慢增加，甚至不再增加，保持稳定的一个趋势。上部中部下部温度分别由28.999℃，29.149℃，28.928℃升高至261.835℃，271.906℃，259.477℃。

3A吸附剂吸附过程的温度变化如图2所示，吸附过程中为了使得吸附床获得更高的吸附量，会加鼓风机给吸附床降温，同时还能克服吸附过程中放出的显热。因此在吸附初始阶段，吸附床的三个测点的温度迅速降低，直至最后几乎耦合为一条曲线。上部中部下部温度分别由41.499℃，49.696 ℃,45.18℃降至28.939℃，29.115℃，28.939℃。

3.2吸附/脱附速率

图3　吸附速率

图4　脱附速率

3A吸附剂吸附的液位变化曲线如图3所示，通过液位的变化能够间接反映出吸附速率的大小。在吸附初始阶段，液位变化比较明显，显然反映出吸附速度比较快，随着吸附过程的进行，吸附剂的吸附能力随着吸附量的增加而减弱，因此液位变化缓慢，吸附速率减慢，直到吸附剂的吸附能力达到饱和，吸附量将不再变化，吸附速率基本为零。

如图4所示，在脱附过程中，液位的变化同样反映出吸附速率的变化。脱附开始时，脱附能力较强，脱附速率比较大，液位迅速上升。随着吸附的进行，吸附剂的脱附能力减弱，速率逐渐减小，液位缓慢上升。直到脱附达到最大限度时，液位不再上升，脱附速率变为零。

3.3吸附过程中系统压力

图5　系统压力变化

图6　系统局部压力

3A吸附剂吸附过程中系统的压力变化如图5所示，由图可以看出0～300分钟的时候，系统压力迅速增加，由初始的1800Pa迅速增加为3150 Pa,300分钟以后压力缓慢增加，最后基本不变，达到峰值3300Pa。之所以会出现这种情况，是因为初始吸附开始时，压力比较低，低于水的饱和蒸汽压力，水会不断蒸发变为水蒸气，系统压力也会逐渐蒸发接近水蒸气的饱和压力，因此整体会呈现上升趋势。随着吸附的进行，压力逐渐增大，水蒸气少量蒸发，再加上吸附剂的吸附能力逐渐减弱，吸附能力达到饱和，压力也就不再增加，呈现水平这样一个现象。

由于在40～200分钟的时间范围内压力出现了不一般的情况，为此专门对此部分数据做了一个局部的放大，以便更清楚地分析这个情况。如图6，压力变化类似“喘振”，初步分析出现这种情况的原因是吸附开始时，吸附剂的吸附能力强，压力就会有一个剧烈的变化。在吸附剂迅速吸附水蒸气时，压力骤降，当压力降到水蒸气的蒸发压力时，液态水开始蒸发，压力又开始上升。因此就出现了图中这种情况。

3.4吸附量和吸附率

图7　吸附率随时间变化

图8　吸附量随时间的变化

3A吸附剂的吸附量曲线如图8所示，可以看出0～300分钟的时候，吸附量迅速增加，300分钟以后水位基本不变，也就是说吸附基本平衡。冷凝器的初始液位为83.5ml，最终液位为59ml，得其最大吸附量为24.5g。结合吸附剂质量和每个过程吸附量可计算吸附率曲线图7，与图8的现象一致，且最大吸附率为0.112g/g。

4　结论

本文通过液位法对制冷用吸附剂3A的吸附性能进行了测试。它的最大吸附量为24.5g，最大吸附率为0.112g/g。本实验吸附床中3A沸石分子筛的量为218.5g，在脱附温度为260℃，吸附环境温度为25℃时，根据张津[10]等对太阳能冷管的改进实验，选用同样材料的太阳能冷管计算时，可得其制冷量为147.864J，制冷系数COP为0.116。这为吸附式制冷吸附剂的基础研究奠定了一定的基础，同时研究吸附剂最终的目的还是为了可以提高其作为吸附剂的吸附制冷系统的性能。

[1] 冯毅，谭盈科．沸石分子筛．吸附式制冷原理和工质的选择[J]．广州化工，1989，(1)：48-52

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[3] 曲天飞，王如竹．吸附式制冷系统的常用工质及其应用特点[J]．新能源，2000,(9)：16-21

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[5] 严爱珍，董家騄，鲍书林，等．沸石分子筛在吸附制冷应用上的探讨[J]．南京大学学报，1986，22(2)：371-378

[6] 朱瑞琪，韩宝琦．沸石一水的吸附特性及其制冷/热泵性能分析[J]．西安交通大学学报，1991，25(4)：9-15

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[8] 王如竹，吴静怡，代彦军，等．吸附式制冷[M]．北京：机械工业出版社，2001

[9] 王如竹，吴静怡，滕毅，等．固体吸附式制冷的关键技术研究[J]．太阳能学报，1998，(1)：20-29

[10] 张津，聂晶．新型太阳能冷管制冷热力循环分析计算[J]．低温与特气，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

刘雪燕(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向：制冷与空调的节能、蓄能技术。Email：945719390@qq.com

赵惠忠。Email：hzzhao@shmtu.edu.cn

ISSN1005-9180(2016)03-023-05

TQ028.1+4；TQ051.8+6文献标示码：Adoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.004