一种新型吸附性制冷吸附剂的性能研究

严昊鑫

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

一种新型吸附性制冷吸附剂的性能研究

严昊鑫

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

吸附剂在吸附式制冷中起着至关重要的作用，13X沸石分子筛作为物理吸附剂具有稳定和安全的特点。本文通过闭式吸附测试系统对分别浸泡5%，10%，15%，20%CaCl2溶液的13X沸石分子筛进行吸附性能测试，得出通过浸泡一定浓度的CaCl2溶液可以提高13X沸石分子筛的吸附能力，但是一旦超过临界浓度，浸泡高浓度CaCl2溶液会减弱13X沸石分子筛的吸附能力。

复合吸附剂；CaCl2溶液；13X沸石分子筛

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

二战结束后，世界各国飞速发展，能源和环保问题日益严重，吸附式制冷技术被大家重视起来。1992年巴黎首届国际固体吸附式制冷大会后，吸附式制冷获得了大幅度发展，进行了更系统的研究。现阶段，国外的整体研究水平高于国内研究水平，法国[1-2]、英国[3-4]、意大利[5-6]、美国[7]、埃及[8]等研究团队的研究成果都非常具有代表意义。我国对吸附式制冷研究最早的是20世纪80年的严爱珍、谭盈科及研究团队[9-10]，上海交通大学的王如竹教授及研究团队[11-12]从九十年代后也作了大量的吸附式制冷研究工作。

上海交通大学[13]开发了以活性炭-甲醇为吸附制冷工质对的船用吸附式制冷机组，这种系统的优点是用甲醇作为制冷剂，安全可靠。该系统最大制冰量达到20kg/h。刘艳玲[14-16]对以硅胶-水为吸附工质对的吸附制冷系统做了实验研究。由于硅胶自身的特性，在吸附/脱附过程中对温度有要求，只可以在热源较低的条件下使用，而且冷凝和冷却温度都需要相对较低。在以沸石-水为吸附制冷工质对的研究上，Hart Baoqit[17]使用吸附冷管的单元管上部作为吸附床，下部放置制冷剂，当吸附剂-沸石分子筛的灌装量为400g时，冷管能够把1kg的水从室温24℃冷却至约2℃。

本文研究了一种新型的复合固体吸附剂的吸附性能，通过闭式吸附系统来测量这种吸附剂的吸附效果。实验装置见图1。

1 实验原理

1-吸附床 2-制冷剂通道 3-电加热炉 4-温控器 5-进口阀 6-空气进口 7-风机 8-出口阀 9-空气出口 10-法兰 11-真空球阀 12-真空球阀 13-压力变送器 14-真空球阀 15-真空球阀 16-冷凝/蒸发器 17-真空泵图1 实验装置原理图

本实验旨在利用闭式吸附系统来测试复合固体吸附剂在松散堆积情况下的吸附性能。主要使用的方法是液位法，通过观察蒸发/冷凝器的液位变化来观察吸附剂的吸附和脱附量，从而了解吸附剂的吸附性能。主要的实验步骤有：

(1)热排空：将真空球阀11，12打开，接通压力变送器。利用温控器对吸附床进行恒温加热，温度控制在300℃对吸附床进行加热，并在吸附床温度趋于稳定之后停止加热。然后打开真空球阀14，接通真空泵17，将压力控制在相对真空状态。断开风机，关闭球阀11，14，断开真空泵。风机运行。

(2)蒸发/冷凝器多余空气处理：接通真空泵，打开球阀14，缓慢打开球阀15(防止压力剧变导致的暴沸)。将多余的空气抽出，当压力稳定在对应温度的水的饱和蒸汽压时，关闭真空球阀14，15，断开真空泵。

(3)吸附过程：记录蒸发/冷凝器初始液位，打开真空球阀11，15，此时蒸发/冷凝器和吸附床构成一个封闭系统。吸附剂开始吸附蒸发/冷凝器中的水蒸气，每隔5分钟记录一次液位，直至液位稳定。

(4)加热脱附：吸附完成后，接通温控器，重新对吸附床进行300℃恒温加热。当吸附床温度到达180℃时，注意蒸发/冷凝器液面变化。记录液面读数和时间，并每隔5min记录一次直至液面稳定。

2 复合吸附剂制备

本实验使用13X沸石分子筛和无水CaCl2制备复合吸附剂。13X沸石分子筛和无水CaCl2都是比较常用和稳定的吸附剂，这两种吸附剂复合而成的固体吸附剂同样具备安全性，可靠性。本实验使用廊坊亚太龙兴化工有限公司生产的颗粒度3～5mm的13X沸石分子筛和国药集团化学试剂有限公司生产的无水CaCl2，将13X沸石分子筛分别浸泡在5%，10%，15%，20%的CaCl2溶液中，浸泡超过24小时，对其进行漂洗和活化备用。

3 实验数据分析

3.1 吸附床温度变化

图2 吸附床在加热过程中的温度变化

图3 吸附床在冷却过程中的温度变化

本实验分别在吸附床内部空气通道上中下(b1，b2，b3)，吸附床外壁上中下(a1，a2，a3)处分别设置热电偶测量吸附床温度。图2、图3为吸附床外部和吸附床内部在加热和冷却过程中的温度变化。图2所示吸附床的内部温度和外部温度随着加热的进行逐渐趋于稳定，吸附床底部外部温度逐渐稳定在260.070℃，吸附床底部内部温度逐渐稳定在265.034℃，利用吸附床外部温度模拟内部温度误差为1.87%；图3表示冷却过程中吸附床的温度变化情况。同样，随着冷却过程的进行，吸附床的温度逐渐稳定。吸附床底部外壁的温度逐渐稳定在28.685℃，吸附床底部内部温度逐渐稳定在27.986℃，利用吸附床外部温度模拟内部温度误差为2.49%。

3.2 系统内部压力变化

图4所表示的是系统的压力曲线。在吸附过程的初始阶段，整个系统的真空度相对高，其结果就是冷凝器中的水蒸发速率较大。与此同时，吸附床此时的温度相对高，所以吸附剂此时的吸附速率较小，从而系统压力会随水的蒸发而快速升高；吸附进行到中间阶段时，水的蒸发速率减弱，吸附床的温度也在逐渐降低，此时吸附速率增大。与此同时，复合吸附剂此时的吸附作用要强于水的蒸发作用，系统内部的压力会因为水蒸气的减少而降低。当压力持续减小至接近水蒸气的饱和压力时，冷凝/蒸发器内的液态水会发生暴沸现象，从而使系统压力迅速增大，此时压力曲线会呈现出快速上升的趋势，但是系统整体压力趋于减小；由于吸附剂逐渐吸附饱和，系统的吸附作用逐渐减弱，吸附速率开始小于冷凝/蒸发器的蒸发速率，最终系统压力不断升高。

图4 系统的压力曲线

图5 吸附过程中的吸附床温度和吸附效率

3.3 复合吸附剂吸附性能

图6 复合吸附剂吸附量随时间变化

图5表示吸附过程中吸附床温度随时间的变化以及复合吸附剂的吸附效率随时间的变化。在热排空之后，吸附床的温度从105℃逐渐降低至室温。与此同时，复合吸附剂的吸附作用也从初始的1.82×10-3g /(g·min)逐渐降低至0.21×10-3g /(g·min)。

3.4 复合吸附剂吸附量随时间变化

图6所示的是复合吸附剂的吸附量随时间的变化。曲线1表示13X沸石分子筛的吸附量随时间的变化；曲线2-5分别表示13X沸石分子筛与5%，10%，15%，20%的CaCl2溶液浸泡后所得CaCl2-13X复合吸附剂的吸附量随时间的变化。由图6可以看出，随着吸附过程的进行，复合吸附剂的吸附量最终趋于稳定。吸附剂的吸附量和是否与CaCl浸泡有关，与浸泡CaCl2溶液的浓度有关。与曲线1相比，曲线2和曲线3的吸附量明显高于曲线1。说明13X沸石分子筛在浸泡了质量分数为5%和10%的CaCl2溶液后，吸附效果要高于13X沸石分子筛的吸附效果。从曲线4和曲线5可以看出，浸泡了15%和20%CaCl2溶液的13X沸石分子筛的吸附量并没有单纯的13X沸石分子筛高，说明其吸附能力是低于13X沸石分子筛的。所以，可以看出13X沸石分子筛浸泡CaCl2溶液可以提高其吸附能力，但是浸泡的CaCl2溶液的浓度具有一个临界值，一旦超过了这个临界值，浸泡CaCl2溶液反而会降低13X沸石分子筛的吸附能力。在本实验中，吸附效果最好的是浸泡10%CaCl2溶液的13X沸石分子筛，吸附量为71.64g，沸石分子筛质量为190g，最大吸附率为0.377g/g。相比较13X沸石分子筛最大吸附量为68.48g，最大吸附率为0.360g/g，提高了0.017g/g。

4 结论

本实验通过设计搭建闭式吸附系统用于测试吸附式制冷中的一种新型复合吸附剂的吸附效果。通过对吸附床温度进行研究后，发现其能够满足吸附性能试验的要求。从而进行进一步的吸附性能的实验测试。通过与查阅文献中测定的单纯13X分子筛的吸附性能的比较，得出本实验的可行性和可靠性。通过对吸附床温度，系统压力以及复合吸附剂的性能分析可以得出以下结论：

(1)本实验系统采用热排空和真空泵使系统达到传质需要的真空工况，利用加热炉令初始脱附温度为200℃，利用风机令初始吸附温度为105℃。

(2)加热脱附段用吸附床外壁底部的温度近似估计吸附床内固体吸附剂的温度的偏差为1.87%，冷却吸附段用吸附床外壁底部的温度近似估计吸附床内固体吸附剂的温度的偏差为2.49%。偏差较小，可以使用吸附床外壁底部的温度表示床内吸附剂的温度。

(3)13X沸石分子筛浸泡一定浓度的CaCl2溶液是可以提高其吸附能力的，但是CaCl2溶液的浓度具有一个临界值，超出这个临界值就会降低13X沸石分子筛的吸附能力。作者认为，这是因为13X沸石分子筛具有完整的微孔结构，浸泡CaCl2溶液会使一定量的CaCl2分子附着在这些通道中提高13X沸石分子筛的吸附能力。超过临界浓度的CaCl2溶液会使13X沸石分子筛的微孔结构堵塞，减弱其吸附能力。本实验中，吸附效率最高的一组是浸泡10%CaCl2溶液的13X沸石分子筛。

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StudyonthePerformanceofaNewAdsorptionRefrigerationAdsorbent

YAN Haoxin

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

2016-9-28

上海海事大学校内基金项目(20120094)

严昊鑫(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：制冷与空调的节能、蓄能技术。E-mail：427751482@qq.com

ISSN1005-9180(2017)03-019-05

TQ028.1+5文献标示码A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.004