不同混合式吸附劑導熱性能實驗研究

杜紅濤+劉澤勤+安文卓

摘要：通過將吸附劑活性炭與多種金屬以不同的比例混合，配置成混合式吸附劑，并分別測試了其導熱系數(shù)，試圖發(fā)現(xiàn)一種合適的金屬及比例，使其既能提高吸附劑的傳熱性能而又不嚴重影響吸附劑的傳質(zhì)性能。結(jié)果表明： 隨著活性炭與金屬混合比例增加，各混合式吸附劑導熱系數(shù)隨之增大，并且在混合比例為10：8時達到最大值； 對于3種混合式吸附劑（活性炭-鐵屑、活性炭-鋁屑、活性炭-銅屑），活性炭-鋁屑混合式吸附劑在比例為10：3便達到很高的值，此后隨著比例增加，導熱系數(shù)變化不大，而另外兩種混合式吸附劑隨著比例增加導熱系數(shù)均變化很大。

關(guān)鍵詞：混合式吸附劑；混合比例；導熱系數(shù)

中圖分類號：TK172

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0153-03

1 引言

近幾十年來，全球經(jīng)濟飛速發(fā)展，工業(yè)化進程不斷加深，這些發(fā)展都離不開能源的消耗。當前，環(huán)境污染的加劇，能源短缺和環(huán)境污染已成為全球面臨的共同難題，節(jié)能減排已成為當前社會熱點話題。在我們國家，作為制冷空調(diào)設(shè)備應(yīng)用主體的建筑能耗占社會總能耗的比例高達1/3，而在建筑能耗當中，空調(diào)、采暖等設(shè)施設(shè)備能耗幾乎占到1/2[1，2]。因此，在制冷空調(diào)行業(yè)，新節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的研究以及新型制冷方式和設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用成為了從業(yè)人員首要任務(wù)。作為一種綠色環(huán)保的制冷技術(shù)，吸附式制冷與當前能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展趨勢相一致，并因其無運動部件，可利用低品位熱能及太陽能驅(qū)動等特點引起了人們極大關(guān)注[3～6]。吸附式制冷技術(shù)從發(fā)現(xiàn)至今已有160多年的歷史，在此期間，有關(guān)吸附式制冷的研究成果不斷涌現(xiàn)出來，如R. E. Critoph研制的用于冷藏疫苗的太陽能吸附式制冷機[7]，李曉敏等研制的DY漁船發(fā)動機尾氣制冰機[8]，Suzuki研制的高溫煙氣余熱驅(qū)動吸附式汽車空調(diào)系統(tǒng)[9]，以及日本的前川公司以硅膠-水為工質(zhì)對研制的吸附冷水機組，此冷水機組利用75℃的熱水驅(qū)動，可生產(chǎn)14℃的冷水[10]。但吸附式制冷設(shè)備在商業(yè)化的發(fā)展過程中一直受到制冷效率偏低、吸附制冷循環(huán)周期長等瓶頸問題，其中一重要原因就是吸附式制冷所用的吸附劑為多孔介質(zhì)，導熱系數(shù)偏低[11]。所以，解決吸附制冷系統(tǒng)制冷效率低下的關(guān)鍵點是緩解吸附劑傳熱傳質(zhì)矛盾[12]，提高吸附劑導熱性能。

本文通過在吸附劑中添加高導熱性能材料（如鐵屑、鋁屑、銅屑），配制不同質(zhì)量比的混合式吸附劑，以期提高混合式吸附劑的導熱系數(shù)。

2 實驗研究

本文采用同心球體導熱裝置進行導熱系數(shù)的測試，實驗臺示意圖如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集器和同心球體導熱裝置組成。同心球體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，球體由內(nèi)、外兩球殼組成，其中在內(nèi)球殼內(nèi)部裝有電加熱盤管，內(nèi)、外球殼之間裝填測試材料，并且在內(nèi)、外球殼上均布置有熱電偶，用以監(jiān)測溫度。

3 實驗結(jié)果分析與討論

通過選取吸附劑活性炭與相應(yīng)金屬屑進行混合，配制成實驗所用的混合式吸附劑，按實驗步驟對其導熱性能進行了測試，得出實驗結(jié)果如下。

圖3、4、5為活性炭與不同金屬屑按一定比例混合時的導熱系數(shù)，從圖中可以得出，隨著活性炭與金屬屑比例的增加，吸附劑導熱系數(shù)整體呈現(xiàn)出增長的趨勢。選取活性炭與金屬屑比例10∶1至10∶10，對于活性炭與鐵屑、活性炭與銅屑組成的混合式吸附劑，當比例為10：8時，混合式吸附劑導熱系數(shù)達到較高；而對于活性炭與鋁屑組成的混合式吸附劑，當活性炭與鋁屑比例為10∶9時，混合式吸附劑導熱系數(shù)為最高。

圖3為活性炭與鐵屑不同比例情況下吸附劑導熱系數(shù)變化曲線，由圖可知，在比例10∶1和10∶5之間，曲線變化很平緩，導熱系數(shù)增長較為緩慢，從最小值為10∶1時的0.1308 W/（m·k）到最大值為10∶4時的0.1385 W/（m·k），僅增長6%；當比例為10∶6時有較大變化，且在比例10∶8時達到最大，最大值為0.1838 W/（m·k），之后混合式吸附劑導熱系數(shù)逐漸減小。

圖4顯示為活性炭與鋁屑不同比例情況下吸附劑導熱系數(shù)，在比例10∶1和10∶3之間導熱系數(shù)增長較快，之后隨比例增加導熱系數(shù)增長緩慢，且比例10∶4和10∶5較為特殊，混合式吸附劑導熱系數(shù)稍微有所減少。從圖中可以看出，當比例為10∶9時，混合式吸附劑導熱系數(shù)最高。

圖5顯示為活性炭與銅屑不同比例情況下吸附劑導熱系數(shù)，隨著活性炭與銅屑比例的增加，混合式吸附劑導熱系數(shù)穩(wěn)定增長，在10∶1到10∶4之間增長較慢，而在10∶4到10∶8之間漲幅較大，平均漲幅為11%，且當比例為10∶8時達到最高，最大值為0.2438 w/（m·k），之后導熱系數(shù)隨著混合比例的升高而下降。

4 結(jié)論

通過對以上3種混合式吸附劑導熱系數(shù)進行分析，可以得出如下結(jié)論。

（1）在活性炭與各金屬混合初期，即混合比例小于10∶5時，各混合式吸附劑的導熱系數(shù)增長較為緩慢；此后，隨著混合比例的增加，各混合式吸附劑的導熱系數(shù)均出現(xiàn)較大漲幅，且活性炭-鐵屑和活性炭-銅屑混合式吸附劑在比例為10∶8時導熱系數(shù)達到最大值，而活性炭-鋁屑混合式吸附劑的最大值出現(xiàn)在混合比例為10∶9。對于活性炭-鋁屑混合式吸附劑而言，其導熱系數(shù)值在混合比例為10∶3時已經(jīng)很高，此后隨著混合比例增加雖然有增長，增加量卻不大，因此該混合式吸附劑最佳混合比例可選為10∶3，避免繼續(xù)增大比例而導致混合式吸附劑吸附性能下降。

（2）在10∶1到10∶4之間，活性炭-鋁屑和活性炭-銅屑混合式吸附劑導熱系數(shù)相差不大，活性炭-鐵屑混合式吸附劑較二者均低；在10∶5以后，活性炭-銅屑混合式吸附劑導熱系數(shù)大幅增長，活性炭-鐵屑混合式吸附劑也出現(xiàn)較大增長，并在比例為10∶8時超過活性炭-鋁屑混合式吸附劑，但始終低于活性炭-銅屑混合式吸附劑。

參考文獻：

[1]朱斌祥，孫 李，喻志強，等. 太陽能驅(qū)動吸收式與吸附式制冷技術(shù)的比較分析研究[J].流體機械，2016（1）：81～86.

[2]清華大學建筑節(jié)能研究中心. 中國建筑節(jié)能2011年度發(fā)展研究報告[R]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]朱冬生，汪立軍，康新宇，等.太陽能吸附器中強化熱傳導的實驗研究[J].太陽能學報，1998，19（2）：186～190.

[4]Speidel K. Solar cooling processes using chemical reactions[J].Solid Sorption Refrigeration Sym，1992（111）.

[5]朱冬生.沸石—水封閉吸附循環(huán)的傳熱傳質(zhì)特性[J].高?；瘜W工程學報，1993（7）：62-67.

[6]Crittoph R E. Performance estimation of convective thermal wave adsorption cycles[J].Applied Thermal Engineering，1996，16（5）：429～437.

[7]Critoph R E. Carbon-ammonia sorption system-previous experience， current project and challenge for the future[R]. Shanghai： International Sorption Heat Pump Conference， 2002.

[8]李曉敏， 田永建， 李定宇， 曾利權(quán). DY漁船柴油機尾氣制冰機的研究[J]. 湖南大學學報， 2000（27）：44～47.

[9]Motoyuki S. Application of adsorption cooling system to automobile[M]. France，Symposium：Solid Sorption Refrigeration， 1992.

[10]王如竹， 王麗偉. 低品味熱能驅(qū)動的綠色制冷技術(shù)：吸附式制冷[J].科學通報， 2005（50）：101～111.

[11]陳海軍，崔群，顧春華，姚虎卿.吸附制冷用復合吸附劑導熱性能強化[J].南京工業(yè)大學學報，2004，26（1）：13.

[12]安文卓. 吸附式制冷混合式吸附劑的優(yōu)化實驗與數(shù)值模擬研究[D]. 天津： 天津商業(yè)大學， 2013.