NaX沸石复合吸附剂的性能与应用

　第35卷第5期　2001年5月

上海交通大学学报

JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT Y

V o l .35N o.5　

M ay 2001　

收稿日期:2000201228

文章编号:100622467(2001)0520729204

N aX 沸石复合吸附剂的性能与应用

卢允庄,　刘震炎

(上海交通大学动力与能源工程学院,上海200030)

摘　要:为增强固体吸附床的有效传热,提出了一种以N aX 沸石为主要成分的固化复合吸附剂,对其吸附性能和导热性能进行了实验研究.该复合吸附剂的吸附性能优于沸石颗粒,其最大吸附量接

近于沸石原粉.吸附平衡时其导热系数约为0.23W

(m ・K ).试验表明,吸附剂的真实导热系数受吸附量的影响很大,而其有效导热系数除了受真实导热系数的影响外,还与吸附量的变化率有关.对该复合吸附剂在余热制冷及太阳能制冷中的应用进行了探讨,提出了一种用于余热制冷的新型吸附床结构,并分析了一种结构简单的单体式太阳能制冷管.关键词:复合吸附剂;吸附制冷;导热系数;吸附量中图分类号:TB 321;TB 61+1 文献标识码:A

P e rfo r m a nce Inve s tiga tion a nd App lica tion of

the Ze o lite NaX C om pos ite Ads o rbe nt

L U Y un 2z huang ,　L IU Z hen 2y an

(Schoo l of Pow er and Energy Eng .,Shanghai J iao tong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina )

Abs tra c t :A new con so lidate com po site adso rben t m ain ly m ade of zeo lite N aX w as p ropo sed .T he adso rp 2

tivity and heat tran sfer p erfo rm ance of the com po site adso rben t w ere investigated exp eri m en tally .T he com po site adso rben t has better adso rp tivity than the zeo lite grain .A nd its therm al conductivity in satu rat 2

ed adso rp ti on is abou t 0.23W

(m ・K ).T he real therm al conductivity of the adso rben t strongly dep ends on the adso rbate con ten ted in adso rben t ,w h ile its effective therm al conductivity dep ends on no t on ly the real therm al conductivity bu t also the variati on rate of the adso rbate con ten ted in adso rben t .T he app lica 2ti on s of the com po site adso rben t in adso rp ti on refrigerati on pow ered by w aste heat o r so lar energy w ere studied .A new adso rben t bed u sed fo r w aste heat pow ered refrigerati on w as p resen ted ,and a so lar coo ling tube w as analyzed .

Ke y w o rds :com po site adso rben t ;adso rp ti on refrigerati on ;therm al conductivity ;adso rbate con ten t

固体吸附式制冷因其结构简单、对环境无不良

影响等优点,在日益提倡环保与节能的今天受到了国际制冷界广泛的关注.吸附式制冷系统主要由吸附器、冷凝器和蒸发器组成.其中吸附器是最关键的部分.在系统循环过程中,它不断交替地被加热与冷却,除了保证吸附床与传热流体之间必须有很好的换热性能外,还要求吸附剂有尽可能高的导热系数.

然而,由于固体吸附剂是多孔介质,因颗粒间隙、晶

粒间孔与内孔的存在,吸附床的导热系数一般都很低,特别对于颗粒堆积床.如沸石和活性炭颗粒吸附床的导热系数分别有约0.05～0.11和0.14～0.20

W

(m ・K )[1].吸附床内的传热情况差是造成吸附制冷循环时间长以及输出功率低的一个重要原因.

近年来,已有许多学者对如何改进吸附器的传热进行了研究.这些研究主要集中在如下方面:提高吸附剂的导热系数或增大吸附床的换热面积,前者

主要通过研制固化或烧结的复合吸附剂来达到,后者主要通过在换热器上增加肋片来进行.

本文在考虑增强吸附剂导热及不影响最大吸附量的基础上,提出一种新型的固化复合吸附剂,并对其性能和应用进行了研究。1　固化复合吸附剂

人们已经研究了许多种增强吸附床导热系数的方法.其中最简单的是将不同大小的吸附剂颗粒混合[2],这样做的效果很有限.还有一种方法是将吸附剂颗粒与导热性能较好的金属粉末或石墨混合[3],但即使添加剂的质量比达到25%,吸附床导热系数的提高仍然不明显,其主要原因在于添加剂与吸附剂之间是点2点接触,未形成连续相,此外,金属或石墨的加入也使得吸附床的总热容增加和单位质量吸附剂的吸附量减少.另一种更为有效的方法是将吸附剂与粘接剂复合,形成固化的复合吸附剂[3,4].在固体吸附制冷系统中常用的吸附工质对主要有活性碳2甲醇、沸石2水和氯化钙2氨等,它们各有优缺点.沸石2水工质对具有无毒、稳定及对环境的适应能力强等特点,是一种很好的吸附工质对.但因沸石粉和沸石颗粒的填充密度和导热系数都很低,有必要将沸石固化成块状.另外,考虑到沸石原粉的吸附性能明显优于沸石颗粒,故本文研究的复合吸附剂以N aX 沸石分子筛原粉为主要成分.

图1　3种形状吸附剂的吸附性能比较

F ig .1　A dso rp tivity comparison of the th ree samp les

固化复合吸附剂的制取,与粘结剂的种类及数量和制备工艺有关.对粘结剂要求既要有足够的粘性,又不能堵住吸附剂孔道,而且它本身最好还要有吸附性.在对多种材料进行试验后,选择一种硅溶胶作为粘结剂.将沸石粉与粘结剂均匀混合,在模具中加压后再进行热处理,最后得到强度很好的复合吸

附剂块.制备过程中,沸石粉与粘结剂的质量配比很关键,粘结剂虽然可以增加强度,但会影响吸附性能,且其热膨胀系数比沸石略大,如加得过多会使成型的吸附块在烘干时表面不平或开裂,加得太少则会使它与沸石粉末混合不均匀,造成有的地方强度大,有的地方强度小.而模具加压也要有一个恰当值,加压时如吸附剂块高度较大时还应解决沸石块上下两端受压不同而引起的强度不均的问题.

2　复合吸附剂的性能

2.1　吸附性能

为比较复合吸附剂块与沸石原粉、沸石颗粒的吸附性能,分别对这3种材料进行了试验.因沸石粉和沸石颗粒是不定型的,其表面积对其吸附性能具有一定的影响,为此,先将3种样品做成相同的形状:沸石粉在制块模具中直接加压成型,所加压力与制复合吸附块时的相同;沸石颗粒则装填在一个用钢丝网围成的相同形状的架子中.再各取100g 暴露于空气中、常温常压下吸附达到平衡的样品放置在100°C 的恒温炉内加热,待充分脱附后再取到环境中让其吸附,在此过程中测定吸附块的质量m z 的变化.所得的结果如图1(a )所示.实验在常压下进行,脱附时间为8h .由图可见,复合吸附块与沸石原粉的脱附速度、最大脱附量都十分接近,且均比沸石颗粒的高.对于吸附速度,开始时三者都很接近,而到约3h 后,复合吸附块的吸附速度相对沸石粉的逐渐慢了下来.在实际应用中比较单位体积吸附剂的性能也很重要.在相同体积(100mL )下,3种材料脱附出的吸附质的质量m w 随时间的变化关系示于图1(b ).

从图1可看出,复合吸附剂的吸附性能明显优

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