太阳能吸附器中强化热传导性能的实验研究

返回|上一篇|下一篇太阳能吸附器中强化热传导性能的实验研究朱冬生汪立军康新宇谭盈科(华南理工大学化工研究所，广州510641)王盛卫(香港理工大学屋宇设备工程学系)文摘：针对太阳能吸附式制冷循环过程中，吸附剂热传导性能低的特点，研究采用高分子复合强化吸附剂提高其传热性能。发现少量导热高分子材料在吸附剂颗粒表面形成均匀连续的导热网，可使吸附剂的有效导热系数提高2—4倍，且吸附性能变化不大。关键词：太阳能，吸附制冷，吸附剂、强化热传导0引言近年来，法国、丹麦、美国和中国相继开发成功太阳能吸附式制冰机，利用吸附循环直接制取冰块［１—４］，其中吸附器的热传导性能是研究焦点。由于吸附器兼有加热和冷却吸附剂(多孔介质)两种功能，除了吸附器本身要求有较高的热交换率外，还要求吸附剂也应有较高的热传导系数［５］。吸附剂为多孔介质材料，热传导性能低，如沸石原粉的有效导热系数在0.001—0.1Ｗ／ｍ·Ｋ之间。一些文献报道有关强化热传导的方法多为物理混合法，如采用石墨强化吸附剂的热传导［６］、将铝粉或铁粉混合于吸附剂颗粒中［７］，但这些导热系数高的石墨粉、铝粉和铁粉等混合于吸附剂中均为非连续相，为了不明显影响吸附性能。一般加入的比例较小，不能形成热传导高的连续相，因而总的有效导热系数提高不大。本文根据有关报道，将高分子材料的合成技术［８］应用于吸附剂的强化热传导，试图在吸附剂颗粒表面形成一种网状高导热体，在颗粒自然堆积时，这种网状体便形成一种连续的导热网，以达到有效提高吸附床热传导系数的目的［８—１０］。1实验1.1导热高分子／沸石复合吸附剂粉末的合成在装有搅拌装置和温度计的三口烧瓶中，投入定量的沸石粉和定量的盐酸溶液，启动搅拌，使体系成为均匀的悬浮液；然后将以定浓度的盐酸水溶液为溶剂，配置定量定浓度的苯胺液并加入烧瓶；最后把(ＮＨ４）２S２O８盐酸溶液经滴液漏斗用5min时间滴加到上述体系中，在室温下进行聚合反应。数小时后，停止反应。抽滤，用蒸馏水洗涤产物至滤液无色。产物经烘箱110℃下干燥24ｈ；研细后，再置真空烘箱110℃下干燥24ｈ。此产物即为聚苯胺／沸石复合吸附剂粉末。1.2导热高分子／沸石复合吸附剂粉末导热系数的测定实验合成的复合吸附剂的导热系数采用稳态平板法进行测定，实验装置如图1所示。图1平板法测导热系数的实验装置测量粉末试样λ值的试样匣，其匣盖匣底均由高热导的紫铜制作，通过变压器调节红外加热灯的电压改变加热温度，用空气冷却，在厚度方向形成温差。匣的四周用低导热的陶瓷环做成并具有一定的强度，支撑上下两块铜板，使匣内的粉末试样保持自然堆积状态。为保证近似一维轴向导热，选择的平板尺寸须满足ｄ／σ7（ｄ为匣直径，σ匣高)，并对匣的四周进一步用高保温材料保温。自然堆积状态的粉末试样厚度即匣高σ为5ｍｍ，匣的直径为75ｍｍ，符合ｄ／σ7的要求。通过热流计、热电偶分别测出热流率和温差。导热系数为λ＝σ×ｑ／ΔＴ式中，ｑ为热流密度，ΔT为样品两侧温差，λ为所测试样的导热系数。为了检查该装置的测量误差，用标准试样进行了标定。用比较法测得的最大误差｜Δλ／λ｜７％，说明用该装置测量的结果是可靠的。另外，用该装置测量导热性能较差的材料在较低温度下的导热性能尤为可靠方便。1.3导热高分子／沸石复合物粉末-水吸附平衡曲线的测定吸附剂的吸附能力常用吸附达到平衡时的吸附量来表示。图2真空重量法测量等温吸附曲线装置其大小与吸附剂和吸附介质的性质、压力、温度等因素有关。这种复杂的关系可以通过实验和有关吸附理论进行实验数据回归得出经验式。吸附剂-吸附介质的等温吸附曲线采用真空重量法测量，实验装置如图2所示。用石英弹簧挂住样品篮，篮中吸附剂随吸附量的变化重量发生变化。石英弹簧的长度变化量可用离该装置一定距离的望远镜测高仪测定。所测的吸附量为相对吸附量：相对吸附量＝(平衡弹簧伸长量－加样品后真空状态下弹簧伸长量)／(加样品后真空状态下弹簧伸长量－加样品前弹簧伸长量)2实验结果和讨论2.1有效导热系数吸附剂的导热系数是不断变化的，它与温度、含水量、堆积密度及其本身组成等有关。图3吸附剂导热系数与温度的变化关系图413ｘ原粉的吸附等温吸附曲线粉末状吸附剂自然堆积于空气中，其有效导热系数与温度的变化关系如图3所示。由该图可知，其导热系数随温度的升高而增大。采用吸附温度Ｔa为40℃、脱附温度Ｔg为150℃条件下的平均导热系数Ｋa来进行评价，其结果列于表1。表1吸附剂样品的平均导热系数样品号原粉１＃２＃３＃４＃５＃６＃７＃８＃９＃Ｋa（W／ｍ*K）0.0560.1620.2040.2350.1790.2460.1770.2170.1920.178由表1可知，聚苯胺改性的沸石复合物的最佳导热系数比原粉可提高到4倍左右，最低的也可提高2倍多。2.2导热高分子／沸石复合吸附剂粉末的吸附性能吸附剂样品的吸附量与压力、温度的变化关系如图4所示。由于吸附过程涉及复杂的传热传质过程，难以用统一的吸附方程来精确描述。沸石的吸附遵循微孔体积填充理论，吸附平衡的D-A方程为１nm＝１ｎρＶ0－Ｋ（Ｔ１ｎＰ0／Ｐ）n采用最小二乘法对该多参数方程进行非线性拟合，并用高斯-牛顿法求解曲线拟合中的非线性参数极限空腔体积Ｖ0、吸附参数Ｋ和分布级数ｎ，可得出每一样品的吸附方程。由图4可知，拟合曲线与实验点吻合较好。对于某一固定的吸附式热泵，对吸附剂来说更为重要的吸附指标是循环过程的吸附差，它与吸附温度、脱附温度、冷凝温度和蒸发温度有关：Δｍ＝ｍ〔Ｔa，Ｐs（Ｔｅｖ）〕－ｍ〔Ｔｇ，Ｐs（Ｔc）〕本工作采用吸附温度Ｔa为40℃、冷凝温度Ｔc为40℃、蒸发温度Ｔｅｖ为10℃、脱附温度Ｔg为150℃下的吸附差Δｍ来评价吸附性能，计算所得的三个吸附参数及吸附差Δｍ的结果列于表2。表2样品的回归吸附参数及吸附差Δｍ参数原粉样品1样品2样品3样品4样品5样品6样品7样品8样品9Ｖ00.3100.3070.2950.2910.3030.2960.3050.2980.3020.293n1.581.631.731.801.611.741.661.721.691.79ｋ×10－６6.5784.3781.9261.0415.1871.7393.4082.1132.6951.132E15.8316.1216.7317.5215.9416.9816.3516.5716.4217.45Δm14.83714.68713.98713.38214.54413.88214.53314.21714.43113.507e(%)0-1.01-5.73-9.81-1.97-6.44-2.05-4.18-2.74-8.96由表2可知，由于聚苯胺的加入，沸石的极限空腔体积Ｖ0和吸附参数K有所下降，分布级数ｎ有所提高，吸附差Δｍ略有降低，但下降幅度都在10%以内。沸石极限空腔体积Ｖ０下降主要是由于少量的苯胺堵塞微孔造成的，吸附参数K下降是由于极性聚苯胺的加入使得特征吸附功E〔脱水活化能ｋ＝（Ｒ／Ｅ）n〕有所增加造成的。分布级数ｎ的提高主要因为ｎ表征为每个吸附中心上所吸附的分子数，当具有较高的特征吸附功时，其相应的脱水活化能较大，所以每个吸附中心上所吸附的分子数也增加。方利国［１１］研究表明，提高吸附差Δｍ，可通过增加极限空腔体积Ｖ０，提高吸附参数K和吸附层数ｎ，其中吸附层数ｎ引起吸附差Δｍ变化的灵敏度比其它两参数大一个数量级。所以在本实验条件下，聚苯胺的加入，总的效果使沸石对水的吸附差Δｍ下降不多。2.3吸附剂强化传热方法的比较对利用金属铝粉、石墨粉、聚苯胺三种强化传热方法进行比较，结果列于表3。表3几种强化方法的比较强化方法沸石原粉加金属铝粉加石墨粉聚苯胺复合物强化剂／吸附剂（WT％）10016.1116.1116.11有效导热系数ｋe0.0560.0920.0920.258由表3可知，聚苯胺与加入金属铝粉、石墨粉相比，在相同的质量百分含量下，有效导热系数提高最大，聚苯胺强化吸附剂的导热效果最佳。3结论采用高分子导热材料与吸附剂颗粒复合来强化吸附剂热传导性能是可行的。复合吸附剂的有效导热系数比原粉可提高4倍多，其吸附性能基本不变。与加入金属铝粉、石墨粉相比，采用聚苯胺复合方法强化吸附剂的传热，在相同的质量百分含量下，其效果最好。参考文献1GrenierPH.etal.SolarPoweredSolidSdsorptionColdStroe.Trans.oftheASME,1988,110:192-1972庄友明.一种新颖的固体吸附式太阳能制冷装置．制冷，1991(4)：34—363TcjernevDI.SolarEnergyApplicationofNatrualZeolites,NaturalZeolotes:Occurences,PropertiiesandUseLONDON:PERGAMONPRESSLTD.1978,479-4854谭盈科等．吸附式太阳能冰箱的研究．太阳能学报，1992，13(3)：255-2585朱冬生等．沸石-水封闭吸附循环的传热传质特性．高校化学工程学报，1993(7)：62-676SpeidelK.SolarCoolingProcessesusingChemicalReactions.SolidSorptionRefrigerationSym.Paris,France,Nov.19927CacciolaG,etal.AdvancesonINNovativeHeatExchangersINAdsorptionHeatPumps.IBID［６］,221-2268汪国杰．导电聚苯胺／高岭土复合物的制备、结构表征和性能研究：［硕士论文］．广州：华南理工大学，高分子材料科学与工程系，19959ZhuDongsheng,etal.EnhancementofRhermalConditivitybyUsingPolymererzeoliteforSorptionHeatPumpApplication.RefrigerationScienceandTechnologyProceedings,Melbourne,Australia,Feb.1996,47-5210汪立军．吸附式热泵中吸附剂传热传质的强化及机理的研究：［硕士论文］．广州：华南理工大学，化学工程研究所，199711方利国．高效吸附制冷传热传质的实验与模拟研究：［博士论文］．广州：华南理工大学，化学工程研究所，1997ANEXPERIMENTALSTUDYOFHEATCONDUCTIONENHANCEMENTONTHESOLAR-POWEREDADSORBERZhuDongshengWangLijunKangXinyuTanYingke(ResearchInstituteofChemicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangahou510641)WangShengwei(DepartmentofBuildingServicesEngineering,HongKongPolytechnicUniversity)Abstract:Theperformanceofthesolar-poweredadsorptionrefrigerationsystemislimitedbythelowthermalconductanceoftheadsorberfilledwithsolidadsorbent.Anewtechnologyforenhancingthermalconductivityofadsorbenthasbeenstudiedinthispaper.Athermallyconductivecompositeofpolymerandadsorbentwasprepared.Theexperimentalresultsindicatedthatathinthermalconductingoverlayeronthesurfaceofadsorptionparticlescanbegrownbyusingasm