吸附式制冷中固定床导热性能改进研究

    1 前言

    当前,环境问题和能源问题已受到人们的普遍关注和重视,发展节约能源和保护环境的新技术已成为广大科技工作者的研究热点。在制冷界,人们积极开展了无CFCs问题的制冷方式的研究,吸附式制冷由于其符合潮流的/绿色制冷0特点[1]而备受国内外科技工作者的重视。吸附式制冷系统主要由吸附器、冷凝器和蒸发器组成,通过选择适当的吸附剂)制冷剂工质对,可有效利用太阳能、工业废热等低品位能源作为动力来实现制冷与供热循环[2],并具有能耗低、无污染、噪声低、寿命长等一系列优点,作为压缩式空调的替代产品,应用前景十分广阔,并取得了令人瞩目的进展[3],吸附式制冷空调已在大型中央空调系统、远洋船舶的制冷保鲜系统和边远地区的疫苗保藏系统中得到应用[4]。

    吸附式制冷循环过程是一个全封闭的变温吸附过程,其中吸附固定床是吸附式热泵的核心部件[4],它主要由热交换器和吸附剂(多孔介质)组成。在吸附发生器中,吸附器的传热特性是吸附热泵设计的重要参数,其热阻有三大来源:一是金属热交换器本身的传热热阻;二是吸附剂的导热热阻;三是吸附发生器金属与吸附剂之间的接触热阻。若吸附剂的导热系数低,以及吸附剂与换热壁面之间的接触热阻大,解吸时不能将热量迅速地传递给吸附剂,吸附时又不能将吸附热迅速地排走,阻碍了传质的顺利进行,使得吸附P解吸循环周期长,吸附器体积庞大,阻碍了吸附式热泵在空调制冷行业的产业化。

    本文在研究吸附式热泵吸附器传热性能的特性基础上[4,5],从强化吸附床的传热传质性能和设计吸附器的结构出发,通过强化吸附剂颗粒的导热性能以及降低吸附剂与换热壁面之间的接触热阻,提高整个吸附床的传热性能[6,7,8],从而有效地提高吸附器的工作性能,使得吸附式热泵有较大的改进[9]。

    2 吸附剂的热传导性能改进及效果

    2.1 吸附剂的热传导性能改进

    一般来说吸附剂颗粒的导热性能决定床层的有效导热系数。吸附剂的传热强化方法主要有两种途径:添加剂法和化学复合法。添加剂法[10]主要是导热填料和颗粒的物理混合,常用的有:金属粉、石墨粉和碳素纤维等,添加剂法由于是物理混合,加入量较小,较难形成高导热的连续相,总的有效系数提高不大。化学复合法是在吸附剂颗粒表面覆盖一层很薄的导热高分子物质,利用少量的导热高分子聚合在吸附剂颗粒表面形成一层均匀连续的导热网,提高颗粒的热导热性能,减少温度梯度。

    聚苯胺是近年来发现的一种新型的本征态的导电材料,具有制备简单、在空气和水中稳定性好、有较高的电导率等优点。本文根据导热、导电材料机理,结合导热高分子的特性,选用导电聚苯胺来强化无机吸附剂沸石颗粒的传热,利用苯胺单体在沸石颗粒表面直接化学氧化聚合,使少量的导热聚苯胺形成均匀连续的导热网。导热聚苯胺P沸石复合物粉末的合成过程牵涉到苯胺、沸石、盐酸溶液、过硫酸铵等众多物质,通过正交实验对聚苯胺P沸石复合物粉末的最佳合成条件进行了选择。