P-ZSM-5-水吸附制冷工质对制冷性能预测

    固体吸附式制冷利用低品味热源驱动,利用固体与气体间的吸附和脱附作用代替传统压缩式制冷压缩机作用[1],在热泵、船舶制冷、汽车空调、疫苗保护等场合得到了广泛应用,固体吸附制冷技术受到了国内外很多研究者的关注,制冷机是否能适应环境要求,是否能满足工作条件,在很大程度上都取决于吸附工质对的选择.

    本文选择磷改性ZSM-5沸石分子筛(P-ZSM-5)作为吸附剂、水作为吸附质,考察303K时不同改性浓度试样的饱和吸附量,筛选最佳改性试样进行吸附等温线测量;在此基础上考察最佳改性试样制冷性能,探讨蒸发温度、冷凝温度对体系性能的影响.

    1 磷改性ZSM-5沸石分子筛

    文献[2-4]提供的ZSM-5沸石分子筛磷改性方法中,磷源可采用磷酸(H₃PO₄)、磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)、磷酸二氢铵(NH₄H₂PO₄)、三苯基磷(TPP)、固体五氧化二磷(P₂O₅)等,本文选取磷酸为磷源,采用浸渍法对ZSM-5沸石分子筛进行改性,试样中磷质量分数以磷酸质量分数计,分别为3116%、6132%、9148%、12165%、15181%,并标记为试样Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z_5.称取一定量的分子筛试样(干基质量),加入磷酸溶液中,室温下搅拌8 h后120e烘干,然后500e焙烧3 h,得到改性试样待用.

    2 PZSM-5沸石分子筛吸水性能

    在一定的温度和压力下,当流体(气体或液体)与固体吸附剂接触时,流体中的吸附质将被吸附剂吸附,经过足够长的时间,吸附质在两相中的含量达一定值,互呈平衡,称为吸附平衡[5].本文设计搭建装置如图1所示,进行分子筛饱和吸附量测定.干燥器作为吸附装置,干燥器底部放置水溶液,提供水蒸气,干燥器托盘上放置吸附剂,静态吸附.通过恒温水浴与温控调节温度.

    实验主要步骤如下:对整套装置进行气密性检查.检漏后,称取改性试样于玻璃皿上,记为m1,放置于干燥器托盘上.干燥器底部预先放置水,将干燥器密封,通过泵抽气使得干燥器底部水沸腾,并持续几分钟.水蒸气压力为实验温度下水的饱和蒸气压,当吸附开始后,通过U型压差计观察其变化,通过温度控制可保证水浴槽和吸附室处于相同温度条件(303K),而管路采用保温套保温.当压力指示不再变化,则达到气液平衡,意味着分子筛已达到该温度下饱和吸附.实验全过程持续8~9 h,实验结束称取的试样质量记为mc1.采用吸附称重法测量吸附前后吸附质质量变化,得到饱和蒸汽压下的最大吸附量,结果如图2所示.

    由图2可知,随着磷酸溶液质量分数的增加,试样的饱和吸附量先增加后减少,当磷酸溶液质量分数为6132%时达到最大值,故Z₂试样为最佳改性试样,接下来考察试样Z₂吸附等温线.采用相同装置,按照文献[6]提供方法进行实验,配制6种饱和盐溶液(KOH、LiCl、MgCl₂、Mg(NO₃)₂、KCl、K₂SO₄)得到7% ~96%范围的相对湿度,采用不同饱和溶液控制相对湿度方法[7],测定试样Z₂在温度为303K时不同压力下的吸附量,得到吸附等温线如图3所示.