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，試圖發現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性能。結果表明： 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均變化很大。

關鍵詞：混合式吸附劑；混合比例；導熱系數

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，全球經濟飛速發展，工業化進程不斷加深，這些發展都離不開能源的消耗。當前，環境污染的加劇，能源短缺和環境污染已成為全球面臨的共同難題，節能減排已成為當前社會熱點話題。在我們國家，作為制冷空調設備應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、采暖等設施設備能耗幾乎占到1/2[1，2]。因此，在制冷空調行業，新節能技術和節能產品的研究以及新型制冷方式和設備的開發應用成為了從業人員首要任務。作為一種綠色環保的制冷技術，吸附式制冷與當前能源、環境的協調發展趨勢相一致，并因其無運動部件，可利用低品位熱能及太陽能驅動等特點引起了人們極大關注[3～6]。吸附式制冷技術從發現至今已有160多年的歷史，在此期間，有關吸附式制冷的研究成果不斷涌現出來，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漁船發動機尾氣制冰機[8]，Suzuki研制的高溫煙氣余熱驅動吸附式汽車空調系統[9]，以及日本的前川公司以硅膠-水為工質對研制的吸附冷水機組，此冷水機組利用75℃的熱水驅動，可生產14℃的冷水[10]。但吸附式制冷設備在商業化的發展過程中一直受到制冷效率偏低、吸附制冷循環周期長等瓶頸問題，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，導熱系數偏低[11]。所以，解決吸附制冷系統制冷效率低下的關鍵點是緩解吸附劑傳熱傳質矛盾[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），配制不同質量比的混合式吸附劑，以期提高混合式吸附劑的導熱系數。

2 實驗研究

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

3 實驗結果分析與討論

通過選取吸附劑活性炭與相應金屬屑進行混合，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，從圖中可以得出，隨著活性炭與金屬屑比例的增加，吸附劑導熱系數整體呈現出增長的趨勢。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，在比例10∶1和10∶3之間導熱系數增長較快，之后隨比例增加導熱系數增長緩慢，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，隨著活性炭與銅屑比例的增加，混合式吸附劑導熱系數穩定增長，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），之后導熱系數隨著混合比例的升高而下降。

4 結論

通過對以上3種混合式吸附劑導熱系數進行分析，可以得出如下結論。

（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均出現較大漲幅，且活性炭-鐵屑和活性炭-銅屑混合式吸附劑在比例為10∶8時導熱系數達到最大值，而活性炭-鋁屑混合式吸附劑的最大值出現在混合比例為10∶9。對于活性炭-鋁屑混合式吸附劑而言，其導熱系數值在混合比例為10∶3時已經很高，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大幅增長，活性炭-鐵屑混合式吸附劑也出現較大增長，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：

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