本文關(guān)鍵詞：三相吸附儲(chǔ)熱循環(huán)的原理及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證　出處：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：作為吸收/吸附式制冷技術(shù)在儲(chǔ)熱領(lǐng)域的拓展應(yīng)用,吸收/吸附式儲(chǔ)熱技術(shù)近年來引起了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的顯熱和潛熱儲(chǔ)熱相比,吸收/吸附式儲(chǔ)熱具有材料儲(chǔ)熱密度高、儲(chǔ)熱周期長、集儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷為一體等優(yōu)點(diǎn)。在以水工質(zhì)的傳統(tǒng)吸收式儲(chǔ)熱系統(tǒng)中,要進(jìn)一步提高液體吸收工質(zhì)對的儲(chǔ)熱密度,就會(huì)面臨溶液結(jié)晶的危險(xiǎn);在以水工質(zhì)的傳統(tǒng)吸附式儲(chǔ)熱系統(tǒng)中,要進(jìn)一步提高固體吸附工質(zhì)對的儲(chǔ)熱密度,則會(huì)面臨液解的危險(xiǎn)。鹽溶液的結(jié)晶應(yīng)該是鹽的液解的逆過程。這兩種現(xiàn)象的發(fā)生涉及到無機(jī)鹽-水之間相互作用的機(jī)理。要提高無機(jī)鹽-水工質(zhì)對的儲(chǔ)熱密度,就必須研究并利用結(jié)晶和液解現(xiàn)象。目前眾多關(guān)于無機(jī)鹽-水吸附儲(chǔ)熱性能的研究都沒有深入分析無機(jī)鹽吸水的機(jī)理和并在理論上構(gòu)建儲(chǔ)熱循環(huán)。多孔介質(zhì)對水合鹽吸水性能的影響和鹽的液解的預(yù)防和解決方案也未見有專門研究。針對以上問題,本文以LiCl、CaCl_2和Li Br這類強(qiáng)吸水鹽和水組成的吸收/吸附工質(zhì)對為研究對象,首先從理論上分析了它們的吸水過程的機(jī)理,提出了同時(shí)利用鹽溶液的結(jié)晶和水合化學(xué)吸附反應(yīng)來增強(qiáng)吸附儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱密度,并以LiCl/H2O為工質(zhì)對為代表依次進(jìn)行了三相儲(chǔ)熱循環(huán)分析、基質(zhì)的選擇、復(fù)合吸附劑的配制和固化并最終完成小型吸附儲(chǔ)熱器的搭建和實(shí)驗(yàn)工作。本論文的研究工作主要包含以下內(nèi)容:(1)首先指出了吸附儲(chǔ)熱與傳統(tǒng)顯熱和潛熱儲(chǔ)熱的不同點(diǎn),系統(tǒng)地總結(jié)了數(shù)十年來吸附儲(chǔ)熱領(lǐng)域的重要研究進(jìn)展,指出了未來面臨的挑戰(zhàn)。(2)通過對無機(jī)鹽吸水和脫水過程的機(jī)理分析,清楚的描述了兩者接觸時(shí)發(fā)生的各種現(xiàn)象之間的關(guān)系。指出了鹽和水蒸氣在不同條件下會(huì)發(fā)生固/氣水合反應(yīng)(化學(xué)吸附)、氣/液/固三相液解(結(jié)晶)、液/氣兩相吸收這三個(gè)吸水過程,將包含以上過程的循環(huán)命名為三相吸附循環(huán)。在P-T-x圖上構(gòu)建了LiCl、CaCl_2及Li Br這三種鹽儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷的三相吸附循環(huán)路徑,計(jì)算結(jié)果表明在儲(chǔ)熱模式下,當(dāng)冷凝壓力為1.71k Pa時(shí),LiCl、CaCl_2及Li Br的結(jié)晶溫度分別為56.1 oC、47.9 oC、70.4 oC,LiCl、CaCl_2及Li Br三者的理論儲(chǔ)熱密度分別為4500 k J/kg、1559 k J/kg、1757k J/kg。因此可以認(rèn)為LiCl是三種鹽中最具應(yīng)用前景的一種�；趥鹘y(tǒng)的吸收和吸附式制冷系統(tǒng),考慮了實(shí)現(xiàn)三相吸附循環(huán)的兩種可行的方案,最后決定采用多孔介質(zhì)來作為容納溶液的基質(zhì)來解決處理結(jié)晶難題。(3)為了尋找到最適合LiCl的多孔基質(zhì),對常見的幾種多孔材料進(jìn)行了篩選,排除了沸石和石墨作為基質(zhì)的可能性,圍繞以硅膠為基質(zhì)的復(fù)合吸附劑展開深入研究,研究了配制過程中可能影響復(fù)合吸附劑性能的各種因素,發(fā)現(xiàn)對硅膠-LiCl復(fù)合吸附劑而言,真空浸漬和大氣浸漬得到的樣品并無顯著差別,搭建了基于磁懸浮天平熱重分析儀的閉式吸附量測試實(shí)驗(yàn)臺(tái),在磁懸浮天平熱重分析儀中測得了不同濃度LiCl溶液浸漬的復(fù)合吸附劑的平衡吸附等壓線,發(fā)現(xiàn)等壓線的的形狀明顯被分為3段,沒有觀察到明顯的吸附平臺(tái)。采用吸附勢能理論來分析和擬合吸附劑的平衡吸附方程,發(fā)現(xiàn)前人只采用單個(gè)DA方程來擬合復(fù)合吸附劑性能并不合適,需采用3段不同形狀的曲線來完整描述復(fù)合吸附劑的吸附平衡性能。提出了解決液解問題可能采用的幾種方法,即強(qiáng)制液解、根據(jù)實(shí)際工況控制LiCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法、擴(kuò)大孔體積等,并比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。(4)嘗試以活性炭作為基質(zhì),采用真空浸漬的方法配制了活性炭-LiCl復(fù)合吸附劑并研究了該復(fù)合吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu)、平衡吸附性能、吸附動(dòng)力學(xué)和TGA-DSC性能等各方面性能。發(fā)現(xiàn)活性炭-LiCl復(fù)合吸附劑的配制必須采用在真空條件下浸漬的方法�；钚蕴�-LiCl復(fù)合吸附劑ALi40的吸附量明顯高于硅膠-LiCl復(fù)合吸附劑SLi40,說明以活性炭的作為基質(zhì)可以更好的發(fā)揮LiCl本身的吸水性能,因此最終決定選擇活性炭作為LiCl的基質(zhì)。(5)為了強(qiáng)化吸附劑的傳熱能力,加入硫化膨脹石墨配制了固化復(fù)合吸附劑,同時(shí)加入了硅溶膠來強(qiáng)化吸附劑的機(jī)械強(qiáng)度。研究了固化吸附劑的平衡吸附性能、導(dǎo)熱率率、吸附動(dòng)力學(xué)、和滲透率等重要參數(shù)。除了強(qiáng)化傳熱能力,添加膨脹石墨進(jìn)行固化帶來的另一大好處是有效避免了鹽的流出來帶來的危害,顆粒間孔道的毛細(xì)作用力足以使溶液不會(huì)流出基質(zhì)體外,可以容納的鹽溶液體積大為增加。(6)設(shè)計(jì)了一臺(tái)目標(biāo)儲(chǔ)熱量在1 k Wh(3600 k J)左右的小型實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)熱器。在COMSOL軟件中針對吸附反應(yīng)器建立了可以將傳熱和傳質(zhì)耦合求解的二維動(dòng)態(tài)仿真模型,得出了吸附劑的溫度場和吸附量場的分布。對儲(chǔ)熱器的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明在解吸溫度、吸附溫度、冷凝/蒸發(fā)溫度分別為85 oC、40 oC和15 oC的工況下,總放熱量為2517 k J,儲(chǔ)熱效率為93%。吸附熱的貢獻(xiàn)約占57%,即1438 k J。得到的吸附儲(chǔ)熱密度為874 k J/kg吸附劑或2622 k J/kg LiCl。吸附反應(yīng)器流體進(jìn)出口溫度的實(shí)驗(yàn)值和仿真值的對比表明建立的二維動(dòng)態(tài)模型對吸附反應(yīng)器出口溫度變化趨勢的預(yù)測是比較滿意的,在峰值后兩條曲線的溫差保持在0.4 oC左右。本課題的理論分析表明LiCl的儲(chǔ)熱能力超過了1 k Wh/kg,說明包含了固/氣水合反應(yīng)(化學(xué)吸附)、氣/液/固三相液解(結(jié)晶)、液/氣兩相吸收這三個(gè)吸水過程的無機(jī)鹽三相吸附循環(huán)在儲(chǔ)熱領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。為了實(shí)施這一循環(huán),在多孔基質(zhì)的選擇和吸附反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方面做出了許多嘗試,發(fā)現(xiàn)對LiCl而言活性炭與硅膠相比是更好的載體,采用添加膨脹石墨對吸附劑進(jìn)行固化的方法不僅可以增強(qiáng)導(dǎo)熱能力而且能緩解液解問題帶來的危害。在小型儲(chǔ)熱裝置上的實(shí)際吸附放熱效果達(dá)到了仿真值的80%。要使三相吸附儲(chǔ)熱循環(huán)真正走向?qū)嵱?在吸附床的設(shè)計(jì)、吸附劑與換熱器的結(jié)合工藝、吸附劑的穩(wěn)定性等方面仍要繼續(xù)研究。
[Abstract]:In order to improve the heat storage density of inorganic salt - water working substance , it is necessary to study the mechanism of absorption / adsorption process and to build up heat storage cycle . In this paper , the equilibrium adsorption isotherm of three - phase adsorption cycle , which is based on the traditional absorption and adsorption refrigeration system , has been studied , and it is found that it is not suitable to use porous medium as the matrix to absorb the performance of composite adsorbent . ( 4 ) In order to enhance the heat transfer capacity of the adsorbent , the adsorption capacity of the activated carbon - lithium compound adsorbent ALi40 was significantly higher than that of the silica gel - LiLi composite adsorbent SLi40 . A two - dimensional dynamic simulation model with heat transfer and mass transfer coupling has been established in COMSOL software . The results show that the adsorption heat is 2517 kJ / kg , and the thermal efficiency is 93 % .

【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB34

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1 姚淑華;劉丹;石中亮;;粉煤灰/水合氧化鐵復(fù)合吸附劑去除水中磷(Ⅴ)[J];遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年01期

2 牟肇，

本文編號(hào)：1387521