固-气-液吸附剂与相变材料的特性研究及其在储热型空气取水系统中的应用

发布时间：2020-04-03 23:39

【摘要】：淡水供给一直是人类生存面临的严峻难题。吸附式空气取水技术作为吸附式制冷在空气取水方面的拓展应用,最近引起了深入的研究。与传统的空气取水技术相比,吸附式空气取水具有装置体积小、取水效率高、结构简单、节能环保等优点。对吸附式空气取水的研究一般集中在吸附剂和循环系统的研究上。系统要求复合吸附剂的传热传质(水)性能都比较高,但一般吸附剂很难同时满足。另外,要进一步提高吸附剂的平衡吸附量,吸附剂就会发生液解现象,而在传统的吸附式制冷里液解是要极力避免的。吸附床内吸附剂的形状和填充方式、空气流道的设计对系统的性能都会产生很大影响。针对以上问题,本文首先对三相吸附循环进行了理论分析,然后分别采用Li Cl和Li Cl、Ca Cl_2的混合盐作为吸湿性盐,膨胀硫化石墨(ENG-TSA)和活性碳纤维(ACF)毡作为基质制备了复合吸附剂并研究了其导热性能、吸附性能和稳定性等。设计了固-气两相和固-气-液三相储热型吸附式空气取水装置,实验验证了三相吸附循环在空气取水方面的优越性。主要研究内容和结论如下:(1)对吸湿性盐与水蒸气的反应及复杂的相互作用机理进行了描述,尤其从化学势角度对液解过程机理做了全面的分析。指出其既包括了固/气化学吸附过程(水合反应)和固/气/液三相液解过程,又包括气/液吸收过程。吸湿性盐彻底的吸水过程是包括以上全部过程的三相过程,即三相吸附过程。(2)对复合吸附剂的吸湿性盐进行了遴选,指出Li Br、Li Cl、CaCl_2这三种盐的液解相对湿度都小于30%。并从吸附性能和经济性方面对这三种吸湿性盐进行了对比,其中,Li Cl的吸附性能最好,达到1.34 g/g;Ca Cl_2更具有成本优势。对复合吸附剂的基质进行了选择,得出ENG-TSA具有导热系数强、可塑性好等优点,但机械性能较差;ACF的比表面积较大、孔隙均匀、稳定性强,但导热性能相对较弱。所以本文分别制备了以Li Cl和Li Cl、Ca Cl_2的混合盐作为吸湿性盐,ENG-TSA和ACF作为基质的复合吸附剂。(3)对制备的复合吸附剂进行了导热性能、吸附性能和稳定性等的研究。得出复合吸附剂ENG-TSA-Li Cl的轴向和径向导热系数都随着吸附剂密度的增高而增大,样品在25℃下导热系数最大可达到5.67 W/(m·K)。复合吸附剂的吸附性能随着吸附剂密度的增高而降低,在20℃、80%RH下,吸附剂吸水量最大可达到1.54 g/g,但其吸附后机械性能会明显降低。复合单盐吸附剂ACF-Li Cl的轴向和径向导热系数都随着Li Cl溶液浓度的增高而增大。真空浸渍法获得的吸附剂的吸水量比大气浸渍法高。固化吸附剂ASLi40的最大吸水量为1.59 g/g,在90℃下的解吸量为1.22 g/g,并且其机械性能和再生能力都比较强。复合吸附剂ALi Ca30(3:1)在25℃和90%RH下的吸水量为2.98 g/g,从微观结构方面解释了其性能的优越性并对其进行了吸附动力学模型研究,其吸附速率系数比ACF-Ca Cl230的高。对该吸附剂的热能特征进行了测试,其质量能量储存密度为0.41 k Wh/kg,发现吸附剂在三相结晶/液解过程中储存了大量的热能。(4)对储热材料进行了制备和研究,得到复合相变储热材料ENG-TSA-SA的径向导热系数为22.2 W/(m·K),相变温度区间为65.9~77.1℃,相变潜热为153J/g,适用于太阳能等低品位热能。储热器的添加会明显稳定解吸温度和延缓解吸温度下降的趋势。(5)为了验证三相吸附循环在空气取水系统中的优越性,设计了固-气两相和固-气-液三相储热型吸附式空气取水装置。实验测试了四种复合吸附剂在固-气两相空气取水装置上的性能,得出由ACF制备的复合吸附剂性能比以硅胶为基质的要好;ACF-Li Cl的吸附与解吸性能最好,在吸附床出口温度为90℃时,解吸6h的产水量为0.80 kg,但远远低于其设计目标。分析原因得出两相吸附式空气取水装置存在复合吸附剂未达到吸附平衡和再生能力弱、部分水蒸气未冷凝、解吸温度不稳定等局限。针对以上问题,设计了三相储热型吸附式空气取水装置。系统采用了固化复合吸附剂ASLi和开式吸附、闭式解吸的循环方式,添加了储热装置,延长了吸附时间。装置在吸附温度32℃、吸附相对湿度75%、解吸温度92℃左右的工况下实现了62.5 kg的取水量,水质经过滤后达到了饮用水卫生标准,集1kg水需要的供热量为1.96 k W·h。装置验证了三相吸附式在空气取水方面的优越性。
【图文】：

空气取水,技术分类

淡水资源最原始最直接的方法，但受到天气和地域的限制。非传统空气取水方法的分类和原理如表 1-1 所示，以下将分别介绍各方法的特点。图1-1 空气取水技术分类[7]Fig.1-1 Classification of air-to-water technology表 1-1 非传统空气取水方法的分类和原理Table 1-1 Classification and principles of unconventional air-to-water methods方法原理机械压缩法压缩湿空气时，空气露点温度随着压力的增加而增大，水蒸气的分压力随着压力的增加也迅速提高，在两者共同作用下，使湿空气的冷凝温度远高于环境温度，冷凝湿空气从而获得淡水。制冷结露法利用制冷的方式将湿空气的温度降到低于露点温度，使水蒸气结露而获得液态水。吸收法利用物质浓溶液（如氯化钙乙烯乙二醇等）作为吸收剂，吸收空气中的水分变为稀溶液，然后加热稀溶液，吸收的水分被蒸发，最后冷凝获取淡水。吸附法利用固体吸附剂吸附空气中的水分，加热吸附剂使吸附的水分解吸，解吸的水蒸气经过冷凝而获得淡水。聚雾取水法雾是由液化的小水滴悬浮在空气中形成的

构造图,太阳能,水管,构造图

赵惠忠等[65]设计出了一种太阳能吸附式水管，其结构如图1-2所示，管内填充复合吸附剂硅胶-CaCl2，管中有传质通道，管外为外表面涂黑板漆或黑镍涂层的不锈钢管。理论计算出每天流经吸附床的水蒸气最大量为2.13 kg，单只太阳能水管每天可获取水量约0.753 kg，但没有关于此装置的实验报道。此外，太阳能水管接收太阳能的面积太小，提供给吸附剂的解吸热有限；流经吸附剂的水蒸气不一定被吸附，解吸出的水蒸气也不一定完全被冷凝。O辞橇Φ萚66]设计出太阳能吸附式空气取水一体球体装置。球体上半部分为内填充相变材料石蜡的冷凝罩。球体下半部分为透光罩，，吸附剂的解吸热由聚光罩聚集太阳能提供。球体内为吸附床
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;O647.33;TK11

【参考文献】