基于改性/复合吸附剂的开式高温吸附热泵的实验研究

摘要

随着全球能源危机的日益加剧，余热利用技术成为工业节能的重要研究方向。吸附热泵系统可以有效回收低品位余热（废水≤80℃，废气≤130℃），生成高品位水蒸气。本文在吸附剂颗粒大小和分布对吸附热泵传热传质性能的影响的研究基础上，提出将阳离子改性沸石和沸石-CaCl2复合吸附剂应用至吸附热泵系统中，以强化蒸汽生成过程和提高系统性能。研究结果如下：
　　（1）选取颗粒平均直径为2.2 mm的小颗粒沸石（填充床空隙率为0.33）和平均直径为3.9 mm的大颗粒沸石（填充床空隙率为0.42），研究颗粒大小和颗粒轴向分布对吸附热泵传热传质性能影响。研究结果表明：小颗粒填充床生成蒸汽的质量比大颗粒填充床提高64.89％，蒸汽最高温度和系统温升提高约37℃。
　　（2）在反应器填充床分两层分别填充相同重量的上述两种不同大小的吸附剂，一种是上部填充小颗粒下部填充大颗粒（简称密集-松散型床），另一种是上部填充大颗粒下部填充小颗粒（简称松散-密集型床），研究颗粒分布对传热传质性能的影响。实验研究表明：密集-松散型床的顶部蒸汽最高温度平均值比松散-密集型床提高37.23%，最高温度持续时间缩短14.25%。密集-松散型床的蒸汽生成速率较松散-密集型床提高16.18%，有利于快速生成蒸汽，在沸石再生过程中，干燥时间比松散-密集型床减少25.03%，更有利于沸石再生。可见，密集-松散型床性能更优。
　　（3）制备 CaCl2改性沸石和沸石-CaCl2复合吸附剂。提出吸湿预处理的手段，避免干燥沸石遇CaCl2溶液发生因局部热应力引起的破裂现象。平衡吸水量、吸附热、XPS元素含量和SEM晶体形貌的测试结果表明：改性沸石的平衡含水量和吸附热相比普通13X沸石略有提升，复合吸附剂的平衡含水量和吸附热提升较为明显，且平衡含水量和吸附热随着浸渍的 CaCl2溶液浓度的提高而升高，当溶液浓度为40%时，复合吸附剂的平衡含水量为0.414，吸附热为1278.79 kJ/kg。改性沸石的元素分析中，Ca元素的质量比为10.72%，Cl元素的质量比为0%，说明已进行溶液中Ca2+置换沸石中Na+的反应，且无分子形式的CaCl2，40%复合吸附剂的元素分析中，Na元素的质量低至0.32%，Ca元素和Cl元素的质量比分别为24.31%和38.27%，说明了复合吸附剂中含有以分子形式存在的CaCl2。扫描电镜分析晶体形貌，进一步验证了改性沸石中无CaCl2分子，复合吸附剂中存在CaCl2分子，说明了复合吸附剂既有13X沸石的物理吸附作用，也有CaCl2的化学吸附作用。
　　（4）将改性沸石和复合吸附剂应用至开式吸附热泵系统中，与13X型沸石作对比。初始条件为：吸附剂温度为120℃，含水量为0.105，进水流量和进水温度分别为2.5 L/h和80℃，干燥气的温度、相对湿度和流量分别为130℃、3%和13~14 m3/h。五组实验分别装填等体积的普通沸石，改性沸石，20%、30%和40%复合吸附剂。实验结果表明：在蒸汽生成阶段，上述四者的蒸汽生成温度相近，约为160~170℃，且填充床温度变化趋势相近。系统温升方面，普通沸石为56.9℃，改性沸石的系统温升略高于普通沸石，40%复合吸附剂的系统温升为58.2℃，未见明显改善。在蒸汽生成质量方面，改性沸石为31.0 g，与普通沸石相近，20%、30%和40%复合吸附剂分别为33.1 g、36.5 g和41.4 g。在吸附剂再生过程中，40%复合吸附剂的干燥时间比普通沸石增加了6.2%，而改性沸石的干燥时间和普通沸石相近。以上结果表明，改性沸石和复合吸附剂不能有效提高蒸汽温度，但复合吸附剂可以提高蒸汽产量。
　　（5）基于实验数据，对系统的制热系数(COPh)和制热效率(SHP)进行计算和分析，结果如下：改性沸石的COPh为0.12，比普通沸石略有提高，40%复合吸附剂的COPh为0.13，比普通沸石提高11.30%。改性吸附剂的SHP为62.82 W/kg，比普通沸石略有提高；30%和40%复合吸附剂的SHP分别为64.71 W/kg和66.33 W/kg，分别提高6.41%和9.06%。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 吸附热泵研究现状

1.3 直接接触式吸附热泵生成蒸汽系统研究现状

1.4 阳离子改性沸石和复合吸附剂研究现状

1.5 研究意义和内容

2 实验原理及实验系统简介

2.1 实验原理

2.2 实验系统及操作步骤

2.3 系统性能评估方法

3 吸附剂大小和分布对系统传热传质性能的影响

3.1 沸石种类的选择

3.2 球形沸石颗粒大小对传热传质性能的影响分析

3.3 颗粒轴向分布对传热传质性能的影响分析

3.4 误差分析

3.5 本章小结

4 改性沸石和复合吸附剂的制备与表征

4.1 制备方法

4.2 测试与表征

4.3 本章小结

5 改性沸石和复合吸附剂吸附热泵的实验结果分析

5.1 实验操作条件

5.2 蒸汽生成过程的温度变化

5.3 吸附剂再生过程的温度变化

5.4 蒸汽温度及系统温升

5.5 蒸汽生成质量

5.6 系统性能评价

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

个人简历、在学习期发表的学术论文及研究成果

致谢