基于活化造孔机制的新型复合吸附剂的烧结机理及其强化传热传质研究

针对复合吸附剂固化时存在着强化传热与强化传质的矛盾，本项目提出一种复合吸附剂制备新方法：把浸渍金属卤化物的碳质前驱物与导热材料混合并固化，以实现导热骨架的构建，再对其活化造孔，达到传热传质耦合强化的目的。通过研究制备因素对吸附剂性能的影响规律，来实现吸附剂制备工艺的优化。针对复合吸附剂中金属卤化物烧结机理不明确的问题，拟借鉴催化剂烧结的研究方法和表征手段，研究吸附剂烧结机理，寻求抑制金属卤化物结块的方法，创新和发展复合吸附剂的强化传质技术。为了明确烧结对复合吸附剂传质性能的影响，拟基于分形传质理论、晶粒小球理论及平行热线实验法，分别发展复合吸附剂非稳态吸附/解吸过程的传质、反应动力学及传热模型，进而构建考虑烧结影响的传热-传质-反应非稳态耦合模型，为解决烧结导致的传质问题指出优化方向。以上研究对加快吸附制冷系统的实用化进程，有效利用余热及太阳能等低品位热能具有重要的科学意义和实用价值。

研发高效吸附剂对于促进吸附制冷、热泵及储能技术走向实用化具有重要意义。本项目首先克服了测温线高压腔体穿出困难，考虑了氨气环境对流换热影响，实现了吸附剂导热和传质动态性能小样品测试；解决了密封材料的氨气相容性、反应初期发热量大不易恒温、铠装测温滞后、吸附剂粉末串灌及反应床死体积大等难题，实现了热电阻测点直接测温、高精度标定各部件体积及气罐体积的大尺寸精细调节，搭建了动态及平衡态吸附测试模块；同时，采用八棱柱结构吸附床设计，实现了单次十五分钟高频循环，设计多层密封结构，实现了长期衰减性的快捷高精度测试；从而完成吸附剂动态传热传质、动态平衡态吸附特性及长期衰减性测试平台研发。针对复合吸附剂强化传热与强化传质存在的矛盾，提出了一种先构建导热骨架，再活化造孔的吸附剂制备新方法，基于正交试验法获得了导热系数5 w/(m•k),渗透率约1E-13㎡，密度可达800kg/m³的样品；所获样品SEM图片表明，碳质前驱物形成丰富的微孔结构，氯化钙均匀而稳定的分布，导热材料与多孔材料紧密镶嵌，传热传质均有明显改善，反应速率明显提高。从制备角度来看，适度结晶有利于提高反应速率，同时实现结晶度可控；从反应角度来看，复合吸附剂衰减与多孔骨架材料的表面势能具有明显相关性；从实际运行角度来看，所获吸附剂具有明显的抗衰减性，多次循环后微观SEM图片未见有结块现象。考虑复合吸附剂的实际微观形貌，在经典缩核模型中引入形状因子和特征尺寸，完成了吸附剂传热-传质-反应非稳态耦合模型的构建，与实测结果相比误差小于5%。建立了压缩机驱动吸附系统模型，探讨了各类运行参数对系统的性能影响，采用迭代动态规划理论，对系统进行了动态优化，获得了最优控制曲线。