【摘要】：淡水供給一直是人類生存面臨的嚴(yán)峻難題。吸附式空氣取水技術(shù)作為吸附式制冷在空氣取水方面的拓展應(yīng)用,最近引起了深入的研究。與傳統(tǒng)的空氣取水技術(shù)相比,吸附式空氣取水具有裝置體積小、取水效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)吸附式空氣取水的研究一般集中在吸附劑和循環(huán)系統(tǒng)的研究上。系統(tǒng)要求復(fù)合吸附劑的傳熱傳質(zhì)(水)性能都比較高,但一般吸附劑很難同時(shí)滿足。另外,要進(jìn)一步提高吸附劑的平衡吸附量,吸附劑就會(huì)發(fā)生液解現(xiàn)象,而在傳統(tǒng)的吸附式制冷里液解是要極力避免的。吸附床內(nèi)吸附劑的形狀和填充方式、空氣流道的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能都會(huì)產(chǎn)生很大影響。針對(duì)以上問(wèn)題,本文首先對(duì)三相吸附循環(huán)進(jìn)行了理論分析,然后分別采用Li Cl和Li Cl、Ca Cl_2的混合鹽作為吸濕性鹽,膨脹硫化石墨(ENG-TSA)和活性碳纖維(ACF)氈作為基質(zhì)制備了復(fù)合吸附劑并研究了其導(dǎo)熱性能、吸附性能和穩(wěn)定性等。設(shè)計(jì)了固-氣兩相和固-氣-液三相儲(chǔ)熱型吸附式空氣取水裝置,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三相吸附循環(huán)在空氣取水方面的優(yōu)越性。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)對(duì)吸濕性鹽與水蒸氣的反應(yīng)及復(fù)雜的相互作用機(jī)理進(jìn)行了描述,尤其從化學(xué)勢(shì)角度對(duì)液解過(guò)程機(jī)理做了全面的分析。指出其既包括了固/氣化學(xué)吸附過(guò)程(水合反應(yīng))和固/氣/液三相液解過(guò)程,又包括氣/液吸收過(guò)程。吸濕性鹽徹底的吸水過(guò)程是包括以上全部過(guò)程的三相過(guò)程,即三相吸附過(guò)程。(2)對(duì)復(fù)合吸附劑的吸濕性鹽進(jìn)行了遴選,指出Li Br、Li Cl、CaCl_2這三種鹽的液解相對(duì)濕度都小于30%。并從吸附性能和經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)這三種吸濕性鹽進(jìn)行了對(duì)比,其中,Li Cl的吸附性能最好,達(dá)到1.34 g/g;Ca Cl_2更具有成本優(yōu)勢(shì)。對(duì)復(fù)合吸附劑的基質(zhì)進(jìn)行了選擇,得出ENG-TSA具有導(dǎo)熱系數(shù)強(qiáng)、可塑性好等優(yōu)點(diǎn),但機(jī)械性能較差;ACF的比表面積較大、孔隙均勻、穩(wěn)定性強(qiáng),但導(dǎo)熱性能相對(duì)較弱。所以本文分別制備了以Li Cl和Li Cl、Ca Cl_2的混合鹽作為吸濕性鹽,ENG-TSA和ACF作為基質(zhì)的復(fù)合吸附劑。(3)對(duì)制備的復(fù)合吸附劑進(jìn)行了導(dǎo)熱性能、吸附性能和穩(wěn)定性等的研究。得出復(fù)合吸附劑ENG-TSA-Li Cl的軸向和徑向?qū)嵯禂?shù)都隨著吸附劑密度的增高而增大,樣品在25℃下導(dǎo)熱系數(shù)最大可達(dá)到5.67 W/(m·K)。復(fù)合吸附劑的吸附性能隨著吸附劑密度的增高而降低,在20℃、80%RH下,吸附劑吸水量最大可達(dá)到1.54 g/g,但其吸附后機(jī)械性能會(huì)明顯降低。復(fù)合單鹽吸附劑ACF-Li Cl的軸向和徑向?qū)嵯禂?shù)都隨著Li Cl溶液濃度的增高而增大。真空浸漬法獲得的吸附劑的吸水量比大氣浸漬法高。固化吸附劑ASLi40的最大吸水量為1.59 g/g,在90℃下的解吸量為1.22 g/g,并且其機(jī)械性能和再生能力都比較強(qiáng)。復(fù)合吸附劑ALi Ca30(3:1)在25℃和90%RH下的吸水量為2.98 g/g,從微觀結(jié)構(gòu)方面解釋了其性能的優(yōu)越性并對(duì)其進(jìn)行了吸附動(dòng)力學(xué)模型研究,其吸附速率系數(shù)比ACF-Ca Cl230的高。對(duì)該吸附劑的熱能特征進(jìn)行了測(cè)試,其質(zhì)量能量?jī)?chǔ)存密度為0.41 k Wh/kg,發(fā)現(xiàn)吸附劑在三相結(jié)晶/液解過(guò)程中儲(chǔ)存了大量的熱能。(4)對(duì)儲(chǔ)熱材料進(jìn)行了制備和研究,得到復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料ENG-TSA-SA的徑向?qū)嵯禂?shù)為22.2 W/(m·K),相變溫度區(qū)間為65.9~77.1℃,相變潛熱為153J/g,適用于太陽(yáng)能等低品位熱能。儲(chǔ)熱器的添加會(huì)明顯穩(wěn)定解吸溫度和延緩解吸溫度下降的趨勢(shì)。(5)為了驗(yàn)證三相吸附循環(huán)在空氣取水系統(tǒng)中的優(yōu)越性,設(shè)計(jì)了固-氣兩相和固-氣-液三相儲(chǔ)熱型吸附式空氣取水裝置。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了四種復(fù)合吸附劑在固-氣兩相空氣取水裝置上的性能,得出由ACF制備的復(fù)合吸附劑性能比以硅膠為基質(zhì)的要好;ACF-Li Cl的吸附與解吸性能最好,在吸附床出口溫度為90℃時(shí),解吸6h的產(chǎn)水量為0.80 kg,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)目標(biāo)。分析原因得出兩相吸附式空氣取水裝置存在復(fù)合吸附劑未達(dá)到吸附平衡和再生能力弱、部分水蒸氣未冷凝、解吸溫度不穩(wěn)定等局限。針對(duì)以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)了三相儲(chǔ)熱型吸附式空氣取水裝置。系統(tǒng)采用了固化復(fù)合吸附劑ASLi和開(kāi)式吸附、閉式解吸的循環(huán)方式,添加了儲(chǔ)熱裝置,延長(zhǎng)了吸附時(shí)間。裝置在吸附溫度32℃、吸附相對(duì)濕度75%、解吸溫度92℃左右的工況下實(shí)現(xiàn)了62.5 kg的取水量,水質(zhì)經(jīng)過(guò)濾后達(dá)到了飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),集1kg水需要的供熱量為1.96 k W·h。裝置驗(yàn)證了三相吸附式在空氣取水方面的優(yōu)越性。
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淡水資源最原始最直接的方法，但受到天氣和地域的限制。非傳統(tǒng)空氣取水方法的分類和原理如表 1-1 所示，以下將分別介紹各方法的特點(diǎn)。圖1-1 空氣取水技術(shù)分類[7]Fig.1-1 Classification of air-to-water technology表 1-1 非傳統(tǒng)空氣取水方法的分類和原理Table 1-1 Classification and principles of unconventional air-to-water methods方法 原理機(jī)械壓縮法壓縮濕空氣時(shí)，空氣露點(diǎn)溫度隨著壓力的增加而增大，水蒸氣的分壓力隨著壓力的增加也迅速提高，在兩者共同作用下，使?jié)窨諝獾睦淠郎囟冗h(yuǎn)高于環(huán)境溫度，冷凝濕空氣從而獲得淡水。制冷結(jié)露法利用制冷的方式將濕空氣的溫度降到低于露點(diǎn)溫度，使水蒸氣結(jié)露而獲得液態(tài)水。吸收法利用物質(zhì)濃溶液（如氯化鈣 乙烯乙二醇等）作為吸收劑，吸收空氣中的水分變?yōu)橄∪芤�，然后加熱稀溶液，吸收的水分被蒸發(fā)，最后冷凝獲取淡水。吸附法利用固體吸附劑吸附空氣中的水分，加熱吸附劑使吸附的水分解吸，解吸的水蒸氣經(jīng)過(guò)冷凝而獲得淡水。聚霧取水法霧是由液化的小水滴懸浮在空氣中形成的

趙惠忠等[65]設(shè)計(jì)出了一種太陽(yáng)能吸附式水管，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，管內(nèi)填充復(fù)合吸附劑硅膠-CaCl2，管中有傳質(zhì)通道，管外為外表面涂黑板漆或黑鎳涂層的不銹鋼管。理論計(jì)算出每天流經(jīng)吸附床的水蒸氣最大量為2.13 kg，單只太陽(yáng)能水管每天可獲取水量約0.753 kg，但沒(méi)有關(guān)于此裝置的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。此外，太陽(yáng)能水管接收太陽(yáng)能的面積太小，提供給吸附劑的解吸熱有限；流經(jīng)吸附劑的水蒸氣不一定被吸附，解吸出的水蒸氣也不一定完全被冷凝。O辭橇Φ萚66]設(shè)計(jì)出太陽(yáng)能吸附式空氣取水一體球體裝置。球體上半部分為內(nèi)填充相變材料石蠟的冷凝罩。球體下半部分為透光罩，，吸附劑的解吸熱由聚光罩聚集太陽(yáng)能提供。球體內(nèi)為吸附床
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34;O647.33;TK11

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 趙惠忠;李瑩瑩;魏存;張津;;吸附式太陽(yáng)能水管空氣取水的特性研究[J];可再生能源;2014年03期

2 李文俊;;仿生技術(shù)讓空氣取水效率大為提高[J];膜科學(xué)與技術(shù);2013年06期

3 周建偉;程玉良;王儲(chǔ)備;y嚵亮

本文編號(hào)：2613851