吸附材料發展現況與製冷應用

 

刊登日期:2015/7/5
  • 字級

吸附式空調(熱泵)不需壓縮機,不使用氟氯碳化物冷媒,以有效利用工業廢熱及再生能源的方式,經由系統設計可達節能減碳的目的,已受國際普遍關注並相繼投入發展。相較於傳統空調製冷技術以蒸汽壓縮製冷方式,吸附製冷技術係利用固體吸附劑對製冷劑氣體的可逆吸附作用,藉由製冷流體在冷凝器及蒸發器之間的相變潛熱來製冷,可充分利用太陽能及工業廢熱進行區域冷熱電整合的三生系統策略,達成節能減碳的目的。

吸附製冷市場現況
吸附製冷系統技術與商業化產品是1986年始於日本的Nishiyodo Kuchou製造所,吸附製冷技術的發展可以分成三階段:1980~1990年間屬先期研究及雛形機的建立。

吸附製冷機組的市場主要可分為三類,分別為大型70 kW以上的製冷機組、低於20 kW的小型製冷機組及工程服務銷售公司。

吸附製冷吸附劑材料種類
良好的吸附劑材料需具備高比表面積、材料高熱傳導係數及在很小的溫度變化範圍內具有很大的吸附量變化、材料穩定性及低成本。以下針對目前幾種常應用於吸附劑的材料進行介紹。
2. 矽膠
矽膠(Silica Gel)吸附熱可達2,500~2,800 kJ/kg,且使用較低熱源溫度(50~100˚C),依孔隙尺寸大小分為2 nm的矽膠(Silica Gel RD)及15~20 nm低密度的矽膠(Silica Gel LD),另有新型的超微孔矽膠(Supermicroporous Silica; SMPS)及二氧化矽氣凝膠(Silica Aerogel),超微孔矽膠具有孔徑均一及高比表面積特性,因此可在低分壓力比(小於0.3)下產生急遽的水蒸汽吸附,最大吸附量可達一般矽膠的2.7倍之多。氣凝膠由於導熱性低(0.014 W/mK),加上其主要來自於凝膠的衍生物,因此熱穩定性不佳,且在長時間使用下結構脆弱,易崩解。

3. 沸石
沸石(Zeolite)具有高吸附熱(3,300~4,200kJ/kg),能吸收較低分壓的水蒸汽,但再生溫度較高,系統使用侷限在較高的熱源系統上。新型沸石的開發以日本三菱樹脂公司(Mitsubishi Plastic)AQSOA的沸石系吸附劑為主,其共有Z01、Z02、Z05三個系列,可針對使用的熱源溫度範圍與製冷能力需求,應用在商業化量產的開放式除濕輪與密閉吸附製冷系統。

6. 多孔材料結合金屬鹽(Selective WaterSorbents; SWS)複合材料
主要使用不同的金屬鹽溶液對中孔洞材料進行改質,由於金屬鹽的作用可明顯提升吸附性能,並進一步增大脫附活化能,金屬離子的極化勢越大,對於水的脫附性能更能有效提升。義大利的研究單位ITAE於介孔矽膠材料上分別以CaCl2、Ca(NO3)2、(LiCl2)進行改質,設計三款吸附材:SWS-1L、SWS-8L及CS-9L,經量測最大吸附量分別為0.7 g/g、0.4 g/g、0.7 g/g,脫附溫度則介於80~110˚C。SWS雖然可以解決物理吸附量偏低的問題,但存在氣體滲透性能較差及熱傳性能有限的問題。


圖五、現有國際間新開發吸附材料吸脫附特性比較圖

工研院南分院以提升材料本質熱傳導進行石墨複合材料吸附劑開發,以溫度25˚C與相對濕度80%RH之條件下進行吸附測試,以80˚C作為脫附溫度,藉由石墨受熱易撓動特性,使水分子能在低溫脫附。初步證實石墨複合材料於25˚C、80%RH的水氣吸附率達58%(尚未飽和),相較於市售吸附劑,如矽膠(孔洞尺寸:6 nm,表面積:~500 m2/g)的飽和吸附量30%,呈現較高吸附性能。於80˚C下進行再生也優於矽膠……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見下方檔案。

作者:李建宏、黃蒨芸 /工研院南分院;康育豪 、鄭名山 /工研院綠能所
本文節錄自「工業材料雜誌343期」,更多資料請見下方附檔


分享
為此篇文章評分

相關廠商