复合吸附式制冷的动态模拟及传热传质分析

    固体吸附式制冷机/热泵的工作过程是一个热质耦合的非稳态过程,其主要缺点是反应床的传热传质性能差,从而导致系统COP和循环吸附量低,结构尺寸 大.因此,目前固体吸附制冷研究的方向之一是从单纯的物理吸附[1]、化学吸附转向以物理吸附剂为骨架的复合吸附[2],希望能从整体上提高系统的传热传 质性能[3]和循环吸附量.对于以SrCl2-NH3为代表的工质对的实验研究已有报道,但对其SrCl2的复合吸附剂的研究鲜见报道.本文在已有实验基 础上,建立起数学模型,对吸附床中的传热传质以及化学反应动力学对整体性能的影响进行理论分析与研究.

    1　模型的建立

    吸附制冷系统进行数值模拟的关键在于对吸附床的模拟.收缩核模型方法考虑传热传质的影响和局部反应速率时,独立于具体的工质对,比其他模型更详细.以同心 光管作为吸附床[4,5],内管作为吸附质氨的传质通道,它的一端封闭,另一端同冷凝/蒸发器连接,内管和外管之间为吸附剂;在外管之外则为加热或冷却用 流体(采用烟气加热,空气冷却).

    1.1　基本假设

    为了简化问题的复杂性并能与实验所得数据[5]对比,假设模拟吸附床与实验台具有相似的传热传质条件,并且反应的外传质速度远远高于传热,故忽略反应的外 传质过程;反应器中的吸附剂反应物各向同性;吸附床内的吸附剂气体处于气滞状态;忽略蒸发器/冷凝器与传质通道之间的压差;吸附床内的各个计算微元可以达 到反应平衡;传递现象发生在轴向和径向;只考虑多孔吸附剂中各个孔隙之间的对流传热,并采用有效导热系数来计算,如图1所示.

    1.2　吸附模型

    根据上面的假设,可以分别对物理吸附和化学吸附建立吸附床的数学模型,复合吸附则为两者的加权组合.

    复合吸附剂的吸附量

    式中:wph和wch分别为物理吸附剂和化学吸附剂在整个吸附剂中所占的质量分数;xph为物理吸附量,

    T为吸附剂的温度,Ts为对应于吸附、解吸压力下氨的饱和温度,x0为Ts下的极限平衡吸附量,k和n均为常数,通过实验测定,x0、k和n的值都取自文献[6];x·ch为化学吸附、解吸速率,采用化学吸附的反应动力学模型[7]

    pc为对应于吸附、解吸的压力,peq为吸附剂的平衡压力,K1、K2为反应的动力学系数,n1、n2为反应的级数.化学吸附时由于存在吸附平台,取吸附温度区间为T<318.15 K,而解吸时的温度区间为T>363.15 K.

    复合吸附剂吸附热流: