吸附制冷工质对的有效扩散系数测定及其分析

    0 引 言

    20世纪80年代以来,因世界性的能源危机的影响,能够充分利用太阳能和低品位热能的吸附式制冷系统得到了较快的发展[1-4]。其中以沸石-水为工质对的制冷系统,因其无公害性而日益受到了人们的关注[5-9]。

    目前制约吸附式制冷系统迈向实用化的一个重要因素,就是系统的单位质量吸附剂制冷率比较小。如果仅仅通过增加吸附剂量来提高系统的制冷率,则会使吸/脱附器的体积过于庞大;如果过分缩短吸/脱附周期,则系统的切换热损失会增加很多,从而导致系统COP值的降低。吸附式制冷系统的制冷速率直接取决于吸附剂的传质速率,而影响吸附剂传质速率的因素很多而又极为复杂。所以,很有必要深入研究吸附对的非平衡吸附性能,充分了解制冷工质在吸附剂中的扩散机理,寻找提高传质速率的有效办法。目前已有不少文献对吸附式制冷系统中吸/脱附器的传热传质性能,进行了理论探讨和实验研究[10-12],但有关吸附剂传质性能的重要基础数据—扩散系数却鲜有报导。故我们对沸石-水体系中较有前途的13X-H2O工质对,进行了有效扩散系数的实验测定,并进行了扩散机理的初步分析。

    1 理论模型

    水在13X中的传质以气态水分子在分子筛内部细孔中扩散为控制环节,而气态水分子穿过分子筛外表面的两相界膜及其在分子筛内表面上吸附和凝结的速率则是很快的,可以忽略它们对水分子传质的影响。

    在13X-H2O的一般正常制冷工况的范围内,水扩散的纽森数kn6000,远大于10。同时,又由于13X内部大部分细孔的直径和水分子的直径在同一数量级。所以,可以初步判定,颗粒内扩散是纽森扩散和表面扩散并存。由于到目前为止,对表面扩散机理的了解还很少。所以,很难从理论上准确求得有效扩散系数,通常只能由实验来测定。影响水分子颗粒内扩散的主要因素有颗粒的温度t,颗粒外表面的水蒸汽压力P和颗粒的吸附量N,即有效扩散系数De=f(t,p,N)。下面,我们采用非稳态法来建立模型。

    1.1 假 定

    1)试样为球形颗粒,半径为a。颗粒内多孔结构是均匀的,水的吸附浓度仅沿径向变化,即C=C(R,S)。如图1所示。

    2)扩散开始时,颗粒内吸附浓度分布均匀,即C0=const。颗粒外表面处的压力由P0阶跃为P1,也即吸附浓度由C0阶跃为C1,并在扩散过程中保持不变,即C1=const。

    3)扩散在停滞介质中进行,即分子筛不运动。颗粒内无化学反应发生。

    4)在测定过程中,颗粒内温度分布均匀,有效扩散系数沿径向不变。

    1.2 理论模型

    对球形颗粒内的微元体积建立质量传递微分方程[13]