肋板式吸附床传热性能的数值模拟

　　1 引 言

　　固体吸附式制冷可有效利用低品位能源,而且不采用氯氟烃类制冷剂,无CFCs问题,也无温室效应作用,是一种环境友好型制冷方式。吸附床是固体吸附式制冷系统的核心部件,是吸附剂发生吸/脱附的载体,其传热传质性能直接决定了整个制冷循环系统的优劣[1]。吸附床由吸附剂(如活性炭、沸石分子筛等)填充在一定形状的金属壳体内构成,由于多孔材料的存在,床体与吸附剂颗粒之间存在较大的热阻,因而存在传热速率慢,传热不均匀的缺点。目前的研究主要是针对强化传热或新型吸附床的设计进行的。

　　吸附床的结构改善主要通过采用肋片等结构形式增加吸附床与吸附剂间的接触面积来强化吸附床的传热传质特性,提高系统的性能系数。目前使用较多的吸附床结构是翅片管式[2],此外还有板式、板翅式[3-5]、螺旋板式[6]等。在分析并综合已有吸附床结构优缺点的基础上,提出并设计了一种新型肋板式结构吸附床。

　　本研究建立了以活性炭-氨为工质对的肋板式吸附床传热传质模型,拟应用计算流体动力学(CFD)研究肋板式吸附床传热传质特性,通过数值模拟分析吸附床内吸附剂和传热流体的互相作用机理及温度场变化规律,为肋板吸附床的优化设计提供理论依据。

　　2 肋板式吸附床数学模型

　　2.1 肋板式吸附床几何模型

　　图1为肋板式吸附床结构,由隔板、肋片、封条和盖板等组成。传热流体通过肋片和隔板对工质对进行加热和冷却。在传热流体侧和吸附剂侧都设有薄型肋片,以增加传热面积。吸附剂侧的肋片将吸附剂分隔成许多小单元,四周为板壁和肋片,有效地强化了吸附剂侧的传热。吸附床中的肋片选用打孔的肋片,首先,传热流体侧流体的流动破坏了流动边界层和热边界层,起到了强化传热的作用;其次,吸附质通过肋片上的小孔,向两侧扩散,促进了整个吸附床内的传质。所选用的打孔肋片具体参数如表1所示。

　　2.2 吸附床传热与流动控制方程

　　对于吸附式制冷循环,其性能指标除了COP以外,还有单位质量吸附剂的制冷功率SCP。提高SCP最有效的途径是增强换热效果,减小循环时间。流体换热、壁面导热、吸附剂导热以及床内传热传质相互影响制约,是典型的耦合问题。分别以传热流体、板壁、吸附床微元为研究对象,建立各自的传热方程[7-8]。

　　2.2.1 肋板式吸附床流体流动方程

　　连续性方程:

　　动量方程:

　　流体能量方程:

　　式中:Tf为传热流体的温度,K;Uf为传热流体的流速,m/s;af流体热扩散系数,m²/s;Af为吸附床流体侧换热面积,m²;cpf为传热流体的比定压热容, kJ/(kg.K);Tb为吸附剂的温度,K;hf为传热流体与板壁面的传热系数,W/(m².K)。