固体吸附式制冷系统中吸附床内的传热传质过程分析和强化

    1.引言

    固体吸附式制冷系统与常规压缩式制冷系统不同,它是采用吸附床发生器代替压缩机,以低品位热量代替高品位电源,通过固体吸附剂对吸附质(制冷剂)的周期性吸附和脱附过程实现制冷循环。

    为增强吸附床的吸附性能,吸附剂通常选用比表面积较大的多孔物质(如活性炭、沸石分子筛、CaCl2等),其热导性能差,如沸石原粉的有效导热系数在0.001～0.1W/ (mK)之间, CaCl2的导热系数在0.1～0.2W/ (mK)之间,接近隔热材料的导热系数。吸附床层的传热传质速率是吸附和脱附周期的主要限制因素,由于吸附剂的热导性能较差,造成系统单位体积或单位重量吸附剂的制冷量较小。对于一定的制冷量而言,其成本超过了相应的蒸汽压缩式制冷系统,为了提高固体吸附式制冷系统的性能系数(COP),增加系统的单位制冷量,其中一个关键的问题是如何强化吸附床内的传热传质过程,即要求吸附床在系统循环的加热解吸阶段能尽快地将外界的热量传递给吸附床内的吸附剂,使制冷剂脱附,而在冷却吸附阶段应使吸附床尽快将热量释放出去,使吸附剂吸附制冷剂而蒸发制冷。

    2　吸附床内的传热传质分析

    2.1　固体吸附剂的传热传质特性

    固体吸附剂为多孔结构,即颗粒内部是由许许多多形状不规则互相连通的孔道所组成,形成一几何形状复杂的网络结构,正是由于这种网络结构的存在,使吸附剂颗粒内部存在着巨大的表面,吸附/脱附过程便是在这些表面上发生的。通常以单位质量吸附剂颗粒所具有的表面积即比表面来衡量吸附剂表面的大小。如活性炭的比表面积在600～2000m²/g之间,硅胶的比表面积在100～1000 m²/g之间。

    在吸附或脱附过程中,吸附质与吸附剂颗粒外表面间的传质与传热速率可分别表示如下:

    其中传质系数kG和传热系数hS反映了传递(传质或传热)过程阻力的大小,实质上也就是围绕吸附剂颗粒外表面上层流边界层的厚薄。温度差和浓度差产生于层流边界层的两侧。

    传质j因子jD和传热j因子jH分别为[1]:

    式中Sc和Pr分别为斯密特数和普兰德数

    由(1)～(4)式可得:

    就大部分气体而言Pr/Sc≈1[1],对于固定床jD和jH近似相等。于是式(5)可简化为:

    由此可见,吸附剂外表面与吸附质主体的温度差△T=Ts-TG和浓度差△C=CAG-CAs成线性关系(假定吸附热△Hr、吸附密度和热容Q、CP并不随温度变化而变化)。对于热效应△Hr很大的吸附/脱附过程,只有△T比较大时,△C才比较显著,而对于热效应△Hr不是很大的吸附/脱附过程,即使△T不是很大,△C仍然可能相当大[1]。