固体吸附式制冷系统中吸附床传热强化及设计

    1 引 言

    与蒸汽压缩式制冷系统中压缩机一样,吸附床是吸附式制冷系统的核心部件,对吸附式制冷的研究也是以它为中心展开的。与蒸汽压缩式系统不同的是,吸附式系统是以消耗热源作为补偿进行制冷的,没有任何机械运动部件,整个制冷循环过程是一个传热传质过程。影响系统性能的两个重要参数是传热系数(尤其以吸附剂的导热系数及吸附床与吸附器壁的传热系数为主)和传质系数。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,其性能的优劣主要由其传热传质特性决定,即要求吸附床在吸附制冷系统循环的加热解析过程中能尽快地将外界加给系统的热量传递给吸附床的吸附剂,使吸附床能脱附出制冷剂;同时,在冷却吸附过程中应使吸附床尽快将所吸收的能量释放出来,以便使吸附剂吸附制冷剂而产生蒸发制冷效果,所以吸附床性能的改进都与吸附床的传热传质性能密切相关。因此,要提高吸附式制冷系统的性能,就要强化整个制冷系统,尤其是吸附床的传热与传质,它是优化系统的基础。

    2 吸附床的传热传质强化研究

    2.1 吸附床传热过程分析

    在吸附床的吸附脱附过程中,吸附床的传热方式主要有对流传热和传导传热,其传热热阻主要包括以下几种:对流传热热阻、导热热阻。

    根据对流传热的特性,对流传热热阻可以通过增加换热流体的流速来减小;导热热阻包括金属壁的导热热阻和吸附剂本身的导热热阻,金属的导热性能好,导热系数大,而吸附剂的导热系数很小,使其成为吸附床传热的控制因素之一;接触热阻也包括两个部分,分别是金属壁与吸附剂之间的接触热阻以及吸附剂颗粒之间的接触热阻。Guilleminot[1,2]等人的实验研究结果表明,接触热阻使金属壁附近产生较大的温度梯度,故接触热阻是吸附床传热的另一控制因素。因此,改善吸附床的传热特性主要从减少接触热阻和吸附剂导热热阻出发,或者是依靠增大换热面积,来增加系统总的换热量。

    强化吸附床传热的方法可分为三大类:一是对吸附床中吸附剂进行物化处理从而强化床层的传热传质过程;二是从制冷循环的改进来实现强化传热;三是结构法,即采用高效传热结构来强化传热。

    2.2 吸附剂的物化处理

    通过吸附床层内吸附剂的物化处理提高吸附床的传热传质性能主要是在吸附剂中掺加一些具有良好导热性能的无机或有机材料,调整吸附床内吸附剂颗粒的粒度分布情况,或是对吸附剂进行固化、压缩及其他的处理方法。

    2.2.1添加剂法强化传热

采用对吸附剂进行物化处理从而达到强化床层传热方法中,较引人注目的是添加剂法,即在吸附床层中添加导热性能良好的金属颗粒、高热容的惰性材料、功能高分子材料等。