化学吸附式制冷系统传热传质的数值模拟和实验研究
1 引言
吸附制冷因采用无氟利昂的制冷剂,是一种具有环境友好性的制冷技术。它可以直接由太阳能和工业余热等低品位能源驱动,是节能和开发新能源的有效工具,同时,它具有结构简单、无运动部件、无噪声、无振动等优点。因此,吸附制冷成为国内外竞相研究开发的热点。但目前吸附制冷技术存在的制冷效率低、周期长和体积较大等局限性阻碍了其产品化的进程,其症结是吸附制冷系统中吸附床传热传质的效率低,因此,对吸附床传热传质特性的研究是目前该技术的重点研究领域[1]。
吸附床传热传质问题的研究在整个吸附制冷技术的研究中占有重要的地位。一方面,只有对吸附床内的传热传质规律作出合理的分析,才能对吸附床结构进行优化设计,并进而优化系统结构,提高系统的制冷效率;另一方面,在掌握吸附床内的传热传质规律后,才能采用系统热动力学的分析方法,优化系统的运行和控制。
2 吸附床内传热传质特性分析
吸附床内的吸附剂如活性碳、硅胶、氯化钙等一般为多孔介质材料,即内部含有众多孔隙的固体材料。固体材料又称为固体骨架,而固体骨架间的孔隙则为气体和液体吸附质(制冷剂)所占据。
对多孔介质材料的传热传质分析可知[2],吸附床内的传热过程包括:固体骨架间相互接触及与孔隙流体的导热过程;孔隙中流体的对流换热过程;液体蒸发和气体凝结的相变换热过程;固体骨架与气体间的辐射换热过程;对于化学吸附还有吸附和解吸反应所伴随的吸、放热过程。而吸附床内的传质过程包括:流体分子无规则随机运动而引起的分子扩散;由于流体运动而引起的对流传质。正因为吸附床内的传热传质过程极为复杂,所以理论分析只能得到其传热传质规律的定性结论,要获得吸附床内传热传质规律具体的定量结果,必须采用实验测试和数值模拟的研究手段。
要测定多孔介质材料内的有关热工参数(温度、压力、速度等)是极为困难的,因此目前的实验测试方法仍然是以常规的热工测试技术对吸附制冷系统进行整体测试,从而获得吸附床在传热传质方面的宏观特性,这样一来,实验测试方法一方面对不同的吸附床结构和吸附工质对缺乏通用性,所需时间和经费较多;另一方面测试结果仍不足以获得吸附床的动态传热传质特性以至整个系统的实时运行特征。所以,单纯依靠实验测试方法难以达到系统设计和运行优化的目的。
数值模拟的研究方法主要是依据质量、动量和能量守衡定律,建立吸附床内各相介质的流动、传热和传质的数学模型,再通过数值计算的方法求解数学模型,从而获得吸附床内的传热传质特性。该方法能有效弥补实验测试方法的不足,是较好的研究吸附床内传热传质规律的手段。近几年来国内外许多学者采用数值模拟方法对吸附床内的传热传质性能进行了研究,取得了一些成果。但目前的研究方法均较少考虑吸附床内流体介质的流动及其对传热传质的影响,因此,与吸附床内传热传质的实际情况有一定距离,所得研究结果与实验测试结果也有一定的差距。
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