烟气余热吸附式制冷单管的传热传质模型

    1 引言

    吸附式制冷技术可利用发动机排气、太阳能等低品位热能作为驱动热源,同时吸附式制冷系统具有无噪声、无污染、系统内无运动件、抗振性能好等优点,在渔船保鲜、汽车空调、太阳能利用等领域具有很好的应用前景。

    目前对固体吸附式制冷的研究还局限在理论实验研究阶段[1,2],对吸附床内传热传质过程的建模多采用均匀压力场模型[3]。已有文献介绍了对传热阻力与传质阻力的综合考虑以及在考虑内部传质阻力的基础上建立的双套管式吸附床的三维非均匀温度场压力场模型[4]。

    本文针对已完成的柴油机排气余热固体吸附式制冷机样机,以氯化钙-氨为制冷工质对,考虑了吸附/脱附过程中非平衡吸附的特点[5],建立了吸附式制冷系统吸附床传热传质的耦合数学模型,对解吸/吸附过程中的传热传质过程进行了分析。采用有限差分法对模型进行了数值模拟计算,并与实验结果进行了比较,为吸附床的优化设计提供了依据。

    2 数学模型

    本文采用的吸附床为双套管式,如图1所示,它的外管采用碳钢管,内管是由不锈钢筛网围成的管芯,作为氨气出入的孔道,加热烟气在管外横掠管束进行加热,冷却水在外管表面上降膜进行冷却。外管与内管之间填充粒径0.1~0.2mm的经过活化处理的氯化钙颗粒,为强化传热及保持吸附床均匀,颗粒层内每间隔100mm嵌入一铝质隔板。

    为了简化计算,作如下假设:

    (1)吸附床作为均匀的多孔连续介质,填充密度均匀;

    (2)吸附相中液相的物理性质与液体相同,气相看作理想气体,符合理想气体状态方程;

    (3)外管及吸附床导热视为沿径向一维,忽略沿轴向的导热;

    (4)在解吸、吸附过程中,冷凝器和蒸发器中压力恒定;

    (5)金属壁面较薄,导热系数较大,故认为其温度处处相等,用集总参数法处理;

    2.1 吸附床能量方程

    由于吸附床的径向与轴向之比r/l<<1,吸附床内的过程可视为具有内热源、一维非稳态导热过程,其能量方程:

    式中λ—当量导热系数,包括吸附剂颗粒间的导热、气体导热、气相的对流及辐射换热等,为简化计算取λ为常数

    ε—吸附床的孔隙率

    cp,s—氯化钙比热容

    cp,l—液氨比热容

    cp,v—气态氨的比热容

    ρs—氯化钙的密度

    ρv—氨蒸汽的密度

    q—内热源项

    X—吸附剂对吸附质的吸附量内热源按下式计算:

    吸附质在吸附剂上吸附/脱附时,伴随着液相吸附质与气相吸附质之间的相变过程,按照Clau-sius-clapeyron方程,吸附热可由下式求得: