吸附式制冷单管吸附床传热传质的数值模拟及分析

    近年来,由于世界环境的急剧恶化和能源危机的影响,吸附式制冷技术以其在低品位热能利用方面的显著成效,得到了迅速发展。固体吸附式制冷系统利用固体吸附质对吸附剂的吸附原理进行工作,与传统的压缩式制冷循环存在很大差别,典型的吸附式制冷循环如图1所示。循环可分为等量吸热(a→b)、等压解吸(b→c)、等量放热(c→d)和等压吸附(d→a)4个阶段。

    吸附制冷系统结构如图2所示,它由吸收/发生器、冷凝器、蒸发器和阀门组成。与压缩式制冷系统相比,吸附式制冷系统采用吸收/发生器代替了压缩机,因此具有无噪音、无污染、系统内无运动件等优点,这为其在汽车空调、渔船冷藏等领域的广泛应用提供了条件。但是目前吸附式制冷系统尚处在实验研究阶段,还存在吸附/发生器体积比较庞大、吸附制冷循环的热效率较低等问题,因此研究高性能的吸附制冷工质及其吸附床结构是吸附式制冷领域的1个重要课题[1-3]。

    本文研究发动机余热驱动的吸附式制冷系统,制冷工质为氯化钙-氨,根据所提出的吸附床结构设计,考虑到吸附剂内非平衡吸附的特点,建立了传热传质模型,通过对模型数值模拟,分析了解吸/吸附过程中的传热传质过程,并讨论了有效导热系数、接触热阻等参数对制冷特性的影响,为吸附床的优化设计提供了依据。

    1　数学模型

    本文采用的吸附床为双套管式结构,由外管、孔道和隔板构成。外管为φ25×2金属管,中间用不锈钢筛网围成φ5孔道,供氨气出入。加热烟气和冷却流体都在管外横掠管束进行加热和冷却,外管与内管之间填充粒径0.1～0.2mm的经过处理的氯化钙颗粒,可强化传热及保持吸附床均匀。颗粒层内每间隔一定距离嵌入一铝质隔板(如图3)。

    为了简化计算,对吸附床作如下假设:

    (1)本文所采用的氯化钙颗粒较小,为简化研究,将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,忽略由于氨蒸汽在颗粒间的流动所引起的传热;

    (3)外管及吸附床层的导热视为沿径向一维;

    (4)金属壁面较薄,忽略其传热热阻,认为其温度处处相等,用集总参数法处理;

    (5)在冷凝及蒸发过程中,吸附器和蒸发器内压力变化很小,将其看作等压变化;

    (6)传质过程受颗粒内扩散控制,符合Knudson扩散。

    文献[4-6]对吸附床内的建模作了一定的探讨,针对本文提出的单管吸附床物理模型,吸附床的径向与轴向之比为r/l《1。根据上述假设,吸附床内导热过程的能量守恒方程可表示为为具有内热源的一维非稳态微分方程式: