吸附式制冷系统吸附床内非平衡态热力学分析

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    随着全球能源消费量的急剧增加和环境的日益恶化,能源和环境问题成为各国急需解决的头等大事。传统的压缩式制冷系统采用氟里昂作为制冷工质。该物质是造成大气臭氧层破坏的主要原因,因此制冷学界正致力于寻找CFCs的替代物以及新型的制冷循环。固体吸附式制冷系统可充分利用发动机排气、太阳能、电厂余热等低品位热能驱动,既节省了化石燃料的耗费,又满足了环境保护的要求,受到了学术界的广泛重视。

    吸附式制冷系统中吸附床特性的研究才刚起步[1,2],因此开展这方面的研究是非常有意义的。最近几十年,在国内外众多学者的努力下,提出了一些吸附床内热质耦合的数学模型。Fuller等[3]、Ileje等[4]对吸附床内热质耦合过程作了模拟计算,并与实验值较吻合。国内冯毅、谭盈科[5],李明、王如竹[6]等也根据各自具体的物理模型进行了热质耦合的研究。固体吸附式制冷系统吸附床内的吸附/解吸过程是一个复杂的、非平衡态的、不可逆的热力学过程。本文针对所建立的氯化钙-氨固体吸附式制冷系统,从非平衡态热力学角度对吸附床内的传热传质过程进行了分析,建立了热质耦合数学模型,并对该模型进行了数值模拟。

    1　系统循环的工作原理和吸附床的结构

    典型的吸附式制冷循环如图1所示。循环可分为四个阶段,即等量吸热(a→b)、等压解吸(b→c)、等量放热(c→d)和等压吸附(d→a)阶段。本文采用的吸附床为双套管式,如图2所示。它的外管采用碳钢管,内管是由不锈钢隔层围成管芯;作为吸附剂预胀缓冲带,外管与内管之间填充粒径0.1～0.2 mm的经过预处理的氯化钙颗粒,轴向稀疏布置横肋片。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。

    2　吸附床内传热传质的非平衡态热力学分析

    为了简化计算,便于方程求解,根据吸附床实际运行特点作如下假设:

    (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)外管及吸附床层的导热视为沿径向一维,忽略轴向导热;

    (3)传质过程受颗粒内扩散控制,符合Knudson扩散;

    (4)热力系统在局部达到平衡。

    根据以上假设,采用非平衡态热力学对伴随化学反应的传热传质过程的分析方法,建立了吸附床内热质耦合数学模型。

    2.1　质量守恒方程

    根据非平衡态热力学理论,质量守恒方程为

    对于固体吸附式制冷系统,制冷剂看做是不可压缩气体,且只发生单组分的单一化学反应,即i= 1,n= 1,ρ=const。因此,吸附床内的质量守恒方程可表示为