沸石分子筛/泡沫铝平衡吸附制冷性能理论分析

　　0 引言

　　吸附式制冷具有结构简单、无运动部件、噪声低、寿命长等特点,并能有效利用低品位热能(如工业余热、发动机尾气、太阳能等),且不采用氟利昂类制冷剂,对环境友好,因而日益受到重视^[1].但目前其整体运行性能与传统的蒸气压缩式制冷方式相比还很低,限制了其推广应用.装有吸附剂的吸附床是吸附式制冷系统的核心,其换热性能对系统的运行性能影响较大,这是因为吸附床换热系数直接影响吸附床的升温与降温速率,对于同样的热源和冷源温度,如果吸附床的换热性能好则吸附床的吸附容差大,制冷功率就大.因此吸附床的强化传热是吸附式制冷研究的重要内容之一.

　　沸石分子筛是常用的吸附剂,可以与水、氨组成吸附工质对.但沸石分子筛属多孔介质材料,自身导热系数很低,如沸石颗粒堆积床等效导热系数仅为0.07~0.13W/(m.K)^[2],这就使得吸附床的传热性能差,吸附解吸速度慢,周期长,极大地影响系统性能.目前一般通过添加高导热材料以及压缩固化的方法强化沸石分子筛导热性能^[3~9].但现有的这些主要强化沸石分子筛吸附剂传热方法或提高效果不明显,或加工工艺复杂,或造成传质性能下降.因此寻求一种简单有效且不影响传质性能的强化传热方法十分必要.

　　沸石分子筛/泡沫铝复合吸附材料是一种新型高导热系数的吸附材料^[10],对其初步理论计算显示该材料可有效提高单位质量吸附剂的制冷功率^[11].本文在此基础上进行更系统的制冷性能理论分析.

　　1 计算模型

　　吸附床为一个圆筒型固体吸附制冷反应器,如图1所示.所使用的工质对为分子筛/泡沫铝-水.分子筛为13X型.加热冷却流体由管内流入,对筒内分子筛/泡沫铝进行加热与冷却.圆筒内壁为内径40mm、壁厚1mm的铜管.外壁绝热.

　　为了计算方便,可以对模型实行如下的简化:

　　(I)管内的传热传质为沿径向的一维问题;

　　(II)吸附脱附过程为平衡过程;

　　(III)忽略吸附床与蒸发器以及冷凝器间的压力差;

　　(IV)忽略吸附剂与传热管之间的接触热阻.

　　2 控制方程

　　反应器内的一维圆柱坐标能量方程为

　　式(1)在划分网格后,对于铜换热管部分,Qbed,cpbed为铜的密度和比热容,Keff为铜的导热系数KCu,无吸附热;对于吸附剂部分,Qbed,cpbed为分子筛泡沫铝的密度和比热容,Keff为分子筛泡沫铝的导热系数Ka;二者交界面处导热系数取铜和分子筛泡沫铝导热系数的调和平均值^[12],即

　　分子筛-水吸附热由下式计算^[13]: