非平衡吸附特征的吸附床传热传质特性

　　1 引 言

　　目前对吸附式制冷循环的研究大多是在静态平衡吸附假设下进行的,没有考虑时间因素对循环性能的影响^[1]。实际循环中,吸附量的变化与吸附床温度变化并不同步,即当吸附床温度到达设计温度时,吸附率并未同时达到该温度下的平衡吸附率。根据JYWU提供的实验数据,国产活性炭YKAC吸附甲醇达到吸附平衡的时间在300min左右,而实际上的吸附式制冷循环除了太阳能制冷机外,循环周期都在100min以内,均处于非平衡条件下^[2]。中国国内外已有许多学者对吸附床的传热传质模型进行了大量研究。这些模型主要可分为3大类,分别是均匀温度模型^[3-5]、均匀压力模型^[6-8]以及非均压非均温模型^[9-11]。本研究综合考虑时间因素,对燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷系统吸附床传热传质过程进行研究。

　　2 吸附床换热单元的确定

　　选取丰田汽车公司生产的型号为TOYOTAFCHV的一款燃料电池电动汽车为研究对象,设计制冷量为2.5kW,燃料电池产生的余热以80°C热水的形式释放,选用椰壳活性炭/甲醇工质对作为燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷系统的吸附工质对,吸附式制冷循环方式采用两床连续回质循环^[12]。吸附床采用单元吸附管组合结构型式,管内填充了吸附剂,并设置了传质通道,管外是换热流体。由于吸附床内吸附单元管排列的均匀性,在吸附床边界绝热的前提下,每个吸附单元管的换热情况是基本一致的。在建立数学模型时,可以只取其中的一个吸附单元管及其周围的换热流体作为一个换热单元进行分析(如图1所示),其结果可以推广至整个吸附床。

　　3 吸附床传热传质理论模型

　　在燃料电池汽车余热驱动下(80°C的热源温度),对系统循环过程起决定作用的主要是传热因素,单位时间内制冷剂脱附/吸附量相对比较少,可以忽略制冷剂对流作用对传热传质的影响。而且所设计的吸附床留置足够的传质通道,减小了吸附床内压力场非均匀性对传热、传质性能的影响。因此本文对燃料电池汽车余热驱动吸附式制冷系统中的吸附床传热传质过程的分析将采用均匀压力模型。均匀压力模型将吸附床的压力假定为均匀分布,但在模型中考虑吸附床内部的温度梯度,不考虑吸附床内部传质的影响和吸附床内流体的流动。这种模型比较接近实际,有利于从吸附床的内部结构来分析系统性能及其强化传热措施的采取。均匀压力场模型是目前吸附床传热传质数值模拟中应用最多的建模方法。

　　4 吸附床传热传质数学模型

　　从图1可以看出,每个换热单元的轴向与径向的尺寸相差很大,长径比等于1000/10=100,吸附床在径向的温度梯度与其轴向的温度梯度相比非常小,可以忽略径向的传热传质,因此可用一维模型来分析吸附床的传热过程。沿管长方向将单管的换热单元均匀划分微元段,对每个微元段采用集总参数法计算该段的温度及吸附量变化情况。在建立吸附床微元段传热数学模型之前先作如下假设: