吸附床的传热传质强化及设计实例

　　1 引言

　　吸附制冷由于在利用余热、新能源方面的特殊优势并且不产生温室效应和臭氧层损耗问题,近年来广受关注,其商业开发研究的步伐大大加快。有关研究已表明[1],在吸附制冷装置设计中直接影响系统总体性能的关键要素是循环型式、工质对和吸附床结构。一般说来,学者们所提出的各种先进吸附循环和适宜工质对是相对于某种特定的应用场合而言的,在该场合下才有特别的意义和价值[2、3]。本文分析了吸附床传热传质特性,介绍了常用的传热传质强化方法,并在此基础上给出一个采用强化方法的新型吸附床设计方案。

　　2 吸附床传热传质特性

　　吸附床在传热过程中,最主要的热阻来自吸附剂间和吸附剂与金属传热介质管壁、翅片间两种接触热阻。这是由通常采用的颗粒状吸附剂的物理性质决定的,吸附剂之所以成为吸附剂在于其作为多孔介质的丰富发达的微孔结构有利于在一定的条件(在吸附制冷中指吸附床中达到一定温度和压力这个传质所必需的条件)下吸附或释放吸附质蒸气(即吸附床中的传质),而正是这个特点却同时造成吸附剂间和吸附剂与金属传热介质管壁、翅片间不能保持良好接触而形成很大的接触热阻,导致高温热源与吸附床间和吸附床与环境间的换热效率低下。

　　吸附床在传质过程中,最主要的阻力也包括吸附质在吸附剂颗粒之间和在吸附剂颗粒内部两种传质阻力[4],吸附床的传热过程是吸附质克服传质阻力、使吸附床渐渐达到传质(解吸或吸附)条件的过程。这里有两种情形,一种是如果采用高孔隙率吸附剂,吸附床因为接触热阻而换热效率低下,造成达到传质条件的过程进行缓慢,阻碍了吸附制冷系统能量密度的提高、系统性能下降;一种是采用低孔隙率的吸附剂,固然因减少接触热阻而对换热有利,但吸附孔隙率的降低却势必直接增大传质阻力并减小单位吸附量,同样导致系统性能下降。因此吸附床中的传热和传质性能是彼此相关、相互影响和耦合的,在一定意义上甚至可以认为是相互制约、相互矛盾的。

　　在吸附制冷中,吸附床传热传质特性除了传热传质间这种较为特殊的关系外,更奇特的是对吸附床金属框架(指传热介质管道、翅片和围护结构)和床内传热介质的质量大小的要求与对一般换热器的要求不一样。在一般的换热器中,对这两方面质量的限制主要是为了装置的轻巧、美观,如果仅从性能的角度是换热面积越大越好,相对来说即质量越大越好;然而在这里,这两方面质量的加大会引起整个系统的性能的下降,这是因为:

　　(1)对于一般的换热器增加金属框架和换热器内传热介质,以适当增加换热量达到了提高换热效率的目的。然而对于吸附制冷系统,由于吸附解析过程交替进行,如果床的金属框架和床内传热介质的质量过大,则床金属框架和床内传热介质的热容较大,以至于吸附床在解析前床的金属框架接收的热量就比较多,床内传热介质除了传递来自高温热源的热量之外,本身接收的热量也比较大,故耗能增加;而经循环切换此床进入吸附前,由于金属框架和床内传热介质接收的热量较多而向环境释放,使冷却器的负荷增大,同样增加了耗能。由于这两方面耗能的增加,床金属框架和床内传热介质的质量过大导致了吸附制冷系统实际COP显著减小,而且由于加热时得到的热量在冷却时白白地排向环境形成了可用能的浪费,系统热力完善度下降。