傳熱傳質(zhì)技術(shù).docx

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1、MOFs-水吸附床二維傳熱傳質(zhì)模型MOFs作為一種新材料，可以應用于吸附式制冷。吸附式制冷作為一種環(huán)保和綠色節(jié)能的技術(shù)在近年來得到了長足的發(fā)展。在低品位能源(如太陽能、廢熱)的利用方面得到了廣泛的應用。吸附式制冷技術(shù)實用化的關(guān)鍵是要提高系統(tǒng)的性能系數(shù)及單位體積、重量的制冷量。為此,需要研究吸附式制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件—吸附床內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程。為了研究加入肋片等因素對傳熱傳質(zhì)效果的影響,本文將建立MOFs-水吸附床的二維傳熱傳質(zhì)模型。1數(shù)學模型為了簡化分析,作出如下假設:吸附床內(nèi)MOFs分子篩為連續(xù)介質(zhì);忽略吸附床軸向?qū)?只視為沿

2、徑向和周向二維傳熱;吸附床壁面溫度處處相等,用集總參數(shù)法考慮;肋片內(nèi)的導熱為沿徑向的一維導熱;吸附劑內(nèi)與顆粒外空間存在壓差,由之引起的傳質(zhì)阻力用吸附動力方程考慮。(1)吸附平衡方程：吸附床的狀態(tài)可由吸附床溫度T,水蒸氣壓力Pv和吸附量W3個參數(shù)決定,在達到熱力學平衡時,滿足如下關(guān)系lnpv=A(Weq)+B(Weq)/T(2)吸附動力方程：根據(jù)文獻,吸附動力方程可表示為dW/dt=kp(Weq-W)(3)吸附床方程：MOFs分子篩吸附床內(nèi)的傳熱過程可視為具有內(nèi)熱源、變物性、二維非穩(wěn)態(tài)導，即1r??rkr?Γ?r+1r??θkr

3、?T?θ+qst=dc?T?t吸附水后沸石的比熱容由下式確定dc=d[c1(T)+c2(T)W]其中:c1(T)=(742.49+1.053T)×10-3c2(T)=4.2065-1.3053×10-3T+1.3791×10-5T2內(nèi)熱源按下面的方法計算qt=qm+qc,qst=qtΔm式中:Δm為單位時間、單位體積的MOFs分子篩所脫附的水量,故Δm=ddWdt，dW/dt為沸石分子篩的脫附速率,其值可由吸附動力方程確定。(4)吸附床壁面方程由假設,對吸附床壁面用集總參數(shù)法,考慮第2類邊界條件,則有dscpse1?T?t=q

4、-[h(T-Tc)+h∞(T-T∞)](5)肋片方程肋片視為沿徑向的一維導熱,將肋片與沸石分子篩的換熱視為內(nèi)熱源,則肋片可看成是具有內(nèi)熱源的一維非穩(wěn)態(tài)導熱,其方程為dscpse1?T?t=kse2?Ts2?r2-2h(Ts2-Tc2)2數(shù)值計算與結(jié)果分析用數(shù)值方法對上述模型進行了求解結(jié)果如圖1～圖5所示。圖一脫附時間隨熱流密度的變化圖二肋片數(shù)量對脫附時間的影響圖三導熱系數(shù)對脫附速率的影響從圖1可以看出,增加肋片后,吸附床的性能比無肋片時大有改善,特別是在較低的熱流密度下,改善性能更為明顯。當熱流密度較大時,由于吸附床較小,其內(nèi)

5、部溫度分布比較均勻,這時加入肋片的效果不明顯。加入肋片數(shù)量對脫附性能的影響,可以從圖2中看出。肋片的加入,使吸附床溫度的徑向分布均勻,從而使其脫附時間降低。當肋片數(shù)量增到一定數(shù)量以后,再增加肋片數(shù)量效果不明顯。從圖4可看出,肋片與吸附床的接觸熱阻對吸附床的性能產(chǎn)生顯著的影響過大時,增加肋片不僅不能改善其性能,反而導致脫附時間明顯增加,相對脫附量上升緩慢。因而,在吸附床的設計中,增加肋片的同時必須改善其與吸附劑的接觸熱阻,否則,其結(jié)果只能與預期目標相反。當接觸熱阻改善到一定程度后,其效果變?yōu)椴幻黠@,這是由于這時吸附床的有效導熱系

6、數(shù)在傳熱過程中占據(jù)主導地位的原故。從圖5中可以看出,金屬肋片的厚度對相對脫附量影響甚小。同時,結(jié)果還表明,肋片的導熱系數(shù)對脫附性能的影響可以忽略不計。這是因為相對吸附床而言,肋片的導熱系數(shù)要大得多,而其比熱容卻很小,其溫度分布比較均勻,因而改變厚度、導熱系數(shù)等參數(shù)對整個吸附床的性能影響不大。圖四接觸熱阻對脫附速率的影響圖五肋片厚度對脫附速率的影響因而,在吸附床的設計時最重要的是考慮肋片數(shù)量和肋片與吸附劑的接觸熱阻的影響,而對肋片參數(shù)的影響可以忽略不計。3結(jié)論建立了吸附床的二維數(shù)學模型,并進行數(shù)值求解。求解結(jié)果表明,增加肋片后,

7、吸附床的傳熱傳質(zhì)性能有了明顯的改進,其脫附時間縮短、相對速度加快。肋片與吸附劑的接觸熱阻是影響肋片效果的關(guān)鍵。接觸熱阻過大不僅不能改善吸附床的性能,反而會嚴重降低吸附床的性能。肋片的厚度、導熱系數(shù)等參數(shù)對整個吸附床的性能影響甚小。因而,在吸附床的設計中,最重要的是考慮肋片數(shù)量和肋片與吸附劑的接觸熱阻的影響,而肋片參數(shù)的影響可以忽略不計。附錄表a分子篩顆粒半徑,mmcp比容,J/(kg·℃)cps吸附床金屬殼體比容,J/(kg·℃)e1吸附床金屬殼體厚度mme2肋片厚度,mmh∞殼體與外界換熱系數(shù),W/(m2·s)k有效導熱系數(shù)

8、,W/(m2·℃)kp傳質(zhì)系數(shù)ks吸附床金屬殼體導熱系數(shù),W/(m·℃)pv水蒸汽分壓力,Paq熱流密度,kJ/kgqc液化熱,kJ/kgqm微分吸附熱,kJ/kgqst吸附熱,kJ/kgri吸附床內(nèi)徑,mmro吸附床外徑,mmRc接觸熱阻,W/(m2·℃)t時間,sT溫度,