兩種吸附床傳熱熱阻分析及其強化傳熱研究

朱靜

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北　武漢　430070）

兩種吸附床傳熱熱阻分析及其強化傳熱研究

朱靜

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北武漢430070）

對殼管式吸附床和重力式熱管吸附床進行設計，并對比分析2種吸附床的結構，同時對其傳熱熱阻進行計算，2種吸附床傳熱熱阻中最大的為冷熱流體與吸附床外表面的對流傳熱熱阻以及接觸熱阻，而導熱熱阻所占的比例較小。基于計算的結果，還提出了不同吸附床強化傳熱的措施和對策。

殼管式吸附床；重力式熱管吸附床；傳熱熱阻

吸附床在吸附式制冷系統中相當于壓縮式制冷系統的“心臟”——壓縮機的作用，其性能優劣直接影響到吸附制冷系統的制冷能力。目前，國內外對吸附床的研究集中于傳熱性能方面，主要是吸附床結構的優化和新型吸附床的研發。

1　兩種吸附床的結構分析

1.1殼管式吸附床

殼管式吸附床的結構及單元管結構示意圖如圖1和圖2所示，殼管式吸附床與殼管式換熱器相似，外殼內裝有單元管有序排列成的管組。各個單元管之間換熱流體從殼側流過，吸附劑填充在單元管內，單元管中間有一傳質通道，鋁翅片填充在傳質通道和單元管外徑之間，在管子中間均勻填充吸附劑CaCl2和NH3的絡合物，分別以低壓蒸汽和冷卻水為熱源和冷源。殼管式吸附床的結構參數如表1所示［1］。

圖1　殼管式吸附床的結構

圖2　殼管式吸附床單元管結構示意圖

表1　單元管結構參數

表2　重力式熱管吸附床的結構參數

1.2重力式熱管吸附床

重力式熱管吸附床結構圖和單元管結構示意圖見圖3和圖4，中間介質在吸附床的下端吸收煙氣傳遞的熱量后蒸發，蒸汽攜帶汽化潛熱向上流動，經過絕熱段后，在凝結段的氣液界面上冷凝變成液體，冷凝熱通過管殼傳給冷源后依靠重力作用回流工作液體。單元管正中心是熱管，兩邊180°均勻分布2個傳質通道，管內其他空間填充吸附劑，鋁翅片填充在吸附劑填充的空間內。重力式熱管吸附床的結構參數如表2所示［2，3］。

圖3　重力式熱管吸附床結構圖

圖4　重力式熱管吸附床單元管結構示意圖

2　兩種吸附床單元管的傳熱熱阻分析

2.1殼管式吸附床傳熱熱阻分析

單元管是殼管式吸附床中最基本的結構，其換熱效果直接影響到系統的制冷性能。在換熱過程中，單元管的傳熱過程示意圖如圖5所示［4］。

圖5　換熱流體與吸附劑的傳熱過程示意圖

①對流換熱熱阻。對流換熱系數為：

傳熱熱阻為：

式（1）（2）中，Nu為努塞爾數；λ為煙氣的導熱系數，W/ （m·K）；dp為當量直徑，mm；A0為單元管的外表面積，mm2。

本文中，采用冷卻水對吸附床進行冷卻，冷卻水的對流換熱系數計算與加熱過程相同［5，6］。

②單元管的導熱熱阻。單元管的材料選擇為不銹鋼S304，導熱熱阻為：

③鋁翅片與吸附劑之間的傳熱熱阻。鋁翅片與吸附劑換熱系數hi的確定采用已有研究［10］中的計算方法，可得鋁翅片與吸附劑的導熱系數hi=73.94W/（m2·K）［7］。

添加鋁翅片與未加是的面積比為：

鋁翅片與吸附劑的傳熱熱阻為：

④吸附劑的導熱熱阻為：

吸附床在加熱過程中，從熱源低壓蒸汽到單元管內吸附劑的各部分傳熱情況如表3所示。吸附床在冷卻過程中，從冷源水到單元管內吸附劑的各部分傳熱情況如表4所示。

表3　吸附床加熱過程中單元管各部分的換熱

表4　吸附床冷卻過程中單元管各部分的換熱

由此可以得出，在殼管式吸附床中，外壁面的對流換熱以及內壁面與吸附劑接觸處的傳熱熱阻是最大的，因此，吸附劑解吸或吸附過程中影響傳熱最重要的因素就是吸附床的內外壁面的對流換熱［8］。

2.2重力式熱管吸附床傳熱熱阻分析

重力式熱管吸附床的解吸和吸附過程將熱、冷量傳給熱管，高效熱管將熱、冷量迅速由蒸發段傳向冷凝段，在冷凝段將熱、冷量釋放出來傳給吸附床，所以傳熱單元管總的換熱熱阻為：R=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7。

①冷凝相變熱阻R1：

式（7）中，Rv為工作介質的氣體常數，J/（kg·K）；l2為熱管冷凝段的長度，m；Tv為工作介質的蒸汽溫度，K；Pv為工作介質的蒸汽壓力，Pa；hfg為工作介質的汽化潛熱，J/ kg；φ為熱管直徑，m。

②熱管壁面導熱可看成是單層圓筒壁導熱，其熱阻為R2：

式（8）中，λ2為熱管管壁解吸溫度下的導熱系數，W/ （m·K）；吸附劑在125℃時開始解吸，熱管蒸汽的溫度約為150℃，導熱系數按36.4W/（m·K）計算；φ′為熱管的內徑，m。

③翅片與吸附劑之間的換熱熱阻R3。鋁翅片與吸附劑的傳熱熱阻為：

④吸附劑的導熱熱阻R4。吸附劑平鋪在翅片上，1g分子純CaCl2粉末能吸附8g分子氨氣，在正常解吸溫度下（150℃以下）解吸出6g分子氨氣，有2g分子氨不能解析，重新進入吸附狀態時，最多能吸附6g分子氨氣［9］。

所以，在解吸和吸附的過程中，氯化鈣都是以其絡合物的狀態存在，根據實驗數據，絡合物導熱系數為0.3W/ （m·K），則吸附劑的導熱熱阻R4為：

⑤蒸發段的換熱熱阻R5：

式（11）中，h＂為煙氣與管壁綜合換熱系數，W/（m2· K）；φ為煙氣與管壁總的換熱量，W；l1為熱管蒸發段的長度，m。

⑥蒸發壁面導熱熱阻R6。熱管具有一定的厚度，設內徑為φ1，蒸發壁面導熱熱阻為：

式（12）中，λ1為熱管壁在該溫度下的導熱系數，W/ （m·K）。

⑦蒸發相變熱阻R7。煙氣加熱，將熱量從熱管的外部傳入熱管內部，處于熱管加熱段的飽和液體汽化。與熱管冷凝段相變熱阻公式一樣，蒸發相變熱阻R7由下式計算：

式（13）中，l1為熱管蒸發段的長度，m。

重力式熱管吸附床吸附單元管各熱阻所占的比例如表5所示。

3　兩種吸附床強化傳熱措施

3.1減小換熱流體與外表面的對流換熱熱阻

根據上述分析，換熱流體與吸附床外壁面的傳熱熱阻在總傳熱熱阻上占據很大的部分，因此為了提高總體傳熱系數，關鍵在于減少此處的傳熱熱阻［10］。

表5　重力熱管式吸附床各熱阻所占的比例

3.2減小單元管管壁的導熱熱阻

3種吸附床的導熱熱阻一般很小，幾乎不影響單元管的傳熱性能，可以不予考慮。

3.3減小內壁面與吸附劑的傳熱熱阻

內壁面與吸附劑之間的傳熱熱阻主要指的是接觸熱阻，它是吸附床傳熱過程中最重要的熱阻，所占比例最大。以下方法可有效減小接觸熱阻：①增加接觸密實性，通過光滑內壁面或者增大吸附劑對內壁面的壓力，來盡量減小吸附劑與內壁面的接觸空隙，減小接觸熱阻；②將吸附劑的水溶液灌入單元管內，然后結晶形成吸附劑晶體，這不僅增大吸附劑與單元管內壁面的接觸面積，還可以通過結晶形成一種化學力，增強單元管內壁面與吸附劑的傳熱；③使單元管內鋁翅片的軸向高度減小，使翅片更加密集，增大吸附劑與單元管內壁面的接觸面積，增強傳熱效果。

3.4減小吸附劑內部的傳熱熱阻

吸附劑氯化鈣為比表面積較大的多孔介質，由于孔隙率的存在使其導熱系數很小，而且吸附劑的填充厚度也比較大。所以，傳熱介質與吸附劑顆粒之間的傳熱熱阻相對很小。但是，加入內置鋁翅片后，吸附劑的軸向傳熱效果可以得到明顯改善，但在單元管的軸向還是存在較大的傳熱熱阻。為了減小吸附劑軸向傳熱溫差，可以在吸附劑中加入鋁粉、石墨粉等導熱性能良好的固體顆粒，或者對吸附劑進行固化處理，以改變吸附劑的顆粒分布情況等。

3.5增大冷熱源與管道之間的擾動來改善換熱

在重力熱管式吸附床中，煙氣與熱管外壁之間的對流換熱系數也比較低。一方面，可以通過在煙氣管道內加擋板的方式，增加煙氣與管道之間的擾動來提高換熱系數；另一方面，可以在熱管管壁的外表面加翅片來提高其接觸面積，以減少對流換熱熱阻。

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Heat Transfer Resistance Analysis and Enhancement of Two Kinds Adsorption Bed Unit Tube

Zhu Jing
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office，SIPO，Wuhan Hubei，430070）

This paper focused on the design of tube type adsorbent bed and the gravity heat pipe adsorption bed，made a comparison on the structure of this two different adsorption bed and computed their heat transfer resistance，of which thermal-convection resistance and thermal contact resistance were the largest，and the thermal-conduction resistance was the smallest.Based on the results of the calculation，some actions and countermeasures to enhance heat transfer intensity were put forward.

tube type adsorbent bed；gravity heat pipe adsorption bed；heat transfer resistance

TK124

A

1003-5168（2016）05-0142-04

2016-04-16

朱靜（1988-），女，碩士，研究實習員，研究方向：專利的實質審查。