两种吸附床传热热阻分析及其强化传热研究

朱静

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北　武汉　430070）

两种吸附床传热热阻分析及其强化传热研究

朱静

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北武汉430070）

对壳管式吸附床和重力式热管吸附床进行设计，并对比分析2种吸附床的结构，同时对其传热热阻进行计算，2种吸附床传热热阻中最大的为冷热流体与吸附床外表面的对流传热热阻以及接触热阻，而导热热阻所占的比例较小。基于计算的结果，还提出了不同吸附床强化传热的措施和对策。

壳管式吸附床；重力式热管吸附床；传热热阻

吸附床在吸附式制冷系统中相当于压缩式制冷系统的“心脏”——压缩机的作用，其性能优劣直接影响到吸附制冷系统的制冷能力。目前，国内外对吸附床的研究集中于传热性能方面，主要是吸附床结构的优化和新型吸附床的研发。

1　两种吸附床的结构分析

1.1壳管式吸附床

壳管式吸附床的结构及单元管结构示意图如图1和图2所示，壳管式吸附床与壳管式换热器相似，外壳内装有单元管有序排列成的管组。各个单元管之间换热流体从壳侧流过，吸附剂填充在单元管内，单元管中间有一传质通道，铝翅片填充在传质通道和单元管外径之间，在管子中间均匀填充吸附剂CaCl2和NH3的络合物，分别以低压蒸汽和冷却水为热源和冷源。壳管式吸附床的结构参数如表1所示［1］。

图1　壳管式吸附床的结构

图2　壳管式吸附床单元管结构示意图

表1　单元管结构参数

表2　重力式热管吸附床的结构参数

1.2重力式热管吸附床

重力式热管吸附床结构图和单元管结构示意图见图3和图4，中间介质在吸附床的下端吸收烟气传递的热量后蒸发，蒸汽携带汽化潜热向上流动，经过绝热段后，在凝结段的气液界面上冷凝变成液体，冷凝热通过管壳传给冷源后依靠重力作用回流工作液体。单元管正中心是热管，两边180°均匀分布2个传质通道，管内其他空间填充吸附剂，铝翅片填充在吸附剂填充的空间内。重力式热管吸附床的结构参数如表2所示［2，3］。

图3　重力式热管吸附床结构图

图4　重力式热管吸附床单元管结构示意图

2　两种吸附床单元管的传热热阻分析

2.1壳管式吸附床传热热阻分析

单元管是壳管式吸附床中最基本的结构，其换热效果直接影响到系统的制冷性能。在换热过程中，单元管的传热过程示意图如图5所示［4］。

图5　换热流体与吸附剂的传热过程示意图

①对流换热热阻。对流换热系数为：

传热热阻为：

式（1）（2）中，Nu为努塞尔数；λ为烟气的导热系数，W/ （m·K）；dp为当量直径，mm；A0为单元管的外表面积，mm2。

本文中，采用冷却水对吸附床进行冷却，冷却水的对流换热系数计算与加热过程相同［5，6］。

②单元管的导热热阻。单元管的材料选择为不锈钢S304，导热热阻为：

③铝翅片与吸附剂之间的传热热阻。铝翅片与吸附剂换热系数hi的确定采用已有研究［10］中的计算方法，可得铝翅片与吸附剂的导热系数hi=73.94W/（m2·K）［7］。

添加铝翅片与未加是的面积比为：

铝翅片与吸附剂的传热热阻为：

④吸附剂的导热热阻为：

吸附床在加热过程中，从热源低压蒸汽到单元管内吸附剂的各部分传热情况如表3所示。吸附床在冷却过程中，从冷源水到单元管内吸附剂的各部分传热情况如表4所示。

表3　吸附床加热过程中单元管各部分的换热

表4　吸附床冷却过程中单元管各部分的换热

由此可以得出，在壳管式吸附床中，外壁面的对流换热以及内壁面与吸附剂接触处的传热热阻是最大的，因此，吸附剂解吸或吸附过程中影响传热最重要的因素就是吸附床的内外壁面的对流换热［8］。

2.2重力式热管吸附床传热热阻分析

重力式热管吸附床的解吸和吸附过程将热、冷量传给热管，高效热管将热、冷量迅速由蒸发段传向冷凝段，在冷凝段将热、冷量释放出来传给吸附床，所以传热单元管总的换热热阻为：R=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7。

①冷凝相变热阻R1：

式（7）中，Rv为工作介质的气体常数，J/（kg·K）；l2为热管冷凝段的长度，m；Tv为工作介质的蒸汽温度，K；Pv为工作介质的蒸汽压力，Pa；hfg为工作介质的汽化潜热，J/ kg；φ为热管直径，m。

②热管壁面导热可看成是单层圆筒壁导热，其热阻为R2：

式（8）中，λ2为热管管壁解吸温度下的导热系数，W/ （m·K）；吸附剂在125℃时开始解吸，热管蒸汽的温度约为150℃，导热系数按36.4W/（m·K）计算；φ´为热管的内径，m。

③翅片与吸附剂之间的换热热阻R3。铝翅片与吸附剂的传热热阻为：

④吸附剂的导热热阻R4。吸附剂平铺在翅片上，1g分子纯CaCl2粉末能吸附8g分子氨气，在正常解吸温度下（150℃以下）解吸出6g分子氨气，有2g分子氨不能解析，重新进入吸附状态时，最多能吸附6g分子氨气［9］。

所以，在解吸和吸附的过程中，氯化钙都是以其络合物的状态存在，根据实验数据，络合物导热系数为0.3W/ （m·K），则吸附剂的导热热阻R4为：

⑤蒸发段的换热热阻R5：

式（11）中，h＂为烟气与管壁综合换热系数，W/（m2· K）；φ为烟气与管壁总的换热量，W；l1为热管蒸发段的长度，m。

⑥蒸发壁面导热热阻R6。热管具有一定的厚度，设内径为φ1，蒸发壁面导热热阻为：

式（12）中，λ1为热管壁在该温度下的导热系数，W/ （m·K）。

⑦蒸发相变热阻R7。烟气加热，将热量从热管的外部传入热管内部，处于热管加热段的饱和液体汽化。与热管冷凝段相变热阻公式一样，蒸发相变热阻R7由下式计算：

式（13）中，l1为热管蒸发段的长度，m。

重力式热管吸附床吸附单元管各热阻所占的比例如表5所示。

3　两种吸附床强化传热措施

3.1减小换热流体与外表面的对流换热热阻

根据上述分析，换热流体与吸附床外壁面的传热热阻在总传热热阻上占据很大的部分，因此为了提高总体传热系数，关键在于减少此处的传热热阻［10］。

表5　重力热管式吸附床各热阻所占的比例

3.2减小单元管管壁的导热热阻

3种吸附床的导热热阻一般很小，几乎不影响单元管的传热性能，可以不予考虑。

3.3减小内壁面与吸附剂的传热热阻

内壁面与吸附剂之间的传热热阻主要指的是接触热阻，它是吸附床传热过程中最重要的热阻，所占比例最大。以下方法可有效减小接触热阻：①增加接触密实性，通过光滑内壁面或者增大吸附剂对内壁面的压力，来尽量减小吸附剂与内壁面的接触空隙，减小接触热阻；②将吸附剂的水溶液灌入单元管内，然后结晶形成吸附剂晶体，这不仅增大吸附剂与单元管内壁面的接触面积，还可以通过结晶形成一种化学力，增强单元管内壁面与吸附剂的传热；③使单元管内铝翅片的轴向高度减小，使翅片更加密集，增大吸附剂与单元管内壁面的接触面积，增强传热效果。

3.4减小吸附剂内部的传热热阻

吸附剂氯化钙为比表面积较大的多孔介质，由于孔隙率的存在使其导热系数很小，而且吸附剂的填充厚度也比较大。所以，传热介质与吸附剂颗粒之间的传热热阻相对很小。但是，加入内置铝翅片后，吸附剂的轴向传热效果可以得到明显改善，但在单元管的轴向还是存在较大的传热热阻。为了减小吸附剂轴向传热温差，可以在吸附剂中加入铝粉、石墨粉等导热性能良好的固体颗粒，或者对吸附剂进行固化处理，以改变吸附剂的颗粒分布情况等。

3.5增大冷热源与管道之间的扰动来改善换热

在重力热管式吸附床中，烟气与热管外壁之间的对流换热系数也比较低。一方面，可以通过在烟气管道内加挡板的方式，增加烟气与管道之间的扰动来提高换热系数；另一方面，可以在热管管壁的外表面加翅片来提高其接触面积，以减少对流换热热阻。

［1］王如竹，王丽伟.低品位热能驱动的绿色制冷技术：吸附式制冷［J］.科学通报，2005（2）：101-111.

［2］张绰.二台以上发生器吸附制冷系统：中国，200710053043.6.［P］.2007.

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［10］HulseGE.RefroidissementWagonFrigorifiquea Marchandises par un System Adsorption Utilisant le gel de Silice［J］.Revue Gen Friod.1929（10）:281-284.

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

朱静（1988-），女，硕士，研究实习员，研究方向：专利的实质审查。