吸附热泵直接接触换热生成蒸汽的动态特性研究 薛冰.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143345 吸附热泵直接接触换热 生成蒸汽的动态特性研究 薛冰1，孟祥睿1，魏新利1，中曾浩一2，深井润2 （1.郑州大学化工与能源学院，郑州 450001 2.九州大学工学院，福冈 819-0395） xuebing@zzu.edu.cn) 摘 要: 本文对吸附热泵直接接触式换热生成蒸汽的过程进行了建模研究，分析蒸汽生成的动态特性。模型耦合了质量、能量和动量方程。气液固三相计算被合理简化成两个由一个移动气液界面连接的两相区域计算。该模型良好地重现了实验中沸石温度、蒸汽温度和质量随时间变化。当沸石和蒸汽达到吸附平衡后，蒸汽可以快速通过填充层。据此引入低温蒸汽预热以强化高温蒸汽生成的效率。短时间的预热可以大幅延长蒸汽生成的时间，并且显著增加蒸汽的质量。 关键词: 吸附热泵；直接接触；蒸汽生成；动态特性 0 前言 资源短缺和热污染是世界各国共同面对的问题，不断增长的能源消耗需求和有限的资源储备形成鲜明对比，可持续发展遇到严峻的挑战。在化工和钢铁工业中，存在大量低品位余热；同时，对高品位蒸汽有特别的需求，比如用于工艺加热加湿，蒸汽热解等。化学品制造和石化精炼中蒸汽耗能占总耗能的比例分别是47%和51%[1]。低品位余热回收相对困难，并且绝对数量庞大。 吸附热泵是一种以热能驱动循环的装置，将低温热源的热能转移到高温热源，满足制冷、空调或热泵的需求。相对于传统的电力驱动的压缩热泵，吸附热泵有诸多优点如工质的环境友好性、余热驱动、低噪音等。吸附工质对是吸附热泵的核心要素之一，研究方向包括活性炭-氨 [2]，活性炭-甲醇 [3]，硅胶-水 [4]和沸石-水 [5-7]等。由于吸附剂多是多孔介质，传热传质受到限制。为了克服传热限制可采用增加换热面积[8]，添加高导热材料固化吸附剂[9]和涂层换热器[10]等，目的是强化吸附床的总换热系数。吸附热泵的研究主要集中在制冷或空调方向，在提高低品位余热品位的热泵方向研究相对较少，比如采用金属氢化物/氢气 [11]或金属氯化物/氨 [12]工质对的吸附式热变换器，总体温升有限，一般小于50°C。近年，日本九州大学深井团队将直接接触式换热法应用到吸附热泵研究中，加强多孔吸附剂和传热流体的换热效率，移除换热器，减小系统体积，回收低品位余热，直接生成高品位蒸汽[13-16]。沸石重生过程，利用130°C空气对沸石干燥；蒸汽生成过程，通入80°C热水，利用吸附热，可以直接生成280°C的常压蒸汽。实验验证了可行性，模拟研究初步揭示了基本的传递现象。然而，强化生成蒸汽通过沸石填充层的研究有待继续，才能提高系统效率，满足工业应用的要求。 本研究的目的是通过建立模型对蒸汽生成规律进行分析，探索加快蒸汽通过沸石填充层的方法。首先对系统试验装置进行介绍；其次建立能量、质量和动量守恒方程对蒸汽生成过程进行模拟；然后分析生成蒸汽通过沸石填充层的规律；最后通过模拟研究加强传质使蒸汽快速通过填充层的方法。 1 实验装置 图1为蒸汽生成过程的实验装置图。该装置主要由恒温水槽、圆柱体反应器、冷凝器和电子天平组成。反应器由不锈钢材料制成，高、内径和外径依次为 100, 71和80 mm。反应器的顶部和底部封头都是5 mm厚的不锈钢。四个K型热电偶插入沸石填充床层中，插入高度距填充层底部分别为0 mm (Tlower)，33.3mm (Tz1)，66.7 mm (Tz2)和105 mm (Tupper)。反应器的外壁用12.5 mm厚的陶瓷纤维隔热材料包围，反应器重为2.34 kg。亲水型沸石13X被选做吸附剂，其优点是可以吸附液态水不膨胀，且高温下吸附性能良好。填充层中使用的圆柱体状沸石共0.25kg，直径1.6 mm，长2-6 mm (平均4mm)。填充层的空隙率为0.4。在实验前，利用反应器壁的电加热带使反应器和填充床沸石维持在80℃。 实验开始时关闭阀门3、5和7，打开其他阀门。利用水泵将恒温槽的热水送入沸石填充层的底部。沸石吸水后放热，使水直接变成蒸汽。生成蒸汽通过填充层到达顶部。安全阀最初关闭，当蒸汽压力达到预设值时安全阀就会打开。此后蒸汽通过冷凝器后被冷凝，利用电子天平来测量冷凝水质量，空气中残留的蒸汽利用湿度计测量。当水表面达到填充层的顶端时，蒸汽生成实验完成。 图1 实验装置示意图 蒸汽实验系统的平衡示意图如图2所示,该系统包括沸石、反应器、流入热水和流出蒸汽。能量平衡的计算公式如下： (1) 式