高溫吸附熱泵中傳質(zhì)通道強化蒸汽生成的實驗研究

劉周明， 盛遵榮， 葉 松， 姚志敏， 薛 冰， 魏新利,2

(1.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學(xué) 熱能系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，河南 鄭州 450001)

0 引言

諸多工業(yè)過程產(chǎn)生了大量廢水和廢氣.高溫廢水廢氣可以利用換熱器及熱管技術(shù)回收利用，而低品位余熱卻很難回收.熱泵技術(shù)作為回收利用低品位能源的一種技術(shù)，在制冷方面的研究較為廣泛[1-3].相比之下，吸附熱泵用于熱泵方向特別是制高溫蒸汽的研究相對缺乏[4-6].吸附熱泵制取高溫蒸汽,相對于吸收熱泵和蒸汽壓縮熱泵制高溫蒸汽有溫升高和工質(zhì)對對環(huán)境危害小的優(yōu)點[7].13X沸石-水工質(zhì)對具有吸附熱高、蒸發(fā)潛熱較大、高溫下熱穩(wěn)定性強的優(yōu)點.Oktariani等[8]利用以上工質(zhì)對對直接控制生成蒸汽系統(tǒng)作了理論和實驗分析.Xue等[9-10]在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對高溫吸附熱泵產(chǎn)生蒸汽的傳遞現(xiàn)象進行了分析，發(fā)現(xiàn)利用80 ℃熱水與沸石直接接觸可以生成高于150 ℃的高溫蒸汽，證實了利用低溫水獲得中高溫蒸汽的可行性，為連續(xù)制取蒸汽奠定了理論基礎(chǔ).設(shè)計傳質(zhì)通道在強化吸附制冷效率中有一些研究[11-12]，但是對于從結(jié)構(gòu)上如何強化高溫吸附熱泵中蒸汽的生成速率尚無實驗研究.

在沸石吸附床層加裝不同尺寸的傳質(zhì)通道，研究其對強化蒸汽生成過程的影響.考察沸石溫度，蒸汽出口處溫度和生成速率的變化特性，結(jié)合平衡吸附和非平衡吸附理論進行分析，探索合理的傳質(zhì)通道尺寸，為優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)提供參考.

1 實驗介紹

1.1 實驗材料與裝置

采用13X沸石為吸附劑，因其吸附性能優(yōu)良，且與水接觸無明顯體積變化.沸石平均直徑為2.2 mm.反應(yīng)器為自主設(shè)計，材料為304不銹鋼.下部封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，與反應(yīng)器焊接連接.上封頭為圓形平板封頭，采用快拆不銹鋼卡箍與反應(yīng)器連接.反應(yīng)器內(nèi)徑為80 mm，高為115 mm，壁厚為4 mm,進水口由3個DN8接管組成.傳質(zhì)通道由孔徑φ=0.613 mm的不銹鋼網(wǎng)自主彎折而成，其厚度忽略不計.所有管路均進行絕熱處理，反應(yīng)器外壁分別用厚度為30 mm的硅酸鋁纖維和20 mm的聚苯乙烯保溫棉保溫.

實驗裝置如圖1所示，采用K型熱電偶測溫度，電子天平測冷凝后的蒸汽質(zhì)量，GL220便攜式記錄儀記錄數(shù)據(jù).反應(yīng)器內(nèi)熱電偶分布如圖2所示，T1/3b、T2/3b分別為軸向1/3、2/3處側(cè)邊沸石溫度；T1/3c、T2/3c、Ttop分別為軸向1/3、2/3處、頂部中心蒸汽溫度.

1.2 實驗過程

制作高為110 mm的傳質(zhì)通道，直徑D分別為8 mm (反應(yīng)器內(nèi)徑的10%)、16 mm (反應(yīng)器內(nèi)徑的20%)，分別占填充層體積的1%，4%.無傳質(zhì)通道時可裝填沸石360 g，設(shè)置傳質(zhì)通道時，去除相應(yīng)通道中的沸石.每次實驗前稱取相應(yīng)質(zhì)量沸石，放入加熱爐預(yù)熱，預(yù)熱至80 ℃.

實驗時首先標(biāo)定恒溫水槽液位，然后將預(yù)熱好的沸石置入反應(yīng)器內(nèi).反應(yīng)器密封完畢后，打開進水管路，進水流量設(shè)為2.2 L/h，開啟數(shù)據(jù)記錄儀開始采集各測溫點數(shù)據(jù)，并打開冷凝器.待有蒸汽溢出時，每15 s讀取一次蒸汽質(zhì)量.當(dāng)頂部測溫點溫度降低到水的沸點溫度以下時關(guān)閉進水管路.記錄最終蒸汽產(chǎn)量，排出反應(yīng)器內(nèi)的自由水.隨后取出濕沸石并稱量記錄.最后標(biāo)定恒溫水槽最終液位以確定此次反應(yīng)的總用水量.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

圖2 反應(yīng)器內(nèi)測溫點分布圖Fig.2 Thermocouple distributions inside of packed bed

2 實驗系統(tǒng)性能評估

2.1 實驗評價參數(shù)

實驗中反應(yīng)器內(nèi)部連通大氣，產(chǎn)生常壓蒸汽.實驗測量蒸汽質(zhì)量ms,out;蒸汽最高溫度Tmax;系統(tǒng)溫升ΔT;評估參數(shù)需考慮蒸汽與沸石質(zhì)量比ms,out/mz;蒸汽生成時間與進水時間比tg/tt.

2.2 質(zhì)量守衡

蒸汽生成實驗過程中，進出反應(yīng)器的水遵守質(zhì)量守恒.進入反應(yīng)器的水一部分轉(zhuǎn)化為蒸汽;一部分被沸石吸附;一部分以自由水的形式存在.

mw,in=ms,out+mads+macc;

(1)

(2)

式中:mw,in為進入反應(yīng)器內(nèi)水的質(zhì)量，kg；mads為沸石吸附水質(zhì)量,kg；macc為自由水質(zhì)量,kg.mads+macc為自由水與實驗前后沸石質(zhì)量增量之和,kg.

2.3 能量平衡

蒸汽生成過程遵守能量守恒，進水所含熱量Qw,in與吸附熱Qads之和，等于蒸汽所含熱量Qs,out與反應(yīng)器內(nèi)物料累積的熱量Qacc之和,

Qw,in+Qads=Qs,out+Qacc.

(3)

Qw,in=Cp,wmw,in(Tw,in-Tref),

(4)

式中:Cp,w為水的比定壓容, kJ·kg-1·K-1；Tw,in為進水溫度，℃；Tref為進水溫度參考值，℃.

Qads=mz(xeq-xini)ΔHads;

(5)

Qs,out=ms,out[Cp,w(Tb,p-Tref)+γ+

Cp,s(Ts-Tb,p)],

(6)

式中:mz為沸石質(zhì)量，kg；xeq為沸石平衡吸水量，(千克-水)/(千克沸石)；xini為沸石初始含水量，(千克-水)/(千克沸石)；ΔHads為沸石吸附熱，J；Tb,p為水的沸點，℃；γ為水的汽化潛熱，kJ·kg-1；Cp,s為蒸汽的比定壓容，kJ·kg-1·K-1；Ts為蒸汽溫度，℃.

Qacc=mzCp,z(Tz,fin-Tz,ini)+mrCp,r(Tr,fin-Tr,ini)+

(mads+macc)Cp,w(Tw,fin-Tref),

(7)

式中,Cp,z為沸石的比定壓容，kJ·kg-1·K-1；Tz,fin為沸石的最終溫度，℃；Tz,ini為沸石的初始溫度，℃；mr為反應(yīng)器的質(zhì)量，kg；Cp,r為反應(yīng)器的比定壓容，kJ·kg-1·K-1；Tr,fin為反應(yīng)器的最終溫度，℃；Tr,ini為反應(yīng)器的初始溫度，℃；Tw,fin為水的最終溫度，℃.

3 實驗結(jié)果與分析

分別加裝兩個尺寸的傳質(zhì)通道，對反應(yīng)床層溫度和蒸汽溫度隨時間的變化進行分析，揭示此過程中傳質(zhì)通道對蒸汽生成的影響.

3.1 沸石溫度、蒸汽溫度和質(zhì)量變化特性

圖3所示為未加裝傳質(zhì)通道時反應(yīng)器內(nèi)沸石溫度、蒸汽溫度和蒸汽質(zhì)量隨時間的變化.熱水從底部通入沸石填充層，1/3處出現(xiàn)溫度快速增加的情況，表明蒸汽到達此處.1/3處徑向溫差較小，表明測溫點以下傳質(zhì)均勻.1/3處的最高溫度呈尖狀，最高約216 ℃，說明此處保持在峰值時間較短，因為液面離此處較近.當(dāng)液面到達1/3處，溫度迅速降低到水的沸點100 ℃.徑向兩個位置均在同一時間降到水的沸點，表明液面在此處較為水平.2/3處經(jīng)歷了相似的溫度變化趨勢，但最高溫度比1/3處高30 ℃，并且保持時間較長.溫度較高是因為此處沸石吸附蒸汽釋放了更多吸附熱；溫度較長時間保持在峰值表明蒸汽已到達此處，而液面相對較遠(yuǎn).2/3處徑向溫差達30 ℃，主要是測溫點下部傳質(zhì)不均勻性疊加造成的.徑向兩個點溫度降低到沸點有15 s的時間差，這主要是由水液面不平造成的，因此增加填充層高度時需要適當(dāng)考慮添加空隙層以保證上升的液面在同一水平線上.在總進水時間一半的時候，出口處溫度開始快速提升，達到峰值213 ℃時，蒸汽的質(zhì)量開始線性增加，直至液面到達床層頂部，溫度降低到水的沸點，蒸汽生成實驗結(jié)束.

圖3 無傳質(zhì)通道時溫度及蒸汽質(zhì)量隨時間變化圖Fig.3 Temperatures and steam quality variation chart without mass transfer channel

圖4為加裝8 mm傳質(zhì)通道時反應(yīng)器內(nèi)沸石溫度、出口處蒸汽溫度和質(zhì)量隨時間的變化.以圖3為基準(zhǔn)有以下變化:1/3處徑向溫差幾乎為零，說明通道使得蒸汽從兩側(cè)溢出；2/3處徑向溫差為-10 ℃，主要是通道內(nèi)存在大量測溫點下部產(chǎn)生的蒸汽.通道內(nèi)兩測溫點溫升均比對應(yīng)高度處的沸石溫升提前，原因是通道降低了傳質(zhì)阻力.

圖4 10%傳質(zhì)通道時溫度及蒸汽質(zhì)量隨時間變化圖Fig.4 Temperatures and steam quality variation chart with mass transfer channel at 10% of inner diameter

圖5 20%傳質(zhì)通道時溫度及蒸汽質(zhì)量隨時間變化圖Fig.5 Temperatures and steam quality variation chart with mass transfer channel at 20% of inner diameter

圖5所示為加裝16 mm傳質(zhì)通道時反應(yīng)器內(nèi)沸石溫度、出口處蒸汽溫度和質(zhì)量隨時間的變化.同樣以圖3為基準(zhǔn)，有以下變化：1/3處徑向溫差變?yōu)?10 ℃，主要是初始蒸汽溫度較低；2/3處徑向溫差幾乎為零，表明通道增大了通道內(nèi)蒸汽與沸石間的換熱面積.

3.2 蒸汽最高溫度及蒸汽與沸石質(zhì)量比

表1為無通道、加裝8 mm通道和16 mm通道時，每個條件3組實驗所測蒸汽溫度峰值Tave和蒸汽與沸石質(zhì)量比ms,out/mz的平均值.與無通道實驗結(jié)果相比，8 mm通道的Tave比其高出11%，表明該通道有效促進局部非平衡吸附特性.而16 mm通道的Tave與其相差無幾，說明此通道對非平衡吸附特性的影響被對蒸汽-沸石間換熱的影響削弱了. 對比ms,out/mz平均值，發(fā)現(xiàn)8 mm通道、16 mm通道分別比無通道時高出14%、8%，說明通道促進平衡吸附進程，但是通道過大會導(dǎo)致沸石量減少，吸附熱不足以使更多水變成蒸汽，從而對該值影響較小.

表1 不同通道直徑下蒸汽溫度及質(zhì)量比的平均值Tab.1 The average value of steam temperature and mass ratio under different channel diameters

3.3 蒸汽生成時間分析

由圖3～5可知，3組實驗中蒸汽均產(chǎn)生于進水200 s以后.為反映通道對蒸汽生成時間的影響，考察蒸汽生成時間tg與總時間tt的比值.以蒸汽質(zhì)量20 g時刻為基準(zhǔn)，無通道、8 mm通道、16 mm通道對應(yīng)的tg/tt分別為0.447,0.465,0.700.

可以發(fā)現(xiàn)，相同蒸汽產(chǎn)量情況下，tg/tt隨通道直徑呈正增長趨勢;同時，將時間無量綱化，考察蒸汽質(zhì)量隨無量綱時間的變化，如圖6所示，其中tw,feed為進水時間.圖6中8 mm、16 mm通道下第一拐點均比無通道下第一拐點提前.以上兩點同時說明通道增大了蒸汽溢出面積，降低了傳質(zhì)阻力，增加了蒸汽溢出的時間長度，其意義在于可以應(yīng)用于對蒸汽時長要求較高的場合.

圖6 不同傳質(zhì)通道下蒸汽質(zhì)量隨無量綱時間變化圖Fig.6 The mass change of steam quality in different mass transfer channels with dimensionless time

3.4 誤差分析

用高斯誤差函數(shù)計算實驗結(jié)果的不確定度，若某個變量的計算式為y=f(x1,x2,x3，…，xn)，則其間接法測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差E的計算式如下：

E(y)=

(8)

式中：en代表xn的直接測量標(biāo)準(zhǔn)誤差.

根據(jù)上式可得，進水誤差E為：

E(mw,in)=

(9)

假設(shè)水的密度在整個蒸汽生成過程中為定值，恒溫水槽直徑及液位變化的誤差均為1 mm，則E(mw,in)最大誤差范圍為±2.04%.(mads+macc)由天平直接稱量得到，不確定度為±0.01 g.

蒸汽質(zhì)量誤差的定義為:

(10)

式中：Es,err為蒸汽質(zhì)量衡算誤差；ms,cal為理論蒸汽質(zhì)量.

3組實驗蒸汽質(zhì)量及誤差如表2所示，產(chǎn)生誤差的主要原因為：部分蒸汽在反應(yīng)器頂部及冷凝器的管道壁上凝結(jié)；冷凝器冷凝效果欠佳，造成部分蒸汽未能冷凝.

表2 3組實驗中蒸汽質(zhì)量及誤差Tab.2 Steam quality and error in the three groups of experiment

本實驗所用K型熱電偶的測量精度為1.5 ℃，則蒸汽最高溫度和系統(tǒng)溫升的不確定度分別為±1.5 ℃、±3 ℃.

4 結(jié)論

在直接接觸式換熱器生成高溫蒸汽的研究基礎(chǔ)上，通過對比不同傳質(zhì)通道尺寸下的實驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)傳質(zhì)通道引起軸向同一高度處的徑向溫度變化，通道內(nèi)溫升較沸石內(nèi)溫升顯著提前，說明通道是主要的傳質(zhì)區(qū).

(2)兩種直徑傳質(zhì)通道均使得蒸汽生成質(zhì)量與所用沸石質(zhì)量的比值增大，但小通道更為明顯.小通道同時提升了蒸汽最高溫度，明顯改善了蒸汽最終性能.

(3)相同蒸汽產(chǎn)量下，蒸汽生成時間與進水時間的比值隨通道增大而增大.通道延長了蒸汽溢出時間.