吸附式高温热泵直接接触法生成蒸汽的传递现象研究

Energy shortage is one of the serious challenges for the sustainable development of the whole world. Adsorption heat pump (AHP) driven by low-grade waste heat is utilized to achieve cooling or heating effect, thus to decrease energy consumption. Although many researches on adsorption refrigeration have been reported, study on the high-temperature heat pump just started. This research proposal is to recycle low-grade waste heat (water<80°C, gas<150°C) to directly generate saturated or superheat steam (1 MPa, 200+°C) by using a direct-contact method to enhance heat transfer between the porous media and the fluid. The systematic research consists of two parts: experiment and simulation. For the experimental study the focuses are: to investigate the heat transfer characteristics during the boiling of water inside the porous media at varying conditions, to analyze the performance and efficiency for steam generation cycle by using zeolite with different geometries and sizes. For the simulation study the focuses are: to build up the mathematical model for steam generation system, to introduce enthalpy-porosity model to solve the problems of phase change of water, to calculate the temperature distribution for different phases in the packed bed and pressure and flow rate for the steam at outlet. This research dedicates to indicating the boiling heat transfer mechanism of the liquid inside the hydroscopic non-saturated porous media with the direct-contact heat transfer method, and studying the simultaneous mass transfer characteristics of water migration and steam diffusion. The fundamental researches serve as an alternative energy saving technology to reduce steam cost for the modern industry.

能源短缺是世界各国发展面临的重大挑战之一。吸附热泵以低品位余热驱动，实现制冷或热泵效应，减少能源消耗。利用吸附热泵系统在制冷方向的研究很多，在高温热泵方向的研究刚刚开始。本研究拟采用直接接触式换热法强化多孔介质与流体的传热速率，利用吸附热泵系统回收低品位余热(热水<80°C，废气<150°C)，生成高温饱和/过热水蒸气(0.3-1 MPa, 200+°C)。实验研究方面，考察不同条件下液体在多孔介质内沸腾传热特性，研究不同形状和粒径的沸石对蒸汽生成循环性能和效率的影响。模拟研究方面，建立蒸汽生成系统的数学模型，采用焓-多孔介质模型解决水的相变问题，模拟多孔介质中气液两相流耦合吸附特性的传递现象，计算填充层内不同相的温度分布及蒸汽压力和流速分布。本研究旨在揭示液体与非饱和吸湿性多孔介质直接接触时沸腾传热机理，探索水分迁移和蒸汽扩散传质特性。本研究的应用价值是降低工业中的蒸汽成本。

项目背景.工业过程产生了大量废水和废气，低品位余热回收困难，并且对环境造成危害。与此同时，工业、商业及民用对蒸汽有广泛需求，新型高效节能环保蒸汽生成系统亟需开发。热力驱动的吸附热泵利用固气工质对生成高温蒸汽，满足热力需求。.主要研究内容 .蒸汽生成系统的实验研究.1)搭建实验平台进行蒸汽生成的循环实验,利用热水（<80°C）和热空气（<130°C）的吸附热泵系统，直接生成过热蒸汽，评估系统的性能和效率。.2)采用不同粒径的填料，设置传质通道，改变入水方式等，考察生成蒸汽通过填充层和湿沸石重生时的动态传热传质特性。.3)探索复合吸附剂对蒸汽生成和沸石重生的影响，确立优化的循环条件。.蒸汽生成系统的数值模拟研究.1)在蒸汽生成过程中，对气液固三相分别建立能量、质量或动量控制方程，建立变温变压的动态吸附模型；在沸石重生过程中，建立对流干燥重生模型。.2)分析蒸汽生成过程中填充层内沸石和水的温度分布，生成蒸汽在沸石空隙间的温度、压力和流场分布，出口蒸汽温度和压力特性。.3)通过回热回质增强蒸汽生成过程，考察不同回热温度对高温蒸汽生成的影响，分析在吸附剂和液面交界处沸腾传热后产生蒸汽的动态特性，评估回热对系统性能和效率的影响。.重要结果及关键数据 .1)130°C的干空气对湿吸附剂重生，通入80℃热水，生成191°C ~264°C过热蒸汽，系统温升近100°C。循环耐久性实验研究了15个连续循环，沸石微孔在高温高湿度下仍可保持结构完整。.2)从局部和整体吸附平衡两方面强化蒸汽生成：预制通道和回热回质。前者使蒸汽快速到达顶部。后者中回热温度为89.2°C时，蒸汽量增加18.8%，系统性能提升35.1%。.3)采用复合吸附剂-水工质对的系统，增加总吸附热，加快动态蒸汽生成的速率，强化蒸汽生成过程，提升系统性能和效率。.科学意义 .在吸附热泵系统中采用直接接触法强化热传，生成高温蒸汽，研究不饱和多孔介质中沸腾传热的特性。不饱和度提高，物理吸附热增加。采用复合吸附剂，化学吸附热释放亦可强化蒸汽生成过程。