蜂窩狀水凝膠吸附床傳熱傳質(zhì)特性數(shù)值模擬及驗(yàn)證

鐘國(guó)棟，鄧超和，王洋，王佳韻，王如竹

（1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200082； 2 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 201100）

引 言

由于氣候變化和水源污染，淡水資源短缺正逐步成為21 世紀(jì)全球面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，研究表明，全球有40億人口在一年中遇到用水問(wèn)題[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大氣中含有超過(guò)12.9×1012m3的可再生水[3]，因此，從空氣中獲取淡水是一種行之有效的取水方法。目前空氣取水方式主要包括冷凝取水、膜分離法和吸附/吸收式取水[4-6]。冷凝取水在低濕工況下效果較差，需要耗費(fèi)大量能源才能使水蒸氣冷凝，而膜分離法目前技術(shù)尚未成熟，用電量大，膜成本較高，因此不是實(shí)現(xiàn)低能耗取水的可行解決方案[7]。吸附式空氣取水技術(shù)，依靠吸附劑的吸附-解吸過(guò)程收集到冷凝水，具有非常寬的濕度適用窗口，有望解決大部分干旱地區(qū)的全年供水問(wèn)題[8]。

吸附式空氣取水系統(tǒng)主要通過(guò)吸附床來(lái)吸收空氣中的水蒸氣，并在熱能的驅(qū)動(dòng)下將吸附床的水分釋放出來(lái)，達(dá)到取水的目的。常規(guī)的吸附床是采用多層吸附層組成的緊湊的床型結(jié)構(gòu)[9-10]，吸附層由填充吸附材料和導(dǎo)熱黏合劑或基質(zhì)組成[11-15]。吸附床是決定整個(gè)系統(tǒng)取水性能的核心部件，構(gòu)建高效吸附床是實(shí)現(xiàn)高效取水的關(guān)鍵技術(shù)[16]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)吸附系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化展開(kāi)了大量的研究，其中主要的研究方法有集總參數(shù)法、熱力學(xué)法和計(jì)算流體力學(xué)模型法[17]。集總參數(shù)法具有輸入?yún)?shù)少和計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因此，在早期的研究中，普遍采用集中參數(shù)法對(duì)硅膠或沸石吸附床進(jìn)行傳熱傳質(zhì)研究[18-19]。但集總參數(shù)法忽略了吸附床內(nèi)的傳熱傳質(zhì)阻力，無(wú)法了解吸附反應(yīng)器內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)狀況[20]。熱力學(xué)法模型是基于熱力學(xué)第一和第二定律建立的理論熱力學(xué)模型，一般不考慮吸附床的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，只分析吸附系統(tǒng)的理論性能。Kim 等[21]基于MOF801 和MOF303 等材料物性建立了吸附式空氣取水系統(tǒng)熱力學(xué)性能分析模型，研究了各種低品位熱源和不同種類的MOF 材料對(duì)集水效率的影響。隨著研究的深入以及計(jì)算機(jī)性能的提升，能完整反映吸附床與空氣傳熱傳質(zhì)特性的計(jì)算流體力學(xué)模型受到越來(lái)越多的關(guān)注[22-24]。Sun 等[25]應(yīng)用達(dá)西定律來(lái)解釋吸附劑顆粒之間存在的傳質(zhì)阻力，研究了包括兩個(gè)吸附劑-吸附質(zhì)對(duì)的吸附系統(tǒng)中的動(dòng)量和熱量傳遞, 他們的結(jié)果表明，對(duì)于低密度吸附質(zhì)，如水或甲醇，吸附床的吸附過(guò)程中應(yīng)考慮其內(nèi)部的傳質(zhì)阻力。Solmus 等[26]利用瞬態(tài)二維局部熱平衡模型研究了硅膠吸附床尺寸、熱導(dǎo)率對(duì)吸附床內(nèi)溫度場(chǎng)和吸附質(zhì)濃度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明吸附床厚度和吸附劑熱導(dǎo)率是影響吸附質(zhì)濃度分布的主要因素。Ya?ci 等[27]建立了一個(gè)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算流體力學(xué)模型，該模型結(jié)合了吸附冷卻系統(tǒng)中的傳熱和傳質(zhì)模型，可以預(yù)測(cè)硅膠和13X沸石吸附床的壓力分布、溫度分布和水蒸氣吸附量分布。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)吸附系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行了廣泛的研究，開(kāi)發(fā)了各類數(shù)值仿真模型，但以往的研究主要針對(duì)硅膠、沸石等大孔徑吸附材料而開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型，通常只適用于傳統(tǒng)堆積吸附床，而不適用于一些新型微孔吸附劑，如水凝膠復(fù)合吸附劑。水凝膠復(fù)合吸附劑由于其高吸水性展現(xiàn)了很強(qiáng)的應(yīng)用潛力，其中，由丙烯酰胺單體聚合而成的水凝膠有吸水量大、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是一種潛在的、優(yōu)良的儲(chǔ)水材料[28-29]。鄧超和等[16]利用丙烯酰胺與LiCl 聚合制備了一種吸水量高達(dá)1.75 g/g、解吸溫度僅為60℃的PAM-LiCl 水凝膠復(fù)合吸附材料，有望成為實(shí)現(xiàn)低能耗取水的關(guān)鍵材料。為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)PAM-LiCl 水凝膠復(fù)合吸附劑的應(yīng)用潛力，本文對(duì)PAM-LiCl 水凝膠復(fù)合吸附劑進(jìn)行了吸附動(dòng)力學(xué)研究，提出了PAM-LiCl 水凝膠復(fù)合吸附劑蜂窩狀吸附床結(jié)構(gòu)及模型，并通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了吸附床結(jié)構(gòu)參數(shù)和空氣工況對(duì)吸附床性能的影響。

1 模型與方法

1.1 物理模型

圖1(a)為PAM-LiCl 凝膠吸附床的三維物理模型，該吸附床由空氣流道和塊狀水凝膠復(fù)合吸附劑組成，為增強(qiáng)凝膠吸附床的傳熱傳質(zhì)，吸附床中有25 個(gè)分布均勻圓柱形傳質(zhì)孔道，孔徑初步設(shè)定為5 mm（優(yōu)化參數(shù)）。凝膠吸附床長(zhǎng)和寬均為50 mm，厚度初步設(shè)定為5 mm（優(yōu)化參數(shù)）。圖1(b)展示了PAM-LiCl 凝膠吸附床吸附水蒸氣的過(guò)程，如圖所示，在水蒸氣勢(shì)差的作用下，水蒸氣被吸附床表面吸附劑吸附，并形成一層液膜，液膜中的水在濃度差的作用下向凝膠吸附床內(nèi)部擴(kuò)散。

圖1 蜂窩狀水凝膠吸附床物理模型Fig.1 Physical model of honeycomb hydrogel adsorption bed

1.2 數(shù)學(xué)模型

基于以上物理模型，構(gòu)建了如下數(shù)學(xué)模型，為了便于分析計(jì)算，對(duì)三維模型進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）空氣為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、層流流動(dòng)的牛頓流體；

（2）水凝膠復(fù)合吸附劑是各向同性的，吸附劑干本體熱物理性質(zhì)如熱導(dǎo)率、比熱容和密度在工作范圍內(nèi)是恒定的；

（3）吸附/解吸熱在干燥劑層和空氣之間的界面釋放/吸收；

（4）水凝膠復(fù)合吸附劑與其中的吸附相（液態(tài)水）處于局部熱平衡。

通過(guò)以上假設(shè)，基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量和物種等基本守恒定律，分別建立了復(fù)合吸附劑和空氣在吸附過(guò)程的熱質(zhì)交換模型,對(duì)應(yīng)控制方程如下。

①空氣域

連續(xù)性方程：

式中，Ts為吸附劑和液態(tài)水溫度，℃；λs為吸附床熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；(ρCp)e為吸附床有效熱容，該項(xiàng)包括凝膠吸附劑干本體的熱容和被吸附的液態(tài)水的熱容，且隨著吸附的進(jìn)行而不斷變化，即

式中，ρs為干燥吸附劑的密度，kg/m3；Cps、Cpl分別為吸附劑和液態(tài)水的比熱容，J/(kg·℃)；λs、λl分別為吸附劑和液態(tài)水的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；w為動(dòng)態(tài)吸附量，g/g。

質(zhì)量擴(kuò)散方程：

式中，Ds為液態(tài)水在吸附劑內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

在描述吸附過(guò)程時(shí)，還需引入吸附劑的吸附動(dòng)力學(xué)方程。在物理干燥劑動(dòng)力學(xué)研究中，線性驅(qū)動(dòng)力模型(linear driving force，LDF) 形式簡(jiǎn)單，且計(jì)算精度較高，被廣泛應(yīng)用于干燥劑吸附速率系數(shù)的計(jì)算[30]。該模型基本假設(shè)是：吸附劑的吸附速率與其內(nèi)外吸附質(zhì)濃度差成正比。它的表達(dá)式為：

式中，Ks為吸附速率系數(shù)，s-1；weq為吸附劑在設(shè)定溫度和濕度下的平衡吸附量，g/g。weq是求解控制方程所需的重要參數(shù)，可以用Dubibib-Astakhov方程來(lái)表示：

式中，w0、k、n為方程系數(shù)，可通過(guò)等溫平衡吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得，其值將在2.2節(jié)確定；ΔF為吸附勢(shì)能，或稱表面自由能(free sorption energy)，它是水蒸氣相對(duì)壓力和溫度的函數(shù)，即

式中，R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為吸附劑溫度，℃；Pv為吸附時(shí)水蒸氣的壓力，Pa；Psat為T(mén)溫度下水蒸氣飽和蒸氣壓，Pa。

由吸附動(dòng)力學(xué)方程，可確定吸附劑-空氣界面中的質(zhì)量通量φm和熱通量φh的關(guān)系式：

式中，δs為吸附層厚度，m；ΔH為吸附熱，kJ/kg。

1.3 初始及邊界條件與數(shù)值方法

在初始時(shí)刻時(shí)(t=0)，模型的所有區(qū)域的溫度均為25℃，吸附床初始吸附量為0.05 g/g，空氣流速為0。在吸附階段，入口空氣速度為0.6 m/s，入口空氣溫度為25℃，入口空氣相對(duì)濕度為75%。在水蒸氣吸附過(guò)程中，由于空氣與吸附劑的熱質(zhì)交換發(fā)生在吸附床-空氣界面，故采用傳熱通量和傳質(zhì)邊界條件，空氣界面質(zhì)量邊界條件為：

式中，n為吸附床表面外法線。

解吸過(guò)程是吸附過(guò)程的逆過(guò)程，控制方程相同，因此式(13)～式(15)同樣適于作為解吸階段的熱質(zhì)交換邊界條件。

本文采用有限元方法離散控制方程，同時(shí)求解耦合的流體流動(dòng)、能量傳遞和物質(zhì)傳遞方程，采用COMSOL Multiphysics5.6 軟件對(duì)上述模型進(jìn)行模擬計(jì)算。吸附劑和空氣熱物性參數(shù)見(jiàn)表1[31-32]。

表1 水凝膠吸附劑和空氣熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical properties of adsorbent and air

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及模型可靠性驗(yàn)證

2.1 凝膠吸附床吸附實(shí)驗(yàn)

凝膠吸附床的吸附實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示，吸附裝置框體由亞克力板構(gòu)成，框內(nèi)放置裝有懸掛銅臂的重力傳感器，用于懸掛和測(cè)量吸附過(guò)程中凝膠吸附床的質(zhì)量變化。采用風(fēng)機(jī)和熱線風(fēng)速儀控制吸附裝置的進(jìn)風(fēng)流量，采用溫濕度變送器測(cè)量空氣的進(jìn)口和出口溫濕度變化，采用恒溫恒濕箱(型號(hào)：H/HWHS-00L)控制空氣環(huán)境溫濕度，該恒溫恒濕箱溫度波動(dòng)度為0.5℃，相對(duì)濕度波動(dòng)度為1.0%。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將恒溫恒濕箱設(shè)定至所需工況，待到工況穩(wěn)定之后，將整個(gè)吸附裝置放置在恒溫恒濕箱中，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定風(fēng)量后，將干燥好的凝膠吸附床懸掛在重力傳感器中，測(cè)量凝膠吸附床實(shí)時(shí)質(zhì)量變化，重力傳感器精度為0.02 g。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄。

圖2 吸附實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Adsorption experiment devic

2.2 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為了確定PAM-LiCl 凝膠復(fù)合吸附劑平衡吸附量，需要對(duì)PAM-LiCl 進(jìn)行吸附動(dòng)力學(xué)研究。首先，制備PAM-LiCl 水凝膠復(fù)合吸附劑樣片[14]，放入麥克ASAP2020吸附儀中，控制質(zhì)量分析室中保持25℃的溫度，控制分析室中的水蒸氣相對(duì)壓力從0.05 逐步增加到0.75，得到PAM-LiCl的等溫平衡吸附量weq隨相對(duì)壓力的變化曲線，如圖3(a)所示。采用式(10)定義的吸附勢(shì)能，將溫度和壓力合并為單參數(shù)，進(jìn)而繪制出吸附量與吸附勢(shì)能的關(guān)系圖。如圖3(b)所示，由于PAM 基質(zhì)和氯化鋰顆粒的雙重影響，水凝膠復(fù)合干燥劑的吸附特征曲線包含三個(gè)部分[20]，即區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。為完整描述PAM-LiCl的平衡吸附特性，對(duì)三個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行擬合計(jì)算，其中第Ⅰ段采用D-A方程[式(8)]擬合，第Ⅱ和Ⅲ段分別采用線性擬合和指數(shù)擬合。所得平衡吸附方程及相關(guān)系數(shù)R2見(jiàn)表2。這些擬合方程用于式(9)吸附性能的模擬計(jì)算。

表2 PAM-LiCl的吸附特性曲線的擬合參數(shù)Table 2 Parameters of fitting equations for PAM-LiCl

圖3 PAM-LiCl的吸附特征曲線Fig.3 Sorption characteristic curves for PAM-LiCl

動(dòng)態(tài)吸附性能是吸附劑的另一重要參數(shù)，對(duì)凝膠吸附床的吸附-解吸速率有著重要的影響。在PAM-LiCl 吸附床中切割一片面積為100 mm2、厚度為1.5 mm 的PAM-LiCl 樣品，控制恒溫恒濕箱內(nèi)相對(duì)濕度保持在75%，分別測(cè)試樣品在5、15、25、35℃時(shí)的水蒸氣動(dòng)態(tài)吸附量。所測(cè)結(jié)果如圖4(a)所示。可以看出，PAM-LiCl在不同工況下的吸附動(dòng)態(tài)曲線趨勢(shì)相似。在初始階段，吸附量迅速增加，隨著吸附的進(jìn)行，吸附量逐漸增加，直至趨于飽和。采用LDF 模型[式(8)]對(duì)曲線進(jìn)行擬合，可得到PAM-LiCl在不同溫度下的吸附速率系數(shù)。圖4(b)展示了不同溫度下PAM-LiCl的吸附速率系數(shù)(Ks)，由圖可知，隨著溫度的升高，PAM-LiCl 的吸附速率系數(shù)也增大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是隨著溫度升高，水蒸氣分子活躍程度增強(qiáng)，傳質(zhì)系數(shù)增大，縮短了復(fù)合干燥劑達(dá)到吸附平衡的時(shí)間。

圖4 PAM-LiCl-CNT在不同溫度下的等溫吸附動(dòng)力學(xué)Fig.4 Isothermal sorption kinetics of PAM-LiCl-CNT under different temperature

3 結(jié)果與討論

3.1 模型可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，本文考察了網(wǎng)格數(shù)量以及時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，圖5(a)分別展示了網(wǎng)格數(shù)量為417467、663446、858015 個(gè)時(shí)吸附床平均吸附量隨時(shí)間的非穩(wěn)態(tài)變化曲線。可以看出，從相對(duì)粗糙的網(wǎng)格到相對(duì)細(xì)密的網(wǎng)格，計(jì)算結(jié)果最大偏差在1%以內(nèi)，表明40 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格數(shù)已達(dá)到了足夠的計(jì)算精度。為了驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，本文分別將高濕工況和低濕工況下仿真模型的計(jì)算結(jié)果與2.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照，其中高濕工況和低濕工況取自上海典型氣候工況(25℃&RH75%)和埃及哈爾加典型氣候工況(30℃&RH30%)。對(duì)照結(jié)果如圖5(b)所示，由圖可知，模擬值與實(shí)驗(yàn)值總體呈現(xiàn)良好的一致性。在低濕工況下，模擬值與實(shí)驗(yàn)值整體偏差較小，在高濕工況下，模擬值與實(shí)驗(yàn)值在前期（0～300 min）較為吻合，而在后期實(shí)驗(yàn)值比模擬值稍大，其主要原因是水凝膠在吸水后會(huì)發(fā)生溶脹現(xiàn)象，增大了吸附床與空氣的接觸面積，因此實(shí)驗(yàn)吸附量比模擬吸附量大。

圖5 模型驗(yàn)證Fig.5 Model validation

3.2 水凝膠吸附床傳熱傳質(zhì)特性

圖6、圖7 展示了在吸附過(guò)程中蜂窩狀水凝膠吸附床表面以及截面的水分吸附量分布情況，由圖可知，吸附床各處的吸附量并非均勻一致，越靠近吸附床表面或傳質(zhì)通道表面，吸附量越大。在0～300 min 階段時(shí)，由于吸附床吸附速率大于擴(kuò)散速率，水分在吸附床表面聚集，吸附床內(nèi)水分濃度梯度較大，之后隨著吸附速率的下降，吸附床內(nèi)的水分在濃度差作用下擴(kuò)散速率大于吸附速率，吸附床水分吸附量逐漸趨于均勻，最終在600 min 時(shí)水分吸附量分布達(dá)到相對(duì)均勻的狀態(tài)。蜂窩狀水凝膠吸附床中的傳質(zhì)通道增大了空氣與吸附床的接觸面積，增強(qiáng)了吸附床水分吸附量分布的均勻性。

圖6 25℃&RH75%吸附工況下蜂窩狀水凝膠吸附床水分吸附量分布云圖Fig.6 Adsorbed water distribution of the hydrogel adsorption bed under 25℃&RH75%adsorption condition

圖7 不同截面處水分吸附量分布云圖Fig.7 Adsorbed water distribution of different sections

圖8展示了凝膠吸附床平均溫度和出口空氣溫度隨時(shí)間的變化情況,由圖8可知，吸附床和空氣溫度的變化趨勢(shì)一致，在初始時(shí)刻溫度迅速升高，在10 min時(shí)，達(dá)到最高溫度，隨后溫度開(kāi)始回落。這一現(xiàn)象是因?yàn)樵诔跏嘉诫A段時(shí)，吸附床的水蒸氣吸附速率大，在空氣和吸附床表面放出了大量吸附熱，使吸附床和空氣溫度迅速升高，之后隨著溫度的上升和吸附床表面吸附量增大，導(dǎo)致吸附床吸附速率降低，吸附熱降低，并在與空氣的換熱下溫度逐漸降低。吸附床最大溫升為7.2℃，且降溫較快，表明吸附床有較好的換熱性能。

圖8 吸附床的平均溫度和出口空氣溫度隨時(shí)間的變化Fig.8 Temperature responses of adsorbent bed and air

3.3 吸附床結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響

本節(jié)研究了凝膠吸附床的孔隙度(傳質(zhì)孔道體積與吸附床總體積的百分比)和厚度對(duì)吸附/解吸性能的影響，不同孔徑對(duì)應(yīng)的孔隙度如表3 所示。水凝膠吸附床總吸水質(zhì)量和平均吸附速率隨著孔隙度增大的變化關(guān)系如圖9(a)所示，在600 min 的吸附時(shí)長(zhǎng)下，隨著孔隙度的增大，凝膠吸附床的平均吸附速率持續(xù)增大，而總吸水質(zhì)量總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，孔隙度在20%時(shí)，蜂窩狀水凝膠吸附床有最大總吸水質(zhì)量。這一現(xiàn)象的主要原因是增大凝膠吸附床的孔隙度，將增大水蒸氣與吸附劑的傳質(zhì)面積，從而減小了吸附床整體的傳質(zhì)阻力，增大了平均吸附速率，因此吸附床平均吸附速率隨著孔隙度的增大而增大。與此同時(shí)，增大吸附床孔隙度也必將減少吸附劑質(zhì)量，吸附床的最大吸水量也將減少。出于吸水總量最大化的角度考慮，應(yīng)當(dāng)控制吸附床傳質(zhì)通道孔隙度在20%。

表3 不同孔徑對(duì)應(yīng)的孔隙度Table 3 Porosity corresponding to different pore sizes

圖9(b)展示了水凝膠吸附床的厚度對(duì)其平均吸附量的影響，在25℃&RH 75%吸附工況下，隨著厚度的增加，水凝膠吸附床的平均吸附量從1.39 g/g逐漸減小至0.84 g/g，這是因?yàn)楹穸鹊脑龃髸?huì)導(dǎo)致水凝膠吸附床內(nèi)部水分?jǐn)U散阻力增大，從而降低了吸附床整體的傳質(zhì)系數(shù)，導(dǎo)致吸附床性能降低。水凝膠吸附床傳質(zhì)阻力并不是隨著厚度的增加而線性增加，其厚度從5 mm 增至10 mm 時(shí)，平均吸附量降低了0.31 g/g，而厚度從10 mm增至15、20和25 mm時(shí)，平均吸附量逐步降低了0.13、0.07 和0.048 g/g。隨著水凝膠吸附床厚度的增加，厚度對(duì)吸附床吸附性能影響越來(lái)越弱。但為了保證吸附床的吸附性能，吸附床厚度不可一直增加。

圖9 吸附床結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響Fig.9 Effect of adsorption bed geometry on performance

3.4 工況對(duì)吸附床的性能影響

為研究蜂窩狀水凝膠吸附床在不同工況下的吸附或解吸特性，本文對(duì)吸附床進(jìn)行了變工況模擬。圖10展示了在不同空氣風(fēng)速的情況下，水凝膠吸附床平均吸附量隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖10 可知，在其他工況保持不變的情況下，隨著風(fēng)速的增加，水凝膠吸附床的平均吸附量有不同程度的增大。這是因?yàn)殡S著風(fēng)速的增加，空氣擾動(dòng)加劇，邊界層變薄，減小了吸附床表面的傳熱傳質(zhì)阻力，從而增大了吸附量。其中將空氣流速?gòu)?.6 m/s 增至1.6 和2.6 m/s 時(shí)，水凝膠吸附床的吸附量提高比較顯著，在600 min 的吸附時(shí)長(zhǎng)內(nèi)吸附量分別提高了12.5% 和16.6%。而將空氣風(fēng)速?gòu)?.6 m/s 增至4.6 m/s 時(shí)，吸附量卻幾乎不變。這表明當(dāng)風(fēng)速足夠大(大于3.6 m/s)時(shí)，吸附床邊界傳質(zhì)阻力達(dá)到足夠小，此時(shí)影響水蒸氣吸附量的主要因素是吸附床內(nèi)部的水分?jǐn)U散阻力，因此無(wú)法再通過(guò)增加風(fēng)速來(lái)提高吸附床的吸附量。

圖10 空氣流速對(duì)吸附性能的影響Fig.10 Effect of air flow rate on performance of adsorption bed

圖11 展示了不同的入口空氣溫度對(duì)水凝膠吸附床解吸量的影響。由圖可知，在相對(duì)濕度均為10%的情況下，水凝膠吸附床的解吸速率隨著解吸溫度的升高而升高。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，吸附床表面的吸附勢(shì)能減小，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)增大，同時(shí)溫度的升高也增大了吸附劑與空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)，因此提升了吸附床的解吸效率。480 min的解吸時(shí)間下，當(dāng)空氣溫度為50℃，水凝膠吸附床能釋放92.5%左右的被吸附水量，當(dāng)空氣溫度達(dá)到60℃，吸附床水分能完全解吸。這表明蜂窩狀水凝膠吸附床有較好的解吸性能，采用較低溫度的熱源也能解吸大部分的水量，因此可以利用低品位熱源對(duì)吸附床進(jìn)行解吸。

圖11 空氣溫度對(duì)吸附床解吸性能的影響Fig.11 Effect of air temperature on desorption performance of adsorption bed

4 結(jié) 論

本文對(duì)PAM-LiCl 水凝膠復(fù)合吸附劑進(jìn)行了吸附動(dòng)力學(xué)研究，建立了一種描述蜂窩狀水凝膠吸附過(guò)程的三維瞬態(tài)模型，利用數(shù)值模擬方法研究了吸附床幾何尺寸、工況對(duì)水凝膠吸附床的性能的影響，得到如下結(jié)論。

(1)蜂窩狀吸附床各處的吸附量存在明顯差異，蜂窩結(jié)構(gòu)有利于促進(jìn)水分吸附量分布的均勻性。吸附床在10 min 左右達(dá)到最高溫度，溫升為7.2℃，吸附床換熱性能較好。

(2)蜂窩狀水凝膠吸附床的結(jié)構(gòu)對(duì)性能有很大影響，在相同厚度下，增大吸附床的孔隙度能提高平均吸附速率，但其總吸水量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)孔隙度為20%時(shí)，蜂窩狀水凝膠吸附床有最大的總吸水質(zhì)量。在相同孔隙度情況下，吸附床厚度越薄，平均吸附量越大。

(3)當(dāng)風(fēng)速小于3.6 m/s時(shí)，提高入口風(fēng)速能顯著提高蜂窩狀水凝膠吸附床的平均吸附量，當(dāng)風(fēng)速大于3.6 m/s 時(shí)，風(fēng)速對(duì)吸附床平均吸附量的影響非常微弱，可忽略不計(jì)。

(4)PAM-LiCl 水凝膠吸附床解吸速率隨空氣溫度的升高而升高，在60℃&RH10%的空氣下，吸附床在480 min能完全解吸出吸附的水分。