制冷原理与设备多媒体课件 第五章 吸收式制冷机的溶液热力学原理

第五章吸收式制冷机的溶液热力学基础主讲教师：张超中原工学院能源与环境学院制冷原理与设备主要内容5.1溶液、溶液的成分5.2相、独立组分数、自由度和相律5.3理想溶液两组分体系的相图5.4溶解与结晶、吸收与解析、蒸馏与精馏5.5两组分体系的焓－浓度图5.6稳定流动下溶液的混合与节流5.1溶液、溶液的成分一、溶液1）定义由两种或两种以上的物质所组成的均匀、稳定的体系2）分类气体溶液、液态溶液、固态溶液3）溶剂在液态溶液中，能溶解其它物质的组分4）溶质在液态溶液中，被溶解的物质5）二元溶液由两个组分组成的溶液，如氨水溶液和溴化锂—水溶液5.1溶液、溶液的成分二、溶液的成分1）定义表示各组分全溶液中所占的百分比。常见的表示方法有两种：质量分数和摩尔分数2）质量分数溶液中某一组分的质量与溶液总质量之比2）摩尔分数溶液中某一组分的摩尔数与溶液的总摩尔数之比iimmiinxn5.2相、独立组分数、自由度和相律一、相体系内物理和化学性质完全均匀一致的部分称为相。二、独立组分数独立组分是平衡体系中能独立存在的物质。组分的数目称为组分数。三、自由度体系的自由度指体系的独立可变因素，如温度、压力、浓度等四、相律体系处于平衡状态时、它的自由度、相数和组分数之间存在着一定的关系。这个关系称为相律(或称吉普斯方程)2fk自由度（）组分数（）相（）五、举例1）单组分体系对于单组分体系，k＝1；若为单纯气体，则＝1，因f＝2，此只要确定二个状态参数，体系的状态就确定了；对于饱和水和水蒸气构成的体系，则＝2，因f＝1，此时只要—个状态参数确定，体系的状态就确定了。2）二组分体系对于两组分体系，例如吸收式制冷机中常用的氨—水溶液或溴化锂－水溶液，k＝2；当二元溶液处于汽、液两相平衡状态时，＝2，则f＝2。此时只需要知道两个独立的状态参数，其它状态参数就可随之而确定。5.2相、独立组分数、自由度和相律5.3理想溶液两组分体系的相图一、溶液的相平衡判定标准：气、液两相从一相转移到另一相的速度恰好与相反方向的转移速度相等，系统中各部分的全部状态参数值都保持不变。二、p-x图1.拉乌尔定律在一定温度下，两组分理想溶液任一组分的蒸气分压等于其纯组分的饱和蒸气压乘以该组分在液相中的摩尔分数0000ABABABAAABBBABABABppxppxppppx、：分别为组分、的蒸气分压、：分别为组分、的饱和蒸气压、x：分别为组分、在液相中的摩尔分数5.3理想溶液两组分体系的相图2.道尔顿分压定律在一定温度下，溶液中某一组分的蒸气分压等于溶液的饱和蒸气压乘以该组分在气相中的摩尔分数，而二元溶液的饱和蒸气压等于各组分的蒸气分压之和0000ABABABABAAAABBBBABABABABABppypxppypxppppyyppppx：溶液的饱和蒸气压、：分别为组分、在气相中的摩尔分数、：分别为组分、的蒸气分压、：分别为组分、的饱和蒸气压、x：分别为组分、在液相中的摩尔分数5.3理想溶液两组分体系的相图2.p-x图0000,A,AAAABBBBAAAABBypxppypxyxyxyx若为易挥发组分，则，则说明易挥发组分在气相中的摩尔分数大于在液相中的摩尔分数理想溶液两组分体系的p-x图5.3理想溶液两组分体系的相图3.T-x图T-x图即为二组分理想溶液的等压线图，既可以由实验数据获得，也可以由p-x图获得（如右图所示）5.3理想溶液两组分体系的相图4.杠杆规则CDnnCEnn液气液气：液相摩尔数：气相摩尔数5.4溶解与结晶、吸收与解析、蒸馏与精馏一、溶解与结晶1.溶解当把固体溶质（如溴化锂）放人溶剂（如水）中，溶质表面上的分子（或离于）由于本身的振动和受到溶剂分子的吸引，脱离溶质表面并均匀地扩散到溶剂中而形成溶液，这个过程称为溶解2.溶解热在溶解过程中，住往伴随着热量的放出或吸收，称为溶解热3.结晶一定温度下的饱和溶液，当温度降低时，溶解度减小，溶液中就有固体溶质的晶体析出，这种现象称为结晶5.4溶解与结晶、吸收与解析、蒸馏与精馏二、吸收与解析1.吸收在外界参数p1、t1下，气相与液相处于平衡状态，如果将溶液的温度降低到t2，显然，与此温度相对应的气、液相浓度均增大；当溶液尚未达到这个浓度前，溶液处于非平衡状态，具有吸收蒸气的可能性。这种状态我们称为可吸收状态。2.解析与吸收过程相反，将溶解于溶液中的气体自溶液中析出的过程三、蒸馏与精馏1.蒸馏一种溶液的蒸发和冷凝过程2.精馏多次重复这种蒸发和冷凝的过程5.4溶解与结晶、吸收与解析、蒸馏与精馏5.5两组分体系的焓－浓度图一、焓－浓度图上的等温线对于用两种组分等温混合成的理想溶液，混合时的热效应为零1212(1)1//:/hhhhkgkJkghkJkghkJkg溶液溶液：溶液的比焓，：第一种组分的比焓，第二种组分的比焓，：第一种组分的质量浓度改变压力时，因气体组分的焓值随压力的变化而变化，混合气体的等温线将相应地发生变化，形成—组新的等温线；液体组分的焓值虽然也随压力而变化，但变化很小，因此压力改变时，液体的等温线几乎不变，可用一组等温饱和液线表示。5.5两组分体系的焓－浓度图二、焓－浓度图上的等压饱和线等压饱和线包括等压饱和液线和等压饱和气线。它们可根据实验数据画在焓－浓度图上，也可从温度－浓度图上的等压线和焓－浓度图上的等温线联合求得在焓－浓度图上有如下参数曲线(1)一组液体等温线；(2)若干组气体等温线；(3)一组等压饱和气线；(4)一组等压饱和液线。5.5两组分体系的焓－浓度图三、氨水的焓－浓度图因为气相的等温线随压力而变，全部画在图上影响到图的实用性。为了求得饱和气相的温度，在图上给出一组平衡辅助线，利用辅助线求出等压饱和气线上各点的温度。采用的方法称为直角三角形试凑法5.5两组分体系的焓－浓度图四、溴化锂水溶液的焓－浓度图在气相区只有水蒸气，水蒸气的状态点都处于溴化锂浓度为零的纵坐标线上5.5两组分体系的焓－浓度图五、溴化锂水溶液的p-t图溴化锂水溶液的p-t图表明了溴化锂溶液中压力、温度和浓度之间的关系。用途：在双效或直燃式溴化锂吸收式制冷机的热力计算中，如果缺乏高温区溴化锂溶液的焓－浓度图（国产溴化锂水溶液的焓－浓度图中，最高温度为120℃），高温区状态点的焓值的确定可首先籍助于溴化锂溶液的p-t图，由溶液的浓度和压力，在p-t图上确定溶液的温度，然后通过计算的方法来确定其焓值。5.6稳定流动下溶液的混合与节流一、两股两组分溶液的绝热混合第一股溶液参数：第二股溶液参数：绝热混合后参数：根据质量守恒和能量守恒312331122331122mmmmmmmmmqqqqqqqhqhqh33333,,,,mtphq22222,,,,mtphq11111,,,,mtphq5.6稳定流动下溶液的混合与节流一、两股两组分溶液的绝热混合联立求解得到：2312112231211231312121()()()mmmmmmqqqqhhhhqqhhhh5.6稳定流动下溶液的混合与节流一、两股两组分溶液的绝热混合举例：饱和氨水溶液1：氨水溶液2：绝热混合，混合后溶液状态：先确定1点、2点位置，再利用公式计算浓度最后根据直角三角形法确定温度111100,0.7845,0.0556/mtCpMPaqkgs22220,0.7845,0.1112/,0.7mtCpMPaqkgs2312112()mmmqqq5.6稳定流动下溶液的混合与节流二、两股两组分溶液的非绝热混合第一股溶液参数：第二股溶液参数：绝热混合后参数：根据质量守恒和能量守恒Q为溶液与外界的热交换率312331122331122mmmmmmmmmqqqqqqqhQqhqh33333,,,,mtphq22222,,,,mtphq11111,,,,mtphq5.6稳定流动下溶液的混合与节流二、两股两组分溶液的非绝热混合联立求解得到：2312112231211212()()mmmmmmmmqqqqQhhhhqqqq5.6稳定流动下溶液的混合与节流二、两股两组分溶液的非绝热混合举例：饱和氨水溶液1：饱和氨蒸气2：混合成压力为0.1961MPa的饱和氨水溶液，求混合，混合后溶液状态：先确定1点、2点位置，再利用公式计算3点浓度和Q11150,0.1961,0.139/mtCpMPaqkgs220.1961,0.0139/,1.0mpMPaqkgs2312112231211212()()mmmmmmmmqqqqQhhhhqqqq5.6稳定流动下溶液的混合与节流三、节流因为节流时溶液与外界的热交换时间很短，通常看成是绝热，所以节流前后的焓值、浓度均不变第五章思考题1、简述T-x图的获得方法。2、简述精馏的基本原理。3、简述焓－浓度图的基本内容。5、焓－浓度图上的饱和液线和饱和气线是如何得到的。6、简述氨水溶液和溴化锂水溶液焓－浓度的不同点。7、简述两股两组分溶液绝热、非绝热混合后溶液参数的计算方法。8、溶液节流前后的状态点的位置在焓－浓度图上是否改变？其参数是如何变化的？