吸收式制冷原理

第五章溴化锂吸收式制冷循环AbsorptionRefrigeration吸收式制冷目前在日本、中国和韩国得到了较普遍的应用。随着我国西气东输工程的实施和天然气的引进或开采，吸收式制冷正在制冷空调中发挥重要作用。充分利用余热的冷热电联产系统将使得吸收式制冷必不可少；广泛的燃气供应，以及夏季燃气低谷和用电高峰，可以使得燃气直燃式吸收式空调得到更广泛的应用。我国在吸收制冷设计和制造方面处于国际先进水平，出现了江苏双良，长沙远大，大连三洋等一系列著名品牌。前言第一节吸收式制冷的基本原理气体制冷剂回复到液体状态制冷剂蒸发吸收热量制冷（利用吸收方式）基本原理基本原理吸收式制冷利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸气，在另一种条件下又能吸收低沸点组分这一特性完成制冷循环。目前吸收式制冷机多用二元溶液，习惯上称低沸点组分为制冷剂，高沸点组分为吸收剂。基本原理吸收式与蒸气压缩式制冷循环的比较(a)蒸气压缩式制冷循环；(b)吸收式制冷循环基本原理整个系统包括两个回路：制冷剂回路溶液回路吸收式制冷是利用工质对的质量分数变化，完成制冷剂的循环，因而被称为吸收式制冷。基本原理发生器和冷凝器（高压侧）与蒸发器和吸收器（低压侧）之间的压差通过安装在相应管道上的膨胀阀或其它节流机构来保持。在溴化锂吸收式制冷机中，这一压差相当小，一般只有6.5～8kPa，因而采用U型管、节流短管或节流小孔即可。基本原理发生器generator吸收式制冷机中，通过加热析出制冷剂的设备。吸收器absorber吸收式制冷机中，通过浓溶液吸收剂在其中喷雾以吸收来自蒸发器的制冷剂蒸气的设备。基本原理综上所述，溴化锂吸收式制冷机的工作过程可分为两个部分：(1)制冷剂循环发生器中产生的冷剂蒸气在冷凝器中冷凝成冷剂水，经U形管进入蒸发器，在低压下蒸发，产生制冷效应。这些过程与蒸气压缩式制冷循环在冷凝器、节流阀和蒸发器中所产生的过程完全相同；(2)溶液循环发生器中流出的浓溶液降压后进入吸收器，吸收由蒸发器产生的冷剂蒸气，形成稀溶液，用泵将稀溶液输送至发生器，重新加热，形成浓溶液。这些过程的作用相当于蒸气压缩式制冷循环中压缩机所起的作用。压缩式与吸收式制冷的异同高压制冷剂蒸气在冷凝器中冷凝后，经节流元件节流，温度和压力降低，低温、低压液体在蒸发器内汽化，实现制冷。共同点压缩式与吸收式制冷的异同消耗的能量不同蒸发压缩式制冷机消耗机械功，吸收式制冷机消耗的是热能。吸收制冷剂蒸气的方式不同利用液体蒸发连续不断地制冷时，需不断地在蒸发器内产生蒸气。蒸气压缩式用压缩机A吸收此蒸气，吸收式制冷机用吸收剂在吸收器内吸取制冷剂蒸气。将低压制冷剂蒸气变为高压制冷剂蒸气时采取的方式不同蒸气压缩式制冷机通过原动机驱动压缩机完成，吸收式制冷机则是通过吸收器、溶液泵、发生器和节流阀完成。提供的冷源温度不同蒸气压缩式制冷可以提供0℃以下的低温冷源，应用范围广泛；而吸收式制冷一般只能制取0℃以上的冷水，多用于空调系统。不同点工质不同压缩式制冷吸收式制冷单组分或多组分工质双组分工质对溴化锂－水氨－水吸收剂制冷剂高沸点组分低沸点组分压缩式与吸收式制冷的异同不同点吸收剂对吸收剂的要求：1)有强烈吸收制冷剂的能力；2)在相同压力下，它的沸腾温度应比制冷剂的沸腾温度高得多；3)不应有爆炸、燃烧的危险，并对人体无毒害；4)对金属材料的腐蚀性小；5)价格低，易获得。可供考虑使用的制冷剂--吸收剂溶液很多，按溶液中含有的制冷剂种类区分，可分为水类、氨类、乙醇类和氟里昂类。吸收式制冷的特点(1)可以利用各种热能（蒸气、废热、余热、燃油、燃气等）驱动；(2)可以大量节约用电；(3)结构简单，运动部件少，安全可靠；(4)对环境和大气臭氧层无害。热力系数评价指标：吸收式制冷机所消耗的能量主要是热能，常以热力系数作为其经济性评价指标。热力系数是吸收式制冷机所制取的制冷量QO与消耗的热量Qh之比：hQ＝Q/0最大热力系数因此，最大热力系数为：逆卡诺循环的制冷系数卡诺循环的热效率热力完善度热力系数与最大热力系数之比，称为热力完善度。最大热力系数可逆吸收式制冷循环是卡诺循环与逆卡诺循环构成的联合循环。吸收式制冷机与由热机直接驱动的压缩式制冷机相比，在对外界能量交换的关系上是等效的。只要外界的温度条件相同，二者的理想最大热力系数是相同的。压缩式制冷机的制冷系数应乘以驱动压缩机的动力装置的热效率后，才能与吸收式制冷机的热力系数进行比较。可逆吸收式制冷循环第二节吸收式制冷机的溶液热力学基础两种互相不起化学作用的物质组成的均匀混合物称为二元溶液。吸收式制冷工质对是一种二元溶液,其质量分数是以溶液中溶质的质量百分数表示的。二元溶液的质量分数w溴化锂水溶液的质量百分数：%100)/(2LiBrOHLiBrmmmw二元溶液的摩尔分数是以溶液中溶质的摩尔百分数表示的。二元溶液的摩尔分数溴化锂水溶液的摩尔分数：%100/2LiBrOHLiBrnnnx拉乌尔定律：在一定温度下，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。气液相平衡0AAAppx0BBBppx，对于二元溶液，总饱和蒸气压等于两组分的蒸气压之和：0000(1)AABBAABAppxpxpxpx（）11ABAB因为yy，xx，因此气液相平衡OHOHLiBrLiBrOHOHpppp2020202020OHLiBrpp对于溴化锂水溶液，由于溴化锂的沸点比水高得多，因此：即气相中只有水蒸气。混合现象两种液体混合时容积和温度的变化混合现象混合热：每生成1kg混合物所需要加入或排出的热量，称为混合物的混合热。两种液体混合前的比焓：混合后的比焓：二元溶液的温度—浓度图封闭容器内二元溶液的定压气化泡点露点二元溶液在不同压力下的温度-浓度图二元溶液在不同压力下的温度-浓度关系封闭容器内二元气态溶液的定压冷凝二元溶液的温度—浓度图二元溶液的的特性（小结）纯物质在一定压力下只有一个饱和温度，其定压气化或冷凝过程是定温过程。而二元溶液在一定压力下的饱和温度却与浓度有关。随着溶液的气化，剩余液体中低沸点物质含量的减少，其温度将逐渐升高。所以，二元溶液的定压气化过程是升温过程。同理，二元气态溶液的定压冷凝过程则是降温过程。湿蒸气中饱和液与饱和气的温度相同而浓度不同，饱和液的浓度低于湿蒸气的浓度，饱和气的浓度高于湿蒸气的浓度。对于一定浓度的二元溶液，其饱和温度随压力的增加而上升。纯物质的饱和液或饱和气状态点只需压力或温度二者中一个参数即可确定，而二元溶液的饱和液或饱和气状态点必须由压力、温度、浓度中任意两个参数确定（p-t图）。溶解和结晶0℃以上，溴化锂极易溶于水，0℃时饱和浓度为55％；溴化锂在水中的溶解度随温度的降低而降低，溶液的浓度不宜超过66％，否则运行中，当溶液温度降低时，将有溴化锂结晶析出的危险性，破坏循环的正常运行。溴化锂的结晶线很陡峭，浓度略有变化，结晶温度相差很大。溴化锂水溶液的特性溴化锂结晶线图2-134溴化锂溶液的液固相平衡图吸收能力溴化锂水溶液的水蒸气分压比同温度下纯水的饱和蒸汽压小得多，故在相同压力下，溴化锂水溶液具有吸收温度比它低得多的水蒸气的能力，这是溴化锂水溶液能作为吸收式制冷工质对的原因。如浓度为58％的溴化锂水溶液在温度为32℃时，溶液水蒸气分压力为479Pa，纯水在32℃时为4759Pa；溴化锂水溶液浓度越高，它对水蒸气的吸收能力越强。溴化锂水溶液的特性一个大气压下：水的沸点100℃溴化锂的沸点1265℃溴化锂与水的沸点溴化锂水溶液的特性由于溴化锂的沸点比水高得多，溴化锂水溶液在发生器中沸腾时只有水汽化，生成纯冷剂水，故不需要蒸汽精馏设备，系统较为简单，热力系数较高。腐蚀性对一般金属（炭钢、紫铜等）有强腐蚀性，有空气（氧气）存在时腐蚀性更为严重。运行时控制腐蚀方法：严格保持系统内的真空度（真空泵）；在溶液在加缓蚀剂减缓腐蚀。溴化锂水溶液的特性毒性溴化锂水溶液无毒，有镇静作用，大量服用有害；对皮肤无刺激作用（微痒感）；加入缓蚀剂后视缓蚀剂的种类有不同的毒性。溴化锂水溶液的特性溴化锂水溶液的压力-饱和温度图（P-T）图纯水的P-T线结晶线溴化锂水溶液的压力-饱和温度图（P-T）图温度越低，溴化锂水溶液的饱和浓度也越低。因此，溴化锂水溶液的浓度过高或温度过低时均易于形成结晶，这是溴化锂吸收式制冷机设计和运行中必须注意的问题。在一定温度下，溶液面上水蒸气饱和分压力低于纯水的饱和分压力，而且溶液的浓度越高，液面上水蒸气饱和分压力越低，则溶液的吸水性越强。相同压力时，随着浓度的升高；对应的溶液饱和温度上升溴化锂水溶液的压力-饱和温度图（P-T）图P-T图除了可以用来确定溶液的状态参数外，还常被用来表示溴化锂水溶液热力状态的变化及溴化锂吸收式制冷的工作循环过程。ABCDAB:溶液在发生器中的等压加热浓缩过程，称为发生过程CD:溶液在吸收器中的等压冷却稀释过程，称为吸收过程BC:浓溶液在热交换器中的冷却过程；DA:稀溶液在热交换器中的加热过程；溴化锂水溶液的压力-饱和温度图（P-t）图这两个过程因为没有发生传质现象，因此溶液的浓度不变。P-T图由于没有反映比焓的变化，因此不能用P-T图进行吸收式制冷循环的热力计算。为了进行热力计算，常用比焓－浓度图（h-）。w溴化锂水溶液的比焓浓度图比焓-浓度图不但可以求得溶液的状态参数，还可以将溶液的热力过程清楚地表示出来，是进行吸收式制冷循环的理论分析，热力计算和运行特性分析的主要图表。其用途相当于蒸气压缩制冷中的压－焓图。气相区液相区溴化锂水溶液的比焓浓度图ABC四个参数：温度浓度水蒸气压比焓只要知道任意2个，就可以查出另外2个注意：等压线反映的是溶液所具有的水蒸气压，而不是溶液的压力。只有处于相平衡时，溶液的压力才等于其水蒸气压。第三节溴化锂吸收式制冷机图5-1单筒单效蒸汽型溴化锂冷水机组1－冷凝器2－发生器3－蒸发器4－吸收器5－溶液热交换器6－溶液泵I7－冷剂泵8－溶液泵II图5-2双筒单效溴化锂吸收式制冷机的典型结构结构型式单筒类型双筒类型三筒类型图5-1为一种单筒型单效溴化锂冷水机组理想循环在h-w图上的表示点2：稀溶液出吸收器的状态。t2、wa2-7：稀溶液。t↑、w=C7-5：稀溶液在发生器中的等浓度加热过程。t7↑—t55-4：发生器内蒸汽发生过程。t5↑t4,wa↑wr点4：发生器出口浓溶液状态，wr,t44-8：浓溶液在热交换器中的预冷过程，t4↓—t8，wr=C8-9’：浓溶液与稀溶液的混合过程。wo,t9ˊ9’-9：混合溶液出吸收器喷嘴的闪发过程,wo↑—w99-2：喷淋液在吸收器的吸收过程,w,t↓3’-3：发生器产生的蒸汽在冷凝器的冷凝过程。压力pk3-1’:冷剂水经U形管产生部分闪发（1’），未闪发冷剂水（1）进蒸发器被吸收器中喷淋的混合溶液吸收。完成一个制冷循环。图5-2溴化锂吸收式制冷的h-w图（右图为溶液在h-w图上的循环）(1)理想溴化锂制冷循环循环倍率和放气范围系统中每产生1kg制冷剂所需要的制冷剂-吸收剂溶液的kg数，称为溶液的循环倍率，用a表示。对发生器进行溶质守恒计算：放气范围，表示浓溶液与稀溶液的浓度差arwa.qmf=(qmf-qmd)wr+0.qmd令a=qmf/qmd解出a=wr/wr-wamfmdqqPgPk，两者之差是发生器与冷凝器之间的压力损失。当加热温度不变时，等温线5—5不变，如图5-3。由于发生器的压力由Pk↑到Pg，本来在5点可以沸腾的稀溶液在5，点才开始沸腾，降低了开始发生蒸汽的浓度，由wa↓为wa’。由于w↓使溶液的含水量增加，从而使逸出溶液的水量减少，制冷剂流量qmd↓，造成制冷量↓，（wa—wa’）称发生不足。另一方面在加热温度不变的情况下，由于压力由Pk↑到Pg，溶液的饱和压力（温度）也↑，溶液产生蒸汽的过热度↓，这也使蒸汽的蒸发量↓，制冷量↓。(2)实际循环与理想循环的比较从图上也可以看到5‘点的水蒸汽焓比5点的水蒸汽