第二章制冷剂与吸收剂

TianjinUniversityofCommerce第二章制冷剂与吸收剂TianjinUniversityofCommerce§2-1制冷剂与吸收剂应具有的性质一．制冷剂应具有的性质作为制冷剂的物质，必须具有某些化学、物理和热力学性质，以使制冷机在运行中能有较好的经济性，效率高和有一定的安全性。制冷剂应具有以下一些主要性质：1.蒸发压力不要太低；冷凝压力不要过高；2.蒸发潜热大，以减小制冷剂的循环量；TianjinUniversityofCommerce3.比容小；4.热力系数高；5.传热系数高；6.液相和气相的粘度都低；7.化学性质不活泼，和金属等不化合，稳定性好；8.无毒和无刺激性；9.无可燃性和爆炸性；10.容易检出外漏的气体；11.对大气环境没有破坏作用；12.价格便宜，容易获得。TianjinUniversityofCommerce二．吸收剂应具有的性质1.在相同压力下，吸收剂的沸点比制冷剂的高，而且相差的越大越好；2.具有强烈地吸收制冷剂的能力；3.无毒、无臭、不燃烧、不爆炸，安全可靠；4.对金属材料的腐蚀性小；5．价格低廉。易于获得。TianjinUniversityofCommerce三．二元溶液分类二元溶液根据两个组分沸点相差的程度，可以分为三类：第一类：两组分沸点相差很大，溶质可看作是不挥发的，溶液沸腾时它的气相只是低沸点组分；（如溴化锂溶液）第二类：两组分的沸点相差不大，当溶液沸腾时，它的气相中除了沸点较低的组分外，还包含有沸点较高的组分；（如氨水溶液）TianjinUniversityofCommerce第三类：T-X图有极值存在的溶液，当溶液具有此点的成分时，它将在一恒定的温度下沸腾，而且气相成分与液相的成分完全相同。对于第三类溶液，当其气相成分与液相的成分完全相同时，不能采用精馏的方法获得纯组分，因此不能作为吸收式制冷机的工质。TianjinUniversityofCommerce§2-2溴化锂溶液的性质溴化锂水溶液是由固体的溴化锂溶解在水中而成的。在常压下，水的沸点是100℃，而溴化锂的沸点是1265℃，两者相差1165℃。一.水作为制冷剂的特点优点：1.价格低廉，取用方便；2.汽化潜热大；3.无毒、无味、不燃烧、不爆炸。缺点：常压下蒸发温度高，当蒸发温度降低时，蒸发压力也很低；蒸汽的比容大；不能制取0℃以下的低温。TianjinUniversityofCommerce二.溴化锂水溶液的性质锂是碱金属族，溴是卤素族，溴化锂的化学性质大体上与食盐类似，是一种稳定的物质，在大气中不会变质，也不会分解和挥发，而且无毒。无水溴化锂：LiBr分子量86.856，成分Li7.99%，Br92.01%。比重3.464（25℃），熔点547℃，沸点1265℃。外观无色结晶颗粒。溴化锂具有强烈地吸水性，极易溶于水。TianjinUniversityofCommerce溴化锂水溶液具有下列特点：1．无色液体，有咸味，无毒，加入铬酸锂后溶液呈淡黄色；2．水蒸汽分压很小，它比同温度下纯水的饱和蒸汽压小的多，故有强烈的吸湿性；溶液浓度（%）溶液温度（℃）溶液水蒸汽的分压力（mmHg）水在同温度下的饱和蒸汽压力（mmHg）水在相应压力下的饱和温度（℃）58586262324250953.67.37.367.535.761.592.4634.0零下6.56.543.5TianjinUniversityofCommerce3．溴化锂在水中的溶解度随温度的降低而降低，很容易产生结晶；一定温度下的溴化锂饱和水溶液，当温度降低时，由于溴化锂在水中溶解度的减小，溶液中多余的溴化锂就会与水结合成含有1、2、3或5个水分子的溴化锂水合物晶体析出，形成结晶现象。TianjinUniversityofCommerce4．溴化锂溶液对黑色金属和紫铜管等普通材料有强烈的腐蚀性，有空气存在时情况更为严重，因腐蚀而产生的不凝性气体对装置的制冷量影响较大；防腐蚀的最根本的方法是保持高度真空，尽可能不让氧气侵入。此外在溶液中添加各种缓蚀剂也可以有效地抑制溴化锂溶液对金属的腐蚀。常见的缓蚀剂有铬酸盐、钼酸盐及锑、铅、砷的氧化物。还有一些有机物，如苯并三唑（C6H4N3H）、甲苯三唑TTA(C6H3N3HCH3)等在溴化锂溶液中也可作为缓蚀剂。在溴化锂溶液中加入0.1%～0.3%的铬酸锂，并通过加入氢氧化锂使溶液的PH值为9～10.5范围内，可以有良好的缓蚀作用。TianjinUniversityofCommerce5．溴化锂溶液的密度与温度、质量分数有关；溴化锂溶液的密度比水大，当温度一定时，随着质量分数增大，其密度增大；如质量分数一定，则随着温度的升高，其密度减小。TianjinUniversityofCommerce6．在一定温度下。随着质量分数的增大，粘度急剧增大；在一定质量分数下，随着温度升高，粘度下降。7．溴化锂溶液的表面张力与温度和质量分数有关：质量分数不变时，随温度的升高而降低；温度不变时，随质量分数的增大而增大。8．溴化锂溶液的比热很小。TianjinUniversityofCommerce§2-3溴化锂溶液的热力状态图一.溴化锂溶液的p-t图溴化锂溶液的p-t图是根据同一质量分数下处于相平衡的溴化锂溶液的水蒸气压随温度变化的关系绘制的，是溴化锂溶液最基本的热力图表之一。在溴化锂溶液的p-t图上有三个状态参数：温度、质量分数和水蒸气压，只要知道其中任何两个，另外一个便可通过p-t图确定。TianjinUniversityofCommerceTianjinUniversityofCommerce例：已知溴化锂溶液的温度为87℃，压力为9.31kPa(70mmHg),查得溶液的浓度为58%。对A点的溶液等压加热，温度升高，溶液中的水分被蒸发出来，溶液的浓度增大。A-B是等压沸腾过程。B-A是等压吸收过程。TianjinUniversityofCommerce二.溴化锂溶液的比焓-浓度图（h-ξ图）h-ξ图描述溴化锂溶液的水蒸气压、温度、质量分数和比焓之间的关系。在吸收式制冷机中，常计算溶液的焓差，求取在产生蒸气过程中和吸收蒸气过程中的热量交换，因此h-ξ图是非常有用的。TianjinUniversityofCommerceh-ξ图是进行溴化锂吸收式循环过程的理论分析、热力计算和运行特性分析的主要图表。h-ξ图的作用：1.可以确定溴化锂溶液的状态参数；2.可以将溴化锂吸收式机组中溶液的热力过程清楚地表示出来。TianjinUniversityofCommerceTianjinUniversityofCommerceh-ξ图的纵坐标为溶液的焓值，横坐标为溶液的质量百分浓度。图的下半部分为液相部分，由等温线簇（虚线）和等压线簇（实线）组成；图的上半部分为汽相部分，因为汽相中只要水蒸气的组分，所以汽相部分只有作辅助线的等压线簇，而汽相点则在纵坐标上。溴化锂溶液的比焓可以根据溴化锂的比焓和水的比焓及溴化锂在水中溶解时的熔解热q，由下式求得：qhhhlHll)1(式中——溶液的质量分数（%）。l（3-1）TianjinUniversityofCommerceq前取负号是因为溴化锂溶解与水中是放热过程。假定溴化锂和水在温度为0时的比焓均为418.60kJ/kg，则在不同的温度下，其比焓可由以下式中求取：60.41860.41800tpHHtplldtchdtch（3-2）TianjinUniversityofCommerce根据实验所得的溴化锂在水中的熔解热数据，按式（3-1）计算温度为某一给定值时，各质量分数下溶液的比焓，这样就可画出液相部分的等温线簇。有了等温线簇，则可根据溴化锂溶液的水蒸气压作出相应的等压线簇。为了作图的方便，通常先选定温度基准值。国产溴化锂溶液的h-ξ图是以70℃为基准值的，即求出温度为70℃时各种不同质量分数溴化锂溶液的比焓值。ch70TianjinUniversityofCommerce有了70℃的等温线，再利用溶液的质量定压热容数据，就可以根据下式求任意温度时的等温线。（3-3）)70(70xchdtchhcxpcxcpccx式中——溴化锂溶液的质量定压热容[kJ/(kg·℃)]，以作为（x-70）℃的平均值。pccxpcTianjinUniversityofCommerceh-ξ图中的汽相部分的等压线簇，是由一系列同一压力下与不同质量分数的溶液处于相平衡的水蒸气比焓所连成的曲线组成的。在每条等压线上，根据纵坐标可以求出该压力下与不同质量分数的溶液处于相平衡的水蒸气的比焓。又因为与溶液处于平衡状态的水蒸气，其温度和压力与溶液相同，所以与溶液液相部分的压力和质量分数相对应的温度即为水蒸气的温度。TianjinUniversityofCommerce对水的比焓通常规定为：当温度为0℃时比焓等于0。而对于溴化锂溶液，为了计算方便，则规定质量分数ξ=0、温度t=℃时的比焓为418.6kJ/kg(100kcal/kg)。当压力不大时，压力对液体的比焓和熔解热的影响很小，故可认为液态溶液的比焓只是温度和质量分数的函数，与压力无关。因此不论溶液是处于平衡状态还是过冷状态，其比焓都可在h-ξ图上用等温线与等质量分数线的交点求得。TianjinUniversityofCommerce在h-ξ图上只要知道溶液的温度、质量分数、水蒸气压、比焓这四个状态参数中的任意两个，就可以确定另外两个参数。h-ξ图上的等压线反映的是一定温度和质量分数的溶液所具有的水蒸气压，而不是溶液的压力。只要在处于相平衡时，溶液的压力才等于其水蒸气压。例如，已知一稳定状态下的溴化锂溶液，其水蒸气压为0.77kPa(5.8mmHg)，温度为42℃，状态点在h-ξ图上为0.77kPa等压线与42℃等温线的交点A，由A点的纵坐标查得溶液的比焓为279.6kJ/kg，由横坐标查得溶液的质量分数等于60%。TianjinUniversityofCommerceTianjinUniversityofCommerce如果溶液的压力也等于0.77kPa，则此时溶液处于相平衡状态。如果溶液的温度和质量分数保持不变，而压力由0.77kPa提高到9.6kPa，此时溶液在h-ξ图上的状态点仍为A点，溶液处于过冷状态，一般称为过冷溶液。由此可见，液相区中的所有点不仅可以表示溶液的平衡状态，也可以表示溶液的过冷状态。因为压力对溶液比焓的影响很小，可以忽略。TianjinUniversityofCommerce如果再对A状态的过冷溶液加热，则随着温度的升高，溶液的水蒸气压也升高。当溶液的水蒸气压低于溶液的压力9.6kPa时，溶液中的水蒸气不会蒸发，溶液的质量分数不变。当溶液的水蒸气压达到9.6kPa时，此时溶液又重新达到相平衡状态，由状态点为60%的等质量分数线与9.6kPa的等压线的交点B，可读得溶液的温度为91.8℃，比焓为373.4kJ/kg（溶液在发生器中，处于开始沸腾的状态）。TianjinUniversityofCommerceTianjinUniversityofCommerce根据热力学第一定律。外界加入的热量等于溶液比焓值的增加，对于1kg溶液，从点A状态变化到点B状态，加入的热量为：kgkJhhqAB/8.936.2794.373如果在压力为9.6kPa等压条件下继续对点B状态的溶液加热，则水蒸气将从溶液中蒸发出来，溶液的质量分数增大，温度升高。当质量分数达到64%时，由9.6kPa等压线与64%等质量分数的交点C，可读得溶液的温度为100.8℃，比焓为391.4kJ/kg（溶液离开发生器的状态）。TianjinUniversityofCommerceTianjinUniversityofCommerce由64%等质量分数线与9.6kPa汽相等压辅助线的交点引等焓线到纵坐标轴上得交点C’，即为与过程终了相对应的水蒸气的状态点，其比焓为3107.7kJ/kg。此时，水蒸气处于过热状态。Tianji