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第八章吸收式制冷 液体气化法制冷的一种 以热量消耗作为热量从低温向高温传递的补偿 有多种型式 第一节吸收式制冷的基本原理 高温高压制冷剂气体 低温低压制冷剂气体 高温高压制冷剂液体 低温低压制冷剂液体 蒸气压缩式制冷的基本原理 第一节吸收式制冷的基本原理 一 吸收式制冷的基本原理 第一节吸收式制冷的基本原理 1 吸收式制冷循环 1 吸收式制冷循环 第一节吸收式制冷的基本原理 相当于一个压缩机 制冷剂循环 逆循环 吸收剂循环 正循环 2 吸收式制冷机的构成 膨胀阀 蒸发器 冷凝器 发生器 吸收器 溶液泵 节流装置 与蒸气压缩式制冷系统完全相同 相当于 热力压缩机 吸收器相当于吸气侧发生器相当于压出侧 是一个溶液循环 第一节吸收式制冷的基本原理 第一节吸收式制冷的基本原理 组成设备 蒸发器 冷凝器 吸收器 发生器 溶液泵 节流阀 吸收器 吸收制冷剂蒸汽 发生器 加热 释放制冷剂 溶液热交换器 内部能量利用 提高效率 溶液泵 加压作用循环 制冷剂循环溶液循环 相当于压缩机的作用 第一节吸收式制冷的基本原理 3 制冷剂 吸收剂溶液在吸收器中 吸收剂吸收制冷剂蒸气而形成的溶液称之为制冷剂 吸收剂溶液 也称之为制冷剂 吸收剂工质对 在吸收式制冷机中 吸收剂通常以二元溶液的形式参与循环 吸收剂溶液与制冷剂 吸收剂溶液的区别在于前者所含制冷剂的浓度比后者低 工质对的要求 两种液体互溶性好 且具有不同的沸点低沸点液体 制冷剂 水 氨高沸点液体 吸收剂 溴化锂 水 第一节吸收式制冷的基本原理 常用的制冷剂 吸收剂工质对 水 溴化锂水 氯化锂氨 水 吸收式与压缩式的比较 一 吸收式制冷机的热力系数1 吸收式制冷机热力系数 的定义吸收式制冷机所制取的制冷量与所消耗的热量之比 即 第一节吸收式制冷的基本原理 式中 0 吸收式制冷机所制取的制冷量 k 吸收式制冷机所消耗的热量 2 吸收式制冷机热力系数分析 1 吸收式制冷系统与外界的能量交换 第一节吸收式制冷的基本原理 吸收式制冷系统与外界的能量交换 根据热力学第一定律 假设 该吸收式制冷循环是可逆的 发生器热媒温度 蒸发温度 冷凝温度 环境温度均为常量 则 发生器热媒引起的熵增为 蒸发器中被冷却物质引起的熵增为 第一节吸收式制冷的基本原理 周围环境引起的熵增为 由热力学第二定律可知 系统引起外界总熵的变化应大于或等于零 即 第一节吸收式制冷的基本原理 将能量平衡方城代入上式 有 若忽略泵的功耗 则吸收式制冷机的热力系数为 则吸收式制冷机的最大热力系数 max为 第一节吸收式制冷的基本原理 可见 吸收式制冷机的最大热力系数等于工作在tg与te之间的卡诺循环的热效率与工作在t0和te之间的逆卡诺循环的制冷系数的乘积 最大热力系数随热源温度的升高 环境温度的降低及被冷却介质温度的升高而增大 因此 可逆吸收式制冷循环可看成卡诺循环与逆卡诺循环构成的联合循环 如右图所示 故吸收式制冷与由热机驱动的压缩式制冷机相比 只要外界的温度条件相同 二者的理想的最大热力系数是相同的 可逆吸收式制冷循环 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相比 第二节二元溶液的特性 第二节二元溶液的特性 在吸收式制冷循环中 制冷剂 吸收剂工质对 二元混合物 的特性是关键问题 工质对的特性受溶液浓度的影响 对于吸收式制冷机通常规定 溴化锂水溶液的浓度指溶液中溴化锂的质量浓度 在溴化锂吸收式制冷机中 吸收剂是浓溶液 氨水溶液的浓度指溶液中氨的质量浓度 在氨吸收式制冷机中 吸收剂是稀溶液 第二节二元溶液的特性 一 溴化锂水溶液的特性溴化锂 水溶液是目前空调用吸收式制冷机采用的工质对 溴化锂的性质 无水溴化锂为无色粒状结晶物 性质和食盐相似 化学稳定性好 在大气中不变质 分解 挥发 无毒 对皮肤无刺激 通常固体溴化锂含一个或两个结晶水 溴化锂水溶液对一般金属有腐蚀性 溴化锂的沸点比水高很多 溴化锂水溶液发生沸腾时只有水汽化 生成纯制冷剂 故不需设蒸汽精馏设备 系统简单 热力系数较高 其主要弱点在于以水为制冷剂 蒸发温度不能太低 并且系统对真空度要求较高 第二节二元溶液的特性 总结1 溴化锂具有强烈的吸水性 2 溴化锂水溶液具有很强的吸湿性 3 溴化锂与水的沸点相差很大 4 溶液温度过低或浓度过高 均易发生结晶 5 对金属具有较强的腐蚀性 6 无毒 对人体无害 第二节二元溶液的特性 其他 溶解度随温度的升高而降低 密度比水的大 且随浓度和温度而变化 比热容较小 粘度较大 表面张力较大 导热系数随浓度增大而降低 随温度升高而增大 一 溴化锂水溶液的压力 饱和温度图 第二节二元溶液的特性 溴化锂水溶液蒸汽压图 纯水的压力 饱和温度关系 溴化锂溶液沸腾时 只有水被汽化 故溶液的蒸气压为水蒸气的分压 由图可知 一定温度下溶液的水蒸气饱和分压力低于纯水的饱和分压力 并且浓度越高 分压力越低 结晶线表明在不同温度下的饱和浓度 温度越低 饱和浓度也越低 溴化锂溶液的浓度过高或溶液温度过低均易形成结晶 机组运行时应防止发生结晶 第二节二元溶液的特性 重要推论 一定浓度的常温溶液 可以创造很低的水蒸气分压力 制取比自身温度低的环境温度 第二节二元溶液的特性 二 溴化锂水溶液的比焓 浓度图 饱和液态和过冷液态的比焓在h 图上可根据等温线和等浓度线的交点确定 在溴化锂溶液的h 图上只有液相区 气态为纯水蒸汽 集中在 0的纵轴上 由于平衡时气液同温度 可通过某等压辅助线和等焓线交点确定 当压力较低时 压力对液体的比焓和混合热的影响很小 可认为溶液的比焓只是温度和浓度的函数 溴化锂水溶液的比焓 浓度图 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 溴化锂吸收式制冷机的优点 1 不需要设置蒸汽精馏设备 系统简单 热力系数较高 2 可以利用各种热能驱动 节约大量用电 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 目前 溴化锂吸收式制冷机发展迅速 在大型空调制冷系统和低品位热能利用方面占有重要地位 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 一 单效溴化锂吸收式制冷理论循环 1 单效溴化锂吸收式制冷机的流程 单效溴化锂吸收式制冷机的流程 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 2 单效溴化锂吸收式制冷机理论循环 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 h 图上溴化锂吸收式制冷机理论循环 1 2 泵的加压过程 来自吸收器的稀溶液由压力p0下的饱和液变为压力pk下的过冷液 浓度不变 温度近似不变 点1与点2基本重合 2 3 过冷的稀溶液在预热器中的预热 浓度不变 温度升高 3 4 稀溶液在发生器中的加热过程 其中3 3g过冷稀溶液变为饱和液的过程 3g 4为稀溶液在等压pk下沸腾气化变为浓溶液的过程 发生器排出的蒸汽可认为是与沸腾过程溶液的平均状态相平衡的水蒸气 状态7的过热水蒸汽 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 h 图上溴化锂吸收式制冷机理论循环 7 8 为冷剂水蒸气在冷凝器中的冷凝过程 压力为pk 8 9 为冷剂水的节流过程 压力由pk变为p0下的湿蒸气 状态9的湿蒸气为由状态9 的饱和水与状态9 的饱和水蒸气组成 9 10 为状态9的湿蒸汽在蒸发器内吸热气化至状态10的饱和水蒸汽过程 其压力为p0 4 5 为浓溶液在热交换器中的预冷过程 即由压力为pk的饱和液变为过冷液 5 6 浓溶液的节流过程 将压力为pk的过冷液变为压力p0下的湿蒸汽 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 h 图上溴化锂吸收式制冷机理论循环 6 1 为浓溶液在吸收器中吸收过程 其中6 6a为浓溶液由湿蒸气变为饱和液状态 6a 1为状态为6a的饱和液在压力p0下与状态10的冷剂水蒸汽放热混合为稀溶液的过程 3 理想溴化锂吸收式制冷循环的热力系数 决定吸收式制冷循环的外部条件被冷却介质的温度tcw 决定蒸发压力 蒸发温度t0 冷却介质温度tw 决定冷凝压力pk 冷凝温度tk 及吸收器内的最低温度t1 热源温度th 决定发生器内的最高温度t4 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 溶液的循环倍率f定义 系统中每产生1kg的制冷剂所需要的制冷剂 吸收剂的千克数 设从吸收器进入发生器的稀溶液流量为f 发生器中产生的水蒸汽的质量流量为d 则由发生器进入吸收器的浓溶液流量为f d 根据发生器内溴化锂的制冷平衡方程可导出 放气范围 3 理想溴化锂吸收式制冷循环的热力系数 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 可见 循环倍率对吸收式制冷的热力系数影响很大 为增大热力系数 需减小循环倍率 为减小循环倍率 需增大放气范围及减小浓溶液浓度 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 二 热力计算 1 已知参数 a 制冷量q0它是根据生产工艺或空调要求 同时考虑到冷损 制造条件以及运转的经济性等而提出的 b 冷媒水出口温度tx 它是根据生产工艺或空调要求提出的 由于tx 与蒸发温度t0有关 若t0下降 机组的制冷量及热力系数均下降 因此在满足生产工艺或空调要求的基础上 应尽可能的提高蒸发温度 对于溴化锂吸收式制冷机组 因为用水作为制冷剂 因此一般tx 大于5 c 冷却水进口温度tw 根据当地的自然条件决定 应该尽可能的使tw 低 以增强吸收效果 但由于存在溴化锂结晶的问题 tw 并不是越低越好 d 加热热源温度考虑到废热利用 结晶和腐蚀等问题 采用0 1 0 25mpa的饱和蒸汽或75 以上的热水作为热源比较合理 一些单效溴化锂机组的型式和基本参数可以参加下表 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 设计参数的选定吸收器出口水温tw1和冷凝器出口水温tw2 总温升一般取7 9 tw1 tw tw1 tw2 tw tw1 tw2 冷凝温度tk和冷凝压力pk冷凝温度一般较冷却水出口温度高2 5 tk tw2 2 5 pk f tk 蒸发温度t0及蒸发压力p0蒸发温度一般较冷媒水出口温度tx 低2 4 t0 tx 2 4 p0 f t0 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 设计参数的选定吸收器内稀溶液的最低温度t2t2一般比冷却水出口温度3 5 t2 tw tw1 3 5 吸收器压力pa流经挡板时有阻力损失 一般取 p0 10 70 pa pa pa p0稀溶液浓度 a根据pa和t2 由溴化锂溶液的h 图确定 a f pa t2 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 设计参数的选定浓溶液浓度 r为保证循环的经济性和安全运行 希望放气范围 r a 在 0 03 0 06 之间 因此 r a 0 03 0 06 发生器内溶液的最高温度t4t4 f r pg 溶液热交换器出口温度t7与t8t8由热交换器的冷端温差确定 如果温差小 热效率虽然高 但要求的传热面积会较大 为了浓防止结晶 t8应比 r所对应的结晶温度高10 以上 因此冷端温差取 15 25 即t8 t2 15 25 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 设计参数的选定忽略溶液与环境的热交换 稀溶液的出口温度t7根据溶液热交换器的热平衡式取定 qmf h7 h2 qmf qmd h4 h8 h7 1 1 a h4 h8 h2 a r r a qmf qmd qm h9 qmf qmd h8 qmh2 a 1 qm qmd h9 a 1 h8 qm qmd h2 f qm qmd 20 50 制冷机中冷剂水的流量qmwqmw q0 q0 q0 h1 h3 发生器热负荷qgqg qmf qmd h4 qmdh3 qmfh7 冷凝器热负荷qkqk qmd h3 h3 吸收器热负荷qaqa qmf qmd h8 qmdh1 qmfh2 qmd a 1 h8 h1 ah2 kw 溶液热交换器热负荷qexqex qmf h7 h2 qmf qmd h4 h8 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 三 实际循环与理论循环比较 有损失 主要有两个方面 吸收不足 发生不足 原因 阻力损失产生的压降 不凝气体的影响 四 单效溴化锂吸收式制冷机的典型结构与流程 一 单效溴化锂吸收式制冷机的典型结构1 吸收式制冷机是在高真空度下工作的 要求系统密封性好 结构安排必须紧凑 连接部件尽量减少 通常把发生器等四个主要换热设备置于一个或两个密闭筒体内 即通常所说的单筒结构和双筒结构 2 因设备内压力很低 为减少制冷剂蒸汽的流动损失 将压力相近的设备合放在一个筒体内 使外部冷却介质在管束内流动 制冷剂在管束外较大的空间内流动 3 蒸发器和吸收器采用喷淋式换热设备 以减少静液高度对蒸发温度的影响 在蒸发器低压下 100mm高的水层将使蒸发温度上升10 12 c 发生器虽多采用沉浸式 但液层的高度要求小于300 350mm 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 二 单效溴化锂吸收式制冷机的流程 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 双筒形单效溴化锂吸收式制冷机结构简图 1 吸收器 2 稀溶液囊 3 发生器泵 4 溶液热交换器 5 发生器 6 浓溶液囊 7 挡液板 8 冷凝器 9 冷凝器水盘 10 u形管 11 蒸发器 12 蒸发器水盘 13 蒸发器水囊 14 蒸发器泵 15 冷剂水喷淋系统 16 挡水板 17 吸收器泵 18 溶液喷淋泵 19 发生器溶液囊 20 三通阀 21浓溶液溢流管 22 抽气装置 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 直燃双效溴化锂吸收式制冷机 远大 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 三 溴化锂吸收式制冷机的主要附加措施1 防腐蚀问题溴化锂溶液在有空气存在的情况下 对一般金属有强烈的腐蚀性 因此要及时抽除不凝性气体并严格防止空气的漏入 一方面确保机组的密封性维持机组内高真空 长期不运行时可充入氮气 另一方面在溶液中加入缓蚀剂 采用耐腐蚀的材料 但是价格昂贵 难以推广使用 加缓蚀剂 0 1 0 3 铬酸锂和适量的氢氧化锂 使溶液的ph 9 5 10 5 可有效地延缓溴化锂溶液对金属的腐蚀作用 第三节单效溴化锂吸收式制冷机 2 抽真空装置及时抽出不凝气体 第三