不凝性气体对溴化锂吸收式制冷机组的影响.doc

不凝性气体对溴化锂吸收式制冷机组的影响由于溴化锂吸收式制冷机(以下简称溴冷机) 在高真空下运转，且溴化锂溶液对金属材料有一定腐蚀，溴冷机内部容易产生不凝性气体。而不凝性气体的存在，将显著降低溴冷机的制冷性能，缩短其使用寿命。因此，必须对溴冷机中的不凝性气体进行积极的预防。不凝性气体的来源在溴冷机中，不凝性气体是指既不能冷凝又不能被溴化锂溶液吸收的气体，如从外部进入机组的空气及内部因腐蚀而产生的氢气等。它主要来源于如下三个方面:1. 外部渗入的空气溴冷机以水作制冷剂，必须在高真空度下工作，这为空气渗透到机组内部创造了条件。溴冷机的吸收器、蒸发器中的绝对压力仅仅几hPa ，低压发生器、冷凝器的绝对压力也不过几kPa 。尽管目前溴冷机的制造水平能保证其较好的气密性，但由于长期在高真空度下工作，随着运转时间的不断增加，也难以保证机组的绝对气密性。这种因机组本身泄漏或操作不慎而进入机组的空气，是溴冷机中不凝性气体的主要来源。2. 因腐蚀产生的氢气溴化锂溶液在腐蚀机组金属材料的同时产生一种不凝性气体氢气。氢气是溴冷机中不凝性气体的另一重要来源。3. 充注溴化锂溶液时带入的空气采用溶液桶向溴冷机中充灌溴化锂溶液时，由于溴化锂溶液与空气接触，少量空气会溶解在溴化锂溶液中从而进入机组。当溴化锂溶液在机组内被加热时，溶解其中的空气释出而成为不凝性气体。此外，表面活性剂辛醇在高温下分解也有可能产生不凝性气体。不凝性气体对溴冷机的影响对机组的腐蚀溴化锂溶液对溴冷机的常用材料(如碳钢、紫铜等) 的腐蚀与通常在碱性电解液中的腐蚀类似，主要以电化学反应的方式进行。而氧的存在是这些反应得以进行的决定因素。铜、铁等金属材料被腐蚀后最终形成相应的氧化物，同时产生不凝性气体(氢气) 。这些金属氧化物在溴化锂溶液的冲刷作用下，从筒体的内壁或传热管的外壁上脱离，并随溶液循环。这一方面使筒体和传热管的壁厚减薄，特别是局部腐蚀严重从而导致机组提前报废，大大缩短了机组的使用寿命。有数据表明，在氧气存在的条件下，溴化锂溶液在数月内可腐蚀碳钢12 mm。另一方面，极易造成喷嘴和屏蔽泵过滤器堵塞，妨碍机组正常运行。对冷凝器冷凝过程的影响在溴冷机中，由于冷凝器的压力低于发生器，发生器中产生的不凝性气体会随着冷剂蒸汽的流动而进入冷凝器。冷凝器中的不凝性气体，由于U 型管节流装置的液封作用，而不可能进入到压力更低的蒸发器吸收器筒体中。因此，在溴冷机组的相对高压区内，包括高压发生器、低压发生器和冷凝器，若产生不凝性气体，则往往集聚于冷凝器中。冷凝器中的不凝性气体对冷剂蒸汽的凝结换热过程影响显著。如图1 所示，在冷凝器传热管的横截面上，蒸汽在管外凝结，冷凝膜附着在管壁上，其外侧聚集着不凝性气体层。冷剂蒸汽须透过不凝性气体层才能在管壁上冷凝。不凝性气体层的存在，大大增加了冷凝换热的热阻。而且，随着不凝性气体质量分数的增大，形成的扩散层不断变厚，制冷剂蒸汽透过扩散层的阻力就逐渐增大，那么，透过扩散层的饱和冷剂蒸汽到达气液分界面上的蒸汽分压力就越来越低，相应的饱和蒸汽温度就越低。这就意味着随不凝性气体的增多，传热管管壁冷凝膜的传热系数减小，冷剂蒸汽的凝结换热量减少。有数据表明，即使含有1 %的不凝性气体，冷凝换热系数也会下降约60%。对吸收器吸收过程的影响通常溴冷机的吸收器与蒸发器置于同一筒体中。由于吸收压力略低于蒸发压力，因此若该筒体中存在不凝性气体，则往往集聚于吸收器中。而吸收器中的不凝性气体将严重影响吸收过程的传质与传热。图2 给出了吸收器吸收过程的示意图。图中pa 表示气相中冷剂蒸汽分压， pap 表示相界面处的蒸汽分压， pa 表示液相中平衡蒸汽分压。吸收器的传质方程见式(1) 。Ga = KGAt ( pa - pa ) (1)由式(1) 可知，在稳定工况下，相接触面积A 、接触时间t 为定值，吸收器中被吸收的冷剂蒸汽量Ga 取决于吸收系数KG 和传质推动力即冷剂蒸汽的分压差( pa - pa ) 。根据路易斯和惠特曼提出的双膜理论，气、液相界面两侧的气膜和液膜造成的阻力是传质过程全部阻力所在。而在溴化锂溶液吸收冷剂蒸汽的过程中，其扩散阻力以气膜阻力为主。当气膜厚度随不凝性气体的增多而增厚时传质总阻力增加，吸收系数KG 减小。根据道尔顿分压定律，当有不凝性气体存在时，吸收器中的总压为冷剂蒸汽的分压和不凝性气体分压之和。在总压不变的条件下，不凝性气体越多，则气相中冷剂蒸汽的分压pa就越小。尽管这时液相中平衡蒸汽分压pa 由于液膜温度降低、浓度增加也相应减小，但减小的程度要比pa小得多。因此，由于不凝性气体的存在，吸收过程的传质推动力( pa - pa ) 亦减小。由此可知，吸收器中若存在不凝性气体，将使传质过程恶化，吸收的冷剂蒸汽量Ga 减小。对传热的影响主要表现在可能会将部分传热管与吸收液隔绝而形成热阻，阻碍溶液的热传导，使局部溶液的温度升高。溶液温度升高，又反过来影响其吸收能力，使吸收效率下降。对机组制冷性能的影响通常采用制冷量、制冷系数和热力完善度等主要经济指标来表征机组的制冷性能。以单效溴冷机为例，机组的制冷量Q0 可用式(2) 表示:Q0 =q0 ma (r - a )/r(2)式中q0 为单位制冷量，kJ / kg ; ma 为稀溶液流量，kg/ h ;r为浓溶液质量分数， %;a 为稀溶液质量分数， %。在外界条件及溶液调节阀位置不变时， q0 和Ga 基本不变。若机组内存在不凝性气体，则由于不凝性气体对冷凝器的冷凝过程和吸收器的吸收过程造成很大的影响，使得进入发生器的稀溶液质量分数以及发生器的压力升高，而发生器的热源条件不变，因此发生器的放气范围(=r - a ) 降低，且发生终了浓溶液的质量分数r 升高。因此机组制冷量下降。从图3可知，不凝性气体对机组制冷量的影响十分显著;随着机组内不凝性气体质量分数的增加，机组制冷量线性下降;当不凝性气体质量分数达10 %时，制冷量几乎下降了一半。受不凝性气体的影响，机组的制冷量显著下降，然而机组的耗热量却减少不多，因此机组的制冷系数亦大幅度减小。同理，机组的热力完善度也将大幅度降低。结晶故障在溴冷机运行过程中，法兰连接处、铜管与端面的连接处、视液镜、真空阀、液位调节阀等部位有可能因老化、松动、破裂、腐蚀等原因而出现密封不良，造成机组的局部泄漏，导致蒸发器吸收器内压力的迅速升高。在蒸发器中，压力过高将影响冷剂水的蒸发，使冷剂蒸汽量减少，蒸发器水盘中聚集的冷剂水量增多;在吸收器中，由于不凝性气体的影响，冷剂蒸汽不能被充分吸收，使吸收溶液在没有得到充分稀释的情况下又被送往发生器进入发生过程。这样，从发生器出来的浓溶液浓度增加，而从吸收器送往发生器的稀溶液温度降低。那么，在溶液换热器内，甚至从发生器到吸收器的整个浓溶液管段，由于溶液温度降至析晶点而析出晶体，引发结晶故障。不凝性气体的预防管理气密性管理若机组存在较大的泄漏，则无论抽气系统如何完善，也难以保证机组的性能。机组的气密性管理包括:a) 调试前的气密性试验。尽管溴冷机在出厂前已进行过气密性检查，但由于起吊、运输及安装等方面的原因，可能引起某些部位的泄漏。为确保机组初次投入运行前具有良好的气密性，调试前应对机组再次进行气密性试验。b) 运行中定期检查气密性。机组运行中，要定期地对机组的气密性进行检查。常用的方法有: 求取吸收器上升1所需时间、平均排气量、抽气装置在一周中工作的次数等。前两种方法一般每月或每季度检查一次，若测试值超过规定值，则表明机组的气密性不良，应进行检漏。后一种方法只要对机组的运行日记进行分析即可判断，但必须加强运行管理，在保证抽气装置性能良好的前提下，准确记录每次抽气的时间，以利于分析。c) 长期停机的气密性管理。溴冷机较长时间停机时，也应进行气密性管理。若机内采用负压保护，应按时检查自动抽气装置集气筒上设置的真空检测仪表所检测的真空度;若采用充注氮气正压保护，应定期检查机组内的压力变化。一般每周检查一次，一旦发现泄漏，应及时处理。真空度管理保持溴冷机组的真空度，是机组经济、高效运转的关键环节。自动化程度很高的溴冷机一般能对真空度进行自动检测和控制，如通过薄膜式真空压力计、数字式真空计等随时监测机组的真空度，一旦真空度低于规定数值，立即启动真空泵和电磁阀，将不凝性气体排出机外。这种机组的真空度管理，操作管理人员只需定期地对抽气泵进行保养，保证抽气系统性能良好。而对采取手动抽气的溴冷机，在机组正常运行时，不管有无空气渗入，每周都应运转真空泵12 次，抽除不凝性气体。在机组较长时间停机后再次启动时，或对机组内部进行了检修维护后，如溶液再生、添加表面活性剂等，均应启动真空泵抽除不凝性气体。另外，操作管理人员还应通过分析机组的运行参数，如制冷量、燃料消耗、冷却水温差等数据，判断机组的真空状态，决定是否需要抽除