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第25讲吸收式制冷原理(1)

根据热力学第二定律,热量从低温物体(或空间)向高温物体(或空间)的转移是一个非自发的过程。实现这个过程必须消耗一定的能量,即必须实现一个消耗能量的补偿过程。用于补偿过程的能量可以是电能、机械能或热能等。通常压缩式制冷循环是以消耗电能作为能量的补偿,而吸收式制冷循环则以消耗热能作为能量的补偿过程。吸收式制冷机和蒸汽压缩式制冷机都是利用制冷剂的汽化潜热制取冷量的。右图为两者工作原理的比较图。其共同点是高压制冷剂蒸气在冷凝器中冷凝后,经节流机构节流降压,再进入蒸发器,在低压下液态制冷剂气化,从而达到制冷的目的。蒸气压缩式与吸收式制冷机工作原理比较图A-压缩机;R-冷凝器;J-节流阀;Z-蒸发器;a-发生器;b-节流阀;c-吸收器;d-溶液泵它们的不同点是:1)提供的能量不同。蒸汽压缩式制冷机消耗机械功,吸收式制冷机消耗的是热能;2)吸取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。蒸汽压缩式用压缩机A吸取此蒸气,吸收式制冷机用吸收剂在吸收器内吸取制冷剂蒸气;3)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;4)蒸气压缩式制冷循环一般采用单一制冷剂,如R717、R22等,吸收式制冷循环则使用两种沸点相关较大的物质组成的二元溶液(工质对),其中低沸点组分为制冷剂,高沸点组分为吸收剂。在吸收式制冷循环中,冷凝器、蒸发器和节流阀的作用与压缩式制冷循环基本相同,只是能量补偿部分的设备改变了,能量补偿部分的设备由发生器、吸收器、节流阀和溶液泵组成。4.1吸收式制冷方法与制冷原理4.1.1吸收式制冷方法吸收式制冷循环就是利用热能制取冷量的制冷循环,吸收式制冷和蒸汽压缩式制冷一样,都是利用液体在汽化时要吸收汽化潜热这一物理特性来实现制冷。所不同的是蒸气压缩式制冷是靠消耗机械功或电能,使热量从低温热源转移到高温热源,吸收式制冷则是靠消耗热能来完成这种非自发过程的。吸收式制冷可以利用低温热源制取冷量,因此它特别适用于有余热可供利用的场合。吸收式制冷方法也是目前常用的一种制冷方式,吸收式制冷使用的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液,其中沸点低的物质为制冷剂,沸点高的物质为吸收剂,通常成为“工质对”。目前常用的吸收式制冷装置有:氨水吸收式制冷装置和溴化锂吸收式制冷装置。早期吸收式制冷循环用氨水溶液做工质(其中氨为制冷剂,水为吸收剂),并使用水蒸汽为热源。溴化锂水溶液吸收式制冷循环以水为制冷剂,溴化锂溶液为吸收剂,工质对沸点差大,溴化锂制冷机装置简单,工质无毒、无臭、无味,对人体无害。4.1.2吸收式制冷循环原理4.1.2.1吸收式制冷循环基础(1)制冷剂与吸收剂吸收式制冷机循环就是利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸汽,在另一种条件下又能吸收低沸点组分这一特性来完成的制冷循环。与压缩式制冷循环不同,吸收式制冷循环的工质除了制冷剂外,还需要有吸收剂。制冷剂用来产生冷效应。吸收利用来吸收产生冷效应的制冷剂蒸汽,以实现对制冷剂的“热化学”压缩过程。制冷剂与吸收剂组成工质对。吸收式制冷循环的工质对,通常采用两种不同沸点的物质组成的二元溶液,以低沸点(或易挥发)的组分为制冷剂,高沸点组分为吸收剂,两组分统称“工质对”。最常用的工质对有溴化锂水溶液和氨水溶液。在中央空调中常用的溴化锂吸收式制冷循环中,制冷剂为水,吸收剂为溴化锂,制取0℃以上的空调用冷水。对制冷剂的选择要求:吸收式制冷循环中制冷剂的选择要求与蒸汽压缩式制冷循环基本相同,例如蒸发潜热大、工作压力适中、成本低、毒性小、不爆炸及不腐蚀等性质。对吸收剂的选择则要求应有如下的一些特性:a.有强烈吸收制冷剂的能力。吸收能力越强,所需要的吸收剂循环量就越少;发生器工作热源的加热量、吸收器中冷却介质带走的热量以及溶液泵耗功率也随之减少;b.在相同压力下,其沸点温度应比制冷剂的沸点温度高,且相差越大越好。吸收剂的沸点越高,越难挥发,在发生器中汽化的制冷剂蒸汽纯度就越高。否则,发生后的制冷剂蒸汽中会夹带部分吸收剂蒸汽,必须通过精馏的方法将这部分吸收剂除去,以免影响制冷效果。使用精馏方法将吸收剂与制冷剂分开,这不仅需要专用的精馏设备,另外由于精馏效率的存在会降低制冷循环的工作效率;c.导热系数要大,密度、粘度及比热要小,以提高制冷循环的工作效率;d.化学稳定性和安全性要好,对金属材料的腐蚀性小;e.吸收式制冷循环工质对所组成的二元溶液,必须是非共沸溶液。共沸溶液不能作为吸收式制冷循环的工质对;f.价格低廉,容易得到。二元溶液根根据两个组组份沸点相相差的程度度,可分为为如下三类类:a.两个组组份沸点相相差大,溶溶质可看作作是不挥发发的。在溶溶液沸腾时时,它的气气相只是沸沸腾点的组组分,例如如溴化锂水水溶液;b.两个组组份沸点相相差不大。。在溶液沸沸腾时,它它的气相中中除了沸点点较低的组组分外,还还包括有沸沸点较高的的组分,例例如氨水溶溶液;c.共沸溶溶液。例如如酒精水溶溶液的t-x图。图中气气-液两相相的曲线除除在两端相相交外,还还在M点相相切,即有有一极点。。当溶液具具有此点的的成分时,,它将在一一个恒定的的温度下沸腾,且且气、液相相成分完全全相同,这样的的溶液称为为共沸溶液液。酒精-水溶液的t-x图采用第一类类溶液作为为工质效果果最佳,如如溴化锂吸吸收式制冷冷机采用的的工质效果果就较好。。采用第二二类溶液作作为工质时时必须通过过蒸馏的方方法来获得得纯的制冷冷剂成分,,如氨吸收收式制冷机机中就有精精馏塔装置置来蒸馏氨氨蒸气中夹夹带的水分分。对于第第三类气-液两相的的成分相同同的共沸溶溶液,不能能采用蒸馏馏的方法获获得纯组分分,故不能能用来作为为吸收式制制冷循环的的工质。(2)常常见的吸收收式制冷循循环工质对对按溶液中含含有的制冷冷剂种类区区分,可分分为水类、、氨类、乙乙醇类和氟氟里昂类。。吸收式制制冷循环的的工质对随随制冷剂的的不同大致致可分为如如下四类。。a.以水作作为制冷剂剂的工质对对主要有溴化化锂-水((H2O-LiBr)溶液液及水-氯氯化锂(H2O-LiCl)、水水-碘化锂锂(H2O-LiI)、水水-溴化锂锂-硫氰酸酸锂(H2O-LiBr-LiSCN))溶液等。。b.以氨作作为制冷剂剂的工质对对主要有氨-水(NH3-H2O)、甲胺胺-水(CH3NH2-H2O)、乙胺胺-水(C2H5NH2-H2O)以及硫硫氰酸钠-氨(NaSCN-NH3)溶液等。。c.以醇作作为制冷剂剂的工质对对主要有甲醇醇-溴化锂锂(CH3OH-LiBr)、、甲醇-溴溴化锌(CH3OH-ZnBr2)、甲醇-溴化锂-溴化锌((CH3OH-LiBr-ZnBr2)、乙醇醇-溴化锂锂(C2H5OH-LiBr)、、乙醇-溴溴化锂-溴溴化锌(C2H5OH-LiBr-ZnBr2)溶液等。。d.以氟利利昂为制冷冷剂的工质质对主要有氯二二氟甲烷-二甲替甲甲酰胺(R22-DMF)、、氯二氟甲甲烷-四甘甘醇二甲醚醚(R22-E181)、氯氯二氟甲烷烷-酞酸二二丁酯(R22-DBP)等等。(或单位制制冷量(或消耗的的单位热能能)之比是吸收式制制冷循环中中获得的制制冷量热力系数(3)吸吸收式制冷冷循环的热热力系数和和热力完善善度)与消耗的热能是衡量吸收收式制冷循循环性能的的一个重要要指标,它它反映了从从驱动热源源输出的热热量与制冷冷机制冷量量之间的关关系,但它它不能反映映循环中存存在的不可可逆损失。。热力系数具有最大的数值热力系数与最大热力系数之比称为热力完善度,以表示,其值永远小于1。吸收式制冷冷机的能量量转换关系系图4.1.2.2吸吸收式制冷冷循环原理理吸收式制冷冷基本循环环系统是由由发生器、、冷凝器、、制冷节流流阀、蒸发发器、吸收收器、溶液液节流阀、、溶液热交交换器和溶溶液泵等组组成,如下下图所示。。它采用由由高沸点的的吸收剂和和低沸点的的制冷剂混混合组成的的工质对。。吸收式制冷冷基本循环环系统图1-发生器器,2-冷冷凝器,3-膨胀阀阀,4-蒸蒸发器,5-吸收器器,6-膨膨胀阀(辅辅),7--热交换器器,8-溶溶液泵整个系统包包括两个回回路:一个个是制冷剂剂回路,一一个是溶液液回路。系系统中使用用的工作流流体是制冷冷剂和吸收收剂,我们们称之为吸吸收式制冷冷的工质对对。吸收剂剂是液体,,它对制冷冷剂有很强强的吸收能能力。吸收收剂吸收了了制冷剂气气体后形成成溶液。溶溶液加热又又能放出制制冷剂气体体。因此,,通过溶液液回路取代代了蒸汽压压缩式制冷冷循环中压压缩机的作作用,构成成蒸气吸收收式制冷循循环。制冷剂回路路由冷凝器器、制冷剂剂节流阀、、蒸发器组组成。高压压制冷剂气气体在冷凝凝器中冷凝凝成液体经经节流后到到蒸发器蒸蒸发制冷。。溶液回路由发生器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。在吸收器中,吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体,形成含制冷剂的溶液,将该溶液用泵送到发生器,经过加热是溶液中的制冷剂重新蒸发出来,送入冷凝器。另一方面,发生后的溶液重新恢复到原来的成分,经冷却、节流后成为具有吸收能力的吸收液,进入吸收器,吸收来自蒸发器的低压制冷剂水蒸汽。吸收过程中伴随释放吸收热,为了保证吸收的顺利进行,需要冷却吸收液。在吸收式制冷循环中,吸收器好比压缩机的吸入侧;发生器好比压缩机的排出侧;对发生器内溶液进行加热,提供提高制冷剂水蒸汽压力的能量。(1)制制冷剂循环环:蒸发器器内制冷剂剂在蒸发压压力,,蒸发温度度下气化化,从被被冷却对象象中吸取热热量。。气化后的的低温低压压蒸气被吸吸收器内浓浓度较高的的吸收剂溶溶液所吸收收,形成吸吸收剂稀溶溶液,并由由溶液泵加加压至冷凝凝压力,,经热交换换器换热进进入发生器器。在发生生器内被外外界热源加加热,吸收收剂稀溶液液析出制冷冷剂蒸气,,高温高压压(相对低低温低压而而言)的制制冷剂蒸气气进入冷凝凝器,把热热量交给环环境介质,,首先被冷冷却然后被被冷4.1.3吸收式式制冷循环环工作过程程吸收式制冷冷循环工作作过程包括括制冷剂循循环过程和和吸收剂循循环过程。。制冷剂循循环过程如如下图所示示。吸收式制冷冷基本循环环中制冷剂剂的循环凝为高压常常温的制冷冷剂液体,,液体通过过节流降压压装置膨胀胀阀,降压压降温为湿湿蒸气进入入蒸发器,,完成制冷冷循环。(2)吸收收剂循环::吸收器内内吸收剂浓浓溶液吸收收低温低压压的制冷剂剂蒸气后变变为稀溶液液,由溶液液泵加压经经热交换器器换热进入入发生器,,在发生器器内吸收剂剂稀溶液受受热析出制制冷剂蒸气气,吸收剂剂稀溶液变变为浓溶液液,再经热热交换器换换热并节流流降压进入入吸收器进进行新一轮轮的吸收过过程。故整个吸收收式制冷循循环的工作作过程是::在发生器器1中工作作热源(如如水蒸汽、、热水及燃燃气等)加加热由溶液液泵7从吸吸收器5输输送来的溶溶液,使溶溶液中的大大部分低沸沸点制冷剂剂汽化并输输送到冷凝凝器

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