制冷原理与装置课件第五章-其他制冷循环

第五章其他制冷循环第一节吸收式制冷循环一、吸收式制冷机的工作原理及其工质定义：吸收式制冷机是利用工质（溶液）的特性完成工作循环，而获得冷量的制冷装置。（一）吸收式制冷机的工作原理吸收式制冷循环也和蒸汽压缩式制冷循环一样，利用液体的汽化潜热制冷。蒸汽压缩式制冷循环—以机械功为代价；吸收式制冷循环—以热能为动力。10/6/20231循环的组成及工作原理见图5－1。第五章图片\图5－1.tif吸收式制冷机由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流阀和溶液泵等设备组成。发生器、吸收器和溶液泵—起着替代压缩机的作用，称热化学压缩器。（二）吸收式制冷机的工质吸收式制冷机的工质通常是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）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。10/6/202321、对工质对的要求⑴两组分要能形成溶液，且为非共沸溶液；⑵吸收剂要有强烈的吸收制冷剂的能力；⑶两者沸点相差要大，高沸点的为吸收剂，低沸点的为制冷剂；⑷吸收剂的热导率要大，密度、粘度、比热容要小，化学稳定性要好，无毒，不燃烧、不爆炸，对金属材料的腐蚀性要小；⑸对制冷剂的要求与蒸汽压缩式循环相同。10/6/202332、工质对的分类按工质对中制冷剂的不同，大致可分为四类：⑴以水为制冷剂的工质对只能用于工作于0℃以上的吸收式制冷机。以H2O-LiBr的应用最为广泛。还有H2O-LiCl，H2O-LiI。他们对金属的腐蚀性小，H2O-LiI适用于低品味热源，但他们的溶解度小，使制冷机的工作范围较小。因此，又提出了三元工质系，如：H2O-LiCl-LiBr，既具有H2O-LiCl的优点，又因加入了LiBr而改善了工作范围较窄的缺点。H2O-LiBr–LiSCN对太阳能吸收式制冷机比较合适。10/6/20234⑵以氨为制冷剂的工质对最常用的是NH3-H2O工质对，水为吸收剂，氨为制冷剂，水具有强烈的吸收氨的能力。适用于工作温度0℃以下的吸收式制冷机。但两者沸点相差不大，需采用精馏技术提高氨蒸汽的纯度。NH3-NaSCN具有比热容和粘度小，热导率和气化潜热较高等优点，尤其NaSCN挥发性差，作吸收剂可不需要精馏设备。且用于太阳能吸收式制冷机时性能较好。另外，C2H5NH2-H2O和CHNH2-H2O中，乙胺和甲胺能减轻氨固有的毒性和爆炸性，乙胺因其气压较低，利于在吸收式热泵机组中使用。10/6/20235⑶以醇为制冷剂的工质对甲醇类工质对—化学性质稳定，热物性好，对金属无腐蚀。溶液密度小，蒸汽压力高，气相中混有吸收剂，可燃，粘度大，工作范围窄。乙醇类工质对—性能较甲醇差，但发生温度低，适用于太阳能吸收式制冷机。醇类工质具有0℃以下的蒸发温度，可用于制取较低的温度。吸收能力强，不需精馏，但易结晶。10/6/20236⑷以氟利昂为制冷剂的工质对适用于工作温度在0℃以下的太阳能吸收式制冷机。无毒、无腐蚀、化学性质稳定。高发生温度，低冷凝温度时用R22-DMF（三甲替甲酰胺）；相反时用R22-DEGDME（四甘醇二甲醚）。10/6/202373、常用的吸收式制冷机工质对⑴溴化锂水溶液溴化锂的性质：化学性质稳定，大气中不挥发，不分解变质，极易溶于水。常温下为无色粒状晶体，无毒、无臭，有咸苦味。1大气压下沸点为1265℃。①溶解度：用在某一温度下100g溶剂中所能溶解的该物质的最大质量来表示；也可用饱和溶液的质量分数来表示。溴化锂在20℃时的溶解度约是氯化钠的3倍。温度升高，溶解度增大。溶液的浓度越大，结晶温度越高。但质量浓度的微小变化会导致结晶温度的大幅度变化。设计中一般控制其质量浓度不大于65％。10/6/20238②密度：与质量分数和温度有关。温度一定，质量分数越大，密度越大。质量分数一定，温度越高，密度越小。③质量定压热容：与温度及质量分数有关。温度一定，质量分数越大，质量定压热容越小。质量分数一定，温度越高，质量定压热容越大（变化不明显）。10/6/20239④水蒸汽压气相中无溴化锂存在，全是水蒸汽，因此溶液的蒸汽压也被称为溴化锂溶液的水蒸汽压。质量分数越大，水蒸汽压越小。远低于同温度下水的饱和蒸汽压。当溶液浓度为50％时，25℃的溶液水蒸汽压力仅为0.8KPa，而此条件下的饱和水蒸汽压力为3.16KPa。10/6/202310⑤粘度—包括动力粘度和运动粘度。与质量分数和温度有关。温度一定，质量分数越大，粘度越大。质量分数一定，温度越高，粘度越小。其粘度比同温度的水高很多。⑥热导率—与质量分数和温度有关。温度一定，质量分数越大，热导率越小。质量分数一定，温度越高，热导率越大。10/6/202311溴化锂水溶液的腐蚀性及缓蚀剂：溴化锂水溶液对金属材料的腐蚀性比氯化钠、氯化钙水溶液等的腐蚀性要小，但仍为一种较强的腐蚀介质。常压下，溶液浓度越小，腐蚀性越大；低压下，溶液的腐蚀性几乎与溶液的浓度无关。防腐蚀措施：①保持系统内高度真空，不允许空气渗入系统；②向系统内加入缓蚀剂。如铬酸锂（Li2GrO4）、钼酸锂（Li2MoO4

）、氧化铅（PbO）、三氧化二砷（As2O3

）等。③加入LiOH将溶液的PH值调整到9～10.5范围内。一般常用：加入0.1%～0.3%的铬酸锂和氢氧化锂。10/6/202312⑵氨水溶液一种在低温下工作的工质对，溶液呈弱碱性。氨为制冷剂，水为吸收剂，氨具有极大的融水性。氨水溶液在低温下容易析出结晶，其在吸收式制冷机中所能达到的最低温度受这一性质的限制。氨与水沸点相差不大，使水相对于氨具有一定的挥发性。氨水在发生器中被加热时，有部分水会随氨一起蒸发出来。需采用精馏设备，以提高氨蒸汽的纯度。（可达99.8%）10/6/202313二、溴化锂吸收式制冷机的工作循环以水作制冷剂，整个装置需在一定的真空度下运行。单效从整机的工作循环分析，有两效两级吸收溴化锂吸收式制冷机；蒸汽型（或热水型）从热源的供给方式看，有直燃型（燃气型或燃油型）机组及吸收式热泵等。10/6/202314（一）单效溴化锂吸收式制冷机的工作循环单效溴化锂吸收式制冷机是吸收式制冷机的基本型式。通常以0.03～0.15MPa（表压）的饱和蒸汽（或85～150℃的热水）为热源，热力系数约为0.65～0.7。在有余热、废热或工艺性排热的条件下，或在冷、热、电联产中配套使用，有明显的节能效果。10/6/202315

1、单效溴化锂吸收式制冷机工作流程

工作溶液只经过一次发生过程，称为单效。单效机的工作工况：PK=Pg；P0=Pa。Pg—发生器内的压力；Pa—吸收器内的压力。一般，PK/P0=10：1。如当PK=9580Pa，（对应tK=45℃），则应有P0=872Pa，（t0=5℃）。10/6/2023162、单效溴化锂吸收式制冷机工作循环的h-ξ图溶液回路：2—稀溶液出吸收器时的状态，浓度为ξa，压力为P0，温度为t2。2—7：稀溶液经溶液热交换器的升温过程。7—5—4：发生过程。7—5：稀溶液在发生器中的预热过程；5—4：稀溶液在发生器中的发生过程。10/6/2023174—8：浓溶液在溶液热交换器中的降温过程，温度降低，浓度不变。8—：浓溶液出热交换器时的状态，温度降低，压力略有下降。9—：状态2与状态8的混合状态，称为中间溶液。9点在2、8点的连线上，浓度为ξm。9—9′：中间溶液进入吸收器后的闪发过程。9—9′—2：吸收过程。9—9′：温度降低，浓度略有增大；9′—2：溶液在吸收器中的吸收过程。10/6/202318制冷剂回路：与状态5和状态4对应的水蒸气状态分别为5′和4′，中间状态为3′。即发生出的水蒸气状态，压力为PK。3′—3：水蒸气在冷凝器中的冷凝过程。3′—a：冷却过程；a—3：冷凝过程。3—1′：冷剂水在蒸发器中的蒸发过程。3—b：冷剂水经U形管的节流过程；b—1′：蒸发过程。3点与b点比焓值相等，在h-ξ图上两点重合。10/6/2023193、单效溴化锂吸收式制冷机的热负荷计算据制冷量、工作温度、加热介质及冷却介质的条件，确定机组的运行参数，计算设备的热负荷、各工作介质的流量、机组的热能消耗、热力系数等。为机组的传热计算、结构设计和泵的选择提供必要的数据。⑴循环工作参数的确定：第五章图片\表5－1循环工作参数的确定.tif10/6/202320⑵各设备的热负荷计算及热平衡①机组中制冷剂的循环量D②发生器热负荷Qg:qg的确定：发生器的热平衡关系：Ga：进入发生器的稀溶液的量；h4：流出发生器的浓溶液的比焓值。10/6/202321发生器进出情况：3′，D4，（Ga-D）7,GaQg,热水（蒸汽）10/6/202322a—溶液的循环倍率。进出发生器的溴化锂质量平衡，10/6/202323③冷凝器的热负荷④蒸发器的热负荷⑤吸收器热负荷Qa10/6/202324吸收器进出情况：1′，D8，（Ga-D）2,GaQa,冷却水10/6/202325fa—吸收器再循环倍率。定义为吸收器吸收1kg/h水蒸气与浓溶液混合所需要的稀溶液量。混合后的稀溶液即中间溶液为点9状态，其焓值为h9，此状态下的热量和质量平衡关系有：10/6/202326fa的取值取决于喷淋量、喷嘴的结构、吸收器泵的大小等。一般取fa＝20左右。⑥溶液热交换器热负荷Qt溶液热交换器的热平衡式：令：则：浓溶液侧：稀溶液侧：10/6/202327⑦循环系统的热平衡关系、热力系数及热源单耗热平衡关系：热力系数：制冷量与所消耗热量之比。热源单耗：制取单位冷量（1kw）所消耗的加热蒸汽量。10/6/202328（二）两效溴化锂吸收式制冷机工作循环两效溴化锂吸收式制冷循环中，设有高压、低压两个发生器。工作蒸汽压力一般在0.25～0.8MPa或为150℃以上的高温水。也可直接以燃油或燃气作为驱动热源，使溴化锂吸收式制冷机得到更大范围的推广与应用。1、蒸汽（或热水）型两效溴化锂吸收式制冷机的工作原理蒸汽（或热水）型两效溴化锂吸收式制冷机，与单效机相比，除多设了一个高压发生器外，还设有与之配套的高温溶液热交换器和凝水热交换器。循环系统由热源回路、溶液回路、冷剂回路、冷却水回路和冷水（冷媒水）回路组成。10/6/202329溶液回路中的高、低压发生器的连接方式分为串联并联三种型式串并联构成三种不同结构的流程。10/6/202330⑴串联流程的蒸汽型两效溴化锂吸收式制冷机其工作原理图及热力过程在h-ξ图上的表示如下：10/6/202331各热力过程如下：2－7－7H：稀溶液经低温、高温热交换器的加热过程，浓度为ξa。7H－5H－4H：高压发生器中的发生过程。7H－5H：高压发生器中的加热过程；5H－4H：高压发生器中的发生过程。4H－8H：高压发生器中出来的溶液在H1中的冷却过程。8H－5－4：8H状态的溶液进入低压发生器被来自高压发生器的3H′的冷剂蒸汽加热以及低压发生器中的发生过程。10/6/2023328H－5：8H状态的溶液在低压发生器中被加热的过程；5－4：低压发生器中的发生过程，发生了3′状态的冷剂蒸汽。4－8：低压发生器中流出的浓度为ξr的浓溶液在H2中的降温过程。2＋8－9：状态2与状态8混合到状态9。9－9′：混合溶液在吸收器中的闪发过程。9′－2：混合溶液在吸收器中的冷却、吸收过程。10/6/2023333H′－3H：高压发生器中发生的冷剂蒸汽在低压发生器内的冷凝放热过程。3H－3：低压发生器管内冷剂水进入冷凝器的节流、冷却过程，压力由Pr降到PK，冷剂水的最终状态达到点3状态。3′－3：低压发生内发生的冷剂蒸汽在冷凝器中的冷凝过程。3－1′：冷凝器中的冷剂水进入蒸发器中的节流、蒸发过程。3－1：冷剂水的节流过程；1－1′：冷剂水的蒸发过程。10/6/202334⑵并联流程的两效溴化锂吸收式制冷循环所谓并联流程是指从吸收器中出来的稀溶液经溶液泵升压后分流，分别进入高、低压发生器的两效吸收式制冷循环流程。不同于串联流程的稀溶液按先后顺序进入高、低压发生器的特点，具有较高的热力系数。图5－6示出了两效溴化锂吸收式制冷循环并联流程的工作原理。图5－7所示为两效溴化锂吸收式制冷循环并联流程的热力过程在h-ξ图上的表示。10/6/20233510/6/202336各热力过程如下：2－7：吸收器出来的稀溶液经溶液泵输送，进入低温溶液热交换器中的加热过程。7－7H：分流后的稀溶液一部分进入高温溶液热交换器中的加热过程。7－7′：分流后的稀溶液另一部分进入凝水热交换器中的加热过程。7H

－5H：稀溶液在高压发生器中的加热过程。5H

－4H：高压发生器中的发生过程。4H

－8H：高压发生器出来的浓溶液在高温溶液热交换器中的冷却过程。10/6/2023378H＋4－8H′：高温溶液热交换器出来的点8H状态的浓溶液与低压发生器出来的点4状态的浓溶液混合成为8H′状态浓溶液的混合过程。7′－5′：稀溶液在低压发生器中的闪发过程。点7′状态的稀溶液闪发出部分冷剂蒸汽，温度降低到t5′，质量浓度略有上升。5′－4：低压发生器中的发生过程，溶液浓度达到点4状态的ξr2，温达到t4。8H′－8：点8H′状态的浓溶液在低温溶液热交换器中的冷却过程，冷却至状态8。2＋8－9：点8状态的浓溶液与吸收器中的点2状态的稀溶液混合成为点9状态的中间溶液的混合过程。10/6/202338低温溶液热交换器出来的浓溶液进入吸收器中的吸收过程以及制冷剂水的循环过程，与串联流程相同，不再重复。10/6/202339⑶两效溴化锂吸收式制冷循环热负荷计算以串联流程为例①蒸发器热负荷单位热负荷：总制冷剂流量：②高压发生器热负荷单位热负荷：10/6/20234010/6/202341③低压发生器热负荷低压发生器内热平衡式：低压发生器内溴化锂平衡式：10/6/202342④吸收器热负荷吸收器内热平衡式：两边同除以D得：10/6/202343⑤高温溶液热交换器负荷稀溶液侧：浓溶液侧：⑥低温溶液热交换器负荷稀溶液侧：浓溶液侧：⑦循环系统得热平衡无凝水热交换器时：有凝水热交换器时：Qt3－凝水热交换器的热负荷。10/6/202344⑧循环系统的热力系数⑨热源单耗（对蒸汽热源）Gg1为高压发生器所需要的加热蒸汽量，kg/hQK为冷凝热负荷，即高、低压发生器所产生冷剂蒸汽热负荷之和。10/6/2023452、直燃型溴化锂吸收式制冷循环采用直燃型溴化锂吸收式制冷循环的冷热水机组，以燃气或燃油产生的高温烟气作为热源。具有热源温度高，传热损失小，对环境污染少，机组结构紧凑，可用于夏季供冷，冬季采暖和供应生活用热水等优点。直燃型一般热源温度都较高，适用于两效吸收式制冷机，其溶液回路也有串联和并联之分。通常有三种方式构成热水回路提供热水：①冷却水回路切换成热水回路；②热水和冷水采用同一回路；③专用热水回路。10/6/202346下面以串联流程的冷却水回路切换成热水回路的系统为例进行介绍。10/6/202347该机组以吸收器、冷凝器和加热盘管构成热水回路。冬季冷剂水不再进入蒸发器，而是直接返回低压发生器，完成溶液的稀释过程。在吸收器内，依靠低压发生器内来的温度较高的稀溶液加热换热管内的水。（换热管内的水并不是吸收溶液吸收过程所放出的热量）。10/6/202348第二节压缩式气体制冷循环气体制冷机以气体为工质。压缩式气体制冷机的工作过程也是由等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热四个过程组成。但它的特点是工质在循环过程中不发生集态变化。根据循环是否运用回热原理，分为无回热气体制冷机循环定压回热气体制冷机循环定容回热气体制冷机循环10/6/202349一、无回热气体制冷机循环循环的系统图及T-S图如下：在理想条件下，即假设压缩过程和膨胀过程均为等熵过程；吸热和放热过程均为等压过程（无压力损失）；热交换器出口处设有端部温差，所组成的气体制冷循环称作气体制冷机的理论循环。10/6/202350冷箱温度为T0，环境介质温度为TC。循环的性能参数计算与蒸汽压缩式制冷循环计算方法基本相同。单位制冷量与单位冷却热负荷分别为：单位压缩功和单位膨胀功分别为：10/6/202351循环所消耗的单位功与制冷系数为：若不计比容随温度的变化，1－2为绝热压缩过程：3－4为绝热膨胀过程：10/6/20235210/6/202353热力完善度：TC永远小于T2，η＜1。10/6/202354在实际的气体压缩制冷循环中，压缩机和膨胀机中并非等熵过程，换热器中也存在着传热温差和流动阻力损失。因此实际循环的单位制冷量减小，单位功增大，制冷系数和热力完善度降低，同时伴随某些循环特性的变化。实际循环与理论循环的差别如右图。实际循环为1－2S－3－4S－1。10/6/202355二、定压回热气体制冷机循环所谓回热循环就是将冷箱返回的冷气流引入回热器，用以冷却来自冷却器的高压常温气流，使其温度进一步降低，达到降低膨胀机进气温度的目的。同时冷箱的返回气流被加热，使压缩机吸气温度升高，其循环工作参数和特性都发生了变化。10/6/202356定压回热气体制冷机循环系统图及T-S图如下图：

1－2：压缩过程；2－3：冷却过程；3－4：回热器中的冷却过程；4－5：膨胀过程；5－6：冷箱中的吸热（制冷）过程；6－1：回热器中的加热过程。10/6/202357上图中的6－7－8－5－6循环为相同温度范围内的相同制冷量的无回热气体制冷循环。与定压回热气体制冷循环1－2－3－4－5－6－1相比，后者的循环压力比、单位压缩功和单位膨胀功均小得多。10/6/202358定压回热循环性能指标计算：⑴单位制冷量：⑵冷却器单位热负荷：⑶回热器单位热负荷：⑷压缩机单位功耗：⑸膨胀机单位功：10/6/202359⑹理论循环消耗的单位功：⑺制冷系数：10/6/202360由图可得：10/6/202361由以上结论可以看出：在相同工作范围、相同单位制冷量，而且有相同的理论制冷系数的回热与无回热气体制冷循环，并不能说明两循环是等效的。因为回热循环压力比小，以致压缩机和膨胀机的单位功小，其功率也小，因而大大减小了压缩过程、膨胀过程以及热交换过程的不可逆损失，所以实际回热循环的制冷系数比无回热循环的要大。当使用了高效透平机械后，制冷机的经济性会大大提高。在制取－80℃以下低温时，定压气体制冷机的热力完善度超过了各种型式的蒸汽制冷机。10/6/202362三、定容回热气体制冷机循环

定容回热气体制冷机循环由两个等温过程和两个定容过程组成。定容回热气体制冷机工作过程及P-V图如右图。该机在一个气缸内有两个活塞，即压缩活塞A和膨胀活塞B，两活塞之间设置回热器R。10/6/202363当气体流过回热器时，其温度即发生变化（由TE升高到TC或由TC降低到TE）。1－2：等温压缩过程。压缩过程开始。B活塞不动，A活塞向下运动。气体由p1、v1变化到p2、v2，向冷却介质放出热量Qc。2－3：等容放热过程。两活塞同步向下运动，气体被定容推移到E腔，经回热器R时被冷却，放出热量QR，气体状态变为p3、v3。3－4：等温膨胀过程。A活塞不动，B活塞继续向下移动，气体膨胀作外功，降压、降温，在低温下制取冷量QE。4－1：定容吸热过程。两活塞同步向上移动，气体被等容推至C腔，经回热器时吸收QR热量，气体重新恢复到p1、v1状态。10/6/202364性能指标计算如下：单位制冷量：单位放热量：回热器单位热负荷：循环消耗的单位功：10/6/202365制冷系数：ε与同温限的逆向卡诺循环的制冷系数相同。10/6/202366第三节气体涡流制冷一、气体涡流制冷原理气体涡流制冷是一种借助于涡流管的作用，使高速气流产生涡流，分离出冷、热两股气流，而利用冷气流获得冷量的方法。涡流管是一种结构极为简单的制冷装置，它由喷嘴、涡流室、分离孔板、冷、热两端管子及流量控制阀组成。如图所示。第五章图片\图5－17、5－18.tif10/6/202367工作原理：高速气流由进气导管导入喷嘴，膨胀降压后沿切线方向高速进入阿基米德螺旋线涡流室，形成自由涡流，经过动能交换分离成温度不等的两部分。中心部分动能降低变成冷气流；边缘部分动能增大，变成热气流流向涡流管的另一端。这样涡流管可以同时获得冷、热两种效应，通过流量控制阀调节冷热气流比例相应改变气体温度，可以得到最佳制冷效应或制热效应。10/6/202368图5－18为涡流管内部工作过程的T-S图。点4为气体压缩前的状态。4－5：工作气体的等熵压缩过程；5－1：压缩气体的等压冷却过程；1：高压气体进入喷嘴前的状态。在理想条件下绝热膨胀到P2压力，温度降低到TS，即点2a状态。2：涡流管流出的冷气流状态，温度为Tc。3：分离出的热气流状态，温度为Th。1-2，1-3：冷热气流的分离过程；3－3′：热气流经流量控制阀的节流过程。h3=h3′。10/6/202369三、涡流管的特性及应用涡流管具有结构简单、启动快、维护方便、工作极为可靠、一次性投资和运行费用低等优点。尽管其效率较低，但在国外仍然得到广泛的应用。10/6/202370第四节热电制冷一、热电制冷的基本原理热电制冷是一种以温差电现象为基础的制冷方法。在两种不同的金属组成的闭合线路中，通以直流电流，会产生一个接点放热，另一个接点吸热的现象，称为温差电现象。半导体材料所产生的温差电现象较其它金属显著得多，一般热电制冷都采用半导体材料，又称之为半导体制冷。图5－19示出了基本热电偶回路。10/6/202371制冷原理：P型半导体内载流子－空穴，空穴在P型半导体内的势能大于在金属片中的势能。N型半导体内载流子－电子，电子在N型半导体内的势能大于在金属片中的势能。电子运动的方向－与电流方向相反；空穴运动的方向－与电流方向相同。空穴通过接点a时，需要从金属片中吸收一定的热量，以提高自身的势能才能进入P型半导体，a处温度降低，形成冷节点。10/6/202372空穴通过接点b时，需要将多余的一部分势能留给接点，才能进入金属片中，b处温度升高，形成热节点。同理，在外电场作用下电子流过热电偶回路时，电子流过接点d时，由金属片进入N型半导体，需从金属片中吸收一定的能量，接点温度降低；流过接点c时，由N型半导体进入金属片，需释放一部分能量，接点温度升高。10/6/2023