5 冷热源工程 第五章 吸收式制冷及设备

冷热源工程（第4版）普通高等教育建筑环境与能源应用工程系列教材重庆大学出版社主编：龙恩深

蒋星池

第五章吸收式制冷及设备心系人间冷暖、服务国家战略吸收式制冷及设备1、了解吸收式制冷工质对的特点，掌握吸收式制冷的工作原理；2、掌握单效溴化锂吸收式制冷理论循环及其热力计算；3、熟悉单、双效溴化锂吸收式制冷流程；4、了解余热型吸收式冷（热）水机组的流程和特点；5、熟悉吸收式机组性能特性及能量调节方式；6、掌握吸收式机组的选用原则。本章学习目标：5.1吸收式制冷原理吸收式制冷机主要由四个热交换设备组成，即发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器，它们组成两个循环环路：制冷剂循环与吸收剂循环。1）简单吸收式制冷循环1、吸收式制冷基本原理吸收式制冷是蒸气制冷的一种，和蒸气压缩式制冷相比存在两个非常不同之处。（1）能量补偿方式不同（2）使用工质不同

2）吸收式制冷与蒸气压缩式制冷的比较5.1吸收式制冷原理5.1吸收式制冷原理2、吸收式和制冷剂特性吸收式制冷使用两种沸点相差较大的物质组成二元溶液，利用吸收剂在常温下能强烈吸收水蒸气（氨蒸汽），在高温下又能将所吸收的水分（或氨）释放出来的特性。制冷剂——低沸点工质吸收剂——高沸点工质1）工质对二元溶液浓度常用工质对：5.1吸收式制冷原理吸收式制冷循环（两个）：

制冷剂循环、吸收剂循环工艺用制冷(1～-15℃)—氨吸收式制冷机工质对水------------氨溶液

吸收剂

制冷剂空调用制冷(0℃以上)—溴化锂吸收式制冷机

工质对溴化锂---------水溶液吸收剂

制冷剂1、吸收式制冷工质对两组分的沸点不同2、吸收剂要对制冷剂有强烈的吸收性能3、吸收式制冷二元溶液的浓度二元溶液的状态需要除温度与压力以外的组分关系来表现，即质量浓度。习惯上二元溶液以水为溶剂，氨或溴化锂作为溶质来评价其浓度。5.1吸收式制冷原理*二元溶液二元溶液：两种互相不起化学作用的物质组成的均匀混合物。均匀混和合物指其内部压力温度浓度密度等参数在各处都完全一致。混合现象：两种液体混合时混合前后的容积和温度一般都有变化。不同液体混合后的容积可能缩小也可能增大。5.1吸收式制冷原理不同液体混合后的温度可能上升也可能下降。即混合的过程可能是吸热也可能是放热的过程。混合前的比焓：混合后的比焓：*溴化锂与水混合，氨水混合都是放热，混合热为负值。5.1吸收式制冷原理2）二元溶液的压力-饱和温度图5.1吸收式制冷原理封闭容器内活塞加重物维持压力不变。（a）为1状态未饱和二元溶液。浓度、温度。定压下加热，温度逐渐升高。当温度达到t2，内部产生气泡达到饱和状态，即2。溶液在定压下继续加热，温度上升，产生蒸汽，形成湿蒸汽状态。达到3状态。温度为t3，浓度为饱和液与饱和蒸汽组成的浓度。5.1吸收式制冷原理在定压下继续加热温度不断上升液体逐渐减少，达到t4时，溶液全部变成蒸汽。状态4为干饱和蒸汽浓度与状态1的浓度相等。温度t4称为该温度下的饱和蒸汽温度（冷凝温度或露点）。继续被加热则蒸汽将在等浓度下过热。达到5状态。等压饱和液线，等压饱和蒸汽线分成三个区，过冷液体，湿蒸汽区，过热蒸汽区。tⅠ

，tⅡ分别为该压力下纯物质的饱和温度。5.1吸收式制冷原理不同压力下重复实验，可以得出右图。当P3>P2>P1则，饱和温度t3>t2>t1。纯物质在一定压力下只有一个饱和温度而二元溶液在定压下饱和温度与浓度有关。随着溶液的气化，低沸点的物质含量减少其温度将逐渐升高。湿蒸汽中饱和液与饱和气的浓度不同，温度相同。对于一定浓度的二元溶液，饱和温度随压力的增加而上升。5.1吸收式制冷原理图中左侧第一根斜线是纯水的压力与饱和温度的关系；最右侧的折线为结晶线，它表明在不同温度下溶液的饱和浓度。温度越低，饱和浓度也越低。因此，溴化锂水溶液的浓度过高或温度过低时均易于形成结晶，这点是设计和运行中必须注意的问题。从图中可见，在一定温度下溶液面上水蒸汽饱和分压力低于纯水的饱和分压力，而且溶液的浓度越高，液面上水蒸汽饱和分压力越低。以溶液的温度

t为横坐标，同压力

p下水的沸点T’（或lgp）为纵坐标。5.1吸收式制冷原理3）工质对二元溶液状态氨水及溴化锂水溶液h-ξ图溴化锂-水溶液的比焓-浓度图下部仍为液态区，绘有等压线和等温线，上部的气态区没有饱和蒸气的等压线，只有一组辅助线。这是因为蒸气中不含溴化锂，是纯水蒸气，即浓度为零。5.2吸收式制冷机组左边是制冷循环，右边是吸收剂循环。在发生器和吸收器之间的溶液管路上增加了一个溶液热交换器。1）单效溴化锂吸收式制冷循环1、溴化锂吸收式制冷单效溴化锂吸收式理论循环的比焓-浓度图5.2吸收式制冷机组吸收式制冷循环各设备作用制冷剂循环过程：发生器加热出制冷剂→冷凝器冷凝→节流降压→蒸发器制冷→吸收器把制冷剂吸回溶液→溶液泵打回发生器，循环往复。5.2吸收式制冷机组1.发生器（Generator）作用：加热稀溶液，让制冷剂蒸发出来输入：外部热源（蒸汽、热水、烟气、燃气等）输出：高压高温制冷剂蒸气、浓度变高的浓溶液2.冷凝器（Condenser）作用：将制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压液体3.膨胀/节流阀（ExpansionValve）作用：节流降压4.蒸发器（Evaporator）作用：真正制冷的地方5.吸收器（Absorber）作用：用浓溶液“吸收”低压制冷剂蒸气把来自蒸发器的低压制冷剂蒸气溶解到浓溶液中溶液重新变稀，同时放出热量，由冷却水带走输出：稀溶液6.溶液泵（SolutionPump）作用：将稀溶液从吸收器加压送到发生器完成溶液循环，维持连续工作7.溶液热交换器（HeatExchanger）作用：回收热量、提高效率让高温浓溶液（从发生器到吸收器）预热低温稀溶液（从吸收器到发生器）减少发生器加热量和吸收器冷却负荷5.2吸收式制冷机组吸收式制冷机的经济性常以热力系数作为评价指标。热力系数是吸收式制冷机中获得的制冷量φ0与消耗的热量φg之比。热力系数吸收式制冷机热力计算5.2吸收式制冷机组吸收式制冷系统与外界的能量交换图中发生器中热媒对溶液系统的加热量为φg，蒸发器中被冷却物质对系统的加热量（即制冷量）为φ0，泵的功率为PkW，系统对周围环境的放热量为φe（等于在吸收器中放热量φa与在冷凝器中放热量φk之和）。由热力学第一定律得：φg+φ0+P=φa+φk=φe

5.2吸收式制冷机组设该吸收式制冷循环是可逆的，发生器中热媒温度等于Tg，蒸发器中被冷却物温度等于To，和环境温度等于Te，并都是常量。则吸收式制冷系统单位时间内引起外界熵的变化为：对于发生器的热媒是：对于蒸发器中被冷却物质是：对周围环境是：5.2吸收式制冷机组由上式可得≥由热力学第二定律可知，系统引起总熵的变化应大于或等于零，即或ΔS=ΔSg+ΔS0+ΔSe≥05.2吸收式制冷机组最大热力系数为≤

上式表明，吸收式制冷机的最大热力系数等于工作在温度T0和Te之间的逆卡诺循环的制冷系数，与工作在Tg和Te之间的正卡诺循环的热效率ηc的乘积。热力系数与最大热力系数之比称为热力完善度，即热力系数为5.2吸收式制冷机组决定吸收式制冷热力过程的外部条件是三个温度：热源温度tg，冷却介质温度t0和被冷却介质温度te。

*被冷却介质温度决定了蒸发压力（蒸发温度）；*冷却介质温度决定了冷凝压力（冷凝温度）及吸收器内溶液的最低温度；*热源温度决定了发生器内溶液的最高温度。进而，蒸发压力和吸收器内溶液的最低温度又决定了稀溶液浓度ξw；冷凝压力和发生器内溶液的最高温度决定了浓溶液浓度ξs。5.2吸收式制冷机组溶液的循环倍率f是制冷剂-吸收剂溶液的质量流量F（吸收器溶液进入发生器的质量流量-泵入量）与制冷剂质量流量D之比，表示了溴化锂吸收式制冷机每产生单位质量流量的制冷剂水蒸气，所需要循环的稀溶液质量。溶液的循环倍率越小，设备尺寸就减小，溶液泵的耗电减少，循环的经济性越好。循环倍率5.2吸收式制冷机组放气范围大，溶液循环倍率小，运行经济性好，但溴化锂-水溶液浓度大，易产生结晶。放气范围和溶液的循环倍率这两个参数很重要。溴化锂吸收式制冷的四大性能指标指的就是热力系数、热力完善度、放气范围和溶液循环倍率。由于从溴化锂水溶液中汽化出来的冷剂水蒸气中不含有溴化锂，故根据溴化锂的质平衡方程可导出：—称为“放气范围”，表示浓溶液与稀溶液的浓度差。

5.2吸收式制冷机组热力计算例热力计算的原始数据有：制冷量φ0，加热介质温度th，冷却水温度tw和冷冻水温度tcw。可根据如下一些经验关系选定设计参数。在溴化锂吸收式制冷机中的冷却水，一般采用先通过吸收器再进入冷凝器的串联方式。冷却水出入口总温差取8～9℃。冷却水在吸收器和冷凝器内的温升之比与这两个设备的热负荷之比相近。一般吸收器的热负荷及冷却水的温升稍大于冷凝器。冷凝温度tk比冷凝器内冷却水出口温度高3～5℃；蒸发温度t0比冷冻水出口温度低2～5℃；吸收器内溶液最低温度比冷却水出口温度高3～8℃；发生器内溶液最高温度t4比热媒温度低10～40℃；热交换器的浓溶液出口温度t5比稀溶液侧入口温度t2高12～25℃。5.2吸收式制冷机组[例题5.1]如图5.5所示溴化锂吸收式制冷系统。已知制冷量φ0=1000kW，冷冻水出口温度tcw2=7℃，冷却水入口温度tw1=32℃，加热用饱和蒸气温度th=119.6℃。试对该系统进行热力计算。吸收器冷却水出口温度tw2=tw1+5=37（℃）吸收器溶液最低温度t1=tw2+6.2=43.2（℃）发生器溶液最高温度t4=th-17.4=102.2（℃）热交换器最大端部温差t5-t2=25（℃）[解]1、根据已知条件和经验关系确定如下设计参数：冷凝器冷却水出口温度tw3=tw1+9=41（℃）冷凝温度tk=tw3+5=46（℃）冷凝压力pk=10.9kPa蒸发温度t0=tcw2-2=5（℃）蒸发压力p0=0.87kPa5.2吸收式制冷机组2、确定循环节点参数将已确定的压力及温度值填入表5.2中，利用h-ξ图或公式求出于饱和状态的点1（点2与之相同）、4、8、10、3g和6a的其他参数，也填入表中。状态点p/kPat/℃ξ/%h/（kJ∙kg-1）1233g4566a789100.8710.0910.0910.0910.0910.090.870.8710.0910.090.870.8743.2约43.2-92.0102.268.2-52.497.1465559.559.559.559.564.064.064.064.00000281.77约281.77338.60-393.56332.43332.43-3100.33611.11611.112928.675.2吸收式制冷机组3、计算溶液的循环倍率热交换器出口浓溶液为过冷液态，由t5=t2+25=68.2℃及

ξs=64%求得焓值h5=332.43kJ/kg，h6≈h5。热交换器出口稀溶液点3的比焓由热交换器热平衡式求得：h3=h2+（h4-h5）[（

f-1）/f]=281.77+（393.56-332.43）（14.2-1）/14.2=338.601(kJ/kg)5.2吸收式制冷机组4、各设备单位热负荷qg=f(h4-f3)+h7-h4=14.2(393.56-338.60)+(3100.33-393.56)=3487.20(kJ/kg)qa=f(h6-h1)+h10-h6=14.2(332.43-281.77)+(2928.67-332.43)=3313.61(kJ/kg)qk=h7-h8=3100.33-611.11=2489.22(kJ/kg)q0=h10-h9=2928.67-611.11=2317.56(kJ/kg)qt=(f-1)(h4-h5)=(14.2-1)(393.56-332.43)=806.92(kJ/kg)总吸热量

qg+q0=5804.8(kJ/kg)总放热量

qa+qk=5804.8(kJ/kg)由此可见，总吸热量=总放热量，符合能量守恒定律。5.2吸收式制冷机组6、各设备的热负荷及流量5、热力系数冷剂循环量：稀溶液循环量：

F=fD=14.2×0.4315kg/s=6.1271(kg/s)浓溶液循环量：

F-D=（f-1）D=13.2×0.4315kg/s=5.6956(kg/s)各设备的热负荷:发生器

φg=Dqg=1504.7(kW)吸收器

φa=Dqa=1430.6(kW)冷凝器

φk=Dqk=1074.1(kW)热交换器

φt=Dqt=806.9(kW)5.2吸收式制冷机组7、水量及加热蒸汽量冷却水量（冷凝器）

Gwk=φk/Δtwk=231.3(t/h)或冷却水量（吸收器）

Gwa=φa/Δtwa=246.4(t/h)二者的冷却水量基本吻合。冷冻水量，设蒸发器入口冷冻水温tcw1=12℃，Gc=172.2(t/h)加热蒸汽消耗量（汽化潜热r=2202.68kJ/kg）5.2吸收式制冷机组8、热力完善度若取环境温度te=32℃，被冷却物温度t0=7℃，热源温度tg=119.6℃，则最大热力系数热力完善度5.2吸收式制冷机组5.2吸收式制冷机组典型结构与流程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-溶液喷淋系统19-发生器浓溶液囊20-三通阀21-浓溶液溢流管22-抽气装置溴化锂吸收式制冷机在高度真空下工作，结构的密封性显得尤为重要，要求结构安排必须紧凑，连接部件尽量减少。通常把发生器等四个主要换热设备合置于一个或两个密闭筒体内，即所谓单筒结构和双筒结构。5.2吸收式制冷机组单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的循环系统热源回路冷却水回路冷水回路冷剂水回路溶液回路工作过程：①发生器水蒸气→冷凝器冷凝成水→U型管节流→蒸发器制冷②发生器浓溶液→节流降压→吸收器吸收水蒸气→泵升压→发生器（压缩机的功能）冷凝器与发生器在一容器中；蒸发器与吸收器在一容器中。5.2吸收式制冷机组如前所述，由于溶液结晶条件的限制，单级溴化锂吸收式制冷机的热源温度不能很高。当有较高温度热源时，应采用多级发生的循环。如有表压0.6～0.8MPa的蒸汽或有燃油、燃气作热源时，通常采用双效型溴化锂吸收式制冷机；分别称为蒸汽双效型和直燃双效型。2）双效溴化锂吸收式制冷机（1）多级发生当其他条件一定时，随着热源温度的降低，吸收式制冷机的浓度差(放气范围)将减少。如若热源温度很低，以致按普通单级循环计算，放气范围小于3～4％甚至成为负值时，可采用多级吸收循环(一般为两级)。（2）多级吸收5.2吸收式制冷机组2）双效溴化锂吸收式制冷机5.2吸收式制冷机组双效溴化锂吸收式制冷机的特点双效型溴化锂吸收式制冷机设有高、低压两级发生器，高、低温两级溶液热交换器，有时为了利用热源蒸汽的凝水热量，还设置溶液预热器(或称凝水回热器)。以高压发生器中溶液汽化所产生的高温冷剂水蒸气作为低压发生器加热溶液的内热源，再与低压发生器中溶液汽化产生的冷剂蒸气汇合在一起，作为制冷剂，进入冷凝器和蒸发器制冷。5.2吸收式制冷机组2、吸收式机组性能1）性能特性用单位制冷量加热源耗量表示（1）性能参数及限值吸收式机组的性能参数主要包括制冷量、加热耗热量、消耗电功率、性能系数。

机组的设计工况主要包含三个方面：①冷水（热水）工况：出口温度、进口温度或者流量；②冷却水（或者低温热源水）工况：进口温度、出口温度或流量；③热源工况：根据热源的类型不同，包括蒸汽压力、流量；驱动热源水的进口温度、出口温度或流量，或者燃料类型与流量，或余热烟气的进口温度、出口温度或流量等。5.2吸收式制冷机组①热源强度的影响（2）性能曲线与使用工况性能②外界环境对机组性能的影响5.2吸收式制冷机组③空调负荷对机组性能的影响④其他因素的影响5.2吸收式制冷机组当循环倍率不变时，制冷机的制冷量几乎与稀溶液的流量成正比，减少输送到发器的稀溶液流量，就可以减少制冷机的制冷量。2）能量调节方式（1）热源调节（2）溶液流量调节

在满负荷时燃烧器处于最大燃烧量状态。当空调负荷减小，冷水出口温度下降时，燃烧器将减小燃烧量，以适应减小的负荷；当所需燃烧器的热量低于最小燃烧量时，燃烧器将