第八章-吸收式制冷.pptx

吸收式制冷是液体气化制冷的一种形式，它和蒸气压缩式制冷一样，是利用液态制冷剂在低温低压下气化以达到制冷的目的。所不同的是：蒸气压缩式制冷是靠消耗机械功(或电能)使热量从低温物体向高温物体转移，而吸收式制冷则是靠消耗热能来完成这种非自发过程的。第1页/共122页第一节 吸收式制冷的基本原理 一、基本原理 图示出了蒸气压缩式制冷与吸收式制冷的基本原理。蒸气压缩式制冷的整个工作循环包括压缩、冷凝、节流和蒸发四个过程，如图(a)。其中，压缩机的作用是，一方面不断地将完成了吸热过程而气化的制冷剂蒸气从蒸发器中抽吸出来，使蒸发器维持低压状态，便于蒸发吸热过程能持续不断地进行下去；另一方面，通过压缩作用，提高气态制冷剂的压力和温度，为制冷剂蒸气向冷却介质(空气或冷却水)释放热量创造条件。第2页/共122页第3页/共122页 由图(b)可见，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。左半部是制冷剂循环，属逆循环，由冷凝器、节流装置和蒸发器组成。高压气态制冷剂在冷凝器中向冷却介质放热被凝结为液态后，经节流装置减压降温进入蒸发器；在蒸发器内，该液体被气化为低压气态，同时吸取被冷却介质的热量产生制冷效应。这些过程与蒸气压缩式制冷完全相同。第4页/共122页第5页/共122页 图(b)中右半部为吸收剂循环(图中的点画线部分)，属正循环，主要由吸收器、发生器和溶液泵组成，相当于蒸气压缩式制冷的压缩机。在吸收器中，用液态吸收剂不断吸收蒸发器产生的低压气态制冷剂，以达到维持蒸发器内低压的目的；吸收剂吸收制冷剂蒸气而形成的制冷剂一吸收剂溶液，经溶液泵升压后进入发生器；在发生器中该溶液被加热、沸腾，其中沸点低的制冷剂气化形成高压气态制冷剂，进入冷凝器液化，而剩下的吸收剂浓溶液则返回吸收器再次吸收低压气态制冷剂。第6页/共122页 对于吸收剂循环来讲，可以将吸收器、发生器和溶液泵看做是一个“热力压缩机”，吸收器相当于压缩机的吸入侧，发生器相当于压缩机的压出侧。吸收剂可视为将已产生制冷效应的制冷剂蒸气从循环的低压侧输送到高压侧的运载液体。值得注意的是，吸收过程是将冷剂蒸气转化为液体的过程，和冷凝过程一样为放热过程，故需要由冷却介质带走其吸收热。吸收式制冷机中的吸收剂通常并不是单一物质，而是以二元溶液的形式参与循环的，吸收剂溶液与制冷剂一吸收剂溶液的区别只在于前者所含沸点较低的制冷剂量比后者少，或者说前者所含制冷剂的浓度比后者低。第7页/共122页 二、吸收式制冷机的热力系数 蒸气压缩式制冷机用制冷系数评价其经济性，由于吸收式制冷机所消耗的能量主要是热能，故常以热力系数作为其经济性评价指标。热力系数是吸收式制冷机所制取的制冷量0与消耗的热量g之比 第8页/共122页 与蒸气压缩式制冷中逆卡诺循环的制冷系数是最大的制冷系数相对应，吸收式制冷也有其最大热力系数。如下图所示，发生器中热媒对溶液系统的加热量为g，蒸发器中被冷却介质对系统的加热量(即制冷量)为0，泵的功率为P，系统对周围环境的放热量为e(等于在吸收器中放热量a与在冷凝器中放热量k之和)。第9页/共122页第10页/共122页由热力学第一定律得 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T0、环境温度等于Te，并且都是常量，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Sg=-gTg，对于蒸发器中被冷却物质是S0=-0T0，对周围环境是Se=eTe。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11页/共122页或 由式(8-2)和(8-4)可得 第12页/共122页 若忽略泵的功率，则吸收式制冷机的热力系数 最大热力系数max为 第13页/共122页 热力系数与最大热力系数max之比称为热力完善度a，即 max公式表明，吸收式制冷机的最大热力系数max等于工作在温度T0和Te之间的逆卡诺循环的制冷系数c与工作在Tg和Te之间的卡诺循环热效率c的乘积，它随热源温度Tg的升高、环境温度Te的降低以及被冷却介质温度T0的升高而增大。第14页/共122页 由此可见，可逆吸收式制冷循环是卡诺循环与逆卡诺循环构成的联合循环，如下图所示，故吸收式制冷机与由热机直接驱动的压缩式制冷机相比，在对外界能量交换的关系上是等效的。只要外界的温度条件相同，二者的理想最大热力系数是相同的。因此，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进行比较。第15页/共122页第16页/共122页第二节 二元溶液的特性 溶液的组成可以用摩尔浓度、质量浓度等进行度量。工业上常采用质量浓度，即溶液中一种物质的质量与溶液质量之比。对于吸收式制冷机通常规定：溴化锂水溶液的浓度是指溶液中溴化锂的质量浓度；氨水溶液的浓度是指溶液中氨的质量浓度。这样，在溴化锂吸收式制冷机中，吸收剂溶液是浓溶液，制冷剂-吸收剂溶液是稀溶液；而氨吸收式制冷机则相反。因此，在吸收式制冷循环中，制冷剂-吸收剂工质对(即二元混合物)的特性是关键问题。第17页/共122页 一、二元溶液的基本特性 两种互相不起化学作用的物质组成的均匀混合物称二元溶液。所谓均匀混合物是指其内部各种物理性质，如压力、温度、浓度、密度等在整个混合物中各处都完全一致，不能用纯机械的沉淀法或离心法将它们分离为原组成物质；所有气态混合物都是均匀混合物。用作吸收式制冷机工质对的混合物，在使用的温度和浓度范围内都应当是均匀混合物。第18页/共122页 下面介绍吸收式制冷循环中常用的液态、气态二元溶液的基本特性。(一)混合现象 两种液体时，混合前后的容积和温度一般都有变化。图(a)的容器中有一道隔墙将A和B两种液体分开，kg的液体A占有容积vA，而(1-)kg的液体B占有容积(1-)vB。第19页/共122页混合前两种液体总容积 如果除去隔墙将A、B两液体混合，如图(b)，形成lkg浓度为的均匀混合物，混合后两种液体的总容积为v2，一般第20页/共122页 从图示容器中温度计的读数可以看到，虽然混合前两种液体温度相同(tA=tB=t1)，而混合后的温度则与混合前温度不同(t2t1)。在与外界无热交换的条件下，混合时有热量产生者，混合后温度升高；而混合时需要吸热者，混合后温度降低。因此，要想维持混合前后温度不变，就需要排出或加入热量。在等压等温条件下混合时，每生成lkg混合物所需要加入或排出的热量，称为混合物的混合热或等温热q，它可以由实验测得。第21页/共122页 两种液体混合前的比焓 混合后的比焓 利用上式只要知道两种纯物质的比焓和混合物的混合热，就可算出一定温度下已知浓度混合物的比焓。溴化锂与水混合，以及水与氨混合时都会放热，即混合热为负值。第22页/共122页(二)二元溶液的压力-温度关系 图(a)和图(b)为在封闭容器中某一浓度的二元溶液定压气化实验示意图。第23页/共122页 容器中的活塞上压有一重块，使容器内的压力在整个过程中维持不变。图(c)的温度一浓度简图上表示了该实验的状态变化过程。状态1的未饱和二元溶液，浓度为1，温度为t1，在定压下受热，温度逐渐升高。当温度达到t2时，开始产生气泡，此时状态2的二元溶液为饱和液，浓度2=1，温度t2即为该压力、该浓度下溶液的沸腾温度(或称饱和液温度，亦称泡点)。第24页/共122页 但是，二元溶液的湿蒸气是由饱和液3和饱和蒸气3组成，它们的温度均为t3，而浓度并不相同，饱和蒸气的浓度3大于饱和溶液的浓度3，即3 33。溶液在定压下进一步被加热，温度上升，液体不断气化，形成气液共存的湿蒸气状态，如图(c)的状态3，其温度为t3，浓度3仍等于1。第25页/共122页 在定压下继续加热，温度不断上升，液体逐渐减少，蒸气逐渐增多，当温度达到t4时，溶液全部变为蒸气，此状态4为干饱和蒸气，浓度4仍等于1，温度t4称为该压力、浓度下的蒸气冷凝温度(或称饱和蒸气温度，亦称露点)。若状态4的干饱和蒸气继续被加热，则将在等浓度下过热，如图(c)的状态5。第26页/共122页 图(c)中，2、3等状态点是压力相同而浓度不同的饱和液状态点，其连线称为等压饱和液线；4、3等状态点是压力相同而浓度不同的饱和蒸气状态点，其连线称为等压饱和气线。同一压力下，饱和液线和饱和蒸气线在=0的纵轴上相交于t，在=1的纵轴上相交于t，tI和t分别为该压力下纯物质和的饱和温度。这样，饱和液线和饱和气线将二元混合物的温度-浓度图分为三区：饱和气线以上为过热蒸气区，饱和液线以下为再冷液体区，两曲线之间为湿蒸气区。第27页/共122页 湿蒸气中气、液比例可按下法确定。图(c)中，1kg状态3的湿蒸气中有kg饱和蒸气和 kg饱和液由于气化前后总浓度不变，即则第28页/共122页得 从上式可看出，1=3=常数线上的点3将直线33分成线段33和33，此两线段长度之比即为与之比。如果用不同的压力重复前述实验，所得结果表示于图。第29页/共122页 从图中状态点1、2、3可以看出，对于同一浓度的二元溶液，当压力p3p2pl时，饱和温度t3t2tl。若实验反向进行，使过热蒸气在定压下冷凝，其状态变化过程见下图。第30页/共122页第31页/共122页 综上可见，二元溶液与纯物质有很大不同。纯物质在一定压力下只有一个饱和温度，其定压气化或冷凝过程是定温过程。而二元溶液在一定压力下的饱和温度却与浓度有关。随着溶液的气化，剩余液体中低沸点物质含量的减少，其温度将逐渐升高。所以，二元溶液的定压气化过程是升温过程。同理，二元气态溶液的定压冷凝过程则是降温过程。湿蒸气中饱和液与饱和气的温度相同而浓度不同，饱和液的浓度低于湿蒸气的浓度，饱和气的浓度高于湿蒸气的浓度。第32页/共122页 对于一定浓度的二元溶液，其饱和温度随压力的增加而上升。纯物质的饱和液或饱和气状态点只需压力或温度二者中一个参数即可确定，其他状态点，如过热水蒸气、湿蒸气等需由两个状态参数确定。而二元溶液的饱和液或饱和气状态点必须由压力、温度、浓度中任意两个参数确定，其他状态点，则需由压力、温度和浓度三个参数确定。第33页/共122页(三)二元溶液的比焓-浓度图 对二元溶液进行实际分析计算时，常用比焓-浓度图。图示为具有典型性的氨水溶液的比焓-浓度图。第34页/共122页 比焓-浓度图的横坐标为氨水的质量浓度l，纵坐标为溶液温度t，图中给出了氨水溶液的饱和压力p(kPa)、饱和蒸气比焓hv(kJkg)、饱和液体比焓h1(kJkg)和氨蒸气浓度v(kg NH3kg vapor)等参数线族。已知压力和温度的饱和液状态可以通过等饱和压力线与等温线的交点来确定，如图中 A点，表示压力pA=1000kPa、温度tA=110的饱和液体，其比焓值h1A=300kJkg，浓度1A=O.27；某压力的过冷液状态，其位置需根据压力、温度和浓度来确定，如：B点也可表示tB=90、lB=0.27、pB=1000kPa的过冷液体，其状态位于1000kPa等压线以下，比焓值h1B=210kJkg。第35页/共122页第36页/共122页 同样，已知压力和温度时，饱和氨蒸气的状态点，也需通过等饱和压力线与等温线的交点来确定，如图中A点，仍表示压力pA=1000kPa、温度tA=110的饱和蒸气，此时，蒸气的比焓值和蒸气中氨的含量须从饱和蒸气比焓hv和氨蒸气浓度v线上分别查取，hvA=1640kJkg，浓度vA=0.88。一定压力下的过热蒸气，其状态位于饱和压力线上方等v线上，需根据v和温度两者确定其状态点，如图中C点表示p=1000kPa、t=130、vC=0.88的过热蒸气，其比焓hvC=1660kJkg。第37页/共122页 二、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。无水溴化锂是无色粒状结晶物，性质和食盐相似，化学稳定性好，在大气中不会变质、分解或挥发，此外，溴化锂无毒，对皮肤无刺激。无水溴化锂的主要物性值如下：分子式 LiBr 分子量 86.856 成分 Li：7.99，Br：92.01 比重 3.464(25)熔点 549 沸点 1265第38页/共122页 通常固体溴化锂中会含有一个或两个结晶水，则分子式应为LiBrH20或LiBr2H20。溴化锂具有极强的吸水性，对水制冷剂来说是良好的吸收剂。当温度为20时，溴化锂在水中的溶解度为111.2g100g水。溴化锂水溶液对一般金属有腐蚀性。由于溴化锂的沸点比水高得多，溴化锂水溶液在发生器中沸腾时只有水汽化，生成纯冷剂水，故不需要蒸汽精馏设备，系统较为简单，热力系数较高。其主要弱点是由于以水为制冷剂，蒸发温度不能太低，系统内真空度较高。第39页/共122页(一)溴化锂水溶液的压力-饱和温度图 由于溴化锂水溶液沸腾时只有水被汽化，溶液的蒸气压就是水蒸气分压力。而水的饱和蒸汽压只是温度的单值函数，因此，溶液的蒸汽压可以由该压力下水的饱和温度来代表。经验性的杜林(Diihring)法则指出：水溶液的沸点t与同压力下水的沸点t成正比。从实验数据分析证实，一定浓度的溴化锂水溶液符合下述关系式中A，B系数，为浓度的函数。第40页/共122页 若以溶液的温度t为横坐标，同压力p下水的沸点t(或p)为纵坐标，绘制溴化锂水溶液的蒸汽压图，即为一组以浓度为参变量的直线，如图所示。第41页/共122页 图中左侧第一根斜线是纯水的压力与饱和温度的关系；右下侧的结晶线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，这是溴化锂吸收式制冷机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气饱和分压力低于纯水的饱和分压力，而且溶液的浓度越高，液面上水蒸气饱和分压力越低。第42页/共122页(二)溴化锂水溶液的比焓-浓度图 根据某一温度下纯水和纯溴化锂的比焓，以及该温度下以各种浓度混合时的混合热，按公式(8-10)就可求得此温度下不同浓度溶液的焓值。图示为溴化锂水溶液的比焓-浓度图(即h-图)，其下半部的虚线为液态等温线，通过该线可以查找某温度和浓度下溶液的比焓。第43页/共122页 由于当压力较低时，压力对液体的比焓和混合热的影响很小，故可认为液态等温线与压力无关，液态溶液的比焓只是温度和浓度的函数。饱和液态和过冷液态溶液的比焓，都可在h-图上根据等温线与等浓度线的交点求得，仅用等温线不能判别h-图上某点溶液的状态。图的下半部的实线，为等压饱和液线；等压线以下为该压力溶液的过冷液区。根据某状态点与相应等压饱和液线的位置关系，可以判别该点的相态。第44页/共122页 溴化锂水溶液的h-图只有液相区，气态为纯水蒸气，集中在=0的纵轴上。由于平衡时气液同温，蒸汽的温度可由与之平衡的液态溶液的温度求得，平衡态溶液面上的蒸汽都是过热蒸汽。为方便地求出气态的比焓，在h-图的上部为一组气态平衡等压辅助线，通过某等压辅助线与某等浓度线的交点即可得出此状态下蒸汽的比焓。第45页/共122页 目前我国普遍采用的h-图是以O饱和水和O溴化锂的比焓均为lOOkcalkg(=418.68kJkg)为基准，采用工程单位制绘制的(图8-10是转换为SI制的h-图)。饱和水蒸气表中O饱和水的比焓为OkJkg，若用水蒸气表查得纯水比焓值应加418.68kJkg，才能与h-图上所得纯水比焓相符。此外，由于存在着混合热，O溴化锂水溶液的比焓值也不是418.68kJkg，其值随着浓度不同而变化。第46页/共122页 【例题9-1】已知饱和溴化锂水溶液的压力为O.93kPa，温度40，求溶液及其液面上水蒸气各状态参数。【解】首先在比焓-浓度图的液态部分找到0.93kPa等压线与40等温线的交点A，读出浓度A=59，比焓hA=255kJkg(=61kcalkg)。液面上水蒸气温度等于溶液温度40，浓度=0。通过点A的等浓度线A=59与压力0.93kPa的辅助线的交点B作水平线与=0的纵坐标相交于C点，C点即为液面上水蒸气状态点，比焓hc=2998kJkg(=716kcalkg)，其位置在0.93kPa辅助线之上，所以是过热蒸气。从饱和水蒸气表可知，压力为0.93kPa时纯水的饱和温度为6，远低于40，可见溶液面上的水蒸气具有相当大的过热度。第47页/共122页第三节 单效溴化锂吸收式制冷机 溴化锂吸收式制冷由于具有许多独特的优点，故发展迅速，特别是在大型空调制冷和低品位热能利用方面占有重要地位。一、单效溴化锂吸收式制冷理论循环 图示为单效溴化锂吸收式制冷系统的流程。其中除图示简单吸收式制冷系统的主要设备外，在发生器和吸收器之间的溶液管路上装有溶液热交换器，来自吸收器的冷稀溶液与来自发生器的热浓溶液在此进行热交换。这样，既提高了进入发生器的冷稀溶液温度，减少发生器所需耗热量；又降低了进入吸收器的浓溶液温度，减少了吸收器的冷却负荷，故溶液热交换器又可称为节能器。第48页/共122页第49页/共122页第50页/共122页 在分析理论循环时假定：工质流动时无损失，因此在热交换设备内进行的是等压过程，发生器压力pg等于冷凝压力pk，吸收器压力pa等于蒸发压力p0。发生过程和吸收过程终了的溶液状态，以及冷凝过程和蒸发过程终了的冷剂状态都是饱和状态。下图是单效溴化锂吸收式制冷机系统理论循环的比焓-浓度图。第51页/共122页 1-2为泵的加压过程。将来自吸收器的稀溶液由压力p0下的饱和液变为压力pk下的再冷液。1=2，t1=t2，点1与点2基本重合。2-3为再冷状态稀溶液在热交换器中的预热过程。3-4为稀溶液在发生器中的加热过程。其中3-3g是将稀溶液由过冷液加热至饱和液的过程；3g-4是稀溶液在等压pk下沸腾汽化变为浓溶液的过程。发生器排出的蒸汽状态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的过热蒸汽)。第52页/共122页 7-8为冷剂水蒸气在冷凝器内的冷凝过程，其压力为pk。8-9为冷剂水的节流过程。制冷剂由压力pk下的饱和水变为压力p0下的湿蒸汽。状态9的湿蒸汽是由状态9的饱和水与状态9的饱和水蒸气组成。9-10为状态9的制冷剂湿蒸汽在蒸发器内吸热汽化至状态10的饱和水蒸气过程，其压力为p0。第53页/共122页 4-5为浓溶液在热交换器中的预冷过程。即把来自发生器的浓溶液在压力pk下由饱和液变为再冷液。5-6为浓溶液的节流过程。将浓溶液由压力pk下的过冷液变为压力p0下的湿蒸汽。6-1为浓溶液在吸收器中的吸收过程。其中6-6a为浓溶液由湿蒸汽状态冷却至饱和液状态；6a-1为状态6a的浓溶液在等压p0下与状态10的冷剂水蒸气放热混合为状态1的稀溶液的过程。第54页/共122页 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th，冷却介质温度tw和被冷却介质温度tcw它们分别影响着机器的各个内部参数。被冷却介质温度tcw决定了蒸发压力p0(蒸发温度t0)；冷却介质温度tw决定了冷凝压力pk(冷凝温度tk)及吸收器内溶液的最低温度t1；热源温度th决定了发生器内溶液的最高温度t4。进而，p0和t1又决定了吸收器中稀溶液浓度w；pk和t4决定了发生器中浓溶液的浓度s等。第55页/共122页 溶液的循环倍率f，表示系统中每产生lkg制冷剂所需要的制冷剂-吸收剂的kg数。设从发生器流入冷凝器的制冷剂流量为Dkgs，从吸收器流入发生器的制冷剂-吸收剂稀溶液流量为Fkgs(浓度为w)，则从发生器流入吸收器的浓溶液流量为(F-D)kgs(浓度为s)。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。第56页/共122页 图8-12所示的理想溴化锂吸收式制冷循环的热力系数善为 由上式可知，循环倍率f对热力系数善的影响非常大，为增大，必须减小f，由(8-16)式可知，欲减小f，必须增大放气范围及减小浓溶液浓度s。第57页/共122页二、热力计算 热力计算的原始数据有：制冷量0，加热介质温度th，冷却水入口温度twl和冷冻水出口温度tcw2。可根据下面一些经验关系选定设计参数。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89。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。第58页/共122页 冷凝温度tk比冷凝器内冷却水出口温度高35；蒸发温度t0比冷冻水出口温度低25；吸收器内溶液最低温度比冷却水出口温度高37；发生器内溶液最高温度t4比热媒温度低1040；热交换器的浓溶液出口温度t5比稀溶液侧入口温度t2高1225。第59页/共122页 【例题8-2】如图所示溴化锂吸收式制冷系统。已知制冷量0=1000kW，冷冻水出口温度tcw2=7，冷却水入口温度twl=32，发生器热源的饱和蒸汽温度th=119.6。试对该系统进行热力计算。第60页/共122页【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=1O.09kPa 蒸发温度 t0=tcw2-2=5 蒸发压力 p0=0.87kPa 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 第61页/共122页2确定循环节点参数 将已确定的压力及温度值填入下表中，利用h-图或公式求出处于饱和状态的点1(点2与之相同)、4、8、lO、3g和6g的其他参数，填入表中。状态点状态点 压力压力p(kPa)温度温度t()浓度浓度()比焓比焓h(kJkg)l 2 3 3g 4 5 6 6g 7 8 9 10 0.87 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 0.87 0.87 10.09 10.09 0.87 0.87 43.2 43.2 92.0 102.2 68.2 52.4 97.1 46 5 5 59.5 59.5 59.5 59.5 64.0 64.0 64.0 64.0 0 0 0 0 281.77 281.77 338.60 393.56 332.43 332.43 3100.33 611.1l 611.11 2928.67第62页/共122页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s=64求得焓值h5=332.43lkJkg，h6h5。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 kJkg第63页/共122页3各设备单位热负荷 qg=f（h4-h3)+(h7-h4)=14.2(393.56-338.60)+(3100.33-393.56)=3487.20kJkgqa=f（h6-h1)+(h10-h6)=14.2(332.43-281.77)+(2928.67-332.43)=3313.6lkJkgqk=h7-h8=3100.33-611.11=2489.22kJkgq0=hl0-h9=2928.67-611.11=2317.56kJkgqt=(f-1)(h4-h5)=(14.2-1)(393.56-332.43)=806.92kJkg总吸热量 qg+q0=5804.8kJkg总放热量 qa+qk=5804.8 kJkg由此可见，总吸热量=总放热量，符合能量守恒定律。第64页/共122页4热力系数5各设备的热负荷及流量冷剂循环量 D=0/q0=10002317.56=0.4315kgs稀溶液循环量 F=fD=14.2 O.4315=6.1271kgs浓溶液循环量 F-D=(f-1)D=(14.2-1)0.4315=5.6956kgs各设备的热负荷发生器 g=Dqg=1504.7 kW吸收器 a=Dqa=1430.6 kW冷凝器 k=Dqk=1074.1 kW热交换器 t=Dqt=806.9 kW第65页/共122页6水量及加热蒸汽量 冷却水量(冷凝器)或冷却水量(吸收器)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tcwl=12，则第66页/共122页加热蒸汽消耗量(汽化潜热r=2202.68kJkg)7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第67页/共122页 由热力计算可知，外部工作条件(th、tw和tcw)通过设备的传热影响溶液的压力、温度等机器的内部参数，后者又决定了溶液的浓度，即浓、稀溶液浓度和放气范围。由式(8-16)可知，溶液的越大，溶液循环倍率f则越小。三个外部温度中的任何一个发生变化都会影响到的变化。在实际工作中，冷却条件和要求制取的低温通常为给定条件。通过计算可以得出如下关系：当tw和tcw不变时，随着热源温度th的升高，呈直线关系上升，溶液f及热交换器的热负荷t呈双曲线关系下降，而热力系数善先很快增加，后渐变平缓。第68页/共122页 对一定的tw和tcw有一极限最低热源温度th,min，此时放气范围=0，热力系数=0，溶液循环倍率f趋于，热源温度th必须高于此值才能制冷。对一定的冷却水温有一极限最高热源温度th,max，该值一般由溶液的结晶条件决定，并随冷却水温度的降低而降低。经验认为溴化锂吸收式制冷机的放气范围=45为好，此范围内的热源温度常被看作是经济热源温度th,eco。经济的和最低的热源温度都随冷冻水温的降低和冷却水温的升高而升高。欲保持放气范围不变，当降低热源温度th时，须提高tcw或降低tw。当冷却水温为2832，制取5lO冷冻水时，单效溴化锂吸收式制冷机可采用表压40lOOkPa蒸汽或相应温度的热水作热源，热力系数约0.7。第69页/共122页 三、实际循环 实际过程是有损失的。在吸收过程中，由于冷剂蒸汽的流动损失，吸收器压力(吸收器内冷剂蒸汽的压力)pa应低于蒸发压力p0；作为吸收的推动力，溶液的平衡蒸汽分压力pa*又必须低于吸收器压力pa；还有不凝性气体的影响等，都构成了吸收过程的损失。这些损失的存在使吸收终了状态不是t2与p0线的交点2*，而是t2与pa*的交点2；吸收终了稀溶液浓度由w*升高至w(见图8-13)。第70页/共122页 吸收过程的损失用溶液的吸收不足来度量，即w=w-w*或pa=p0-pa*。实际吸收过程终了溶液状态2及稀溶液浓度取决于蒸发压力p0、吸收器溶液的最低温度t2及溶液的吸收不足值w或pa。第71页/共122页 在发生器的溶液沸腾过程中，由于液柱静压等影响，使过程偏离等压线3g-4*而沿3g-4进行。发生终了溶液状态不是在t4与pk线的交点4*，而是在t4与pg交点4；发生终了浓溶液浓度由s*降低为s。发生过程的损失用溶液的发生不足来度量，即s=s*-s。或pk=pg-pk。实际发生过程终了溶液状态4及浓溶液浓度s，由冷凝压力pk、发生器溶液最高温度t4及溶液的发生不足值s或pk来决定。第72页/共122页 为了保证吸收器管束上浓溶液的喷淋密度，需要一部分稀溶液再循环：浓溶液(点6)与部分稀溶液(点2)混合，混合溶液(点11)在吸收器节流至状态12。吸收过程沿12-2线变化。溶液的再循环提高了热质交换强度，而降低了吸收过程的传热温差。第73页/共122页 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 溴化锂吸收式制冷机是在高度真空下工作的，稍有空气渗入制冷量就会降低，甚至不能制冷。因此，结构的密封性是最重要的技术条件，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简体内，即所谓单筒结构和双筒结构。第74页/共122页 因设备内压力很低(高压部分约110绝对大气压，低压部分约1100绝对大气压)，蒸汽的流动损失和静液高度的影响很大，必须尽量减小，否则将造成较大的吸收不足和发生不足，严重降低机器的效率。为了减少冷剂蒸汽的流动损失，采取将压力相近的设备合放在一个筒体内，以及使外部介质在管束内流动，冷剂蒸汽在管束外较大的空间内流动等措施。第75页/共122页 在蒸发器的低压下，lOOmm高的水层就会使蒸发温度升高1012，因此，蒸发器和吸收器必须采用喷淋式换热设备。至于发生器，仍多采用沉浸式，但液层高度应小于300350mm，并在计算时需计入由此引起的发生温度变化。有时发生器采用双层布置以减少沸腾层高度的影响。图示为双筒形单效溴化吸收式制冷机结构简图。上筒是压力较高的发生器和冷凝器，下筒是压力较低的蒸发器和吸收器。第76页/共122页第77页/共122页第78页/共122页第79页/共122页第80页/共122页 对在真空条件下工作的系统中所有其他部件也必须有很高的密封要求。如溶液泵和冷剂泵需采用屏蔽型密闭泵，并要求该泵有较高的允许吸入真空高度，管路上的阀门需采用真空隔膜阀等。从以上结构特点看出，溴化锂吸收式制冷机除屏蔽泵外没有其他转动部件，因而振动、噪声小，磨损和维修量少。第81页/共122页(二)溴化锂吸收式制冷机的主要附加措施 1防腐蚀问题 溴化锂水溶液对一般金属有腐蚀作用，尤其在有空气存在的情况下腐蚀更为严重。腐蚀不但缩短机器的使用寿命，而且产生不凝性气体，使筒内真空度难以维持。所以，吸收式制冷机的传热管采用铜镍合金管或不锈钢管，筒体和管板采用不锈钢板或复合钢板。第82页/共122页 虽然如此，为了防止溶液对金属的腐蚀，一方面须确保机组的密封性，经常维持机内的高度真空，在机组长期不运行时充入氮气；另一方面须在溶液中加入有效的缓蚀剂。在溶液温度不超过120的条件下，溶液中加入0.1O.3的铬酸锂(Li2Cr04)和 O.02的氢氧化锂，使溶液呈碱性，pH在9.5。10.5范围，对碳钢-铜的组合结构防腐蚀效果良好。第83页/共122页 当溶液温度高达160时，上述缓蚀剂对碳钢仍有很好的缓蚀效果。此外，还可选用其他耐高温缓蚀剂，如在溶液中加入0.001。0.1的氧化铅(PbO)，或加入0.2的三氧化二锑(Sb203)与O.1的铌酸钾(KNb03)的混合物等。第84页/共122页 2抽气设备 由于系统内的工作压力远低于大气压力，尽管设备密封性好，也难免有少量空气渗入，并且，因腐蚀也会产生一些不凝性气体。所以，必须设有抽气装置，以排出聚积在筒体内的不凝性气体，保证制冷机的正常运行。此外，该抽气装置还可用于制冷机的抽空、试漏与充液。第85页/共122页 常用的抽气系统如图所示。第86页/共122页 图中辅助吸收器3又称冷剂分离器，其作用是将一部分溴化锂水溶液淋洒在冷盘管上，在放热的条件下吸收所抽出气体中含有的冷剂水蒸气，使真空泵排出的只是不凝性气体，以提高真空泵的抽气效果和减少冷剂水的损失。阻油器2的作用是防止真空泵停车时，泵内润滑油倒流入机体内。真空泵1一般采用旋片式机械真空泵。第87页/共122页 但是上述抽气系统只能定期抽气，为了改进溴化锂吸收式制冷机的运转效能，除装置上述抽气系统外，可附设自动抽气装置。图所示为许多自动抽气装置中的一种。该装置是利用引射原理，靠喷射少量的稀溶液，随时排出系统内存在的不凝性气体。排出的气体混在稀溶液中，经气体分离器分出，积存于分离器上部，利用传感器检测其压力，当压力超过设定值时，自动开启放气阀，或利用手动放气阀定期放入大气。第88页/共122页 此外，为了自动排出因腐蚀而产生的氢气，钯管排氢装置也是一种常用设备，但是，钯管排氢装置的工作温度约为300。第89页/共122页 3防止结晶问题 从溴化锂水溶液蒸气压饱和温度图(参见图8-9)可以看出，溶液的温度过低或浓度过高均容易发生结晶。因此，当进入吸收器的冷却水温度过低(如小于2025)或发生器加热温度过高时就可能引起结晶。结晶现象一般先发生在溶液热交换器的浓溶液侧，因为此处溶液浓度最高，温度较低，通路窄小。发生结晶后，浓溶液通路被阻塞，引起吸收器液位下降，发生器液位上升，直到制冷机不能运行。第90页/共122页 为解决热交换器浓溶液侧的结晶问题，在发生器中设有浓溶液溢流管(图8-14中的21，也称为防晶管)。该溢流管不经过热交换器，而直接与吸收器的稀溶液囊相连。当热交换器浓溶液通路因结晶被阻塞时，发生器的液位升高，浓溶液经溢流管直接进入吸收器。这样，不但可以保证制冷机至少在部分负荷下继续工作，而且由于热的浓溶液在吸收器内直接与稀溶液混合，提高了进入热交换器的稀溶液温度，有助于浓溶液侧结晶的缓解。第91页/共122页 4制冷量的调节 吸收式制冷机的制冷量一般是根据蒸发器出口被冷却介质的温度，用改变加热介质流量和稀溶液循环量(采用图8-14中的电磁三通阀20)的方法进行调节的。用这种方法可以实现在10100范围内制冷量的无级调节。第92页/共122页(三)吸收式热泵 吸收式制冷机可以作为热泵使用，它可以回收废热水的热量，制取高温水，用于采暖等场合。吸收式热泵有两种形式：(1)第一种热泵：利用高温热源，把低温热源的热能提高到中温的热泵系统，它是同时利用吸收热和冷凝热以制取中温热水的吸收式制冷机，如图(a)所示。这种热泵以增加热量为目的，故又称为增热型吸收式热泵。第93页/共122页 例如：蒸发器将2535水冷却510，用吸收热和冷凝热将工艺排出的2535水加热到6080，热媒温度为160180，此时，发生器每lkW热量可获得约1.6kW的制热量(制热系数1.6)。第94页/共122页 (2)第二种热泵：利用中温废热和发生器形成驱动热源系统，同时还利用中温废热和蒸发器构成热源系统，在吸收器中制取温度高于中温废热的热水的热泵系统。这种热泵以升温为目的，故又称为热变换器。如图(b)，进入蒸发器的废热水把热量传给冷剂水，使冷剂水蒸发成冷剂蒸气，被吸收器中的溴化锂溶液吸收，由于吸收过程放出热量，因而在吸收器管内流动的水被加热，得到所需的高温热水。第95页/共122页 吸收冷剂蒸汽的稀溶液，经节流阀进入发生器，被在发生器管内流动的废热水加热沸腾、浓缩。浓缩后的浓溶液由溶液泵输送，经热交换器与来自吸收器的高温稀溶液换热后，进入吸收器，重新吸收冷剂蒸汽。第96页/共122页发生器中产生的冷剂蒸气进入冷凝器，被管内流动的低温冷却水所冷凝，成为冷剂水，再由冷剂水泵送往蒸发器。由于冷凝压力低于蒸发压力，所以，需由溶液泵P将浓溶液从发生器送至吸收器，而冷剂水需用冷剂水泵P将其从冷凝器送至蒸发器。当有51O的低温水(如冬季)作为冷却水时，这种机型可利用较低温度(如70)的中温废热水作发生器和蒸发器的热源，使较高温度的水在吸收器内升温(95100)，其热力系数约0.5。应当指出的是，冷凝器中的冷却水温度越低，所得到的高温水温度越高。第97页/共122页第四节 双效溴化锂吸收式制冷机 从公式(8-6)可以看出，当冷却介质和被冷却介质温度给定时，提高热源温度th，可有效改善吸收式制冷机的热力系数。但由于溶液结晶条件的限制，单效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。如利用表压600800kPa的蒸汽或燃油、燃气作热源的双效型溴化锂吸收式制冷机，它们分别称为蒸汽双效型和直燃双效型。第98页/共122页 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汽汇合在一起，作为制冷剂，进入冷凝器和蒸发器制冷。由于高压发生器中冷剂蒸汽的凝结热已用于机器的正循环中，使发生器的耗热量减少，故热力系数可达1.0以上；冷凝器中冷却水带走的主要是低压发生器的冷剂蒸气的凝结热，冷凝器的热负荷仅为普通单效机的一半左右。第99页/共122页 根据溶液循环方式的不同，常用双效溴化锂吸收式制冷机主要分为串联流程和并联流程两大类，串联流程系统性能稳定、调节方便；并联流程系统热力系数较高。一