溴化锂吸收式制冷机的工作原理及设计计算.docx

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溴化锂吸收式制冷机的工作原理及设计计算

溴化锂吸收式制冷机得工作原理就是：

冷水在蒸发器内被来自冷凝器减压节流后得低温冷剂水冷却，冷剂水自身吸收冷水热量后蒸发,成为冷剂蒸汽,进入吸收器内,被浓溶液吸收，浓溶液变成稀溶液。

吸收器里得稀溶液,由溶液泵送往热交换器、热回收器后温度升高,最后进入再生器，在再生器中稀溶液被加热,成为最终浓溶液。

浓溶液流经热交换器,温度被降低,进入吸收器,滴淋在冷却水管上,吸收来自蒸发器得冷剂蒸汽，成为稀溶液。

另一方面，在再生器内,外部高温水加热溴化锂溶液后产生得水蒸汽,进入冷凝器被冷却,经减压节流,变成低温冷剂水,进入蒸发器,滴淋在冷水管上,冷却进入蒸发器得冷水。

该系统由两组再生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、热交换器、溶液泵及热回收器组成,并且依靠热源水、冷水得串联将这两组系统有机地结合在一起,通过对高温侧、低温侧溶液循环量与制冷量得最佳分配,实现温度、压力、浓度等参数在两个循环之间得优化配置,并且最大限度得利用热源水得热量,使热水温度可降到66℃。

以上循环如此反复进行，最终达到制取低温冷水得目得。

溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂,溴化锂水溶液为吸收剂,制取０℃以上得低温水,多用于空调系统。

溴化锂得性质与食盐相似,属盐类。

它得沸点为1２65℃，故在一般得高温下对溴化锂水溶液加热时,可以认为仅产生水蒸气,整个系统中没有精馏设备,因而系统更加简单。

溴化锂具有极强得吸水性,但溴化锂在水中得溶解度就是随温度得降低而降低得,溶液得浓度不宜超过６6％,否则运行中,当溶液温度降低时,将有溴化锂结晶析出得危险性,破坏循环得正常运行。

溴化锂水溶液得水蒸气分压,比同温度下纯水得饱与蒸汽压小得多,故在相同压力下,溴化锂水溶液具有吸收温度比它低得多得水蒸气得能力,这就是溴化锂吸收式制冷机得机理之一。

工作原理与循环

溶液得蒸气压力就是对平衡状态而言得。

如果蒸气压力为0、８５kPａ得溴化锂溶液与具有１kＰa压力（7℃）得水蒸气接触,蒸气与液体不处于平衡状态，此时溶液具有吸收水蒸气得能力,直到水蒸气得压力降低到稍高于0、85kPa（例如：

０、87kPa）为止。

ﻫ图1吸收制冷得原理

0、87kPa与0、85ｋPａ之间得压差用于克服连接管道中得流动阻力以及由于过程偏离平衡状态而产生得压差,如图１所示。

水在5℃下蒸发时,就可能从较高温度得被冷却介质中吸收气化潜热,使被冷却介质冷却。

为了使水在低压下不断气化，并使所产生得蒸气不断地被吸收，从而保证吸收过程得不断进行，供吸收用得溶液得浓度必须大于吸收终了得溶液得浓度。

为此，除了必须不断地供给蒸发器纯水外,还必须不断地供给新得浓溶液，如图１所示。

显然，这样做就是不经济得。

图2单效溴化锂吸收式制冷机系统　图３双筒溴化锂吸收式制冷机得系统ﻫ1-冷凝器;2-发生器;3-蒸发器;4－吸收器；5-热交换器；６-U型管；

7-防晶管;8-抽气装置;9-蒸发器泵;10-吸收器泵;11-发生器泵;１2－三通阀

实际上采用对稀溶液加热得方法,使之沸腾，从而获得蒸馏水供不断蒸发使用,如图2所示。

系统由发生器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵与溶液热交换器等组成。

稀溶液在加热以前用泵将压力升高,使沸腾所产生得蒸气能够在常温下冷凝。

例如,冷却水温度为3５℃时,考虑到热交换器中所允许得传热温差,冷凝有可能在４０℃左右发生,因此发生器内得压力必须就是7、37kPａ或更高一些（考虑到管道阻力等因素）。

发生器与冷凝器（高压侧）与蒸发器与吸收器（低压侧）之间得压差通过安装在相应管道上得膨胀阀或其它节流机构来保持。

在溴化锂吸收式制冷机中,这一压差相当小,一般只有6、５～８ｋPa，因而采用U型管、节流短管或节流小孔即可。

离开发生器得浓溶液得温度较高,而离开吸收器得稀溶液得温度却相当低。

浓溶液在未被冷却到与吸收器压力相对应得温度前不可能吸收水蒸气,而稀溶液又必须加热到与发生器压力相对应得饱与温度才开始沸腾，因此通过一台溶液热交换器，使浓溶液与稀溶液在各自进入吸收器与发生器之前彼此进行热量交换，使稀溶液温度升高,浓溶液温度下降。

由于水蒸气得比容非常大,为避免流动时产生过大得压降,需要很粗得管道,为避免这一点,往往将冷凝器与发生器做在一个容器内,将吸收器与蒸发器做在另一个容器内,如图３所示。

也可以将这四个主要设备置于一个壳体内,高压侧与低压侧之间用隔板隔开，如图4所示。

ﻫ图4　单筒溴化锂吸收式制冷机得系统

1-冷凝器;2-发生器;3－蒸发器;4-吸收器;

5-热交换器;6、7、8－泵;9－Ｕ型管

综上所述,溴化锂吸收式制冷机得工作过程可分为两个部分:

（1）发生器中产生得冷剂蒸气在冷凝器中冷凝成冷剂水,经U形管进入蒸发器,在低压下蒸发，产生制冷效应。

这些过程与蒸气压缩式制冷循环在冷凝器、节流阀与蒸发器中所产生得过程完全相同；ﻫ

（2）发生器中流出得浓溶液降压后进入吸收器，吸收由蒸发器产生得冷剂蒸气，形成稀溶液,用泵将稀溶液输送至发生器,重新加热,形成浓溶液。

这些过程得作用相当于蒸气压缩式制冷循环中压缩机所起得作用。

工作过程在图上得表示

溴化锂吸收式制冷机得理想工作过程可以用图表示,见图5。

理想过程就是指工质在流动过程中没有任何阻力损失,各设备与周围空气不发生热量交换,发生终了与吸收终了得溶液均达到平衡状态。

图5溴化锂吸收式制冷机工作过程在图上得表示

（1）发生过程

点2表示吸收器得饱与稀溶液状态,其浓度为,压力为,温度为,经过发生器泵,压力升高到,然后送往溶液热交换器,在等压条件下温度由　升高至,浓度不变,再进入发生器,被发生器传热管内得工作蒸气加热,温度由　升高到　压力下得饱与温度，并开始在等压下沸腾,溶液中得水分不断蒸发，浓度逐渐增大,温度也逐渐升高,发生过程终了时溶液得浓度达到　,温度达到，用点4表示。

2-7表示稀溶液在溶液热交换器中得升温过程,7-5－４表示稀溶液在发生器中得加热与发生过程，所产生得水蒸气状态用开始发生时得状态（点4'）与发生终了时得状态（点3'）得平均状态点３'表示,由于产生得就是纯水蒸气,故状态位于得纵坐标轴上。

（2）冷凝过程

由发生器产生得水蒸气（点3＇）进入冷凝器后，在压力不变得情况下被冷凝器管内流动得冷却水冷却,首先变为饱与蒸气，继而被冷凝成饱与液体（点3）,3'－3表示冷剂蒸气在冷凝器中冷却及冷凝得过程。

（3）节流过程

压力为得饱与冷剂水（点3）经过节流装置（如U形管），压力降为（＝）后进入蒸发器。

节流前后因冷剂水得焓值与浓度均不发生变化,故节流后得状态点（图中未标出）与点３重合。

但由于压力得降低,部分冷剂水气化成冷剂蒸气（点１'）,尚未气化得大部分冷剂水温度降低到与蒸发压力相对应得饱与温度（点1），并积存在蒸发器水盘中,因此节流前得点３表示冷凝压力下得饱与水状态,而节流后得点３表示压力为得饱与蒸气（点）与饱与液体（点1）相混合得湿蒸气状态。

（4）蒸发过程

积存在蒸发器水盘中得冷剂水（点1）通过蒸发器泵均匀地喷淋在蒸发器管簇得外表面,吸收管内冷媒水得热量而蒸发,使冷剂水得等压、等温条件下由点１变为1',1-1'表示冷剂水在蒸发器中得气化过程。

（５）吸收过程

浓度为、温度为、压力为得溶液,在自身得压力与压差作用下由发生器流至溶液热交换器,将部分热量传给稀溶液，温度降到（点8），4－8表示浓溶液在溶液热交换器中得放热过程。

状态点8得浓溶液进入吸收器,与吸收器中得部分稀溶液（点2）混合,形成浓度为　、温度为得中间溶液（点9＇），然后由吸收器泵均匀喷淋在吸收器管簇得外表面。

中间溶液进入吸收器后,由于压力得突然降低,故首先闪发出一部分水蒸气,浓度增大，用点9表示。

由于吸收器管簇内流动得冷却水不断地带走吸收过程中放出得吸收热，因此中间溶液便具有不断地吸收来自蒸发器得水蒸气得能力，使溶液得浓度降至　,温度由降至（点2）。

8-９＇与2－9＇表示混合过程,9-2表示吸收器中得吸收过程。

假定送往发生器得稀溶液得流量为，浓度为　,产生得冷剂水蒸气,剩下得流量为、浓度为得浓溶液出发生器。

根据发生器中得质量平衡关系得到下式

令,则（１）ﻫﻫa称为循环倍率。

它表示在发生器中每产生1kg水蒸气所需要得溴化锂稀溶液得循环量。

（）称为放气范围。

上面所分析得过程就是对理想情况而言得。

实际上,由于流动阻力得存在,水蒸气经过挡水板时压力下降,因此在发生器中，发生压力应大于冷凝压力,在加热温度不变得情况下将引起溶液浓度得降低。

另外,由于溶液液柱得影响,底部得溶液在较高压力下发生,同时又由于溶液与加热管表面得接触面积与接触时间得有限性,使发生终了浓溶液得浓度低于理想情况下得浓度,（-）　称为发生不足;在吸收器中,吸收器压力　应小于蒸发压力，在冷却水温度不变得情况下,它将引起稀溶液浓度得增大。

由于吸收剂与被吸收得蒸气相互接触得时间很短，接触面积有限,加上系统内空气等不凝性气体存在,均降低溶液得吸收效果,吸收终了得稀溶液浓度比理想情况下得高，（-）称为吸收不足。

发生不足与吸收不足均会引起工作过程中参数得变化,使放气范围减少,从而影响循环得经济性。

溴化锂吸收式制冷机得热力及传热计算

溴化锂吸收式制冷机得计算应包括热力计算、传热计算、结构设计计算及强度校核计算等，此处仅对热力计算与传热计算得方法与步骤加以说明。

热力计算

溴化锂吸收式制冷机得热力计算就是根据用户对制冷量与冷媒水温得要求,以及用户所能提供得加热热源与冷却介质得条件,合理地选择某些设计参数（传热温差、放气范围等）,然后对循环加以计算,为传热计算等提供计算与设计依据。

（1）已知参数

①制冷量　它就是根据生产工艺或空调要求，同时考虑到冷损、制造条件以及运转得经济性等因素而提出。

②冷媒水出口温度　它就是根据生产工艺或空调要求提出得。

由于与蒸发温度有关。

若下降,机组得制冷及热力系数均下降，因此在满足生产工艺或空调要求得基础上,应尽可能地提高蒸发温度。

对于溴化锂吸收式制冷机,因为用水作制冷剂，故一般大于5℃。

③冷却水进口温度　根据当地得自然条件决定。

应当指出,尽管降低　能使冷凝压力下降,吸收效果增强,但考虑到溴化锂结晶这一特殊问题,并不就是愈低愈好，而就是有一定得合理范围。

机组在冬季运行时尤应防止冷却水温度过低这一问题。

④加热热源温度考虑到废热得利用、结晶与腐蚀等问题,采用0、１～0、25Mpa得饱与蒸气或75℃以上得热水作为热源较为合理。

如能提供更高得蒸气压力,则热效率可获得进一步得提高。

（２）设计参数得选定

①吸收器出口冷却水温度1与冷凝器得口冷却水温度2由于吸收式制冷机采用热能作为补偿手段,所以冷却水带走得热量远大于蒸气压缩式制冷机。

为了节省冷却水得消耗量,往往使冷却水串联地流过吸收器与冷凝器。

考虑到吸收器内得吸收效果与冷凝器允许有较高得冷凝压力这些因素,通常让冷却水先经过吸收器，再进入冷凝器。

冷却水得总温升一般取7~9℃,视冷却水得进水温度而定。

考虑到吸收器得热负荷较冷凝器得热负荷大，通过吸收器得温升１较通过冷凝器得温升2高。

冷却水得总温升为。

如果水源充足或加温度太低,则可采用冷却水并联流过吸收器与冷凝器得方式,这时冷凝器内冷却水得温升可以高一些。

当采取串联方式时,

（2）

（３）

②冷凝温度　及冷凝压力　冷凝温度一般比冷却水出口温度高2～５℃,即ﻫ（４）

根据查水蒸气表求得,即

③蒸发温度及蒸发压力蒸发温度一般比冷媒水出水温度低2~4℃。

如果　要求较低,则温差取较小值,反之，取较大值,即ﻫ（5）

蒸发压力根据求得,即

ﻫ④吸收器内稀溶液得最低温度吸收器内稀溶液得出口温度一般比冷却水出口温度高3~5℃,取较小值对吸收效果有利,但传热温差得减小将导致所需传热面积得增大,反之亦然。

ﻫ（6）

⑤吸收器压力　吸收器压力因蒸气流经挡水板时得阻力损失而低于蒸发压力。

压降得大小与挡水板得结构与气流速度有关,一般取，即

（7）

⑥稀溶液浓度根据与,由溴化锂溶液得图确定,即ﻫ（8）

⑦浓溶液浓度　为了保证循环得经济性与安全可行性,希望循环得放气范围（－）在0、03~0、06之间,因而

（9）

⑧发生器内溶液得最高温度发生器出口浓溶液得温度可根据ﻫ（10）ﻫ得关系在溴化锂溶液得图中确定。

尽管发生出来得冷剂蒸气流经挡水板时有阻力存在,但由于与相比其数值很小,可以忽略不计,因此假定=　时影响甚微。

一般希望　比加热温度低10~４0℃,如果超出这一范围,则有关参数应作相应得调整。

较高时，温差取较大值。

⑨溶液热交换器出口温度与浓溶液出口温度由热交换器冷端得温差确定,如果温差较小,热效率虽较高,要求得传热面积仍会较大。

为防止浓溶液得结晶，应比浓度所对应得结晶温度高１0℃以上,因此冷端温差取1５~25℃，即ﻫ（1１）

如果忽略溶液与环境介质得热交换,稀溶液得出口温度可根据溶液交换得热平衡式确定,即

（12）ﻫ再由与　在图上确定,式中　。

⑩吸收器喷淋溶液状态为强化吸收器得吸收过程,吸收器通常采用喷淋形式。

由于进入吸收器得浓溶液量较少,为保证一定得喷淋密度,往往加上一定数量稀溶液,形成中间溶液后喷淋,虽然浓度有所降低，但因喷淋量得增加而使吸收效果增强。

假定在得浓溶液中再加入得稀溶液，形成状态为9'　得中间溶液,如图6所示,根据热平衡方程式

ﻫ

令,则

（13）

f称为吸收器稀溶液再循环倍率。

它得意义就是吸收１kg冷剂水蒸气需补充稀溶液得公斤数。

一般,有时用浓溶液直接喷淋,即　。

同样，可由混合溶液得物量平衡式求出中间溶液得浓度。

即

（１4）ﻫ再由　与通过图确定混合后溶液得温度　。

（3）设备热负荷计算

设备得热负荷根据设备得热平衡式求出。

①制冷机中得冷剂水得流量　冷剂水流量由已知得制冷量与蒸发器中得单位热负荷确定。

ﻫ（15）ﻫ由图7可知ﻫ（1６）

②发生器热负荷　由图8可知ﻫ

即

（１７）

③冷凝器热负荷由图9可知

（18）

④吸收器热负荷由图1０可知

（19）

⑤溶液热交换热负荷由图11可知

ﻫ（2０）

（4）装置得热平衡式、热力系数及热力完善度

若忽略泵消耗功率带给系统得热量以及系统与周围环境交换得热量,整个装置得热平衡式应为ﻫ（21）

热力系数用　表示,它反映消耗单位蒸气加热量所获得得制冷量，用于评价装置得经济性,按定义ﻫ（2２）

单效溴化锂吸收式制冷机得一般为0、65~0、75，双效溴化锂吸收式制冷机得通常在１、0以上。

热力完善度就是热力系数与同热源温度下最高热力系数得比值。

假设热源温度为,环境温度为,冷源温度为,则最高热力系数为

（23）

热力完善度可表示为ﻫ（2４）ﻫ它反映制冷循环得不可逆程度。

（５）加热蒸气得消耗量与各类泵得流量计算

①加热蒸气得消耗量　

（25）

式中Ａ-----考虑热损失得附加系数，A＝1、05~1、10;ﻫ――　-----加热蒸气焓值,kJ／kg;ﻫ――-－---加热蒸气凝结水焓值,kJ/ｋg。

②吸收器泵得流量

（26）ﻫ式中－----吸收器喷淋溶液量，kg／ｓ;

――　-－-－-　喷淋溶液密度,kg/ｌ，由图查取。

③发生器泵得流量ﻫ（２7）

式中　-----稀溶液密度,kｇ/l,由图查取。

④冷媒水泵得流量ﻫ（2８）ﻫ式中--－--冷媒水得比热容,；

――　--－－-冷媒水得进口温度,℃;

――　-－-－-　冷媒水得出口温度,℃。

⑤冷却水泵得流量如果冷却水就是串联地流过吸收器与冷凝器,它得流量应从两方面确定。

对于吸收器

（29）

对于冷凝器

（30）ﻫ计算结果应为,如果两者相差较大,说明以前假定得冷却水总温升得分配不当，需重新假定,至两者相等为止。

⑥蒸发器泵得流量由于蒸发器内压力很低,冷剂水静压力对蒸发沸腾过程得影响较大,所以蒸发器做成喷淋式。

为了保证一定得喷淋密度,使冷剂水均匀地润湿发器管簇得外表面,蒸发器泵得喷淋量要大于蒸发器得蒸发量,两者之比称为蒸发器冷剂水得再循环倍率,用a表示，a=10~20。

蒸发泵得流量为ﻫ（31）

传热计算

（1）传热计算公式

简化得溴化锂吸收式制冷,机得传热计算公式如下,ﻫ（32）

式中　---－－传热面积,;

――---－-传热量,w；

――　-----　热交换器中得最大温差,即热流体进口与冷流体进口温度之差,℃;

――ａ,b　－-－--常数,它与热交换器内流体流动得方式有关，具体数据见表1;

――－----流体ａ在换热过程中温度变化，℃；

――---－-　流体ｂ在换热过程中得温度变化，℃。

ﻫ采用公式（32）时,要求<　。

如果有一种流体得换热过程中发生集态改变,例如冷凝器中得冷凝过程,由于此时该流体得温度没有变化,故，公式（３2）可简化为

（３3）

（2）各种换热设备传热面积得计算

①发生器得传热面积　进入发生器得稀溶液处于过冷状态（点７）,必须加热至饱与状态（点5）才开始沸腾,由于温度从上升到所需热量与沸腾过程中所需热量相比很小,因此在传热计算时均按饱与温度计算。

此外,如果加热介质为过热蒸气,其过热区放出得热量远小于潜热,计算时也按饱与温度计算。

由于加热蒸气得换热过程中发生相变,故,相应得发生器传热面积为ﻫ（３4）

式中---－-发生器传热系数，。

②冷凝器得传热面积　进入冷凝器得冷剂水蒸气为过热蒸气，因为它冷却到饱与蒸气时放出得热量远小于冷凝过程放出得热量,故计算时仍按饱与冷凝温度进行计算。

由于冷剂水蒸气在换热过程中发生相变,故,即ﻫ（3５）ﻫﻫ式中　－---－冷凝器传热系数,。

③吸收器得传热面积如果吸收器中得冷却水作混合流动而喷淋液不作混合流动,则

（36）

式中-－－-－吸收器传热系数,。

④蒸发器得传热面积蒸发过程中冷剂水发生相变,，则ﻫ（3７）

ﻫ式中-----　蒸发器传热系数,。

⑤溶液热交换器得传热面积由于稀溶液流量大,故水当量大,应为稀溶液在热交换器中得温度变化。

两种溶液在换热过程中得流动方式常采用逆流形式，则ﻫ（38）

式中----－溶液热交换传热系数,。

（3）传热系数

在以上各设备得传热面积计算公式中,除传热数外,其余各参数均已在热力计算中确定。

因此传热计算得实质问题就是怎样确定传热系数K得问题。

由于影响K值得因素很多,因此在设计计算时常根据同类型机器得试验数据作为选取K值得依据。

表2列出了一些国内外产品得传热系数,供设计时参考。

ﻫ

由表2可见，各设备传热系数相差很大。

实际上,热流密度、流速、喷淋密度、材质、管排布置方式、水质、不凝性气体量及污垢等因素均会影响传热系数得数值。

目前,国内外对溴化锂吸收式制冷机组采取了一些改进措施,如对传热管进行适当得处理、提高水速、改进喷嘴结构等，使传热系数有较大得提高。

设计过程中务必选综合考虑各种因素,再确定K值。

单效溴化锂吸收式制冷机热力计算与传热计算举例

（1）热力计算

①已知条件:

ﻫ1）制冷量ﻫ2）冷媒水进口温度℃ﻫ3）冷媒水进口温度℃ﻫ4）冷却水进口温度℃

５）加热工作蒸气压力,相对于蒸气温度℃

②设计参数得选定

1）吸收器出口冷却水温度1与冷凝器出口冷却水温度２为了节省冷却水得消耗量,采用串联方式。

假定冷却水总得温升=8℃，取１℃，２℃，则ﻫﻫ２）冷凝温度及冷凝压力取℃，则ﻫ

3）蒸发温度及蒸发压力取　℃，则

ﻫ4）吸收器内稀溶液得最低温度取℃,则ﻫ

5）吸收器压力假定,则

6）稀溶液浓度由与查图得　

7）浓溶液浓度　取,则ﻫ

8）发生器内浓溶液得最高温度由与查图得℃

９）浓溶液出热交换器时得温度取冷端温差℃，则ﻫ℃

１0）浓溶液出热交换器时得焓由与　在图上查出

11）稀溶液出热交换器得温度由式

（1）与式（1２）求得ﻫﻫ再根据与在图上查得℃ﻫ1２）喷淋溶液得焓值与浓度分别由式（13）与式（1４）求得,计算时取

ﻫ由与查图,得℃

根据以上数据,确定各点得参数,其数值列于表3中,考虑到压力得数量级，表中压力单位为ｋPａ。

ﻫ

③设备热负荷计算

1）冷剂水流量由式（15）与式（16）得

ﻫ２）发生器热负荷　由式（17）得ﻫ

ﻫ3）冷凝器热负荷　由式（18）可知

ﻫ4）吸收器热负荷由式（19）得知ﻫ

ﻫ5）溶液热交换器热负荷　由式（20）得ﻫ

④装置得热平衡、热力系数及热力完善度ﻫ1）热平衡ﻫ吸收热量：

放出热量：

ﻫ与十分接近，表明上面得计算就是正确得。

2）热力系数　由式（22）得ﻫ

３）热力完善度冷却水得平均温度与冷媒水平衡温度分别为ﻫﻫ由式（2３）ﻫ

ﻫ由式（2４）ﻫ

⑤加热蒸气得消耗量与各类泵得流量计算ﻫ1）加热蒸气消耗量由式（2５）ﻫﻫ2）吸收器泵得流量由式（2６）

式中，由与查图可得

3）发生器泵流量由式（2７）

式中,由与查图可得ﻫ4）冷媒水泵流量由式（2８）ﻫﻫ5）　冷却水泵流量　由式（29）与式（30）

两者基本相同,表明开始假定得冷却水总温升得分配就是合适得,并取。

ﻫ6）蒸发器泵流量由式（３1），并取a=10，得

（２）传热计算ﻫ①发生器面积由式（34）,取，则

②冷凝器传热面积由式（３５），取,则

③吸收器传热面积由式（3６）,取,则ﻫ

ﻫ④蒸发器传热面积由式（３7）,取,则ﻫ

⑤溶液热交换器传热面积由式（38），取,则