液体吸收式制冷.ppt

1、,第五章,液体吸收式制冷,5.1 概述,吸收式制冷与蒸气压缩式制冷一样，都是利用液体在汽化时要吸收热量这一物理特性来实现制冷的，不同的是蒸气压缩式制冷是以消耗机械能作为补偿，使热量从低温热源转移到高温热源。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，通常称为“工质对”。,5.2 吸收式制冷的溶液热力学基础,5.2.1 溶液及其成分 由两种或两种以上的物质组成的均匀、稳定的体系称为溶液。溶液又可分为气态溶液、液态溶液和固态溶液(或称固溶体)。在液态溶液中，能溶解其它物质的组分叫溶剂；被溶解的物质叫溶质。溶质可以是固体、液体和气体，

2、溶剂一般为液体。吸收式制冷机中常用的溶液有氨一水溶液和溴化锂一水溶液，它们都是由两个组分组成的，故称为二元溶液。,溶液的成分表示各组分在溶液中所占的白分比。常用质量分数和摩尔分数来表示：（1）质量分数 溶液中某一组分的质量与溶液总质量之比称为质量分数，也称为浓度，用 表示。对第i 种组分,（2）摩尔分数 溶液中某一组分的摩尔数与溶液总摩尔数之比称为摩尔分数，用x 表示。对第i 种组分,5.2.2 理想溶液两组分体系的相图,（1）相 体系内物理和化学性质完全均匀一致的部分称为相。相与相之间有明显的分界面。因气体能充分混合，所以体系内不论有多少种气体，都只有一个相；液体则视其互溶程度，有一相或多相

3、之分。（2）溶液的相平衡 溶液中，易挥发的组分经常自发地通过相的分界面，从液相转移到气相，因而出现了蒸气压。同时，也有一些分子从气相转移到液相。这样，在气、液两相之间就产生了质量和能量的交换，当从一相转移到另一相的速度恰好与相反方向的转移速度相等时，在系统中所有各部分的状态参数值都保持不变，这种状态称为溶液的相平衡状态。,（3）P-x 图 两组分理想溶液服从拉乌尔定律：在一定温度下，理想溶液任一组分的蒸气分压等于其纯组分的饱和蒸气压乘以该组分在液相中的摩尔分数。按照道尔顿分压定律：溶液中某一组分的蒸气分压等于溶液的饱和蒸气压乘以该组分在气相中的摩尔分数。由于二元溶液的饱和蒸气压等于各组分的蒸气

4、分压之和。那么，在给定温度下计算出不同压力下液相和气相摩尔分数值，从而得到以溶液的饱和蒸气压P为纵坐标，以摩尔分数x为横坐标的P-x 图。,（4）T-x 图 根据P-x 图可以绘制出以溶液的饱和蒸气温度T 为纵坐标，以摩尔分数x为横坐标的T-x 图。,（5）h-图 吸收式制冷机中,常需要计算溶液的焓差，因此两组分体系的h-图是十分有用的。h-的纵坐标为溶液比焓h，横坐标为溶液浓度。h-图上有一组溶液的液体等温线；气体等温线；一组饱和气体等压线和饱和液体等压线。,（6）氨一水溶液的h-图,图的下半部分为液态区，给出了不同压力下的等压饱和液体线和不同温度下的液体等温线。图上的每一个点表示一个状态。

5、例如图上的A点表示温度为tA压力为户p2的饱和液体状态，它相应的焓值和浓度可从纵坐标和横坐标上读取。,图的上半部分为气态区，只画出了等压饱和气线，没有画出等温线，因为气相的等温线随压力变化而变化。为了求得温度，在图上给出了一组平衡辅助线，利用辅助线可以求出等压饱和气体线上各点的温度。例如，从A点向上作垂线，与对应的p2压力辅助线相交于B点，从B点作水平线，与压力p2的饱和气体线相交于C点，C点就是与A点相对应的饱和蒸气点它们的压力和温度相同，即A点和C点的压力均为p2温度均为tA。,（7）溴化锂一水溶液的h-图,溴化锂一水溶液图与氨一水溶液的图不同，因为在气相区只有水蒸气，水蒸气的状态点都在=

6、0的纵坐标线上。为了找到与溶液相对应的水蒸气状态，在图的气相区画有一组辅助等压线。例如，欲找与溶液A点相对应的水蒸气状态，可由A点向上作垂直线，与相应的压力线P1相交于B点，由B点作水平线，与=0的纵坐标交于C点，C点即为所求。,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，通常称为“工质对”。吸收式制冷常用的工质对如下：,5.3 吸收式制冷原理,吸收式制冷装置，是利用高沸点的吸收剂具有在低温下能够强烈地吸收低沸点制冷剂蒸气，在高温下又能将所吸收的制冷剂释放出来的特性，以及制冷剂在低压状态下蒸发时具有较低的蒸发温度来实现制冷的。吸

7、收式制冷装置主要由发生器、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及吸收器等组成。,目前常用的吸收式制冷装置有两种，一种是氨吸收式制冷机，工质对是氨-水溶液，氨为制冷剂，水为吸收剂。这种制冷机的制冷温度在1-45范围之内，多用来制取-15以下的盐水，为石油化工、医药卫生等工艺生产过程提供冷源。另一种是溴化锂吸收式制冷机，其工质对是溴化锂-水溶液，水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。溴化锂（LiBr）是一种具有强烈的吸水能力的无色粒状结晶物，其化学性质与食盐相似，性质稳定，在大气中不会变质分解或挥发，沸点为1265。溴化锂吸收式制冷机的制冷温度在0以上，多用来制取空气调节用冷媒水或为其它生产工艺过程提供冷却水。,水和液

8、氨能以任意比例完全互溶，氨溶于水后有微量的离子化现象出现，故氨水溶液呈弱碱性。氨水溶液与液氨的性质相似，无色、有刺激性臭味，对有色金属材料(除磷青铜外)有腐蚀作用。所以，氨水吸收式制冷系统中不允许采用铜及铜合金材料。纯氨液在0时的密度为0.64kg/l，氨水溶液的密度随温度和浓度的变化而变化，图6-2给出了这种变化关系；图6-3、6-4、6-5分别给出了氨水溶液的比热容、导热率、粘度曲线图，表6-2给出了氨水溶液在常温下的表面张力值，传热计算时可参考查用。,5.4 氨吸收式制冷机5.4.1 氨水溶液的性质,5.4.2单级氨水吸收式制冷机循环过程及其在h-图上的表示,1a点：浓度为r的浓溶液进人

9、精馏塔的状 态；1点：浓溶液进塔后到达发生器达到饱和状 态；2点：浓度为a的稀溶液离开精馏塔底的状 态；1点：在发生器中开始发生出来的蒸气状 态；2点：发生终了时的蒸气状态；3点：离开发生器时的蒸气平均状态；5点：蒸气经过提馏段、精馏段、回流冷凝 段，出精馏塔顶浓度为Ra的蒸气状态；5-6：在冷凝器中的冷凝过程；6点：离开冷凝器的饱和液体状态；6-7：在节流阀中的节流过程；7点：经过节流阀后的湿蒸气状态(7+7)；,7-8：在蒸发器中的吸热气化过程；8点：经过蒸发器后的湿蒸气状态(8+8)；2-2a：稀溶液经过溶液热交换器降温过程；2a点：稀溶液离开溶液热交换器的状态；2a-3：稀溶液经节流阀

10、的节流降压过程；3点：稀溶液节流后进入吸收器的状态；3-8：稀溶液在吸收器中吸收蒸发器后的制 冷剂蒸气过程；4点：吸收终了浓度为r的浓溶液离开吸收 器的状态；4-4a：浓溶液经过溶液泵升压过程；4a点：浓溶液离开溶液泵进入热交换器状态；4a-1a：浓溶液经过溶液热交换器升温过程；1a点：浓溶液离开热交换器进人精馏塔的状 态。,5.4.3 氨水吸收式制冷机与蒸气压缩式制冷机性能的比较,（1）采用蒸汽或热水作为热源，有利于废热的综合利用，特别适合于化工、冶金和轻工业使用的制冷设备；（2）以氨作为制冷剂，能制取0以下的低温；（3）装置结构简单，便于加工制造；（4）振动、噪音较小，可露天安装，建筑费用

11、低；（5）负荷调节范围大，对装置的经济性没有明显影响；（6）维修简单、操作方便、易于管理；（7）氨价格低廉，来源充足；（8）对大气臭氧层无破坏作用；（9）对铜及铜合金(磷青铜除外)有腐蚀作用；,（10）钢材及冷却水消耗量大；（11）热力系数较低；（12）由于氨、水的沸点比较接近，为提高氨气浓度，系统中必须增设精馏和分凝设备。氨-水吸收式制冷机的特点表明，其初投资远比蒸气压缩式制冷机高，而热力系数远比蒸气压缩式制冷机低。所以，氨-水吸收式制冷机应用于蒸发温度低于-70 以下，且有高温加热介质可以利用的场合应该更为合适。,5.5 吸收一扩散式制冷机5.5.1 概述,这是一种用于家用冰箱或医疗用冰箱

12、的采用三组分为循环工质的吸收式制冷机，这种制冷机的制冷量较小，一般在0.1kw 左右，冰箱的容积为250L左右。在这种吸收式冰箱系统中，氨作为制冷剂，氨水溶液为吸收剂，氢气为平衡气体。由于整个系统处于相同压力之下，所以没有溶液泵和膨胀阀，也没有任何运动部件和阀门，各设备之间全部用管道焊接，因此系统运转平稳，无噪声和振动，不泄漏，寿命长，成本低，非常适合于家用，对缺少电源地区也有一定的使用价值。,系统由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器四大部分以及贮液器、溶液热交换器、气泡泵、水分离器等组成。因为整个系统内压力是平衡的，所以不需要节流装置，系统中工质的运动完全依靠密度的差异、位置的高低、管路的倾斜及

13、分压力的不同而流动扩散，因而各设备之间的相对位置及管道的倾斜度均有严格要求，否则将影响制冷效果。,5.5.1 吸收一扩散式制冷机的工作过程,（1）氨水溶液的循环 从贮液器出来的氨水浓溶液经溶液热交换器到达发生器，在发生器中被电热器加热，一部分氨气从溶液中排出，蒸气形成气泡将液柱推向气泡泵的泵管。由于气泡的产生和溶液被加热，引起垂直方向出口浓溶液的密度下降，藉助于贮液器中溶液的静压头迫使溶液流向气泡泵顶部。液柱流出泵管后下降，经发生器的外套管，被进一步加热，溶液温度继续上升，使更多的氨蒸气从溶液中排出，剩余的溶液浓度进一步变稀。,从发生器出来的稀溶液，藉助于发生器顶部与吸收器之间的高度差，经溶液

14、热交换器的内管流到吸收器上端。与此同时，将热量传递给由贮液器出来的浓溶液使进入发生器的浓溶液的温度升高。,稀溶液由吸收器上端向下流动。与从贮液器顶部出来的逆流而上的氢、氨混合气接触，吸收其中的氨气，使溶液浓度不断增加，出吸收器后流人贮液器，又重新经溶液热交换器流入发生器。,（2）氨、氢气循环 从气泡泵出来离开发生器的氨气中含有较多水分，在精馏器（又称水分离器）内液滴因重力下降，流回发生器。浓度较高的氨蒸气出精馏器后流人带有翅片的风冷冷凝器。,在环境空气的自然冷却下，氨气凝结成液体，依靠冷凝器本身的倾斜度，液氨流经过冷器后进人蒸发器，在蒸发器入口处与氢气相遇，由于氢气分压力较高，氨气分压较低，因

15、而液氨分子迅速向氢气中扩散。在液氨蒸发扩散过程中，从冰箱内部吸取热量，达到制取冷量的目的。,蒸发开始时、由于氢、氨混合气中氨气分压较低，故蒸发温度较低（在冷冻室制冷）；随着液氨不断地蒸发与扩散，混合气中氨气分压缓缓上升，蒸发温度随之升高（在冷藏室制冷）。,由于含氨较多的低温氢氨混合气密度较大，在重力作用下经下部气体热交换器进入贮液器，然后由吸收器下部向上流动，与自上而下的稀溶液接触，氨气不断地被稀溶液吸收。氢气因不溶解于水，密度又小，因而从吸收器上部上升，经气体热交换器降温后进人蒸发器人口，循环又重新开始。,吸收一扩散式制冷系统压力的平衡是通过向吸收器和蒸发器导入氢气来实现的。因为蒸发器中的总

16、压力大于蒸发温度下氨的饱和压力，因此蒸发器中的液氨不会沸腾，在液体表面下不能形成气泡。但如果氢气中的氨气未达到饱和，便有氨气化，通过扩散进人氢气中。因此这种吸收式系统又称为吸收一扩散式循环。,结论：电加热吸收式冰箱由于热力系数较低，=0.20.4，与同容积的蒸气压缩式冰箱相比，它的耗电量大得多，因而它的使用受到了很大的限制。但吸收式制冷的主要优点之一恰恰在于可以利用多种能源，除电加热外，还可采用可燃气、液化石油气、沼气、煤油、燃炉余热等来加热。太阳能吸收式冰箱在国内外均已试制成功，在国外已有商品出售。因此研制和推广多能源的吸收式冰箱乃是发展吸收式冰箱的重要途径。,5.6 溴化锂吸收式制冷机5.6.1 溴化锂水溶液的性质,（1）溴化锂由92.O1%的溴和7.99%的锂组成，分子量为86.856，密度为3.464kg/m3。（2）溴化锂的性质与食盐相似，味咸，呈无色粒状晶体，融点为549；（3）溴化锂沸点为1265，远远高于水的沸点，在常温或一般高温下可以认为是不挥发的，所以系统内不需要精馏装置；（4）极易溶于水，在水中的溶解度随温度的降低而降低；（5）溴化锂性质稳定，在大气中不变质、不分