吸收式制冷機(jī)

5.1氨水吸收式制冷機(jī)5.1.1NH3-H2O溶液的性質(zhì)（1）氨在水中的溶解氨在水中的濃度等于溶液中氨的質(zhì)量與溶液總質(zhì)量之比。水和液氨能以任意比例互溶，常溫下能形成等于0到1的溶液。低溫下溶液濃度受到純水冰、純氨冰或氨的水合物NH3·H2O和2NH3·H2O析出的限制。（2）對(duì)有色金屬的腐蝕作用氨水吸收式制冷機(jī)中不允許采用銅及銅合金材料。第29講吸收式制冷機(jī)（1）

（3）密度純氨液在0℃時(shí)的密度為0.64kg/l，對(duì)氨水溶液而言，它的密度隨溫度和濃度的變化而變化。（4）比熱容比熱容隨溫度的升高而升高，隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。（5）導(dǎo)熱率導(dǎo)熱率隨濃度的升高而降低。（6）粘度隨濃度的增加是先升高后降低，而對(duì)于溫度比較高的情況下，其粘度的變化趨于平緩。（7）表面張力

5.1.2氨水吸收式制冷機(jī)工作原理5.1.1.1氨水吸收式制冷機(jī)工作原理及循環(huán)過(guò)程下圖為單級(jí)氨水吸收式制冷機(jī)組的循環(huán)流程圖。其中特別設(shè)有一個(gè)包含有發(fā)生器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的氨精餾塔。它通過(guò)溶液在塔內(nèi)反復(fù)蒸發(fā)和冷凝，使氣相和液相分別以飽和蒸氣和飽和液體進(jìn)行溫度變化，即液相溫度上升，氣相溫度逐漸下降，最后形成純水和純制冷劑氨蒸氣。精餾塔結(jié)構(gòu)以進(jìn)料口為界面，下部的熱質(zhì)交換區(qū)稱提餾段；上方的熱質(zhì)交換區(qū)稱精餾段。提餾段下方設(shè)有發(fā)生段（即再沸段），用于加熱濃溶液產(chǎn)生氨和水蒸汽，供進(jìn)一步提餾用。下面我們來(lái)分析循環(huán)的整個(gè)過(guò)程。濃度為，kg的濃溶液（點(diǎn)1a）進(jìn)入到精餾塔A，在精餾塔A內(nèi)的發(fā)生器a中被加熱吸收熱量后，部分溶液被蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸氣經(jīng)過(guò)提餾段b，得到濃度為的氨蒸氣（1+R）kg，然后經(jīng)過(guò)精餾段b和回流冷凝器d，使上升的蒸氣得到進(jìn)一步的精餾和分凝，濃度提高到（點(diǎn)5‘’），由精餾塔A塔頂排出，排出的氨蒸氣質(zhì)量為1kg?；亓骼淠鱠中，因冷凝Rkg回流液所放出的熱量被冷卻水排走。在發(fā)生器底部得到濃度為的稀溶液（f-1）kg，用點(diǎn)2表示。從精餾塔A塔頂排出的1kg幾乎是純氨的蒸氣進(jìn)入到冷凝器B中，等壓、等濃度下冷凝成液體（點(diǎn)6），冷凝時(shí)放出的熱量由冷卻水帶走。液氨經(jīng)過(guò)節(jié)流閥I，壓力由降到，形成濕蒸氣（7點(diǎn)），再進(jìn)入到蒸發(fā)器C中，液氨吸收被冷卻物體的熱量氣化，再?gòu)恼舭l(fā)器C排出（點(diǎn)8）。點(diǎn)8的狀態(tài)可以是濕蒸氣，也可以是飽和蒸氣，也可以是過(guò)熱蒸氣，它取決于被冷卻物體所要求的溫度。從發(fā)生器a的底部排出濃度為、質(zhì)量為（f-1）kg稀溶液，經(jīng)過(guò)溶液熱交換器E后溫度降低到點(diǎn)2a，因?yàn)辄c(diǎn)2a狀態(tài)的壓力為，故溶液為過(guò)冷溶液。過(guò)冷溶液經(jīng)過(guò)節(jié)流閥F，壓力由降到（即），由狀態(tài)點(diǎn)3表示，然后進(jìn)入吸收器D，吸收由蒸發(fā)器產(chǎn)生的1kg蒸氣，形成了fkg、濃度為的濃溶液（點(diǎn)4），吸收過(guò)程中放出的熱量被冷卻水帶走。狀態(tài)點(diǎn)4的濃溶液經(jīng)溶液泵G升壓，壓力由提高到（點(diǎn)4a），再經(jīng)溶液熱交換器E加熱，溫度升高到狀態(tài)點(diǎn)1a，最后從精餾塔A的進(jìn)料口進(jìn)入精餾塔，循環(huán)再重復(fù)進(jìn)行，達(dá)到不斷制冷的目的。上圖所示的系統(tǒng)所能制取的最低溫度與加熱熱源溫度和冷卻水溫有關(guān)，一般情況下不低于-25℃，否則放氣范圍將小于0.06，使裝置經(jīng)濟(jì)性下降。如果熱源溫度較低，冷卻水溫度較高，而又要制取較低溫度時(shí)，可采用雙級(jí)氨吸收式制冷機(jī)或帶有噴射器的單級(jí)氨吸收式制冷機(jī)。5.1.1.2循環(huán)過(guò)程在圖上的表示右圖系統(tǒng)工作過(guò)程的氨水溶液的圖。假定進(jìn)入精餾塔A內(nèi)的狀態(tài)為1a，濃度為的濃溶液位于飽和液體線的下方，即處于過(guò)冷狀態(tài)。溶液經(jīng)過(guò)提餾段b到發(fā)生器a，其間與發(fā)生器a中產(chǎn)生的氨蒸氣進(jìn)行熱、質(zhì)交換，先消除過(guò)冷，使?jié)馊芤哼_(dá)到飽和狀態(tài)點(diǎn)1，隨后在發(fā)生器a中被加熱。隨著溫度的升高，溶液在等壓條件下不斷蒸發(fā)，濃度逐漸變稀，到離開(kāi)精餾塔c底部時(shí)濃度變?yōu)?，溫度為，用點(diǎn)2表示。開(kāi)始發(fā)生出來(lái)的蒸氣狀態(tài)和發(fā)生終了時(shí)的蒸氣狀態(tài)分別用點(diǎn)1''和2''表示，它們分別與濃度為和的沸騰狀態(tài)的溶液相平衡。離開(kāi)發(fā)生器a的蒸氣狀態(tài)應(yīng)處于1‘’和2‘’之間，假定為狀態(tài)3‘’，濃度為。經(jīng)過(guò)提餾段b時(shí)，與濃度為的濃溶液進(jìn)行熱、質(zhì)交換，理想情況下，出提餾段b的蒸氣濃度應(yīng)與進(jìn)料口處濃溶液的平衡蒸氣1‘’相對(duì)應(yīng)，即氨蒸氣的濃度由提高到，再經(jīng)過(guò)精餾段b和回流冷凝器d，與從回流冷凝器冷凝下來(lái)的回流液進(jìn)行熱、質(zhì)交換，蒸氣的濃度進(jìn)一步提高、溫度降低，離開(kāi)塔頂時(shí)，濃度為，用點(diǎn)5‘’表示?；亓饕涸诨亓鬟^(guò)程中，濃度逐漸降低，理想情況下，離開(kāi)精餾塔最底下一塊塔板時(shí)，濃度應(yīng)與進(jìn)料口濃度溶液的濃度相同。濃度的飽和氨蒸氣離開(kāi)塔頂后進(jìn)入冷凝器B，在等壓、等濃度條件下冷凝成飽和液體，用點(diǎn)6表示，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥Ⅰ絕熱節(jié)流到狀態(tài)7，由于節(jié)流前、后的焓值與濃度均未發(fā)生變化，故在圖上點(diǎn)6與點(diǎn)7是重合的，但其代表的狀態(tài)是不相同的，點(diǎn)6表示冷凝壓力下的飽和液體，點(diǎn)7表示蒸發(fā)壓力下的濕蒸氣，它是由飽和液體（點(diǎn)7′）和飽和蒸氣（點(diǎn)7‘’）所組成。節(jié)流后的干度為，溫度可由試湊法確定，即先在飽和蒸氣壓力液線上假定某一溫度（點(diǎn)7’），通過(guò)輔助壓力線找到相應(yīng)壓力下飽和蒸氣狀態(tài)點(diǎn)7‘’，連，若該線正好通過(guò)點(diǎn)7，假定的溫度即為節(jié)流后的溫度。節(jié)流后的濕蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器，在等壓、等濃度下蒸發(fā)至狀態(tài)點(diǎn)8，點(diǎn)8一般仍處于濕蒸氣狀態(tài)，由點(diǎn)8‘的飽和液體和點(diǎn)8’‘的飽和蒸氣組成。它的溫度同樣可用試湊法求出。由發(fā)生器a引出狀態(tài)為點(diǎn)2的稀溶液，經(jīng)過(guò)溶液熱交換器E，被冷卻到壓力下的過(guò)冷狀態(tài)2a（假定2a正好處在蒸發(fā)壓力的飽和液線上），再經(jīng)節(jié)流閥F節(jié)流到狀態(tài)3，然后進(jìn)入吸收器D。同樣，節(jié)流前、后的狀態(tài)點(diǎn)2a和3在圖上是重合的，但代表的狀態(tài)不同。在吸收器中，忽略蒸發(fā)器C和吸收器D之間的壓力損失，吸收過(guò)程是在等壓條件下進(jìn)行的，狀態(tài)為3的飽和稀溶液吸收由蒸發(fā)器C出來(lái)的蒸氣（點(diǎn)8），沿等壓線濃度逐漸變濃，吸收終了時(shí)濃度達(dá)到，用點(diǎn)4表示。點(diǎn)4狀態(tài)的濃溶液經(jīng)過(guò)溶液泵G后，壓力由高到，用點(diǎn)4a表示，如果忽略因溶液泵對(duì)濃溶液作功而引起的溫度變化，則點(diǎn)4與點(diǎn)4a重合，點(diǎn)4a表示壓力下的過(guò)冷液體，過(guò)冷液體經(jīng)過(guò)溶液熱交換器E，在濃度不變的情況下溫度升高，用狀態(tài)點(diǎn)1a表示，最后再進(jìn)入精餾塔A的進(jìn)料口，循環(huán)重新開(kāi)始。無(wú)論在冷凝過(guò)程還是蒸發(fā)過(guò)程中，盡管是在定壓下發(fā)生相變，但溶液的溫度都不是定值。從上圖可以看出，冷凝過(guò)程中，溶液的溫度由降至；蒸發(fā)過(guò)程中，溶液的溫度由升至，這與單一組分工質(zhì)在等壓下相變時(shí)溫度不發(fā)生變化是不相同的，這是因?yàn)楫?dāng)壓力保持不變時(shí)，隨著冷凝或蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，溶液的濃度在不斷發(fā)生變化。冷凝過(guò)程中，溶液中低沸點(diǎn)組分（氨）越來(lái)越多，因此飽和溫度越來(lái)越低；相反，蒸發(fā)過(guò)程中，溶液中低沸點(diǎn)組分（氨）越來(lái)越少，故飽和溫度逐漸升高。出蒸發(fā)器時(shí)的濕蒸氣的干度越大，最終蒸發(fā)溫度越高，甚至有可能超過(guò)被冷卻介質(zhì)所允許的溫度。因此，可以通過(guò)控制濕蒸氣的干度來(lái)滿足被冷介質(zhì)溫度的要求。溶液熱交換器可起到以下兩個(gè)作用：（1）提高進(jìn)入發(fā)生器濃溶液的溫度，減少發(fā)生器中加熱蒸汽的消耗量；（2）可降低進(jìn)入吸收器的稀溶液的溫度，從而減少吸收器中冷卻水的消耗量，并增強(qiáng)溶液的吸收效果。溶液在熱交換器中溫度的變化與熱交換器傳熱表面積的大小有關(guān)。稀溶液的溫度變化將大于濃溶液的溫度變化，因?yàn)橄∪芤旱牧髁浚╢-1）kg小于濃溶液的流量fkg，而它們的比熱相差不大。5.1.3單級(jí)氨水吸收式機(jī)制冷循環(huán)的熱力計(jì)算在已知制冷量、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的情況下，可根據(jù)氨水溶液圖進(jìn)行熱力計(jì)算。（1）蒸發(fā)器單位制冷量（單位為kJ/kg）：

（2）冷凝器單位熱負(fù)荷（單位為kJ/kg）：

（3）發(fā)生段單位熱負(fù)荷（單位為kJ/kg）：由精餾塔的熱平衡關(guān)系可得：（4）吸收器單位熱負(fù)荷（單位為kJ/kg）：根據(jù)吸收器熱平衡關(guān)系可得：（5）溶液熱交換器熱負(fù)荷由濃溶液側(cè)計(jì)算有由稀溶液側(cè)計(jì)算有式中，通過(guò)和在圖上查出，其中℃，而

溶液熱交換器出口溶液比焓值由下式來(lái)確定：其中系數(shù)0.95為溶液熱交換器的熱損失系數(shù)?！妗＃?）分凝器單位熱負(fù)荷（單位為kJ/kg）：根據(jù)精餾段氨的質(zhì)量平衡關(guān)系可得分凝器中冷凝回流液數(shù)量：

式中，為塔板回流液濃度。假定在理論情況下塔板數(shù)無(wú)窮多時(shí)，蒸氣為平衡狀態(tài)，使L1與點(diǎn)1重合，則上式R可改為：又根據(jù)分凝器的熱平衡關(guān)系：（7）過(guò)冷器單位負(fù)荷（單位為kJ/kg）：（8）循環(huán)系統(tǒng)的熱平衡關(guān)系為：（9）循環(huán)的熱力系數(shù)為：一般在0.3～0.4范圍。實(shí)際運(yùn)行中，考慮到吸收器、冷凝器、分凝器，以及整個(gè)裝置的熱損失，實(shí)際熱力系數(shù)為理論熱力系數(shù)的80～90％。5.1.4氨水吸收式制冷機(jī)的性能影響因素5.1.4.1氨水吸收式制冷機(jī)與蒸氣壓縮式制冷機(jī)性能的比較吸收式制冷循環(huán)熱力系數(shù)和蒸氣壓縮式制冷循環(huán)制冷系數(shù)都是用來(lái)評(píng)價(jià)循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的主要技術(shù)指標(biāo)。但兩者不能直接加以比較，因?yàn)閴嚎s式制冷機(jī)消耗功，吸收式制冷機(jī)消耗熱能，功比熱能的品位高，產(chǎn)生功的成本也高。對(duì)這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行比較時(shí)，須考慮電站內(nèi)蒸汽裝置中的熱交換情況及效率。即使如此，吸收式制冷機(jī)的熱力系數(shù)仍然低于壓縮式的當(dāng)量熱力系數(shù)，原因在于吸收式制冷機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中存在著更多的熱力不可逆過(guò)程。從兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用比較來(lái)看，在較低的蒸發(fā)溫度下似乎采用吸收式制冷系統(tǒng)更為合適，特別是在有高溫加熱介質(zhì)可以利用的情況下更是如此。因?yàn)檫@樣有可能利用單級(jí)吸收式制冷系統(tǒng)獲得需兩級(jí)壓縮式系統(tǒng)才能獲得的低溫。與其它形式的制冷機(jī)相比較，氨水吸收式制冷機(jī)具有如下特點(diǎn)：（1）采用蒸氣或熱水作為熱源，有利于廢熱的綜合利用，特別適合于化工、冶金和輕工業(yè)中的制冷設(shè)備；（2）以氨作為制冷劑，能制取0℃以下的低溫；（3）整個(gè)裝置除泵外均為塔、罐等熱交換設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制造；（4）振動(dòng)、噪音較小，可露天安裝，可降低建筑投資費(fèi)用；（5）負(fù)荷在30~100%范圍內(nèi)可調(diào)，且裝置的經(jīng)濟(jì)性基本上沒(méi)有變化；（6）維修簡(jiǎn)單、操作方便、易于管理；

（7）氨價(jià)格低廉，來(lái)源廣；（8）對(duì)大氣臭氧層沒(méi)有破壞作用，有利于環(huán)境保護(hù)。以下為缺點(diǎn)：（9）對(duì)銅及銅合金（磷青銅除外）有腐蝕作用；（10）鋼材及冷卻水消耗量大；（11）熱力系數(shù)較低；（12）由于氨、水的沸點(diǎn)比較接近，為提高氨氣濃度，系統(tǒng)中必須增設(shè)精餾和分凝設(shè)備，使系統(tǒng)變得更復(fù)雜一些。5.1.4.2氨水吸收式制冷機(jī)的性能影響因素氨水吸收式制冷機(jī)的實(shí)際循環(huán)，實(shí)際循環(huán)中有各種損失，這些損失有：不完全吸收，不完全蒸發(fā)，不完全精餾。（1）不完全吸收在理想的吸收式制冷機(jī)中，吸收過(guò)程是在蒸發(fā)壓力不變的情況進(jìn)行的，即溶液的飽和壓力與蒸發(fā)壓力相等。但實(shí)際上，蒸發(fā)器和吸收器間有微量的壓力損失，同時(shí)空氣有不凝性氣體存在分壓，使吸收器內(nèi)的壓力又增高了這一分壓值，故在一般的吸收式制冷機(jī)中，蒸發(fā)壓力基本上與吸收壓力相等。因?yàn)椴煌耆眨瑒t溶液循環(huán)量增大，溶液熱交換器的換熱量、發(fā)生器中的加熱量、吸收起中帶出的熱量均增大，因而熱力系數(shù)下降。理論上把吸收液體過(guò)冷到規(guī)定溫度以下是必要的，但吸收器必須取出更多的熱量，最終增大了發(fā)生器的加熱量，使熱力系數(shù)下降。（2）不完全蒸發(fā)蒸發(fā)在一定的溫度下進(jìn)行，在氨水吸收式制冷機(jī)中，由發(fā)生器發(fā)生的蒸氣，除制冷劑氨蒸氣外，還含有相當(dāng)數(shù)量的水蒸汽。為了提高制冷機(jī)氨蒸氣的純度（一般），采用精餾過(guò)程。但精餾過(guò)程進(jìn)行得不可能完整，總有一些水蒸汽混在氨蒸氣中，使蒸發(fā)器中得蒸發(fā)溫度上升，即沸點(diǎn)上升?？紤]到沸點(diǎn)上升的因素，蒸發(fā)壓力應(yīng)稍低些。對(duì)于同一蒸發(fā)壓力來(lái)說(shuō)，若純氨蒸氣溫度為和水混合后的蒸發(fā)溫度為，則有>。制冷能力的損失不僅取決于發(fā)生器中發(fā)生蒸氣中的水分，且也取決于蒸發(fā)過(guò)程重點(diǎn)狀態(tài)溶液的含水率。若蒸氣在較高的溫度，即過(guò)熱狀態(tài)下出蒸發(fā)器，則此溫度下，安睡溶液的含水量較少，因此制冷能力的損失較少。不蒸發(fā)狀態(tài)的水分，一般以液滴狀混在安睡溶液中進(jìn)入吸收器。根據(jù)蒸發(fā)器的構(gòu)造，集聚在蒸發(fā)器的下部，因而有必要連續(xù)或周期性將其抽出。若在蒸發(fā)器后面設(shè)有過(guò)冷器，上述液滴和有冷凝器來(lái)的液體制冷劑（含有水分）進(jìn)行熱交換，液滴得到蒸發(fā)，不僅因液體制冷劑過(guò)冷使得制冷效果提高，且由水分引起的不良影響也可得到改善。（3）不院完全精餾若吸收慚液和制溜冷劑的瞞沸點(diǎn)差孫值為2察00～書(shū)300分℃以上匹，則從捉發(fā)生器撤中產(chǎn)生楚的蒸氣緣瑞可認(rèn)為電是純的平制冷劑密；若兩鍵者溫度托較為接顧近，則擇要考慮婦以下二創(chuàng)點(diǎn)：a）從刑溶液中醉發(fā)生蒸丙氣時(shí)，夏吸收液團(tuán)也混雜謀在制冷私劑中蒸利發(fā)；b）制速冷效果閱降低。為避免該漂現(xiàn)象，在宇氨吸收式啄制冷機(jī)中蹲設(shè)有精餾抽塔。在精膝餾