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本课件讲解吸收和吸附式制冷,先介绍工质对的质量分数、摩尔分数与气液、液固、气固相平衡及吸附率方程,再展开单效、双效、多效与多级吸收式循环及吸收式热泵,给出溴化锂与氨水吸收式机组的系统构成与热力分析方法,最后介绍吸附制冷工质对、基本型与连续回热型循环及吸附式蓄冷。
2.2 吸收和吸附式制冷
气体制冷剂回复液体状态2.2 吸收和吸附式制冷一、吸收和吸附(一) 吸收和吸附式制冷的特点制冷剂蒸发吸收热量制冷利用吸收或吸附方式
如图2-129所示:
吸收或吸附式制冷与压缩式制冷相比有以下特点:
(二)工质对的状态参数
1、溶液的质量分数溶液中某组分的质量百分数为= G i / ( G 1 + G 2 + ×××+ G i +×××+ G n) ×100 %(2-67)双组分的吸收式制冷工质对是一种二元溶液,其质量分数是以溶液中溶质的质量百分数表示的。溴化锂溶液的摩尔分数为(2-68)
2、溶液的摩尔分数溶液中某一组分的摩尔分数为(2-70)双组分的吸收式制冷工质对是一种二元溶液,其摩尔分数χ是以溶液中溶质的摩尔百分数表示的。溴化锂溶液的摩尔分数为(2-72)(2-71)
3、吸附式制冷工质对的浓度活性炭一氨的浓度为(2-74)(三) 溶液的相平衡1、多元体系的相平衡关系式根据吉布斯定律,多元体系的自由度为(2-75)
双组分的吸收式制冷工质对气液相平衡状态方程式为双组分的吸附式制冷工质对气固相平衡状态方程式为(2-77)(2-76)
2、气液相平衡(1)溶液的压力P在吸收式制冷循环的吸收或发生过程中,气液二相处于平衡状态。某一组分的蒸气分压力溶液的压力P 就是各个组分的蒸气分压力之和。即(2-79)(2-78)
图2-130 溴化锂溶液的p—t图
(2)溶液的p—t图图2-130 为溴化锂溶液的p—t图,图中标出等质量分数线簇,左侧的线代表水的特性,并标出了水的饱和温度t’。图2-131为氨水溶液的p—t图,图中标出等质量分数线簇,左侧的线代表氨的特性,右侧的线代表水的特性,并在右侧标出了氨的饱和温度t’。
图2-131 氨水溶液的p—t图
图2-133 氨水溶液的h—图
(3)溶液的图如图2-133为氨水溶液的图。3、液固相平衡在一定的温度下, 溶质在溶剂中的溶解量是有限的。这时的溶液称为饱和溶液, 这时的温度称为结晶温度。图2-134为溴化锂溶液的液固相平衡图。等质量分数线簇右下方的一条曲线就是溶液的结晶曲线。
图2-134 溴化锂溶液的液固相平衡图
4、气固相平衡(1) 吸附类型吸附质与吸附剂的平衡吸附量为:吸附体系关于特定体系表示如下:等温吸附线等压吸附线等量吸附线
这三种吸附曲线从本质是一致的,但它们对于研究吸附现象各有长处:吸附等温线主要用于工业装置的微量吸附等压吸附线主要用于解吸的操作设计等量吸附线主要用于进行吸附热的计算和吸附工质对的选择
(2) 吸附理论与吸附率方程
离吸附表面L处摩尔气体吸附势能(2-83)吸附达到平衡时吸附率或
D—R 方程:(2-84) 在实验中存在三种与式(2-84)偏离的形式(2-85)
准高斯分布型方程(D-A方程)(2-86) 这种方程还存在一些缺点:
(3)描述气固相平衡的p-T-x图图2-135示出了活性炭-甲醇吸附等量线,其中(a)为活性炭纤维、(b)为活性炭。(四)工质对的热质传递过程1、蒸发与冷凝过程在吸收和吸附式制冷循环中,制冷剂的蒸发或冷凝过程是在恒定的蒸发温度或冷凝温度下进行的。
(a)活性炭纤维-甲醇吸附制冷p-T-x图(b) 活性炭-甲醇吸附制冷p-T-x图图2-135
2、吸收与发生过程在吸收式制冷循环中,制冷剂蒸气的吸收或发生过程是在恒定的压力下进行的在蒸发过程中:制冷剂吸收蒸发潜热,由液体蒸发成气体在冷凝过程中:制冷剂排放冷凝潜热,由蒸气冷凝成液体
3、吸附与解吸过程在吸附式制冷系统中吸附和解吸从理论上来说是恒压过程图2-136所示,固体吸附剂受热解吸出制冷剂,在制冷剂压力达到冷凝压力时即开始解吸-冷凝过程,制冷剂被冷凝成液体
ACEQdQcACEQaQe图2-136: 吸附和解吸过程。A-吸附器;C-冷凝器;E-蒸发器;Qd-加热显热及脱附热;Qc-冷凝热;Qa-冷却显热及吸附热, Qe-制冷量
图2-137: 吸附与解吸状态在吸附等压线上的表示吸附状态:吸附温度Ta、蒸发压力Pe; 解吸状态:解吸温度Tg、冷凝压力Pc
(一)吸收式制冷循环
图2-138 单效型吸收式制冷系统示意图
图2-138是对应于图2-129(b)的单效型吸收式制冷系统示意图。所谓单效指的是驱动热源热能只利用了一次。从图2-138可知,高温热源的热量总是供应给发生器低温热源的热量供应给蒸发器(2-87) (2-88)
从目前吸收式系统制冷剂和吸收剂看,对几个热量项可以概括如下:显然,对于一个制冷系统来说,单个的热量独立调节是不可能的。(2-89) (2-90)
理想的单效吸收式制冷循环COP 可以表达为(2-91) 对于大多数吸收剂有以下关系式成立(2-92)(2-93)
由此可以分析出理想单效吸收式制冷循环COP(2-94) 在吸收式制冷中另一个有用的关系式为(2-95)
图2-139 两级溴化锂吸收制冷机系统构成,1、2、3、4-溶液泵
与以上单效基本循环相比,吸收式制冷循环可以分为多级循环和多效循环
图2-140 双效吸收式制冷循环
图2-141 三效吸收式制冷循环
通过热能的多效利用,吸收式制冷循环COP可以较显著地提高。压力复迭浓度复迭多种多效循环
图2-142 多效溴化锂-水吸收式制冷机性能曲
(二)吸收式供热(采暖)循环(1)溴化锂吸收式冷热水机组通常以燃油、燃气为能源。此时机组中的发生器相当于一台溴化锂溶液锅炉。通过发生器中产生的高温制冷剂加热溴化锂吸收式制热技术溴化锂吸收式冷热水机组溴化锂吸收式热泵机组
(2)溴化锂吸收式热泵溴化锂吸收式热泵又分为第一类和第二类两种型式。1)第一类吸收式热泵工作循环如图2-143a所示以增加热量为目的,故又称增热型吸收式热泵。2)第二类吸收式热泵工作循环如图2-143b所示以升温为目的,故又称为热变换器
| 分类方式 | 机组名称 | 分类依据、特点和应用 |
|---|---|---|
| 用途 | 制冷机组/冷水机组/冷热水机组/热泵机组 | 供应0℃以下冷量/供应冷水/交替或同时供应冷水和热水/向低温热源吸热,供应热水或蒸汽或向空间供热 |
| 工质对 | 氨—水/溴化锂/其它 | 采用NH3/H2O工质对/采用H2O/LiBr工质对/采用其它工质对 |
| 驱动热源 | 蒸汽型/直燃型/热水型/余热型/其它型 | 以蒸汽的潜热为驱动热源/以燃料的燃烧热为驱动热源/以热水的显热为驱动热源/以工业和生活余热为驱动热源/以其它类型的热源为驱动热源,如太阳能、地热能等 |
原表同一分类方式下含多个机组,源文本连排,已按「机组名称—分类依据」的对应关系分行整理,建议对照原图核对分行。
驱动热源的利用方式单效双效多效多级发生驱动热源在机组内被直接利用一次驱动热源在机组内被直接和间接地二次利用驱动热源在机组内被直接和间接地多次利用驱动热源在多个压力不同的发生器内被多次直接利用低温热源水空气余热以水冷却散热或作为热泵的低温热源以空气冷却散热或作为热泵的低温热源以各类余热作为热泵的低温热源
低温热源的利用方式第一类热泵第二类热泵多级吸收向低温热源吸热,输出热的温度低于驱动热源向低温热源吸热,输出热的温度高于驱动热源吸收剂在多个压力不同的吸收器内吸收制冷剂,制冷机组有多个蒸发温度或热泵机组有多个输出热温度机组结构单筒多筒机组的主要热交换器布置在一个筒体内机组的主要热交换器布置在多个筒体内筒体的布置方式卧式立式主要筒体的轴线按水平布置主要筒体的轴线按垂直布置
1、溴化锂吸收式制冷循环(三) 吸收式机组吸收式机组是一种以热能为驱动能源、以溴化锂溶液或氨水溶液等为工质对的吸收式制冷或热泵装置。简单的分类如表2-15 所示。2、氨水吸收式制冷循环
本页正文提及表格,源文本未导出表体数据,建议对照原图补全。
(四)单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的循环流程单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的应用系统。循环流程如图2-145所示。热源回路冷却水回路冷水回路冷剂水回路溶液回路
a)单效冷水机组的循环流程b)单效制冷循环图2-145:单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的循环流程1-冷凝器2-发生器3-蒸发器4-溶液热交换器5-引射器6-吸收器7-溶液泵8-冷剂泵
机组特征
1、单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组循环流程的溶液回路包括下列过程:
2、单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组循环流程的制冷剂回路包括下列过程:
(五) 吸收式制冷的系统构成吸收式机组的应用系统驱动热源回路制冷剂回路溶液回路冷却水回路冷水回路抽气装置自动控制装置安全保护装置蒸汽型直燃型热水型余热型
(1) 单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的主要部件和结构型式1.蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的主要部件和结构型式热源回路冷却水回路冷水回路冷剂水回路溶液回路主要部件
图2-146 单筒单效蒸汽型溴化锂冷水机组1-冷凝器2-发生器3-蒸发器4-吸收器5-溶液热交换器6-溶液泵I 7-冷剂泵8-溶液泵II
图2-146为一种单筒型单效溴化锂冷水机组结构型式单筒类型双筒类型三筒类型
(2)双效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的主要部件和结构型式双效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的主要部件,是在单效机组的基础上加设高压发生器、高温溶液热交换器和凝水换热器等部件常见的双效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的结构型式有三筒型、双筒型和多筒型
图2-147 三筒双效蒸汽型溴化锂冷水机组1-自动熔晶管2-冷剂泵3-溶液泵4-吸收器5-蒸发器6-高温溶液热交换器7-集气室8-低压发生器9-冷凝器10-高压发生器11-凝水热交换器12-低温溶液热交换器
图2-148 双筒双效蒸汽型溴化锂冷水机组
远大并联流程双效蒸汽型溴化锂冷水机组
2、直燃型溴化锂吸收式冷热水机组的结构型式直燃型溴化锂吸收式冷热水机组以燃料的燃烧热为驱动热源, 一般按双效吸收式制冷循环制取冷水,直接利用制冷剂蒸汽的冷凝制取热水。直燃型溴化锂吸收式冷热水机组常见的结构型式有:热水和冷水采用同一回路的、交替供应热水和冷水的机组,以及专设热水器和热水回路的同时制冷和采暖或供热水的机组。
(1)热水和冷水采用同一回路的溴化锂冷热水机组机组运行时只处于制冷或采暖工况,通过转换阀实现工况的转换。在结构上,机组还可按溶液回路分成串联回路和并联回路二种类型。图2-149所示为热水和冷水采用同一回路的串联溶液回路吸收式冷热水机组。
图2-149 热水和冷水采用同一回路的吸收式冷热水机组
(2)专设热水器和热水回路的吸收式冷热水机组机组运行时通常只处于制冷或采暖工况,通过转换阀实现工况的转换。这种机组也可按溶液回路分成串联回路和并联回路二种类型。图2-150所示为一种专设热水器和热水回路的并联溶液回路吸收式冷热水机组。
图2-150 专设热水回路的直燃型溴化锂吸收式冷热水机组
(六) 吸收式制冷循环的热力分析吸收式制冷循环的数学物理模型包含了四类热力学方程:质量平衡、能量平衡、传热传质关系式、工质热物性图2-151示意了单效溴化锂-水吸收式制冷循环p-T-x图对于该单效吸收式制冷机的性能模拟需要做一些假设
图2-151 单效溴化锂-水吸收式制冷循环p-T-x图
质量平衡方程能量平衡方程
传热方程
状态点流体物性状态热方程:两相平衡方程:
本页为表2-16 单效溴化锂-水吸收式制冷机设计参数和操作,源文本仅提取到表题,表格数据未随文字导出,建议对照原课件图片补全本页数据。
表2-16 单效溴化锂-水吸收式制冷机设计参数和操作工况(源文本仅有表题)
本页为表2-17 单效溴化锂-水吸收式制冷机仿真计算结果,源文本仅提取到表题,表格数据未随文字导出,建议对照原课件图片补全本页数据。
表2-17 单效溴化锂-水吸收式制冷机仿真计算结果(源文本仅有表题)
双效吸收式循环值得注意的是,溶液热交换器的效率和高温冷凝器与低温发生器之间的温差会对循环COP有显著影响。图2-152 溴化锂-水双效吸收式循环系统和状态点
| 输入参数 | 数值 |
|---|---|
| 制冷量Qevap | 1760kW |
| 蒸发温度t10 | 5.1℃ |
| 发生器溶液出口温度t14 | 170.7℃ |
| 冷凝器/吸收器低温侧温度t1、t8 | 42.4℃ |
| 溶液热交换器效率 | 0.6 |
假设
本页为表2-19 溴化锂-水双效吸收式循环系统的状态点参数,源文本仅提取到表题,表格数据未随文字导出,建议对照原课件图片补全本页数据。
表2-19 溴化锂-水双效吸收式循环系统的状态点参数(源文本仅有表题)
氨-水吸收式循环表2-20为单效循环计算中的输入参数和所用到的一些假设,表2-21为对应于图2-153状态点的计算结果。图2-153 一典型的单效氨-水吸收式循环
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表2-20 单效氨-水吸收式循环计算中的输入参数(源文本仅有表题)
本页为表2-21 对应于图2-153状态点的单效氨-水吸收,源文本仅提取到表题,表格数据未随文字导出,建议对照原课件图片补全本页数据。
表2-21 对应于图2-153状态点的单效氨-水吸收式循环计算结果(源文本仅有表题)
冷热电联产(BCHP)系统涡轮发电机已被广泛使用,以安静、长寿著称,不足之处是排气热损失较大,不同的机型尾气温度在250~550℃之间,氧含量为14%~18%,这是一笔大可挖掘的财富。远大独创BCHP应用方式如下:
三、吸附式制冷循环1、吸附制冷工质对
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本页为表2-22 比较成熟的工质对及其使用范围,源文本仅提取到表题,表格数据未随文字导出,建议对照原课件图片补全本页数据。
表2-22 比较成熟的工质对及其使用范围(源文本仅有表题)
2、吸附式制冷存在的问题吸附式制冷在其研制和应用中已显示了极大的发展前景,但它还存在下面一些缺陷:1)循环周期太长2)制冷量相对较小3)COP有待进一步提高
3、吸附制冷循环(1)基本型吸附式制冷循环图2-154 间歇式吸附式制冷系统(太阳能制冷机)
图2-155 吸附式制冷循环热力图
(2)基本型循环热力计算与分析如图2-155所示,基本循环涉及7种热量,分述如下:1)Qh——吸附床等容升压过程中吸收的显热(2-107) 2)Qg——脱附过程吸收的热量(2-108)
3)Qc—冷却吸附床带走的显热(2-109)4)Qad—吸附过程中带走的热量(2-120)5)Qref——制冷量(2-121)
6)Qcond—冷凝过程放出的热量(2-122) 7)Qco——液态制冷剂从Tc降至蒸发温度Te放出的显热。(2-123)
对循环的评价可以用COP表示,它在吸附式循环中的表达式为:(2-124) 脱附热和吸附热可由Clausius-Clapeyron求得(2-127)
图2-155 连续回热循环系统图(3)连续回热型吸附式制冷循环
图2-156 一典型的吸附式空调系统
在连续回热循环中,可采用以下方法计算回热量
解方程便可得理想回热情况下的回热温度Treg。而理想回热量若定义回热率为回热量与加热过程所需热量的比值,则连续回热循环的回热率A和制冷系数COP分别为
我们可以把吸附床冷却过程放出的热量分为三部分:1)一部分是吸附床从最高解析温度Tg2降低到回热温度Treg的过程中被回收2)一部分在此过程中由于温差传热而损失3)一部分则在吸附床由回热温度Treg降低到冷却温度Ta2中被冷却水带走
(4) 吸附式制冷机及其在余热利用中的应用图2-157 前川公司吸附式制冷样机
图2-158 吸附式制冷样机内部结构示意图
本页为表2-23 吸附式制冷机参数表,源文本仅提取到表题,表格数据未随文字导出,建议对照原课件图片补全本页数据。
表2-23 吸附式制冷机参数表(源文本仅有表题)
图2-159 内燃机车余热驱动固体吸附空调实验系统吸附器蒸发/贮液/蓄冷器
柴油机烟气余热驱动吸附式制冰机
(5)吸附式蓄冷
1、蓄冷量吸附式蓄冷的蓄冷能力反映在蓄冷时和在放冷结束时吸附床所吸附的制冷剂量的不同。根据Dubinin-Astakhov方程,吸附床的平衡吸附量(单位质量吸附剂所吸附的制冷剂的质量)一般表示为单位质量吸附剂的理论蓄冷量则可用下式表示dx
2、放冷过程
随着吸附量增加,吸附床温度升高其吸附能力下降,而制冷量不断减少,直到吸附床的温度达到最大值。第一次绝热放冷后蓄冷系统仍然具有相当大的蓄冷能力,吸附床温度降低以后,还可以进行多次放冷。
图2-160 绝热放冷的逐次放冷过程中的吸附床温度与放冷率
图2-161 解吸温度对蓄冷量的影响
如果在放冷的同时对吸附床进行冷却,吸附床的能量平衡方程将表示为冷却放冷过程可以一直进行到吸附床的温度接近于冷却流体的温度为止,因此其放冷率要比绝热放冷的大得多。第一次绝热吸附的总放冷量为
吸附式制冷
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