溴化锂冷冻机

溴化锂冷冻机

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
　　如下图左为单效溴化锂吸收式制冷系统的流程图。其中除图所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，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。
　

　　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。
　　上图右为系统理论循环的比焓—浓度图。
　　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。ξ1＝ξ2，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汽(状态7的过热蒸汽)。
　　7→8 为冷剂水蒸汽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”的饱和水蒸汽组成。
　　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的饱和水蒸汽过程，其压力为p0。
　　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的冷剂水蒸汽放热混合为状态1的稀溶液的过程。
　　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tw）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又了吸收器中稀溶液浓度ξw；pk和t4决定了发生器中浓溶液的浓度ξs等。
　　溶液的循环倍率f表示系统中每产生 1kg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D kg/s，从吸收器流入发生器的制冷剂—吸收剂稀溶液流量为 F kg/s（浓度为ξw），则从发生器流入吸收器的浓溶液流量为（F-D）kg/s（浓度为ξs）。由于从溴化锂水溶液中汽化出来的冷剂水蒸汽中不含有溴化锂，故根据溴化锂的质平衡方程可导出：
f＝F/D＝ξs/Δξ
　　式中，Δξ称为“放气范围”，表示浓溶液与稀溶液的浓度差。Δξ＝ξs－ξw 。
　　上图所示的理想溴化锂吸收式制冷循环的热力系数ζ为：
ξ＝（h10-h9)/[f(h4-h3)+(h7-h4)]
　　由上式可知，循环倍率 f 对热力系数ζ的影响非常大，为增大ζ，必须减小f；欲减小f，必须增大放气范围Δξ及减小浓溶液浓度ξs 。
二、热力计算
　　热力计算的原始数据有：制冷量Φ0 ，加热介质温度th，冷却水入口温度 tw1 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 8～9℃。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。
　　冷凝温度tk比冷凝器内冷却水出口温度高 3～5℃；蒸发温度t0比冷冻水出口温度低 2～5℃；吸收器内溶液最低温度比冷却水出口温度高 3～7℃；发生器内溶液最高温度t4比热媒温度低 10～40℃；热交换器的浓溶液出口温度t5比稀溶液侧入口温度t2高12～25℃。
　　当冷却水温为 28～32℃，制取 5～10℃冷冻水时，单效溴化锂吸收式制冷机可采用表压 40～100kPa 蒸汽或相应温度的热水作热源，热力系数约为 0.7。
三、实际循环（略）
四、单效溴化锂吸收式制冷机的典型结构与流程
（一）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设备合置于一个或两个密闭筒体内，即所谓单筒结构和双筒结构。
　　因设备内压力很低，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。
　　在蒸发器的低压下，100 mm高的水层就会使蒸发温度升高 10～12℃，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 300～350 mm ，并在计算时需计入由此引起的温度变化。有时发生器采用双层布置以减少沸腾层高度的影响。
　　下图为双筒式单效溴化锂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。


　　在吸收器内，吸收水蒸汽而生成的稀溶液，积聚在吸收器下部的稀溶液囊 2 内，此稀溶液通过发生器泵 3 送至溶液热交换器 4，被加热后进入发生器 5。热媒（加热用蒸汽或热水）在发生器的加热管束内通过；管束外的稀溶液被加热、升温至沸点，经沸腾过程变为浓溶液。此浓溶液自液囊 19 沿管道经热交换器 4，被冷却后流入吸收器的浓溶液囊 6 中。发生器溶液沸腾所造成的水蒸汽向上流经挡液板 7 进入冷凝器 8（挡液板的作用是避免溴化锂溶液飞溅入冷凝器）。冷却水在冷凝器的管束内通过，管束外的水蒸汽被冷凝为冷剂水，收集在冷凝器水盘 9 内，靠压力差的作用沿 U 形管水封 10 流至蒸发器 11。 U 形管 10 相当于膨胀阀，起减压节流作用，其高度应大于上下筒之间的压力差。吸收式制冷机也可不采用 U 形管，而采用节流孔口，采用节流孔口简化了构造，但对负荷变化的适应性不如 U 形管。
　　冷剂水进入蒸发器后，被收集在蒸发器水盘 12 内，并流入水囊 13，靠冷剂水泵 14 送往蒸发器内的喷淋系统 15，经喷嘴喷出，淋洒在冷冻水管束外表面，吸收管束内冷冻水的热量，汽化变成水蒸汽。一般冷剂水的灞淋量都要大于实际蒸发量，以使冷剂水能均匀地淋洒在冷冻水管束上。因此，喷淋的冷剂水中只有一部分蒸发为水蒸汽，另一部分未曾蒸发的冷剂水与来自冷凝器的冷剂水一起流入冷剂水囊，重新送入喷淋系统蒸发制冷。冷剂水囊应保持一定的存水量，以适应负荷的变化和避免冷剂水量减少时冷剂水泵发生气蚀。蒸发器中汽化的冷剂水蒸汽经过挡水板 16 再进入吸收器，这样做可以把蒸汽中混有的冷剂水滴阻留在内继续汽化，以避免造成制冷量损失。
　　吸收器 1 的管束内通过的是冷却水。浓溶液囊 6 中的浓溶液，由吸收器泵 17 送入溶液喷淋系统 18，淋洒在冷却水管束上，溶液被冷却降温，同时吸收充满于管束之间的冷剂水蒸汽而变成稀溶液，汇流至稀、浓两个液囊中。流入稀溶液囊的稀溶液，由发生器泵 3 经热交换器 4 送往发生器 5。流入浓溶液液囊 6 的稀溶液则与来自发生器的浓溶液混合，由吸收器泵重新送到溶液喷淋系统。回到喷淋系统的稀溶液的作用只是“陪同”浓溶液一起循环，以加大喷淋量，提高喷淋式热交换器喷淋侧的放热系数。
　　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。


（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。
　　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0.1～0.3％的铬酸锂（Li2CrO4）和 0.02％的LiOH，使溶液呈碱性，pH 值在9.5～10.5范围，对碳钢－铜的组合结构防腐蚀效果良好。
　　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（Sb2O3）与 0.1％的铌酸钾（KnbO3）的混合物等。
　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。
　　常用的抽气系统如下图左所示。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汽，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。
　

　　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。上图右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。
　　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℃ 。
　3. 防止结晶问题
　　从溴化锂水溶液蒸汽压—饱和温度图可以看出，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 20～25℃）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。
　　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，或称防晶管。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。
　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的方法进行调节的。用这种方法可以实现在 10～100％范围内制冷量的无级调节。


（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。
例如：蒸发器将 25～35℃水冷却 5～10℃，用吸收热和冷凝热将工艺排出的 25～35℃水加热到 60～80℃，热媒温度为 160～180℃，此时，发生器每 1 kW 热量可获得约 1.6 kW 的制热量（制热系数 1.6 ）。
　　（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汽，被吸收器中的溴化锂溶液吸收，由于吸收过程放出热量，因而在吸收器管内尝的水被加热，得到所需的高温热水。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。发生器中产生的冷剂蒸汽进入冷凝器，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' 将其从冷凝器送到蒸发器。
　　当有 5～10℃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（95→100℃），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。