探討吸收式和吸附式制冷機(jī)的特點(diǎn)

2020/10/15

一、原理與結(jié)構(gòu)

吸附式制冷與吸收式制冷是兩個(gè)循環(huán)特性十分相近的制冷方式, 其制冷原理為: 制冷劑在低壓( 相對(duì)) 下蒸發(fā), 從環(huán)境中吸熱制冷, 兩者都是利用物質(zhì)的吸附( 吸收) 作用, 吸附( 吸收) 冷劑蒸汽, 后者釋放的吸附( 吸收) 熱被冷卻介質(zhì)排除于系統(tǒng)之外, 經(jīng)加熱后冷劑蒸汽重新從吸附( 吸收) 劑中解吸( 發(fā)生) 而出, 經(jīng)冷凝器凝結(jié)為冷劑液, 并進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā), 如此循環(huán)往復(fù)。即兩者均遵循 解吸( 發(fā)生) 冷凝 蒸發(fā) 吸附( 吸收) ! 制冷循環(huán)。在吸附式制冷系統(tǒng)中, 冷劑的解吸和吸附均由吸附器完成, 其功能相當(dāng)于蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中的壓縮機(jī)。吸收式制冷系統(tǒng)中, 類(lèi)似的過(guò)程分別由發(fā)生器和吸收器完成。吸收式制冷循環(huán)是一個(gè)連續(xù)的制冷過(guò)程, 發(fā)生器與冷凝器、吸收器與蒸發(fā)器之間設(shè)置了擋液裝置和汽液分離裝置, 其流通截面很大, 對(duì)冷劑蒸汽的阻力很小, 一般可以忽略不計(jì), 冷劑蒸汽在流動(dòng)中的壓力損失對(duì)發(fā)生器的發(fā)生過(guò)程和吸收器的吸收過(guò)程影響很小。在吸附式制冷系統(tǒng)中, 由于工作的間歇性, 往往需要進(jìn)行管路切換, 冷劑蒸汽管路阻力較大; 對(duì)制冷量較大的機(jī)組, 尤其如此。為減小冷劑蒸汽的流動(dòng)阻力, 有必要使用較大通徑的閥門(mén)。吸附式制冷系統(tǒng)一般采用具有高氣密性、耐高溫、耐高壓的氣動(dòng)( 電動(dòng)) 電磁閥門(mén), 閥門(mén)的造價(jià)昂貴。

二、 循環(huán)方式

無(wú)論是吸附式制冷還是吸收式制冷, 只有當(dāng)冷劑蒸發(fā)時(shí)才能獲得制冷效應(yīng)。在吸附式制冷系統(tǒng)中, 冷劑( 吸附質(zhì)) 的解吸和吸附均由吸附器完成。對(duì)于只有一個(gè)吸附器的基本循環(huán)而言, 要使吸附器中的冷劑解吸, 必須對(duì)吸附器進(jìn)行加熱; 吸附器吸附時(shí), 冷劑蒸汽由汽態(tài)變?yōu)橐簯B(tài), 大量的凝結(jié)熱需要排出吸附器, 為了使吸附器具有持續(xù)的吸附能力, 也必須對(duì)吸附器進(jìn)行有效的冷卻。因此, 吸附器的加熱解吸和冷卻吸附過(guò)程交替進(jìn)行。吸附式系統(tǒng)若實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷, 至少必須設(shè)置兩個(gè)以上吸附器, 當(dāng)一個(gè)吸附器處于加熱解吸狀態(tài), 另一個(gè)吸附器則處于冷卻吸附狀態(tài), 通過(guò)吸附器與冷凝器、蒸發(fā)器之間的管路切換, 實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷。

應(yīng)當(dāng)指出的是, 系統(tǒng)連續(xù)制冷與連續(xù)向外釋放冷量不是一回事, 后者可以由間歇式基本循環(huán)加蓄冷裝置組合完成。在吸收式制冷系統(tǒng)中, 冷劑的發(fā)生需要加熱溶液; 冷劑蒸汽進(jìn)入濃溶液時(shí), 釋放的大量潛熱、溶解熱等熱量, 需要由冷卻介質(zhì)( 一般為水) 排出系統(tǒng), 濃溶液的溫度愈低、濃度愈高, 其吸收能力愈強(qiáng), 為了使吸收器具有持續(xù)的吸收能力, 同樣必須對(duì)吸收器進(jìn)行良好的冷卻。即使對(duì)于一個(gè)單效吸收式制冷循環(huán)而言, 由于冷劑的發(fā)生和吸收分別在發(fā)生器和吸收器中同時(shí)進(jìn)行, 與發(fā)生過(guò)程相對(duì)應(yīng)的冷凝過(guò)程以及與蒸發(fā)過(guò)程相對(duì)應(yīng)的吸收過(guò)程也同時(shí)進(jìn)行。

三、制冷工質(zhì)

吸收式制冷的吸收劑一般為流動(dòng)性良好的液體介質(zhì), 便于輸送。吸收式制冷常使用氨- 水、溴化鋰水溶液等制冷工質(zhì)。

吸附式制冷的吸附劑一般為固體介質(zhì), 吸附式制冷分物理吸附和化學(xué)吸附兩類(lèi), 物理吸附常使用分子篩水、活性炭甲醇、活性炭氨等制冷工質(zhì)對(duì), 化學(xué)吸附常使用氯化鈣氨、氯化鎳氨、金屬氫化物等制冷工質(zhì)對(duì)。

上述制冷工質(zhì)都是天然工質(zhì), 其中大部分工質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)害, 屬 綠色制冷工質(zhì)!。一般根據(jù)制冷機(jī)的用途、吸附器( 發(fā)生器) 的熱源加熱溫度及蒸發(fā)溫度等因素, 綜合考慮制冷工質(zhì)的選取。

四、系統(tǒng)的功能與能量補(bǔ)償方式

吸附式和吸收式制冷既可以為工業(yè)過(guò)程提供所需的的冷量( 如冷凍、冷藏) , 也可以為空調(diào)系統(tǒng)提供冷源, 還能夠以熱泵方式向外界提供熱源。

吸附式制冷和吸收式制冷均可利用熱能作為能量補(bǔ)償方式, 既可以由熱水、蒸汽、廢氣、太陽(yáng)能等熱源驅(qū)動(dòng), 也可以由天然氣、城市煤氣及燃油( 輕油、重油、渣油) 燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)。吸附式和吸收式制冷系統(tǒng)特別適用于低品位熱能驅(qū)動(dòng)。在自然界, 有取之不盡的太陽(yáng)能、地?zé)崮?工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中也有大量的余熱( 廢熱) 可資利用, 而制冷系統(tǒng)本身的耗電量極少, 因此可以節(jié)省電能。吸附式和吸收式制冷為節(jié)能、節(jié)電提供了兩種現(xiàn)實(shí)的技術(shù)手段。

五、 傳熱與傳質(zhì)

吸收式制冷機(jī)中采用液體工質(zhì), 液體內(nèi)部雖然有導(dǎo)熱傳熱, 但以對(duì)流傳熱為主, 換熱系數(shù)大,傳熱效果好。吸附式制冷機(jī)中吸附劑為固體, 其內(nèi)部傳熱只能采用導(dǎo)熱方式, 由于吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)一般都很小, 所以其換熱能力遠(yuǎn)不如液體。此外, 吸附劑內(nèi)傳熱的目的是促進(jìn)傳質(zhì)過(guò)程, 傳熱較好的吸附器, 吸附劑的堆積密度較高, 傳質(zhì)通道較少, 其傳質(zhì)能力往往較弱, 強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)是改進(jìn)吸附器性能的主要手段。采取強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)措施的同時(shí)可能會(huì)以增加金屬熱容比、增加吸附器的重量、提高系統(tǒng)造價(jià)為代價(jià), 即傳熱與傳質(zhì)之間往往相互制約。另外, 在吸收式制冷機(jī)中, 通過(guò)稀溶液和濃溶液之間的熱交換, 可以減少發(fā)生器內(nèi)稀溶液的加熱量、減少濃溶液向外界的排熱量( 冷卻

塔部分熱負(fù)荷) , 從而使系統(tǒng) COP 增加。

在吸附式制冷系統(tǒng)中, 雖然吸附器之間的回?zé)? 將處于吸附狀態(tài)的吸附器的顯熱和部分吸附熱加入處于解吸狀態(tài)的吸附器中) 可以提高系統(tǒng)的 COP, 但回?zé)徇^(guò)程不能連續(xù)進(jìn)行, 需要占用一定的時(shí)間, 從而影響系統(tǒng)的制冷量。由于吸附劑的非流動(dòng)性, 使熱量的傳遞往往必須借助中間介質(zhì)進(jìn)行; 介質(zhì)與吸附器之間應(yīng)有足夠的溫差, 由于受到換熱器效率的限制, 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性以及工程實(shí)現(xiàn)上的困難。

六、 機(jī)組的制冷量

目前吸收式制冷機(jī)的制冷量小則幾十千瓦,大則數(shù)千千瓦; 由于大小機(jī)組的配件( 閥門(mén)、泵、控制器、燃燒器等) 成本相差不大, 機(jī)組的成本主要體現(xiàn)在傳熱管的耗材上, 機(jī)組制冷量愈大, 則單位制冷量的制造成本愈低。吸收式制冷機(jī)按能量的利用方式可分為單效、雙效、三效和多效機(jī)組。單效和雙效吸收式制冷機(jī)已大規(guī)模地應(yīng)用于工業(yè)與民用領(lǐng)域, 技術(shù)成熟, 產(chǎn)品的規(guī)格與種類(lèi)齊全。

目前的吸附式制冷機(jī), 由于受制造工藝限制,制冷量較小, 一般只有數(shù)千瓦至上百千瓦; 吸收式制冷機(jī)所用的熱源, 原則上都適用于吸附式制冷

系統(tǒng); 根據(jù)吸附式制冷機(jī)冷量的用途和熱源的種類(lèi), 可以選用不同的工質(zhì)對(duì)。

七、 性能系數(shù) COP

吸附式制冷分基本型、連續(xù)型、熱波型和對(duì)流熱波型等多種循環(huán)類(lèi)型, 根據(jù)能量利用方式又分為單效、雙效和復(fù)疊等型式。其中單效基本型和連續(xù)型( 包括回?zé)帷⒒刭|(zhì)) 循環(huán)在技術(shù)上較為成熟,系統(tǒng)的性能系數(shù) COP 不僅與循環(huán)方式有關(guān), 也與制冷工質(zhì)對(duì)的物性有關(guān), COP 的變化范圍很大,對(duì)于單效基本型、連續(xù)型循環(huán)而言, COP 一般小于0
7; 其它的吸附式循環(huán) COP 雖然可達(dá)到 1
0以上, 但目前大多處于理論分析和實(shí)驗(yàn)研究階段。

現(xiàn)有單效氨 水吸收式制冷機(jī)的 COP 約0
2~ 0
5, 單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的 COP 約 0
2~0
7; 雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的 COP 約 1
0~1
25。目前單效和雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的COP 高于單效基本型和連續(xù)型( 包括回?zé)?、回質(zhì))吸附式制冷機(jī)。

八、 機(jī)組的抗震性與運(yùn)行的安全性

吸收式制冷機(jī)中溶液的液位往往與溶液的循環(huán)( 量) 倍率有關(guān), 如果系統(tǒng)發(fā)生震動(dòng)或傾斜將會(huì)使液位波動(dòng), 發(fā)生器中的溶液可能濺入冷凝器中或吸收器中的溶液可能濺入蒸發(fā)器中而導(dǎo)致冷劑污染; 也可能使蒸發(fā)器中的冷劑未經(jīng)蒸發(fā)就直接進(jìn)入吸收器中而導(dǎo)致冷劑水損失。對(duì)于采用淋盤(pán)淋激方式的機(jī)組而言, 淋盤(pán)的震動(dòng)和傾斜容易使淋激密度分布不均勻, 嚴(yán)重影響制冷效果。

因吸附式制冷機(jī)采用固體吸附劑, 一般吸附劑被緊密地填充或壓制于一定的空間內(nèi), 吸附器的震動(dòng)和傾斜一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。如果吸附劑被燒結(jié)或壓制在傳熱管表面, 同時(shí)又沒(méi)有足夠的強(qiáng)度, 震動(dòng)后吸附劑有可能碎裂。

在溴化鋰吸收式制冷機(jī)中, 若溶液溫度低于其結(jié)晶飽和溫度, 溴化鋰將從溶液中析出而發(fā)生結(jié)晶, 從而堵塞系統(tǒng)管路或熱交換器, 使運(yùn)行中斷。在發(fā)生器和吸收器中, 若溶液不慎濺入冷劑中, 將引起冷劑污染, 使吸收器冷劑蒸汽分壓降低, 傳質(zhì)推動(dòng)力減小, 蒸發(fā)溫度升高, 制冷量下降。吸附式制冷中不存在溶液結(jié)晶和冷劑水污染等問(wèn)題。

九、運(yùn)轉(zhuǎn)部件和附件

在吸收式制冷機(jī)中, 雖然利用熱虹吸原理工作的氣泡泵可以制成無(wú)泵型吸收式制冷機(jī), 但這類(lèi)制冷機(jī)的制冷量往往很小。吸收式制冷機(jī)中的溶液必須在發(fā)生器和吸收器之間循環(huán), 若忽略冷劑蒸汽在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的壓力損失, 吸收器與蒸發(fā)器壓力相當(dāng), 發(fā)生器與冷凝器壓力相當(dāng), 吸收器的壓力遠(yuǎn)小于發(fā)生器的壓力, 必須用溶液泵將吸器的稀溶液強(qiáng)制送往發(fā)生器。來(lái)自冷凝器的冷劑在發(fā)生器中經(jīng)一次滴淋后, 不易完全蒸發(fā), 需要在蒸發(fā)器泵的作用下, 將未經(jīng)蒸發(fā)的冷劑多次噴淋在傳熱管上進(jìn)行蒸發(fā), 因而蒸發(fā)器泵一般是不可或缺的另外, 某些機(jī)組為了增強(qiáng)濃溶液的吸收效果, 使用了一只吸收器泵,將濃溶液( 中間溶液) 反復(fù)噴淋在傳熱管表面。相比于制冷功率, 盡管吸收式制冷機(jī)所用的循環(huán)泵的耗電量很小, 但對(duì)泵的制造工藝技術(shù)要求卻十分嚴(yán)格。如溴化鋰吸收式制冷機(jī)必須使用氣密性?xún)?yōu)良的屏蔽泵, 氨水吸收式制冷機(jī)所用的氨泵需要承受較高的壓力并具有較高的揚(yáng)程, 因而泵的成本占機(jī)組總造價(jià)的比率( 與機(jī)組的制冷功率有關(guān)) 較高。運(yùn)轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的可靠性, 所以制冷系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)部件愈少愈好。在氨水吸收式制冷機(jī)中, 發(fā)生器中產(chǎn)生的冷劑蒸汽( 氨水) 中, 往往夾雜著吸收劑( 水) , 必須通過(guò)精餾器的冷卻作用使兩者分離而得到純凈的冷劑, 精餾器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜, 使機(jī)組的造價(jià)升高。

吸附式制冷系統(tǒng)中, 冷劑的吸附與解吸都在吸附器內(nèi)進(jìn)行, 吸附劑不需要循環(huán)流動(dòng), 因而不必使用溶液泵。吸附劑被加熱后不會(huì)蒸發(fā), 一般不會(huì)夾雜在冷劑蒸汽中, 因而也不必使用精餾器。吸附式制冷循環(huán)一般可以不使用運(yùn)轉(zhuǎn)部件。

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