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      探討吸收式和吸附式制冷機的特點

      2018/9/19 11:35:58      點擊:
      一、原理與結構
             吸附式制冷與吸收式制冷是兩個循環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) 下蒸發, 從環境中吸熱制冷, 兩者都是利用物質的吸附( 吸收) 作用, 吸附( 吸收) 冷劑蒸汽, 后者釋放的吸附( 吸收) 熱被冷卻介質排除于系統之外, 經加熱后冷劑蒸汽重新從吸附( 吸收) 劑中解吸( 發生) 而出, 經冷凝器凝結為冷劑液, 并進入蒸發器蒸發, 如此循環往復。即兩者均遵循 解吸( 發生) 冷凝 蒸發 吸附( 吸收) ! 制冷循環。在吸附式制冷系統中, 冷劑的解吸和吸附均由吸附器完成, 其功能相當于蒸汽壓縮式制冷循環中的壓縮機。吸收式制冷系統中, 類似的過程分別由發生器和吸收器完成。吸收式制冷循環是一個連續的制冷過程, 發生器與冷凝器、吸收器與蒸發器之間設置了擋液裝置和汽液分離裝置, 其流通截面很大, 對冷劑蒸汽的阻力很小, 一般可以忽略不計, 冷劑蒸汽在流動中的壓力損失對發生器的發生過程和吸收器的吸收過程影響很小。在吸附式制冷系統中, 由于工作的間歇性, 往往需要進行管路切換, 冷劑蒸汽管路阻力較大; 對制冷量較大的機組, 尤其如此。為減小冷劑蒸汽的流動阻力, 有必要使用較大通徑的閥門。吸附式制冷系統一般采用具有高氣密性、耐高溫、耐高壓的氣動( 電動) 電磁閥門, 閥門的造價昂貴。
      二、 循環方式
           無論是吸附式制冷還是吸收式制冷, 只有當冷劑蒸發時才能獲得制冷效應。在吸附式制冷系統中, 冷劑( 吸附質) 的解吸和吸附均由吸附器完成。對于只有一個吸附器的基本循環而言, 要使吸附器中的冷劑解吸, 必須對吸附器進行加熱; 吸附器吸附時, 冷劑蒸汽由汽態變為液態, 大量的凝結熱需要排出吸附器, 為了使吸附器具有持續的吸附能力, 也必須對吸附器進行有效的冷卻。因此, 吸附器的加熱解吸和冷卻吸附過程交替進行。吸附式系統若實現連續制冷, 至少必須設置兩個以上吸附器, 當一個吸附器處于加熱解吸狀態, 另一個吸附器則處于冷卻吸附狀態, 通過吸附器與冷凝器、蒸發器之間的管路切換, 實現連續制冷。
           應當指出的是, 系統連續制冷與連續向外釋放冷量不是一回事, 后者可以由間歇式基本循環加蓄冷裝置組合完成。在吸收式制冷系統中, 冷劑的發生需要加熱溶液; 冷劑蒸汽進入濃溶液時, 釋放的大量潛熱、溶解熱等熱量, 需要由冷卻介質( 一般為水) 排出系統, 濃溶液的溫度愈低、濃度愈高, 其吸收能力愈強, 為了使吸收器具有持續的吸收能力, 同樣必須對吸收器進行良好的冷卻。即使對于一個單效吸收式制冷循環而言, 由于冷劑的發生和吸收分別在發生器和吸收器中同時進行, 與發生過程相對應的冷凝過程以及與蒸發過程相對應的吸收過程也同時進行。
      三、制冷工質
           吸收式制冷的吸收劑一般為流動性良好的液體介質, 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。
           吸附式制冷的吸附劑一般為固體介質, 吸附式制冷分物理吸附和化學吸附兩類, 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對, 化學吸附常使用氯化鈣氨、氯化鎳氨、金屬氫化物等制冷工質對。
           上述制冷工質都是天然工質, 其中大部分工質對環境無害, 屬 綠色制冷工質!。一般根據制冷機的用途、吸附器( 發生器) 的熱源加熱溫度及蒸發溫度等因素, 綜合考慮制冷工質的選取。
      四、系統的功能與能量補償方式
           吸附式和吸收式制冷既可以為工業過程提供所需的的冷量( 如冷凍、冷藏) , 也可以為空調系統提供冷源, 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償方式, 既可以由熱水、蒸汽、廢氣、太陽能等熱源驅動, 也可以由天然氣、城市煤氣及燃油( 輕油、重油、渣油) 燃燒后產生的高溫煙氣驅動。吸附式和吸收式制冷系統特別適用于低品位熱能驅動。在自然界, 有取之不盡的太陽能、地熱能,工業生產過程中也有大量的余熱( 廢熱) 可資利用, 而制冷系統本身的耗電量極少, 因此可以節省電能。吸附式和吸收式制冷為節能、節電提供了兩種現實的技術手段。
      五、 傳熱與傳質
           吸收式制冷機中采用液體工質, 液體內部雖然有導熱傳熱, 但以對流傳熱為主, 換熱系數大,傳熱效果好。吸附式制冷機中吸附劑為固體, 其內部傳熱只能采用導熱方式, 由于吸附劑的導熱系數一般都很小, 所以其換熱能力遠不如液體。此外, 吸附劑內傳熱的目的是促進傳質過程, 傳熱較好的吸附器, 吸附劑的堆積密度較高, 傳質通道較少, 其傳質能力往往較弱, 強化傳熱傳質是改進吸附器性能的主要手段。采取強化傳熱傳質措施的同時可能會以增加金屬熱容比、增加吸附器的重量、提高系統造價為代價, 即傳熱與傳質之間往往相互制約。另外, 在吸收式制冷機中, 通過稀溶液和濃溶液之間的熱交換, 可以減少發生器內稀溶液的加熱量、減少濃溶液向外界的排熱量( 冷卻
      塔部分熱負荷) , 從而使系統 COP 增加。
           在吸附式制冷系統中, 雖然吸附器之間的回熱( 將處于吸附狀態的吸附器的顯熱和部分吸附熱加入處于解吸狀態的吸附器中) 可以提高系統的 COP, 但回熱過程不能連續進行, 需要占用一定的時間, 從而影響系統的制冷量。由于吸附劑的非流動性, 使熱量的傳遞往往必須借助中間介質進行; 介質與吸附器之間應有足夠的溫差, 由于受到換熱器效率的限制, 增加了系統的復雜性以及工程實現上的困難。
      六、 機組的制冷量
           目前吸收式制冷機的制冷量小則幾十千瓦,大則數千千瓦; 由于大小機組的配件( 閥門、泵、控制器、燃燒器等) 成本相差不大, 機組的成本主要體現在傳熱管的耗材上, 機組制冷量愈大, 則單位制冷量的制造成本愈低。吸收式制冷機按能量的利用方式可分為單效、雙效、三效和多效機組。單效和雙效吸收式制冷機已大規模地應用于工業與民用領域, 技術成熟, 產品的規格與種類齊全。
           目前的吸附式制冷機, 由于受制造工藝限制,制冷量較小, 一般只有數千瓦至上百千瓦; 吸收式制冷機所用的熱源, 原則上都適用于吸附式制冷
      系統; 根據吸附式制冷機冷量的用途和熱源的種類, 可以選用不同的工質對。
      七、 性能系數 COP
           吸附式制冷分基本型、連續型、熱波型和對流熱波型等多種循環類型, 根據能量利用方式又分為單效、雙效和復疊等型式。其中單效基本型和連續型( 包括回熱、回質) 循環在技術上較為成熟,系統的性能系數 COP 不僅與循環方式有關, 也與制冷工質對的物性有關, COP 的變化范圍很大,對于單效基本型、連續型循環而言, COP 一般小于07; 其它的吸附式循環 COP 雖然可達到 10以上, 但目前大多處于理論分析和實驗研究階段。
            現有單效氨 水吸收式制冷機的 COP 約02~ 05, 單效溴化鋰吸收式制冷機的 COP 約 02~07; 雙效溴化鋰吸收式制冷機的 COP 約 10~125。目前單效和雙效溴化鋰吸收式制冷機的COP 高于單效基本型和連續型( 包括回熱、回質)吸附式制冷機。
      八、 機組的抗震性與運行的安全性
           吸收式制冷機中溶液的液位往往與溶液的循環( 量) 倍率有關, 如果系統發生震動或傾斜將會使液位波動, 發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器中而導致冷劑污染; 也可能使蒸發器中的冷劑未經蒸發就直接進入吸收器中而導致冷劑水損失。對于采用淋盤淋激方式的機組而言, 淋盤的震動和傾斜容易使淋激密度分布不均勻, 嚴重影響制冷效果。
           因吸附式制冷機采用固體吸附劑, 一般吸附劑被緊密地填充或壓制于一定的空間內, 吸附器的震動和傾斜一般不會對系統造成影響。如果吸附劑被燒結或壓制在傳熱管表面, 同時又沒有足夠的強度, 震動后吸附劑有可能碎裂。
           在溴化鋰吸收式制冷機中, 若溶液溫度低于其結晶飽和溫度, 溴化鋰將從溶液中析出而發生結晶, 從而堵塞系統管路或熱交換器, 使運行中斷。在發生器和吸收器中, 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, 傳質推動力減小, 蒸發溫度升高, 制冷量下降。吸附式制冷中不存在溶液結晶和冷劑水污染等問題。
      九、運轉部件和附件
           在吸收式制冷機中, 雖然利用熱虹吸原理工作的氣泡泵可以制成無泵型吸收式制冷機, 但這類制冷機的制冷量往往很小。吸收式制冷機中的溶液必須在發生器和吸收器之間循環, 若忽略冷劑蒸汽在流動過程中產生的壓力損失, 吸收器與蒸發器壓力相當, 發生器與冷凝器壓力相當, 吸收器的壓力遠小于發生器的壓力, 必須用溶液泵將吸器的稀溶液強制送往發生器。來自冷凝器的冷劑在發生器中經一次滴淋后, 不易完全蒸發, 需要在蒸發器泵的作用下, 將未經蒸發的冷劑多次噴淋在傳熱管上進行蒸發, 因而蒸發器泵一般是不可或缺的另外, 某些機組為了增強濃溶液的吸收效果, 使用了一只吸收器泵,將濃溶液( 中間溶液) 反復噴淋在傳熱管表面。相比于制冷功率, 盡管吸收式制冷機所用的循環泵的耗電量很小, 但對泵的制造工藝技術要求卻十分嚴格。如溴化鋰吸收式制冷機必須使用氣密性優良的屏蔽泵, 氨水吸收式制冷機所用的氨泵需要承受較高的壓力并具有較高的揚程, 因而泵的成本占機組總造價的比率( 與機組的制冷功率有關) 較高。運轉部件的質量直接影響系統的可靠性, 所以制冷系統中運轉部件愈少愈好。在氨水吸收式制冷機中, 發生器中產生的冷劑蒸汽( 氨水) 中, 往往夾雜著吸收劑( 水) , 必須通過精餾器的冷卻作用使兩者分離而得到純凈的冷劑, 精餾器的結構較復雜, 使機組的造價升高。
           吸附式制冷系統中, 冷劑的吸附與解吸都在吸附器內進行, 吸附劑不需要循環流動, 因而不必使用溶液泵。吸附劑被加熱后不會蒸發, 一般不會夾雜在冷劑蒸汽中, 因而也不必使用精餾器。吸附式制冷循環一般可以不使用運轉部件。
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