氨水吸收式制冷机的基础理论与设计之五

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1、性 一 l 诚 题讲座 马 1 1 1 1旧U I1 1 1 l lI 件翩旧l 氨水吸收式制冷机的基础理论和设计之五 氨水溶液的性质及其状态方程式 东南大学杨思文 工质对性质的一般要求 1 对制冷剂性质的要求 吸收式制冷机的工质对由制冷剂和吸收剂 组成 制冷剂所应具备的热力性质与压缩式制 冷机的基本相同 简要归纳如下 l 工作压力适当 在冷凝器内的压力 不应过高 以免使设备因强度要求提高而增加 投资 在蒸发器内的压力不宜过低 以免在真 空下运行时空气和水蒸汽漏入 造成效率降低 和腐蚀的加快 因此蒸发器工作温度最好能接 近制冷荆的标准沸点 具有过低沸点的工质 其冷凝压力必将很高 2 汽化潜热应

2、尽可能地大 这样 可 使单位质量制冷剂的制冷量增大 减少系统内 循环的工质量 节约能耗 为此 蒸发温度应 远离工质的临界点 以便能够得到较高的汽化 潜热 3 凝固点必须很低 以免制冷剂或混 合物凝固 因此最低工作温度应远远高于制冷 剂的凝固点 4 在物理化学性质方面 要求制冷剂 的导热系数大 粘度低 这样可有利于传热 2 对混合物热力性质的要求 1 制冷剂与吸收剂应能在很大的浓度 范围内完全互溶 在工作过程中 不容许有结 晶产生 2 吸收剂吸收制冷剂的过程要快 有 较大的传质系数 如果吸收过程需要的时间很 长 吸收器的体积要做得很大 3 吸收剂与制冷剂的沸点相差愈大愈 好 希望溶液在发生器内受

3、热蒸发时能容易地 分离成制冷剂与吸收剂 所产生的蒸汽中最好 不含吸收剂组分 否则就需要有精馏装置使之 分离 使设备复杂化 既增加了投资 又降低 了装置的热系数 经验表明 如果两者的沸点 相差在 20 0 K 以上时 就不需精馏装置了 所 以溶液在 T 一雪 图中的露点线在很大浓度范围 内最好能近似水平 等到蒸汽浓度接近于 1时 才迅速下降 如图 1 所示 而沸点线则希望尽 可能地接近于直线 这样 平衡的气液两相可 以有很大的浓度差 制冷剂在吸收剂中可以有 很高的溶解度 4 在系统的工作温度范围内压力差不 宜过大 以免增大溶液泵的功耗 对其使用后可能出现的能量效率的变化 对能 耗与环境的影响 和

4、换用的各个环节上所带来 的经济上的影响加以探讨 在此基础上 再积 极而又慎重地选择短 中期和长期的替代制冷 剂 建议我国尽快组成一个以制冷和空调业 化学界以及环保部门的研究人员与工程技术人 员为主体的专门科研队伍 建立专门的科研基 金 有组织地开展这方面的调查与应用研究工 作 并设法取得国际上的合作与帮助 以免贻 误时机 侧蛆 卜 0 0 20 4 0 6 浓度 专 0 8 1 取以掩 图 1 在T 一若 图上露点线与沸点线的理想形状 3 对混合物物理化学性质的要求 在系统的工作温度与压力范围内 混合物 应满足下列要求 1 吸收剂与制冷剂都不容许分解 应 保持化学稳定 2 吸收剂与制冷剂的分子

5、不应发生化 学反应生成另一种新的稳定产物 3 溶液的比重应尽可能地小 借以降 低溶液泵的功耗和减少连接管道内的压力损 失 4 溶液的粘度应小 这样可增强设备 内的传热并减小压力损失 5 溶液应具有尽可能大的导热系数 增强传热 减小设备的传热面积 6 溶液如有较小的表面张力 可在吸 收器 内形成较大的传质作用表面 因此不论吸 收剂和制冷剂最好都应具有不大的表面张力 7 对金属和密封材料都不应有 腐蚀 性 或在加入防蚀剂后可以避免腐蚀 8 应不可燃无毒或毒性很低 除以上热力与物理化学性质外 制冷剂和 吸收剂都应价廉易得 以减 少装置的运行费 用 二 氨水溶液的性质 1 扭水溶液的热力性质 氨是最早

6、就开始使用的制冷剂之一 它的 热力性质有着许多优点 主要是 在制冷机工 作温度范围内压力适中 属于中压制冷剂 其 气化潜 热 很 大 在 常 用的蒸发温度 下 达 130 0kJ k g 左右 约为R 22的 7 倍 标准沸点 为 一 3 3 4 Oc 在常用制冷温度下能使制冷机的 低压部分压力保持在大气压力上下 凝固点为 一7 7 7 Oc 因此一般认为它的制冷温度可低至 一4 6 e 也有人认为 可低 达 一 60 C 此 外 它的价格低廉 容 易获得 氨的主要缺点是毒性较大 有刺激性臭味 对人体健康有害 当空气中氨的容积浓度达1 6 2 5 时就有爆炸危险 虽然氨有这些缺点 但由于它拥有

7、着前述许多优点 加之人们在长 期生产过程中已积累了丰富使用经验 所以即 使在蒸气压缩式制冷机 中 大型机组仍多采用 它作为工质 而在吸收式制冷机 中 在低于O Oc 的情况下是目前唯一实用的制冷剂 作为吸收剂的水最突出的优点是它能强烈 地吸收氨气 1 升水能够吸收 70 0 倍容积的氨 气 水与氨能够完全互溶 在制冷机的工作温 度和压力范围内没有结晶析出 氨水溶液的最大缺陷在于氨和水的标准沸 点相距太近 只相差1 33 4 Oc 在发生器 内受 热产生的氨蒸汽中 不可避免地也会带有少量 水蒸汽 为此 需要装设精馏塔 将水蒸汽自 氨气中分离出来 使氨气浓度提高到9 9 8 以 上后 再进人冷凝器

8、 关于纯氨和纯水的热力性质和某些物理性 质可参考有关资料 如文献 3 4 至于氨水溶液的热力性质很多文献均已给出了 有关的数据 5 右 这里只介绍氨水溶液的蒸汽 压图 lo g P一 一 l T图 和 h 一雪 图 1 log P一 一 1 T图 根据吉布斯相律 参看本文之二 对于 可以任意互溶的二元溶液 在沸点线和露点线 上处于饱和状态的各点 决定其状态的独立强 度变量数为2 即在压力P 温度T和浓度舀 三者 中只有2个是独立的 因此可写成 P f T 舀 1 当浓度给定后 则有 一 63 一 1 山 2 0 0期 洲 留贬 0 0 0 的0 0 04 00 0 030 0 加2 0 必 图

9、2氨水溶液的lo g P一 去 图 1 注 ldt二 0 9806 65 x 105Pa P r T 2 这时燕汽压与温度的关系就如同纯工质一样 可以近似地用下列简化的蒸汽压方程式表示 一1加鸳鸳鸳 B og p A一不 3 0 2 HZO 图 3 注 N H 3 k以kg 氮力 i吝云 浅的儿么口 i ke al kg二 4 1 868kJ k g 式中A B为常数 将视溶液的浓度而定 如 1 以 lo gp 作为纵坐 标 一 市 为横坐标 那么上 式在图上就是一条直线 当改变为另一 浓度 时 就可得到另一条直线 依此类推 图 2就 1 是氨水溶液的 gP一 市 图 图中画出了自 蜜 O 纯

10、水 直到舀 1 纯氨 的各种浓度 下的燕气压与温度的关系 由图2可以看到 在相同的温度下 氨的 蒸汽压远高于水 溶液中氨的浓度愈高则它的 蒸汽压愈大 反之 当显示出系统内的蒸汽压 低于应有值时 也就意味着溶液的浓度已变 小 后面我们将会看到 这个图除可查出各种 浓度下的蒸汽压外 对分析氨水吸收式制冷机 或热泵的循环过程也非常有用 2 氮水溶液的 h 一占 图 图3为氨水 溶液 h 一雪 图的简图 为了清 晰起见 图中只画出 了五种压力下的沸点线和 露点线 在这两组曲线之问还有一组凹面向上 的辅助曲线 用来得到气液两相共存区内的等 温线 其步骤可举例说明如下 图中点 1 为在 i o6 1MP

11、Zok g f em 压力下的饱和液 体 由此点向上作垂直线与同一压力下的辅助曲线 相交 再由所得到的交点作一水平线与相同压 力下的露点线 饱和蒸汽线 相交于 2点 则 2点就是与1点处于平衡的饱和燕汽状态 1 2连 接直线就是代表它们温度的湿蒸汽区等温线 由于处于平衡中的蒸汽浓度总是 大于 液 相浓 度 所以在湿蒸汽区的等温线永远向右倾斜 只有在盆二 0和互 1 时 这个区域的等温 线才成为与纵轴重合的垂线 寻找与饱和液体平衡的蒸汽状态还可 以借 助于画在液体区的一组君 k 常数线 这是表 明与饱和液体相平衡的饱和蒸汽的等 浓 度曲 线 根据通过某一饱和液体状态点的言 二 常 数线 就可求得

12、和这一液体对应的平衡蒸汽的 浓度 进一步就可在相应压力的饱和蒸汽线上 得到状态点 J卜也可由此画得湿蒸汽区的等温 一 64 一 闷八 身 酬阁公 线 图上画出了液态区的几条等温线 这些等 温线适用于不同的压力 在设计计算时可采用 文献 4 中的附 图 在这个 图的下部画出了氨 水 溶液的凝固 区 纯氨的凝固点为 一 7 7 7 c 如前所述 在 氨水吸收式制冷机 中 制冷温度 的下 限为 一 6 0 Oc 这时氨水溶液不会 出现凝固问题 氨水溶液的 h 一占 图不仅可以用来确定氨 水吸收式制冷循环中各状态点的热力参数 进 行循环的热力计算 分析外界条件改变时对制 冷机性能的影响 而且还可以用来

13、确定理论塔 板数 所以不论对设计或是运行人员来说 都 是十分重要的 由于这种图最早就由 Po n ohon 用于设计氨水吸收式制冷机的精馏装置 所以 有些文献中也称作 Po n c h on 图 应该特别指出的是 制作本图时取蜜二 O 纯水 t o 时饱和液体比烩h益 二 oJ kg 并取省 二1 纯氨 t o时 饱和液体比 烩为 h湘 3 4 9 6kJ kg 而在常用的氨热为 性质图 表 如 文献 4 中 则 取君二1 t o时饱和液体的比烩值h云 二 4i s 6skJ kg 前者较后者小 6 9 O8k J kg 而在文 献 3 中的氨热力性质图表中则取雪 1 t二 时 u 云 i 2

14、1 7 61kJ k g 这时 l i 一重 图中的数值 又较后者高出 2罕 839 kJ kg 在使用不同图 表进行设计计算时必须加以校正 犷 现行氨水溶液的 h 一言 图上画出的最高压 力为 1 96 1MP a 这对氨水吸收式制冷机来说 已完全够用 但如果要以氨水溶液作为吸收式 热泵的工质 则还应有更高压力下的数据 除制成上述热力性质图之外 许多学者还 制成了氨水溶液的热力性质表 如文献 5 6 2 氮水溶液的物理化学性质 氨与水都是强极性物质 因此由它们所组 成的氨水溶液是一种非理想混合物 其性质与 浓度不成线性关系 它的比重将视浓度和温度 而定 其关系如图4所示 由于溶液泵所消耗 的

15、功 J总能耗相比 返 微 所以在计算比容时可 图4氨水溶液的比重 以不考虑温度的影响而采用下面的近似公式 V 0 001 1一0 35雪 m kg 4 氨水溶液的定 一 压比热容 动力粘度和导热系数 分别示于 图5 6 7 中 由于纯氨和纯水的 导热系数的数值相差不大 所以图7中氨水溶 液的数值是在一定温度下根据浓度将两种组分 的数值相加而得到的 三 氨水溶液的状态方程式 关于氨水溶液热力性质的计算数据 过去 都是查阅有关文献中的热力性质图 表进行手 算 现在随着科学技术的飞速发展 为了在氨 水吸收式制冷机的优化设计和控制运行等方面 能使用电子计算机进行运算 于是就迫切需要 有氨水溶液的状态方

16、程式 状态方程式不仅描述了 p 一 v 一 T之间的关 系 而且还可以 用来直接求得饱和性质以及真 实流体的熔 嫡 自由能 自由烩等热力学性 质 自从1873年范德瓦尔提出第一个实际气体 的状态方程式以来 已有许多学者在为了得 到 一 55 一 砖砖砖 准确 方便 适用密度范围广 通用性强的状 态方程方面做了大量的工作 提出了数以百计 的各式各样的状态方程式 这些方程式按用途 大致可分为两类 一类是关联某种流体的 P V T 实验数据的经验方程 用于制作图表 往往相当复杂 另一类是适用于工程计算的通 用方程 一般比较简单 也具 有足够 的准确 度 而且便于微分和积分 由于电子计算机的 应用 更大大地促进了它的发展 同时也容许 形式更复杂些 系数更多些 以便得到更为准 确的结果 但是迄今比较常用的一些状态方程 的计算结果大多数在流体的低密度区与实验数 据符合得较好 而在高密度区 特别是在液态 区与实际值偏差甚大 能同时适用于气相和液 相区的状态方程极少 即使有的可 以满足工程 上的要求 但对于象氨和水这样的强极 性物 质 偏差仍较大 斯托 克尔 W F Sto e eke r 在进 行氨