探讨吸收式和吸附式制冷机的特点

一、原理与结构

吸附式制冷与吸收式制冷是两个循环特性十分相近的制冷方式,其制冷原理为:制冷剂在低压(相对)下蒸发,从环境中吸热制冷,两者都是利用物质的吸附(吸收)作用,吸附(吸收)冷剂蒸汽,后者释放的吸附(吸收)热被冷却介质排除于系统之外,经加热后冷剂蒸汽重新从吸附(吸收)剂中解吸(发生)而出,经冷凝器凝结为冷剂液,并进入蒸发器蒸发,如此循环往复。即两者均遵循解吸(发生)冷凝蒸发吸附(吸收)!制冷循环。在吸附式制冷系统中,冷剂的解吸和吸附均由吸附器完成,其功能相当于蒸汽压缩式制冷循环中的压缩机。吸收式制冷系统中,类似的过程分别由发生器和吸收器完成。吸收式制冷循环是一个连续的制冷过程,发生器与冷凝器、吸收器与蒸发器之间设置了挡液装置和汽液分离装置,其流通截面很大,对冷剂蒸汽的阻力很小,一般可以忽略不计,冷剂蒸汽在流动中的压力损失对发生器的发生过程和吸收器的吸收过程影响很小。在吸附式制冷系统中,由于工作的间歇性,往往需要进行管路切换,冷剂蒸汽管路阻力较大;对制冷量较大的机组,尤其如此。为减小冷剂蒸汽的流动阻力,有必要使用较大通径的阀门。吸附式制冷系统一般采用具有高气密性、耐高温、耐高压的气动(电动)电磁阀门,阀门的造价昂贵。

二、循环方式

无论是吸附式制冷还是吸收式制冷,只有当冷剂蒸发时才能获得制冷效应。在吸附式制冷系统中,冷剂(吸附质)的解吸和吸附均由吸附器完成。对于只有一个吸附器的基本循环而言,要使吸附器中的冷剂解吸,必须对吸附器进行加热;吸附器吸附时,冷剂蒸汽由汽态变为液态,大量的凝结热需要排出吸附器,为了使吸附器具有持续的吸附能力,也必须对吸附器进行有效的冷却。因此,吸附器的加热解吸和冷却吸附过程交替进行。吸附式系统若实现连续制冷,至少必须设置两个以上吸附器,当一个吸附器处于加热解吸状态,另一个吸附器则处于冷却吸附状态,通过吸附器与冷凝器、蒸发器之间的管路切换,实现连续制冷。

应当指出的是,系统连续制冷与连续向外释放冷量不是一回事,后者可以由间歇式基本循环加蓄冷装置组合完成。在吸收式制冷系统中,冷剂的发生需要加热溶液;冷剂蒸汽进入浓溶液时,释放的大量潜热、溶解热等热量,需要由冷却介质(一般为水)排出系统,浓溶液的温度愈低、浓度愈高,其吸收能力愈强,为了使吸收器具有持续的吸收能力,同样必须对吸收器进行良好的冷却。即使对于一个单效吸收式制冷循环而言,由于冷剂的发生和吸收分别在发生器和吸收器中同时进行,与发生过程相对应的冷凝过程以及与蒸发过程相对应的吸收过程也同时进行。

三、制冷工质

吸收式制冷的吸收剂一般为流动性良好的液体介质,便于输送。吸收式制冷常使用氨-水、溴化锂水溶液等制冷工质。

吸附式制冷的吸附剂一般为固体介质,吸附式制冷分物理吸附和化学吸附两类,物理吸附常使用分子筛水、活性炭甲醇、活性炭氨等制冷工质对,化学吸附常使用氯化钙氨、氯化镍氨、金属氢化物等制冷工质对。

上述制冷工质都是天然工质,其中大部分工质对环境无害,属绿色制冷工质!。一般根据制冷机的用途、吸附器(发生器)的热源加热温度及蒸发温度等因素,综合考虑制冷工质的选取。

四、系统的功能与能量补偿方式

吸附式和吸收式制冷既可以为工业过程提供所需的的冷量(如冷冻、冷藏),也可以为空调系统提供冷源,还能够以热泵方式向外界提供热源。

吸附式制冷和吸收式制冷均可利用热能作为能量补偿方式,既可以由热水、蒸汽、废气、太阳能等热源驱动,也可以由天然气、城市煤气及燃油(轻油、重油、渣油)燃烧后产生的高温烟气驱动。吸附式和吸收式制冷系统特别适用于低品位热能驱动。在自然界,有取之不尽的太阳能、地热能,工业生产过程中也有大量的余热(废热)可资利用,而制冷系统本身的耗电量极少,因此可以节省电能。吸附式和吸收式制冷为节能、节电提供了两种现实的技术手段。

五、传热与传质

吸收式制冷机中采用液体工质,液体内部虽然有导热传热,但以对流传热为主,换热系数大,传热效果好。吸附式制冷机中吸附剂为固体,其内部传热只能采用导热方式,由于吸附剂的导热系数一般都很小,所以其换热能力远不如液体。此外,吸附剂内传热的目的是促进传质过程,传热较好的吸附器,吸附剂的堆积密度较高,传质通道较少,其传质能力往往较弱,强化传热传质是改进吸附器性能的主要手段。采取强化传热传质措施的同时可能会以增加金属热容比、增加吸附器的重量、提高系统造价为代价,即传热与传质之间往往相互制约。另外,在吸收式制冷机中,通过稀溶液和浓溶液之间的热交换,可以减少发生器内稀溶液的加热量、减少浓溶液向外界的排热量(冷却

塔部分热负荷),从而使系统COP增加。

在吸附式制冷系统中,虽然吸附器之间的回热(将处于吸附状态的吸附器的显热和部分吸附热加入处于解吸状态的吸附器中)可以提高系统的COP,但回热过程不能连续进行,需要占用一定的时间,从而影响系统的制冷量。由于吸附剂的非流动性,使热量的传递往往必须借助中间介质进行;介质与吸附器之间应有足够的温差,由于受到换热器效率的限制,增加了系统的复杂性以及工程实现上的困难。

六、机组的制冷量

目前吸收式制冷机的制冷量小则几十千瓦,大则数千千瓦;由于大小机组的配件(阀门、泵、控制器、燃烧器等)成本相差不大,机组的成本主要体现在传热管的耗材上,机组制冷量愈大,则单位制冷量的制造成本愈低。吸收式制冷机按能量的利用方式可分为单效、双效、三效和多效机组。单效和双效吸收式制冷机已大规模地应用于工业与民用领域,技术成熟,产品的规格与种类齐全。

目前的吸附式制冷机,由于受制造工艺限制,制冷量较小,一般只有数千瓦至上百千瓦;吸收式制冷机所用的热源,原则上都适用于吸附式制冷

系统;根据吸附式制冷机冷量的用途和热源的种类,可以选用不同的工质对。

七、性能系数COP

吸附式制冷分基本型、连续型、热波型和对流热波型等多种循环类型,根据能量利用方式又分为单效、双效和复叠等型式。其中单效基本型和连续型(包括回热、回质)循环在技术上较为成熟,系统的性能系数COP不仅与循环方式有关,也与制冷工质对的物性有关,COP的变化范围很大,对于单效基本型、连续型循环而言,COP一般小于0
7;其它的吸附式循环COP虽然可达到1
0以上,但目前大多处于理论分析和实验研究阶段。

现有单效氨水吸收式制冷机的COP约0
2~0
5,单效溴化锂吸收式制冷机的COP约0
2~0
7;双效溴化锂吸收式制冷机的COP约1
0~1
25。目前单效和双效溴化锂吸收式制冷机的COP高于单效基本型和连续型(包括回热、回质)吸附式制冷机。

八、机组的抗震性与运行的安全性

吸收式制冷机中溶液的液位往往与溶液的循环(量)倍率有关,如果系统发生震动或倾斜将会使液位波动,发生器中的溶液可能溅入冷凝器中或吸收器中的溶液可能溅入蒸发器中而导致冷剂污染;也可能使蒸发器中的冷剂未经蒸发就直接进入吸收器中而导致冷剂水损失。对于采用淋盘淋激方式的机组而言,淋盘的震动和倾斜容易使淋激密度分布不均匀,严重影响制冷效果。

因吸附式制冷机采用固体吸附剂,一般吸附剂被紧密地填充或压制于一定的空间内,吸附器的震动和倾斜一般不会对系统造成影响。如果吸附剂被烧结或压制在传热管表面,同时又没有足够的强度,震动后吸附剂有可能碎裂。

在溴化锂吸收式制冷机中,若溶液温度低于其结晶饱和温度,溴化锂将从溶液中析出而发生结晶,从而堵塞系统管路或热交换器,使运行中断。在发生器和吸收器中,若溶液不慎溅入冷剂中,将引起冷剂污染,使吸收器冷剂蒸汽分压降低,传质推动力减小,蒸发温度升高,制冷量下降。吸附式制冷中不存在溶液结晶和冷剂水污染等问题。

九、运转部件和附件

在吸收式制冷机中,虽然利用热虹吸原理工作的气泡泵可以制成无泵型吸收式制冷机,但这类制冷机的制冷量往往很小。吸收式制冷机中的溶液必须在发生器和吸收器之间循环,若忽略冷剂蒸汽在流动过程中产生的压力损失,吸收器与蒸发器压力相当,发生器与冷凝器压力相当,吸收器的压力远小于发生器的压力,必须用溶液泵将吸器的稀溶液强制送往发生器。来自冷凝器的冷剂在发生器中经一次滴淋后,不易完全蒸发,需要在蒸发器泵的作用下,将未经蒸发的冷剂多次喷淋在传热管上进行蒸发,因而蒸发器泵一般是不可或缺的另外,某些机组为了增强浓溶液的吸收效果,使用了一只吸收器泵,将浓溶液(中间溶液)反复喷淋在传热管表面。相比于制冷功率,尽管吸收式制冷机所用的循环泵的耗电量很小,但对泵的制造工艺技术要求却十分严格。如溴化锂吸收式制冷机必须使用气密性优良的屏蔽泵,氨水吸收式制冷机所用的氨泵需要承受较高的压力并具有较高的扬程,因而泵的成本占机组总造价的比率(与机组的制冷功率有关)较高。运转部件的质量直接影响系统的可靠性,所以制冷系统中运转部件愈少愈好。在氨水吸收式制冷机中,发生器中产生的冷剂蒸汽(氨水)中,往往夹杂着吸收剂(水),必须通过精馏器的冷却作用使两者分离而得到纯净的冷剂,精馏器的结构较复杂,使机组的造价升高。

吸附式制冷系统中,冷剂的吸附与解吸都在吸附器内进行,吸附剂不需要循环流动,因而不必使用溶液泵。吸附剂被加热后不会蒸发,一般不会夹杂在冷剂蒸汽中,因而也不必使用精馏器。吸附式制冷循环一般可以不使用运转部件。