[科普中國]-吸收式制冷系統(tǒng)

發(fā)展

從利用天然冰等自然冷源過渡到人工制冷，是制冷技術(shù)發(fā)展的初始階段。在這個階段，吸收式制冷技術(shù)的研究和開發(fā)曾風(fēng)光一時。標志性的事件有：1777年，Nairne E.Geral的硫酸吸水制冰試驗;1810年，J.Leslie的硫酸一水吸收式制冰裝置;E.Carre設(shè)計、生產(chǎn)的小型硫酸一水間歇式制冰機:1859年，F(xiàn).Carre制成以燃煤爐為驅(qū)動熱源的直燃型氨一水吸收式制冷機，并于1860年申請專利，這是一個很大的進步，己具備現(xiàn)代吸收式制冷機的基本特點。以后，C.Munters和B.Von Platen制成氨一水一氫擴散吸收式冰箱，于1920年取得專利，在20世紀2030年代流行于世。長期以來，氨一水吸收式制冷機只是作為食品加工和化工生產(chǎn)流程中的制冷裝置得到應(yīng)用，氨一水一氫擴散吸收式冰箱只在一些特殊場合應(yīng)用。以后，美國Arkla公司在1969年向市場推出Servel牌號的小型燃氣氨吸收式空調(diào)機:1996年至今，日本的日立造船、大金等公司向市場推出氨吸收式制冷機組。
20世紀60年代，美國、日本和前蘇聯(lián)能夠利用廉價的天然氣，而我國則能利用豐富的煤資源，采用濱化鏗吸收式冷水機組緩解電力供應(yīng)不足的困難。當(dāng)時，美國和日本相繼制成了蒸汽型雙效嗅化鏗吸收式冷水機組，還開發(fā)了直燃型澳化鏗吸收式冷熱水機組。近30年來，吸收式制冷技術(shù)進入了蓬勃發(fā)展的階段。1973年中東石油危機推動了能源利用技術(shù)的發(fā)展，使利用低品位熱能的吸收式熱泵技術(shù)、熱一電一冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等吸收式冷熱源設(shè)備的研究，進入了實用化的開發(fā)階段。1987年，關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書簽訂以后，由于吸收式制冷技術(shù)可采用對環(huán)境無破壞作用的天然制冷劑，而氨作為一種天然工質(zhì)，其臭氧層損耗潛能值(Ozone Depletion Potential即ODP)和全球變暖潛能值( Global Warming Potential即G WP)均為零，價格低廉，是HCFC-22的30%，機組能效高，運行費用低等，氨一水工質(zhì)對得到了科技界的重新認識和推廣應(yīng)用。直燃型多效吸收式制冷機、高效氨水GAX回?zé)嵫h(huán)吸收式制冷機、小型氨水吸收式制冷機進入了商業(yè)化開發(fā)階段，蒸汽型和熱水型吸收式機組在余熱利用、總能系統(tǒng)和區(qū)域集中供熱供冷方面得到了進一步的推廣應(yīng)用。1

原理簡單的說，制冷劑液態(tài)在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，所形成的蒸氣被吸收劑所吸收，在此之后，吸收了制冷劑蒸氣的吸收劑由溶液泵送至發(fā)生器，在發(fā)生器中被加熱，而分離出制冷劑蒸氣，該蒸氣在冷凝器中被冷凝成液體，再經(jīng)節(jié)流后進入蒸發(fā)器。

詳細的說，吸收式制冷是以消耗熱能，依靠液態(tài)制冷 劑在蒸發(fā)器內(nèi)汽化、吸熱，迫使熱量 不斷由低溫傳向高溫的制冷技術(shù)。 是常用的制冷方法之一。采用不同 沸點且能相互溶解的兩種物質(zhì)所構(gòu) 成的二元溶液為工質(zhì)(以高沸點者 為吸收劑、低沸點者為制冷劑)，并 利用該溶液的飽和濃度隨溫度與壓 力而變化的特點進行制冷循環(huán)。整 個制冷系統(tǒng)由吸收器、循環(huán)泵、發(fā)生 器、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器等主要 設(shè)備組成。當(dāng)二元溶液在發(fā)生器中 受熱時，其中制冷劑大量汽化成高 壓蒸汽與吸收劑分離。此蒸汽進入 冷凝器中被凝結(jié)為液態(tài); 液態(tài)制冷 劑經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進入蒸發(fā)器，在 低壓、低溫條件下發(fā)生汽化吸取被 冷卻物體熱量而制取低溫; 形成的 低壓制冷劑蒸汽與來自發(fā)生器經(jīng)過 減壓的液態(tài)吸收劑一起流入吸收 器，在吸收器中被冷卻，吸收劑即 吸收制冷劑蒸汽重新形成二元溶 液，再由循環(huán)泵送往發(fā)生器內(nèi)加熱， 如此循環(huán)不已。按工質(zhì)不同，主要 有氨-水吸收式制冷和水-溴化鋰吸 收式制冷兩類。吸收式制冷具有直 接利用熱能來制冷，耗電甚少，噪音 低，安全性高，調(diào)節(jié)范圍廣和使用壽 命長等一系列優(yōu)點。適用于有熱源 或有余熱可供利用的某些場合。

制冷系統(tǒng)的分類制冷系統(tǒng)是指使用外部能量將熱量從溫度低的物質(zhì)或環(huán)境轉(zhuǎn)移到溫度較高的物質(zhì)或環(huán)境的任何系統(tǒng)。通常經(jīng)歷壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)四個過程，形成賴以制冷循環(huán)的最基本的配置。由于其調(diào)節(jié)操作困難，不能長期維持正常生產(chǎn)，為了盡可能獲得較好的制冷效果，還必須采取一系列的措施，增加必要的輔助手段，才能使制冷系統(tǒng)臻于完善。每一個過程都是由一臺或多臺具有相應(yīng)功能的設(shè)備、輔助設(shè)備以及系列連接管道和配件所組成。

制冷系統(tǒng)的設(shè)計是將所有制冷機器、設(shè)備、管道、閥門、指示和控制儀表在內(nèi)的系統(tǒng)用工程的方式表達出來的過程，又在過程中不斷修改、充實、具體化。

根據(jù)制冷系統(tǒng)所具有的物性和特點，往往給予不同的命名方法。

按照制冷劑的種類可分為氨制冷系統(tǒng)、氟利昂制冷系統(tǒng)等;

按照供液方式可分為直接膨脹供液制冷系統(tǒng)、重力供液制冷系統(tǒng)、液泵強制供液制冷系統(tǒng);

按照裝置形式可分為壓縮式制冷系統(tǒng)、吸收式制冷系統(tǒng)、蒸噴式制冷系統(tǒng)等，其中壓縮式制冷系統(tǒng)又可分為活塞式、離心式、螺桿式、滑片式等;

按照壓縮比形式可分為單級壓縮制冷系統(tǒng)、雙級壓縮制冷系統(tǒng)等;

按照蒸發(fā)溫度可分為高溫制冷系統(tǒng)、低溫制冷系統(tǒng);

按照壓縮機組的多少可分為單機制冷系統(tǒng)、多機制冷系統(tǒng);

按照冷卻方式可分為直接制冷系統(tǒng)、間接制冷系統(tǒng)等等。

目前就我國大多數(shù)食品工廠的使用狀況來看，采用氨活塞壓縮式強制供液制冷系統(tǒng)占大多數(shù)，具有系統(tǒng)簡單、操作便利、運行費用低廉的優(yōu)點。其次，螺桿式壓縮、蒸發(fā)式冷凝的制冷系統(tǒng)近年來也得到廣泛使用，它具有易損零件少，運行可靠，單級壓比大，能量可無級調(diào)節(jié)，節(jié)水、節(jié)能，自控程度高的優(yōu)點，在一些新建的食品工程中得到應(yīng)用。

從蒸發(fā)溫度來看，不同的產(chǎn)品可以選擇不同的蒸發(fā)溫度，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的同時，消耗最少的能源。

對于快速凍結(jié)食品，由于形體較大同時希望產(chǎn)生較小的冰晶，其蒸發(fā)溫度就相應(yīng)要低一些，一般在-35～-45℃;對于凍結(jié)物冷藏，通常采用-28～-33℃的蒸發(fā)溫度;對于物料冷卻，往往提供5～7℃的冰水在熱交換器循環(huán)使用或直接噴淋一次性使用，而不主張物料浸漬在冰水中，這是考慮到食品的安全衛(wèi)生需要;冰水溫度與蒸發(fā)溫度之差約為10℃;對于一般原料的暫存，-10～5℃的蒸發(fā)溫度是比較經(jīng)濟實惠的選擇。

種類溴化鋰型溴化鋰吸收式制冷機是以溴化鋰溶液為吸收劑，以水為制冷劑，利用水在高真空下蒸發(fā)吸熱達到制冷的目的。為使制冷過程能連續(xù)不斷地進行下去，蒸發(fā)后的冷劑水蒸氣被溴化鋰溶液所吸收，溶液變稀，這一過程是在吸收器中發(fā)生的，然后以熱能為動力，將溶液加熱使其水份分離出來，而溶液變濃，這一過程是在發(fā)生器中進行的。發(fā)生器中充有溴化鋰溶液，且壓力較低，稍加熱時，水便從溴化鋰溶液中蒸發(fā)由來(水比溴化鋰易蒸發(fā))。蒸發(fā)出來的水蒸汽在冷凝器中冷凝，成為制冷劑水，經(jīng)節(jié)流閥在蒸發(fā)器中蒸發(fā)。帶走箱內(nèi)的熱量，蒸發(fā)出的水氣又被吸收器中的溴化鋰溶液吸收(溴化鋰溶液特易吸收水氣)，此溶液再在發(fā)生器中加熱蒸發(fā)，就這樣不斷循環(huán)，實現(xiàn)制冷循環(huán)。發(fā)生器中得到的蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成水，經(jīng)節(jié)流后再送至蒸發(fā)器中蒸發(fā)。如此循環(huán)達到連續(xù)制冷的目的。

可見溴化鋰吸收式制冷機主要是由吸收器、發(fā)生器、冷凝器和蒸發(fā)器四部分組成的。 從吸收器出來的溴化鋰稀溶液，由溶液泵(即發(fā)生器泵)，升壓經(jīng)溶液熱交換器，被發(fā)生器出來的高溫濃溶液加熱溫度提高后，進入發(fā)生器。在發(fā)生器中受到傳熱管內(nèi)熱源蒸汽加熱，溶液溫度提高直至沸騰，溶液中的水份逐漸蒸發(fā)出來，而溶液濃度不斷增大。單效溴化鋰吸收式制冷機的熱源蒸汽壓力一般為0.098MPa(表壓)。發(fā)生器中蒸發(fā)出來的冷劑水蒸氣向上經(jīng)擋液板進入冷凝器，擋液板起汽液分離作用，防止液滴隨蒸汽進入凝凝器。冷凝器的傳熱管內(nèi)通入冷卻水，所以管外冷劑水蒸氣被冷卻水冷卻，冷凝成水，此即冷劑水。

積聚在冷凝器下部的冷劑水經(jīng)節(jié)流后流入蒸發(fā)器內(nèi)，因為冷凝器中的壓力比蒸發(fā)器中的壓力要高。如：當(dāng)冷凝器溫度為45℃時，冷凝壓力為9580Pa(71.9mmHg)；蒸發(fā)溫度為5℃時，蒸發(fā)壓力872Pa(6.45mmHg)。U型管是起液封作用的，防止冷凝器中的蒸汽直接進入蒸發(fā)器。

冷劑水進入蒸發(fā)器后，由于壓力降低首先閃蒸出部分冷劑水蒸氣。因蒸發(fā)器為噴淋式熱交換器，噴啉量要比蒸發(fā)量大許多倍，故大部分冷劑水是聚集在蒸發(fā)器的水盤內(nèi)的，然后由冷劑水泵升壓后送入蒸發(fā)器的噴淋管中，經(jīng)噴嘴噴淋到管簇外表面上，在吸取了流過管內(nèi)的冷媒水的熱量后，蒸發(fā)成低壓的冷劑水蒸氣。由于蒸發(fā)器內(nèi)壓力較低，故可以得到生產(chǎn)工藝過程或空調(diào)系統(tǒng)所需要的低溫冷媒水，達到制冷的目的。

例如蒸發(fā)器壓力為872Pa時，冷劑水的蒸發(fā)溫度為5℃，這時可以得到7℃的冷媒水。蒸發(fā)出來的冷劑蒸汽經(jīng)擋液板將其夾雜的液滴分離后進入吸收器，被由吸收器泵送來并均勻噴淋在吸收管簇外表的中間溶液所吸收，溶液重新變稀。中間溶液是由來自溶液熱交換器放熱降溫后的濃溶液和吸收器液囊中的稀溶液混合得到的。為保證吸收過程的不斷進行，需將吸收過程所放出的熱量由 熱管內(nèi)的冷卻水及時帶走。中間溶液吸收了一定量的水蒸氣后成為稀溶液，聚集在吸收器底部液囊中，再由發(fā)生器泵送到發(fā)生器，如此循環(huán)不已。

由上述循環(huán)工作過程可見，吸收式制冷機與壓縮式制冷機在獲取冷量的原理上是相同的，都是利用高壓液體制冷劑經(jīng)節(jié)流閥(或U型管)節(jié)流降壓后，在低壓下蒸發(fā)來制取冷量，它們都有起同樣作用的冷凝、蒸發(fā)和節(jié)流裝置。而主要區(qū)別在于由低壓冷劑蒸汽如何變成高壓蒸汽所采用的方法不同，壓縮式制冷機是通過原動機驅(qū)動壓縮機來實現(xiàn)的，而吸收式制冷機是通過吸收器，溶液泵和發(fā)生器等設(shè)備來實現(xiàn)的。

從吸收器出來的稀溶液溫度較低，而稀溶液溫度越低，則在發(fā)生器中需要更多熱量。自發(fā)生器出來的濃溶液溫度較高，而濃溶液溫度越高，在吸收器中則要求更多的冷卻水量。因此設(shè)置溶液交換器，由溫度較高的濃溶液加熱溫度較低的稀溶液，這樣既減少了發(fā)生器加熱負荷，也減少了吸收器的冷卻負荷，可謂一舉兩得。

溴化鋰吸收式制冷機除了上述冷劑水和溴化鋰溶液兩個內(nèi)部循環(huán)外，還有三個系統(tǒng)與外部相聯(lián)，這就是：①熱源系統(tǒng)；②冷卻水系統(tǒng)；③冷媒水系統(tǒng)。

熱源蒸汽(或熱水)通入發(fā)生器，在管內(nèi)流過，加熱管外溶液使其沸騰并蒸發(fā)出冷劑蒸汽，而熱源蒸汽放出汽化潛熱后凝結(jié)成水排出。一般情況下，應(yīng)將該凝結(jié)水回收并送回鍋爐加以利用。

在吸收器中溶液吸收來自蒸發(fā)器的低壓冷劑蒸汽，是個放熱過程。為使吸收過程連續(xù)進行下去，需不斷加以冷卻。在冷凝器中也需冷卻水，以便將來自發(fā)生器的高壓冷劑蒸汽變成冷劑水。冷卻水先流經(jīng)吸收器后，再流過冷凝器，出冷凝器的冷卻水溫度較高，一般是通入冷卻水塔，降溫后再打入吸收器循環(huán)使用。

蒸汽型蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)是由發(fā)生器、冷凝器、制冷節(jié)流閥、蒸發(fā)器、吸收器、溶液節(jié)流閥、溶液熱交換器和溶液泵組成。整個系統(tǒng)包括兩個回路：一個是制冷劑回路，一個是溶液回路。系統(tǒng)中使用的工作流體是制冷劑和吸收劑，我們稱它為吸收是制冷的工質(zhì)對。吸收劑使液體，它對制冷劑有很強的吸收能力。吸收劑吸收了制冷劑氣體后形成溶液。溶液加熱又能放出制冷劑氣體。因此，我們可以用溶液回路取代壓縮機的作用，構(gòu)成蒸汽吸收式制冷循環(huán)。

制冷劑回路由冷凝器、制冷劑節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成。高壓制冷劑氣體在冷凝器中冷凝，產(chǎn)生的高壓制冷劑液體經(jīng)節(jié)流后到蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷。溶液回路由發(fā)生器、吸收器、溶液節(jié)流閥、溶液熱交換器和溶液泵組成。在吸收器中，吸收劑吸收來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑氣體，形成富含制冷劑的溶液，將該溶液用泵送到發(fā)生器，經(jīng)過加熱是溶液中的制冷劑重新蒸發(fā)出來，送入冷凝器。另一方面，發(fā)生后的溶液重新恢復(fù)到原來的成分，經(jīng)冷卻、節(jié)流后成為具有吸收能力的吸收液，進入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸汽。吸收過程中伴隨釋放吸收熱，為了保證吸收的順利進行，需要冷卻吸收液

在蒸汽吸收式制冷中，吸收器好比壓縮機的吸入側(cè)；發(fā)生器好比壓縮機的排出側(cè)；對發(fā)生器內(nèi)溶液進行加熱，提供提高制冷劑蒸汽壓力的能量。

優(yōu)點吸收式制冷以自然存在的水或氨等為制冷劑，對環(huán)境和大氣臭氧層無害；以熱能為驅(qū)動能源，除了利用鍋爐蒸氣、燃料產(chǎn)生的熱能外，還可以利用余熱、廢熱、太陽能等低品位熱能，在同一機組中還可以實現(xiàn)制冷和制熱（采暖）的雙重目的。整套裝置除了泵和閥件外，絕大部分是換熱器，運轉(zhuǎn)安靜，振動??；同時，制冷機在真空狀態(tài)下運行，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，安裝方便。在當(dāng)前能源緊缺，電力供應(yīng)緊張，環(huán)境問題日益嚴峻的形勢下，吸收式制冷技術(shù)以其特有的優(yōu)勢已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。

無原動力，直接使用熱原理，因此機器堅固亦無震動，少噪音，能安裝于任何地點，從地室一直到屋頂均可。

以水為制冷劑，獲得容易，安全性高。

可直接利用熱源，它可利用低壓蒸汽、熱水，甚至廢汽、廢熱，耗電極少，只相當(dāng)于同容量離心式機的2%--9%。

變負荷容易，調(diào)節(jié)范圍廣(能在10%--100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)制冷量) 。

結(jié)構(gòu)簡單，運行方便。

吸收式制冷裝置的安全防護(1) 當(dāng)給制冷系統(tǒng)加壓時，不得超過規(guī)定的試驗壓力。

(2)不得使用氧清洗管路或給制冷系統(tǒng)加壓。

(3)當(dāng)系統(tǒng)存在壓力時，不得拆卸接頭或其他零部件。

(4)不得用口虹吸鋰溴化物。

(5)在抽空所有的氧之前，不得使用火焰切割。

(6)未打開、切斷或閉鎖開關(guān)之前，不得維修電氣線路。

(7) 當(dāng)處理抑制劑、辛化醇、氫氧化鋰、氫溴酸和鋰溴化物時，必須戴上防護眼鏡和 穿上防護工作服。

(8)必須立即用肥皂和水洗掉皮膚上的化學(xué)劑。

(9)必須用清水洗凈眼睛，如果眼睛受化學(xué)劑侵入，就應(yīng)立即請醫(yī)生檢查或治療。

(10) 當(dāng)進行焊接或切割工作時，必須確?，F(xiàn)場通風(fēng)，以除去有毒的煙氣。

(11)在排空水箱的水之前，不得松開蓋螺栓。

(12)必須保持地面清潔，經(jīng)常除去油污和碎屑。

(13)在開啟水、蒸汽管路之前，應(yīng)輕敲一下。