第二章制冷劑與吸收劑

1、第二章 制冷劑與吸收劑,吸收式制冷機,2-1 制冷劑與吸收劑應(yīng)具有的性質(zhì),一制冷劑應(yīng)具有的性質(zhì),作為制冷劑的物質(zhì)，必須具有某些化學(xué)、物理和熱力學(xué)性質(zhì)，以使制冷機在運行中能有較好的經(jīng)濟性，效率高和有一定的安全性。,制冷劑應(yīng)具有以下一些主要性質(zhì)：,1. 蒸發(fā)壓力不要太低；冷凝壓力不要過高；,2. 蒸發(fā)潛熱大，以減小制冷劑的循環(huán)量；,3. 比容??； 4. 熱力系數(shù)高； 5.傳熱系數(shù)高； 6. 液相和氣相的粘度都低； 7. 化學(xué)性質(zhì)不活潑，和金屬等不化合，穩(wěn)定性好； 8. 無毒和無刺激性； 9. 無可燃性和爆炸性； 10. 容易檢出外漏的氣體； 11.對大氣環(huán)境沒有破壞作用； 12. 價格便宜，容易獲

2、得。,二吸收劑應(yīng)具有的性質(zhì),1.在相同壓力下，吸收劑的沸點比制冷劑的高，而且相差的越大越好；,2.具有強烈地吸收制冷劑的能力；,3.無毒、無臭、不燃燒、不爆炸，安全可靠；,4.對金屬材料的腐蝕性??；,5價格低廉。易于獲得。,三二元溶液分類,二元溶液根據(jù)兩個組分沸點相差的程度，可以分為三類：,第一類：兩組分沸點相差很大，溶質(zhì)可看作是不揮發(fā)的，溶液沸騰時它的氣相只是低沸點組分；（如溴化鋰溶液）,第二類：兩組分的沸點相差不大，當(dāng)溶液沸騰時，它的氣相中除了沸點較低的組分外，還包含有沸點較高的組分；（如氨水溶液）,第三類：T-X 圖有極值存在的溶液，當(dāng)溶液具有此點的成分時，它將在一恒定的溫度下沸騰，而且

3、氣相成分與液相的成分完全相同。,對于第三類溶液，當(dāng)其氣相成分與液相的成分完全相同時，不能采用精餾的方法獲得純組分，因此不能作為吸收式制冷機的工質(zhì)。,2-2 溴化鋰溶液的性質(zhì),溴化鋰水溶液是由固體的溴化鋰溶解在水中而成的。在常壓下，水的沸點是100，而溴化鋰的沸點是1265，兩者相差1165。,一.水作為制冷劑的特點,優(yōu)點：1.價格低廉，取用方便；2.汽化潛熱大； 3. 無毒、無味、不燃燒、不爆炸。,缺點：常壓下蒸發(fā)溫度高，當(dāng)蒸發(fā)溫度降低時，蒸發(fā)壓力也很低；蒸汽的比容大；不能制取0以下的低溫。,二.溴化鋰水溶液的性質(zhì),鋰是堿金屬族，溴是鹵素族，溴化鋰的化學(xué)性質(zhì)大體上與食鹽類似，是一種穩(wěn)定的物質(zhì)，

4、在大氣中不會變質(zhì)，也不會分解和揮發(fā)，而且無毒。,無水溴化鋰：LiBr分子量86.856，成分Li7.99%，Br92.01%。比重3.464（25），熔點547，沸點1265。外觀無色結(jié)晶顆粒。,溴化鋰具有強烈地吸水性，極易溶于水。,溴化鋰水溶液具有下列特點：,1無色液體，有咸味，無毒，加入鉻酸鋰后溶液呈淡黃色；,2水蒸汽分壓很小，它比同溫度下純水的飽和蒸汽壓小的多，故有強烈的吸濕性；,3溴化鋰在水中的溶解度隨溫度的降低而降低，很容易產(chǎn)生結(jié)晶；,一定溫度下的溴化鋰飽和水溶液，當(dāng)溫度降低時，由于溴化鋰在水中溶解度的減小，溶液中多余的溴化鋰就會與水結(jié)合成含有1、2、3或5個水分子的溴化鋰水合物晶體

5、析出，形成結(jié)晶現(xiàn)象。,4溴化鋰溶液對黑色金屬和紫銅管等普通材料有強烈的腐蝕性，有空氣存在時情況更為嚴重，因腐蝕而產(chǎn)生的不凝性氣體對裝置的制冷量影響較大；,防腐蝕的最根本的方法是保持高度真空，盡可能不讓氧氣侵入。此外在溶液中添加各種緩蝕劑也可以有效地抑制溴化鋰溶液對金屬的腐蝕。,常見的緩蝕劑有鉻酸鹽、鉬酸鹽及銻、鉛、砷的氧化物。還有一些有機物，如苯并三唑（C6H4N3H）、甲苯三唑TTA(C6H3N3HCH3)等在溴化鋰溶液中也可作為緩蝕劑。,在溴化鋰溶液中加入0.1%0.3%的鉻酸鋰，并通過加入氫氧化鋰使溶液的PH值為910.5范圍內(nèi)，可以有良好的緩蝕作用。,5溴化鋰溶液的密度與溫度、質(zhì)量分數(shù)

6、有關(guān)；溴化鋰溶液的密度比水大，當(dāng)溫度一定時，隨著質(zhì)量分數(shù)增大，其密度增大；如質(zhì)量分數(shù)一定，則隨著溫度的升高，其密度減小。,6在一定溫度下。隨著質(zhì)量分數(shù)的增大，粘度急劇增大；在一定質(zhì)量分數(shù)下，隨著溫度升高，粘度下降。,7溴化鋰溶液的表面張力與溫度和質(zhì)量分數(shù)有關(guān)：質(zhì)量分數(shù)不變時，隨溫度的升高而降低；溫度不變時，隨質(zhì)量分數(shù)的增大而增大。,8溴化鋰溶液的比熱很小。,2-3 溴化鋰溶液的熱力狀態(tài)圖,一.溴化鋰溶液的p-t圖,溴化鋰溶液的p-t圖是根據(jù)同一質(zhì)量分數(shù)下處于相平衡的溴化鋰溶液的水蒸氣壓隨溫度變化的關(guān)系繪制的，是溴化鋰溶液最基本的熱力圖表之一。,在溴化鋰溶液的p-t圖上有三個狀態(tài)參數(shù)：溫度、質(zhì)量

7、分數(shù)和水蒸氣壓，只要知道其中任何兩個，另外一個便可通過p-t圖確定。,例：已知溴化鋰溶液的溫度為87，壓力為9.31kPa(70mmHg),查得溶液的濃度為58%。,對A點的溶液等壓加熱，溫度升高，溶液中的水分被蒸發(fā)出來，溶液的濃度增大。,A-B是等壓沸騰過程。B-A是等壓吸收過程。,二.溴化鋰溶液的比焓-濃度圖（h-圖）,h-圖描述溴化鋰溶液的水蒸氣壓、溫度、質(zhì)量分數(shù)和比焓之間的關(guān)系。,在吸收式制冷機中，常計算溶液的焓差，求取在產(chǎn)生蒸氣過程中和吸收蒸氣過程中的熱量交換，因此h-圖是非常有用的。,h-圖是進行溴化鋰吸收式循環(huán)過程的理論分析、熱力計算和運行特性分析的主要圖表。,h-圖的作用： 1

8、.可以確定溴化鋰溶液的狀態(tài)參數(shù)； 2.可以將溴化鋰吸收式機組中溶液的熱力過程清楚地表示出來。,h-圖的縱坐標為溶液的焓值，橫坐標為溶液的質(zhì)量百分濃度。圖的下半部分為液相部分，由等溫線簇（虛線）和等壓線簇（實線）組成；圖的上半部分為汽相部分，因為汽相中只要水蒸氣的組分，所以汽相部分只有作輔助線的等壓線簇，而汽相點則在縱坐標上。,溴化鋰溶液的比焓可以根據(jù)溴化鋰的比焓和水的比焓及溴化鋰在水中溶解時的熔解熱q，由下式求得：,式中 溶液的質(zhì)量分數(shù)（%）。,（3-1）,q前取負號是因為溴化鋰溶解與水中是放熱過程。,假定溴化鋰和水在溫度為0時的比焓均為418.60kJ/kg，則在不同的溫度下，其比焓可由以下

9、式中求?。?（3-2）,根據(jù)實驗所得的溴化鋰在水中的熔解熱數(shù)據(jù)，按式（3-1）計算溫度為某一給定值時，各質(zhì)量分數(shù)下溶液的比焓，這樣就可畫出液相部分的等溫線簇。有了等溫線簇，則可根據(jù)溴化鋰溶液的水蒸氣壓作出相應(yīng)的等壓線簇。,為了作圖的方便，通常先選定溫度基準值。 國產(chǎn)溴化鋰溶液的h-圖是以70為基準值的，即求出溫度為70時各種不同質(zhì)量分數(shù)溴化鋰溶液的比焓值 。,有了70的等溫線，再利用溶液的質(zhì)量定壓熱容數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)下式求任意溫度時的等溫線。,（3-3）,式中 溴化鋰溶液的質(zhì)量定壓熱容kJ/(kg)，以 作為（x-70）的平均值。,h-圖中的汽相部分的等壓線簇，是由一系列同一壓力下與不同質(zhì)量分

10、數(shù)的溶液處于相平衡的水蒸氣比焓所連成的曲線組成的。,在每條等壓線上，根據(jù)縱坐標可以求出該壓力下與不同質(zhì)量分數(shù)的溶液處于相平衡的水蒸氣的比焓。又因為與溶液處于平衡狀態(tài)的水蒸氣，其溫度和壓力與溶液相同，所以與溶液液相部分的壓力和質(zhì)量分數(shù)相對應(yīng)的溫度即為水蒸氣的溫度。,對水的比焓通常規(guī)定為：當(dāng)溫度為0時比焓等于0。而對于溴化鋰溶液，為了計算方便，則規(guī)定質(zhì)量分數(shù)=0、溫度t=時的比焓為418.6kJ/kg(100kcal/kg)。,當(dāng)壓力不大時，壓力對液體的比焓和熔解熱的影響很小，故可認為液態(tài)溶液的比焓只是溫度和質(zhì)量分數(shù)的函數(shù)，與壓力無關(guān)。因此不論溶液是處于平衡狀態(tài)還是過冷狀態(tài)，其比焓都可在h-圖上用

11、等溫線與等質(zhì)量分數(shù)線的交點求得。,在h-圖上只要知道溶液的溫度、質(zhì)量分數(shù)、水蒸氣壓、比焓這四個狀態(tài)參數(shù)中的任意兩個，就可以確定另外兩個參數(shù)。,h-圖上的等壓線反映的是一定溫度和質(zhì)量分數(shù)的溶液所具有的水蒸氣壓，而不是溶液的壓力。只要在處于相平衡時，溶液的壓力才等于其水蒸氣壓。,例如，已知一穩(wěn)定狀態(tài)下的溴化鋰溶液，其水蒸氣壓為0.77k Pa(5.8mmHg)，溫度為42，狀態(tài)點在h-圖上為0.77k Pa等壓線與42等溫線的交點A，由A點的縱坐標查得溶液的比焓為279.6kJ/kg，由橫坐標查得溶液的質(zhì)量分數(shù)等于60%。,如果溶液的壓力也等于0.77k Pa，則此時溶液處于相平衡狀態(tài)。,如果溶液

12、的溫度和質(zhì)量分數(shù)保持不變，而壓力由0.77k Pa提高到9.6k Pa，此時溶液在h-圖上的狀態(tài)點仍為A點，溶液處于過冷狀態(tài)，一般稱為過冷溶液。,由此可見，液相區(qū)中的所有點不僅可以表示溶液的平衡狀態(tài)，也可以表示溶液的過冷狀態(tài)。 因為壓力對溶液比焓的影響很小，可以忽略。,如果再對A狀態(tài)的過冷溶液加熱，則隨著溫度的升高，溶液的水蒸氣壓也升高。 當(dāng)溶液的水蒸氣壓低于溶液的壓力9.6k Pa時，溶液中的水蒸氣不會蒸發(fā)，溶液的質(zhì)量分數(shù)不變。 當(dāng)溶液的水蒸氣壓達到9.6k Pa時，此時溶液又重新達到相平衡狀態(tài)，由狀態(tài)點為60%的等質(zhì)量分數(shù)線與9.6k Pa的等壓線的交點B，可讀得溶液的溫度為91.8，比焓

13、為373.4kJ/kg（溶液在發(fā)生器中，處于開始沸騰的狀態(tài)）。,根據(jù)熱力學(xué)第一定律。外界加入的熱量等于溶液比焓值的增加，對于1kg溶液，從點A狀態(tài)變化到點B狀態(tài)，加入的熱量為：,如果在壓力為9.6k Pa等壓條件下繼續(xù)對點B狀態(tài)的溶液加熱，則水蒸氣將從溶液中蒸發(fā)出來，溶液的質(zhì)量分數(shù)增大，溫度升高。當(dāng)質(zhì)量分數(shù)達到64%時，由9.6k Pa等壓線與64%等質(zhì)量分數(shù)的交點C，可讀得溶液的溫度為100.8，比焓為391.4kJ/kg（溶液離開發(fā)生器的狀態(tài)）。,由64%等質(zhì)量分數(shù)線與9.6k Pa汽相等壓輔助線的交點引等焓線到縱坐標軸上得交點C，即為與過程終了相對應(yīng)的水蒸氣的狀態(tài)點，其比焓為3107.7

14、kJ/kg。 此時，水蒸氣處于過熱狀態(tài)。,例1：飽和溴化鋰水溶液的壓力為7mmHg，溫度為40，求溶液及其液面上水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)。,例2：某一穩(wěn)定狀態(tài)下的溴化鋰水溶液，壓力5.8mmHg，溫度42，求它的濃度和焓值。,三.熵(s)-濃度（）圖,溴化鋰溶液的熵-濃度圖，是分析溴化鋰吸收式制冷機的制冷循環(huán)熱力完善程度的主要圖表。用它可簡單求出由于過程的不可逆性而造成的熱量損失。,溴化鋰溶液的s-圖，包括液相和汽相兩部分，橫坐標為溶液的質(zhì)量分數(shù)，縱坐標為溶液的熵。液相部分由等溫線簇和等壓線簇組成，汽相部分只有等壓線簇。汽相部分的等壓線簇，也只表示過熱蒸氣的熵，不表明蒸汽的濃度。汽相等壓線也是輔助曲線

15、。,當(dāng)溴化鋰溶液被加熱時，其熵增加，而加熱介質(zhì)的熵減小。兩者熵的變化越小，蒸發(fā)過程的熱力完善程度越好。反之則差。,2-3 溴化鋰溶液的化學(xué)特性,一.溴化鋰溶液的制備,溴化鋰溶液的制備方法：,1.溴化亞鐵法,將溴與鐵屑反應(yīng)后，加入氫氧化鋰，冷卻、分離其液體而得。,2.赤磷法,將赤磷放入盛水的反應(yīng)器中，在攪拌下緩緩加入溴，使其反應(yīng)得到氫溴酸，再加入氫氧化鋰而得。,3.尿素還原法,將氫氧化鋰與溴反應(yīng)，然后用尿素還原反應(yīng)中生成的溴酸鹽，得到溶液。,二.溴化鋰溶液的化驗與檢測,溴化鋰溶液的技術(shù)要求,（1）溴化鋰(LiBr)含量不少于50.0%； （2）鉻酸鋰（Li2CrO4）含量0.25%0.30%；

16、（3）pH值（100g/L,25）為89； （4）雜質(zhì)最高含量（%）： 氯化物（CL）0.1；硫酸鹽(SO4)0.05； 銨鹽（NH4）0.001；鈣（Ca）0.005； 鐵（Fe）0.0002；銅（Cu）0.0001； 鋇（Ba）0.0001。,1.溴化鋰(LiBr)含量的測定,2.鉻酸鋰（LiCrO4）含量測定,3.PH值(100g/L25),4.雜質(zhì)最高含量的測定,2-4 溴化鋰溶液的再生,一溴化鋰溶液再生的原因,1.由于溴化鋰溶液對金屬的腐蝕性，一部分鐵和銅混合到溶液中，使溴化鋰溶液被污染了，因此每年都需要對溴化鋰溶液進行再生處理。,2.制冷系統(tǒng)進行檢修時，應(yīng)對溴化鋰溶液進行分析檢測，

17、看其各項指標是否還滿足要求，如不滿足，應(yīng)對溴化鋰溶液進行再生處理。,3.運行中的制冷系統(tǒng)要定期檢查溴化鋰溶液，如果發(fā)現(xiàn)以下情況，應(yīng)進行再生處理：（1）溶液由原來的淡黃色變?yōu)榱税迭S色；（2）溶液的pH值有所變化；（3）溶液中溴化鋰含量有所變化；（4）其它陽離子或陰離子有所增加。,二溴化鋰溶液的再生方法,2-5 氨水溶液的性質(zhì),氨水吸收式制冷機在工業(yè)用大型低溫吸收式制冷機中及小型吸收擴散式冰箱中應(yīng)用。,一氨水溶液的特點：,1氨水溶液無色，有特殊的刺激性臭味； 2氨腐蝕銅及銅合金（磷青銅除外）； 3低溫時氨水將析出結(jié)晶；,根據(jù)其濃度不同可析出兩種晶體：（1）NH3H2o (一個分子氨含有1分子結(jié)晶水

18、，t=-79)；（2）2 NH3H2o （兩個分子氨含有1分子結(jié)晶水，結(jié)晶溫度t=-78.8）。,4氨對人體有較大的毒性；氨可以燃燒與爆炸；,空氣中含氨量達0.50.6%（容積百分數(shù)）時，半小時內(nèi)人即中毒?？諝庵谢煊?5.527%容積的氨，可以引起爆炸。,5氨極易溶于水組成氨水溶液； 常溫下，一份體積的水可溶解700倍體積的氨，因而氨水溶液是一種理想的吸收劑。,同一溫度下，純氨的蒸氣壓比氨水溶液的蒸氣壓大。如-33.4時，純氨的蒸氣壓為1大氣壓（0.98bar），而30%的氨水溶液蒸氣壓為0.045大氣壓（0.441bar），這時氨的分壓就更小，僅為0.014大氣壓（0.0137bar），因而氨水