5第五章溴化锂吸收式制冷机的型式与结构

第五章溴化锂吸收式制冷机的型式与结构§5-1溴化锂吸收式制冷机型式一．溴化锂吸收式制冷机的分类1.按照制取冷（热）量的形式：冷水、冷温水机和冷风两种类型。大型机制取冷水，小型柜式空调机组直接制取冷风。2.按照消耗能源的种类：蒸汽型、热水型、直燃型和太阳能型。3.按照能源被利用的程度：单效型、双效型。4.按照各换热设备布置情况：单筒型、双筒型和三筒型。二．溴化锂吸收式制冷机的型式溴化锂吸收式制冷机是换热设备的组合体。按照各换热设备的组合方式可将溴化锂吸收式制冷机分为单筒型、双筒型及三筒型。1.单筒型各换热设备的布置方式基本上有四种：1-蒸发器2-吸收器3-发生器4-冷凝器(a)、(b)是传统的布置方式，(c)、(d)是改进后的布置方式。(a)式机组布置不紧凑，蒸发器的冷剂通道面积较小，目前很少采用。(b)式优点：使蒸发器与吸收器间的通道面积增加，流动阻力减小；缺点：发生器中气流上升高度较小，溴化锂液滴容易进入冷凝器中，造成冷剂水的污染。所以应加强挡液。(c)式蒸发器位于吸收器上部，可使蒸发器与吸收器的管排数减少，降低管间的流动阻力。(d)式冷凝器布置在发生器上部，其优点是：发生器的管排数减少，溶液的液位降低，减少了静液柱对发生过程的影响，提高了发生器的换热效果；冷凝器的管排数也减少，使传热系数提高；布置紧凑，促使筒体体积减小。2.双筒型1-蒸发器2-吸收器3-发生器4-冷凝器5-溶液热交换器发生器与冷凝器上下排列优点（1）发生器管排数减少，溶液液位降低，静液柱影响较小，有利于发生器中溶液的沸腾；（2）冷凝器的管排数也减少，使传热系数提高。发生器与冷凝器左右排列的优点：使机组结构紧凑，体积缩小，设计时应注意加强发生器与冷凝器间的挡液措施。（3）喷淋管组可布置于用一高度，结构紧凑；（4）在同一喷淋密度的情况下，冷剂水与溶液的喷淋量可减少，蒸发器泵与吸收器泵的流量相应减少，功率降低。蒸发器与吸收器上下排列的优点：减少了蒸发器与吸收器中的管排层数，提高了传热效率。蒸发器与吸收器左右排列优点：（1）有足够空间布置挡液板，蒸发器与吸收器间的阻力损失减少，吸收效果提高；（2）利用壳体构成蒸发器水盘，结构较简单；(d)种布置方式，将蒸发器1与吸收器2置于上筒，将发生器3、冷凝器4、溶液热交换器5置于下筒。其优点是：（1）增大了吸收器、蒸发器与其泵的垂直距离，从而提高了冷剂泵与溶液泵的吸入性能，布置紧凑；（2）溶液热交换器布置于发生器底部，受发生器内高温溶液的直接影响，减少了产生结晶的可能；（3）蒸发器布置于吸收器的下方，冷剂蒸汽中的水滴依靠重力作用得以进一步分离。三．双筒与单筒的比较双筒型优点：（1）发生器和蒸发器等换热设备分别置于高温和低温两个筒体内，因此相互间的传热损失少；（2）筒体外径比单筒型小，安装面积小；（3）筒体分为两个，减少了运输尺寸，搬运和安装比较方便；（4）结构比单筒型简单，制造方便。双筒型缺点：（1）两筒上下重叠装配，高度增大；（2）机组较大时，运输中须将上下筒割开，现场安装时要重新焊接。单筒型优点：（1）整台机组结构紧凑；（2）机组高度较小；（3）与双筒型相比较，不需要现场焊接连接管道；（4）由于机组结构紧凑，又不需要现场焊接，气密性好。单筒型缺点：（1）筒体外径比双筒型大，安装面积大；（2）高温的发生器等设备和低温的蒸发器等设备在同一个筒体内，有传热损失。§5-2单效吸收式制冷机的结构一.单效吸收式制冷机构成1.蒸发器：制取冷量的设备。借助于冷剂水的蒸发来产生低温的冷媒水。2.吸收器：利用吸收剂吸收冷剂蒸汽。3.发生器：通过对溶液的加热产生低沸点的冷剂蒸汽。4.冷凝器：使产生的冷剂蒸汽冷凝。5.溶液热交换器：在稀溶液和浓溶液间进行热交换，以提高机组的热效率。6.溶液泵：将稀溶液送往发生器，将中间溶液在吸收器中喷淋。7.冷剂泵：将冷剂水喷淋在蒸发器传热管上。8.抽气装置：抽除影响吸收与冷凝效果的不凝性气体。有机械真空泵抽气装置与各种型式的自动抽气装置。9.控制装置：有根据负荷控制制冷量的制冷量控制装置，液位控制装置等。10.安全装置：确保制冷机安全运转的装置。二.单筒、双筒的结构特点：1．机组为壳管式结构。筒体与管板均用碳钢，传热管采用紫铜管或不锈钢管。管子与管板间用胀管（或焊接）的连接。2．单筒型中，由于压力不同，用绝热隔层将筒体分成高、低压两部分。上部为发生器和冷凝器，下部为蒸发器和吸收器。3．为了防止吸收溶液的热量传递给冷剂水，在蒸发器冷剂水盘底部采用绝热隔层。隔层一般用抽真空等方法绝热。4.发生器与冷凝器之间、蒸发器与吸收器之间设有挡液板。5.发生器为沉浸式，蒸发器、吸收器为喷淋式。6．冷凝器和蒸发器底部设有集水盘。7．蒸发器底部设有蒸发器液囊，吸收器底部设有发生器与吸收器液囊。液囊中设有防涡流的导流装置，以改善泵的吸入性能（防止气蚀）。发生器浓溶液出口处亦有一个液囊，以使浓溶液顺利地流至吸收器。8．机组中的不凝性气体的排除。根据冷凝与吸收过程的特性以及冷剂蒸汽的流动状态，不凝性气体常集存于冷凝器与吸收器中，特别是吸收器管簇的下方更为集中，因此在吸收器管簇下方与冷凝器上方设有抽气管。抽气管通过冷剂分离器、阻油器与真空泵相连。9．冷剂水通过U型管节流装置节流。U型管应具有足够保证高低压两部分液封的高度。10．筒体的一侧还装有控制箱，用以进行机组的自动运转、制冷量调节与自动保护。11．发生器与吸收器之间设有一根旁通管。发生结晶时，浓溶液可不通过溶液热交换器而经旁通管直接流至吸收器，使吸收器中稀溶液温度升高，高温的稀溶液流经热交换器后则可消除管外结晶。旁通管接于浓溶液的通道中，通道中设有隔板。正常情况下浓溶液流经溶液热交换器。发生结晶时，流经溶液热交换器的管路堵塞，浓溶液液位很快上升到隔板位置，并进入旁通管，溶晶较为及时。§5-3主要部件的结构一．蒸发器蒸发器多为喷淋型。例：蒸发器内压力为6.1mmHg，传热面上水深136mm，传热面的蒸发温度如下所示：喷淋型蒸发器是将冷剂水喷淋在蒸发器传热管表面上形成很薄的水膜。在筒体的下方设置冷剂水泵，将10~15倍冷剂循环量的水用喷嘴喷淋在传热管上并使水雾化，形成传热管表面完全润湿现象。淋激型蒸发器是在蒸发器上方设置浅水槽，水从槽底无数小孔中下滴淋激在传热管上。而喷淋型则采用高压头水泵可保证雾化压力，使水的分布比较均匀，因此大多数机组采用这一方式。传热管一般采用紫铜管。管束下方设有蒸发器水盘，为使未蒸发的冷剂水汇集至液囊，水盘具有一定的坡度，管簇两侧设有挡水板。挡水板的压力损失越小越好。当冷剂蒸汽速度不大时可采用普通结构的低阻力挡水板，但这种挡水板所占空间较大，筒体直径也被迫增大。另一种是用于压力损失稍大、冷剂蒸汽速度较高的不锈钢薄板制成的曲折形挡水板。也可采用聚氯乙烯薄板制成的挡水板。二.吸收器吸收器的作用是吸收冷剂蒸汽，保持蒸发压力。吸收器多为喷淋型。溴化锂浓溶液（或混合溶液）喷淋在传热管表面上，以吸收从蒸发器来的冷剂蒸汽，使溶液浓度减低为稀溶液，放出的热量被冷却水带走。吸收器的喷淋方式有三种：1.借助于发生器与吸收器之间的压力差，使溶液在吸收器中喷淋；3.借助专用的溶液泵，将大量的溶液进行喷淋。2.通过引射作用将溶液泵送往发生器的稀溶液旁通一部分，使之与浓溶液混合后喷淋；喷淋溶液均匀地喷洒在传热管簇上，吸收冷剂蒸汽，产生的溶解热由管内的冷却水带走。三种喷淋方式的特点：第一种结构简单但喷淋量少，要具有一定的喷淋密度则垂直方向管排数要多，水平方向的管排数要少；第二种需要设置引射器，但喷淋量与喷淋压力均比第一种大；第三种更具有喷淋量大与喷淋压力高的特点，但要有一只溶液泵。喷淋系统是蒸发——吸收器内一个重要部件，为了增加汽液两相的接触面积，提高传热和传质效果，采用喷淋系统将液体散布在传热管外侧，形成均匀液膜。喷淋系统可分为喷嘴喷淋式和淋激式两种，其配置的优劣直接影响到蒸发或吸收效果。喷嘴喷淋式是将液体在一定压力下通过喷嘴喷出，形成均匀的雾滴，喷洒在传热管上。喷淋系统由喷淋管和喷嘴构成。喷淋管根据喷嘴特点采用矩形管或圆管，喷嘴常采用旋涡式喷嘴或离心式喷嘴。淋激式通常将液体通过钻有许多小孔的淋板均匀地淋到传热管上。淋板有压力型和重力型两种。压力型淋板依靠溶液泵的排出压力喷淋，虽然具有较好的喷淋效果，但要消耗泵功率。重力型淋板靠溶液自身位差进行喷淋，喷淋压力低，喷射锥角小。由于重力型淋板结构简单，对喷淋前的压力不高，一般应用比较普遍。淋板孔径一般为2~4mm，直径太小易堵塞,过大则雾化较差。为了提高吸收效果，设计时需注意： （1）采用喷淋式结构；（2）减少冷剂汽阻，提高传质效果；当阻力损失Δp为1~1.4mmHg时，蒸发温度约变化2.5~3℃，而Δp大部分出现在挡液板。采用Δp小的挡液板的措施：①采用双层不锈钢金属丝网作为挡液板；②采用两块阻流隔板代替挡液板；③减少管排的汽阻，合理布置管排，使冷剂蒸汽具有适当的流通面积。（3）设置抽气管路，抽除不凝性气体。吸收器的传热管大多用紫铜管，也可采用铜镍合金管。喷淋溶液先润湿最上面的传热管排，再滴到下面的传热管排上并聚集在筒体下部的液囊中。机组运行中所产生的不凝性气体一般聚集在吸收器底部，因此在吸收器传热管簇的最下部适当位置设置了抽气管路。抽气管路与真空泵相连接，随时排除机组内的不凝性气体，以保证机组内的真空度。三．发生器发生器是机组中产生冷剂蒸汽的设备。冷剂蒸汽的发生过程为溶液的蒸发沸腾过程。管内流动的加热介质加热管外的溴化锂溶液，进行热量的传递与冷剂相变的转换。发生器通常为管壳式结构。传热管一般采用铜镍合金光管、紫铜管、不锈钢管或低肋管。为减少传热管受热挠曲，在壳体长度方向每隔1.2m左右设有管子支撑板。发生器通常有沉浸式、喷淋式两种。喷淋式一般用于船用吸收式制冷机中，为了防止溴化锂溶液因船舶倾斜、摇摆而进入冷凝器中。发生器采用喷淋结构，这样可使其中的液位降低。喷淋式发生器具有良好的热质交换性能。这是因为喷淋式发生器不存在静液柱高度的影响，且气泡逸出阻力较小。但由于喷淋式发生器中溶液喷淋量较小（即为稀溶液循环量），传热管很难得到均匀的润湿，使传热面积得不到充分利用，因此影响了传热效果。尤其在使用高温热源时，未接触溶液的传热管变形较大，还直接影响到机组的气密性和管子的寿命。沉浸式发生器目前采用的较多。优点是：加热均匀，能够充分利用传热面积，运行安全可靠。缺点是：静液柱高度对传热的影响较大。为提高沉浸式发生器的发生效果，采用如下措施：（1）尽量降低发生器中的液位，减小静液柱高度对溶液沸腾过程的影响。即发生器垂直管排数应尽量少。（2）溶液在发生器中具有一定的扰动，以增强换热效果。发生器中溶液浓度的分布大致如下：对沉浸式发生器而言，浓溶液聚集在远离稀溶液进口端位置。一般，稀溶液进口与浓溶液出口设在两端。浓溶液出口靠近热源进口，以利于提高传热温差。随着稀溶液的流动、浓缩，浓度不断提高。在浓溶液出口端设有液囊。发生器浓溶液出口形式如图示。液囊内设有限位板，也就是隔板。其高度应保证发生器中溶液的静液柱之上暴露1.5~2排传热管。这样在发生过程中暴露的管排为鼓动换热，既对传热有利，又对溶液的飞溅起到阻尼作用。同时为了能保证制冷机停机后，溴化锂溶液从发生器中放出，应在隔板的最底部设有小孔。旁通管的开口位置约比发生器中的第一排传热管高30mm。发生器上部装有挡液板，其作用是防止溴化锂溶液液滴带到冷剂水中去循环。如果液滴带到冷剂水中去循环，就会使冷剂沸点上升，在同样的蒸发压力下，喷淋在蒸发器传热管表面上的冷剂水温度升高，因此冷媒水的温度也相应升高，致使制冷效果下降。挡液板的结构：人字型结构、滤网型结构、交错板结构、交错孔结构。人字型结构具有较好的挡液效果，但制作复杂。分单人字型和双人字型，其夹角、折边长度、间距对挡液效果及冷剂阻力有较大的影响滤网型结构有滤网层与框架组成。将不锈钢滤网折叠成若干层，固定在框架上，层与层之间留有一定空间，保持总叠高高度。叠高与层数应根据溶液沸腾状况而定。滤网层能有效地滤去冷剂蒸汽中的溴化锂液滴，并使气流均匀畅通。交错板结构有很多种型式，常见的有直形交错板和V形交错板。该结构制作工艺简单，安装方便，但挡液效果不如前两种。交错孔结构由两块钢板组成。板上钻有许多小孔，两块板上孔中心相互交错，气流经过时能起到比较好的分离作用。这种挡液装置的挡液效果不如前两种，一般在蒸汽流速较低的场合使用。由于筒体为碳钢制作，传热管采用铜管或铜合金管。而当发生器中加入的热源温度较高时，筒体与传热管的膨胀系数不同，就会导致筒体与管簇因温度引起的伸长不同，则在管子与管板的连接处产生了热应力。这种热应力易使胀管松动，产生泄漏，以致直接影响机组的使用寿命。在发生器中消除热应力的方法：（1）采用膨胀节结构；在发生器的筒体中间的某个部位上设置膨胀节，使筒体受热时可相对伸长，从而降低热应力的影响。（2）浮头结构；将传热管的一端与管板连接，另一端与一个浮动的管板连接。浮动管板、浮头室及下面的滑板，组成一个可以自由滑动的浮头，使发生器的传热管一端固定，另一端可以自由活动。（3）U型管结构；在发生器中采用U型管，其进口与出口均连接在同一管板上。这样，传热管的热膨胀与筒体的热膨胀互不相干，均可自由伸长。（4）筒体与传热管选用线膨胀系数相近的，使发生器在高温工作时筒体与传热管的伸长量相近，从而降低温差热应力。为使溶液在流动过程中有较大的扰动，增强换热效果，在管簇中每隔一定间隔设置一块折流板。折流板的设置有两种方式：即左右或上下设置。上下设置使溶液温度更趋均匀，静液柱影响较小，有利于提高发生过程的传热系数。四．冷凝器冷凝器的作用是使冷剂蒸汽在冷凝器中被凝结成冷剂水。冷凝器一般为壳管式结构，传热管采用紫铜管。冷凝器与发生器同属一个压力区，因此通常将两者做成一体。上下布置的发生——冷凝器，冷凝器位于沉浸式发生器的上部，中间隔有水盘，冷剂蒸汽经由水盘两侧的挡液装置进入冷凝器。由于发生器加热时会使溶液沸腾飞溅，为避免发生冷剂污染，应使发生器第一排传热管到冷凝器水盘有足够的距离。左右布置的发生——冷凝器，发生器为喷淋结构，中间是挡液装置，水盘位于冷凝器下部，喷淋系统旁设有挡液板，防止液滴溅出。水盘的作用是汇集冷剂水，进入节流装置。为减少溶液对冷剂水的辐射热，水盘常做成双层结构。冷凝器与蒸发器之间存在着压差和位差，因此冷凝器中的冷剂水在进入蒸发器之前，必须先进入节流装置。在吸收式制冷机中常用的节流装置有U型管和孔板。U型管节流装置结构简单，制作方便，对机组变工况运行具有很强的适应能力。应用广泛。U型管的高度H与冷凝器、蒸发器间的压力差有关（通常为1~1.3m）。H必须大于按下式求得的值：H=最大负荷时的压力差（mmHg）+余量（0.1~0.3m）U型管的管径由管内的冷剂水量确定。孔板节流装置设置在冷凝器通往蒸发器的管道中。必须根据冷凝器与蒸发器间的压力差确定合理的小孔通径，通径过大起不了节流作用，冷剂蒸汽还会通过小孔进入蒸发器。而通径过小会增加冷剂水进入蒸发器的阻力，限制流量。五．溶液热交换器溶液热交换器的作用是使溴化锂稀溶液和浓溶液进行热交换。溶液热交换器的换热方式，一般有对流换热和横流管簇两种。溶液热交换器一般为壳管式换热器。传热管采用紫铜光管或低肋片紫铜管。由于溶液热交换器传热系数低，因而传热面积较大，所以采用提高溶液流速来提高传热系数，但要考虑流速增大后，流动阻力也相应增大，所以管内稀溶液的流速一般取0.6~1.0m/s；管外浓溶液的流速取0.3~0.6m/s。§5-4溴化锂吸收式制冷机的抽气装置常用的抽气装置有机械真空泵抽气装置和自动抽气装置。一．机械真空泵抽气装置组成：冷剂分离器、阻油器、真空泵、连接管路、阀门等。从吸收器或冷凝器抽出的气体包括不凝性气体及夹带的冷剂蒸汽。若直接排放出去会造成：（1）使机组中冷剂水量减少，影响制冷效果；（2）溶液浓度增大，容易产生结晶；（3）冷剂蒸汽进入真空泵后，促使真空泵油很快乳化，粘度下降，使真空泵抽气效果恶化，甚至丧失抽气能力。采用冷剂分离器回收冷剂蒸汽，其中通有冷剂水（蒸发器泵排出的）或冷媒水，造成较吸收器中压力更低的吸收条件，冷剂蒸汽被喷淋的吸收剂所吸收，流回吸收器中。阻油器为箱形式或圆筒形，装有两块阻油挡板，其作用是：防止真空泵停止运转时大气压力将真空泵油压入机器中。电磁阀的作用：当真空泵因突然故障停电时，电磁阀即关闭。可防止空气倒流，以保持机组内真空度。二．自动抽气装置原理：利用溶液泵排出的高压液流作为抽气的动力。自动抽气装置在机器运转中可连续地进行抽气，操作简单，但抽气量少。由溶液泵排出的溶液引出少量稀溶液进入引射器，溶液在喷嘴喉部速度升高，压力降低，形成低压区，以抽出吸收器中的不凝性气体。不凝性气体随同溶液进入储气室，并与溶液分离后上升至储气室顶部，溶液则经回流阀回到吸收器。当不凝性气体在储气室上部愈积愈多时，关闭回流阀，依靠溶液泵的压力将不凝性气体压缩至大气压力以上，打开排气阀，排出不凝性气体。采用自动抽气装置的系统，仍需配备一套机械真空泵。在机器初始抽真空和长期停机后第一次启动或应急时使用。§5-5溴化锂吸收式制冷机的安全装置一．防冻、防结晶装置溴化锂吸收式制冷机在运转中，可能因某些事故而影响机组的正常运转，甚至导致机组的损坏。如冷媒水泵故障或空调系统的负荷突然降低，使蒸发器中的传热管冻裂；溴化锂溶液浓度过高或冷却水温度过低，是溶液结晶等。因此在机组中必须配备保护装置，以保障制冷机组的正常运转，防止运转事故的发生。1.冷剂水和冷媒水的防冻装置在溴化锂吸收式制冷机的运转过程中，如果冷媒水泵突然发生故障或空调系统出现低负荷，冷量自动调节系统失灵，加热蒸汽量过大，则会引起蒸发温度过低，是蒸发器内冷剂水和冷媒水有冻结的危险，严重时会使传热管冻裂。采取的措施如下：（1）在冷剂水管道上安装温度继电器；（2）在冷媒水管路上安装一个压力继电器或压差继电器；（3）带电触电的差压流量计。二．防止溴化锂溶液结晶的装置如果溴化锂溶液的浓度过高或温度过低，会使溴化锂溶液在机组运行中产生结晶，而不得不迫使制冷机停止运行。产生结晶的原因：（1）加热蒸汽压力不稳定、加热蒸汽量突然增大，使发生器出口浓溶液浓度过高；（2）由于操作不当或系统大量漏气，使吸收器中吸收冷剂蒸汽的能力大大减弱，而引起发生器出口浓溶液浓度过高；（3）运行过程中突然停电，由发生器来的浓溶液来不及稀释；（4）冷却水温度过低，稀溶液与浓溶液在热交换器进、出口处热交换程度过于剧烈，致使浓溶液温度过低等等。溶晶装置：J型管——防结晶管。当浓溶液在热交换器出口处结晶时，浓溶液不能流入吸收器，而使发生器的液位升高。当液位升高到某一位置时，高温的浓溶液通过J型管进入吸收器，使吸收器中流出的稀溶液温度升高，当溶液泵将高温的稀溶液经热交换器送入发生器时，就会使热交换器中的结晶自动地溶解，从而消除结晶现象。三．防冷剂水污染装置1.冷剂水被污染的原因当冷却水温度过低时会造成冷凝器中冷凝压力过低，使发生过程变得剧烈，发生器中溶液液滴可能被冷剂蒸汽带入冷凝器中，致使进入蒸发器的冷剂水中含有微量溴化锂而使冷剂水被污染。因此冷却水温度必须随负荷变化加以控制。防冷剂水被污染的方法：在吸收器的冷却水进水管路上安装一个水量调节装置，通过检测吸收器冷却水出水温度（冷凝器进水温度），来自动调节水量，使冷凝温度不太低以防止冷剂水被污染。2.冷剂水污染的排除方法当蒸发器中冷剂水的密度超过1.04时，说明溴化锂溶液已混入冷剂水中。要解决冷剂水污染必须先查出引起污染的原因与部位，然后再使冷剂水再生。冷剂水再生的步骤：（1）关闭冷剂水管道上的蝶阀（或其它形式的阀门）；（2）打开冷剂水旁通阀，将冷剂水直接排入吸收器；（3）随着冷剂水的排放，蒸发器中的冷剂水越来越少。当冷剂泵发出吸空声音而无法运行时，停止冷剂泵的运转；（4）由于送往发生器的稀溶液浓度降低，可根据需要适当关小供汽阀门，以防止再次发生污染；（5）如此反复操作，直到蒸发器中冷剂水密度达到1.04以下时，冷剂水再生工作结束。四．屏蔽泵的保护装置溴化锂吸收式制冷机中的溶液泵与制冷剂泵采用的是屏蔽泵。屏蔽泵是由离心泵与屏蔽电机组成一体的密封部件。屏蔽泵是溴化锂吸收式制冷机的“心脏”，是机组运转中唯一的运动部件。如屏蔽泵发生故障，会导致溴化锂吸收式制冷机不能运行。造成屏蔽泵故障的原因很多，主要有：（1）泵的叶轮卡死，产生过负荷，使电机烧坏；（2）润滑液的压力过低或润滑管路堵塞，使轴承过量磨损；（3）冷却液温度过高，使电机损坏；（4）电机单相运行，电源负荷不平衡等等。为防止上述事故发生，在屏蔽泵的电路中装设过负荷继电器（热继电器）。当屏蔽泵卡死或其它原因超负荷时，电机温度升高，电流过大，此时继电器动作，切断电源，使屏蔽泵停止运转。