吸收式制冷系统原理

简单的说，制冷剂液态在蒸发器中吸热蒸发，所形成的蒸气被吸收剂所吸收，在此之后，吸收了制冷剂蒸气的吸收剂由溶液泵送至发生器，在发生器中被加热，而分离出制冷剂蒸气，该蒸气在冷凝器中被冷凝成液体，再经节流后进入蒸发器。

详细的说，吸收式制冷是以消耗热能，依靠液态制冷 剂在蒸发器内汽化、吸热，迫使热量 不断由低温传向高温的制冷技术。 是常用的制冷方法之一。采用不同 沸点且能相互溶解的两种物质所构 成的二元溶液为工质(以高沸点者 为吸收剂、低沸点者为制冷剂)，并 利用该溶液的饱和浓度随温度与压 力而变化的特点进行制冷循环。整 个制冷系统由吸收器、循环泵、发生 器、冷凝器、节流阀和蒸发器等主要 设备组成。当二元溶液在发生器中 受热时，其中制冷剂大量汽化成高 压蒸汽与吸收剂分离。此蒸汽进入 冷凝器中被凝结为液态; 液态制冷 剂经节流阀节流后进入蒸发器，在 低压、低温条件下发生汽化吸取被 冷却物体热量而制取低温; 形成的 低压制冷剂蒸汽与来自发生器经过 减压的液态吸收剂一起流入吸收 器，在吸收器中被冷却，吸收剂即 吸收制冷剂蒸汽重新形成二元溶 液，再由循环泵送往发生器内加热， 如此循环不已。按工质不同，主要 有氨-水吸收式制冷和水-溴化锂吸 收式制冷两类。吸收式制冷具有直 接利用热能来制冷，耗电甚少，噪音 低，安全性高，调节范围广和使用寿 命长等一系列优点。适用于有热源 或有余热可供利用的某些场合。

从利用天然冰等自然冷源过渡到人工制冷，是制冷技术发展的初始阶段。在这个阶段，吸收式制冷技术的研究和开发曾风光一时。标志性的事件有：1777年，Nairne E.Geral的硫酸吸水制冰试验;1810年，J.Leslie的硫酸一水吸收式制冰装置;E.Carre设计、生产的小型硫酸一水间歇式制冰机:1859年，F.Carre制成以燃煤炉为驱动热源的直燃型氨一水吸收式制冷机，并于1860年申请专利，这是一个很大的进步，己具备现代吸收式制冷机的基本特点。以后，C.Munters和B.Von Platen制成氨一水一氢扩散吸收式冰箱，于1920年取得专利，在20世纪2030年代流行于世。长期以来，氨一水吸收式制冷机只是作为食品加工和化工生产流程中的制冷装置得到应用，氨一水一氢扩散吸收式冰箱只在一些特殊场合应用。以后，美国Arkla公司在1969年向市场推出Servel牌号的小型燃气氨吸收式空调机:1996年至今，日本的日立造船、大金等公司向市场推出氨吸收式制冷机组。

20世纪60年代，美国、日本和前苏联能够利用廉价的天然气，而我国则能利用丰富的煤资源，采用滨化铿吸收式冷水机组缓解电力供应不足的困难。当时，美国和日本相继制成了蒸汽型双效嗅化铿吸收式冷水机组，还开发了直燃型澳化铿吸收式冷热水机组。近30年来，吸收式制冷技术进入了蓬勃发展的阶段。1973年中东石油危机推动了能源利用技术的发展，使利用低品位热能的吸收式热泵技术、热一电一冷联产技术等吸收式冷热源设备的研究，进入了实用化的开发阶段。1987年，关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书签订以后，由于吸收式制冷技术可采用对环境无破坏作用的天然制冷剂，而氨作为一种天然工质，其臭氧层损耗潜能值(Ozone Depletion Potential即ODP)和全球变暖潜能值( Global Warming Potential即G WP)均为零，价格低廉，是HCFC-22的30%，机组能效高，运行费用低等，氨一水工质对得到了科技界的重新认识和推广应用。直燃型多效吸收式制冷机、高效氨水GAX回热循环吸收式制冷机、小型氨水吸收式制冷机进入了商业化开发阶段，蒸汽型和热水型吸收式机组在余热利用、总能系统和区域集中供热供冷方面得到了进一步的推广应用。

制冷系统是指使用外部能量将热量从温度低的物质或环境转移到温度较高的物质或环境的任何系统。通常经历压缩、冷凝、膨胀、蒸发四个过程，形成赖以制冷循环的最基本的配置。由于其调节操作困难，不能长期维持正常生产，为了尽可能获得较好的制冷效果，还必须采取一系列的措施，增加必要的辅助手段，才能使制冷系统臻于完善。每一个过程都是由一台或多台具有相应功能的设备、辅助设备以及系列连接管道和配件所组成。

制冷系统的设计是将所有制冷机器、设备、管道、阀门、指示和控制仪表在内的系统用工程的方式表达出来的过程，又在过程中不断修改、充实、具体化。

根据制冷系统所具有的物性和特点，往往给予不同的命名方法。

按照制冷剂的种类可分为氨制冷系统、氟利昂制冷系统等;

按照供液方式可分为直接膨胀供液制冷系统、重力供液制冷系统、液泵强制供液制冷系统;

按照装置形式可分为压缩式制冷系统、吸收式制冷系统、蒸喷式制冷系统等，其中压缩式制冷系统又可分为活塞式、离心式、螺杆式、滑片式等;

按照压缩比形式可分为单级压缩制冷系统、双级压缩制冷系统等;

按照蒸发温度可分为高温制冷系统、低温制冷系统;

按照压缩机组的多少可分为单机制冷系统、多机制冷系统;

按照冷却方式可分为直接制冷系统、间接制冷系统等等。

就中国大多数食品工厂的使用状况来看，采用氨活塞压缩式强制供液制冷系统占大多数，具有系统简单、操作便利、运行费用低廉的优点。其次，螺杆式压缩、蒸发式冷凝的制冷系统近年来也得到广泛使用，它具有易损零件少，运行可靠，单级压比大，能量可无级调节，节水、节能，自控程度高的优点，在一些新建的食品工程中得到应用。

从蒸发温度来看，不同的产品可以选择不同的蒸发温度，在保证产品品质的同时，消耗最少的能源。

对于快速冻结食品，由于形体较大同时希望产生较小的冰晶，其蒸发温度就相应要低一些，一般在-35～-45℃;对于冻结物冷藏，通常采用-28～-33℃的蒸发温度;对于物料冷却，往往提供5～7℃的冰水在热交换器循环使用或直接喷淋一次性使用，而不主张物料浸渍在冰水中，这是考虑到食品的安全卫生需要;冰水温度与蒸发温度之差约为10℃;对于一般原料的暂存，-10～5℃的蒸发温度是比较经济实惠的选择。

吸收式制冷系统溴化锂型

溴化锂吸收式制冷机是以溴化锂溶液为吸收剂，以水为制冷剂，利用水在高真空下蒸发吸热达到制冷的目的。为使制冷过程能连续不断地进行下去，蒸发后的冷剂水蒸气被溴化锂溶液所吸收，溶液变稀，这一过程是在吸收器中发生的，然后以热能为动力，将溶液加热使其水份分离出来，而溶液变浓，这一过程是在发生器中进行的。发生器中充有溴化锂溶液，且压力较低，稍加热时，水便从溴化锂溶液中蒸发由来(水比溴化锂易蒸发)。蒸发出来的水蒸汽在冷凝器中冷凝，成为制冷剂水，经节流阀在蒸发器中蒸发。带走箱内的热量，蒸发出的水气又被吸收器中的溴化锂溶液吸收(溴化锂溶液特易吸收水气)，此溶液再在发生器中加热蒸发，就这样不断循环，实现制冷循环。发生器中得到的蒸汽在冷凝器中凝结成水，经节流后再送至蒸发器中蒸发。如此循环达到连续制冷的目的。

可见溴化锂吸收式制冷机主要是由吸收器、发生器、冷凝器和蒸发器四部分组成的。 从吸收器出来的溴化锂稀溶液，由溶液泵(即发生器泵)，升压经溶液热交换器，被发生器出来的高温浓溶液加热温度提高后，进入发生器。在发生器中受到传热管内热源蒸汽加热，溶液温度提高直至沸腾，溶液中的水份逐渐蒸发出来，而溶液浓度不断增大。单效溴化锂吸收式制冷机的热源蒸汽压力一般为0.098MPa(表压)。发生器中蒸发出来的冷剂水蒸气向上经挡液板进入冷凝器，挡液板起汽液分离作用，防止液滴随蒸汽进入凝凝器。冷凝器的传热管内通入冷却水，所以管外冷剂水蒸气被冷却水冷却，冷凝成水，此即冷剂水。

积聚在冷凝器下部的冷剂水经节流后流入蒸发器内，因为冷凝器中的压力比蒸发器中的压力要高。如：当冷凝器温度为45℃时，冷凝压力为9580Pa(71.9mmHg)；蒸发温度为5℃时，蒸发压力872Pa(6.45mmHg)。U型管是起液封作用的，防止冷凝器中的蒸汽直接进入蒸发器。

冷剂水进入蒸发器后，由于压力降低首先闪蒸出部分冷剂水蒸气。因蒸发器为喷淋式热交换器，喷啉量要比蒸发量大许多倍，故大部分冷剂水是聚集在蒸发器的水盘内的，然后由冷剂水泵升压后送入蒸发器的喷淋管中，经喷嘴喷淋到管簇外表面上，在吸取了流过管内的冷媒水的热量后，蒸发成低压的冷剂水蒸气。由于蒸发器内压力较低，故可以得到生产工艺过程或空调系统所需要的低温冷媒水，达到制冷的目的。

例如蒸发器压力为872Pa时，冷剂水的蒸发温度为5℃，这时可以得到7℃的冷媒水。蒸发出来的冷剂蒸汽经挡液板将其夹杂的液滴分离后进入吸收器，被由吸收器泵送来并均匀喷淋在吸收管簇外表的中间溶液所吸收，溶液重新变稀。中间溶液是由来自溶液热交换器放热降温后的浓溶液和吸收器液囊中的稀溶液混合得到的。为保证吸收过程的不断进行，需将吸收过程所放出的热量由 热管内的冷却水及时带走。中间溶液吸收了一定量的水蒸气后成为稀溶液，聚集在吸收器底部液囊中，再由发生器泵送到发生器，如此循环不已。

由上述循环工作过程可见，吸收式制冷机与压缩式制冷机在获取冷量的原理上是相同的，都是利用高压液体制冷剂经节流阀(或U型管)节流降压后，在低压下蒸发来制取冷量，它们都有起同样作用的冷凝、蒸发和节流装置。而主要区别在于由低压冷剂蒸汽如何变成高压蒸汽所采用的方法不同，压缩式制冷机是通过原动机驱动压缩机来实现的，而吸收式制冷机是通过吸收器，溶液泵和发生器等设备来实现的。

从吸收器出来的稀溶液温度较低，而稀溶液温度越低，则在发生器中需要更多热量。自发生器出来的浓溶液温度较高，而浓溶液温度越高，在吸收器中则要求更多的冷却水量。因此设置溶液交换器，由温度较高的浓溶液加热温度较低的稀溶液，这样既减少了发生器加热负荷，也减少了吸收器的冷却负荷，可谓一举两得。

溴化锂吸收式制冷机除了上述冷剂水和溴化锂溶液两个内部循环外，还有三个系统与外部相联，这就是：①热源系统；②冷却水系统；③冷媒水系统。

热源蒸汽(或热水)通入发生器，在管内流过，加热管外溶液使其沸腾并蒸发出冷剂蒸汽，而热源蒸汽放出汽化潜热后凝结成水排出。一般情况下，应将该凝结水回收并送回锅炉加以利用。

在吸收器中溶液吸收来自蒸发器的低压冷剂蒸汽，是个放热过程。为使吸收过程连续进行下去，需不断加以冷却。在冷凝器中也需冷却水，以便将来自发生器的高压冷剂蒸汽变成冷剂水。冷却水先流经吸收器后，再流过冷凝器，出冷凝器的冷却水温度较高，一般是通入冷却水塔，降温后再打入吸收器循环使用。

吸收式制冷系统蒸汽型

蒸汽吸收式制冷系统是由发生器、冷凝器、制冷节流阀、蒸发器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。整个系统包括两个回路：一个是制冷剂回路，一个是溶液回路。系统中使用的工作流体是制冷剂和吸收剂，我们称它为吸收是制冷的工质对。吸收剂使液体，它对制冷剂有很强的吸收能力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液加热又能放出制冷剂气体。因此，我们可以用溶液回路取代压缩机的作用，构成蒸汽吸收式制冷循环。

制冷剂回路由冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器组成。高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷。溶液回路由发生器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体，形成富含制冷剂的溶液，将该溶液用泵送到发生器，经过加热是溶液中的制冷剂重新蒸发出来，送入冷凝器。另一方面，发生后的溶液重新恢复到原来的成分，经冷却、节流后成为具有吸收能力的吸收液，进入吸收器，吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽。吸收过程中伴随释放吸收热，为了保证吸收的顺利进行，需要冷却吸收液

在蒸汽吸收式制冷中，吸收器好比压缩机的吸入侧；发生器好比压缩机的排出侧；对发生器内溶液进行加热，提供提高制冷剂蒸汽压力的能量。

吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动能源，除了利用锅炉蒸气、燃料产生的热能外，还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能，在同一机组中还可以实现制冷和制热（采暖）的双重目的。整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小；同时，制冷机在真空状态下运行，结构简单，安全可靠，安装方便。在当前能源紧缺，电力供应紧张，环境问题日益严峻的形势下，吸收式制冷技术以其特有的优势已经受到广泛的关注。

1. 无原动力，直接使用热原理，因此机器坚固亦无震动，少噪音，能安装于任何地点，从地室一直到屋顶均可。

2. 以水为制冷剂，获得容易，安全性高。

3. 可直接利用热源，它可利用低压蒸汽、热水，甚至废汽、废热，耗电极少，只相当于同容量离心式机的2%--9%。

4. 变负荷容易，调节范围广(能在10%--100%范围内调节制冷量) 。

5. 结构简单，运行方便。

(1) 当给制冷系统加压时，不得超过规定的试验压力。

(2)不得使用氧清洗管路或给制冷系统加压。

(3)当系统存在压力时，不得拆卸接头或其他零部件。

(4)不得用口虹吸锂溴化物。

(5)在抽空所有的氧之前，不得使用火焰切割。

(6)未打开、切断或闭锁开关之前，不得维修电气线路。

(7) 当处理抑制剂、辛化醇、氢氧化锂、氢溴酸和锂溴化物时，必须戴上防护眼镜和 穿上防护工作服。

(8)必须立即用肥皂和水洗掉皮肤上的化学剂。

(9)必须用清水洗净眼睛，如果眼睛受化学剂侵入，就应立即请医生检查或治疗。

(10) 当进行焊接或切割工作时，必须确保现场通风，以除去有毒的烟气。

(11)在排空水箱的水之前，不得松开盖螺栓。

(12)必须保持地面清洁，经常除去油污和碎屑。

(13)在开启水、蒸汽管路之前，应轻敲一下。2100433B

在吸收式制冷机装置内若存在不凝性气体，制冷能力就要下降。因此在吸收制冷装置中，一般都应装置空气分离器，以便制冷系统安全而又经济地运转。

排出气制冷系统中进入不凝性气体的原因及影响

1、制冷系统中进入不凝性气体的原因

（1）制冷系统在投产前或维修后，因未彻底清除空气，故空气存在于制冷系统中；

（2）系统充注冷剂和吸收剂时带入空气；

（3）氨液中溶解了空气；

（4）金属的腐蚀作用分解出的气体；

（5）器壁释放出来的气体；

（6）当低压系统在负压下工作时，通过密封不严密处窜入空气。

2、不凝气对吸收式制冷系统正常运行的影响

（1）存在不凝气体时，冷剂的压力等于压力表的指示值与不凝气体分压之差。在冷凝器中，冷凝温度比与压力表指示值相当的饱和温度低。在吸收器中，溶液温度低于与压力表指示值相当的饱和温度。

（2）由于不凝气体的存在，死角和拐弯处积蓄着不凝气体，有效传热面积减少。

（3）传热面上覆盖一层不凝气体后，会降低冷剂侧和溶液侧的放热系数。

排出气典型的不凝气排出装置

1、卧式四管式不凝气排出装置和立式不凝气排出装置

混合气体送入不凝气排出装置，其中的氨气被氨液蒸发冷凝，不凝气经水槽后排空；被冷凝下来的氨液，经回流管回流到氨液蒸发回路。显然，混合气体压力应高于氨液的蒸发压力，确切地说混合气体中的分压强应高于氨液的蒸发压力，否则，混合气体中的氨气就不会被冷凝，因而也就无法分离出空气。因此，此类装置处理的混合气体为高压气体，来自冷凝器。

由于压缩机吸气无选择性，所以压缩式制冷系统中的不凝性气体会聚集在冷凝器，故此类装置一般用于压缩式制冷系统中的不凝性气体的排除。理论上，不凝性气体的排出压力等于冷凝压力；不凝性气体中氨气的分压强等于液氨的蒸发压力，与混合气体中制冷剂的含量无关。吸收式制冷系统，由于吸收器的选择性吸收，使得不凝性气体不易经发生器被转移到冷凝器，因此吸收式制冷系统中的不凝性气体将分别聚集在吸收器和冷凝器。故此类装置不适用于吸收式制冷系统。市场上供应的不凝性气体排出装置正是此类装置，因此，吸收式制冷系统的不凝性气体排出装置需自制。

2、氨吸收式制冷系统的不凝性气体排出装置

混合气体分别来自吸收器和冷凝器中不凝气体聚集区，两股混合气体分别送入排气装置处理，其中来自冷凝器的混合气体需先减压至吸收压力。稀溶液经热交换器冷却降温，再经氨液蒸发降温后，在不凝气排出装置中喷淋洗涤混合气体，混合气体中的氨气被稀溶液吸收，稀溶液变为浓溶液回流至溶液贮槽，不凝气经水槽后排空。理论上，不凝性气体的排出压力等于吸收压力；不凝性气体中氨水蒸气的分压强大于稀溶液浓度和氨液蒸发温度决定的氨水溶液的饱和蒸汽压，低于浓溶液浓度和氨液蒸发温度决定的氨水溶液的饱和蒸汽压。若吸收压力低于大气压，不凝性气体排出口需接真空泵，一般为蒸汽喷射泵或水喷射泵。

上述排气装置由于要消耗作为制冷剂的氨液，故一般视吸收压力或冷凝压力作间歇运行。

3、溴化锂吸收式制冷系统的不凝性气体排出装置

溴化锂吸收式制冷系统由于是在负压下运行，不凝性气体排出装置尤为重要。同氨吸收制冷系统一样，溴化锂吸收式制冷系统的不凝性气体聚集在吸收器和冷凝器，由于吸收器和冷凝器的工作压力均为负压，因此，需采用抽气装置。

溴化锂吸收式制冷系统的不凝性气体排出装置通常采用液体喷射泵，以来自吸收器的稀溶液为工作流体，经溶液循环泵加压后喷射，引射混合气体至气液分离器，混合气体的水蒸气在气液分离器被稀溶液吸收，接着稀溶液被压送至发生器。气液分离器中的气体压力取决于发生压力和发生器液面与气液分离器液面的静压之和，并应大于大气压力；气液分离器气体中水蒸气的分压强等于气液分离器中溶液的浓度及温度所对应的溶液的饱和蒸汽压。此不凝性气体排出装置采用稀溶液喷射抽气，稀溶液用溶液循环泵增压，使溶液循环泵耗功增加。故此类不凝性气体排出装置一般也是间歇运行。吸收式制冷系统的不凝性气体排出装置排出气体中的制冷剂含量随着被处理混合气体中的制冷剂含量的增加而增加。因此，对吸收式制冷系统，判断不凝性气体的聚集区尤为重要。

排出气吸收式制冷装置不凝性气体聚集区的初步判断

（1）由于制冷剂蒸汽的定向运动而使得不凝性气体在制冷剂蒸汽流动末端聚集。

（2）由于不凝性气体同制冷剂蒸汽比重不同而形成的不凝性气体和制冷剂蒸汽的分层现象。因此，对于溴化锂吸收式制冷系统，由于水蒸气的比重高于不凝性气体，故不凝性气体一般聚集在吸收器和冷凝器制冷剂蒸汽流动末端的顶部。对于氨吸收式制冷系统，由于氨蒸气的比重低于不凝性气体，故不凝性气体一般聚集在吸收器和冷凝器制冷剂蒸汽流动末端的底部。

试验中可通过测量各传热管冷却水的温度变化来判断不凝性气体的聚集区。冷却水的温度变化小或不变化，说明吸收或冷凝负荷小，可以判断该传热管所处区域的不凝性气体含量高。

排出气新型氨吸收式制冷系统的不凝性气体排出装置

1、原理

考虑到氨吸收式制冷系统发生压力（冷凝压力）吸收压力压差较大，结合溴化锂吸收式制冷系统的不凝性气体排出装置的喷射抽气技术，提出了新型氨吸收式制冷系统的不凝性气体排出装置。采用稀溶液连续喷射抽吸吸收器中的不凝气体，及稀溶液和来自于冷凝器的混合气体喷射抽吸吸收器中的不凝气体；并将此气液混合物压送到气液分离器中分离。气液混合物在气液分离器中被冷却水冷却，氨被吸收到溶液中。

气液分离器中气体的压力等于吸收压力与中间溶液出口和气液分离器液面静压差之和，气体中氨的分压强约等于与中间溶液浓度和温度对应的溶液饱和蒸汽压力。

2、主要结构尺寸

（1）喷射器采用已有喷射器（喷嘴通径 2.4mm），加扩压管，喷射器出口管道总长为 750mm；喷射器吸气室出口侧法兰焊接一DN200的法兰，该法兰与气液分离器连接，法兰设冷却水出口和排气口，排气口接DN16的截止阀和球阀。

（2）气液分离器高1000mm，通径200mm，壁厚大于4mm，底部用盲板或封头，盲板或封头的中心接出液管，管径 32 mm；在气液分离器底部的喷射器出口处设碗形挡流板，使喷射器导入的气液混合物折流向上，避免其直接经出液管排走。顶部设置法兰环，同喷射器连接。

（3）冷却管道采用 DN20的钢管，制成螺旋管，螺旋直径100mm，螺距50mm，共绕制15圈，螺旋管首圈距底部 100mm。冷却水管可轴向进出，冷却水从底部进，顶部出。

3、安装位置

安装位置尽可能低，以增大中间溶液在吸收器的进口和气液分离器中液面的静压差，从而增大气液分离器中气体压力，减小气体中氨的含量。 2100433B