单级氨吸收式制冷机组热力计算优化

单级氨吸收式制冷机组的循环流程及各状态点的位置，可参见14章的图14-2，其制冷循环在h-ξ图上的表示可见14章的图14-3。

1.循环流程各状态点参数的确定

在已知热源温度t_h，冷却水进水温度t_cw1，以及用户所需的载冷剂温度t_b的条件下，可用氨水溶液的h-ξ图，来确定单级氨吸收式制冷机组循环流程上各状态点的参数：压力p、温度t、质量分数ξ以及比焓值h（见14章的图14-2及图14-3）。已知任两项参数，便可查h-ξ图，得到另两项参数值。对于纯氨，也可查纯氨（R717）的热力性质表，得到有关压力、温度和比焓的数值。但必须注意：纯氨热力性质表中的比焓值基准（温度t=0℃时，溶液的比焓值为基准值），应和h-ξ图的比焓值的基准一致。另外，应合理选取各个设备的传热温差，才能确定实际循环状态。

传热温差的选择是否合理，会影响整个机组的经济性。如果增大温差，设备换热面积减小，可减小设备投资，但会使机组的放气范围缩小，导致热量和冷却水消耗的增加，运行费用增大。可见，每台设备都有一个最经济的传热温差存在，从而使设备的投资和运行费用最小。下面推荐的一些计算温差，只是一般情况下常采用的数据，不能说都是最佳值。实际计算过程中，可以进行调整，以寻求最佳效果。

（1）冷凝状态（点6）

1）冷凝温度

t_c=t₆=t_cw1+Δt_cw+Δt₆ （15-51）

式中 t_cw1——冷却水进水温度（℃）；

Δt_cw——冷凝器中冷却水温升（℃），一般4～6℃。

Δt₆——冷凝器的热端温差（℃），一般5～7℃。

2）冷凝压力

p_c=p₆

根据t₆，查纯氨的热力性质图表，得到该温度下的饱和蒸气压力p₆。

3）进入冷凝器的氨气质量分数

实际计算中，可按ξ′₆=1考虑。由ξ″₆、t₆从h-ξ图上确定h₆，也可以用R717的热力性质表确定h₆（注意比焓值基准应与h-ξ图中统一）。

（2）发生终了状态（点2）

1）发生压力

p_d=p_c+Δp_d=p₂ （15-52）

式中 Δp_d——精馏塔至冷凝器的压降（MPa），一般为0.005～0.01MPa。

2）发生终了温度

t₂=t_h-Δt₂ （15-53）

式中 Δt₂——发生器热端温差（℃），一般为5～15℃；

t_h——热源（例如蒸汽）温度（℃）。

根据p₂=p_d、t₂值，可在h-ξ图查得发生终了稀溶液质量分数ξ′_a=ξ′₂和比焓h′₂。

（3）蒸发终了状态（点8）

1）蒸发温度

t₈=t_e=t_b-Δt₈ （15-54）

式中 t_b——载冷剂出蒸发器的温度（℃）；

Δt₈——蒸发器的冷端温差（℃），一般为5～7℃。

如用户直接用液氨节流蒸发制冷时，用户提出的制冷温度即为t_e（t₈=t_e）。

2）蒸发压力p₈。对于纯氨蒸发，即ξ′₈=1，则根据t₈=t_e，查纯氨的热力性质图表，得到该温度下的饱和蒸汽压力，即p₈=p_e。对于含水液氨的蒸发，其蒸发过程中，蒸发温度会有所上升。认定t₈为蒸发终了温度，则t₈用（t_b-Δt₈）求得，再按下式求得蒸发初始温度：

t₈₀=t₈-Δt₈₀ （15-55）

式中 t₈₀——蒸发初始温度（℃）；

t₈——蒸发终了温度（℃）；

Δt₈₀——实际蒸发过程温升（℃），是由于蒸发器中，随着不断蒸发出氨气，留在其中的液氨含水量增大所造成，一般计算中取2～3℃。

这时蒸发压力应按t₈₀，查氨的热力性质图表得到，即p₈₀=p_e。某种意义上，t₈₀即为机组的蒸发温度。

3）蒸发终态比焓

式中 h′₈——蒸发终了液相比焓（kJ/kg）；

h″₈——蒸发终了气相比焓（kJ/kg）；

ξ′₈——蒸发终了液相质量分数（kg/kg）。

（4）吸收终了状态（点4）

1）吸收终了浓氨水溶液的温度

t₄=t_cw+Δt₄ （15-57）

式中 t_cw——吸收器冷却水温（℃），当冷却水逆流时，取进口温度，顺流时，取出口温度；

Δt₄——吸收器冷端温差（℃），一般为4～8℃。

2）吸收压力

p_a=p₄=p_e-Δp₄ （15-58）

式中 Δp₄——吸收压差，包括蒸发器至吸收器的氨气管路压降，一般为0.02～0.04MPa。

由t₄、p₄可在h-ξ图上确定h′₄及ξ′₄，ξ′₄即为ξ′_r。至此，由点2和点4得到Δξ=ξ′₄-ξ′₂=ξ′_r-ξ′_a。对于单级氨吸收制冷，从经济性出发，应使Δξ≥0.06。若Δξ＜0.06，则应采用二级或其他型式的氨吸收制冷流程。

（5）吸收前稀溶液状态（点3）

1）稀溶液出溶液换热器温度

t_2a=t₃=t₄+Δt₃ （15-59）

式中 Δt₃——溶液换热器冷端温差，一般按5～15°C选取。

2）由t₃、ξ′_a（=ξ′₃）确定点3状态其他参数p₃、h₃。点2a（点3）在h-ξ图上的位置，应是处于吸收压力p_a下的过冷状态，以防止压力由p₂（=p_d）节流至p₄（=p_a）时（状态点由2a至3），稀溶液闪蒸氨气。h-ξ图中t_2a=t₃，但点2a是对应p_d压力下的过冷状态。点3是对应p_a压力下的过冷状态。

（6）发生开始状态（点1）

1）由p₂（=p_d）、ξ₄（=ξ′_r），在h-ξ图上求得开始沸腾状态点1的液相平衡参数h′₁及t₁。

2）在h-ξ图上，利用上部辅助线求得与点1平衡的气相状态参数ξ″₁、h″₁。

（7）精馏塔顶状态（点5）

精馏塔顶的氨气质量分数ξ″₅=0.998，由p₂、ξ″₅值，可在h-ξ图上查得塔顶氨气温度t₅和比焓h″₅。为方便计算，可查图15-7。

图15-7 精馏塔顶氨气状态计算图

（8）浓溶液出溶液换热器状态（点1a）由式（14-4）

求得循环倍率a值。

浓溶液出溶液换热器的比焓为

由ξ_1a=ξ′₄及h_1a，可在h-ξ图上查得t_1a；也可以近似用下式求得：

（9）过冷器出口氨气状态（点8a）

1）氨气比焓

h_8a=ν（h₈-h₆）+h₈ （15-62）

式中 ν——过冷器负荷系数。

适当的过冷，可使1kg液氨的制冷量加大，从而提高机组的热力系数。但由于进入吸收器的氨气比焓加大，也会使吸收热q_a增大，过冷量占整个制冷量的百分比ν视不同蒸发温度t_e和冷凝温度t_c而异，可查图15-8得到。(www.xing528.com)

图15-8 过冷器负荷系数

2）出过冷器的氨气温度

式中 c″——氨气在温度t₈～t_8a之间的平均比热容[kJ/（kg·K）]。

（10）过冷器出口液氨状态（点6a）

1）比焓

h_6a=h₆-（h_8a-h₈） （15-64）

或 h_6a=h₆-ν（h₈-h₆） （15-65）

2）温度

式中 c′——氨液在温度t₆～t_6a之间的平均比热容[kJ/（kg·K）]。

出过冷器的氨气和液氨温度，也可以根据h_8a、h_6a及p₀，查纯氨的p-h图求得。

至此，已将14章的图14-2所示的1、2、2a、3、4、1a、5、6、6a、8、8a等状态点的p、t、ξ、h值求得。

下面的计算是为设备设计及机组的水、电、蒸汽（热）的消耗提供设计数据和相关专业的设计条件。

2.单级氨吸收式制冷机组的热平衡计算

（1）回流冷凝器单位热负荷（精馏热）

式中 R——实际回流比，按14章的式（14-13）计算。

（2）发生器单位热负荷（发生热）

或

（3）吸收器单位热负荷（吸收热）

（4）冷凝器单位热负荷（冷凝热）

（5）溶液换热器单位热负荷

热损失为

（6）过冷器单位热负荷

（7）蒸发器单位热负荷（单位制冷量）

（8）热平衡

按式（14-2）计算，应使机组的吸热量总和，等于放热量的总和，其热平衡的误差应控制在1%之内。

（9）热力系数 按式（14-6）计算，。

3.单级氨吸收式制冷机组的质量平衡计算

（1）氨循环量

q_m=Q_e/q_e （15-76）

式中 Q_e——机组的设计制冷量（kW），应考虑冷损失及附加系数在内。

（2）浓氨水循环量

1）质量流量q_m，r=aq_m （15-77）

2）体积流量q_V，r=q_m，r/ρ_r （15-78）

式中 ρ_r——浓氨水的密度（kg/m³）。

（3）稀氨水循环量

1）质量流量q_m，a=（a-1）q_m （15-79）

2）体积流量q_V，a=q_m，a/ρ_a （15-80）

式中 ρ_a——稀氨水的密度（kg/m³）。

（4）回流量

q_m，R=Rq_m （15-81）

4.单级氨吸收式制冷机组的设备热负荷计算

在q_d、q_c、q_a、q_R、q_T、q_c、q_e值上，乘以氨循环量q_m值后，可分别得到发生器、冷凝器、吸收器、回流冷凝器、溶液换热器、过冷器、蒸发器的设计热负荷Q_d、Q_c、Q_a、Q_R、Q_T、Q_c及Q_e；此外，再提供进、出这些设备的介质的流量、工作温度、工作压力，气、液相状态、质量分数及相应的物理化学性质，则可以进行设备的传热、传质的计算和结构的设计。

5.单级氨吸收式制冷机组主要消耗指标

（1）循环冷却水量

式中 Q——被冷却设备的热负荷（kW）；

Δt_cw——冷却水在设备中的温升（℃）。

计算中应注意：

1）如冷却水并联供应，应从被冷却设备，包括冷凝器、吸收器、回流冷凝器的热负荷及水温升，分别计算出冷却水量，并相加。

2）当冷却水温比较低，可采用串联方式供水时，应注意进、出设备不同的水温差的匹配，其冷却水总量不再是相加的关系。

3）除采用常用的循环冷却水外，也可采用天然冷却介质（江、河、湖水或直接用风冷），或利用低温的工业物料作冷却介质。如有的氨吸收制冷机组中，用低温的液氨回流或用低温的氨水溶液作塔顶回流冷凝器的冷却液，来带走精馏热。

（2）蒸汽消耗量、燃料消耗量或热物流量

式中 Q_d——发生器的热负荷（kW/h）；

r——对于用蒸汽为热源时，r即是蒸汽的汽化潜热（kJ/kg）；对于直燃型机组，则为燃料的低位发热量（kJ/kg）；对于利用余热的机组，则为热物流（例如热水）在某一温降下的单位质量流量放热量（kJ/kg）。

（3）电耗量 单级氨吸收式制冷机组主要用电设备是氨水泵。氨水泵的轴功率为

式中 q_V——氨水泵的体积流量（m³/h）；

p_d——发生压力（MPa）；

p_a——吸收压力（MPa）；

Δp——由吸收器至发生器之间浓溶液管道、设备压力降的总和（MPa）；

η_p——氨水泵的效率。

如采用液氨回流或溶液回流冷却的流程，则要计算氨泵、辅助氨水泵的轴功率。