實(shí)驗(yàn)6 蒸汽壓縮制冷

1、實(shí)驗(yàn)6 蒸汽壓縮制冷（熱泵）裝置性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解蒸汽壓縮制冷（熱泵）裝置。學(xué)習(xí)運(yùn)行操作的基本知識。2. 測定制冷劑的制冷系數(shù)。掌握熱工測量的基本技能。3. 分析制冷劑的能量平衡。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù) 1. 測定水冷式單級蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)。 2. 了解殼管式換熱器的性能，節(jié)流閥的調(diào)節(jié)方法和性能。 3. 了解熱泵循環(huán)系統(tǒng)的流程和制熱系數(shù)的概念。三、實(shí)驗(yàn)原理該系統(tǒng)是由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成，制冷機(jī)的作用是從低溫物體中取出熱量、并將它傳給周圍介質(zhì)。熱力學(xué)第二定律指出：“不可能使熱量由低溫物體傳向高溫物體而不引起其他的變化”。本實(shí)驗(yàn)用制冷裝置，需要消耗機(jī)械功。用工質(zhì)進(jìn)行制冷循

2、環(huán)，從而獲得低溫。蒸汽壓縮制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性可用制冷系數(shù)來評價。鑒于實(shí)際設(shè)備存在的各種實(shí)際損失，故值可分為“理論制冷系數(shù)”和“實(shí)際制冷系數(shù)”。 圖6-1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)1. 理論制冷系數(shù) 圖6-1為蒸汽壓縮制冷循環(huán)的T-S圖。1-2未壓縮過程，2-3-4為制冷劑冷凝過程，4-5為節(jié)流過程，5-1為吸熱蒸發(fā)。理論制冷系數(shù)為理論制冷量q2和理論功w之比： = q2/w = ( h1-h4) / (h2-h1) 2. 實(shí)際制冷系數(shù)實(shí)際制冷系數(shù)是指制冷機(jī)有效制冷能力Q0與實(shí)際消耗的電功率N之比： = Q0/N= 式中為壓縮機(jī)的指示效率，為壓縮機(jī)的機(jī)械效率；為傳動裝置效率；為電機(jī)效率。實(shí)際制冷系數(shù)約為理

3、論制冷系數(shù)的1/22/33.工作原理1）工作過程單級蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，是由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥四個基本部件組成。它們之間用管道依次連接，形成一個密閉的系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化，與外界進(jìn)行熱量交換。制冷系統(tǒng)的基本原理液體制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻的物體熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽、被壓縮機(jī)吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷卻介質(zhì)(水或空氣)放熱，冷凝為高壓液體、經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流為低壓低溫的制冷劑、再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化，達(dá)到循環(huán)制冷的目的。這樣，制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流四個基本過程完成一個制冷循環(huán)。在制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器、冷凝

4、器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥是制冷系統(tǒng)中必不可少的四大件，這當(dāng)中蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備。制冷劑在其中吸收被冷卻物體的熱量實(shí)現(xiàn)制冷。壓縮機(jī)是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設(shè)備，將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)功所轉(zhuǎn)化的熱量一起傳遞給冷卻介質(zhì)帶走。節(jié)流閥對制冷劑起 節(jié)流降壓作用、同時控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的數(shù)量，并將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩大部分。實(shí)際制冷系統(tǒng)中，除上述四大件之外，常常有一些輔助設(shè)備，如電磁閥、分配器、干燥器、集熱器、易熔塞、壓力控制器等部件組成，它們是為了提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，可靠性和安全性而設(shè)置的。制冷系統(tǒng)的組成： 制冷系統(tǒng)的循環(huán)過程： 壓縮過程 冷凝

5、過程 節(jié)流過程 蒸發(fā)過程理論循環(huán)：12：壓縮過程22：冷卻過程23：冷凝過程34：節(jié)流過程41：蒸發(fā)過程1-2質(zhì)量氣體壓縮：2-3氣體拍向儲氣罐3-4參與氣體膨脹4-1氣體吸入氣缸3）排氣壓力對壓氣機(jī)的影響冷系統(tǒng)運(yùn)行時，其排氣壓力與冷凝溫度相對應(yīng)，而冷凝溫度與其冷卻介質(zhì)的流量 和溫度、制冷劑 流入量、冷負(fù)荷量等有關(guān)。在檢查制冷系統(tǒng)時，應(yīng)在排氣管處裝一只排氣壓力表，檢測排氣壓力，作 為分析故障資料。 （1） 排氣壓力高的因素 當(dāng)排氣壓力高于正常值時，一般有冷卻介質(zhì)的流量小或冷卻介質(zhì)溫度高、 制冷劑充注量過多、冷負(fù)荷大及膨脹開啟大等。 以上因素會引起系統(tǒng)的循環(huán)流量增加，冷凝熱負(fù)荷也相應(yīng)增加。由于熱

6、量不能及時全部散出，引起冷 凝溫度上升，而所能檢測到的是排氣（冷凝）壓力上升。在冷卻介質(zhì)流量低或冷卻介質(zhì)溫度高的情況 下，冷凝器的散熱效率降低而使冷凝溫度上升。在冷卻介質(zhì)流量低或冷卻介質(zhì)溫度高的情況下，冷凝 器的散熱效率降低而使冷凝溫度上升。對于制冷劑充注量過多的原因，是多余的制冷劑液占據(jù)了一部 分冷凝管，使冷凝面積減少，引起冷凝溫度上升。 （2） 排氣壓力低的因素 排氣壓力低于正常值，其因素有壓縮機(jī)效率低、制冷劑量不足、冷負(fù)荷小 、膨脹閥開度小，過濾器不暢通，包括膨脹閥過濾網(wǎng)以及冷卻介質(zhì)溫度低等。 以上幾種因素都會引起系統(tǒng)的制冷流量下降、冷凝負(fù)荷小，使冷凝溫度下降。 從上述的吸氣壓力與排氣壓

7、力與排氣壓力變化情況看，兩者有密切的關(guān)系。在一般情況下，吸氣壓力 升高，排氣壓力也相應(yīng)上升；吸入壓力下降，排氣壓力也相應(yīng)下降。也可從吸氣壓力表的變化估計(jì)出 排氣壓力的大致情況。知識點(diǎn)部分要有傳熱及換熱器的內(nèi)容！已改2）換熱器：管殼式換熱器為例管殼式換熱器由一個殼體和包含許多管子的管束所構(gòu)成，冷、熱流體之間通過管壁進(jìn)行換熱的換熱器。管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，管殼式換熱器在化工、煉油、石油化工、動力、核能和其他工業(yè)裝置中得到普遍采用，特別是在高溫高壓和大型換熱器中的應(yīng)用占據(jù)絕對優(yōu)勢。通常管殼式換熱器的工作壓力可達(dá)4兆帕，工作溫度在200以下，在個別情況下還可達(dá)到更高的壓力和溫度。一般

8、殼體直徑在1800毫米以下，管子長度在9米以下,在個別情況下也有更大或更長的。   工作原理和結(jié)構(gòu)  圖1 固定管板式換熱器為固定管板式換熱器的構(gòu)造。A流體從接管1流入殼體內(nèi)，通過管間從接管2流出。B流體從接管3流入,通過管內(nèi)從接管4流出。如果A流體的溫度高于B流體,熱量便通過管壁由A流體傳遞給B流體；反之，則通過管壁由B流體傳遞給A流體。殼體以內(nèi)、管子和管箱以外的區(qū)域稱為殼程，通過殼程的流體稱為殼程流體 (A流體)。管子和管箱以內(nèi)的區(qū)域稱為管程,通過管程的流體稱為管程流體(B流體)。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構(gòu)成。通常殼體為圓筒形;管子為

9、直管或U形管。為提高換熱器的傳熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。管子的布置有等邊三角形、正方形、正方形斜轉(zhuǎn)45°和同心圓形等多種形式，前3 種最為常見。按三角形布置時，在相同直徑的殼體內(nèi)可排列較多的管子，以增加傳熱面積，但管間難以用機(jī)械方法清洗，流體阻力也較大。管板和管子的總體稱為管束。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。在管束中橫向設(shè)置一些折流板，引導(dǎo)殼程流體多次改變流動方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時對管子起支承作用。折流板的形狀有弓形、圓形和矩形等。為減小殼程和管程流體的流通截面、加快流速，以提高傳熱效能，可在管箱和殼體內(nèi)縱向設(shè)置分程隔板，將殼程分為2程和將管程分為

10、2程、4程、6程和8程等。管殼式換熱器的傳熱系數(shù)，在水-水換熱時為14002850瓦每平方米每攝氏度W/(m();用水冷卻氣體時,為10280W/(m()；用水冷凝水蒸汽時,為5704000W/(m()。    管殼式換熱器特點(diǎn) ：管殼式換熱器是換熱器的基本類型之一，19世紀(jì)80年代開始就已應(yīng)用在工業(yè)上。這種換熱器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,處理能力大、選材范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，易于制造,生產(chǎn)成本較低，清洗較方便，在高溫高壓下也能適用。但在傳熱效能、緊湊性和金屬消耗量方面不及板式換熱器、板翅式換熱器和板殼式換熱器等高效能換熱器先進(jìn)。    管殼式

11、換熱器分類：管殼式換熱器按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、型管式換熱器、雙重管式換熱器、填函式換熱器和雙管板換熱器等。前 3種應(yīng)用比較普遍。3）對流換熱熱對流：流體中溫度不通過的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運(yùn)動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。熱對流必然同時伴隨著熱傳導(dǎo)，自然界不存在單一的熱對流。對流換熱：對流換熱是流體通過與其溫度不同的固體壁面時發(fā)生的熱量傳遞過程。對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱，不是基本傳熱方式。對流換熱系數(shù)h不是物性參數(shù)，是受多種因數(shù)影響的復(fù)雜函數(shù)四、試驗(yàn)方法1、實(shí)驗(yàn)前必須預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及壓縮制冷原理的有關(guān)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)時，必須弄清教師對實(shí)驗(yàn)裝置及其

12、儀表使用方法的進(jìn)一步介紹，方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2、實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：1）在工況穩(wěn)定的情況下，開始實(shí)驗(yàn)測試，測定改工況下的吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、排氣溫度、過冷溫度、蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)水出水溫度以及它們的流量、壓縮機(jī)的輸入電功率等參數(shù)。2）為提高測量的準(zhǔn)確性，每隔3分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，取三次數(shù)據(jù)的平均值作為測試結(jié)果（三次記錄數(shù)據(jù)均在穩(wěn)定工況下測試）。3）調(diào)節(jié)截流裝置的開度，重復(fù)上述操作過程，測得一組新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4）數(shù)據(jù)記錄完畢后，慢慢減小各種調(diào)節(jié)裝置的開度。5）關(guān)閉壓縮機(jī)開關(guān)，然后關(guān)閉水泵電源開關(guān)。切斷總電源，清洗水箱，排掉水箱中的水。規(guī)定工況：吸=0.15MPa，排=0.88MPa 吸=18.

13、1，排=74.1，過冷=34.7未經(jīng)現(xiàn)場指導(dǎo)教師同意，除上述所需開關(guān)旋鈕，閥門允許操作外，實(shí)驗(yàn)儀上其余裝置及開關(guān)均不得擅自亂動，否則后果自負(fù)。為測定理論制冷系數(shù)和實(shí)際制冷系數(shù)，應(yīng)在試驗(yàn)中進(jìn)行一下各項(xiàng)的測量。1. 測定各狀態(tài)的焓h1、h2 和h4，為此，需測量1,2,4點(diǎn)的壓力和溫度，然后在工質(zhì) 的LgP-h圖上查得h1、h2 和h4數(shù)值。壓力值用壓力表測量，各點(diǎn)溫度用水銀溫度計(jì)測量。2. 制冷機(jī)實(shí)際消耗的功率用功率表測出電機(jī)消耗的電功率N(KW)即可。3. 有效制冷能力Q0的測定：本實(shí)驗(yàn)用水在蒸發(fā)器中交換的熱量來確定。 Q0 = mz C (tZ1-tZ2) (6-3) 式中：m為流過蒸發(fā)器的

14、水流量（/s）， 為水的比熱（），tZ1和tZ2為水流進(jìn)、出口的溫度。用類似的昂發(fā)，亦可確定冷凝器中水流交換的熱量： mi C (t1-t2) (6-4) m = m / /s (6-5)式中：為測量時間（sec）；m為水流累計(jì)量 （）。電機(jī)效率可用電極效率曲線查得。 五、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀表 1. 水冷式氟利昂制冷裝置，功率表，電壓表，溫度計(jì)，壓力表，流量計(jì)，轉(zhuǎn)速表等。 2. 兩缸立式氟利昂制冷機(jī)、殼管式冷凝器、殼管式蒸發(fā)器、熱力膨脹閥（節(jié)流閥）。 3. 圖6-2為實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖。 圖6-2 蒸汽壓縮制冷實(shí)驗(yàn)裝置示意圖六、數(shù)據(jù)整理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告2. 實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)整理在參考表6-1中

15、。3. 全班各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯集后，畫出-to曲線。4. 結(jié)合課堂講授的理論及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生要提供自編的實(shí)驗(yàn)報(bào)告書。 5. 學(xué)生要根據(jù)自己所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)獨(dú)立認(rèn)真地撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。要求字跡工整、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、觀察現(xiàn)象的文字描述層次清晰并應(yīng)結(jié)合理論教學(xué)中的知識對實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出分析價。七、思考題1. 制冷系數(shù)與蒸發(fā)溫度to（冷凝溫度tk）的關(guān)系？2. 實(shí)際制冷系數(shù)與理論制冷系數(shù)的比較？3. 如果利用冷凝器的放熱量Qk，該制冷裝置將成為熱泵系統(tǒng)?？砂聪率接?jì)算熱泵的制熱系數(shù): = Qk/N 按上式計(jì)算一組工況下的制熱系數(shù)，如果用電加熱提供熱量，消耗的功率是多少？試分析熱泵的節(jié)能原理。4.根據(jù)制冷原理請修改參考表6-1。 表6-1制