蒸汽壓縮制冷

1、蒸汽壓縮制冷（熱泵）裝置性能實驗一、實驗?zāi)康?. 了解蒸汽壓縮制冷（熱泵）裝置。學(xué)習(xí)運行操作的基本知識。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、實驗原理 該系統(tǒng)是由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成，制冷機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”。本實驗用制冷裝置，需要消耗機械功。用工質(zhì)進行制冷循環(huán)，從而獲得低溫。蒸汽壓縮制冷循環(huán)的經(jīng)濟性可用制冷系數(shù)來評價。鑒于實際設(shè)備存在的各種實際損失，故值可分為“理論制冷系數(shù)”和“實際制冷系數(shù)”。 圖6-1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)1.

2、 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（2-3）為制冷劑冷凝過程，4-5（3-4）為節(jié)流過程，5-1（4-1）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) （6-1） 2. 實際制冷系數(shù)實際制冷系數(shù)是指制冷機有效制冷能力Q0與實際消耗的電功率N之比： = Q0/N= (6-2)式中為壓縮機的指示效率，為壓縮機的機械效率；為傳動裝置效率；為電機效率。實際制冷系數(shù)約為理論制冷系數(shù)的1/22/3。三、試驗方法 由式 和式可知為測定理論制冷系數(shù)和實際制冷系數(shù)，應(yīng)在試驗中進行一下各項的測量。1

3、. 測定各狀態(tài)的焓h1、h2 和h4，為此，需測量1,2,4點的壓力和溫度，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，各點溫度用水銀溫度計測量。2. 制冷機實際消耗的功率用功率表測出電機消耗的電功率N(KW)即可。3. 有效制冷能力Q0的測定：本實驗用水在蒸發(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)器的水流量（/s）， 為水的比熱（），tZ1和tZ2為水流進、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（s

4、ec）；m為水流累計量 （）。電機效率可用電極效率曲線查得。四、實驗設(shè)備實驗所用設(shè)備及儀器儀表有：供水系統(tǒng)，氟利昂制冷裝置，功率表，電壓表，溫度計，壓力表，流量計，轉(zhuǎn)速表等。圖6-2為實驗裝置系統(tǒng)示意圖，采用兩缸立式氟利昂單級制冷壓縮機由電動機拖動，采用氟利昂R404工質(zhì)，壓縮機進出口處安裝壓力表。為模擬夏季制冷工況，所用水溫控制在20左右 圖6-2 蒸汽壓縮制冷實驗裝置示意圖五、運行操作與實驗步驟學(xué)生在實驗前應(yīng)詳細了解實驗裝置系統(tǒng)，各部分的作用，各儀器儀表的功能與讀數(shù)方法，工質(zhì)的流動方向和循環(huán)水的流向。嚴格按照規(guī)程啟動和停車。1. 循環(huán)水的加熱與恒溫閉合加熱器電路，啟動循環(huán)水泵，使水恒定在預(yù)

5、定溫度。（由實驗人員完成）2. 節(jié)流閥在開度較小的位置上啟動制冷機。3. 正常操作：根據(jù)指導(dǎo)教師的安排，每組測量兩組工況（以蒸發(fā)溫度to和冷凝溫度tk確定工況）的數(shù)據(jù)。在測量時，首先調(diào)節(jié)節(jié)流閥（即為圖6-2中的熱力膨脹閥）的開度，并通過閥門改變mz來調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度（根據(jù)R404的飽和壓力與溫度的對應(yīng)關(guān)系，可用壓力表監(jiān)測）。再通過調(diào)節(jié)冷凝器水進口的閥門改變mi，調(diào)節(jié)冷凝溫度，在調(diào)節(jié)中要反復(fù)調(diào)節(jié)幾次，使系統(tǒng)各處溫度壓力都趨于穩(wěn)定。然后，在組長的指揮下，同時記錄各組數(shù)據(jù)。隔5分鐘后，再測一次，共測三次，然后調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度、冷凝器的水閥重復(fù)上述過程，測量另一組數(shù)據(jù)。 在試驗時負責調(diào)節(jié)節(jié)流閥的人員要細心

6、緩慢調(diào)節(jié)，注意蒸發(fā)器出口水溫不低于5。4. 試驗結(jié)束工作將試驗數(shù)據(jù)較指導(dǎo)教師檢查后，依次關(guān)閉節(jié)流閥、電動機，幾分鐘后關(guān)閉循環(huán)水，整理儀表、設(shè)備和現(xiàn)場。六、數(shù)據(jù)整理和實驗報告1. 實驗報告2. 實驗記錄及數(shù)據(jù)整理參見表6-1。3. 全班各組數(shù)據(jù)匯集后，畫出-to曲線。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)?？砂聪率接嬎銦岜玫闹茻嵯禂?shù) = Qk/N (6-6) 按(6-6)式計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。附：兩缸立式氟利

7、昂制冷機結(jié)構(gòu)圖 圖6-3 兩缸立式氟利昂制冷機結(jié)構(gòu)圖 表6-1制冷裝置性能試驗記錄(夏季工況）大氣壓力 室溫項目工質(zhì)溫度工質(zhì)壓力循環(huán)水溫度循環(huán)水流量電機功率電機效率壓縮機轉(zhuǎn)速符號t1，t2p1 p2 p3tz1，tz2，t1t2mz，mi，mz，iNn單位第一工況123平均值第二工況123平均值二氧化碳氣體P-V-T關(guān)系的測定一、實驗?zāi)康?. 了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增強對臨界狀態(tài)概念的感性認識。2. 鞏固課堂講授的實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的理論知識，加深對飽和狀態(tài)、臨界狀態(tài)等基本概念的理解。3. 掌握CO2的P-V-T間關(guān)系測定方法。觀察二氧化碳氣體的液化過程的狀態(tài)變化，及經(jīng)過臨界狀態(tài)時的

8、氣液突變現(xiàn)象，測定等溫線和臨界狀態(tài)的參數(shù)。二、實驗任務(wù)1測定CO2氣體基本狀態(tài)參數(shù)P-V-T之間的關(guān)系，在PV圖上繪制出t為20、31.1、40三條等溫曲線。2觀察飽和狀態(tài)，找出t為20時，飽和液體的比容與飽和壓力的對應(yīng)關(guān)系。3觀察臨界狀態(tài)，在臨界點附近出現(xiàn)氣液分界模糊的現(xiàn)象，測定臨界狀態(tài)參數(shù)。4根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，畫出實際氣體P-V-t的關(guān)系圖。三、實驗原理1、對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)P、T之間有：F（p、t）=0 或 t=f(p、) (1)本試驗采用定溫方法來測定CO2 P-之間的關(guān)系，從而找出CO2的P-t的關(guān)系。2、測定CO2的P-t關(guān)系。在P-坐標圖中繪出

9、低于臨界溫度（t=20）、臨界溫度（t=31.1）和高于臨界溫度(t=50)的三條等溫曲線,與標準實驗曲線及理論計算值相比較,并分析差異原因。3、觀測臨界狀態(tài)附近汽液兩相模糊的現(xiàn)象、汽液整體相變現(xiàn)象。4、測定CO2的te、pe、e等臨界參數(shù)并將實驗所得值與理想氣體狀態(tài)方程和范德瓦爾方程的理論值相比較。四、實驗設(shè)備1、整個實驗裝置由壓力臺、恒溫器和實驗本體及其防罩三大部分組成，如圖2所示。圖2 CO2實驗臺系統(tǒng)示意圖恒溫器 試驗臺本體 壓力臺2、試驗臺本體如圖三所示，其中1）、高壓容器； 2）、玻璃杯；3）、壓力油； 4）、水銀；5）、密封填料； 6）、填料壓蓋；7）、恒溫水套； 8）、承壓玻璃

10、管；9）、CO2空間； 10）、溫度計。3、實驗中由壓力臺送來的壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進入預(yù)先裝了CO2氣體的承壓玻璃管。CO2被壓縮，其壓力和容積通過壓力臺上的活塞的進、退來調(diào)節(jié)，溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來調(diào)節(jié)。4、實驗工質(zhì)二氧化碳的壓力由裝在壓力臺上的壓力表讀出，溫度由插在恒溫水套中的溫度計讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來度量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面積不變等條件換算得出。五、實驗步驟1、實驗過程的注意事項：（1）做各條定溫時，實驗壓力P10MPa，實驗溫度t50；（2）實驗中取h時，應(yīng)使視線與水銀柱凸面一齊；（3）實驗中加壓及減壓過程一定

11、要緩慢均勻。2、測定低于臨界溫度t=20的等溫線（1）使用電節(jié)點溫度計調(diào)節(jié)恒溫水浴溫度t=20要保持恒溫；（2）壓力記錄從4MPa開始，當玻璃管內(nèi)水銀柱水銀升起來后，應(yīng)足夠緩慢地搖進活塞螺桿，以保證定溫條件，否則來不及平衡，讀數(shù)不準； （3）兩相區(qū)內(nèi)三毫米高度變化記錄一次壓力值，兩相區(qū)外，三個壓力變化記錄一次高度值；（4）注意加壓后CO2的變化，特別是注意飽和壓力與飽和溫度的對應(yīng)關(guān)系，液化、汽化等現(xiàn)象，要將測得的實驗數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表中。3、測定31.1臨界等溫線，觀察監(jiān)界現(xiàn)象重復(fù)2的步驟測出臨界等溫線，并在該曲線的拐點處找出臨界壓力pe和臨界比容e，并將數(shù)據(jù)填入表中。（1)整體相變

12、現(xiàn)象由于臨界點時，汽化潛熱等于零，飽和液線合于一點，所以這是汽液的相互轉(zhuǎn)變不像臨界溫度以下時逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為一個漸變的過程，而是當壓力稍有變化時，汽、液以突變的形式相互轉(zhuǎn)化；（2)汽、液兩相模糊不清現(xiàn)象處于臨界點的CO2，氣、液具有共同參數(shù)（P、T）因而不能區(qū)別此時CO2是氣態(tài)還是液態(tài)的。如果說它是氣體，那么這個氣體是接近了液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么這個液體又是接近氣態(tài)的液體。下面就來用實驗證明這個結(jié)論。因為這時是處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進行來使CO2壓縮或膨脹，那么管內(nèi)是什么也看不到的?，F(xiàn)在我們按絕熱過程來進行，首先在壓力等于7.8MPa附近突然降壓，CO2狀態(tài)

13、點由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi)CO2出現(xiàn)了明顯的液面，這就說明，如果這時管內(nèi)的CO2是氣體的話，那么這種氣體離液區(qū)很近可以說是接近液態(tài)的氣體；當我們在膨脹之后，突后壓縮CO2時，這個液面又立即消失了，這就告訴我們這時CO2液體離氣區(qū)也是非常近的，可以說是接近氣態(tài)的液體，既然此時的CO2既接近氣態(tài)又接近液態(tài)，所以只能處于臨界點附近?？梢赃@樣說，臨界狀態(tài)飽和汽、液分不清。這就是臨界點附近汽液模糊不清的現(xiàn)象。4、重復(fù)2測定高于臨界溫度t=50時的等溫線，將數(shù)據(jù)填入表中。 六、實驗數(shù)據(jù)整理 1CO2比容的確定實驗中由于CO2的質(zhì)量m不便測定，承受玻璃的內(nèi)徑d也不易測準，因而只能用間接方法確定V值：因

14、為二氧化碳在20，100ata（102bar）時，比容即：Vco2(20，100ata)= 因為 (常數(shù))則任意情況下二氧化碳的比容： 所以，只要在實驗中測得t=20, p=100ata時的h0值，計算出k值后，其它任意狀態(tài)下的比容V值均可求得。2列數(shù)據(jù)表及繪制P-V圖。 實驗數(shù)據(jù)計算整理后，繪制出實際CO2氣體P-V的關(guān)系圖。 七、實驗報告的要求1 簡述實驗?zāi)康摹⑷蝿?wù)及實驗原理。2 記錄實驗過程的原始數(shù)據(jù)（實驗數(shù)據(jù)記錄表）。3 根據(jù)實驗得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，計算整理并畫出二氧化碳P-V-t的關(guān)系圖。八、思考題：1 為什么加壓時，要足夠緩慢地搖動活塞桿而使加壓足夠緩慢進行？若不緩慢加壓，會出現(xiàn)什么問

15、題？2 卸壓時為什么不能直接開啟油杯閥門。表3-1實驗數(shù)據(jù)記錄表 t=20t=31.1 t=40表壓 p高度 h觀察現(xiàn)象表壓 p高度 h觀察現(xiàn)象表壓 p高度 h觀觀察現(xiàn)象 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 99 壓氣機性能實驗 活塞式壓氣機是通用的機械設(shè)備之一，其工作原理是消耗機械能（或電能）而獲得壓縮氣體。壓氣機的壓縮指數(shù)和容積效率等都是衡量其性能先進與否的重要參數(shù)。本實驗是利用微機對壓氣機的有關(guān)性能參數(shù)進行實時動態(tài)采集，經(jīng)計算處理、得到展開的和封閉的示功圖。從而獲得壓氣機的平均壓縮指數(shù)、容積效率、指示功、指示功率等性能參數(shù)。一、實驗?zāi)康?掌握指示

16、功、壓縮指數(shù)和容積效率的基本測試方法；2對使用微機采集、處理數(shù)據(jù)的全過程和方法有所了解。二、實驗裝置及測量系統(tǒng) 本實驗儀器裝置主要由：壓氣機、電動機及測試系統(tǒng)所組成。測試系統(tǒng)包括：壓力傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、放大器、計算機及打印機，見圖51。壓氣機型號：Z0.03/7汽缸直徑：D=50mm 活塞行程: L=20mm連桿長度：H=70mm， 轉(zhuǎn)速：n=1400轉(zhuǎn)/分 圖51 壓氣機實驗裝置及測試系統(tǒng)為了獲得反映壓氣機性能的示功圖，在壓氣機的汽缸頭上安裝了一個應(yīng)變式壓力傳感器，供實驗時汽缸內(nèi)輸出的瞬態(tài)壓力信號。該信號經(jīng)橋式整流后，送至動態(tài)應(yīng)變儀放大。對應(yīng)著活塞上止點的位置，在飛輪外側(cè)粘貼著一塊磁條，從

17、電磁傳感器上取得活塞上止點的脈沖信號，作為控制采集壓力的起止信號，以達到壓力和曲柄傳角信號的同步。這二路信號經(jīng)放大器分別放大后，送入A/D板轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，然后送至計算機，經(jīng)計算處理便得到了壓氣機工作過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)及展開的示功圖和封閉的示功圖。見圖52及圖53。 圖 52 封閉的示功圖 圖 53 展開的示功圖根據(jù)動力學(xué)公式，活塞位移量x與曲柄轉(zhuǎn)角a有如下關(guān)系： （5-1）式中：=R/LR曲柄半徑；H連桿長度；a曲柄轉(zhuǎn)角。三、實驗原理1指示功和指示功率指示功：活塞壓氣機進行一個工作過程，活塞對氣體所作的功，記為Li。顯然功量就是PV圖上工作過程線所包圍的面積。其縱坐標是以線段長度表示的壓力值，而

18、橫坐標則表示活塞的位移量，經(jīng)測面儀測量和計算才能得到功的數(shù)值，即： Li=S×K1×K2×10-5 (kgf-m) （5-2）式中：S 由測面儀測定的面積值 （mm2）;K1單位長度代表的容積 (mm3/mm) ； 式中： L活塞行程（mm）；活塞行程的線段長度（mm）；K2單位長度代表的壓力 (at/mm); 式中： p 工作時的表壓力(at);表壓力在縱坐標圖上對應(yīng)的高度(mm);指示功率：單位時間內(nèi)活塞對氣體所作的功，記為Ni。用下式表示：Ni=Li×n/102×60 (KW) （5-3）式中：n 轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)2.平均多變壓縮指數(shù)壓氣機的實際壓縮過程介于定溫壓縮與定熵壓縮之間，過程指數(shù)在壓縮過程中不斷變化，根據(jù)壓氣機的理論軸功和氣體壓縮功的關(guān)系，可以求得平均的多變指數(shù)，記為n0。 （5-4）在示功圖上：即為壓縮過程線與縱坐標圍成的面積同壓縮過程線與橫坐標圍成的面積之比。即： （5-5）3. 容積效率（）根據(jù)熱力學(xué)定義： （5-6）在示功圖上：即為有效