實(shí)驗(yàn)6 蒸汽壓縮制冷

./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(shí)。2.測(cè)定制冷劑的制冷系數(shù)。掌握熱工測(cè)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(cè)定水冷式單級(jí)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?chē)橘|(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)ε來(lái)評(píng)價(jià)。鑒于實(shí)際設(shè)備存在的各種實(shí)際損失,故ε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(guò)程,2-3-4為制冷劑冷凝過(guò)程,4-5為節(jié)流過(guò)程,5-1為吸熱蒸發(fā)。理論制冷系數(shù)ε為理論制冷量q2和理論功w之比：ε=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：εγ=Q0/N=εηｉηｍηｄηｍ０式中ηｉ為壓縮機(jī)的指示效率,ηｍ為壓縮機(jī)的機(jī)械效率；ηｄ為傳動(dòng)裝置效率；ηｍ０為電機(jī)效率。實(shí)際制冷系數(shù)約為理論制冷系數(shù)的1/2～2/33.工作原理1工作過(guò)程單級(jí)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(gè)基本部件組成。它們之間用管道依次連接,形成一個(gè)密閉的系統(tǒng),制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動(dòng),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(guò)蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流四個(gè)基本過(guò)程完成一個(gè)制冷循環(huán)。在制冷系統(tǒng)中,蒸發(fā)器、冷凝器、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(duì)制冷劑起節(jié)流降壓作用、同時(shí)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(guò)程：

壓縮過(guò)程

冷凝過(guò)程

節(jié)流過(guò)程

蒸發(fā)過(guò)程理論循環(huán)：1－2：壓縮過(guò)程

2－2’：冷卻過(guò)程

21-2質(zhì)量氣體壓縮：2-3氣體拍向儲(chǔ)氣罐3-4參與氣體膨脹4-1氣體吸入氣缸3排氣壓力對(duì)壓氣機(jī)的影響冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),其排氣壓力與冷凝溫度相對(duì)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(shí),應(yīng)在排氣管處裝一只排氣壓力表,檢測(cè)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(shí),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(guò)多、冷負(fù)荷大及膨脹開(kāi)啟大等。

以上因素會(huì)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。由于熱量不能及時(shí)全部散出,引起冷

凝溫度上升,而所能檢測(cè)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(duì)于制冷劑充注量過(guò)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(kāi)度小,過(guò)濾器不暢通,包括膨脹閥過(guò)濾網(wǎng)以及冷卻介質(zhì)溫度低等。

以上幾種因素都會(huì)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(shí)點(diǎn)部分要有傳熱及換熱器的容！已改2換熱器：管殼式換熱器為例管殼式換熱器由一個(gè)殼體和包含許多管子的管束所構(gòu)成,冷、熱流體之間通過(guò)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(dòng)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(duì)優(yōu)勢(shì)。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(gè)別情況下還可達(dá)到更高的壓力和溫度。一般殼體直徑在1800毫米以下,管子長(zhǎng)度在9米以下,在個(gè)別情況下也有更大或更長(zhǎng)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,通過(guò)管間從接管2流出。B流體從接管3流入,通過(guò)管從接管4流出。如果A流體的溫度高于B流體,熱量便通過(guò)管壁由A流體傳遞給B流體；反之,則通過(guò)管壁由B流體傳遞給A流體。殼體以、管子和管箱以外的區(qū)域稱為殼程,通過(guò)殼程的流體稱為殼程流體<A流體>。管子和管箱以的區(qū)域稱為管程,通過(guò)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(jiàn)。按三角形布置時(shí),在相同直徑的殼體可排列較多的管子,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(dòng)方向,有效地沖刷管子,以提高傳熱效能,同時(shí)對(duì)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,可在管箱和殼體縱向設(shè)置分程隔板,將殼程分為2程和將管程分為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(shí)為1400～2850瓦每平方米每攝氏度〔W/<m<℃>〕;用水冷卻氣體時(shí),為10～280W/<m<℃>；用水冷凝水蒸汽時(shí),為570～4000W/<m<℃>。

管殼式換熱器特點(diǎn)

：管殼式換熱器是換熱器的基本類(lèi)型之一,19世紀(jì)80年代開(kāi)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)。

管殼式換熱器分類(lèi)：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、Ｕ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(duì)流換熱熱對(duì)流：流體中溫度不通過(guò)的各部分之間,由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo),自然界不存在單一的熱對(duì)流。對(duì)流換熱：對(duì)流換熱是流體通過(guò)與其溫度不同的固體壁面時(shí)發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同,既有熱對(duì)流,也有導(dǎo)熱,不是基本傳熱方式。對(duì)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(shū)及壓縮制冷原理的有關(guān)容。實(shí)驗(yàn)時(shí),必須弄清教師對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置及其儀表使用方法的進(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(kāi)始實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)定改工況下的吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、排氣溫度、過(guò)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(cè)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(cè)試結(jié)果〔三次記錄數(shù)據(jù)均在穩(wěn)定工況下測(cè)試。3調(diào)節(jié)截流裝置的開(kāi)度,重復(fù)上述操作過(guò)程,測(cè)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(kāi)度。5關(guān)閉壓縮機(jī)開(kāi)關(guān),然后關(guān)閉水泵電源開(kāi)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=18.1℃,排=74.1℃,過(guò)冷=34.7℃未經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)教師同意,除上述所需開(kāi)關(guān)旋鈕,閥門(mén)允許操作外,實(shí)驗(yàn)儀上其余裝置及開(kāi)關(guān)均不得擅自亂動(dòng),否則后果自負(fù)。為測(cè)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(cè)量。測(cè)定各狀態(tài)的焓h1、h2和h4,為此,需測(cè)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(cè)量,各點(diǎn)溫度用水銀溫度計(jì)測(cè)量。制冷機(jī)實(shí)際消耗的功率用功率表測(cè)出電機(jī)消耗的電功率N<KW>即可。有效制冷能力Q0的測(cè)定：本實(shí)驗(yàn)用水在蒸發(fā)器換的熱量來(lái)確定。Q0=mzC<tZ1-tZ2><6-3>式中：m為流過(guò)蒸發(fā)器的水流量〔㎏/s,Ｃ為水的比熱〔ＫＪ／㎏℃,tZ1和tZ2為水流進(jìn)、出口的溫度℃。用類(lèi)似的昂發(fā),亦可確定冷凝器中水流交換的熱量Ｑｋ：Ｑｋ＝miC<tｌ1-tｌ2><6-4>m=m/θ㎏/s<6-5>式中：θ為測(cè)量時(shí)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。3.全班各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯集后,畫(huà)出ε-to曲線。4.結(jié)合課堂講授的理論及實(shí)驗(yàn)容,學(xué)生要提供自編的實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)。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(xiě)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(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出分析價(jià)。七、思考題制冷系數(shù)與蒸發(fā)溫度to〔冷凝溫度tk的關(guān)系？實(shí)際制冷系數(shù)與理論制冷系數(shù)的比較？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):φ=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(qǐng)修改參考表6-1。表6-1