热学制冷循环试验

实验5—1热学制冷循环实验
长期以来，热学实验始终是物理实验中的一个薄弱环节，学生对许多热学知识，往往仅局限于书本。

本实验通过应用热学知识广泛而又实际的电冰箱，将一些热学基本知识，如热力学定律，等温、等压、绝热、循环等过程，以及焦耳一汤姆孙实验等，作了综合性应用，使学生在加深对热学基本知识理解的同时，得到一次理论与实际，学与用相结合的锻炼。

【实验目的】
1.培养学生理论联系实际，学与用相结合的实际工作能力。

2.学习电冰箱的制冷原理，加深对热学基本知识的理解。

3.测定电冰箱压缩机的功率、制冷量和制冷系数。

【实验原理】
1.制冷的理论基础「
热力学第二定律的克劳修斯说法是：热量不可能自动地从低.
温物体传到高温物体。

只有通过某种逆向热力学循环，外界对系.
统作一定的功，才能使热量从低温物体（冷端）传到高温物体（热；
端），如图5-1-1所示。

即--- --
Q2= °1一W图5-1-1
电冰箱是对循环系统冷端的利用，称制冷机。

2.制冷的方式
制冷可利用熔解热、升华热、蒸发热等方式。

详细了解请阅读本书第六章实验6-7制冷技术与应用。

电冰箱是用氟里昂或其它替代物作制冷剂，当液体氟里昂在蒸发器里大量蒸发（实际是沸腾，在制冷技术中习惯称为蒸发）时，带走所需的热量，从而达到制冷的目的。

因此，电冰箱是一种利用蒸发热方式制冷的机器。

3.制冷剂
制冷剂是制冷装置中的载热体，又称它为‘工质”。

制冷剂的种类很多，这里仅简单介绍氟里昂的一些主要特性。

氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、澳衍生物的统称。

本实验中过去使用的氟里昂12的分子式为CC12F2,国际统一符号为R12。

R12无色、无味、无臭、无毒、对金属材料无腐蚀性。

当容积浓度达到10%左右时，对人没有任何不适的感觉；但当容积浓度达到80%时，人有窒息的危险。

R12不燃烧、不爆炸，但其蒸汽遇到800℃以上的明火时，会分解产生对人体有害的毒气，并会破坏臭氧层。

R12的几个重要参数为：沸点（1atm）—29.8℃,凝固点（1atm）—155℃,临界温度112℃,临界压力4.06MPa。

本实验中目前使用
大学物理实验
绿色环保型制冷剂R134a ,请自己查阅资料了解其主要特性及参数。

4 .真实气体的等温线
制冷剂在循环过程中的状态变化，遵循真实
气体的状态变化规律，其P - V 图如图5-1-2所
示。

从图可见，真实气体的等温线并非都是等轴
双曲线。

如在lm 部分，与理想气体的等温线相
似，在m 点汽体开始液化，在m 到n 点的液化过
程中，体积虽在减小，但压力保持不变，是等压 过
程，其压力称饱和蒸汽压，到n 点汽体完全液 化。

等温线的mn 部分为饱和蒸汽与饱和液体共 存的
范围，但在no 部分，曲线几乎与压力轴平 行，
这反映了液体的不易压缩性，随着温度的升 高，
汽液共存状态的范围从mn 线段缩小为m'n' 线段，
而饱和蒸汽压增高。

温度继续升高，等温 线的平
直部分缩成一点，在P -V 图上出现一个 拐点K ，
称临界点。

通过临界点的等温线称临界等温线。

在临界等温线以上，压力无论怎样 加大，气体不可能再液化。

在P - V 图上，不同等温线开始液化和液化终了的各点可以连成曲线mKn 。

曲线nK 的 左边完全是液体状态，nK 线称湿饱和液体线，以干度X = 0表示。

曲线mK 的右边完全是 汽体状态，mK 线称干饱和蒸汽线，以干度X = 1表示。

（千度X 表示汽液共存区里饱和蒸 汽所占的比例。

例如干度X = 0.3时，表示饱和蒸汽占30%,饱和液体占70%。

）
5 .电冰箱的制冷循环
电冰箱的制冷循环如图5-1-3和图5-1-4所示。

图5-1-3为液体蒸发式制冷循环原理示意 图，该循环系统主要有四大部件组成：压缩机、冷凝器、毛细管（节流阀）和蒸发器。

图5-1-4 为制冷循环过程及P - V 图。

从图5-1-4可见，电冰箱的制冷循环主要有四 个
过程：压缩机从蒸发器中吸入低温低压的制冷剂 蒸汽，
压缩成高温高压的蒸汽排放到冷凝器中；冷 凝器（散
热器）使高温高压蒸汽放热冷凝为中温高 压液体；毛
细管使中温高压液体节流膨胀为中（低） 温低压汽液
混合体，并不断供向蒸发器；蒸发器使 制冷剂液体吸
热蒸发成低温低压蒸汽，再被压缩机 吸入，从而达到
制冷循环的目的。

结合热力学知识 点，四个过程的具
体情况如下：
压缩过程（绝热过程）：在压缩过程中，由于压缩机活塞的运动速度很快，可近似地看 128 图 5-
实验5—1热学制冷循环实验 作与外界没有热量交换的绝热压缩。

在P - V 图中为A-B 的一条绝热线。

绝热线下的面积， 即为压缩机对系统所做的功卬。

冷凝过程（等压过程）：从压缩机排出的制冷剂刚进入冷凝器时是过热蒸汽B 点），它 被空气冷却成千饱和蒸汽（C 点），并进一步冷却成湿饱和液体（D 点），再进一步冷却成过 冷液体（E 点）（一般情况下，进入毛细管之前的制冷剂是过冷液体）这是等压过程，冷凝 压力为Pk 。

在P - V 图中为B T C —D T E 的一条水平线。

在此过程中制冷剂放出热量。

1。

节流过程（绝热过程）：制冷剂通过毛细管狭窄的通路时，由于摩擦和紊流，在流动方向 产生压力下降，此即焦耳一汤姆孙节流过程。

在P - V 图中为E-F 的一条绝热线。

（想一想: 为什么是绝热过程？）
蒸发过程（等压过程）：从毛细管出口经过蒸发器进入压缩机吸入口为止的制冷剂，状态 尽管有变化，其压力是不变的，都是蒸发压力P 。

进入蒸发器的制冷剂是汽液混合体（F 点）， 制冷剂在通过蒸发器的过程中从周围吸收热量?蒸发成千饱和蒸汽（G 点），再进一步吸热成 过热蒸汽被压缩机吸入血点）。

在P
- V 图中为F —G —A 的一条水平线。

在此过程中制冷
剂吸收热量Q 2。

6 .制冷系数£
根据热力学第二定律，制冷机的制冷系数为
£ = Q 2 W 上式表明，压缩机对系统所作的功卬越小，自低温热源吸收的热量Q 越多，则制冷系
129
图 5-
130
大学物理实验
数£越大，越经济。

制冷系数是反映制冷机制冷特性的一个重要参数，它可以大于1,也可以小于1。

若把制冷机看作逆向卡诺循环机，则制冷系数
£= T/（T -T2）
由此可见，T2与T1越接近，如冰箱冷冻室的温度与室温越接近，£越大，说明消耗同样的功率，可以获得较好的制冷效果。

因此，当冰箱里没有需要深度冷冻的物品时，不必将冷冻室的温度调得很低，一般保持苦5℃左右即可，这样可以省电。

【实验仪器】
LWL - 99C型热学制冷循环实验仪（LZL—05创新型制冷循环综合实验仪）。

99C型实验仪如图5-1-5所示（05创新型实验仪面板上增设了一个风扇电机电源开关K FD 底部安装了带有风扇电机的翅片盘管式冷凝器，内部设有启动保护电路）各主要部件的功能如下：
1.冷冻室：其组成是在保温桶中盛三分之二深度的含水酒精作冷冻物；内置铜盘管蒸发器；加热器用来平衡制冷剂蒸发时的吸热量，并用马达带动搅拌器使冷冻室内温度均匀。

Ptl00 热电偶用于探测冷冻室内含水酒精的温度，以判定是否已达到了热平衡。

2.冷凝器：即散热器。

99C型实验仪中丝管式冷凝器安装在实验仪的背面（05创新型实验仪中带有风扇电机的翅片盘管式冷凝器安装在实验仪的底部）
3.干燥过滤器和毛细管：干燥过滤器内装有吸湿剂，用于滤除制冷剂中可能存在的微量水分和杂质，防止在毛细管中产生冰堵塞或脏堵塞。

家用冰箱使用的毛细管是内径小于1mm 的铜管，用于制冷剂节流膨胀，产生焦耳一汤姆孙效应。

4.压缩机：压缩机压缩制冷剂蒸汽使其压力由低变高。

小型电冰箱压缩机的内部包括压缩机和电动机两部分，由电动机拖动压缩机做功。

电动机因种种损耗，输向压缩机的功率小于输入电动机的电功率P，其效率丑氏0.8，本实验中按功率因数表指示的值来计算；压电电
缩机也因种种损耗，用于压缩气体的功率小于电动机输向压缩机的功率，其效率“压氏0.65。

因此，压缩机对制冷剂作功的功率P（简称压缩机功率）
P二叩p二H电叩压p工0.52 p工0.65 IU D cos①
5.接线柱I、U、*和调压变压器：接线柱共两组，I加、U加、*组用于接测量加热功率的功率计；I电、U电、*组用于接测量压缩机电功率的功率计。

如不用功率计测量，也可用交流电流表（串接在I、*接线柱间）或交流电压表（I、*接线柱短接），但事前需做出电流——功率或电压一功率定标曲线。

实验时根据测得的电流值或电压值，查得功率值。

本实验中已
作进一步简化。

实验5— 1 热学制冷循环实验 调压变压器用于调节加热器工作电压。

加，以改变加热功率。

1.稳压延时保护器；
2.数显温度指示仪；
3.搅拌调速开关；
4.搅拌电源；
5.加热电源 （0-220V ）；
6. Pt100热电偶探头；
7.搅拌电机；
8.加热棒；
9.保温桶（内装蒸发器）；10. 冷凝器；11.压缩机；12.加液阀；13.
截止阀；14.视液镜；15.干燥过滤器；16.毛细管； 17.压力表（四块）；18.电压表；19.电流表；20.加热
电源总开关；21.功率因数表； 22.调压变压器；23.压缩机电源开关；24.制冷循环工作原理图及p V 图。

图5-1-5 LWL - 99C 型热学制冷循环实验仪
【实验内容与步骤】
1 .实验步骤
1）接通电源，打开全自动稳压延时保护器（1）的电源开关，此时它处于延时保护状态。

轻轻按一下快启按钮，即刻有电压输出（不延时）数显温度仪自动显示冷冻室温度。

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2）按进压缩机电源开关的启动按钮（在05创新型实验仪中，必须先打开风扇电机电源 开关K FD 再打开压缩机电源开关K Y D ），压缩机开始工作。

电压表（分）、电流表。

）、功 率131
24
3制冷循环工作原理
132 P
! F
因数表（cos中）及四块压力表各自指示相应的值。

再打开搅拌电源及调速开关，始终搅拌但速度不宜过快。

冷冻室温度即可在几秒钟内下降0.1 ℃。

3）待冷冻室温度充分稳定后（最好低于0℃），在制冷的同时打开加热电源开关，调节调压变压器输出电压为使加热电流I J接近2 A，进行加热。

稍过片刻，根据冷冻室温度变化（降低或升高），有目的地增大或减小调压器输出电压使冷冻室温度在2分钟以上保持不变，即可视冷冻室在此温度t0时达到热平衡，自拟表格记录此时t0、U D、I D、cos3、为i I J的值。

4）记录完上述数据，立即关闭加热电源开关，继续制冷，待冷冻室温度下降3c 5c 再加热。

通过调节U J的值使冷冻室温度达到新的热平衡点，记下此时的t0、、I D、cos3、U J、I J 的值。

依次测出五个热平衡点，记录相应的数据。

（提示：随着冷冻室温度逐渐降低，压缩机的制冷量会逐渐减小。

）
5）模拟制冷循环系统堵塞现象。

旋开截止阀盖帽，将阀芯旋到底，尽管压缩机正常工作，但制冷剂不能在制冷系统中循环流动。

此时，四块压力表、电流表（D）、功率因数表及数显温度仪的指示值均有变化，分析其原因。

将截止阀阀芯旋出，堵塞现象立刻消除。

2.实验内容
1）对照制冷循环工作原理图和P - V图（参见仪器下部面板背面），理解并掌握制冷循环工作原理及各部件的主要功能和热力学基本知识。

2）观察制冷循环系统堵塞现象。

操作方法参见实验步骤5。

3）测量压缩机功率：P x 0.65 IUD cos①，做出P Q 10的关系曲线。

4）测量制冷量：Q =勺口 = I J U j做出Q p 0的关系曲线。

5）求制冷系数：8 = Q/P，做出B Q10的关系曲线。

6）分析系统误差。

应考虑下列因素：冷冻室吸收的热量、冷冻室前后管道吸收的热
量、搅拌器对含水酒精所做的功、压缩机的压缩功菊压取0.65未必十分准确、测量时系统
没有完全稳定以及环境温度的变化等。

【实验注意事项及常见故障的排除】
1.必须使用带有接地线的三芯插座，保持接地良好。

长时间不用请切断电源。

2.搬运时请勿倾斜超过45°,避免剧烈颠震。

3.压缩机停止运行后不能立即启动，再次启动要相隔五分钟。

或先关闭稳压延时保护器电源开关，再打开让它自动延时。

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4.启动压缩机时，加热电源开关应处于关闭状态，防止电流过大损坏稳压延时保护器。

加热电流不宜超过2A,以防调压变压器过载而烧坏。

5.准备实验时应在保温桶中盛三分之二深度，浓度为50%的含水酒精。

未盛液体前切勿加热，以免烧坏加热器。

6.当制冷效果不好时，循环系统内压力偏低，压缩机工作电流,。

偏小，应适量加注制冷剂。

将贮液瓶和加液阀上的封口纳子旋下，用加液管一端与贮液瓶做紧连接，另一端与加液阀做松连接，打开贮液瓶阀门，利用制冷剂的压力排走加液管中的空气后，再将加液管与加液阀做紧连接，注入适量的制冷剂（150g左右），关闭贮液瓶阀门，取下加液管，旋上封口纳子即可。

最好先将制冷剂注入定量加液仪中，再由定量加液仪注入实验仪中。

【思考与创新】
1.为什么将压缩过程和节流过程看作绝热过程？
2.为什么冰箱在搬运时不宜倾斜超过45℃?
3.为什么冰箱压缩机停机后不能立即启动？
4.想一想：通过本实验受到什么启发？能否设计某种装置用于学习、生活或工作中？
【实验拓展】
对不同性质的制冷剂和不同数量的充注量，不同种类、不同数量的冷冻物，特别是在不同环境温度下，实验结果都不同，学生可以进行试验研究。

【参考文献】
[1]单大可.电冰箱和小型制冷机[M].北京：轻工出版社，1987
[2]陆廷济.大学物理实验[M].上海：同济大学出版社，1996
[3]白朗，于建勇.大学物理实验[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999
[4]。