实验6 蒸汽压缩制冷

实验6 蒸汽压缩制冷（热泵）装置性能实验
一、实验目的
1. 了解蒸汽压缩制冷（热泵）装置。

学习运行操作的基本知识。

2. 测定制冷剂的制冷系数。

掌握热工测量的基本技能。

3. 分析制冷剂的能量平衡。

二、实验任务
1. 测定水冷式单级蒸汽压缩制冷系统的制冷系数。

2. 了解壳管式换热器的性能，节流阀的调节方法和性能。

3. 了解热泵循环系统的流程和制热系数的概念。

三、实验原理
该系统是由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成，制冷机的作用是从低温物体中取出热量、并将它传给周围介质。

热力学第二定律指出：“不可能使热量由低温物体传向高温物体而不引起其他的变化”。

本实验用制冷装置，需要消耗机械功。

用工质进行制冷循环，从而获得低温。

蒸汽压缩制冷循环的经济性可用制冷系数ε来评价。

鉴于实际设备存在的各种实际损失，故ε值可分为“理论制冷系数”和“实际制冷系数”。

图6-1 蒸汽压缩制冷循环
1. 理论制冷系数
图6-1为蒸汽压缩制冷循环的T-S图。

1-2未压缩过程，2-3-4为制冷剂冷凝过程，4-5为节流过程，5-1为吸热蒸发。

理论制冷系数ε为理论制冷量q2和理论功w之比：
ε= q2/w = ( h1-h4) / (h2-h1)
2. 实际制冷系数
实际制冷系数是指制冷机有效制冷能力Q0与实际消耗的电功率N之比：
εγ= Q0/N =εηｉηｍηｄηｍ０
式中ηｉ为压缩机的指示效率，ηｍ为压缩机的机械效率；ηｄ为传动装置效率；ηｍ０为电机效率。

实际制冷系数约为理论制冷系数的1/2～2/3
3.工作原理
1）工作过程
单级蒸汽压缩制冷系统，是由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀四个基本部件组成。

它们之间用管道依次连接，形成一个密闭的系统，制冷剂在系统中不断地循环流动，发生状态变化，与外界进行热量交换。

制冷系统的基本原理液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、
在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热，冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。

这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。

在制冷系统中，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件，这当中蒸发器是输送冷量的设备。

制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。

压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。

冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。

节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。

实际制冷系统中，除上述四大件之外，常常有一些辅助设备，如电磁阀、分配器、干燥器、集热器、易熔塞、压力控制器等部件组成，它们是为了提高运行的经济性，可靠性和安全性而设置的。

制冷系统的组成：
制冷系统的循环过程：压缩过程
冷凝过程
节流过程
蒸发过程
理论循环：
1－2：压缩过程 2－2’：冷却过程 2’－3：冷凝过程 3－4：节流过程 4－1：蒸发过程
1-2质量1m 气体压缩：21p p → 2-32321/)(V V V m -气体拍向储气罐 3-4231/V V m 参与气体膨胀12P P → 4-11411/)(V V V m -气体吸入气缸
3）排气压力对压气机的影响
冷系统运行时，其排气压力与冷凝温度相对应，而冷凝温度与其冷却介质的流量 和温度、制冷剂
流入量、冷负荷量等有关。

在检查制冷系统时，应在排气管处装一只排气压力表，检测排气压力，作
为分析故障资料。

（1）排气压力高的因素当排气压力高于正常值时，一般有冷却介质的流量小或冷却介质温度高、
制冷剂充注量过多、冷负荷大及膨胀开启大等。

以上因素会引起系统的循环流量增加，冷凝热负荷也相应增加。

由于热量不能及时全部散出，引起冷
凝温度上升，而所能检测到的是排气（冷凝）压力上升。

在冷却介质流量低或冷却介质温度高的情况
下，冷凝器的散热效率降低而使冷凝温度上升。

在冷却介质流量低或冷却介质温度高的情况下，冷凝
器的散热效率降低而使冷凝温度上升。

对于制冷剂充注量过多的原因，是多余的制冷剂液占据了一部
分冷凝管，使冷凝面积减少，引起冷凝温度上升。

（2）排气压力低的因素排气压力低于正常值，其因素有压缩机效率低、制冷剂量不足、冷负荷小
、膨胀阀开度小，过滤器不畅通，包括膨胀阀过滤网以及冷却介质温度低等。

以上几种因素都会引起系统的制冷流量下降、冷凝负荷小，使冷凝温度下降。

从上述的吸气压力与排气压力与排气压力变化情况看，两者有密切的关系。

在一般情况下，吸气压力
升高，排气压力也相应上升；吸入压力下降，排气压力也相应下降。

也可从吸气压力表的变化估计出
排气压力的大致情况。

知识点部分要有传热及换热器的内容！已改
2）换热器：
管壳式换热器为例
管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。

管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，管壳式换热器在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。

通常管壳式换热器的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。

一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下,在个别情况下也有更大或更长的。

工作原理和结构图1 [固定管板式换热器]
为固定管板式换热器的构造。

A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。

B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。

如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。

壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体(A流体)。

管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。

管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。

通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。

为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。

管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。

按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。

管板和管子的总体称为管束。

管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。

在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。

折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。

为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。

管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/(m(℃)〕;用水冷却气体时,为10～280W/(m(℃)；用水冷凝水蒸汽时,为570～4000W/(m(℃)。

管壳式换热器特点：管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。

这种换热器结构坚固,处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造,生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。

但在传热效能、紧凑性和金属消耗量方面不及板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器等高效能换热器先进。

管壳式换热器分类：管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、Ｕ型管式换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等。

前3种应用比较普遍。

3）对流换热
热对流：流体中温度不通过的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。

热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流。

对流换热：对流换热是流体通过与其温度不同的固体壁面时发生的热量传递过程。

对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热，不是基本传热方式。

对流换热系数)
(f w t t A h -Φ
=
)(2k m w h 不是物性参数，是受多种因数影响的复杂函数
四、试验方法
1、实验前必须预习实验指导书及压缩制冷原理的有关内容。

实验时，必须弄清教师对实验装置及其仪表使用方法的进一步介绍，方可进行实验。

2、实验操作步骤如下：
1）在工况稳定的情况下，开始实验测试，测定改工况下的吸气压力、排气压力、吸气温度、排气温度、过冷温度、蒸发器和冷凝器的进水出水温度以及它们的流量、压缩机的输入电功率等参数。

2）为提高测量的准确性，每隔3分钟读取一次数据，取三次数据的平均值作为测试结果（三次记录数据均在稳定工况下测试）。

3）调节截流装置的开度，重复上述操作过程，测得一组新的实验数据。

4）数据记录完毕后，慢慢减小各种调节装置的开度。

5）关闭压缩机开关，然后关闭水泵电源开关。

切断总电源，清洗水箱，排掉水箱中的水。

规定工况：P 吸=0.15MPa ，P 排=0.88MPa
t 吸=18.1℃，t 排=74.1℃，t 过冷=34.7℃
未经现场指导教师同意，除上述所需开关旋钮，阀门允许操作外，实验仪上其余装置及开关均不得擅自乱动，否则后果自负。

为测定理论制冷系数和实际制冷系数，应在试验中进行一下各项的测量。

1. 测定各状态的焓h 1、h 2 和h 4，为此，需测量1,2,4点的压力和温度，然后在工质 的LgP-h 图上查得h 1、h 2 和h 4数值。

压力值用压力表测量，各点温度用水银温度计测量。

2. 制冷机实际消耗的功率用功率表测出电机消耗的电功率N(KW)即可。

3. 有效制冷能力Q 0的测定：本实验用水在蒸发器中交换的热量来确定。

Q 0 = m z C (t Z1-t Z2) (6-3) 式中：m 为流过蒸发器的水流量（㎏/s ）， Ｃ为水的比热 （ＫＪ／㎏℃）， t Z1和t Z2为水流进、出口的温度℃。

用类似的昂发，亦可确定冷凝器中水流交换的热量Ｑｋ：
Ｑｋ＝ m i C (t ｌ1-t ｌ2) (6-4)
m = m /θ ㎏/s (6-5) 式中：θ为测量时间（sec ）；m 为水流累计量 （㎏）。

电机效率可用电极效率曲线查得。

五、实验设备及仪表
1. 水冷式氟利昂制冷装置，功率表，电压表，温度计，压力表，流量计，转速表等。

2. 两缸立式氟利昂制冷机、壳管式冷凝器、壳管式蒸发器、热力膨胀阀（节流阀）。

3. 图6-2为实验装置系统示意图。

图6-2 蒸汽压缩制冷实验装置示意图
六、数据整理和实验报告
1. 实验报告
2. 实验记录及数据整理在参考表6-1中。

3. 全班各组实验数据汇集后，画出ε-t o曲线。

4.结合课堂讲授的理论及实验内容，学生要提供自编的实验报告书。

5.. 学生要根据自己所进行的实验独立认真地撰写实验报告。

要求字迹工整、数据准确、
观察现象的文字描述层次清晰并应结合理论教学中的知识对实验结果给出分析
价。

七、思考题
1.制冷系数与蒸发温度t o（冷凝温度t k）的关系？
2.实际制冷系数与理论制冷系数的比较？
3.如果利用冷凝器的放热量Q k，该制冷装置将成为热泵系统。

可按下式计算热泵的
制热系数:
φ= Q k/N 按上式计算一组工况下的制热系数，如果用电加热提供热量，消耗的功率是多少？
试分析热泵的节能原理。

4.根据制冷原理请修改参考表6-1。

帮你修改了实验数据记录表！增加调节冷却水（即调节冷凝压力）的实验数据记录表！。