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制冷压缩机性能测试实验

一、实验目的

通过制冷压缩机实际运行测试实验，使学生了解并掌握以下内容： 1、制冷压缩机制冷量的测试方法；

2、蒸发温度、冷凝温度与制冷量的关系；

3、制冷系统主要运行参数及其相互之间的影响；

4、有关测试仪器、仪表的使用方法；

5、测试数据处理及误差分析方法。 二、实验原理

1、制冷压缩机的性能随蒸发温度和冷凝温度的变化而变化，因此需要在国家标准规定的工况下进行制冷压缩机的性能测试。

2、压缩机的性能可由其工作工况的性能系数COP 来衡量：

Q COP W

=

式中，0Q 为压缩机的制冷量；

W 为压缩机输入功率。

3、在一个确定的工况下，蒸发温度、冷凝温度、吸气温度以及过冷度都是已知的。这样，对于单级蒸气压缩式制冷机来说，其循环p-h 图如图3 所示。

图3

图中，1点为压缩机吸气状态；4-5为过冷段。

在特定工况下，压缩机的单位质量制冷量是确定的，即：015q h h =- 。这样只要测得流经压缩机的制冷剂质量流量m G ，就可计算出压缩机的制冷量，即

0015()m m Q G q G h h =⨯=⨯-

4、压缩机的输入功率：开启式压缩机为输入压缩机的轴功率，封闭式（包括半封闭式和全封闭式）压缩机为电动机输入功率。

三、实验设备

整个实验装置由制冷系统及换热系统、参数测量采集和控制系统共三部分组成：

1、制冷系统采用全封闭涡旋式制冷压缩机，蒸发器为板式换热器，冷凝器为壳管式换热器，节流装置为电子膨胀阀。

1.1冷却水换热系统由冷却水泵、冷却水塔、调节冷凝器进水温度的恒温器和水流量调节阀门及管路组成；

1.2冷媒水换热系统由冷媒水泵、调节蒸发器进水温度的恒温器、调节水流量的阀门组成；

2、六个绝对压力变送器、十个PT100温度传感器、两个涡轮流量变送器分别对应原理图位置及安捷伦34970型数据采集仪和压缩机性能测试软件；

3、控制系统：通过三块山武SCD36数字调节器分别根据设定值与实测值的差值来调节冷却水、冷媒水的加热量和电子膨胀阀的开度，将机组运行控制在设定工况允许的范围内。

图4

四、实验方法

制冷工况由两个主要参数来决定，即蒸发温度和冷凝温度，制冷压缩机性能测试的国家工况名称 蒸发温度 ℃

冷凝温度 ℃

吸气温度 ℃ 标准工况 -15 +30

+15±3

最大压差工况 -30 +50 最大轴功率工况 +10 +50 空调工况（水冷） +5 +35 空调工况（风冷）

+5

+55

试验工况的稳定与否，是关系到测试数据是否准确的关键问题，工况稳定的标志是主要的测试参数都不随时间变化。调节时需要特别地耐心、细致。

实际试验中是根据吸气压力来确定蒸发温度，冷凝温度是根据排气压力来确定。如果吸气温度也达到稳定，表明制冷量也达到稳定。本装置是通过： 1、调整冷却水流量和温度来稳定压缩机的排气压力； 2、调整冷媒水流量和温度来稳定压缩机的吸气温度；

3、调整电子膨胀阀的开启度来稳定压缩机的吸气压力。

上述三项是动态平衡关系，任何一项发生变化，对蒸发温度、冷凝温度、和压缩机吸气温度三个参数都会有影响，影响的程度可能不一样，下表可作参考，重要的还是在实际操作中积累经验。

在调试时，冷却水的容量大，较容易稳定，可由调节器自动调节；电子膨胀阀的开度反应较快，容易受调节器自动控制；只是吸气温度反应过于迟缓，不易控制，需要观察过程线的斜率、模拟图上显示的制冷量作加热量的增减，需耐心细致。

压缩机性能实验要包括主要试验和校核试验，二者应同时进行测量。校核试验和主要试验的试验结果之间的偏差应在4%±以内，并以主要试验的测量结果为计算依据。

本次实验中的主要试验是通过测量冷凝器的换热量，从而根据冷凝器热平衡关系计算出流经压缩机的制冷剂流量，并由此流量计算出压缩机制冷量，为主测制冷量。而校核试验是对蒸发器进行的，通过测量蒸发器的换热量，由蒸发器的热平衡关系，得出流经压缩机的制冷剂流量，同样可根据该流量计算出压缩机制冷量，为辅测制冷量。判断主测制冷量和辅测制冷量的偏差，如偏差在4%±以内，则以主测制冷量进行计算压缩机性能系数。

通过恒温器1、恒温器2 、电子膨胀阀控制调节系统稳定运行在指定的标准工况下，则此时压缩机在标准工况下的单位质量制冷量是确定的，为

**015q h h =-

式中，*

1h 、*

5h 为标准工况的焓值。 五、主测制冷量的计算（水冷冷凝器量热法）

本实验中，主测制冷量的计算是从冷凝器端考虑的。首先，冷凝器的换热量可由冷却水侧的热量变化来计算，为

111187()Q Cp G T T ρ'=⋅⋅⋅-

式中，1Q '——冷凝器的冷凝换热量（kW ）；

1Cp ——冷却水比热容 （()kJ kg K ⋅）；

1G ——由涡轮流量计1测得的载冷剂流量（3m s ）；

1ρ——冷却水密度（3kg m ）；

7T ——冷却水进口温度（℃）； 8T ——冷却水出口温度（℃）。

其中计算某一温度t 时冷却水比热容1Cp 和密度1ρ公式如下:

2

1 4.2060.001305910.00001378982Cp t t =--

23

11000.830.083883760.0037279550.000003664106t t t ρ=--+

同样，根据冷凝器制冷剂侧的热量变化也可计算出冷凝器的换热量，在不考虑冷凝器漏热损失的情况下，可以认为由制冷剂侧的换热量应等于冷却水侧的热量变化1Q '。这样，即有 :

1341()Gm h h Q '⋅-=

式中，1Gm ——冷凝器制冷剂侧制冷剂质量流量，即主测制冷剂流量；

34,h h ——取测试工况下对应点的焓值。

由此，可以计算出主测制冷剂流量，从而对比标准工况下吸气口制冷剂比容差异，可得到标准工况下主测制冷量1Q 为：

1

110*1

v Q Gm q v =⋅⋅

式中，1v ——测试工况下的压缩机吸气口制冷剂比容；

*1v ——标准工况下的压缩机吸气口制冷剂比容。

六、辅测制冷量的计算（液体载冷剂量热法）

相对于主测制冷量，本实验的辅测制冷量的计算，是从制冷系统另一主要热交换器—— 蒸发器着手考虑的。同样，根据蒸发器两侧流体的热平衡来计算辅测的制冷剂制冷流量。

蒸发器制冷量先可由载冷剂的热量变化来计算，即

2222910()Q Cp G T T ρ'=⋅⋅⋅-

式中，2Q '——蒸发器制冷量（kW ）；

2Cp ——载冷剂比热容 （()kJ kg K ⋅）；

2G ——由涡轮流量计2测得的载冷剂流量（3m s ）；

2ρ——载冷剂密度（3kg m ）；

9T ——载冷剂进口温度（℃）； 10T ——载冷剂出口温度（℃）。

其中计算某一温度t 时载冷剂（质量浓度为35%的乙二醇溶液）比热容2Cp 和密度2ρ公式如下:

2 4.091760.00106375Cp t =+

221001.440.194910.00243t t ρ=--

在不考虑蒸发器“跑冷”损失的情况下，则有蒸发器热平衡关系计算出辅测制冷剂流量2Gm ，为

2265

Q Gm h h '

=

-

式中，56,h h ——取测试工况下对应点的焓值。

再对比标准工况下吸气口制冷剂比容差异，可得到标准工况下辅测制冷量2Q 为：