蒸汽压缩制冷

1、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来评价。鉴于实际设备存在的各种实际损失，故值可分为“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.

2、 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（2-3）为制冷剂冷凝过程，4-5（3-4）为节流过程，5-1（4-1）为吸热蒸发。理论制冷系数为理论制冷量q2和理论功w之比： = q2/w = ( h1-h4) / (h2-h1) （6-1） 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： = Q0/N= (6-2)式中为压缩机的指示效率，为压缩机的机械效率；为传动装置效率；为电机效率。实际制冷系数约为理论制冷系数的1/22/3。三、试验方法 由式 和式可知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

3、. 测定各状态的焓h1、h2 和h4，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h1、h2 和h4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Q0的测定：本实验用水在蒸发器中交换的热量来确定。 Q0 = mz C (tZ1-tZ2) (6-3) 式中：m为流过蒸发器的水流量（/s）， 为水的比热（），tZ1和tZ2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： mi C (t1-t2) (6-4) m = m / /s (6-5)式中：为测量时间（s

4、ec）；m为水流累计量 （）。电机效率可用电极效率曲线查得。四、实验设备实验所用设备及仪器仪表有：供水系统，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。图6-2为实验装置系统示意图，采用两缸立式氟利昂单级制冷压缩机由电动机拖动，采用氟利昂R404工质，压缩机进出口处安装压力表。为模拟夏季制冷工况，所用水温控制在20左右 图6-2 蒸汽压缩制冷实验装置示意图五、运行操作与实验步骤学生在实验前应详细了解实验装置系统，各部分的作用，各仪器仪表的功能与读数方法，工质的流动方向和循环水的流向。严格按照规程启动和停车。1. 循环水的加热与恒温闭合加热器电路，启动循环水泵，使水恒定在预

5、定温度。（由实验人员完成）2. 节流阀在开度较小的位置上启动制冷机。3. 正常操作：根据指导教师的安排，每组测量两组工况（以蒸发温度to和冷凝温度tk确定工况）的数据。在测量时，首先调节节流阀（即为图6-2中的热力膨胀阀）的开度，并通过阀门改变mz来调节蒸发温度（根据R404的饱和压力与温度的对应关系，可用压力表监测）。再通过调节冷凝器水进口的阀门改变mi，调节冷凝温度，在调节中要反复调节几次，使系统各处温度压力都趋于稳定。然后，在组长的指挥下，同时记录各组数据。隔5分钟后，再测一次，共测三次，然后调节节流阀的开度、冷凝器的水阀重复上述过程，测量另一组数据。 在试验时负责调节节流阀的人员要细心

6、缓慢调节，注意蒸发器出口水温不低于5。4. 试验结束工作将试验数据较指导教师检查后，依次关闭节流阀、电动机，几分钟后关闭循环水，整理仪表、设备和现场。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参见表6-1。3. 全班各组数据汇集后，画出-to曲线。七、思考题1. 制冷系数与蒸发温度to（冷凝温度tk）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Qk，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 = Qk/N (6-6) 按(6-6)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。附：两缸立式氟利

7、昂制冷机结构图 图6-3 两缸立式氟利昂制冷机结构图 表6-1制冷装置性能试验记录(夏季工况）大气压力 室温项目工质温度工质压力循环水温度循环水流量电机功率电机效率压缩机转速符号t1，t2p1 p2 p3tz1，tz2，t1t2mz，mi，mz，iNn单位第一工况123平均值第二工况123平均值二氧化碳气体P-V-T关系的测定一、实验目的1. 了解CO2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。2. 巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。3. 掌握CO2的P-V-T间关系测定方法。观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的

8、气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数。二、实验任务1测定CO2气体基本状态参数P-V-T之间的关系，在PV图上绘制出t为20、40三条等温曲线。2观察饱和状态，找出t为20时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。3观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数。4根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t的关系图。三、实验原理1、对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数P、T之间有：F（p、t）=0 或 t=f(p、) (1)本试验采用定温方法来测定CO2 P-之间的关系，从而找出CO2的P-t的关系。2、测定CO2的P-t关系。在P-坐标图中绘出低于临界温

9、度（t=20）和高于临界温度(t=50)的三条等温曲线,与标准实验曲线及理论计算值相比较,并分析差异原因。3、观测临界状态附近汽液两相模糊的现象、汽液整体相变现象。4、测定CO2的te、pe、e等临界参数并将实验所得值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比较。四、实验设备1、整个实验装置由压力台、恒温器和实验本体及其防罩三大部分组成，如图2所示。图2 CO2实验台系统示意图恒温器 试验台本体 压力台2、试验台本体如图三所示，其中1）、高压容器； 2）、玻璃杯；3）、压力油； 4）、水银；5）、密封填料； 6）、填料压盖；7）、恒温水套； 8）、承压玻璃管；9）、CO2空间； 10）、温度

10、计。3、实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管。CO2被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞的进、退来调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。4、实验工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出，温度由插在恒温水套中的温度计读出。比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来度量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面积不变等条件换算得出。五、实验步骤1、实验过程的注意事项：（1）做各条定温时，实验压力P10MPa，实验温度t50；（2）实验中取h时，应使视线与水银柱凸面一齐；（3）实验中加压及减压过程一定要缓慢均匀。2、测定低于临界温度t=

11、20的等温线（1）使用电节点温度计调节恒温水浴温度t=20要保持恒温；（2）压力记录从4MPa开始，当玻璃管内水银柱水银升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准； （3）两相区内三毫米高度变化记录一次压力值，两相区外，三个压力变化记录一次高度值；（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力与饱和温度的对应关系，液化、汽化等现象，要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表中。临界等温线，观察监界现象重复2的步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pe和临界比容e，并将数据填入表中。（1)整体相变现象由于临界点时，汽化潜热等于零，饱和液线合于一点，

12、所以这是汽液的相互转变不像临界温度以下时逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变的过程，而是当压力稍有变化时，汽、液以突变的形式相互转化；（2)汽、液两相模糊不清现象处于临界点的CO2，气、液具有共同参数（P、T）因而不能区别此时CO2是气态还是液态的。如果说它是气体，那么这个气体是接近了液态的气体；如果说它是液体，那么这个液体又是接近气态的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这时是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使CO2压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。现在我们按绝热过程来进行，首先在压力等于7.8MPa附近突然降压，CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现了明显的液

13、面，这就说明，如果这时管内的CO2是气体的话，那么这种气体离液区很近可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突后压缩CO2时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们这时CO2液体离气区也是非常近的，可以说是接近气态的液体，既然此时的CO2既接近气态又接近液态，所以只能处于临界点附近。可以这样说，临界状态饱和汽、液分不清。这就是临界点附近汽液模糊不清的现象。4、重复2测定高于临界温度t=50时的等温线，将数据填入表中。 六、实验数据整理 1CO2比容的确定实验中由于CO2的质量m不便测定，承受玻璃的内径d也不易测准，因而只能用间接方法确定V值：因为二氧化碳在20，100ata（102bar）时，比

14、容即：Vco2(20，100ata)= 因为 (常数)则任意情况下二氧化碳的比容： 所以，只要在实验中测得t=20, p=100ata时的h0值，计算出k值后，其它任意状态下的比容V值均可求得。2列数据表及绘制P-V图。 实验数据计算整理后，绘制出实际CO2气体P-V的关系图。 七、实验报告的要求1 简述实验目的、任务及实验原理。2 记录实验过程的原始数据（实验数据记录表）。3 根据实验得出的数据结果，计算整理并画出二氧化碳P-V-t的关系图。八、思考题：1 为什么加压时，要足够缓慢地摇动活塞杆而使加压足够缓慢进行？若不缓慢加压，会出现什么问题？2 卸压时为什么不能直接开启油杯阀门。表3-1实

15、验数据记录表 t=20 t=40表压 p高度 h观察现象表压 p高度 h观察现象表压 p高度 h观观察现象 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 99 压气机性能实验 活塞式压气机是通用的机械设备之一，其工作原理是消耗机械能（或电能）而获得压缩气体。压气机的压缩指数和容积效率等都是衡量其性能先进与否的重要参数。本实验是利用微机对压气机的有关性能参数进行实时动态采集，经计算处理、得到展开的和封闭的示功图。从而获得压气机的平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。一、实验目的1掌握指示功、压缩指数和容积效率的基本测试方法；2对使用微机采集、处理数据

16、的全过程和方法有所了解。二、实验装置及测量系统 本实验仪器装置主要由：压气机、电动机及测试系统所组成。测试系统包括：压力传感器、动态应变仪、放大器、计算机及打印机，见图51。压气机型号：Z汽缸直径：D=50mm 活塞行程: L=20mm连杆长度：H=70mm， 转速：n=1400转/分 图51 压气机实验装置及测试系统为了获得反映压气机性能的示功图，在压气机的汽缸头上安装了一个应变式压力传感器，供实验时汽缸内输出的瞬态压力信号。该信号经桥式整流后，送至动态应变仪放大。对应着活塞上止点的位置，在飞轮外侧粘贴着一块磁条，从电磁传感器上取得活塞上止点的脉冲信号，作为控制采集压力的起止信号，以达到压力

17、和曲柄传角信号的同步。这二路信号经放大器分别放大后，送入A/D板转换为数值量，然后送至计算机，经计算处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开的示功图和封闭的示功图。见图52及图53。 图 52 封闭的示功图 图 53 展开的示功图根据动力学公式，活塞位移量x与曲柄转角a有如下关系： （5-1）式中：=R/LR曲柄半径；H连杆长度；a曲柄转角。三、实验原理1指示功和指示功率指示功：活塞压气机进行一个工作过程，活塞对气体所作的功，记为Li。显然功量就是PV图上工作过程线所包围的面积。其纵坐标是以线段长度表示的压力值，而横坐标则表示活塞的位移量，经测面仪测量和计算才能得到功的数值，即： Li=S

18、×K1×K2×10-5 (kgf-m) （5-2）式中：S 由测面仪测定的面积值 （mm2）;K1单位长度代表的容积 (mm3/mm) ； 式中： L活塞行程（mm）；活塞行程的线段长度（mm）；K2单位长度代表的压力 (at/mm); 式中： p 工作时的表压力(at);表压力在纵坐标图上对应的高度(mm);指示功率：单位时间内活塞对气体所作的功，记为Ni。用下式表示：Ni=Li×n/102×60 (KW) （5-3）式中：n 转速(转/分)压气机的实际压缩过程介于定温压缩与定熵压缩之间，过程指数在压缩过程中不断变化，根据压气机的理论轴功和气体压缩功的关系，可以求得平均的多变指数，记为n0。 （5-4）在示功图上：即为压缩过程线与纵坐标围成的面积同压缩过程线与横坐标围成的面积之比。即： （5-5）3. 容积效率（）根据热力学定义： （5-6）在示功图上：即为有效吸气线段长