地热学课程实验指导书

《地热学》课堂实验/实践指导书课程中文名称：地热学课程英文名称：Geothermic课程编号：020060120适用专业：新能源科学与工程学时数：32学分数：2课程类别：专业课程应开课学期：第四学期实验/实践一：地源热泵机组COP测定实验/实践类型：操作实验/实践学时：4实验/实践要求：10人/组一、实验/实践目的1、了解热泵的工作过程及性能的评价指标；2、熟悉热泵装置的组成，领会制冷与供热的对立与统一关系；3、测定蒸气压缩式制冷循环的性能；4、通过本实验，了解测定热泵压缩机主要性能指标──压缩机的制冷量和输入功率的相关标准（GB/T 5773－2004容积式热泵压缩机性能试验方法）；5、通过本实验，掌握测定热泵主要性能指标（压缩机的制冷量和输入功率）的一种试验方法──第二制冷剂量热法；6、通过本实验，掌握一种测定换热器2热损失系数的方法。二、实验/实践内容1.测定蒸汽压缩式制冷循环性能。2.测定热泵主要性能指标。3.测定换热器热损系数。三、仪器设备热泵性能测试仪四、实验/实践原理、方法、手段和步骤（一）实验原理、方法和手段1、单级热泵的理论循环热泵(HeatPump)是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。来实现制冷和供暖，热泵装置的工作原理与\t"/item/%E7%83%AD%E6%B3%B5%E5%8E%9F%E7%90%86/_blank"压缩式制冷机是一致的，在小型空调器中，为了充分发挥其效能，夏季空调降温或冬季取暖，都是使用同一套设备来完成。通过本装置学习热泵原理及使用方法图1显示了压力－比焓图上单级热泵机组的理论循环。热泵压缩机吸入的是以点1表示的饱和蒸气，1－2表示制冷剂在压缩机中的等熵压缩过程；2－3表示制冷剂在冷凝器中的等压放热过程，在冷却过程中制冷剂与环境介质有温差，放出过热热量，在冷凝过程中制冷剂与环境介质无温差，放出比潜热，在冷却和冷凝过程中制冷剂的压力保持不变，且等于冷凝温度TK下的饱和蒸气压力PK；（）是液态再冷却放出的热量；3－4表示节流过程，制冷剂在节流过程中压力和温度都降低，且焓值保持不变，进入两相区；4－1表示制冷剂在蒸发器中的蒸发过程，理想状态下，制冷剂在温度T0、饱和压力P0保持不变的情况下蒸发，而被冷却物体或载冷剂的温度得以降低。实际中由于存在压降和饱和度问题，可根据实际情况，分析导致与理想状态不一致的原因，找出适合此工况的操作方法图1压力－比焓图2、单级热泵压缩制冷机的实际循环与简化后的实际循环实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下例一些差别。（1）热交换器中存在温差，即冷风温度T低于冷凝温度TK，且T是变化的（进口温度低，出口温度高）：载冷剂或冷却对象的温度T0，载冷剂的温度也是变化的。（2）制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热量交换，尤其是自节流阀以后，制冷剂温度降低，热量便会从环境介质传给制冷剂，导致冷量损失。因为制冷机的实际循环过程很难用手算法进行热力计算。因此，在工程设计中常常是对它作一些简化。图2为简化后的实际循环过程。注：为理论循环的等熵压缩过程：为实际循环的压缩过程。简化途径是：（1）忽略冷凝器及蒸发器中的微小压力变化，即以压缩机出口的压力为冷凝压力（在大型装置中，压缩机的排气管道较长，应从排气压力减去这一段管道压力损失后作为冷凝压力），以压缩机进口压力作为蒸发压力（在大型装置中尚需加上吸气管道的压力损失），同时认为冷凝温度和蒸发温度均为定值。（2）将压缩机内部过程简化为一个从吸气压力到排气压力有损失的简单压缩过程。（3）节流过程认为是等焓过程。经过简化之后，即可直接利用lgp-h图进行循环性能指标的计算。图2实际循环过程3、实际循环与理论循环的区别实际循环区别于理论循环有如下几方面：（1）由于摩擦作用，在压缩机的排出口和膨胀阀进口之间及膨胀阀出口和压缩机吸入端之间将产生微小的压力降。（2）压缩过程即不是等熵过程也不是绝热过程（压缩机通常有热量损失）。（3）离开蒸发器的蒸气通常有过热（这使膨胀阀得以自动控制，同时也改善了压缩机的性能）。（4）离开冷凝器的液体一般略有过冷（这样提高了制冷系数ε，且减少了通向膨胀阀管路上形成蒸气的可能性）。（5）循环在环境温度下运行时，可能有少量的无用热量从外界传入到循环的各个部分。4、间接法测定热泵性能本实验采用国标（GB/T5773一2004）提出的对热泵压缩机性能测试的主要试验方法——间接量热法，对热泵压缩机的制冷量和输入功率进行测定。根据标准，本试验方法适用于不小于0.75kW的容积式热泵压缩机的性能试验。间接法是通过第二制冷剂换热器2间接测定制冷量，是利用安置在第二制冷剂换热器2内部的电加热管发出的热量来消耗蒸发器盘管所产生的制冷量。本试验装置有二种制冷剂，其中第一制冷剂为R22，第二制冷剂为乙二醇水溶液。第二制冷剂换热器2是一个密闭的常压的隔热容器，安置在该换热器2内的蒸发器盘管浸渍在第二制冷剂内，电加热管安装在容器的底部并被容器内的第二制冷剂浸没。第一制冷剂在制冷系统中循环，在第二制冷剂换热器2的蒸发器盘管中蒸发制冷;输入第二制冷剂换热器2的热量主要由电加热管供给（换热器2的漏热量应不超过5%)。这样，制冷系统所产生的冷量被输入的热量通过第二制冷剂（中间介质）间接消耗，当试验系统的热力状态趋于稳定时，表明换热器2内趋于动态热平衡。当系统处于热平衡时，其热平衡方程式为：（W）…………(1)式中：──蒸发器盘管制冷量/W──电加热功率/W──第二制冷剂换热器2的热损失（外界传入为正）/W当实际试验工况与规定的试验工况相一致，以及实际供电频率和规定电网频率一致时，蒸发器盘管制冷量即为热泵压缩机的制冷量。若实际的试验工况和规定工况有些差异，根据热泵压缩机制冷量的定义，用以下的公式求得全封闭式热泵压缩机在规定试验工况下的制冷量。（W）…………..(2)式中：──热泵压缩机规定试验工况下的制冷量/W；──规定试验工况下热泵压缩机吸入蒸汽的比焓/kJ/kg；──规定试验工况下节流阀前液态制冷剂的比焓（kJ/kg）──实际试验工况下热泵压缩机吸入蒸汽的比焓（kJ/kg）──实际试验工况下节流阀前液态制冷剂的比焓（kJ/kg）──规定试验工况下热泵压缩机吸入蒸汽的比容（m3/kg）──实际试验工况下热泵压缩机吸入蒸汽的比容（m3/kg）──规定试验工况下热泵压缩机供电频率（Hz）──实际试验工况下热泵压缩机供电频率（Hz）5、第二制冷剂换热器2热损失的标定将换热器2与制冷系统的阀门全部关闭，接通电加热管电源，供给电能使第二制冷剂循环，调节供电量，使第二制冷剂温度稳定于某值，该值所对应的第二制冷剂的饱和温度与环境温度之差不小于14℃，此时维持供电量，其值波动应在±1％之内，并使第二制冷剂压力相对应的饱和温度的波动不大于±0.5℃，读得电加热量。第二制冷剂换热器2热损失系数由下式确定：（W/℃）………..(3)式中：──第二制冷剂换热器2热损失系数（W/℃）──第二制冷剂稳定压力所对应的饱和温度（℃）──环境温度（℃）从而可利用值，求得试验条件下第二制冷剂换热器2的热损失：（W）………(4)式中：──实际试验条件下第二制冷剂稳定压力所对应的饱和温度（℃）──实际试验条件下环境温度（℃）测定的第二制冷剂换热器2的绝热效果应使散热量不超过被测压缩机制冷量的5％。（二）实验步骤1准备工作（1）实验前准备预习实验指导书，详细了解实验装置及各部分的作用，检查仪表的安装位置及熟悉各测试参数的作用；了解和掌握制冷和制热系统的操作规程；熟悉制冷工况的调节方法。（2）在熟悉了实验系统，明确了实验内容和操作步骤以及注意事项，掌握了实验设备和仪表的使用方法之后，依次逐步进行实验（3）检查制冷/制热系统各部分有无异常，如有异常，则应首先处理完好。比如制冷剂压力是否正常，以保护压缩机。（4）检查换热器2内乙二醇溶液是否覆盖盘管，若不是，添加配制30%乙二醇溶液至埋没铜管；（5）启动总电源，启动控制电源开关，进行设备预热，一般冬季需要5min左右（夏季此步骤省略）；（6）设置参数，设置压力保护上限1.5MPa，温度保护上限90℃，压缩机启动间隔2.5min（可有效保护压缩机，防止超过使用要求）；（7）通过触控机启动换热器1电机，开启手动节流阀和电磁阀，以保证整个设备内压力基本一致（防止热泵压缩机突然启动导致压力过大）（8）启动换热器2外循环泵，以保证换热器2内换热介质处于均匀状态2制冷实验操作（1）打开VA11~VA14，检查VA21~VA24处于关闭状态；（2）启动压缩机，观察运行过程中压力和温度变化情况，并通过视液镜观察制冷剂相变状态，对比分析整个制冷过程每个阶段的变化过程；（3）微调工况手阀，控制制冷压降处于合适范围（4）运行一段时间后，观察到换热器2内温度约为15℃时，启动换热器2加热，建议初始可设置加热比例为60%；（5）选择控制换热器2温度15℃（此处可根据任务设定），当达到所需温度时，换热器2温度依然下降，可通过调节换热器2加热功率使其稳定（6）5min左右，设备状态不再变化，则视为稳定，记录此时相关压力、温度、功率；（7）再次控制换热器2温度10℃、5℃，重复8、9步骤；（8）根据实验数据，查询相关实验点的焓值，并记录到数据处理表格，画出相关压焓图，并根据压焓图进行数据处理；分析对比相关现象，并解释相关原因。（9）调节换热器2加热至蒸发器出口温度至规定工况，并调节节流阀节流流量至压缩机入口规定工况，记录相关数据；（10）实验结束，关闭加热，关闭压缩机；保持冷凝风扇运行大约5分钟后，断电并整理实验台。3制热实验操作（1）打开VA21~VA24，检查VA11~VA14处于关闭状态；（2）启动压缩机，观察运行过程中压力和温度变化情况，并通过视液镜观察制冷剂相变状态，对比分析整个制冷过程每个阶段的变化过程；（3）微调工况手阀，控制制冷压降处于合适范围（4）记录此时的换热器2温度，稳定10min后，再次记录换热器2的温度；（5）记录此时相关压力、温度、功率；（6）根据实验数据，查询相关实验点的焓值，并记录到数据处理表格，画出相关压焓图，并根据压焓图进行数据处理；分析对比相关现象，并解释相关原因。（7）根据热量公式，计算换热器2实际吸收热负荷，并计算相关制热系数；（8）实验结束，关闭压缩机；保持冷凝风扇运行大约5分钟后，断电并整理实验台。五、实验/实践结果处理1、记录数据：（1）记录吸气压力、排气压力、冷凝压力、节流阀前压力、节流阀后压力、换热器2内压力、压缩机吸排气温度、冷凝器出入口温度、膨胀阀前后温度、换热器2出口温度、换热器2温度、室内环境温度。（2）测定换热器2电流、换热器2电压。（3）测定压缩机输入电流I1、输入电压U1，计算输入功率。（4）每间隔l0分钟读取一次数据，并以连续四次读值的算术平均值作为计算依据。2、制冷剂流量计算（第二制冷剂换热器2法）：

（）式中——供给电换热器2的功率，W；换热器2循环产热功率记为10W——电换热器2热的漏热系数（k=4.00W/℃，此漏热系数为测定漏热系数，有兴趣的同学可对漏热系数测定进行测定）；——环境温度，℃；——第二制冷剂饱和温度（根据其饱和压力查表），℃；——制冷剂在换热器2出口的焓值，kJ／kg；——节流阀前液体制冷剂的焓值，kJ／kg；3、实际制冷量计算：Qp=(W式中：──热泵压缩机试验工况下的制冷量/W；W1──换热器2电加热功率W──规定试验工况下热泵压缩机吸入蒸汽的比焓/kJ/kg；──规定试验工况下节流阀前液态制冷剂的比焓（kJ/kg）──实际试验工况下热泵压缩机吸入蒸汽的比焓（kJ/kg）──实际试验工况下节流阀前液态制冷剂的比焓（kJ/kg）──规定试验工况下热泵压缩机吸入蒸汽的比容（m3/kg）──实际试验工况下热泵压缩机吸入蒸汽的比容（m3/kg）──规定试验工况下热泵压缩机供电频率（Hz）──实际试验工况下热泵压缩机供电频率（Hz）；4、压缩机压比、制冷循环压比计算：α其中：P1——压缩机入口压力P2——压缩机出口压力P3——节流前压力P4——节流后压力5、压缩机的输入功率测定：(W)式中：I——输入电流AU——输入电压V6、制冷系数计算ε7、性能系数COP的计算 此指标考虑到驱动电机效率对耗能的影响，以单位电动机输入功率的制冷量大小进行评价，该指标多用于全封闭热泵压缩机。计算公式如下：COP式中