制冷（热泵）循环演示实验

实验装置实景

（一）实验目的

　　1. 演示制冷（热泵）循环系统的工作原理，观察制冷工质的蒸发、冷凝过程和现象；

　　2. 熟悉制冷（热泵）循环系统的操作和调节方法；

　　3. 进行制冷（热泵）循环系统初步的热力计算。

（二）制冷（热泵）循环的基本原理

2.1 制冷（热泵）循环的基本概念

　　制冷（热泵）循环是一种逆向循环，其目的在于将低温物体（热源）的热量转移到高温物体（热源）中去。根据 Clausius 关于热力学第二定律的叙述，要实现热量由低温物体向高温物体的迁移，外界必须向系统提供机械能或者热能。

　　制冷循环与热泵循环从原理上讲是完全相同的，区别在于工程应用中侧重点不同。制冷循环的主要目的是从低温物体（热源）取走热量，以维持低温；而热泵循环的主要目的是不断向高温物体（热源）输送热量，以维持高温。因此工程实际中制冷机和热泵在设计和制造上有一定区别。

2.2 制冷（热泵）循环的经济性指标

　　制冷循环的经济性指标是制冷系数；热泵循环的经济性指标是供热系数。其计算方法均是得到的收益与消耗的代价的比值。以卡诺逆循环为例，在图 1 所示的 T - s 图上，高温热源温度为 T I ，低温热源温度为 T II ，那么根据制冷系数的定义得到下式：

(2-1)

　　上式中 Q II 表示从低温热源带走的热量， Q I 表示向高温热源释放的热量， W 代表外界对系统所做的功或者提供的热。

2.3 蒸汽压缩式制冷循环的基本原理

　　蒸汽压缩式制冷是各种制冷方式中应用范围最广的制冷方式。本演示实验也是根据蒸汽压缩式制冷的原理设计的。

　　图 2 所示为蒸汽压缩式制冷循环的设备示意图和 T-s 图。主要设备包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。具体的循环过程的描述是：工质从蒸发器流出时为干饱和蒸汽（状态 1 ）；进入压缩机进行可逆绝热压缩过程（过程 1 — 2 ），工质升压升温至过热蒸汽（状态 2 ）；过热蒸汽进入冷凝器，实现可逆定压放热过程（过程 2 － 3 － 4 ），至饱和液态（状态 4 ）；饱和液经过膨胀阀作不可逆绝热节流过程（过程 4－5 ），降压降温至状态 5 ；低温液体进入蒸发器实现可逆定压蒸发过程（过程 5 － 1 ），达到饱和气态（状态 1 ）。这样完成了一个循环。其中过程 5 － 1 从低温热源带走热量，过程 2 － 3 － 4 向高温热源放出热量。

（三）实验装置及操作步骤

3.1 实验装置

　　本实验装置由全封闭式压缩机、换热器 1 、换热器 2 、浮子式节流阀、四通换向阀以及管路组成制冷（热泵）循环系统；由流量计以及换热器内盘管组成水系统；同时设有温度、压力、电流、电压等测量仪表，用于测量工质温度以及对系统实现控制。装置示意图如图 3 所示，当系统做制冷循环时，换热器 1 做蒸发器，换热器 2 做冷凝器；热泵循环时换热器 1 做冷凝器，换热器 2 做蒸发器。系统使用低压工质 R11 做制冷剂。

3.2 操作步骤

一 . 制冷循环演示：

　　1. 把四通换向阀调至 “ 制冷 ” 位置；

　　2. 打开连接演示装置的供水阀门，利用浮子流量计阀门适当调节蒸发器、冷凝器水流量；

　　3. 开启制冷压缩机，观察工质冷凝、蒸发过程及其现象；

　　4. 待系统运行稳定后，即可记录压缩机输入电流、电压、冷凝压力、蒸发压力、冷凝器和蒸发器的进、出口温度以及水流量等参数。

二 . 热泵循环演示：

　　1. 把四通换向阀调至 “ 热泵 ” 位置；

　　2. 类似上述 2 、 3 、 4 步骤进行操作和记录。

（四）制冷（热泵）循环系统的热力计算

　　数据准备：

　　1. 通过演示实验台可以直接观测记录的数据是：

　　换热器 1 的进口水温 t 1 [ ℃ ] 、出口水温 t 2 [ ℃ ] 、水流量 G 1 [kg/s] ；

　　换热器 2 的进口水温 t 3 [ ℃ ] 、出口水温 t 4 [ ℃ ] 、水流量 G 2 [kg/s] ；

　　换热器 1 内制冷剂工质压力 p 1 ；

　　换热器 2 内制冷工质压力 p 2 ；

　　环境温度 t 0 [ ℃ ] ；

　　电机电压 V [V] 、电流 I [A] ；

2. 计算所需要的物性参数和常数：

　　水的定压比热 c p ＝ 4.1868kJ/kg · K ；

　　换热器的热损失系数φ＝ 0.1kW/ ℃；

　　电机效率η＝ 98% ；

　　R11 在蒸发压力下对应的饱和温度 t e [ ℃ ] ；

　　R11 在冷凝压力下对应的饱和温度 t c [ ℃ ] ；（ t e 和 t c 需查 R11 热力性质表表）

1. 当系统作制冷循环时

2. 当系统作热泵循环时

分析讨论：

　　1. 分析实验结果，指出影响各参数测定精度的因素；

　　2. 指出本系统运行参数的调节手段是什么。

（五）实验注意事项

　　1. 为确保安全，切忌冷凝器不通水或无人看管情况下长时间运行；

　　2. 实验结束后，首先关闭压缩机，过一分钟后再关闭供水阀门；

　　3. 控制工质压力，不能超过 0.2Mpa 。

（六）实验预习要求

　　1. 复习教材中有关制冷（热泵）循环方面的原理和公式；

　　2. 了解一些常用的制冷方法；