建筑用制冷技术试验讲义大连理工大学土木水利试验教学中心.docx
《建筑用制冷技术试验讲义大连理工大学土木水利试验教学中心.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑用制冷技术试验讲义大连理工大学土木水利试验教学中心.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
建筑用制冷技术试验讲义大连理工大学土木水利试验教学中心
《建筑用制冷技术》
实验教学讲义
大连理工大学土木水利实验教学中心
建筑环境与设备工程实验室
2011年10月
一.单级蒸汽压缩式制冷性能实验
（一）实验目的
1）观察运行工况下的蒸汽压缩式制冷循环，了解系统主要部件的工作特点。
2）掌握制冷系统循环过程以及制冷剂在循环过程中的状态变化。
3）测定制冷系统工作时的制冷量、放热量以及压缩机的轴功率，并计算该压缩机的制冷系数、制热系数。
（二）实验原理
该实验系统是典型的蒸汽压缩式制冷循环，系统的示意图如下：
图1蒸汽压缩式制冷循环系统示意图
本装置采用的制冷压缩机是冰箱用的全封闭式制冷压缩机。
所演示的制冷过程是采用液体气化制冷中的蒸汽压缩式制冷。
其工作原理是使制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩、放热、节流和吸热四个主要热力过程，以完成制冷循环。
冷凝器与蒸发器外有防爆罩，内有盘管。
盘管内通自来水，向冷凝器提供冷却水，使气态制冷剂变成液态；向蒸发器提供热水，使制冷剂在蒸发器内吸热而汽化蒸发。
实验过程中冷凝器中制冷剂不断增加，当达到一定液位时，没入其中的浮子在浮力的作用下浮起，将阀门打开，使制冷剂返回到蒸发器中，随从而使制冷剂在本装置中自动循环。
1）压缩机制冷量
为了便于观察制冷剂的工作变化状态，循环装置中的冷凝器和蒸发器外壳均由玻璃制成，这样表面和周围空气环境就有传热存在；此外压缩机表面也有散热损失，这些由制冷设备与周围环境空气之间的传热量在计算中应予以考虑（管路部分由于保温，散热量忽略不计）。
经事先标定，冷凝器、蒸发器及压缩机与空气环境的传热量为：
蒸发器：
qe＝0.8（ta－te）×10-3kW
冷凝器：
qc＝－0.8（ta－tc）×10-3kW
压缩机：
－20×10-3kW
式中ta——实验环境空气温度，℃；
te——制冷蒸发温度，℃；
tc——制冷冷凝温度，℃；
式中负号表示设备放热。
蒸发器盘管吸热量，即不包括Qe的冷凝器放热量为：
Qe＝mecp（t1－t2）kW
冷凝器盘管放热量，即不包括Qc的冷凝器放热量为：
Qc＝mccp（t3－t4）kW
蒸发器制冷量，即在蒸发器侧制冷剂的吸热量为：
Q1＝Qe＋qekW
冷凝器制冷量，即在蒸发器侧制冷剂的放热量为：
Q2＝Qc＋qckW
式中：
me，mc——冷冻水、冷却水流量，kg/s；
t1，t2——冷冻水进出口温度，℃；
t3，t4——冷却水进出口温度，℃；
cp——水的定压比热，cp＝4.18kJ/kg。
2）压缩机轴功率
压缩机轴功率一部分直接用于压缩气体，另一部分用于克服摩擦阻力而发热，轴功率为：
N＝I×VkW
式中：
I——电流表读数
V——电压表读数
3）压缩机制冷系数、制热系数
制冷系数ξ1＝Q1/N；
制热系数ξ2＝Q2/N；
（三）实验步骤
1）启动压缩机前应首先打开冷却水，否则不可开机。
回液阀放在自动位置上。
2）运行初始蒸发压力为负压，冷凝压力大于0Mpa均属正常。
注意冷凝器内的压力最大不可超过0.2Mpa。
冷凝器的压力可以通过调节冷凝器的冷却水流量来控制，如果调节水量都不能起到作用，可判断系统已渗入空气。
3）水温过低时，蒸发器内制冷剂的蒸发效果不明显。
可将加热器开关阀打开，以提高蒸发器的进水温度。
4）待系统稳定后，进行实验测定。
测定环境温度ta、蒸发温度te、冷凝温度tc、冷冻水进出口温度t1和t2、冷却水进出口温度t3和t4。
每10分钟取一组数据，连续3次。
5）观察各部件的工作过程：
（1）冷凝器中气态制冷剂被冷却沿着冷却盘管呈滴状流下。
（2）在蒸发器中，液态制冷剂吸收加热盘管中的热量而沸腾汽化的过程
（3）压缩机活塞的压缩过程。
6）测量完毕，先关闭制冷压缩机，过5分钟再关闭供水阀门。
（四）实验数据记录及整理
1）空气环境温度ta＝℃
2）蒸发器热量计算：
编号
蒸发压力
Pe（pa）
蒸发温度te（℃）
冷冻水温度
Qe
（kW）
Qe
（kW）
制冷量
Q1（kW）
平均制冷量kW
进口t1（℃）
出口t2（℃）
1
2
3）冷凝器热量计算
编号
冷凝压力
Pc（pa）
冷凝温度tc（℃）
冷却水温度
Qc
（kW）
Qc
（kW）
制冷量
Q2（kW）
平均制冷量kW
进口t4（℃）
出口t3（℃）
1
2
3
4）电机轴功率
编号
电流I（A）
电压V（V）
电功率N（kW）
平均电功率kW
1
2
3
5）制冷系数、制热系数计算
6）绘制出典型的蒸汽压缩式制冷循环氟利昂流程图（P-V图或T-s图），并结合观察到的氟利昂的状态变化描述整个循环过程。
二.蒸发器热力性能实验
（一）实验目的
1）了解蒸发换热实验原理与蒸发换热实验装置的结构；
2）掌握蒸发换热实验装置的操作方法与实验数据处理方法；
3）通过实验得出被测工质在不同换热表面上的换热系数。
（二）实验原理
实验原理依据能量守恒原理和在能量守恒原理基础上建立的热传导系数基本方程。
基于能量守恒方程，管外工质与管壁的蒸发换热量等于高温水与管壁的对流换热量。
即：
（1）
mw=ρwVw
（2）
Ao=πdoL（3）
式中，Q为水侧换热量，W；mw为通过换热管水的质量流量，kg/s；ρw为水的密度，kg/m3；Vw为通过换热管水的体积流量，m3/s；Cp,w为水的定压比热，J/（kg·℃）；△tw为水侧进出口温差，℃。
K为传热系数，W/（m2·℃）；△tm为对数平均温差，℃；为管外侧换热面积，m2；do为换热管外径，m；L为换热管长度，m。
由
（1）
（2）（3）三式可导出传热系数的计算表达式如下
（4）
式中
（5）
（6）
式中to为热水出口温度，℃；tin为热水进口温度，℃；te为工质液体饱和温度，℃；
将（5）、（6）代入（4）中整理可得到传热系数的计算表达式如下
（7）
根据热传导过程中的能量守恒关系可以列出总热传热系数（以管外径为基准）基本方程为
（8）
由式（8）可得换热管蒸发换热系数ho的计算表达式如下
（9）
hi为管内水流动对流换热系数
（10）
式中，hi为管内侧对流换热系数，W/（m2·℃）；STC为管内西得和塔特常数，实验前需通过wilson描点法获得；λw为水的导热系数，W/（m·℃）；di为蒸发管内径，m；Rew为管内雷诺数；Prw为水的普朗特数；μm为水在进出口平均温度下的动力粘度，N·s/m2；μw为水在管壁温度Ttw下的动力粘度，N·s/m2。
Rtw为管壁导热热阻，通过下式计算
（11）
式中，λtw为管材导热系数，W/（m·℃）。
由于管壁材质紫铜的导热系数很高，该项对应的实值很小，对计算结果影响不大。
Rfi为管内壁污垢热阻，其受诸多因数的影响，如水质、温度、流速、时间以及换热面结构等，难以给出统一的计算表达式。
对于新实验管段，可取Rfi=0。
Rfo为管外壁污垢热阻，在实验中可取Rfi=0。
综上可得水平管外蒸发换热系数的计算表达式如下
（12）
式中，vw为水的运动粘度，m2/s；
（三）实验装置
根据美国供暖制冷空调工程师学会标准ANSI/ASHRAE22-1992，设计并制造了本实验装置，如图1所示。
装置主要分三部分：
1）工质循环子系统
蒸发实验段1内的液态工质经热水加热，达到设定的饱和温度后产生饱和蒸气，饱和蒸气经管路输送到冷凝实验段2壳侧，途经过热器5时将产生一定的过热度（以防止蒸气在输送管道中遇冷凝结，产生蒸气带液的问题），饱和工质蒸气在实验段中遇冷凝结，冷凝液在重力的作用下通过管子又回到蒸发实验段1。
如此反复进行上述过程，也便形成了工质在系统中的自然循环。
2）水循环子系统
实验中有两套水循环子系统，它们除水温差别外，其余循环特性十分接近。
低位水箱12与13内的介质水经各子系统内对应的循环水泵10提升到相应的高位水箱7中，高位水箱中具有恒定水位的冷却水在恒定压头的作用下，流入蒸发实验段1/冷凝换热段2的管侧对工质进行加热/冷却，经实验段换热后再经转子流量计9和计量水箱10回到相应的低位水箱。
此外，冷却水流经高位水箱时被置于水箱内的电加热器加热以维持恒定的出水温度，进入高位水箱的富余水量将通过溢流管直接流回相应的低位水箱。
3）计算机监测控制子系统
实验中需要数据采集类别多、数量大而且同步性要求较高，这是人工记录难以完成的；实验测试要在相对稳定的工况下进行，这就需要实时监控蒸发实验段内的饱和液体温度与实验段入口水温，使之处于相对稳定的区间。
为满足上述要求，配备了计算机自动数据采集与监控系统，通过kethley模块自动采集记录温度数据，通过电量采集模块自动采集冷却水高位水箱和工质蒸气发生器中加热器的功率数据，相应数据传输给计算机后通过给定算法计算出各被控件的控制量，各控制量作用在可控硅继电器上，以开关时间调节电加热器加热量，进而达到预设的控制目标。
1-蒸发实验段2-冷凝实验段3-附属冷凝器4-可控硅继电器
5-过热器6-电加热器7,8-高位水箱9-循环水泵
10-转子流量计11-计量水箱12,13-低位水箱14-高效过滤器
15-导流槽16-计算机采集系统
图1水平管外蒸发换热实验台
（四）实验步骤
1）实验前的准备工作
（1）更换高效过滤器14上的滤布，向热电偶公共参考端所在冰瓶内补充碎冰；
（2）检查水箱12、13中水位是否满足水泵抽吸要求，各阀门是否关闭，热电偶温度采集仪、功率采集仪、工质蒸气发生器／冷却水高位水箱温度控制器开关是否关闭；
（3）打开系统总电源开关，检查电气控制柜各用电器指示灯是否正常工作；
（4）开启计算机自动监控采集程序，设定采样参数如采样周期、存储周期等；控制参数如比例增益、积分增益、积分分离上下限及控制精度；工况参数如工质液体饱和温度、冷却水高位水箱供水温度等；
（5）开启系统循环水泵，调节冷却水控制阀门，使得冷却水高位水箱溢流管道有少量水流出，以维持冷却水高位水箱中的水位略高于水箱中的堰，保证系统冷却水流量稳定，并反复测试各根管的冷却水流量。
同时，水侧进入加热调节阶段，直至高位水箱供水温度稳定在设定值附近；
（6）冷却水与热水侧温度参数分别达到设定值后时，调节工质侧温度至冷却水温度，稳定后记录10分钟的实验数据作为实验前冷却水进水温度的标定数据；
2）实验步骤
在上述准备工作之后，根据实验具体测试工况要求完成下列操作
（1）测试蒸发实验段水的体积流量；
（2）维持冷凝段入口冷却水温度不变，提高通过蒸发实验段进口热水水温，使实验段内发生池沸腾现象，当达到设定的热流密度值时，维持热水进水水温恒定；
（3）调节混入冷却水系统的冷水流量以抵消冷却水在冷凝实验段的得热量，使实验段进水水温维持在原设定值，一段时间后，系统将达到自平衡，通过计算机记录10分钟的稳态数据，完成一种比热流工况下的实验；
（4）通过提升热水进水温度的方法来改变比热流，并按照2）、3）完成另一种比热流工况下的实验。
反复该步操作4次
（5）完成同一进水温度下的5组实验后，再次设定工质侧温度至冷却水温度，并关闭混入冷水，待系统达到稳定后记录10分
升级会员 