北理珠制冷原理设备实验指导书.docx

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北理珠制冷原理设备实验指导书

北京理工大学珠海学院

实

验

指

导

书

热能与动力工程教研室

2014.5

目录

实验一单级蒸汽压缩制冷循环制冷装置的认识2

实验二制冷（热泵）循环演示装置实验5

实验三制冷（热泵）故障分析8

（一）、汽—汽热管换热器性能测试

前言

热管起源于二十世纪六十年代，是一种具有特高导热性能的新型传热元件。

热管理论一经提出就得到了各国科学家的高度重视，并展开了大量的研究工作，使得热管技术得以迅速发展。

我国自二十世纪80年代以来相继开发了热管气－气换热器、热管气－水换热器、热管余热锅炉、热管蒸汽发生器、热管热风炉等各类热管产品。

热管换热技术因其卓越的换热能力及其他换热设备所不具有的独特换热技术在航空、化工、石油、建材、轻纺、冶金、动力工程、电子电器工程以及太阳能等领域得到了广泛的应用。

一、实验原理

典型的热管由管壳、外部扩展受热面（散热器）、端盖组成。

它的下部是由一根高效换热管组成的换热系统，上部则是内部真空的散热器壳体组成的重力热管系统。

其工作原理是：

热水流过换热管时，把热能交换到液体工质中，液体工质在极小的热阻下迅速蒸发汽化扩散到散热器上部，整个散热器达到很高温度并向外散热。

气体工质在散热的同时冷凝为液体工质，并依靠自身重力回流到壳体底部，继续进行下一个相变传热循环。

热管的传热原理决定着热管具有以下基本特性：

较大的传热能力，热管巧妙的组织了热阻较小的沸腾和凝结两种相变过程，使它的导热系数高达紫铜导热系数的数倍以至数千倍；优良的等温性，热管内腔的气体是处于饱和状态，饱和气体由蒸发段流向冷凝段的压力差很小，因而热管具有优良的等温性；不需要输送泵及密封润滑部件，结构简单，无运动部件和噪音。

热管组成的热管换热器具有以下优点：

1.热管换热器可以通过换热器中的隔板使冷热工质完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏，不会导致冷热流体的掺杂。

所以热管换热器具有很高的可靠性，适用于易然、易爆、腐蚀等流体的换热过程；

2.热管换热器的冷、热流体完全分开流动，比较容易的实现冷、热流体的完全逆流换热；同时冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，且两侧受热面均可采用扩展受热面。

用于品位较低的热能的回收非常经济；

3.热管换热器可以通过调整热管结构尺寸，扩展受热面形式，解决换热器的磨损堵灰问题。

4.带有腐蚀性的烟气的余热回收时使用热管换热器，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。

二、实验目的

1）熟悉热管换热器实验台的工作原理和使用方法。

2）了解热管换热器换热量与风温、风速及热管倾斜角度等参数的关系。

3）掌握气—气热管换热器性能的测试方法，换热量

和传热系数

的计算方法。

三、实验装置

实验台主要由翅片式（铝轧片管）热管换热器、电加热器组、冷热端风机、风量调节阀门、测速笛形管、数显式测温系统和工作台等组成，其结构特点如下：

（1）热段空气采用循环系统，系统升温快、省电。

（2）热风电加热系统分三组控制。

其中一组可无级调节，温度调节灵活、稳定。

（3）采用数显式测温系统，具有快速、准确、方便等特点。

实验台的结构如图1所示

实验台主要机构尺寸如下：

（1）冷、热端测速段风管截面积（D=120mm）

m2

（2）热管换热器冷或热端传热表面积（按14根热管计算）

m2（或根据直径计算）

（3）排列形式：

14根3列竖向、叉排。

四、实验内容与测量

简述实验原理及过程；绘制换热器性能测试系统原理图；

稳定运行条件下，测量冷端和热端空气在换热器进出口处的温度，冷热端空气流速、流量。

分析实验数据，计算换热器的总传热系数，对数平均传热温差和热平衡误差等，绘制传热性能曲线（以传热系数为纵坐标，空气流量为横坐标绘制传热性能曲线）；

分析实验数据误差结果。

五、实验步骤与数据记录

将电源插头插在插座上，合上总电源开关，数据巡检仪显示。

开启热端风机开关，调节热端循环风量（利用风机进口处的风量调节板，改变其面积来进行调节）

打开三组电加热器（电热器开关受热端风机开关控制，只有当热端风机开启后才能接通电加热器开关）。

调节热风温度，使其趋近并达到稳定。

热端进风温度是用电加热器开关的开启数量（即接通电加热器的数量）和电加热器的调压旋转钮来进行调节。

电加热器组分三级（2kW、1kW、0~1kW）进行控制，其中一组可利用调压旋钮进行无级调节（顺时针旋转为升压，反之为降压）。

观察热风温度，待该温度达到（或接近）实验预期值时，开启冷端风机开关，并利用其出风口处的旋转调风阀改变其开口大小来调节冷端风量。

在第一个实验工况点稳定后即可开始记录数据。

记录冷、热端笛形管压差及各测点空气温度值，记录工作每隔2~3分钟进行一次。

依次调整可调参数（整个实验可将可调参数在调节范围内均匀地分成5~7个工况点进行测定），重复上述步骤，测定和记录其它工况点的数据。

实验结束后，首先停止电加热器工作，5分钟后停止冷、热端风机工作，切断电源。

（1）热管换热器垂直放置，固定冷、热端空气流量，改变热端空气进口温度（温度调节范围：

35~60℃）

六、操作注意事项

注意：

热管换热器工作温度（热风进口温度）为35~60℃，切勿超温使用，以防损坏热管。

停止电加热器工作后，冷、热端风机继续工作五分钟后切断电源。

七、实验数据处理

1冷端空气流量

流速：

[m/s]

流量：

VL=FLVL[m3/s]

2.热端空气流量

流速：

[m/s]

流量：

VR=FRVR[m3/s]

3．冷端换热量

[W]

4．热端换热量

[W]

5．平均换热量

[W]

6．热平衡误差

7．传热系数

式中：

PL，PR—冷、热端测速段全压[Pa]

PLj，PRj—冷、热端测速段静压[Pa]

ΔPL，ΔPR—冷、热端测速笛形管压差[Pa]

ξL=1.005,ξR=1.006—冷、热端测速段笛形管压差修正系数

，

—冷、热端测速段笛形管流量修正系数，取1.05

，

—冷、热端测速段空气密度[kg/m3]

TL1,TL2—冷端空气进出口温度[℃]

TR1,TR2—热端空气进出口温度[℃]

Δt——传热温差

[℃]

八、实验数据记录

表一热风进口温度变化时的各组参数

编号

ΔPL

ΔPR

TL1

TL2

TR1

TR2

表二热平衡计算表

编号

冷端空气流量

热端空气流量

冷端吸热量

热端放热量

平均换热量

传热系数K

热平衡偏差

（二）、空气加热器性能测试

在空气调节系统中，除应用喷水室对空气进行热湿处理外，还广泛采用表面式换热器对空气进行处理。

通常表面式可分为表面式冷却器和空气加热器两大类

表面式冷却器一般以冷水或者制冷剂作为冷媒，可实现对空气的等湿冷却、减湿冷却等处理过程。

空气加热器一般以热水或者蒸汽作为热媒，可实现对空气的等湿加热的处理过程。

一、实验目的

通过本实验熟悉和掌握空气加热器（简称加热器）性能（换热量）的测定方法。

二、实验装置及仪器

图一、实验装置示意图

1.循环水泵2.转子流量计3.过冷器4.表冷器5.实验台支架6.吸入段7.整流栅8.加热前空气温度9.表冷器前静压10.U形差压计11.表冷器后静压12.加热后空气温度13.流量测试段14孔板17.风机18.倾斜管压力计19.控制测试仪表盘20.水箱

换热器为表冷器，表冷器几何尺寸如下表：

铝翅片尺寸

（mm）

片 距（mm）

基管直径

dw/dn（mm）

迎风面积

Fy（m2）

散热面积

F（m2）

最窄通风面积

f（m2）

热水流通面积

fˊ（m2）

200

43

2.0

10/8

0.04

0.885

0.026

0.00001256

2．水箱电加热器总功率为4.5kW，分三档控制，三档功率分别为1.5kW。

3．空气温度和热水温度用K型热电偶测量。

4．空气流量用孔板配倾斜式微压计测量。

5．空气通过换热器的流通阻力，在换热器前后的风管上设静压测嘴，配倾斜式微压计测量；热水通过换热器的流通阻力，在换热器进出口处设测阻力测嘴，配压力表和U型管测量。

6．热水流量用转子流量计测量。

三、实验方法

1．联接电源（380V，四线，50HZ，5kW）。

2．向电热水箱内注水至水箱净高5/6处。

3．用耐压胶管连接换热器进出口处的阻力测嘴和差压计的管口。

4．连接倾斜式微压计及其相应的接口。

5．工况调节

1）全开水箱电加热器开关，待水温接近试验温度时，打开水泵开关，利用水泵出口阀门调节热水流量。

2）视换热器情况，调节水箱电加热器功率（改变加热器投入，并利用调压器改变第三组加热器工作电压），使热水温度稳定于试验工况附近。

[注]停机注意事项：

（1）先关闭全部电热器开关；

（2）十分钟后关闭水泵和风机开关。

（3）最后，切断电源。

四、实验步骤

1）拟定试验热水温度（可取T1=50~65℃）

2）在固定热水流速，改变空气流速的工况下，进行一组试验（5个以上工况）。

3）在固定空气流速，改变热水流速的工况下，进行一组试验（5个以上工况）。

4）每一工况的试验，均需测定以下参数：

空气进口温度（或室温）；空气出口温度及空气流量；热水进出口温度及热水流量；空气和热水通过换热器的阻力等。

五．数据处理

1）空气吸热量：

Q1=Cpk·Gk（t2-t1）,[W]

2）热水放热量：

Q2=Cps·Gs（T1-T2）,[W]

3）平均换热量：

，[W]

4）热平衡误差：

5）传热系数：

·[W/m2·℃]

式中：

Cpk，Cps分别为空气和水的定压比热。

[J/kg·℃]

Gk，Gs分别为空气和水的质量流量，[kg/s]

Gk=

m3/s

α——流量系数，空气取0.9988；

ε——被测介质的膨胀校正系数，空气取0.6329；

F0——孔板喉部断面面积m2；

ΔP——孔板前、后取压断面的静压差，

ρ——气体密度，kg/m3；

Gs——进口温度下的水流量kg/s

b——微压计倾斜比1/5

t1，t2——空气的进出口温度,[℃]

T1，T2——热水的进出口温度,[℃]

F——换热器散热面积0.885[m2]

——传热温差，[℃]

[℃]

[注意事项]：

热水温度不能超过70℃。

以免影响设备使用寿命。

将原始数据记于表一、表二。

将计算整理数据记于表三。

加热器的平均换热量为

式中：

加热器的平均换热量，kW；

实验中两流体间的热平衡偏差为

则符合要求，实验即为合格；否则需要改变运行参数，重新进行测定与计算。

表一固定热水流速记录表

编号

空气流速 

水测流量：

空气侧

进口温度

出口温度

进口温度

出口温度

1

2

3

4

5

表二固定空气流速记录表

编号

水测流速 

水测

 空气侧流量：

进口温度

出口温度

进口温度

出口温度

1

2

3

4

5

表三

水测流量

空气侧流量

水测换热量Q1

空气侧换热量Q2

平均换热量Q

传热系数K

热平衡偏差

六、问题讨论

1、换热量随水测或空气侧流速的改变怎么样变化？

2、传热系数随水测或空气侧流速的改变怎么样变化?

（三）、翅片管式换热器性能测试

一、实验目的

1．了解翅片管式换热器的原理；

3．测量翅片管式换热器的性能；

4．培养学生独立进行科研实验的能力。

二、实验内容

1．熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温度、测压差、测流速、测热量等仪表。

2．正确安排实验，测取管外放热和阻力的有关实验数据。

3．对实验设备，实验原理，实验方案和实验结果进行分析和讨论。

三、实验设备

实验的翅片管束安装在一台低速风洞中——实验装置和测试仪表如图1所示。

试验由有机玻璃风洞，加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。

有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段，整流丝网、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。

工作段和前后测量段的内部横截面积为200mmx200mm。

五、实验步骤

1．熟悉实验原理,实验设备

2．调试检查测温、测速、测热等各仪表，使其处于良好工作状态；

3．接通电加热器电源，将功率控制在150W，予热5~10分钟后，开动引风机，注意到引风机需在空载或很小的开度下启动；

4．调整引风机，来控制实验工况的空气流速，一般空气风速应从小到大逐渐增加，实验中，根据毕托管压差读值，可改变6~7个风速值，这样就有6~7个实验工况；

将测量的量整齐地记收予先准备好的数据记录表格中。

6．进行实验数据的计算和整理，将结果逐项记入数据整理表格中。

在整理数据时，可以用手算程序。

7．对实验结果进行分析和讨论。

应注意，当所有工况的测量结束以后，应先切断电加热器电源，待10分钟后，再关停引风机。

六、数据整理

数据的整理可按下述步骤进行：

1．计算风速和风量

测量截积的风速

（8）

α——流量系数，空气取0.9988；

ε——被测介质的膨胀校正系数，空气取0.6329；

F0——孔板喉部断面面积m2；

ΔP——孔板前、后取压断面的静压差，可用ρgh计算

ρ——气体密度，kg/m3；

故得出速度的单位为m/s

风量：

Ma=U测

F测

ρ测

其中：

测量截面积F测=0.072m

3.14，测量截面处的密度由出口空气温度Ta2确定。

2．空气侧吸热量：

（9）

3．电加热器功率

式中：

I——电流表读值（A）；

U——电压表读值（V）。

4．计算热平衡误差

（10）

七、讨论

（一）分析实验误差原因和改进措施。

（二）通过实验，掌握了哪些实验技能？

巩固了哪些基本概念？

附录

表一实验数据记录表

序

空气流速

空气流量

空气侧进口温度

空气侧出口温度

电加热器加热时间（t）

1

2

3

4

5

6

表二实验数据处理

编号

空气侧换热量

电加热量

热平衡差

1

2

3

4

5

6