制冷压缩机性能测试实训装置指导书

一、实验目的
1、了解压缩机性能测定的原理及方法；
2、了解压缩式制冷的循环流程及各组成设备；
3、测定蒸气压缩式制冷循环的性能；
4、理解与认识回热循环；
5、比较单级压缩制冷机在实际循环中有回热与无回热性能上的差异；
6、熟悉实验装置的有关仪器、仪表，掌握其操作方法。
二、实验原理
1、单级压缩制冷机的理论循环
图1显示了压力－比焓图上单级蒸气压缩制冷机的理论循环。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T_K下的饱和蒸气压力P_K；（）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，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。

图1
2、有回热的单级蒸气压缩制冷理论循环
为了使膨胀阀前液态制冷剂的温度降得更低（即增加再冷度），以便进一步减少节流损失，同时又能保证压缩机吸入具有一定过热度的蒸气，可以采用蒸气回热循环。
图3示为来自蒸发器的低温气态制冷剂1，在进入压缩机前先经过一个热交换器——回热器。在回热器中低温蒸气与来自冷凝器的饱和液体3进行热交换，低温蒸气1定压过热到状态1'，而温度较高的液体3被定压再冷却到状态3'，回热循环1'—2'—3—3'—4'—1—1'中，3—3'为液体的再冷却过程，过热后的蒸气温度称为过热温度，过热温度与蒸发温度之差称为过热度。
根据稳定流动连续定理，流经回热器的液态制冷剂和气态制冷剂的质量流量相等。因此，在对外无热损失情况下，每公斤液态制冷剂放出的热量应等于每公斤气态制冷剂吸收的热量。也就是说，单位质量制冷剂再冷却所增加的制冷能力△q₀（面积b'4'4bb'）等于单位质量气体制冷剂所吸收的热量△q（面积a11'a'a）。由于有了回热器，虽然单位质量制冷能力有所增加，但是，压缩机的耗功量也增加了△w₀（面积11'2'21）。因此，回热式蒸气压缩制冷循环的理论制冷系数有可能提高，也有可能降低，应具体分析。

图3
采用回热器的优点：
（1）对于一个给定的制冷量，制冷剂流量减少。
（2）在液体管路上气化的可能性减少（特别是在管路较长的情况下）。
（3）在压缩机的吸气管道上，可减少吸入外界热量。
（4）在压缩机吸气口消除液滴，防止失压缩。
3、单级压缩蒸气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，即冷却水温度T低于冷凝温度T_K，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（进口温度高，出口温度低）。
（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
4、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。 
三、试验台简介
制冷压缩机的制冷量的测试有几种方法，其中采用具有第二制冷剂的电量热器法是最精确的方法之一。具有第二制冷剂的电量热器法实验台的原理见图6-1。
整个实验装置由三部分组成：1、电量热器；2、制冷系统；3、水冷却系统。


四、实验方法
1.电量热器法是间接测量压缩机制冷量的一种装置，它的基本原理是利用电加热器发出的热量来抵消压缩机的制冷量，从而达到平衡。电量热器是一个密闭容器，如图6—2所示。电量热器的顶部装有蒸发器盘管，底部装有电加热器，浸没于一种容易挥发的第二冷剂(常用R11、R12)中。试验时，接通电加热器，加热第二制冷剂，使之蒸发，第二制冷剂饱和蒸气在顶部蒸发盘管被冷凝，又重新回到底部。而蒸发盘管中的低压液态制冷剂被第二制冷剂蒸气加热而气化，返回制冷压缩机。实验仪在试验工况下达到稳定运行时，供给电加热器的电功率正好抵消制冷量，从而使第二制冷剂的压力保持不变。
2.为了控制第二制冷剂的液面，在量热器的中间部位装有观察玻璃视液镜。（特别注意：在启动加热器前，必须通过观察视液镜确定量热器内有制冷剂的情况下，方可接通加热器工作）
量热器上装有压力控制器，它与加热器的控制电路相连接，防止压缩机停机后加热器继续加热，使量热器内压力升高到危险程度。 
五、实验步骤：
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；了解和掌握制冷系统的操作规程；熟悉制冷工况的调节方法。
首先把冷却系统水箱里加满清洁的自来水，一般加到水箱的2/3处即可。
通过量热器上的观察镜检查量热器内的第二制冷剂的液位，如果液位过低或观察不到，通过量热器的压力表值判断是否有制冷剂，若没有制冷剂，千万不要打开加热器，以免烧毁加热器。若没有制冷剂，从量热器加液口加入制冷剂R12.直到视液镜能观察到制冷剂方可。
4．实验小组由5人组成，设实验组长1名，做好分工，明确调节指令及信息反馈方式；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；
5．手动启动制冷设备步骤：
(1)首先拨动：手动/自动开关，选择在手动位置。
(2)先打开冷却水泵开关。
(3)检查冷却塔进出水口系统各阀门是否正常。冷却塔进出口水流正常即可。否则关机进行修复
(4)冷却水循环正常后，开启冷却风机开关。
(5)启动制冷压缩机，并检查电子膨胀阀开度是否正常，选择电子膨胀阀开度进行制冷。
(6)检查制冷系统各部件运转情况，观察排气压力、吸气压力及量热器内压力的变化。
(7)开启量热器加热器开关，手动调节加热器调节器，观察排气压力、吸气压力及量热器内压力的变化。
自动控制说明：
(1)首先拨动：手动/自动开关，选择在自动位置。
(2)打开电脑上制冷压缩机性能实验软件。
(3)在组态软件上，首先选择电子膨胀阀开度，滑动调节即可。
(4)点击开启冷却水泵，冷却水循环正常后，再点击开启开启冷却塔风机。
(5)点击启动制冷压缩机，并检查电子膨胀阀开度是否正常。
(6)检查制冷系统各部件运转情况，观察排气压力、吸气压力及量热器内压力的变化。
(7)点击开启量热器加热器开关，手动调节加热器调节器，观察排气压力、吸气压力及量热器内压力的变化。
无回热时
1．调节回热器
回热器的作用是为了使膨胀阀前液态制冷剂的温度降得更低(即增大再冷度)，以便进一步减少节流损失，同时又能保证压缩机吸入具有一定过热度的蒸气。
按系统流程图，关闭手动阀门(JF2),打开手动阀门(JF3)将实验系统调成无回热状态；设备出厂时为无回热状态。
2．将量热器投入运行
面板上加热器旋钮开关，选择在开时，可调加热器接通，实验台左上方侧面为调节调压器，可调节加热量。加热功率通过加热器功率表直接显示。
实验前首先检查调压器是否在零位，若不在零位，应调在零位。打开加热器电源开关后，调节调压器，由关闭逐渐开启，不要过快，应观察量热器压力表的数值。
3．调节稳定工况
在电子膨胀阀开度不变的状态下，使吸气压力、排气压力达到一定值后，通过调压器调节电加热器的加热量，观察量热器压力表的数值变化。压力增加，说明加热量大，需减小加热量，减小调压器的数值；压力降低，说明加热量小，需增大加热量，加大调压器的数值。通过调压器的调节，使压力表数值稳定不变。保护电路在量热器上的压力达到1.4MPa时会自动断开加热器电源。
4．测定并记录数据
(1)测定吸气压力、排气压力、量热器内压力、吸气温度、排气温度、量热器入口温度、入回热器气体温度、量热器温度、室内环境温度。
(2)测量量热器的电功率。
(3)测量压缩机输入功率。
(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。
5．制冷压缩机的制冷量

式中N—供给电量热器的功率，kW。
Q--电量热器热损失，kW。
i₁"一在压缩机规定吸气温度下、吸气压力下制冷剂蒸气的焓值，kJ／kg。
i₃"一在规定再冷温度下，节流阀前液体制冷剂的焓值，kJ／kg
i₄—在实验条件下，离开蒸发器制冷剂蒸气的焓值，kJ／kg。
i₃—在实验条件下，节流阀前液体制冷剂的焓值，kJ／kg
ν₁—压缩机实际吸气温度下、吸气压力下制冷剂蒸气的比容，m³/kg
ν₁"—压缩机规定吸气温度下、吸气压力下制冷剂蒸气的比容，m³/kg
6．冷凝器的热负荷计算：
（kW）
式中：G—冷却水流量kg/h
C—水的定压比热4.1868kJ/kg℃
t₇—冷凝器冷却水入口温度℃
t₈—冷凝器冷却水出口温度℃
7．压缩机的输入功率测定：
(W)
式中：I—输入电流A
U—输入电压V
8．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制冷压缩机。计算公式如下：

式中—制冷量kW
—压缩机输入功率kW
按照系统图调整阀门，使系统运行在有回热状态，稳定两分钟，计算结果请注意考虑设备的漏热量。
有回热时
重复以上步骤，将数据纪录在后面的表格中。
6、实验结束，关机：
（1）关闭压缩机和加热器；
（2）保持水系统运行大约5分钟后，断电。
六、数据处理与试验报告内容
实验目的；
根据所得的实验数据计算出其算术平均值，计算过程整理到实验指导书上，绘出无回热理论循环的压焓图，再根据实验数据绘出无回热与有回热实际循环的压焓图，并查出相应状态的焓值及吸气比容，计算出各性能指标（参数），填入相应数据表中，并作结果分析！
注：
由于实验过程是实际循环，在无回热循环过程中，蒸发器出口及压缩机吸气状态点都不在饱和气线上，有过热；冷凝器出口不在饱和液线上，有过冷。冷凝器出口、蒸发器出口及压缩机吸气状态点一定要找准确。采用回热循环时，冷凝器出口状态点基本不变，但压缩机吸气状态点进一步过热。
附：为了便于比较不同活塞式制冷压缩机的工作性能，我国规定了四个温度工况，其中标准工况和空调工况可用来比较压缩机的制冷能力，最大工况和最大压差工况则为设计和考核压缩机的机械强度、耐磨寿命、阀片和合理性和配用电机的最大功率的指标。
制冷压缩机的温度工况（℃）

饱和氟利昂12蒸气表

R22饱和液体与饱和气体物性表

温度 t(℃)	绝对压力 p(Mpa)	密度 （kg/m3）	比容 （m3/kg）	比焓 h(kJ/kg)		比熵 s[kJ/(kg·℃)]		质量比热cp [kJ/(kg·℃)]
		液体	气体	液体	气体	液体	气体	液体	气体
-100.0 -90.00 -80.00 -70.00 -60.00	0.00201 0.00481 0.01037 0.02047 0.03750	1571.3 1544.9 1518.2 1491.2 1463.7	8.2660 3.6448 1.7782 0.94342 0.53680	90.71 101.32 111.94 122.58 133.27	358.97 363.85 368.77 373.70 378.59	0.5050 0.5646 0.6210 0.6747 0.7260	2.0543 1.9980 1.9508 1.9108 1.8770	1.061 1.061 1.062 1.065 1.071	0.497 0.512 0.528 0.545 0.564
-50.00 -48.00 -46.00 -44.00 -42.00	0.06453 0.07145 0.07894 0.08705 0.09580	1435.6 1429.9 1424.2 1418.4 1412.6	0.32385 0.29453 0.26837 0.24498 0.22402	144.03 146.19 148.36 150.53 152.70	383.42 384.37 385.32 386.26 387.20	0.7752 0.7849 0.7944 0.8039 0.8134	1.8480 1.8428 1.8376 1.8327 1.8278	1.079 1.081 1.083 1.086 1.088	0.585 0.589 0.594 0.599 0.603
-40.81b -40.00 -38.00 -36.00 -34.00	0.10132 0.10523 0.11538 0.12628 0.13797	1409.2 1406.8 1401.0 1395.1 1389.1	0.21260 0.20521 0.18829 0.17304 0.15927	154.00 154.89 157.07 159.27 161.47	387.75 388.13 389.06 389.97 390.89	0.8189 0.8227 0.8320 0.8413 0.8505	1.8250 1.8231 1.8186 1.8141 1.8098	1.090 1.091 1.093 1.096 1.099	0.606 0.608 0.613 0.619 0.624
-32.00 -30.00 -28.00 -26.00 -24.00	0.15050 0.16389 0.17819 0.19344 0.20968	1383.2 1377.2 1371.1 1365.0 1358.9	0.14682 0.13553 0.12528 0.11597 0.10749	163.67 165.88 168.10 170.33 172.56	391.79 392.69 393.58 394.47 395.34	0.8596 0.8687 0.8778 0.8868 0.8957	1.8056 1.8015 1.7975 1.7937 1.7899	1.102 1.105 1.108 1.112 1.115	0.629 0.635 0.641 0.646 0.653
-22.00 -20.00 -18.00 -16.00 -14.00	0.22696 0.24531 0.26479 0.28543 0.30728	1352.7 1346.5 1340.3 1334.0 1327.6	0.09975 0.09268 0.08621 0.08029 0.07485	174.80 177.04 179.30 181.56 183.83	396.21 397.06 397.91 398.75 399.57	0.9046 0.9135 0.9223 0.9331 0.9398	1.7862 1.7826 1.7791 1.7757 1.7723	1.119 1.123 1.127 1.131 1.135	0.659 0.665 0.672 0.678 0.685
-12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00	0.33038 0.35479 0.38054 0.40769 0.43628	1321.2 1314.7 1308.2 1301.6 1295.0	0.06986 0.06527 0.06103 0.05713 0.05352	186.11 188.40 190.70 193.01 195.33	400.39 401.20 401.99 402.77 403.55	0.9485 0.9572 0.9658 0.9744 0.9830	1.7690 1.7658 1.7627 1.7596 1.7566	1.139 1.144 1.149 1.154 1.159	0.692 0.699 0.707 0.715 0.722
-2.00 0.00 2.00 4.00 6.00	0.46626 0.49799 0.53120 0.56605 0.60259	1288.3 1281.5 1274.7 1267.8 1260.8	0.05019 0.04710 0.04424 0.04159 0.03913	197.66 200.00 202.35 204.71 207.09	404.30 405.05 405.78 406.50 407.20	0.9915 1.0000 1.0085 1.0169 1.0254	1.7536 1.7507 1.7478 1.7450 1.7422	1.164 1.169 1.175 1.181 1.187	0.731 0.739 0.748 0.757 0.766
温度 t(℃)	绝对压力 p(Mpa)	密度 （kg/m3）	比容 （m3/kg）	比焓 h(kJ/kg)		比熵 s[kJ/(kg·℃)]		质量比热cp [kJ/(kg·℃)]
		液体	气体	液体	气体	液体	液体	气体	液体
8.00 10.00 12.00 14.00 16.00	0.64088 0.68095 0.72286 0.76668 0.81244	1253.8 1246.7 1239.5 1232.2 1224.9	0.03683 0.03470 0.03271 0.03086 0.02912	209.47 211.87 214.28 216.70 219.14	407.89 408.56 409.21 409.85 410.47	1.0338 1.0422 1.0505 1.0589 1.0672	1.7395 1.7368 1.7341 1.7315 1.7289	1.193 1.199 1.206 1.213 1.220	0.775 0.785 0.795 0.806 0.817
18.00 20.00 22.00 24.00 26.00	0.86020 0.91002 0.96195 1.0160 1.0724	1217.4 1209.9 1202.3 1194.6 1186.7	0.02750 0.02599 0.02457 0.02324 0.02199	221.59 224.06 226.54 229.04 231.55	411.07 411.66 412.22 412.77 413.29	1.0755 1.0838 1.0921 1.1004 1.1086	1.7263 1.7238 1.7212 1.7187 1.7162	1.228 1.236 1.244 1.252 1.261	0.828 0.840 0.853 0.866 0.879
28.00 30.00 32.00 34.00 36.00	1.1309 1.1919 1.2552 1.3210 1.3892	1178.8 1170.7 1162.6 1154.3 1145.8	0.02082 0.01972 0.01869 0.01771 0.01679	234.08 236.62 239.19 241.77 244.38	413.79 414.26 414.71 415.14 415.54	1.1169 1.1252 1.1334 1.1417 1.1499	1.7136 1.7111 1.7086 1.7061 1.7036	1.271 1.281 1.291 1.302 1.314	0.893 0.908 0.924 0.940 0.957
38.00 40.00 42.00 44.00 46.00	1.4601 1.5336 1.6098 1.6887 1.7704	1137.3 1128.5 1119.6 1110.6 1101.4	0.01593 0.01511 0.01433 0.01360 0.01291	247.00 249.65 252.32 255.01 257.73	415.91 416.25 416.55 416.83 417.07	1.1582 1.1665 1.1747 1.1830 1.1913	1.7010 1.6985 1.6959 1.6933 1.6906	1.326 1.339 1.353 1.368 1.384	0.967 0.995 1.015 1.037 1.061
48.00 50.00 52.00 54.00 56.00	1.8551 1.9427 2.0333 2.1270 2.2239	1091.9 1082.3 1072.4 1062.3 1052.0	0.01226 0.01163 0.01104 0.01048 0.00995	260.47 263.25 266.05 268.89 271.76	417.27 417.44 417.56 417.63 417.66	1.1997 1.2080 1.2164 1.2248 1.2333	1.6879 1.6852 1.6824 1.6795 1.6766	1.401 1.419 1.439 1.461 1.485	1.086 1.113 1.142 1.173 1.208
58.00 60.00 65.00 70.00 75.00	2.3240 2.4275 2.7012 2.9974 3.3177	1041.3 1030.4 1001.4 969.7 934.4	0.00944 0.00896 0.00785 0.00685 0.00595	274.66 277.61 285.18 293.10 301.46	417.63 417.55 417.06 416.09 414.49	1.2418 1.2504 1.2722 1.2945 1.3177	1.6736 1.6705 1.6622 1.6529 1.6424	1.511 1.539 1.626 1.743 1.913	1.246 1.287 1.413 1.584 1.832
80.00 85.00 90.00 95.00 96.15c	3.6638 4.0378 4.4423 4.8824 4.9900	893.7 844.8 780.1 662.9 523.8	0.00512 0.00434 0.00356 0.00262 0.00191	310.44 320.28 332.09 349.56 366.90	412.01 408.19 401.87 387.28 366.90	1.3423 1.3690 1.4001 1.4462 1.4927	1.6299 1.6142 1.5922 1.5486 1.4927	2.181 2.682 3.981 17.31 ∞	2.231 2.984 4.975 25.29 ∞

注：b表示1个标准大气压下的沸点;c表示临界点。