小型制冷实验讲义

吴卫国高学奎

引言

小型制冷装置通常指家用电冰箱、冷藏箱以及小型空调器等。利用半导体热电效应制冷的装置，因其制冷功率一般地说比较小，也可看作是小型制冷装置。由于小型制冷装置与人们的日常生活及工作密切相关，已经形成需求量很大的产业。另一方面，目前广泛用于小型制冷装置中压缩式制冷循环的制冷剂主要是卤化烃类（氟里昂），这类制冷剂对大气层的臭氧层有破坏作用。特别是普遍用于家用电冰箱的氟里昂-１２（Ｒ１２）对大气臭氧层的破坏以及由之而产生的温室效应相当严重。为保护大气环境，１９８５年３月有关缔约国政府签订了《保护臭氧层维也纳公约》。１９８９年５月，由联合国环境规划署召集有５６个国家全权代表参加的会议上通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。随后，１９９０年６月在英国伦敦召开了有５５个缔约国、４１个非缔约国、８个国际组织以及４４个非政府组织的代表参加的会议，对该议定书进行了全面修订，并于１９９２年１月１日生效。因此，从节能的角度看，小型制冷装置制冷功率和效率的测量，对其制冷性能的检测及改进无疑是至关重要的。而从各国为执行蒙特利尔议定书而努力探索新的制冷原理及寻求新的制冷剂这一发展趋势看，各种新型制冷循环的设计与制冷剂的开发，最终都离不开对不同条件下制冷机制冷功率及制冷效率的检测。

参考资料

［１］吴业正、韩宝琦等编，制冷原理及设备，西安交通大学出版社，１９８７。

［２］孙大坤、高学奎等，氟里昂灌注量影响电冰箱制冷效率的实验研究及其结果的初步应用，制冷学报，１９９０，ＮＯ3。

实验目的

１．利用加热补偿法测量不同温度下小型制冷机模拟系统的制冷功率。

２．通过对制冷系统压缩机排气口和回气口温度及压力的测量估测制冷效率。

３．通过以上测量学习和掌握对不同制冷剂及不同灌注量的制冷剂对制冷功率与效率的影响进行研究的原理与方法。

实验原理

1．热力学第二定律

在自然界中，热量是可以互相传递的。把两个温度不同的物体放在一起，原来温度高的物体，温度将逐渐下降，而原来温度低的物体，温度将逐渐升高，最终两物体的温度趋于相等。这就是说，热量能从温度较高的物体传给温度较低的物体，但是不能自发地由低温物体流向高温物体而不引起其他变化，这即是热力学第二定律的克劳修斯说法。这里我们只是说热量不能自发地反向流动，也就是说，要使热量能从低温物体流向高温物体必须要对环境留下某些不能消除的影响，外界对系统做功。例如利用一台水泵可以把水从低处提升到高处。对于热量，道理也类似于水，消耗一定的能量，通过某种逆向热力学循环，就能使热量从低温的物体流向高温物体（图4．11）。随着对这种循环的应用目的不同，可以把这样的过程称为热泵或制冷。如果是对系统热端的利用，就称之为热泵；反之对系统冷端进行利用，称之为制冷。

２．制冷原理

制冷的方法很多，常见的有液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷等。其中液体汽化制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应实现制冷的。蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式和吸附式制冷都属于液体汽化制冷。其制冷循环的共同点是都由制冷剂汽化、蒸汽升压、高压蒸汽液化和高压液体降压四个过程组成。

图4．５-２为单级蒸汽式压缩制冷系统。它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。目前市售的电冰箱、空调器等小型制冷机大多采用这种制冷模式。其工作原理如下：制冷剂在压力ｐ0、温度ｔ

0下沸腾，ｔ0低于被冷却物体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中的制冷剂蒸汽，并将它压缩至冷凝压力ｐk，然后送往冷凝器，在压力ｐk下等压冷凝成液体，制冷剂冷凝时放出热量Ｑk传给冷却介质，与冷凝压力ｐk相对应的冷凝温度ｔk一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或节流元件进入蒸发器。当制冷剂通过膨胀阀时，压力从ｐk降到ｐ0，部分液体汽化，剩余液体的温度降至ｔ0，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为ｔ0的汽液两相混合物。混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却的物体中吸取它所需要的蒸发热。混合物中的蒸汽通常称为闪发蒸汽，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。

在制冷循环的分析和计算中，压焓图起着十分重要的作用，其结构如图4．５-3所示。图中临界点k左边的粗实线为饱和液体线，线上的任何一点代表一个饱和液体状态，干度ｘ＝0。右边的粗实线为干饱和蒸汽线，线上任何一点代表一个饱和蒸汽状态，ｘ＝1。饱和液体线的左边为过冷液体区，该区域内的液体称为过冷液体，过冷液体的温度低于同一压力下饱和液体的温度；干饱和蒸汽线的右边是过热蒸汽区，该区域内的蒸汽称为过热蒸汽，它的温度高于同一压力下饱和蒸汽的温度；两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区域内处于汽、液混合状态。图中共有六种等参数线簇：等压线ｐ为水平线，等焓线h为垂直线，其余标有ｔ、Ｓ、ｖ和ｘ的线簇分别为等温线、等熵线、等容线和等干度线。图4．５4给出常用于家用电冰箱的制冷剂Ｒ1２的压焓图。

图4．５-２所示的制冷循环可以在压焓图上进行简化了的分析（图4．５-５），虽然这种分析与实际循环有一定的偏离，但是可以作为实际循环的基础进行修正。按此种分析，离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸汽是处于蒸发压力下的饱和蒸汽；离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝压力下的饱和液体；压缩机的压缩过程为等熵压缩；制冷剂通过膨胀阀节流时其前、后焓值相等；制冷剂在蒸发和冷凝过程中没有压力损失；在各部件的连接处制冷剂不发生状态变化；制冷剂的冷凝温度等于外部热源温度，蒸发温度等于被冷却物体的温度。图4．５-５中点1表示制冷剂进入压缩机的状态，它对于蒸发温度ｔ0的饱和蒸汽。该点位于与ｔ0相应的压力ｐ0的等压线与饱和蒸汽线的交点上。点２为制冷剂出压缩机的状态，1—２为等熵过程压力由ｐ0增大至冷凝压力ｐk。点3表示制冷剂出冷凝时的状态，它是与冷凝温度ｔk对应的饱和液体。２-２′-3表示制冷剂在冷凝器内的冷却和冷凝过程，这是一个等压过程，等压线与饱和液体线的交点即为点3的状态。点4表示制冷剂出节流阀的状态，亦即进入蒸发器时的状态。3-4表示等焓节流过程，制冷剂压力由ｐk降至ｐ0，相应地温度亦由ｔk降为ｔ0，这即是说由点3作等焓线与等压线ｐ0的交点即为点4的状态。过程线4-1表示制冷剂在蒸发器中的汽化过程，这是一个等温等压过程，液态制冷剂吸取被冷却物体的热量而不断汽化，最终又回到状态1。

3. 制冷功．率

制冷功率表示单位时间内制冷剂通过蒸发器吸收的被冷却物体的热量。为准确测量一定温度下的制冷功率，可以采用热补偿的原理。即利用电加热器馈送热量至被冷却物体，使得被冷却物体单

位时间内从电加热器获得的热量c正好等于制冷剂吸收的热量c，在排除其他各种漏热途径的情况

下，当被冷却物体维持温度不变时，c=e。为流过加热器的电流与加热器两端电压降的乘积。

4．制冷系数

制冷机的制冷系数定义为

ε= (4．５-２）式中Ｗ为制冷机消耗的机械功，Ｑc为从被冷却物体吸收的热量，它是衡量制冷循环经济性的指标。制

冷系数愈大，循环愈经济。

如果把制冷机视作逆向的卜诺循环热机，并用εc表示其制冷系数，则

εc== (4．５-3）该式表明，只要ＴH／Ｔc的值小于２，εc即大于1而且随着Ｔc接近ＴH，εc的数值迅速上升。实际制冷机的制冷系数ε低于εc，但它们随ＴH、Ｔc变化的趋势有一定的类似性。

在工程上，常用压缩机的实际启动时间与接通电源的总时间之比定义制冷效率，取ε′表示，则

ε′=×100％（4．５-4）例如，对家用电冰箱，规定在3２℃的环境温度中工作的单门冰箱，ε′应小于30％。

理论上，根据热力学第一定律，如果忽略位能和动能的变化，稳定流动的能量方程可以表示为

＋Ｗ＝（H i－H j）（4．５-５）

式中Ｑ和Ｗ是单位时间内加给系统的热量和机械功，是系统内稳定的质量流率，H是比焓，下标表示状态点，分别对应于图4．５-５中各点。

对节流阀，制冷剂通过节流孔口时绝热膨胀，对外不做功，方程式（4．５-５）变为

0＝（h4－h3）

h4＝h3（4．５-６）

表明这是等焓过程。

对压缩机，如果忽略压缩机与外界环境所交换的热量，则（4．５-５）式变为

Ｗ＝（h2－h1）（4．５-７）对蒸发器，被冷却的物体通过蒸发器向制冷剂传递热量Ｑc，因蒸发器不做功，故有

Ｑc＝（h1－h4）＝（h1－h3）（4．５-８）这样制冷系数可以表达为

ε= (4．５-９）因而，只要根据图4．５-５所示的简化了的制冷循环，测量出制冷剂在压缩机进气口和出气的温度与压力，从制冷剂的压焓图上查出h1和h2值并按简化制冷循环推算出h3，即可得到理论上估算的制冷系数。

实验仪器

图４．５-７表示实验的制冷装置和测量示意图。其中压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管和进气管直接采用电冰箱的部件。这里的毛细管起着节流阀的作用，它的最后一段与压缩机的进气管组合成热交换器，使毛细管中即将流入蒸发器的液态制冷剂被进气管中的低温气态制冷剂进一步冷却，以达到提高制冷效率的目的。过滤器内填充了干燥的分子筛颗粒，用以吸附制冷机内可能存在的水分，避免在毛细管内或出口处出现冰堵现象。蒸发器用直径６ｍｍ壁厚０．５ｍｍ的紫铜管模拟电冰箱蒸发器管道的参数制成直径约６０ｍｍ的盘管，放入绝热良好的真空杯内。真空杯内充灌适量的乙二醇、乙醇与水的三元溶液，以浸没蒸发器为宜。搅拌器是为了使乙二醇、乙醇与水的三元溶液在蒸发器内制冷液的吸热和加热器的放热之间迅速达到均匀的温度而设。压缩机的排气口、进气口以及冷凝器末端分别接有压力表以测量各相关点的压力。另外，三支铜-康铜热电偶分别接至排气口、进气口以及冷凝器末端测量这三点的温度。电加热器及其测量回路是为了产生焦耳热并通过电功率换算成单位时间馈送的热量，当此热量与制冷量相等时，杜瓦瓶内溶液维持温度不变。若电加热量大于制冷量，杜瓦瓶内升温，反之降温。监视和检测温度升降情况由插入真空杯内的铂电阻温度传感器及与之相连的测量电路完成。制冷机内充灌约８０克左右Ｒ12（视具体情况作适当调整），它是目前电冰箱尚在使用的制冷剂，为无色无味透明的液体或气体，常温下无毒，高温下火焰呈蓝色并分解成有毒气体。（注：本实验装置用Ｒ134a替代Ｒ12的工作正在进行。）

实验内容

１．开机后制冷机蒸发室温度——时间响应特性。

２．蒸发室处于不同温度时，制冷机的制冷量测量，获得制冷量——温度特性（－１８℃，－１２℃，－６℃）。

３．蒸发室处于不同温度时，制冷机的实际制冷系数，热过程分析的理论效率以及卡诺循环的理想效率（－１８℃，－１２℃，－６℃）。

预习思考题

１．在一定的环境温度下，随着被冷却液温度的降低，预计制冷机的制冷功率和制冷系数将增加还是降低?为什么?

２．为什么测量时一定要使被冷却液温度充分稳定后才记录数据?

３．本制冷系统能否作逆向的卡诺热机考虑，其误差主要来自何处?

实验问答题

利用本实验方法可以研究不同氟里昂灌注量对制冷功率和制冷系数的影响，亦可进行不同制冷剂或混合制冷剂最佳制冷系数的选择，试进行实验原理设计。

选择题

1.本实验压缩机中所用制冷剂为

A.氨(NH3)

B.氟利昂12(R12)

C.氟利昂22(R22)

D.乙醇

2.在制冷过程中经节流阀膨胀后的制冷剂成为

A.高温高压液体

B.高温高压气体

C.低温低压液体

D.低温低压气体

3.本实验所用制冷原理为

A.液体汽化制冷

B.气体膨胀制冷

C.涡流管制冷

D.热电制冷

4.压缩机制冷系数

A.恒等于1

B.恒大于1

C.恒小于1

D.可大于1

5.从压焓图上当t=40℃,P=0.8MPa时可查得焓值为

A.360KJ/Kg

B.370 KJ/Kg

C.380 KJ/Kg

D.400 KJ/Kg

总得分满分为100分