蒸汽压缩制冷实验装置改造及性能测试

郑立辉, 袁 喆,王 敏,胡廷平

(武汉轻工大学 化学与环境工程学院,湖北 武汉 430023)

蒸汽压缩制冷实验装置改造及性能测试

郑立辉, 袁 喆,王 敏,胡廷平

(武汉轻工大学 化学与环境工程学院,湖北 武汉 430023)

现有的蒸汽压缩制冷试验装置通过手动调节电压方法来控制加热功率，以达到控制蒸发温度的目的，当制冷剂冷凝温度不变时，只能被动等待蒸发温度稳定，实际上只能得到一组数据；使用人工智能温度控制器，自动调节加热功率，实现蒸发温度的自动控制，电子电能表记录显示用于加热消耗的电能，在一定温度范围内自动控制蒸发温度。对改造后设备的性能测试数据表明：蒸发温度在0―-15 ℃内可根据需要调节，制冷量、压缩机消耗功率、制冷系数随蒸发温度的提高而增大。证明改造是成功的。

蒸汽压缩制冷实验装置；温度控制器；电能表；改造；性能测试；

1 引言

蒸汽压缩制冷[1-6]广泛用于冰箱、空调、食品冷藏等生产生活电器中，也用于恒温恒湿、低温等实验设备中[7]，蒸汽压缩制冷实验发挥着理论教学无法替代的作用，通过蒸汽压缩制冷实验能使学生更好地了解实际制冷循环和理想制冷循环的区别、理解制冷剂在经过不同设备时物理状态的变化、热物理性质的变化，理解节流原理、蒸发温度和冷凝温度对制冷效率的影响。很多高校都开设有蒸汽压缩制冷实验，实验装置型号不同，我们使用的蒸汽压缩制冷实验装置流程图如图1所示。

图1 蒸汽压缩制冷实验装置流程图

该装置使用风冷强制换热冷却、冷凝压缩后的制冷剂，实验时冷凝温度基本不变，整个制冷循环的制冷量是通过量热器来计量的，量热器的原理是制冷剂与载冷剂换热，载冷剂温度降低，但载冷剂中又安装有电阻加热器，电阻加热器使载冷剂温度升高，当制冷剂蒸发提供的冷量和电阻加热器提供的热量、载冷剂循环泵产生的热量、量热器的漏热量平衡时，量热器内载冷剂温度恒定，此时制冷剂蒸发所吸收的热量(制冷量)和电阻加热器提供的热量、载冷剂循环泵产生的热量、量热器的漏热量之和相等，从而可以计算出装置的制冷能力、制冷效率等指标，原装置存在的问题是：电阻加热器的功率调节是依靠手动调节加热电压的方法来调节加热功率，在环境温度不变时，量热器(制冷剂蒸发)温度实际上无法调节，被动等待量热器温度稳定的时间长达70 min，在环境温度不变时，量热器的温度也不变，实验测定的数据实际上只有一组，制冷效率与制冷剂蒸发温度的关系、蒸发温度的变化对制冷量的影响等无法在短时间内测定出来，针对这一问题，在查阅资料的基础上，将量热器温度的控制使用具有PID调节功能的人工智能温度控制仪表进行自动控制[8]，而加热所消耗的电能使用高精度电能表来记录。

综合考虑控制精度、仪表的寿命、经济实用性，选择宇电公司的AI518F温度控制仪表；电能表采用力创LCDG-DG113导轨式单相计量显示电能表，该电能表的额定电压为交流220 V，额定电流为60 A，计量精度是1级，完全可以满足电能计量的要求，计量精度高。考虑到制冷剂的制冷量变化范围大，因而安装四根功率分别为1 kW的加热管为量热器提供热量。图2是量热器结构示意图，图2中数字1,2,8分别表示载冷剂进口、载冷剂出口、量热器温度传感器插孔，其余表示电热管。

图2 量热器侧面结构图

2 数据计算及改造后装置性能测定

由热力学第一定律，对量热器进行能量衡算：

Q0=Q1+Q2+Q3.

(1)

其中 Q1、Q2、Q3分别为电热管每秒提供的热量、载冷剂循环泵放出的执量、量热器的漏热量。当量热器温度不变时，制冷剂蒸发提供的制冷量与量热器内的提供的热量相等，由公式(1)求出制冷量。这二项分别由公式2和公式3计算得到。

Q1=V×3.6×106/t.

(2)

V为电能表读数差，由电能表读数差得到，单位为kW·h，t为实验记录时间，单位为s。

Q2=IbVbcosφb.

(3)

量热器漏热量按标定数值计算。

由制冷剂处于压缩机出口、冷凝器出口、节流阀后及蒸发器出口的温度、压强等数值查阅制冷剂的压焓图可分别计算出循环单位制冷量、循环单位耗功、冷凝器单位热负荷、理想制冷系数、制冷剂流量、制冷量、冷凝器热负荷、压缩机理想功率、压缩机指示耗功率、系统总耗功、压机总耗功、实际制冷系数、压缩机综合效率、制冷循环能效比等指标。

为测试改造后设备的性能，设计系列装置性能(表1，表2)测试实验：室温为15 ℃、25 ℃时，设定蒸发温度间隔为5 ℃，3 ℃，2 ℃，蒸发温度分别为-15 ℃到0 ℃升温、0 ℃到-15 ℃降温等实验，以考察设备改造后性能。温度间隔为5 ℃升温实验是指量热器温度分别设定为-15 ℃，-10 ℃，-5 ℃，其余实验以此类推。

表1 原始实验数据

编号1234量热器温度/℃-15-10-50加热消耗电能/KW·h开始数值26．02826．69427．66928．755结束数值26．14026．88027．92029．096循环泵电流Ib/A2．42．42．42．4电压Vb/V215210213214cosφb0．90．90．90．9总功耗电流Ic/A7．87．988．5电压Vc/V215210210214cosφc0．940．950．970．97压缩机出口T1/℃82．084．091．094．3P1/MPa1．001．021．081．16冷凝器出口T2/℃22．022．024．027．0P2/MPa1．001．021．081．16节流阀后T3/℃-11．5-10．0-8．6-9．1P3/MPa0．250．270．290．34蒸发器出口T4/℃-20．0-18．0-15．7-11．9P4/MPa0．240．250．280．32

表1、表2分别列出4组实验原始数据及计算结果，环境温度为15 ℃，实验时间为10 min。

3.2.5打好产业扶贫三年攻坚战 指导支持长江经济带贫困县、贫困乡镇和贫困村加快发展对贫困户增收带动明显的种养业、林草业、农产品加工业、休闲农业和乡村旅游等，注重产业长期培育和发展，把绿水青山变成金山银山。加快培育龙头企业、农民合作社、农业社会化服务组织等新型经营主体，强化脱贫致富带头人和新型职业农民培育，吸引资本、技术、人才等要素向乡村流动，引导新型经营主体与贫困村、贫困户建立联动发展的利益联结机制。扶持贫困地区农产品产销对接，加强产地市场和仓储冷链物流体系建设，打造特色品牌，提升产销信息服务水平。加强贫困地区特色产业发展的财政资金投入、金融保险扶持、科技服务、风险防范等支撑保障能力建设。

表2 计算结果

H1/(kJ/kg)462464468471H2/(kJ/kg)230231232234H3/(kJ/kg)230231232234H4/(kJ/kg)397400402402循环单位制冷量q0/W167169170168循环单位耗功W0/W65646669冷凝器单位热负荷qk/W232233236237理想制冷系数ε12．572．642．582．43制冷剂流量qm6．99．411．715．1加热管放出热量Q1/W672111615062046载冷剂循环泵产生的热量Q2/W464．4453．6460．08462．24制冷量Q0/W1158159219882530冷凝器热负荷Qk/W1609．272194．342759．923569．45压机理想功率Pt/W298377444572压机指示耗功率Pc/W450．9602．7771．81039．2系统总耗功P/W1576．41576．11629．61764．4压机总功耗Pr/W1376137614301564实际制冷系数ε20．8421．1571．3911．617压机综合效率0．220．270．310．37制冷剂环能效比EER0．731．011．221．43

实验数据证明随着蒸发(量热器)温度升高，制冷系数变大；蒸发温度降低时，实际制冷系数减小；

当其它条件不变时，随环境温度升高，冷凝温度也升高，制冷效果变差。这种变化趋势与压缩机制造厂商提供的压缩机性能测定数据一致。

教学中对实验消耗时间进行记录，其情况如下：

当环境温度为15 ℃时，量热器温度从开始启动的7.5 ℃到降温到-15 ℃耗时90 min。此后温度间隔不用耗时也不同，依次如下：

从-15 ℃到0 ℃升温时，温度间隔为5 ℃耗时18 min。

从-15 ℃到-1 ℃升温时，温度间隔为2 ℃耗时12 min。

当环境温度为15 ℃时，量热器从开始启动的0 ℃到降温到-15 ℃耗时40 min。此后温度间隔不同耗时也不同，依次如下：

从0 ℃到-15 ℃降温时，每隔5 ℃耗时25 min。

从0℃到-15 ℃降温时，每隔3 ℃耗时15 min。

从0 ℃到-15 ℃降温时，每隔2 ℃耗时11 min。

3 结束语

根据实际测定数据，证明改造是成功的，改造后的实验装置性能稳定，蒸发(量热器)温度调节方便，可节约实验时间，极大增加实验测定的数据，更好理解蒸汽压缩制冷原理及蒸汽压缩制冷装置的性能，根据实验教学学时，可灵活测定多组实验数据，以更好发挥实验设备的效能。综合考虑实验耗时，建议提前开启实验装置，先使量热器降温到-15 ℃，节省时间。实验温度间隔建议设为3 ℃，既可以清楚的了解实际循环过程、测定实际压缩制冷循环的性能，又不至于耗时太久。

[1] Smith J M,.Van Ness H C, Abbott M M.Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics[M](英文影印版).北京：化学工业出版社，2002.

[2] Stanley I Sandler.Chemical and Engineering Thermodynamics (英文影印版).北京：化学工业出版社， 2002.

[3] 马沛生,李永红 .化工热力学[M](通用型第二版). 北京：化学工业出版社， 2009.

[4] 冯新,宣爱国,周彩荣,等. 化工热力学[M].北京：化学工业出版社，2009.

[5] 陈钟秀,顾飞燕,胡望明. 化工热力学[M].北京：化学工业出版社，2012.

[6] 朱自强,吴有庭编著.化工热力学(第三版)[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

[7] [美]William C Whiteman, Johnson M W,Tomczych J.A.制冷与空气调节技术[M]，北京：电子工业出版社，2008.

[8] 厉玉鸣.化工仪表及自动化 (化学工程与工艺专业适用)(五版)[M]. 北京:化学工业出版社，2011.

The retrofit and performance test of vapor compression refrigeration apparatus

ZHENG Li-hui ，YUAN Zhe ，WANG Min ，HU Ting-ping

(School of Chemical and Environmental Engineering , Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China)

The evaporating temperature of the available vapor compression refrigerating apparatus for student experiment is controlled by manually adjusting heating voltage, but it is not easy to operate and the test data is insufficient. The evaporating temperature of the apparatus was automatically controlled by employing temperature controller with artificial intelligence. The electric power was recorded by electronicel watt meter. After retrofit, it is easy to control the evaporating temperature and more test data can be recorded. The performance of the apparatus was tested. The results show that the coefficient of performance of the apparatus is increased with the evaporating temperature elevation. The retrofit is successful.

vapor compression refrigerating apparatus for the experiment; temperature controller; electric energy meter ;retrofit ; performance test

2016-07.

郑立辉(1963-)，男，副教授，E-mail:whpuzlh@hotmail.com.

2095-7386(2016)04-0110-04

10.3969/j.issn.2095-7386.2016.04.023

TB 615

A