熱學(xué)制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)5—1熱學(xué)制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)長期以來，熱學(xué)實(shí)驗(yàn)始終是物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)許多熱學(xué)知識(shí)，往往僅局限于書本。本實(shí)驗(yàn)通過應(yīng)用熱學(xué)知識(shí)廣泛而又實(shí)際的電冰箱，將一些熱學(xué)基本知識(shí)，如熱力學(xué)定律，等溫、等壓、絕熱、循環(huán)等過程，以及焦耳—湯姆孫實(shí)驗(yàn)等，作了綜合性應(yīng)用，使學(xué)生在加深對(duì)熱學(xué)基本知識(shí)理解的同時(shí)，得到一次理論與實(shí)際，學(xué)與用相結(jié)合的鍛煉?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹颗囵B(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)與用相結(jié)合的實(shí)際工作能力。學(xué)習(xí)電冰箱的制冷原理，加深對(duì)熱學(xué)基本知識(shí)的理解。測定電冰箱壓縮機(jī)的功率、制冷量和制冷系數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】制冷的理論基礎(chǔ)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說法是：熱量不可能自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體。只有通過某種逆向熱力學(xué)循環(huán)，外界對(duì)系統(tǒng)作一定的功，才能使熱量從低溫物體（冷端）傳到高溫物體（熱端），如圖5-1-l所示。即圖5-1-1Q=Q-W圖5-1-121電冰箱是對(duì)循環(huán)系統(tǒng)冷端的利用，稱制冷機(jī)。2.制冷的方式制冷可利用熔解熱、升華熱、蒸發(fā)熱等方式。詳細(xì)了解請(qǐng)閱讀本書第六章實(shí)驗(yàn)6-7制冷技術(shù)與應(yīng)用。電冰箱是用氟里昂或其它替代物作制冷劑，當(dāng)液體氟里昂在蒸發(fā)器里大量蒸發(fā)（實(shí)際是沸騰，在制冷技術(shù)中習(xí)慣稱為蒸發(fā)）時(shí)，帶走所需的熱量，從而達(dá)到制冷的目的。因此，電冰箱是一種利用蒸發(fā)熱方式制冷的機(jī)器。制冷劑制冷劑是制冷裝置中的載熱體，又稱它為“工質(zhì)”。制冷劑的種類很多，這里僅簡單介紹氟里昂的一些主要特性。氟里昂是飽和碳?xì)浠衔锏姆?、氯、溴衍生物的統(tǒng)稱。本實(shí)驗(yàn)中過去使用的氟里昂12的分子式為CC12F2,國際統(tǒng)一符號(hào)為R12。R12無色、無味、無臭、無毒、對(duì)金屬材料無腐蝕性。當(dāng)容積濃度達(dá)到10％左右時(shí)，對(duì)人沒有任何不適的感覺；但當(dāng)容積濃度達(dá)到80%時(shí)，人有窒息的危險(xiǎn)OR12不燃燒、不爆炸，但其蒸汽遇到800°C以上的明火時(shí)，會(huì)分解產(chǎn)生對(duì)人體有害的毒氣，并會(huì)破壞臭氧層。R12的幾個(gè)重要參數(shù)為：沸點(diǎn)（1atm）—29.8C，凝固點(diǎn)（1atm）—155C，臨界溫度112C，臨界壓力4.06MPa。本實(shí)驗(yàn)中目前使用

綠色環(huán)保型制冷劑R134a，請(qǐng)自己查閱資料了解其主要特性及參數(shù)。真實(shí)氣體的等溫線曲m圖5-1-2制冷劑在循環(huán)過程中的狀態(tài)變化，遵循真實(shí)氣體的狀態(tài)變化規(guī)律，其P-V圖如圖5-1-2所示。從圖可見，真實(shí)氣體的等溫線并非都是等軸雙曲線。如在lm部分，與理想氣體的等溫線相似，在m點(diǎn)汽體開始液化，在m到n點(diǎn)的液化過程中，體積雖在減小，但壓力保持不變，是等壓過程，其壓力稱飽和蒸汽壓，至骯點(diǎn)汽體完全液化。等溫線的mn部分為飽和蒸汽與飽和液體共存的范圍，但在no部分，曲線幾乎與壓力軸平行，這反映了液體的不易壓縮性，隨著溫度的升高，汽液共存狀態(tài)的范圍從mn線段縮小為m'n'線段，而飽和蒸汽壓增高。溫度繼續(xù)升高，等溫線的平直部分縮成一點(diǎn)，在p-V圖上出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)K，稱臨界點(diǎn)。通過臨界點(diǎn)的等溫線稱臨界等溫線。在臨界等溫線以上，壓力無論怎樣加大，氣體不可能再液化。曲m圖5-1-2在p-V圖上，不同等溫線開始液化和液化終了的各點(diǎn)可以連成曲線mKn。曲線nK的左邊完全是液體狀態(tài)，nK線稱濕飽和液體線，以干度X=0表示。曲線mK的右邊完全是汽體狀態(tài)，mK線稱干飽和蒸汽線，以干度X=1表示。（干度X表示汽液共存區(qū)里飽和蒸汽所占的比例。例如干度X二0.3時(shí)，表示飽和蒸汽占30%，飽和液體占70%。）電冰箱的制冷循環(huán)電冰箱的制冷循環(huán)如圖5-1-3和圖5-1-4所示。圖5-1-3為液體蒸發(fā)式制冷循環(huán)原理示意圖，該循環(huán)系統(tǒng)主要有四大部件組成：壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管（節(jié)流閥）和蒸發(fā)器。圖5-1-4為制冷循環(huán)過程及P-V圖。圖5-1-3從圖5-1-4可見，電冰箱的制冷循環(huán)主要有四個(gè)過程：壓縮機(jī)從蒸發(fā)器中吸入低溫低壓的制冷劑蒸汽，壓縮成高溫高壓的蒸汽排放到冷凝器中；冷凝器（散熱器）使高溫高壓蒸汽放熱冷凝為中溫高壓液體；毛細(xì)管使中溫高壓液體節(jié)流膨脹為中（低）溫低壓汽液混合體，并不斷供向蒸發(fā)器；蒸發(fā)器使制冷劑液體吸熱蒸發(fā)成低溫低壓蒸汽，再被壓縮機(jī)吸入，從而達(dá)到制冷循環(huán)的目的。結(jié)合熱力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，四個(gè)過程的具體情況如下：圖5-1-3壓縮過程（絕熱過程）：在壓縮過程中，由于壓縮機(jī)活塞的運(yùn)動(dòng)速度很快，可近似地看作與外界沒有熱量交換的絕熱壓縮。在P-V圖中為A-B的一條絕熱線。絕熱線下的面積,即為壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)所做的功W。過冷液體飽和蒸汽過熱蒸汽VeVf Vb Va V圖5-1-4冷凝過程（等壓過程）：從壓縮機(jī)排出的制冷劑剛進(jìn)入冷凝器時(shí)是過熱蒸汽B點(diǎn)），它被空氣冷卻成干飽和蒸汽（C點(diǎn)），并進(jìn)一步冷卻成濕飽和液體（D點(diǎn)），再進(jìn)一步冷卻成過冷液體（E點(diǎn)）（一般情況下，進(jìn)入毛細(xì)管之前的制冷劑是過冷液體）這是等壓過程，冷凝壓力為P］。在p-V圖中為BfC—DfE的一條水平線。在此過程中制冷劑放出熱量k1節(jié)流過程（絕熱過程）：制冷劑通過毛細(xì)管狹窄的通路時(shí)，由于摩擦和紊流，在流動(dòng)方向產(chǎn)生壓力下降，此即焦耳一湯姆孫節(jié)流過程。在P-V圖中為E-F的一條絕熱線。（想一想:為什么是絕熱過程？）蒸發(fā)過程（等壓過程）:從毛細(xì)管出口經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)吸入口為止的制冷劑，狀態(tài)盡管有變化，其壓力是不變的，都是蒸發(fā)壓力P。進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑是汽液混合體（F點(diǎn)），0制冷劑在通過蒸發(fā)器的過程中從周圍吸收熱量，蒸發(fā)成干飽和蒸汽（G點(diǎn)），再進(jìn)一步吸熱成過熱蒸汽被壓縮機(jī)吸入（A點(diǎn)）。在p-V圖中為FfG—A的一條水平線。在此過程中制冷劑吸收熱量Q。26.制冷系數(shù)￡根據(jù)熱力學(xué)第二定律，制冷機(jī)的制冷系數(shù)為￡=QW上式表明，壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)所作的功w越小，自低溫?zé)嵩次盏臒崃縌越多，則制冷系2數(shù)￡越大，越經(jīng)濟(jì)。制冷系數(shù)是反映制冷機(jī)制冷特性的一個(gè)重要參數(shù)，它可以大于1,也可以小于1。若把制冷機(jī)看作逆向卡諾循環(huán)機(jī)，則制冷系數(shù)￡=T（T-T）212由此可見，T與T越接近，如冰箱冷凍室的溫度與室溫越接近，越大，說明消耗同樣的功21率，可以獲得較好的制冷效果。因此，當(dāng)冰箱里沒有需要深度冷凍的物品時(shí)，不必將冷凍室的溫度調(diào)得很低，一般保持在」。C左右即可，這樣可以省電?！緦?shí)驗(yàn)儀器】LWL—99C型熱學(xué)制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)儀（LZL—05創(chuàng)新型制冷循環(huán)綜合實(shí)驗(yàn)儀）。99C型實(shí)驗(yàn)儀如圖5-1-5所示（05創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)儀面板上增設(shè)了一個(gè)風(fēng)扇電機(jī)電源開關(guān)kfd底部安裝了帶有風(fēng)扇電機(jī)的翅片盤管式冷凝器，內(nèi)部設(shè)有啟動(dòng)保護(hù)電路）各主要部件的功能如下：冷凍室：其組成是在保溫桶中盛三分之二深度的含水酒精作冷凍物；內(nèi)置銅盤管蒸發(fā)器；加熱器用來平衡制冷劑蒸發(fā)時(shí)的吸熱量,并用馬達(dá)帶動(dòng)攪拌器使冷凍室內(nèi)溫度均勻°Ptl00熱電偶用于探測冷凍室內(nèi)含水酒精的溫度，以判定是否已達(dá)到了熱平衡。冷凝器：即散熱器。99C型實(shí)驗(yàn)儀中絲管式冷凝器安裝在實(shí)驗(yàn)儀的背面（05創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)儀中帶有風(fēng)扇電機(jī)的翅片盤管式冷凝器安裝在實(shí)驗(yàn)儀的底部）。干燥過濾器和毛細(xì)管：干燥過濾器內(nèi)裝有吸濕劑，用于濾除制冷劑中可能存在的微量水分和雜質(zhì)，防止在毛細(xì)管中產(chǎn)生冰堵塞或臟堵塞。家用冰箱使用的毛細(xì)管是內(nèi)徑小于1mm的銅管，用于制冷劑節(jié)流膨脹，產(chǎn)生焦耳一湯姆孫效應(yīng)。壓縮機(jī)：壓縮機(jī)壓縮制冷劑蒸汽使其壓力由低變高。小型電冰箱壓縮機(jī)的內(nèi)部包括壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩部分，由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)壓縮機(jī)做功。電動(dòng)機(jī)因種種損耗，輸向壓縮機(jī)的功率小于輸入電動(dòng)機(jī)的電功率P，其效率耳Q0.8，本實(shí)驗(yàn)中按功率因數(shù)表指示的值來計(jì)算；壓電電縮機(jī)也因種種損耗，用于壓縮氣體的功率小于電動(dòng)機(jī)輸向壓縮機(jī)的功率，其效率耳沁0.65。壓因此，壓縮機(jī)對(duì)制冷劑作功的功率P（簡稱壓縮機(jī)功率）P二耳P二耳耳P沁0.52P沁0.651Ucos甲電電壓電 電 DD接線柱I、U、*和調(diào)壓變壓器：接線柱共兩組，I、U、*組用于接測量加熱加加功率的功率計(jì)；I由、U由、*組用于接測量壓縮機(jī)電功率的功率計(jì)。如不用功率計(jì)測量，也可電電用交流電流表（串接在I、*接線柱間）或交流電壓表Q、*接線柱短接），但事前需做出電流——功率或電壓——功率定標(biāo)曲線。實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)測得的電流值或電壓值，查得功率值。本實(shí)驗(yàn)中已作進(jìn)一步簡化。調(diào)壓變壓器用于調(diào)節(jié)加熱器工作電壓U加，以改變加熱功率。24制冷循環(huán)工作原理;茅壓過程絕熱過程IF24制冷循環(huán)工作原理;茅壓過程絕熱過程IF1.穩(wěn)壓延時(shí)保護(hù)器；2.數(shù)顯溫度指示儀；3.攪拌調(diào)速開關(guān)；4.攪拌電源；5.加熱電源（0－220V）；6.Pt100熱電偶探頭；7.攪拌電機(jī)；8.加熱棒；9.保溫桶（內(nèi)裝蒸發(fā)器）；10.冷凝器；11.壓縮機(jī)；12.加液閥；13.截止閥；14.視液鏡；15.干燥過濾器；16.毛細(xì)管；17.壓力表（四塊）；18.電壓表；19.電流表；20.加熱電源總開關(guān)；21.功率因數(shù)表；22.調(diào)壓變壓器；23.壓縮機(jī)電源開關(guān)；24.制冷循環(huán)工作原理圖及pv圖。圖5-1-5LWL—99C型熱學(xué)制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)儀【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1.實(shí)驗(yàn)步驟1） 接通電源，打開全自動(dòng)穩(wěn)壓延時(shí)保護(hù)器（1）的電源開關(guān)，此時(shí)它處于延時(shí)保護(hù)狀態(tài)輕輕按一下快啟按鈕，即刻有電壓輸出（不延時(shí)），數(shù)顯溫度儀自動(dòng)顯示冷凍室溫度。2） 按進(jìn)壓縮機(jī)電源開關(guān)的啟動(dòng)按鈕（在05創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)儀中，必須先打開風(fēng)扇電機(jī)電源開關(guān)吟。，再打開壓縮機(jī)電源開關(guān)kyd），壓縮機(jī)開始工作。電壓表（UD）、電流表（ID）、功率因數(shù)表（cos申）及四塊壓力表各自指示相應(yīng)的值。再打開攪拌電源及調(diào)速開關(guān)，始終攪拌但速度不宜過快。冷凍室溫度即可在幾秒鐘內(nèi)下降0.1°C。3） 待冷凍室溫度充分穩(wěn)定后（最好低于0C）,在制冷的同時(shí)打開加熱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器輸出電壓匕使加熱電流IJ接近2A,進(jìn)行加熱。稍過片刻，根據(jù)冷凍室溫度變化（降低或升高），有目的地增大或減小調(diào)壓器輸出電壓，使冷凍室溫度在2分鐘以上保持不變，即可視冷凍室在此溫度t0時(shí)達(dá)到熱平衡，自擬表格記錄此時(shí)t。、UD、ID、cos申、Uj、厶的值。4） 記錄完上述數(shù)據(jù)，立即關(guān)閉加熱電源開關(guān)，繼續(xù)制冷，待冷凍室溫度下降3C5C再加熱。通過調(diào)節(jié)Uj的值使冷凍室溫度達(dá)到新的熱平衡點(diǎn)，記下此時(shí)的t。、、ID、cos申、匕、Ij的值。依次測出五個(gè)熱平衡點(diǎn)，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（提示：隨著冷凍室溫度逐漸降低，壓縮機(jī)的制冷量會(huì)逐漸減小。）5） 模擬制冷循環(huán)系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象。旋開截止閥蓋帽，將閥芯旋到底，盡管壓縮機(jī)正常工作，但制冷劑不能在制冷系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。此時(shí)，四塊壓力表、電流表（D）、功率因數(shù)表及數(shù)顯溫度儀的指示值均有變化，分析其原因。將截止閥閥芯旋出，堵塞現(xiàn)象立刻消除。2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1） 對(duì)照制冷循環(huán)工作原理圖和p-V圖（參見儀器下部面板背面），理解并掌握制冷循環(huán)工作原理及各部件的主要功能和熱力學(xué)基本知識(shí)。2） 觀察制冷循環(huán)系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象。操作方法參見實(shí)驗(yàn)步驟5。3） 測量壓縮機(jī)功率：P-0.651Ucos申，做出Pt的關(guān)系曲線。DD U04） 測量制冷量：Q二P二IU，做出Qt的關(guān)系曲線。力口 jj U05） 求制冷系數(shù)：B=QP，做出10的關(guān)系曲線。6） 分析系統(tǒng)誤差。應(yīng)考慮下列因素：冷凍室吸收的熱量、冷凍室前后管道吸收的熱量、攪拌器對(duì)含水酒精所做的功、壓縮機(jī)的壓縮功率1「取0.65未必十分準(zhǔn)確、測量時(shí)系統(tǒng)沒有壓完全穩(wěn)定以及環(huán)境溫度的變化等?！緦?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及常見故障的排除】必須使用帶有接地線的三芯插座，保持接地良好。長時(shí)間不用請(qǐng)切斷電源。搬運(yùn)時(shí)請(qǐng)勿傾斜超過45°，避免劇烈顛震。壓縮機(jī)停止運(yùn)行后不能立即啟動(dòng)，再次啟動(dòng)要相隔五分鐘?；蛳汝P(guān)閉穩(wěn)壓延時(shí)保護(hù)器電源開關(guān)，再打開讓它自動(dòng)延時(shí)。啟動(dòng)壓縮機(jī)時(shí)，加熱電源開關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，防止電流過大損壞穩(wěn)壓延時(shí)保護(hù)器。加熱電流不宜超過2A,以防調(diào)壓變壓器過載而燒壞。5?準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)在保溫桶中盛三分之二深度，濃度為50%的含水酒精。未盛液體前切勿加熱,以免燒壞加熱器。當(dāng)制冷效果不好時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)壓力偏低，壓縮機(jī)工作電流1D偏小，應(yīng)適量加注制冷劑。將貯液瓶和加液閥上的封口納子旋下，用加液管一端與貯液瓶做緊連接，另一端與加液閥做松連接，打開貯液瓶閥門，利用制冷劑的壓力排走加液管中的空氣后，再將加液管與加液閥做緊連接，注入適量的制冷劑（150g左右），關(guān)閉貯液瓶閥門，取下加液管，旋上封口納子即可。最好先將制冷劑注入定量加液儀中，再由定量加液儀注入實(shí)驗(yàn)