北理珠-制冷原理設(shè)備實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 熱能與動(dòng)力工程教研室2014.5 目 錄實(shí)驗(yàn)一 單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)制冷裝置的認(rèn)識(shí)2實(shí)驗(yàn)二 制冷（熱泵）循環(huán)演示裝置實(shí)驗(yàn)5實(shí)驗(yàn)三 制冷（熱泵）故障分析8 （一）、汽汽熱管換熱器性能測(cè)試前言熱管起源于二十世紀(jì)六十年代，是一種具有特高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件。熱管理論一經(jīng)提出就得到了各國(guó)科學(xué)家的高度重視，并展開了大量的研究工作，使得熱管技術(shù)得以迅速發(fā)展。我國(guó)自二十世紀(jì)80年代以來(lái)相繼開發(fā)了熱管氣氣換熱器、熱管氣水換熱器、熱管余熱鍋爐、熱管蒸汽發(fā)生器、熱管熱風(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。熱管換熱技術(shù)因其卓越的換熱能力及其他換熱設(shè)備所不具有的獨(dú)特?fù)Q熱技術(shù)在航空、化工、石油、建材、

2、輕紡、冶金、動(dòng)力工程、電子電器工程以及太陽(yáng)能等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一、實(shí)驗(yàn)原理 典型的熱管由管殼、外部擴(kuò)展受熱面（散熱器）、端蓋組成。它的下部是由一根高效換熱管組成的換熱系統(tǒng)，上部則是內(nèi)部真空的散熱器殼體組成的重力熱管系統(tǒng)。其工作原理是：熱水流過(guò)換熱管時(shí)，把熱能交換到液體工質(zhì)中，液體工質(zhì)在極小的熱阻下迅速蒸發(fā)汽化擴(kuò)散到散熱器上部，整個(gè)散熱器達(dá)到很高溫度并向外散熱。氣體工質(zhì)在散熱的同時(shí)冷凝為液體工質(zhì)，并依靠自身重力回流到殼體底部，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)相變傳熱循環(huán)。熱管的傳熱原理決定著熱管具有以下基本特性：較大的傳熱能力，熱管巧妙的組織了熱阻較小的沸騰和凝結(jié)兩種相變過(guò)程，使它的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)紫銅導(dǎo)熱系數(shù)

3、的數(shù)倍以至數(shù)千倍；優(yōu)良的等溫性，熱管內(nèi)腔的氣體是處于飽和狀態(tài)，飽和氣體由蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力差很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性；不需要輸送泵及密封潤(rùn)滑部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件和噪音。熱管組成的熱管換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 熱管換熱器可以通過(guò)換熱器中的隔板使冷熱工質(zhì)完全分開，在運(yùn)行過(guò)程中單根熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞，不會(huì)導(dǎo)致冷熱流體的摻雜。所以熱管換熱器具有很高的可靠性，適用于易然、易爆、腐蝕等流體的換熱過(guò)程；2. 熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動(dòng)，比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的完全逆流換熱；同時(shí)冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系數(shù)，且兩側(cè)受熱面均可

4、采用擴(kuò)展受熱面。用于品位較低的熱能的回收非常經(jīng)濟(jì)；3. 熱管換熱器可以通過(guò)調(diào)整熱管結(jié)構(gòu)尺寸，擴(kuò)展受熱面形式，解決換熱器的磨損堵灰問(wèn)題。4. 帶有腐蝕性的煙氣的余熱回收時(shí)使用熱管換熱器，可以通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來(lái)調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 熟悉熱管換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作原理和使用方法。2) 了解熱管換熱器換熱量與風(fēng)溫、風(fēng)速及熱管傾斜角度等參數(shù)的關(guān)系。3) 掌握氣氣熱管換熱器性能的測(cè)試方法，換熱量和傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由翅片式（鋁軋片管）熱管換熱器、電加熱器組、冷熱端風(fēng)機(jī)、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門、測(cè)速笛形管、數(shù)顯式測(cè)溫系統(tǒng)和工作臺(tái)等組成，

5、其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（1）熱段空氣采用循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)升溫快、省電。（2）熱風(fēng)電加熱系統(tǒng)分三組控制。其中一組可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，溫度調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定。（3）采用數(shù)顯式測(cè)溫系統(tǒng)，具有快速、準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要機(jī)構(gòu)尺寸如下：（1） 冷、熱端測(cè)速段風(fēng)管截面積 (D=120mm) m2 （2）熱管換熱器冷或熱端傳熱表面積（按14根熱管計(jì)算） m2（或根據(jù)直徑計(jì)算）（3）排列形式：14根3列豎向、叉排。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測(cè)量簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程；繪制換熱器性能測(cè)試系統(tǒng)原理圖；穩(wěn)定運(yùn)行條件下，測(cè)量冷端和熱端空氣在換熱器進(jìn)出口處的溫度，冷熱端空氣流速、流量。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算換熱器的總傳熱系數(shù)，對(duì)

6、數(shù)平均傳熱溫差和熱平衡誤差等，繪制傳熱性能曲線（以傳熱系數(shù)為縱坐標(biāo)，空氣流量為橫坐標(biāo)繪制傳熱性能曲線）；分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)記錄將電源插頭插在插座上，合上總電源開關(guān)，數(shù)據(jù)巡檢儀顯示。開啟熱端風(fēng)機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)熱端循環(huán)風(fēng)量（利用風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的風(fēng)量調(diào)節(jié)板，改變其面積來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)）打開三組電加熱器（電熱器開關(guān)受熱端風(fēng)機(jī)開關(guān)控制，只有當(dāng)熱端風(fēng)機(jī)開啟后才能接通電加熱器開關(guān)）。調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度，使其趨近并達(dá)到穩(wěn)定。熱端進(jìn)風(fēng)溫度是用電加熱器開關(guān)的開啟數(shù)量（即接通電加熱器的數(shù)量）和電加熱器的調(diào)壓旋轉(zhuǎn)鈕來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。電加熱器組分三級(jí)（2kW、1kW、01kW）進(jìn)行控制，其中一組可利用調(diào)壓旋鈕進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)（

7、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為升壓，反之為降壓）。觀察熱風(fēng)溫度，待該溫度達(dá)到（或接近）實(shí)驗(yàn)預(yù)期值時(shí)，開啟冷端風(fēng)機(jī)開關(guān)，并利用其出風(fēng)口處的旋轉(zhuǎn)調(diào)風(fēng)閥改變其開口大小來(lái)調(diào)節(jié)冷端風(fēng)量。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)穩(wěn)定后即可開始記錄數(shù)據(jù)。記錄冷、熱端笛形管壓差及各測(cè)點(diǎn)空氣溫度值，記錄工作每隔23分鐘進(jìn)行一次。依次調(diào)整可調(diào)參數(shù)（整個(gè)實(shí)驗(yàn)可將可調(diào)參數(shù)在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均勻地分成57個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定），重復(fù)上述步驟，測(cè)定和記錄其它工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先停止電加熱器工作，5分鐘后停止冷、熱端風(fēng)機(jī)工作，切斷電源。（1）熱管換熱器垂直放置，固定冷、熱端空氣流量，改變熱端空氣進(jìn)口溫度（溫度調(diào)節(jié)范圍：3560）六、操作注意事項(xiàng)注意：熱管換熱器工

8、作溫度（熱風(fēng)進(jìn)口溫度）為3560，切勿超溫使用，以防損壞熱管。停止電加熱器工作后，冷、熱端風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作五分鐘后切斷電源。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1 冷端空氣流量流速： m/s流量： VL=FLVL m3/s2. 熱端空氣流量流速： m/s流量： VR=FRVR m3/s3冷端換熱量 W4熱端換熱量 W5平均換熱量 W6熱平衡誤差7傳熱系數(shù)式中：PL，PR 冷、熱端測(cè)速段全壓 PaPLj，PR j 冷、熱端測(cè)速段靜壓 PaPL，PR 冷、熱端測(cè)速笛形管壓差 PaL=1.005,R =1.006 冷、熱端測(cè)速段笛形管壓差修正系數(shù)， 冷、熱端測(cè)速段笛形管流量修正系數(shù)，取1.05 ， 冷、熱端測(cè)速段空氣密度

9、kg/m3TL1, TL2 冷端空氣進(jìn)出口溫度 TR1, TR2 熱端空氣進(jìn)出口溫度 t傳熱溫差 八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表一 熱風(fēng)進(jìn)口溫度變化時(shí)的各組參數(shù)編號(hào)PLPRTL1TL2TR1TR2表二 熱平衡計(jì)算表編號(hào)冷端空氣流量熱端空氣流量冷端吸熱量熱端放熱量平均換熱量傳熱系數(shù)K熱平衡偏差 （二）、空氣加熱器性能測(cè)試在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，除應(yīng)用噴水室對(duì)空氣進(jìn)行熱濕處理外，還廣泛采用表面式換熱器對(duì)空氣進(jìn)行處理。通常表面式可分為表面式冷卻器和空氣加熱器兩大類表面式冷卻器一般以冷水或者制冷劑作為冷媒，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的等濕冷卻、減濕冷卻等處理過(guò)程。 空氣加熱器一般以熱水或者蒸汽作為熱媒，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的等濕加熱的處理過(guò)

10、程。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)熟悉和掌握空氣加熱器（簡(jiǎn)稱加熱器）性能（換熱量）的測(cè)定方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置及儀器圖一、實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1.循環(huán)水泵 2.轉(zhuǎn)子流量計(jì) 3.過(guò)冷器 4.表冷器 5.實(shí)驗(yàn)臺(tái)支架6.吸入段 7. 整流柵 8.加熱前空氣溫度 9. 表冷器前靜壓 10.U形差壓計(jì) 11. 表冷器后靜壓 12.加熱后空氣溫度 13.流量測(cè)試段 14孔板 17.風(fēng)機(jī) 18.傾斜管壓力計(jì) 19.控制測(cè)試儀表盤 20.水箱換熱器為表冷器，表冷器幾何尺寸如下表：鋁翅片尺寸（mm）片距（mm）基管直徑dw/dn（mm）迎風(fēng)面積Fy（m2）散熱面積F（m2）最窄通風(fēng)面積f（m2）熱水流通面積f（m2）200432

11、.010/80.040.8850.0260.00001256 2水箱電加熱器總功率為4.5kW，分三檔控制，三檔功率分別為1.5kW。3空氣溫度和熱水溫度用K型熱電偶測(cè)量。4空氣流量用孔板配傾斜式微壓計(jì)測(cè)量。5空氣通過(guò)換熱器的流通阻力，在換熱器前后的風(fēng)管上設(shè)靜壓測(cè)嘴，配傾斜式微壓計(jì)測(cè)量；熱水通過(guò)換熱器的流通阻力，在換熱器進(jìn)出口處設(shè)測(cè)阻力測(cè)嘴，配壓力表和U型管測(cè)量。6熱水流量用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。三、實(shí)驗(yàn)方法1聯(lián)接電源（380V，四線，50HZ，5kW）。2向電熱水箱內(nèi)注水至水箱凈高5/6處。3用耐壓膠管連接換熱器進(jìn)出口處的阻力測(cè)嘴和差壓計(jì)的管口。4連接傾斜式微壓計(jì)及其相應(yīng)的接口。5工況調(diào)節(jié)1）全開

12、水箱電加熱器開關(guān)，待水溫接近試驗(yàn)溫度時(shí)，打開水泵開關(guān)，利用水泵出口閥門調(diào)節(jié)熱水流量。2）視換熱器情況，調(diào)節(jié)水箱電加熱器功率（改變加熱器投入，并利用調(diào)壓器改變第三組加熱器工作電壓），使熱水溫度穩(wěn)定于試驗(yàn)工況附近。 注 停機(jī)注意事項(xiàng)：（1）先關(guān)閉全部電熱器開關(guān)；（2）十分鐘后關(guān)閉水泵和風(fēng)機(jī)開關(guān)。（3）最后，切斷電源。四、實(shí)驗(yàn)步驟1）擬定試驗(yàn)熱水溫度（可取T1=5065）2）在固定熱水流速，改變空氣流速的工況下，進(jìn)行一組試驗(yàn)（5個(gè)以上工況）。3）在固定空氣流速，改變熱水流速的工況下，進(jìn)行一組試驗(yàn)（5個(gè)以上工況）。4）每一工況的試驗(yàn)，均需測(cè)定以下參數(shù)：空氣進(jìn)口溫度（或室溫）；空氣出口溫度及空氣流量；熱

13、水進(jìn)出口溫度及熱水流量；空氣和熱水通過(guò)換熱器的阻力等。五數(shù)據(jù)處理1）空氣吸熱量：Q1=CpkGk(t2-t1), W2）熱水放熱量：Q2=CpsGs(T1-T2), W3）平均換熱量：， W4）熱平衡誤差：5）傳熱系數(shù)： W/m2式中：Cpk，Cps分別為空氣和水的定壓比熱。J/kgGk，Gs 分別為空氣和水的質(zhì)量流量，kg/sGk = m3/s 流量系數(shù)，空氣取0.9988；被測(cè)介質(zhì)的膨脹校正系數(shù)，空氣取0.6329；F0孔板喉部斷面面積m2；P孔板前、后取壓斷面的靜壓差，氣體密度，kg/m3；Gs進(jìn)口溫度下的水流量 kg/sb微壓計(jì)傾斜比1/5t1，t2空氣的進(jìn)出口溫度,T1，T2熱水的進(jìn)

14、出口溫度, F換熱器散熱面積0.885 m2傳熱溫差， 注意事項(xiàng)：熱水溫度不能超過(guò)70。以免影響設(shè)備使用壽命。將原始數(shù)據(jù)記于表一、表二。將計(jì)算整理數(shù)據(jù)記于表三。加熱器的平均換熱量為式中： 加熱器的平均換熱量，kW；實(shí)驗(yàn)中兩流體間的熱平衡偏差為 則符合要求，實(shí)驗(yàn)即為合格；否則需要改變運(yùn)行參數(shù)，重新進(jìn)行測(cè)定與計(jì)算。表一 固定熱水流速記錄表編號(hào)空氣流速水測(cè) 流量： 空氣側(cè) 進(jìn)口溫度出口溫度進(jìn)口溫度出口溫度12345表二 固定空氣流速記錄表編號(hào)水測(cè)流速水測(cè) 空氣側(cè) 流量： 進(jìn)口溫度出口溫度進(jìn)口溫度出口溫度12345表三水測(cè)流量空氣側(cè)流量水測(cè)換熱量Q1空氣側(cè)換熱量Q2平均換熱量Q傳熱系數(shù)K熱平衡偏差 六

15、、問(wèn)題討論1、 換熱量隨水測(cè)或空氣側(cè)流速的改變?cè)趺礃幼兓?、 傳熱系數(shù)隨水測(cè)或空氣側(cè)流速的改變?cè)趺礃幼兓?（三）、翅片管式換熱器性能測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解翅片管式換熱器的原理；3測(cè)量翅片管式換熱器的性能；4培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)的能力。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1熟練實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)習(xí)正確使用測(cè)溫度、測(cè)壓差、測(cè)流速、測(cè)熱量等儀表。2正確安排實(shí)驗(yàn)，測(cè)取管外放熱和阻力的有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)的翅片管束安裝在一臺(tái)低速風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試儀表如圖1所示。試驗(yàn)由有機(jī)玻璃風(fēng)洞，加熱管件、風(fēng)機(jī)支架、測(cè)試儀表等六部分組成。有機(jī)玻璃風(fēng)洞由帶整流隔柵的

16、入口段，整流絲網(wǎng)、平穩(wěn)段、前測(cè)量段、工作段、后測(cè)量段、收縮段、測(cè)速段、擴(kuò)壓段等組成。工作段和前后測(cè)量段的內(nèi)部橫截面積為200mmx200mm。五、實(shí)驗(yàn)步驟1熟悉實(shí)驗(yàn)原理, 實(shí)驗(yàn)設(shè)備2調(diào)試檢查測(cè)溫、測(cè)速、測(cè)熱等各儀表，使其處于良好工作狀態(tài)；3接通電加熱器電源，將功率控制在150W，予熱510分鐘后，開動(dòng)引風(fēng)機(jī)，注意到引風(fēng)機(jī)需在空載或很小的開度下啟動(dòng)；4調(diào)整引風(fēng)機(jī)，來(lái)控制實(shí)驗(yàn)工況的空氣流速，一般空氣風(fēng)速應(yīng)從小到大逐漸增加，實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)畢托管壓差讀值，可改變 67個(gè)風(fēng)速值，這樣就有 67個(gè)實(shí)驗(yàn)工況；將測(cè)量的量整齊地記收予先準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)記錄表格中。6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和整理，將結(jié)果逐項(xiàng)記入數(shù)據(jù)整理表格中。在整理數(shù)據(jù)時(shí)，可以用手算程序。7對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。應(yīng)注意，當(dāng)所有工況的測(cè)量結(jié)束以后，應(yīng)先切斷電加熱器電源，待10分鐘后，再關(guān)停引風(fēng)機(jī)。六、數(shù)據(jù)整理數(shù)據(jù)的整理可按下述步驟進(jìn)行：1計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)量測(cè)量截積的風(fēng)速 （8） 流量系數(shù)，空氣取0.9988；被測(cè)介質(zhì)的膨脹校正系數(shù)，空氣取0.6329；F0孔板喉部斷面面積m2；P孔板前、后取壓斷面的靜壓差，可用gh計(jì)算氣體密度，kg/