地?zé)釋W(xué)課程實驗指導(dǎo)書

《地?zé)釋W(xué)》課堂實驗/實踐指導(dǎo)書課程中文名稱：地?zé)釋W(xué)課程英文名稱：Geothermic課程編號：020060120適用專業(yè)：新能源科學(xué)與工程學(xué)時數(shù)：32學(xué)分數(shù)：2課程類別：專業(yè)課程應(yīng)開課學(xué)期：第四學(xué)期實驗/實踐一：地源熱泵機組COP測定實驗/實踐類型：操作實驗/實踐學(xué)時：4實驗/實踐要求：10人/組一、實驗/實踐目的1、了解熱泵的工作過程及性能的評價指標；2、熟悉熱泵裝置的組成，領(lǐng)會制冷與供熱的對立與統(tǒng)一關(guān)系；3、測定蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的性能；4、通過本實驗，了解測定熱泵壓縮機主要性能指標──壓縮機的制冷量和輸入功率的相關(guān)標準（GB/T?5773－2004容積式熱泵壓縮機性能試驗方法）；5、通過本實驗，掌握測定熱泵主要性能指標（壓縮機的制冷量和輸入功率）的一種試驗方法──第二制冷劑量熱法；6、通過本實驗，掌握一種測定換熱器2熱損失系數(shù)的方法。二、實驗/實踐內(nèi)容1.測定蒸汽壓縮式制冷循環(huán)性能。2.測定熱泵主要性能指標。3.測定換熱器熱損系數(shù)。三、儀器設(shè)備熱泵性能測試儀四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟（一）實驗原理、方法和手段1、單級熱泵的理論循環(huán)熱泵(HeatPump)是一種將低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难b置。來實現(xiàn)制冷和供暖，熱泵裝置的工作原理與\t"/item/%E7%83%AD%E6%B3%B5%E5%8E%9F%E7%90%86/_blank"壓縮式制冷機是一致的，在小型空調(diào)器中，為了充分發(fā)揮其效能，夏季空調(diào)降溫或冬季取暖，都是使用同一套設(shè)備來完成。通過本裝置學(xué)習(xí)熱泵原理及使用方法圖1顯示了壓力－比焓圖上單級熱泵機組的理論循環(huán)。熱泵壓縮機吸入的是以點1表示的飽和蒸氣，1－2表示制冷劑在壓縮機中的等熵壓縮過程；2－3表示制冷劑在冷凝器中的等壓放熱過程，在冷卻過程中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)有溫差，放出過熱熱量，在冷凝過程中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)無溫差，放出比潛熱，在冷卻和冷凝過程中制冷劑的壓力保持不變，且等于冷凝溫度TK下的飽和蒸氣壓力PK；（）是液態(tài)再冷卻放出的熱量；3－4表示節(jié)流過程，制冷劑在節(jié)流過程中壓力和溫度都降低，且焓值保持不變，進入兩相區(qū)；4－1表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程，理想狀態(tài)下，制冷劑在溫度T0、飽和壓力P0保持不變的情況下蒸發(fā)，而被冷卻物體或載冷劑的溫度得以降低。實際中由于存在壓降和飽和度問題，可根據(jù)實際情況，分析導(dǎo)致與理想狀態(tài)不一致的原因，找出適合此工況的操作方法圖1壓力－比焓圖2、單級熱泵壓縮制冷機的實際循環(huán)與簡化后的實際循環(huán)實際循環(huán)和理論循環(huán)有許多不同之處，除了壓縮機中的工作過程以外，主要還有下例一些差別。（1）熱交換器中存在溫差，即冷風(fēng)溫度T低于冷凝溫度TK，且T是變化的（進口溫度低，出口溫度高）：載冷劑或冷卻對象的溫度T0，載冷劑的溫度也是變化的。（2）制冷劑流經(jīng)管道及閥門時同環(huán)境介質(zhì)間有熱量交換，尤其是自節(jié)流閥以后，制冷劑溫度降低，熱量便會從環(huán)境介質(zhì)傳給制冷劑，導(dǎo)致冷量損失。因為制冷機的實際循環(huán)過程很難用手算法進行熱力計算。因此，在工程設(shè)計中常常是對它作一些簡化。圖2為簡化后的實際循環(huán)過程。注：為理論循環(huán)的等熵壓縮過程：為實際循環(huán)的壓縮過程。簡化途徑是：（1）忽略冷凝器及蒸發(fā)器中的微小壓力變化，即以壓縮機出口的壓力為冷凝壓力（在大型裝置中，壓縮機的排氣管道較長，應(yīng)從排氣壓力減去這一段管道壓力損失后作為冷凝壓力），以壓縮機進口壓力作為蒸發(fā)壓力（在大型裝置中尚需加上吸氣管道的壓力損失），同時認為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度均為定值。（2）將壓縮機內(nèi)部過程簡化為一個從吸氣壓力到排氣壓力有損失的簡單壓縮過程。（3）節(jié)流過程認為是等焓過程。經(jīng)過簡化之后，即可直接利用lgp-h圖進行循環(huán)性能指標的計算。圖2實際循環(huán)過程3、實際循環(huán)與理論循環(huán)的區(qū)別實際循環(huán)區(qū)別于理論循環(huán)有如下幾方面：（1）由于摩擦作用，在壓縮機的排出口和膨脹閥進口之間及膨脹閥出口和壓縮機吸入端之間將產(chǎn)生微小的壓力降。（2）壓縮過程即不是等熵過程也不是絕熱過程（壓縮機通常有熱量損失）。（3）離開蒸發(fā)器的蒸氣通常有過熱（這使膨脹閥得以自動控制，同時也改善了壓縮機的性能）。（4）離開冷凝器的液體一般略有過冷（這樣提高了制冷系數(shù)ε，且減少了通向膨脹閥管路上形成蒸氣的可能性）。（5）循環(huán)在環(huán)境溫度下運行時，可能有少量的無用熱量從外界傳入到循環(huán)的各個部分。4、間接法測定熱泵性能本實驗采用國標（GB/T5773一2004）提出的對熱泵壓縮機性能測試的主要試驗方法——間接量熱法，對熱泵壓縮機的制冷量和輸入功率進行測定。根據(jù)標準，本試驗方法適用于不小于0.75kW的容積式熱泵壓縮機的性能試驗。間接法是通過第二制冷劑換熱器2間接測定制冷量，是利用安置在第二制冷劑換熱器2內(nèi)部的電加熱管發(fā)出的熱量來消耗蒸發(fā)器盤管所產(chǎn)生的制冷量。本試驗裝置有二種制冷劑，其中第一制冷劑為R22，第二制冷劑為乙二醇水溶液。第二制冷劑換熱器2是一個密閉的常壓的隔熱容器，安置在該換熱器2內(nèi)的蒸發(fā)器盤管浸漬在第二制冷劑內(nèi)，電加熱管安裝在容器的底部并被容器內(nèi)的第二制冷劑浸沒。第一制冷劑在制冷系統(tǒng)中循環(huán)，在第二制冷劑換熱器2的蒸發(fā)器盤管中蒸發(fā)制冷;輸入第二制冷劑換熱器2的熱量主要由電加熱管供給（換熱器2的漏熱量應(yīng)不超過5%)。這樣，制冷系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷量被輸入的熱量通過第二制冷劑（中間介質(zhì)）間接消耗，當試驗系統(tǒng)的熱力狀態(tài)趨于穩(wěn)定時，表明換熱器2內(nèi)趨于動態(tài)熱平衡。當系統(tǒng)處于熱平衡時，其熱平衡方程式為：（W）…………(1)式中：──蒸發(fā)器盤管制冷量/W──電加熱功率/W──第二制冷劑換熱器2的熱損失（外界傳入為正）/W當實際試驗工況與規(guī)定的試驗工況相一致，以及實際供電頻率和規(guī)定電網(wǎng)頻率一致時，蒸發(fā)器盤管制冷量即為熱泵壓縮機的制冷量。若實際的試驗工況和規(guī)定工況有些差異，根據(jù)熱泵壓縮機制冷量的定義，用以下的公式求得全封閉式熱泵壓縮機在規(guī)定試驗工況下的制冷量。（W）…………..(2)式中：──熱泵壓縮機規(guī)定試驗工況下的制冷量/W；──規(guī)定試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比焓/kJ/kg；──規(guī)定試驗工況下節(jié)流閥前液態(tài)制冷劑的比焓（kJ/kg）──實際試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比焓（kJ/kg）──實際試驗工況下節(jié)流閥前液態(tài)制冷劑的比焓（kJ/kg）──規(guī)定試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比容（m3/kg）──實際試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比容（m3/kg）──規(guī)定試驗工況下熱泵壓縮機供電頻率（Hz）──實際試驗工況下熱泵壓縮機供電頻率（Hz）5、第二制冷劑換熱器2熱損失的標定將換熱器2與制冷系統(tǒng)的閥門全部關(guān)閉，接通電加熱管電源，供給電能使第二制冷劑循環(huán)，調(diào)節(jié)供電量，使第二制冷劑溫度穩(wěn)定于某值，該值所對應(yīng)的第二制冷劑的飽和溫度與環(huán)境溫度之差不小于14℃，此時維持供電量，其值波動應(yīng)在±1％之內(nèi)，并使第二制冷劑壓力相對應(yīng)的飽和溫度的波動不大于±0.5℃，讀得電加熱量。第二制冷劑換熱器2熱損失系數(shù)由下式確定：（W/℃）………..(3)式中：──第二制冷劑換熱器2熱損失系數(shù)（W/℃）──第二制冷劑穩(wěn)定壓力所對應(yīng)的飽和溫度（℃）──環(huán)境溫度（℃）從而可利用值，求得試驗條件下第二制冷劑換熱器2的熱損失：（W）………(4)式中：──實際試驗條件下第二制冷劑穩(wěn)定壓力所對應(yīng)的飽和溫度（℃）──實際試驗條件下環(huán)境溫度（℃）測定的第二制冷劑換熱器2的絕熱效果應(yīng)使散熱量不超過被測壓縮機制冷量的5％。（二）實驗步驟1準備工作（1）實驗前準備預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書，詳細了解實驗裝置及各部分的作用，檢查儀表的安裝位置及熟悉各測試參數(shù)的作用；了解和掌握制冷和制熱系統(tǒng)的操作規(guī)程；熟悉制冷工況的調(diào)節(jié)方法。（2）在熟悉了實驗系統(tǒng)，明確了實驗內(nèi)容和操作步驟以及注意事項，掌握了實驗設(shè)備和儀表的使用方法之后，依次逐步進行實驗（3）檢查制冷/制熱系統(tǒng)各部分有無異常，如有異常，則應(yīng)首先處理完好。比如制冷劑壓力是否正常，以保護壓縮機。（4）檢查換熱器2內(nèi)乙二醇溶液是否覆蓋盤管，若不是，添加配制30%乙二醇溶液至埋沒銅管；（5）啟動總電源，啟動控制電源開關(guān)，進行設(shè)備預(yù)熱，一般冬季需要5min左右（夏季此步驟省略）；（6）設(shè)置參數(shù)，設(shè)置壓力保護上限1.5MPa，溫度保護上限90℃，壓縮機啟動間隔2.5min（可有效保護壓縮機，防止超過使用要求）；（7）通過觸控機啟動換熱器1電機，開啟手動節(jié)流閥和電磁閥，以保證整個設(shè)備內(nèi)壓力基本一致（防止熱泵壓縮機突然啟動導(dǎo)致壓力過大）（8）啟動換熱器2外循環(huán)泵，以保證換熱器2內(nèi)換熱介質(zhì)處于均勻狀態(tài)2制冷實驗操作（1）打開VA11~VA14，檢查VA21~VA24處于關(guān)閉狀態(tài)；（2）啟動壓縮機，觀察運行過程中壓力和溫度變化情況，并通過視液鏡觀察制冷劑相變狀態(tài)，對比分析整個制冷過程每個階段的變化過程；（3）微調(diào)工況手閥，控制制冷壓降處于合適范圍（4）運行一段時間后，觀察到換熱器2內(nèi)溫度約為15℃時，啟動換熱器2加熱，建議初始可設(shè)置加熱比例為60%；（5）選擇控制換熱器2溫度15℃（此處可根據(jù)任務(wù)設(shè)定），當達到所需溫度時，換熱器2溫度依然下降，可通過調(diào)節(jié)換熱器2加熱功率使其穩(wěn)定（6）5min左右，設(shè)備狀態(tài)不再變化，則視為穩(wěn)定，記錄此時相關(guān)壓力、溫度、功率；（7）再次控制換熱器2溫度10℃、5℃，重復(fù)8、9步驟；（8）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，查詢相關(guān)實驗點的焓值，并記錄到數(shù)據(jù)處理表格，畫出相關(guān)壓焓圖，并根據(jù)壓焓圖進行數(shù)據(jù)處理；分析對比相關(guān)現(xiàn)象，并解釋相關(guān)原因。（9）調(diào)節(jié)換熱器2加熱至蒸發(fā)器出口溫度至規(guī)定工況，并調(diào)節(jié)節(jié)流閥節(jié)流流量至壓縮機入口規(guī)定工況，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；（10）實驗結(jié)束，關(guān)閉加熱，關(guān)閉壓縮機；保持冷凝風(fēng)扇運行大約5分鐘后，斷電并整理實驗臺。3制熱實驗操作（1）打開VA21~VA24，檢查VA11~VA14處于關(guān)閉狀態(tài)；（2）啟動壓縮機，觀察運行過程中壓力和溫度變化情況，并通過視液鏡觀察制冷劑相變狀態(tài)，對比分析整個制冷過程每個階段的變化過程；（3）微調(diào)工況手閥，控制制冷壓降處于合適范圍（4）記錄此時的換熱器2溫度，穩(wěn)定10min后，再次記錄換熱器2的溫度；（5）記錄此時相關(guān)壓力、溫度、功率；（6）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，查詢相關(guān)實驗點的焓值，并記錄到數(shù)據(jù)處理表格，畫出相關(guān)壓焓圖，并根據(jù)壓焓圖進行數(shù)據(jù)處理；分析對比相關(guān)現(xiàn)象，并解釋相關(guān)原因。（7）根據(jù)熱量公式，計算換熱器2實際吸收熱負荷，并計算相關(guān)制熱系數(shù)；（8）實驗結(jié)束，關(guān)閉壓縮機；保持冷凝風(fēng)扇運行大約5分鐘后，斷電并整理實驗臺。五、實驗/實踐結(jié)果處理1、記錄數(shù)據(jù)：（1）記錄吸氣壓力、排氣壓力、冷凝壓力、節(jié)流閥前壓力、節(jié)流閥后壓力、換熱器2內(nèi)壓力、壓縮機吸排氣溫度、冷凝器出入口溫度、膨脹閥前后溫度、換熱器2出口溫度、換熱器2溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度。（2）測定換熱器2電流、換熱器2電壓。（3）測定壓縮機輸入電流I1、輸入電壓U1，計算輸入功率。（4）每間隔l0分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，并以連續(xù)四次讀值的算術(shù)平均值作為計算依據(jù)。2、制冷劑流量計算（第二制冷劑換熱器2法）：

（）式中——供給電換熱器2的功率，W；換熱器2循環(huán)產(chǎn)熱功率記為10W——電換熱器2熱的漏熱系數(shù)（k=4.00W/℃，此漏熱系數(shù)為測定漏熱系數(shù)，有興趣的同學(xué)可對漏熱系數(shù)測定進行測定）；——環(huán)境溫度，℃；——第二制冷劑飽和溫度（根據(jù)其飽和壓力查表），℃；——制冷劑在換熱器2出口的焓值，kJ／kg；——節(jié)流閥前液體制冷劑的焓值，kJ／kg；3、實際制冷量計算：Qp=(W式中：──熱泵壓縮機試驗工況下的制冷量/W；W1──換熱器2電加熱功率W──規(guī)定試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比焓/kJ/kg；──規(guī)定試驗工況下節(jié)流閥前液態(tài)制冷劑的比焓（kJ/kg）──實際試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比焓（kJ/kg）──實際試驗工況下節(jié)流閥前液態(tài)制冷劑的比焓（kJ/kg）──規(guī)定試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比容（m3/kg）──實際試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比容（m3/kg）──規(guī)定試驗工況下熱泵壓縮機供電頻率（Hz）──實際試驗工況下熱泵壓縮機供電頻率（Hz）；4、壓縮機壓比、制冷循環(huán)壓比計算：α其中：P1——壓縮機入口壓力P2——壓縮機出口壓力P3——節(jié)流前壓力P4——節(jié)流后壓力5、壓縮機的輸入功率測定：(W)式中：I——輸入電流AU——輸入電壓V6、制冷系數(shù)計算ε7、性能系數(shù)COP的計算 此指標考慮到驅(qū)動電機效率對耗能的影響，以單位電動機輸入功率的制冷量大小進行評價，該指標多用于全封閉熱泵壓縮機。計算公式如下：COP式中