冰箱制冷系統(tǒng)綜合模擬實驗裝置的研制

劉忠寶 王慶華

北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124

冰箱制冷系統(tǒng)綜合模擬實驗裝置的研制

劉忠寶 王慶華

北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124

介紹了冰箱制冷系統(tǒng)綜合模擬實驗裝置的研制背景、組成、工作原理及應(yīng)用情況。實驗內(nèi)容設(shè)計為開放式、研究型，因而通過本實驗裝置，學(xué)生不僅可以鞏固冰箱制冷系統(tǒng)的基本原理、流程、結(jié)構(gòu)，而且對冰箱系統(tǒng)常見的故障可以較為熟練地排除，提高學(xué)生的工程實踐和動手能力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力、創(chuàng)新思維意識和創(chuàng)新思維能力。

冰箱；制冷；實驗裝置；研制

目前常見冰箱的基本制冷系統(tǒng)流程如圖1所示，壓縮機(jī)10產(chǎn)生的高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器1冷卻成制冷劑液體，冷卻后的高溫高壓制冷劑液體經(jīng)過干燥過濾器2通過電磁閥3進(jìn)入毛細(xì)管5內(nèi)進(jìn)行截流，截流后低溫低壓的制冷劑液體進(jìn)入冷藏室蒸發(fā)器7，吸收冷藏室7內(nèi)的熱量，之后通過三通換向閥8進(jìn)入冷凍室蒸發(fā)器9，吸收冷凍室9內(nèi)的熱量，隨后以氣體的形式蒸發(fā)進(jìn)入壓縮機(jī)10進(jìn)行壓縮。

當(dāng)冷藏室7內(nèi)的溫度超過設(shè)定值時電磁閥3將毛細(xì)管4導(dǎo)通，高溫高壓的制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器6，吸收蒸發(fā)器6內(nèi)的熱量，之后通過三通換向閥8進(jìn)入冷凍室蒸發(fā)器9。

圖1 冰箱制冷系統(tǒng)流程圖

冰箱系統(tǒng)都是用外殼封閉，學(xué)生不易直觀地了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理，而且也不能實現(xiàn)對各種不同故障條件下的模擬，不易達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。

本實驗裝置的目的在于克服常規(guī)的冰箱不能模擬各種工況的不足，提供一種供實踐教學(xué)使用的冰箱制冷系統(tǒng)綜合模擬實驗裝置。通過本實驗裝置，學(xué)生不僅可以鞏固冰箱制冷系統(tǒng)的基本原理、流程、結(jié)構(gòu)，而且對冰箱系統(tǒng)常見的故障可以較為熟練地排除，提高學(xué)生的工程實踐和動手能力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力、創(chuàng)新思維意識和創(chuàng)新思維能力。

1 冰箱制冷系統(tǒng)綜合模擬實驗裝置的組成原理

本系統(tǒng)包括如圖2所示的：壓縮機(jī)1；玻璃管2，4；冷凝器3；干燥過濾器5；熱力膨脹閥6，11；毛細(xì)管7，8，13；蒸發(fā)器9，14；窺液鏡10，17；感溫包12，16；電磁閥15；氣液分離器18；高低壓控制器19。其中壓縮機(jī)1出口與玻璃管2相連通，玻璃管2出口與冷凝器3相連通，冷凝器3與玻璃管4相連通，玻璃管4的出口與干燥過濾器5相連通，過濾器出口分為兩路，第一路通過4條并聯(lián)的線路與蒸發(fā)器9相連接，蒸發(fā)器9出口通過窺液鏡10；第二路通過兩條并聯(lián)的線路與蒸發(fā)器14相連通，蒸發(fā)器14的出口通過窺液鏡17，最終兩路匯集到一起與氣液分離器18相連通，氣液分離器18的出口與壓縮機(jī)入口相連通。壓縮機(jī)1出口與電磁閥15相連通，電磁閥出口與蒸發(fā)器14相連通，蒸發(fā)器14出口與氣液分離器18相連通，氣液分離器18出口與壓縮機(jī)入口相連通。

圖2 冰箱制冷系統(tǒng)綜合模擬實驗裝置

其中，壓縮機(jī)1產(chǎn)生高溫高壓的制冷劑氣體與玻璃管2相連通，通過玻璃管觀察制冷劑氣體流動狀態(tài)，玻璃管2的出口與冷凝器3相連通，在冷凝器3中制冷劑液體冷凝成為液體，冷凝器3的出口與玻璃管4相連通，通過玻璃管4觀察制冷劑液體的流動狀態(tài)，玻璃管4的出口與干燥過濾器5相連接，通過干燥過濾器5吸收制冷劑中的水分并除去雜質(zhì)，干燥過濾器5的出口分為2路：

第一路通過4條并聯(lián)的線路分別模擬熱力膨脹閥(正常型號以保障正常流量/過熱度調(diào)節(jié))，毛細(xì)管過長，毛細(xì)管過短以及系統(tǒng)阻塞4種狀況，并聯(lián)線路的出口與蒸發(fā)器9相連通，吸收蒸發(fā)器9中的熱量，蒸發(fā)器9的出口與窺液鏡10相連通，通過窺液鏡10觀察系統(tǒng)中制冷劑的含水量。

第二路通過兩條并聯(lián)的線路分別模擬熱力膨脹閥(正常型號以保障正常流量/過熱度調(diào)節(jié))，毛細(xì)管(演示其不具流量調(diào)節(jié)功能)兩種狀況，并聯(lián)線路的出口與蒸發(fā)器14相連通，吸收蒸發(fā)器14中的熱量，蒸發(fā)器14的出口與窺液鏡17相連通，通過窺液鏡17觀察系統(tǒng)中制冷劑的含水量，隨后兩條路匯聚到一起與氣液分離器18相連通，氣液分離器18使氣液分離保證進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑為氣體，氣液分離器18的出口與壓縮機(jī)的入口相連接。

當(dāng)需要除霜時系統(tǒng)有自動化霜裝置，將壓縮機(jī)與電磁閥中間的閥門打開，由壓縮機(jī)產(chǎn)生高溫高壓的制冷劑氣體與電磁閥15相連通，電磁閥另一端與蒸發(fā)器14相連通，由高溫高壓的制冷劑氣體將蒸發(fā)器14的霜化去，蒸發(fā)器14的出口與氣液分離器18相連通，實現(xiàn)氣液分離保證進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑為氣體，氣液分離器18的出口與壓縮機(jī)的入口相連接，從而完成循環(huán)。

本裝置中，系統(tǒng)管道采用專用制冷軟管道連接，減少焊接點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。制冷量不小于100W，雙蒸發(fā)器系統(tǒng)，冷室容積不小于0.2m3，外壁為50mm厚彩鋼板，傳熱系數(shù)約為0.37W/m2?K。蒸發(fā)器9設(shè)置透明玻璃管觀察口以觀察系統(tǒng)中制冷劑的狀態(tài)以及流量，蒸發(fā)器9(0℃)采用4種并聯(lián)節(jié)流方式：熱力膨脹閥(正常型號以保障正常流量/過熱度調(diào)節(jié))，毛細(xì)管(過長，演示其不具流量調(diào)節(jié)功能)，毛細(xì)管(過短，演示其不具流量調(diào)節(jié)功能)，閥門(演示系統(tǒng)阻塞)。系統(tǒng)中設(shè)置高低測量裝置，溫度傳感器，能夠測量蒸發(fā)溫度/壓力，冷凝溫度/壓力，吸氣/排氣溫度/壓力，過熱度，制冷劑流量，所有參數(shù)在儀表盤顯示，蒸發(fā)器14(-10℃)采用EKC+AKV電子膨脹閥溫控系統(tǒng)代替熱力膨脹閥系統(tǒng)。蒸發(fā)器14可模擬結(jié)冰并采用兩種熔冰方式：電熱化霜，熱氣旁通化霜。采用變速風(fēng)機(jī)改變蒸發(fā)/冷凝壓力引發(fā)系統(tǒng)高低壓保護(hù)。能夠模擬蒸發(fā)/冷凝器臟堵。能夠模擬蒸發(fā)/冷凝器風(fēng)量不足。能夠模擬過濾器臟堵。能夠模擬壓縮機(jī)高壓切斷、低壓切斷(用截流針閥)。能夠模擬排氣溫度過高保護(hù)。能夠模擬制冷劑充注不足/充注過量。模擬熱力膨脹閥冰堵。

圖3是按照流程圖所加工的一臺實驗裝置，用以向?qū)W生展示并進(jìn)行相關(guān)的實驗研究。

圖3 冰箱制冷系統(tǒng)綜合模擬實驗裝置實圖

2 冰箱制冷系統(tǒng)綜合模擬實驗裝置的應(yīng)用

此實驗裝置目前已經(jīng)作為創(chuàng)新設(shè)計和創(chuàng)新實踐課程必備的教學(xué)實驗設(shè)備投入實驗教學(xué)中應(yīng)用了3年之久，同時作為學(xué)生課外制冷空調(diào)科技競賽和職業(yè)技能培訓(xùn)必備的設(shè)備，對象主要是大三、大四的本科生，學(xué)生學(xué)習(xí)后的普遍感受是貼近生活、很有趣。每年的平均實踐教學(xué)人時數(shù)為200學(xué)時人數(shù)。使用該裝置可對制冷原理及設(shè)備、制冷裝置、食品冷凍冷藏、空調(diào)原理及設(shè)備等專業(yè)課知識點(diǎn)做很好的梳理，既彌補(bǔ)了以往知識的欠缺又增強(qiáng)了實踐能力。教師不硬性規(guī)定條條框框，鼓勵大家勇于面對裝置設(shè)定的故障，鼓勵大家勇于堅持自己的觀點(diǎn)，通過實踐學(xué)習(xí)，學(xué)生的創(chuàng)新意識比以往增強(qiáng)了，而且學(xué)到了一些好的工作方法，也增強(qiáng)了合作意識。

[1] 劉忠寶，馬國遠(yuǎn).多種渠道保障制冷專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的探索與實踐[J].教育研究通訊增刊，2005，2：36～39

[2] 劉忠寶，馬國遠(yuǎn).制冷專業(yè)教學(xué)質(zhì)量綜合保障體系的建立與實踐[C].制冷空調(diào)學(xué)科教學(xué)研究進(jìn)展，2006，4：52～56

[3] 劉忠寶，王慶華，馬國遠(yuǎn)，等.通過專業(yè)技能培訓(xùn)和科技競賽提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力[C].制冷空調(diào)學(xué)科發(fā)展與教學(xué)研究，2010，7：161～166

[4] 劉忠寶，王慶華.熱驅(qū)動的擴(kuò)散吸收式制冷空調(diào)教學(xué)實驗裝置的研制[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，1：51～53

[5] 馬國遠(yuǎn)，姜明健，劉忠寶，等.利用綜合試驗裝置培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新能力[C].制冷空調(diào)學(xué)科發(fā)展與教學(xué)研究，2010，7：272～275

[6] 姜明健，張紅光.研制實訓(xùn)設(shè)備，為制冷專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)造性人才[C].制冷空調(diào)學(xué)科發(fā)展與教學(xué)研究，2010，7：9～12

[7] 教育部面向21世紀(jì)熱工課程改革項目組.熱工課程在工科各專業(yè)人才培養(yǎng)中的地位及建議[J].高等工程教育，2000，增刊：93～97

[8] 教育部高等教育司.國家精品課程2005[M].北京：高等教育出版社，2007

[9] Gary Gereffi,Vivek Wadhwa, Ben Rissing. Getting the numbers right: international engineering education in the United States, China and India[J].Journal of Engineering Education,2008：13～25

Development of refrigerator refrigeration system comprehensive simulation and test device

Liu Zhongbao, Wang Qinghua
Beijing university of technology, Beijing, 100124, China

Development background, composition, principle of work and application of refrigerator refrigeration system comprehensive simulation and test device are introduced. Experimental content is designed for open style, investigative, not only thus through this test installation, the students may consolidate his basic principle, the f ow, the structure of the refrigerator refrigeration system, moreover to the common breakdown of refrigerator system may have a more skilled elimination. Ability of student's project to practice is raised, and student's synthesis practice ability, innovation thought consciousness and the innovation power of thought are raised.

refrigerator; refrigeration; test device; development

2011-03-31 稿件編號：1103215

劉忠寶,博士,副教授,碩士研究生導(dǎo)師。

本文受北京市精品教材建設(shè)項目（編號：00500054J3002）資助。