鄭立輝, 袁 喆,王 敏,胡廷平

(武漢輕工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430023)

蒸汽壓縮制冷實(shí)驗(yàn)裝置改造及性能測試

鄭立輝, 袁 喆,王 敏,胡廷平

(武漢輕工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430023)

現(xiàn)有的蒸汽壓縮制冷試驗(yàn)裝置通過手動調(diào)節(jié)電壓方法來控制加熱功率，以達(dá)到控制蒸發(fā)溫度的目的，當(dāng)制冷劑冷凝溫度不變時，只能被動等待蒸發(fā)溫度穩(wěn)定，實(shí)際上只能得到一組數(shù)據(jù)；使用人工智能溫度控制器，自動調(diào)節(jié)加熱功率，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)溫度的自動控制，電子電能表記錄顯示用于加熱消耗的電能，在一定溫度范圍內(nèi)自動控制蒸發(fā)溫度。對改造后設(shè)備的性能測試數(shù)據(jù)表明：蒸發(fā)溫度在0―-15 ℃內(nèi)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，制冷量、壓縮機(jī)消耗功率、制冷系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的提高而增大。證明改造是成功的。

蒸汽壓縮制冷實(shí)驗(yàn)裝置；溫度控制器；電能表；改造；性能測試；

1 引言

蒸汽壓縮制冷[1-6]廣泛用于冰箱、空調(diào)、食品冷藏等生產(chǎn)生活電器中，也用于恒溫恒濕、低溫等實(shí)驗(yàn)設(shè)備中[7]，蒸汽壓縮制冷實(shí)驗(yàn)發(fā)揮著理論教學(xué)無法替代的作用，通過蒸汽壓縮制冷實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生更好地了解實(shí)際制冷循環(huán)和理想制冷循環(huán)的區(qū)別、理解制冷劑在經(jīng)過不同設(shè)備時物理狀態(tài)的變化、熱物理性質(zhì)的變化，理解節(jié)流原理、蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對制冷效率的影響。很多高校都開設(shè)有蒸汽壓縮制冷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置型號不同，我們使用的蒸汽壓縮制冷實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示。

圖1 蒸汽壓縮制冷實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

該裝置使用風(fēng)冷強(qiáng)制換熱冷卻、冷凝壓縮后的制冷劑，實(shí)驗(yàn)時冷凝溫度基本不變，整個制冷循環(huán)的制冷量是通過量熱器來計量的，量熱器的原理是制冷劑與載冷劑換熱，載冷劑溫度降低，但載冷劑中又安裝有電阻加熱器，電阻加熱器使載冷劑溫度升高，當(dāng)制冷劑蒸發(fā)提供的冷量和電阻加熱器提供的熱量、載冷劑循環(huán)泵產(chǎn)生的熱量、量熱器的漏熱量平衡時，量熱器內(nèi)載冷劑溫度恒定，此時制冷劑蒸發(fā)所吸收的熱量(制冷量)和電阻加熱器提供的熱量、載冷劑循環(huán)泵產(chǎn)生的熱量、量熱器的漏熱量之和相等，從而可以計算出裝置的制冷能力、制冷效率等指標(biāo)，原裝置存在的問題是：電阻加熱器的功率調(diào)節(jié)是依靠手動調(diào)節(jié)加熱電壓的方法來調(diào)節(jié)加熱功率，在環(huán)境溫度不變時，量熱器(制冷劑蒸發(fā))溫度實(shí)際上無法調(diào)節(jié)，被動等待量熱器溫度穩(wěn)定的時間長達(dá)70 min，在環(huán)境溫度不變時，量熱器的溫度也不變，實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)實(shí)際上只有一組，制冷效率與制冷劑蒸發(fā)溫度的關(guān)系、蒸發(fā)溫度的變化對制冷量的影響等無法在短時間內(nèi)測定出來，針對這一問題，在查閱資料的基礎(chǔ)上，將量熱器溫度的控制使用具有PID調(diào)節(jié)功能的人工智能溫度控制儀表進(jìn)行自動控制[8]，而加熱所消耗的電能使用高精度電能表來記錄。

綜合考慮控制精度、儀表的壽命、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，選擇宇電公司的AI518F溫度控制儀表；電能表采用力創(chuàng)LCDG-DG113導(dǎo)軌式單相計量顯示電能表，該電能表的額定電壓為交流220 V，額定電流為60 A，計量精度是1級，完全可以滿足電能計量的要求，計量精度高?？紤]到制冷劑的制冷量變化范圍大，因而安裝四根功率分別為1 kW的加熱管為量熱器提供熱量。圖2是量熱器結(jié)構(gòu)示意圖，圖2中數(shù)字1,2,8分別表示載冷劑進(jìn)口、載冷劑出口、量熱器溫度傳感器插孔，其余表示電熱管。

圖2 量熱器側(cè)面結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)計算及改造后裝置性能測定

由熱力學(xué)第一定律，對量熱器進(jìn)行能量衡算：

Q0=Q1+Q2+Q3.

(1)

其中 Q1、Q2、Q3分別為電熱管每秒提供的熱量、載冷劑循環(huán)泵放出的執(zhí)量、量熱器的漏熱量。當(dāng)量熱器溫度不變時，制冷劑蒸發(fā)提供的制冷量與量熱器內(nèi)的提供的熱量相等，由公式(1)求出制冷量。這二項(xiàng)分別由公式2和公式3計算得到。

Q1=V×3.6×106/t.

(2)

V為電能表讀數(shù)差，由電能表讀數(shù)差得到，單位為kW·h，t為實(shí)驗(yàn)記錄時間，單位為s。

Q2=IbVbcosφb.

(3)

量熱器漏熱量按標(biāo)定數(shù)值計算。

由制冷劑處于壓縮機(jī)出口、冷凝器出口、節(jié)流閥后及蒸發(fā)器出口的溫度、壓強(qiáng)等數(shù)值查閱制冷劑的壓焓圖可分別計算出循環(huán)單位制冷量、循環(huán)單位耗功、冷凝器單位熱負(fù)荷、理想制冷系數(shù)、制冷劑流量、制冷量、冷凝器熱負(fù)荷、壓縮機(jī)理想功率、壓縮機(jī)指示耗功率、系統(tǒng)總耗功、壓機(jī)總耗功、實(shí)際制冷系數(shù)、壓縮機(jī)綜合效率、制冷循環(huán)能效比等指標(biāo)。

為測試改造后設(shè)備的性能，設(shè)計系列裝置性能(表1，表2)測試實(shí)驗(yàn)：室溫為15 ℃、25 ℃時，設(shè)定蒸發(fā)溫度間隔為5 ℃，3 ℃，2 ℃，蒸發(fā)溫度分別為-15 ℃到0 ℃升溫、0 ℃到-15 ℃降溫等實(shí)驗(yàn)，以考察設(shè)備改造后性能。溫度間隔為5 ℃升溫實(shí)驗(yàn)是指量熱器溫度分別設(shè)定為-15 ℃，-10 ℃，-5 ℃，其余實(shí)驗(yàn)以此類推。

表1 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

編號1234量熱器溫度/℃-15-10-50加熱消耗電能/KW·h開始數(shù)值26．02826．69427．66928．755結(jié)束數(shù)值26．14026．88027．92029．096循環(huán)泵電流Ib/A2．42．42．42．4電壓Vb/V215210213214cosφb0．90．90．90．9總功耗電流Ic/A7．87．988．5電壓Vc/V215210210214cosφc0．940．950．970．97壓縮機(jī)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節(jié)流閥后T3/℃-11．5-10．0-8．6-9．1P3/MPa0．250．270．290．34蒸發(fā)器出口T4/℃-20．0-18．0-15．7-11．9P4/MPa0．240．250．280．32

表1、表2分別列出4組實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果，環(huán)境溫度為15 ℃，實(shí)驗(yàn)時間為10 min。

3.2.5打好產(chǎn)業(yè)扶貧三年攻堅戰(zhàn) 指導(dǎo)支持長江經(jīng)濟(jì)帶貧困縣、貧困鄉(xiāng)鎮(zhèn)和貧困村加快發(fā)展對貧困戶增收帶動明顯的種養(yǎng)業(yè)、林草業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)、休閑農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村旅游等，注重產(chǎn)業(yè)長期培育和發(fā)展，把綠水青山變成金山銀山。加快培育龍頭企業(yè)、農(nóng)民合作社、農(nóng)業(yè)社會化服務(wù)組織等新型經(jīng)營主體，強(qiáng)化脫貧致富帶頭人和新型職業(yè)農(nóng)民培育，吸引資本、技術(shù)、人才等要素向鄉(xiāng)村流動，引導(dǎo)新型經(jīng)營主體與貧困村、貧困戶建立聯(lián)動發(fā)展的利益聯(lián)結(jié)機(jī)制。扶持貧困地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)銷對接，加強(qiáng)產(chǎn)地市場和倉儲冷鏈物流體系建設(shè)，打造特色品牌，提升產(chǎn)銷信息服務(wù)水平。加強(qiáng)貧困地區(qū)特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展的財政資金投入、金融保險扶持、科技服務(wù)、風(fēng)險防范等支撐保障能力建設(shè)。

表2 計算結(jié)果

H1/(kJ/kg)462464468471H2/(kJ/kg)230231232234H3/(kJ/kg)230231232234H4/(kJ/kg)397400402402循環(huán)單位制冷量q0/W167169170168循環(huán)單位耗功W0/W65646669冷凝器單位熱負(fù)荷qk/W232233236237理想制冷系數(shù)ε12．572．642．582．43制冷劑流量qm6．99．411．715．1加熱管放出熱量Q1/W672111615062046載冷劑循環(huán)泵產(chǎn)生的熱量Q2/W464．4453．6460．08462．24制冷量Q0/W1158159219882530冷凝器熱負(fù)荷Qk/W1609．272194．342759．923569．45壓機(jī)理想功率Pt/W298377444572壓機(jī)指示耗功率Pc/W450．9602．7771．81039．2系統(tǒng)總耗功P/W1576．41576．11629．61764．4壓機(jī)總功耗Pr/W1376137614301564實(shí)際制冷系數(shù)ε20．8421．1571．3911．617壓機(jī)綜合效率0．220．270．310．37制冷劑環(huán)能效比EER0．731．011．221．43

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明隨著蒸發(fā)(量熱器)溫度升高，制冷系數(shù)變大；蒸發(fā)溫度降低時，實(shí)際制冷系數(shù)減小；

當(dāng)其它條件不變時，隨環(huán)境溫度升高，冷凝溫度也升高，制冷效果變差。這種變化趨勢與壓縮機(jī)制造廠商提供的壓縮機(jī)性能測定數(shù)據(jù)一致。

教學(xué)中對實(shí)驗(yàn)消耗時間進(jìn)行記錄，其情況如下：

當(dāng)環(huán)境溫度為15 ℃時，量熱器溫度從開始啟動的7.5 ℃到降溫到-15 ℃耗時90 min。此后溫度間隔不用耗時也不同，依次如下：

從-15 ℃到0 ℃升溫時，溫度間隔為5 ℃耗時18 min。

從-15 ℃到-1 ℃升溫時，溫度間隔為2 ℃耗時12 min。

當(dāng)環(huán)境溫度為15 ℃時，量熱器從開始啟動的0 ℃到降溫到-15 ℃耗時40 min。此后溫度間隔不同耗時也不同，依次如下：

從0 ℃到-15 ℃降溫時，每隔5 ℃耗時25 min。

從0℃到-15 ℃降溫時，每隔3 ℃耗時15 min。

從0 ℃到-15 ℃降溫時，每隔2 ℃耗時11 min。

3 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)際測定數(shù)據(jù)，證明改造是成功的，改造后的實(shí)驗(yàn)裝置性能穩(wěn)定，蒸發(fā)(量熱器)溫度調(diào)節(jié)方便，可節(jié)約實(shí)驗(yàn)時間，極大增加實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)，更好理解蒸汽壓縮制冷原理及蒸汽壓縮制冷裝置的性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時，可靈活測定多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以更好發(fā)揮實(shí)驗(yàn)設(shè)備的效能。綜合考慮實(shí)驗(yàn)耗時，建議提前開啟實(shí)驗(yàn)裝置，先使量熱器降溫到-15 ℃，節(jié)省時間。實(shí)驗(yàn)溫度間隔建議設(shè)為3 ℃，既可以清楚的了解實(shí)際循環(huán)過程、測定實(shí)際壓縮制冷循環(huán)的性能，又不至于耗時太久。

[1] Smith J M,.Van Ness H C, Abbott M M.Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics[M](英文影印版).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

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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.

鄭立輝(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