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1、实验五实验五 模拟电冰箱制冷系数的测模拟电冰箱制冷系数的测量量一、实验目的一、实验目的1、 培养学生理论联系实际，学用结合的实际工作能力；2、 学习电冰箱的制冷原理，加深对热学基本知识的理解；3、 测定电冰箱的制冷系数。二、电冰箱的制冷原理二、电冰箱的制冷原理1、电冰箱制冷的理论基础 热力学第二定律的克劳修斯说法是：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起外界的变化。因此,只能通过某种逆向热力学循环，外界对系统作一定的功，使热量从低温物体(冷端)传到高温物体(热端)，如图 5l 所示。Q1是系统向高温热源放出的热量，Q2是系统从低温热源吸收的热量， W 是外界对系统所做的功，那么：Q2=Q1
2、-W (5-1)电冰箱就是通过逆向热力学循环对循环系统冷端的利用，称为制冷机。图 5l 图 522、制冷的方式 制冷可利用熔解热、升华热、蒸发热、珀尔贴效应等方式。电冰箱则是用氟里昂作制冷剂，当液体氟里昂在蒸发器里大量蒸发(实际是沸腾，但在制冷技术中习惯称为蒸发)时，带走低温处的热量，从而达到制冷的目的。因此，电冰箱是一种利用蒸发热方式制冷的机器。3、制冷剂氟里昂 氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的统称。本实验中使用的氟里昂 12 的分子式为 CCL2F2，国际统一符号为 R12。R12 无色、无味、无臭、无毒、对金属材料无腐蚀性。当氟里昂容积浓度不超过 10%左右时，人没有任何不适的
3、感觉，但当氟里昂容积浓度达到 80%，人有窒息的危险。R12 不燃烧、不爆炸，但其蒸汽遇到 800以上的明火时，会分解产生对人体有害的毒气。R12 的几个有关参数如下：沸点(latm) -29.8 凝固点(latm) -155临界温度 112 临界压力 4.06Mpa4、真实气体的等温线 制冷剂在循环过程中的状态变化，遵循真实气体的状态变化规律，其 P-V 图如图 5-2 所示。从图 5-2 中可见，真实气体的等温线并非都是等轴双曲线。如在 lm 部分，真实气体的等温线与理想气体的等温线相似；在 m 点气体开始液化，在 m 至 n 点这段气体的液化过程中，气体体积虽在减少，但气体压力保持不变，
4、因此该过程是等压过程，我们称其压力为饱和蒸汽压；至 n 点气体完全液化。等温线的 mn 部分为饱和蒸汽和饱和液体共存的范围，但在 no 部分，曲线几乎与压力轴平行，这反映了液体的不易压缩性。随着温度的升高，气液体共存状态的范围从 mn 线段缩小为 mn线段，而饱和蒸汽压增高。温度继续升高，等温线的平直部分缩成一点，在 PV 图上出现一个拐点 K，称临界点。通过临界点的等温线称临界等温线。在临界等温线以上，压力无论怎样加大，气体不可能再液化。在 p-V 图上，不同等温线上开始液化和液化终了的各点可以连成曲线 mKn。曲线 nK 的左边完全是液体，nK 线称温饱和液体线，以干度 X=0 表示。曲线
5、 mK 的右边完全是气体状态，mK 线称干饱和蒸汽线，以干度 X=1 表示（干度 X 表示气液体共存区里饱和蒸汽所占的比例。例如干度 X=0.3 时，表示饱和蒸汽占30%，饱和液体占 70%）。5、电冰箱的制冷循环 电冰箱的制冷循环如图 53、图 54 所示，其中图 53 为循环示意图，图 54 表示在 PV 图上的制冷循环过程。图 53图 54电冰箱的制冷循环主要有四个过程：压缩机压缩 R12 蒸汽，使它的压力由低增高成高温高压蒸汽；冷凝器（散热器）使高温高压蒸汽放热冷凝为中温高压液体；毛细管使中温高压液体节流膨胀为低温低压汽液混合体，并不断供向蒸发器；蒸发器使 R12 液体吸热成低温低压蒸
6、汽，从而达到制冷循环的目的。四个过程的具体情况如下：(l)压缩过程(绝热过程) 在压缩过程中，由于压缩机活塞的运动速度很快，可近似地将此过程看作是与外界没有热量交换的绝热压缩。在 P-V 图中为一条绝热线。绝热线下的面积即为压缩机对系统所做的功 W。(2)冷凝过程(等压过程) 从压缩机排出的制冷剂刚进入冷凝器时是过热蒸汽，它被空气冷却成干饱和蒸汽，并进一步冷却成中温饱和液体，再进一步冷却成过冷液体。一般情况下，进入毛细管之前的制冷剂是过冷液体，这是等压过程，为冷疑压力 P1，在 P-V 图中为一条水平线，在此过程中制冷剂放出热量Q1。. (3)减压过程(绝热过程) 制冷剂通过毛细管狭窄的通路时
7、，由于摩擦和紊流，在流动方向产生压力下降，此即焦耳一汤姆孙节流过程，在 P-V 图中为一条绝热线。(4)蒸发过程(等压过程) 从毛细管出口经过蒸发器进入压缩机吸入口为止的制冷剂，状态尽管有变化，其压力是不变的，都是蒸发压力 P2。进入蒸发器的制冷剂是汽液混合体，制冷剂在通过蒸发器的过程中从周围吸收热量，蒸发成干饱和蒸汽，再进一步成过热蒸汽被压缩机吸入，在 P-V 图中为一条水平线，在此过程中制冷剂吸收热量 Q2。以上四个过程，构成电冰箱的制冷循环过程。6、制冷系数 根据热力学第二定律，制冷机的制冷系数为：= (5-2)从上式可以看出，压缩机对系统所作的功 W 越小，自低温热源吸取的热量 Q2越
8、多，则制冷系数 越大，系统工作越经济。制冷系数是反映制冷机制冷特性的一个参数，它可以大于 1,也可以小于 1。如把制冷机看作逆向卡诺循环机，则制冷系数为：= (5-3)由此式可见，T1、T2越接近，即冷冻室的温度与室温越接近时，制冷系数 越大，也就是说消耗同样的功率，可以从低温热源吸取较多的热量，从而获得较好的制冷效果。当冰箱里没有需要深度冷冻的物品时，不必将冷冻室的温度调得很低，一般保持在-5左右即可，这样可以省电。三、实验装置三、实验装置本实验所用的装置主要有：模拟电冰箱制冷系数测定装置(MB-型)，功率因数表。学生可以根据图 55 所示实验装置了解上述电冰箱的制冷原理，对照实物，搞清实验
9、中装置各部分的作用。l、冷冻室 其组成是在杜瓦瓶中盛三分之二深度的含水酒精作冷冻物；用蛇形管蒸发制冷剂吸热；用加热器平衡制冷剂蒸发时的吸热，并用马达带动搅拌器使冷冻室内温度均匀。温度计 t0用于读出冷冻室内含水酒精的温度，以判定冷冻室是否已达到了热平衡。2、冷凝器 即散热器，在实验装置的背后，接“冷凝汽入口 B“和“冷凝器出口 E“。3、干燥管和毛细管 干燥管内装有吸湿剂，用于滤除制冷剂中可能存在的微量水分和杂质，防止在毛细管中产生冰堵塞或脏堵塞。内径小于 0.2 毫米的毛细管用于制冷剂节流膨胀，产生焦耳汤姆孙效应。4、压缩机和电流表 压缩机压缩制冷剂使其压力由低变高。电流表用于监测压缩机的工
10、作电流，当电流大于 1 安培时，制冷系统可能有堵塞情况发生。电流表后装有通电延时器，以防压缩机启动时电流过载。小型电冰箱压缩机的内部包括压缩机和电动机两部分，由电动机拖动压缩机做功。电动机因种种损耗，输向压缩机的功率小于输入电动机的电功率 P电，其效率 电0.8；压缩机也因种种损耗，用于压缩汽体的功率小于电动机输向压缩机的功率，其效率 压0.65。因此压缩机对制冷剂作功的功率 P(简称压缩机功率)。P=P电=电压P电=0.52P电图 55 图 56 5、接线柱 I、U、*和调压变压器 接线柱共两组， I加、U加、*组用于接测量加热功率的功率计：I电、U电、*组用于接测量压缩机电功率的功率计。如
11、不用功率计测量，也可用交流电流表（串接在 I、*接线柱间）或交流电压表(I、*接线柱短接)，但事前需作出电流功率或电压功率定标曲线。实验时根据测得的电流值或电压值，查得实际的功率值。调压变压器用于调节加热器电压 U，以改变加热功率。6、开关 K1为压缩机电源开关，K2为加热器电源开关。四、实验内容四、实验内容1、对照讲义和实物，认清仪器的各个部分，搞清楚它们的作用。2、连接功率因数表，方法如下：功率因数表后面有六个接线插孔，分别标为左边上、中、下和右边上、中、下。旋下主机中部下方的 6 个功率测量接线柱旋钮，去掉连接上、中接线柱的导线，按上、中、下的顺序分别与功率因数表的对应孔相接，如图 56
12、。3、合上右侧制冷开关，冰箱压缩机组开始工作。观察压缩机的电压、电流是否正常（正常电压约220V，正常电流约 1A），工作正常后高压压力表读数应逐渐上升至 0.9MPa 左右，低压压力表读数一般小于 0.1MPa。4、先将加热器的调压变压器手柄逆时针旋到底，即输出电压为 0 伏，再合上左侧电源开关。能听到电动搅拌器开始工作，冷冻室伴有轻微振动。同时，数显温控仪也开始工作，连续测量显示冷冻室温度，精度为 0.1。（可设定温控上限，加热时一旦超限会自动断开加热器电源，以保安全。）5、测量制冷系数：制冷数分钟后，可观察到冷冻室温度逐渐下降。在达到一定温度后（如 0以下），顺时针旋转调压变压器手柄，开
13、始加热。调节时注意观察电压、电流表的指示。加热后，冷冻室的温度下降速度开始变慢，改变加热功率，可使冷冻室温度在某一个温度时保持稳定不变，此时，加热器的放热量与蒸发器的吸热量达到平衡（忽略次要因素）。记下此时的冷冻室温度、压缩机电压 V压、电流 I压、功率因数 压、加热器电压 V加、电流 I加、功率因数 加，按下式计算：压缩机输入功率 P压压V压I压压缩机制冷功率 P=0.52P压因温度达到平衡，说明蒸发器吸热功率等于加热器发热功率，即：Q=P加加V加I加此温度下的制冷系数为 改变加热功率，平衡温度将发生变化，可测出下一个温度下的制冷系数。一般可间隔 4、5 度测一个点，共测 4、5 个点，作出
14、 曲线。6、取数据点的方法有两种：1）取等间隔的整数温度值，如 0、-5、-10此法得到的温度值整齐美观，作图时容易取点。但实际操作时，要调加热功率恰好使温度稳定在某一个整数比较困难，需反复调整，很花时间。2）调整加热功率，使温度稳定在适当的值即可，不一定取整数和严格的等间隔。此法测量速度较快，效果同样，建议采用。7、分析讨论本实验的系统误差。五、注意事项五、注意事项1. 加热器绝对不能干烧。2. 压缩机工作时注意经常观察工作电流，正常值为 1A 左右，电流过大说明有管道堵塞或超负荷，应立即停机。3. 压缩机连续两次启动间隔应在 5 分钟以上，或观察高压压力表与低压压力表读数相差小于0.2MPa 时，才能再次启动压缩机。4. 测量时，要等温度充分稳定后（比如两分钟之内冷冻室温度变化小于 0.1），再记录数据。表 1 实验测量数据 P=0.52P压冷冻室温度 t0（）压缩机的电功率 P压(W)压缩机功率(W) P制冷量 Q(W) P加制冷系数六、思考题六、思考题1、试分析本实验误差原因。
