CN200979507Y - 热工综合性能测试实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种热工综合性能测试实验装置，该实验装置按照管内运行工质主要由氟利昂循环管路和水循环管路两大系统组成。主要设备包括压缩机、冷凝器、蒸发器、换热器、电量热器、热水箱、低温溶液桶、热水泵、冷水泵、冷却塔等组成，同时配备测量及数据采集仪表。该装置结构紧凑、功能全面，占用场地少、能满足热工方面教学与科研的多项实验。能使学生通过实验加深了对工程热力学、传热学、热工基础等课程重要概念、原理和公式的理解，掌握实验技能和测试仪器仪表的使用，另外，先进的测试及数据采集、控制手段使同学了解现代测试技术，增长先进的实践知识。同时保证了相关科研项目的研发技术要求和测试精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种热工性能实验教学测试装置。
背景技术
目前，对于大学本科阶段的实验教学来说，重点在于验证性实验，目的是为了让学生熟悉和掌握教科书中的基本概念、基本循环的工作过程等。对于硕士阶段，应该在验证性实验的基础上，向科研方向靠拢，偏重于科研性实验，所做的工作要有一定的创新性。在实验台上完成相应实验，使实验者首先对工程热力学、传热学、热工基础等方面的实验原理、设备及现代化的测试及控制手段有一个了解；其次可以让实验者有空间去发挥自身的创造力和动手能力，从而提高其自身的综合能力。为了从实践教学环节中强化学生能力培养，提高学生综合素质，以及实验台上能拓展一些科研和硕士研究生实验，以更充分的利用现有资源，提高设备利用率。因此，所需实验台能够实现以下实验：制冷循环性能系数测定；压缩机绝热效率和等温效率测定；冷凝器性能实验；换热器温差传热引起的可用能损失测定；冷却塔性能测试实验；蒸发管性能测试；冷凝管性能测试；热水箱温度智能控制试验。而现有的热工性能测试实验台是无法综合实现这些实验项目的。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种热工综合性能测试实验装置，该实验装置具有综合性的实验能力，结构紧凑，精度高。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
一种热工综合性能测试实验装置，由氟利昂系统，水系统构成。包括冷却塔、换热器、热水箱、冷凝器、冷凝管、压缩机、蒸发管换热器、节流阀、电量热器、盐水箱、屏蔽泵。
冷却塔进出回路中并接有换热器，冷凝器，冷凝管，蒸发管换热器；换热器、蒸发管换热器分别与热水箱并接形成回路；冷凝器分别与冷凝管，电量热器，低温溶液桶并接形成回路，冷凝器和冷凝管进口分别与压缩机出口相连接，蒸发管换热器与低温溶液桶之间接有屏蔽泵。
冷却塔的冷却水流出管道中接有水泵，冷却水分别通过球阀进入换热器、冷凝器、冷凝管和蒸发管进行换热后回到冷却塔。
热水箱的冷媒水出水口上接有水泵，冷媒水从热水箱内流出经水泵后分别通过球阀，进入换热器、冷凝管、蒸发管进行换热后回到热水箱。
冷却塔的进出口水回路分别设有温度变送器，流量计；热水箱进出口水回路分别设有温度变送器，流量计；压缩机进出口设有温度变送器，压力变送器。
本实用新型与现有技术相比，具有综合性的实验能力，结构紧凑，精度高，功能全面，占用场地少，并能满足热工方面教学与科研的多项实验等有益效果。
在本实用新型中，综合性表现在以下几个方面：(1)热力学第二定律的验证性实验，内容是测量换热器温差传热引起的可用能损失；(2)各种参数测量实验，流量测量如水的流量、制冷剂的质量流量，空气的流量等；温度测量包括大气、水、制冷剂温度的测量等；压力测量比如压缩机进出口压力、大气压力等。(3)各种换热器换热性能的实验，如紧凑式换热器传热与阻力性能实验、冷却塔性能实验、冷凝管，蒸发管、电量热器的传热与阻力性能实验等。(4)制冷系统中各项实验，如压缩机性能实验，制冷系数测定实验。
紧凑性是本实用新型充分利用现有的空间；能适用于空间只有60平方米左右场地。
高精度是测试手段先进，精度高，能满足验证性实验和科学试验以及测试要求等各方面要求，采用了合理的、先进的测试技术和测试设备。如采用电磁流量计测量水的流量，采用质量流量计测量氟利昂的流量，采用功率控制器控制热水箱的加热功率等等。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是制冷系数测定系统示意图；
图3是换热器温差传热作功能力损失测定系统示意图；
图4是冷却塔性能测试系统示意图；
图5是蒸发管性能测试系统示意图；
图6是冷凝器性能测试系统示意图；
图7是冷凝管性能测试系统示意图；
图8是压缩机效率测试系统示意图；
图9是热水箱温度智能控制试验系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，一种热工综合性能测试实验装置，由氟利昂系统，水系统构成。包括冷却塔10、换热器11、电加热恒温热水箱12、冷凝器14、冷凝管15、压缩机16、蒸发管换热器17、节流阀18、电量热器19、盐水箱20、屏蔽泵22。
冷却塔10进出回路中并接有换热器11，冷凝器14，冷凝管15，蒸发管换热器17；换热器11分别与电加热恒温热水箱12，蒸发管换热器17并接形成回路；冷凝器14分别与冷凝管15，电量热器19，低温溶液桶20并接形成回路，冷凝器14和冷凝管15进口分别与压缩机16出口相连接，蒸发管换热器17与低温溶液桶20之间接有屏蔽泵22。
冷却塔10的冷却水流出管道中接有水泵7-1，冷却水分别通过球阀1-2，1-13，1-17，1-21进入换热器11、冷凝器14、冷凝管15和蒸发管17进行换热后回到冷却塔10。
热水箱12的冷媒水出水口上接有水泵7-2，冷媒水从热水箱12内流出经水泵7-2后分别通过球阀1-7，1-12进入换热器11、蒸发管17进行换热后回到热水箱12。
冷却塔10的进出口分别设有温度变送器，流量计；热水箱10进出口分别设有温度传感器，流量计；压缩机16进出口设有温度变送器，压力变送器。
本实用新型的具体应用如下：
1、制冷循环系数ε测定(图1所示)
通过实验测得本实验条件下的制冷循环系数ε。
打开阀门1-1、1-4、1-5、1-13、1-14接通冷却水循环环路。1-15、1-16、1-23、1-24接通制冷剂环路。关闭其它阀门，启动制冷压缩机16及循环水泵7-1。利用节流阀18和电磁阀2-1调节制冷剂和冷却水的流量。
试验系统中采用氟利昂R22，R22在电量热筒内的蒸发盘管中吸热蒸发，电量热筒内的冷媒水由电加热器加热，在电量热筒内进行热交换，达到恒温状态。当系统达到稳定状态时，R22吸热汽化量与冷媒水的放热量相等，测量电量热筒的加热功率N就得到R22的制冷量；压缩机效率则可以根据进出压缩机的R22的温度、压力参数通过压焓图确定。数据测量如表所示：
| 测量参数 | 测量元件 | 测量参数 | 测量元件 |
| 压缩机进口温度 | 3-5 | 压缩机进口压力 | 4-2 |
| 压缩机出口温度 | 3-6 | 压缩机出口压力 | 4-3 |
| 节流阀前温度 | 3-7 | 筒体温度 | 3-8 |
| 制冷剂流量 | 9-1 |
根据上述被测参数，进行热力计算得到制冷循环中制冷量；理想制冷循环中压缩机的耗功量和制冷系数；实际制冷循环中压缩机的耗功量和制冷系数。
2、压缩机效率测试(图8所示)
该试验了解活塞式压缩机的工作原理，区别压缩机在绝热压缩和等温压缩这两种极限工况下运行时理论耗功量的差异。通过实验测出在本实验条件下压缩机的绝热效率ηs和等温效率ηT。
热水系统包括一个热水箱12、循环水泵7-2、电动阀2-2和电磁流量计6-2等。冷水系统包括一个冷却塔10、循环水泵7-1、电动阀2-1和电磁流量计6-1等。制冷剂系统包括冷凝器14，压缩机16、蒸发管17，质量流量计9-1，节流阀18等。
打开阀门1-1、1-4、1-5、1-13、1-14、启动循环水泵7-1，调整电磁阀6-1接通冷凝管的冷却水循环系统。打开1-15、1-16、1-23、1-24。调整节流阀18开启度，接通制冷剂环路，启动压缩机16，制冷剂经过节流阀18后，进入电量热筒，在电量热筒内吸热汽化，释放出冷量，回到压缩机压缩为高温高压氟利昂蒸气，经冷凝器冷凝后通过节流阀，完成制冷剂循环。
本实验中，用以下方法来分别模拟压缩机的以上两个工况：
(1)在压缩机的气缸上加盖保温层，使气缸与外界的换热量减小到可以忽略不计，此时，气缸内的气体压缩可以近似为绝热压缩。
(2)拿走气缸上的保温层，打开在气缸外的强电风扇，此时气缸与外界的换热效果很好，使气缸内气体在压缩过程中尽可能接近等温压缩。
数据测量如表所示：
| 测量参数 | 测量元件 | 测量参数 | 测量元件 |
| 压缩机进口温度 | 3-6 | 压缩机出口温度 | 3-5 |
| 压缩机进口压力 | 4-3 | 压缩机出口压力 | 4-2 |
3、换热器温差传热作功能力损失测定(图3所示)。
热水与冷却水之间存在温差的传热过程是不可逆的。建立由热水、冷水和换热器组成的孤立系统的熵方程，可以得到热水、冷水的熵变化和温差传热引起的作功能力损失。
热水系统包括一个热水箱12、循环水泵7-2、电动阀2-2和电磁流量计6-2等。冷水系统包括一个冷却塔10、循环水泵7-1、电动阀2-1和电磁流量计6-1等。
开启阀门1-6和1-7、1-9和1-11。接通热水环路。水在加热水箱12中被加热之后，流入换热器11，在换热器11中进行温差传热，将热量传递给冷水。利用电磁阀2-2控制热水的流量。开启阀门1-1、1-2、1-3、1-4、1-5接通冷水环路。从换热器11流出的水在冷却塔中10被冷却，然后由水泵7-1输送到换热器中。利用电磁阀2-1控制冷水的流量。
数据测量如表所示：
| 进口温度 | 出口温度 | 流量 | 流动阻力降 | |
| 冷水 | 3-1 | 3-2 | 6-1 | 5-1 |
| 热水 | 3-3 | 3-4 | 6-2 | 5-2 |
根据上述被测参数，进行热力计算得到热水、冷水的熵变化以及因温差传热引起的作功能力损失。
4、冷却塔性能测试(图4所示)
通过该实验可以了解冷却塔的工作原理和工作过程，观测水在冷却塔中的冷却过程及水和空气进行传热传质的热力过程。了解和掌握实验测试仪表的应用。掌握冷却塔热力性能测量方法和热力计算方法。
本实验装置主要有如下几部分组成：冷却塔本体10，循环水泵2-1、2-2，电磁阀2-1、2-2，电磁流量计6-1、6-2，温度变送器3-1、3-2、3-14，换热器11、热水箱12、湿球温度计21、温湿度仪23以及便携式风温风速仪等设备和仪表组成。打开阀门1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-9、1-11。关闭其它阀门。
启动循环水泵7-1、7-2，通过调整电磁阀2-1、2-2控制水流量，冷却塔积水盘中抽出，被送到换热器11中被加热又送回到冷却塔的进水管并由布水器将水均匀分布在冷却填料上，与空气进行传热传质的热质交换过程，降温后再回到冷却塔的接水盘中，连续不断地将热水通过冷却塔被冷却后回到换热器。
数据测量如表所示：
| 测量参数 | 测量元件 | 测量参数 | 测量元件 |
| 冷却水进塔温度 | 3-1 | 冷却水出塔温度 | 3-2 |
| 冷却水流量 | 6-1 | 进塔空气温湿度 | 23 |
| 出塔空气湿球温度 | 21 | 出塔干球温度计 | 3-14 |
| 风机噪声 | 噪声仪 | 进塔风速 | 风速仪 |
根据上述被测参数，进行热力计算得到冷却塔效率ηv；冷却塔冷却能力Q；冷却塔风机噪声
5、蒸发管性能测试(图5所示)
通过蒸发管试验系统，了解管式蒸发管的换热机理以及影响蒸发管传热的因素。
热水系统包括一个热水箱12、循环水泵7-2、电磁阀2-2和电磁流量计6-2等。冷水系统包括一个冷却塔10、循环水泵7-1、电磁阀2-1和电磁流量计6-1等。制冷剂系统包括冷凝器14，压缩机16、蒸发管17，质量流量计9-1，节流阀18等。
打开阀门1-1、1-4、1-5、1-13、1-14、启动循环水泵7-1，调整电磁阀2-1接通冷凝器的冷却水循环系统。打开1-15、1-16、1-21、1-22、调整节流阀18开启度，接通蒸发管制冷剂环路。打开阀门1-8、1-9、1-10、1-11、1-12启动循环水泵7-2，调整电磁阀2-2接通蒸发管17的冷媒水循环系统。启动压缩机16，制冷剂经过节流阀18后，进入蒸发管，在蒸发管内吸热汽化，释放出冷量，回到压缩机成为高温高压氟利昂蒸气，经冷凝器后回到节流阀18，完成制冷剂循环。冷媒水经蒸发管17换热降温后，流回热水箱12进行加热，在水泵7-2的作用下。重新回到蒸发管中完成冷媒水循环。
数据测量如表所示：
| 测量参数 | 测量元件 | 测量参数 | 测量元件 |
| 压缩机进口温度 | 3-6 | 压缩机出口温度 | 3-5 |
| 压缩机进口压力 | 4-3 | 压缩机出口压力 | 4-2 |
| 制冷剂流量 | 9-1 | 冷媒水流量 | 6-2 |
| 冷媒水进口温度 | 3-11 | 冷媒水出口温度 | 3-12 |
| R22在蒸发管流动压降 | 5-4 | 节流阀前温度 | 3-7 |
根据上述被测参数，可以得到蒸发管放热量；制冷剂流量对换热的影响；冷媒水流量对换热的影响；蒸发温度对换热的影响；冷媒水温度对换热的影响。
6、冷凝器性能测试(图6所示)
通过冷凝器试验系统，了解冷凝器的换热机理以及影响冷凝器传热的因素。
热水系统包括一个热水箱12、循环水泵7-2、电动阀2-2和电磁流量计6-2等。冷水系统包括一个冷却塔10、循环水泵7-1、电磁阀2-1和电磁流量计6-1等。制冷剂系统包括冷凝器14，压缩机16、量热筒19，质量流量计9-1，节流阀18等。
打开阀门1-1、1-4、1-5、1-13、1-14、启动循环水泵7-1，调整电磁阀6-1接通冷凝器的冷却水循环系统。打开1-15、1-16、1-23、1-24、调整节流阀18开启度，接通冷凝器制冷剂环路。启动压缩机16，制冷剂经过节流阀18后，进入电量热筒，在量热筒内吸热汽化，释放出冷量，回到压缩机成为高温高压氟利昂蒸气，经冷凝器后回到节流阀，完成制冷剂循环。数据测量如表所示：
| 测量参数 | 测量元件 | 测量参数 | 测量元件 |
| 冷却水流量 | 6-1 | 压缩机出口温度 | 3-5 |
| 冷却水进口温度 | 3-2 | 压缩机出口压力 | 4-2 |
| 冷却水出口温度 | 3-1 | 节流阀前温度 | 3-7 |
| 制冷剂流量 | 9-1 |
根据上述被测参数，可以得到冷凝器放热量；制冷剂流量对换热的影响；冷却水流量对换热的影响；冷凝温度对换热的影响；冷却水温度对换热的影响。
7、冷凝管性能测试(图7所示)
通过冷凝管试验系统，了解冷凝管的换热机理以及影响冷凝管传热的因素。
打开阀门1-1、1-4、1-5、1-13、1-14、1-17、1-18、启动循环水泵7-1，调整电磁阀6-1接通冷凝器和冷凝管的冷却水循环系统。打开阀门1-16、1-19、1-20、1-23、1-24、1-29。调整节流阀18开启度，改变质量流量计9-1的管路通道，接通冷凝管制冷剂环路。利用水泵7-1冷却水由冷却塔流向冷凝器和冷凝管中完成热交换，吸热升温后冷却水回到冷却塔完成冷却水循环。启动压缩机16，制冷剂经过节流阀18后，经过量热筒吸热汽化，进入压缩机压缩成高温高压氟利昂蒸气，然后分别进入冷凝器和冷凝管，进入冷凝管的制冷剂蒸气凝结放热后经过质量流量计9-1，与冷凝器流出制冷剂液体混和，进入节流阀节流汽化完成整个制冷循环。将差压流量计5-1的接头1、接头2分别接到冷凝管的冷却水进出口处、得到冷却水经冷凝管的沿程压力降。
数据测量如表所示：
| 测量参数 | 测量元件 | 测量参数 | 测量元件 |
| 冷却水流量 | 6-1 | 压缩机出口温度 | 3-5 |
| 冷却水进口温度 | 3-9 | 压缩机出口压力 | 4-2 |
| 冷却水出口温度 | 3-10 | 制冷剂流量 | 9-1 |
| R22在冷凝管流动压降 | 5-3 | 节流阀前温度 | 3-7 |
根据上述被测参数，可以得到；冷凝管放热量；制冷剂流量对换热的影响；冷却水流量对换热的影响；冷凝温度对换热的影响；冷却水温度对换热的影响。
8、热水箱温度智能控制试验(图9所示)
通过计算机控制系统，对冷热水流量进行控制，达到热水箱温度维持恒定。
热水系统包括一个热水箱12、循环水泵7-2、电动阀2-2和电磁流量计6-2等。冷水系统包括一个冷却塔10、循环水泵7-1、电磁阀2-1和电磁流量计6-1、调功器24等。还有计算机控制系统组成热水箱温度智能控制试验系统。
开启阀门1-6和1-7、1-9和1-11。接通热水环路。水在加热水箱12中被加热之后，流入换热器11，在换热器11中进行温差传热，将热量传递给冷水。利用电磁阀2-2控制热水的流量。开启阀门1-1、1-2、1-3、1-4、1-5接通冷水环路。从换热器11流出的水在冷却塔中10被冷却，然后由水泵7-1输送到换热器中。利用电磁阀2-1控制冷水的流量。当冷热水流量发生改变的时候，通过计算机调节调功器24的输出功率控制其加热功率。运用改进的有监督Hebb学习的单神经元自适应PID算法达到热水箱温度智能控制的最佳的控制效果。
数据测量如表所示：
| 测量参数 | 测量元件 | 测量参数 | 测量元件 |
| 冷水进口温度 | 3-1 | 冷水出口温度 | 3-2 |
| 冷水流量 | 6-1 | 冷水流动阻力降 | 5-1 |
| 热水进口温度 | 3-3 | 热水出口温度 | 3-4 |
| 热水流量 | 6-2 | 热水流动阻力降 | 5-2 |
| 热水箱温度 | 3-15 | 调功器的输出功率 | 24 |
根据上述被测参数，获得热水箱水温智能控制相关控制参数，达到热水箱温度智能控制的最佳的控制效果。
Claims (6)
1、一种热工综合性能测试实验装置，由氟利昂系统，水系统构成，其特征在于，该装置包括冷却塔(10)、换热器(11)、电加热恒温热水箱(12)、冷凝器(14)、冷凝管(15)、压缩机(16)、蒸发管换热器(17)、节流阀(18)、电量热器(19)、低温溶液桶(20)、屏蔽泵(22)；
所述冷却塔(10)进出回路中并接有换热器(11)，冷凝器(14)，冷凝管(15)，蒸发管换热器(17)；换热器(11)分别与热水箱(12)，蒸发管换热器(17)并接形成回路；冷凝器(14)分别与冷凝管(15)，电量热器(19)，低温溶液桶(20)并接形成回路，冷凝器(14)和冷凝管(15)进口分别与压缩机(16)出口相连接，蒸发管换热器(17)与低温溶液桶(20)之间接有屏蔽泵(22)。
2、根据权利要求1所述的热工综合性能测试实验装置，其特征在于，所述冷却塔(10)的冷却水流出管道中接有水泵(7-1)，冷却水分别通过球阀(1-2，1-13，1-17，1-21)进入换热器(11)、冷凝器(14)、冷凝管(15)和蒸发管(17)进行换热后回到冷却塔(10)。
3、根据权利要求1所述的热工综合性能测试实验装置，其特征在于，所述热水箱(12)的冷媒水出水口上接有水泵(7-2)，冷媒水从热水箱(12)内流出经水泵(7-2)后分别通过球阀(1-7，1-12)进入换热器(11)、蒸发管(17)进行换热后回到热水箱(12)。
4、根据权利要求1或2所述的热工综合性能测试实验装置，其特征在于，所述冷却塔(10)的进出口分别设有温度变送器。
5.根据权利要求1或3所述的热工综合性能测试实验装置，其特征在于，所述热水箱(12)进出口分别设有温度变送器，流量计。
6.根据权利要求1或2所述的热工综合性能测试实验装置，其特征在于，所述压缩机(16)进出口设有温度变送器，压力变送器。
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