CN2886730Y - 带冷凝热回收的蒸气压缩式制冷循环多功能教学实验台 - Google Patents

Abstract

一种带冷凝热回收的蒸气压缩式制冷循环多功能教学实验台，主要包括压缩机、冷凝热回收水箱、逆流套管式水冷冷凝器、可变色视液镜、储液器、干燥过滤器、电磁阀、热力膨胀阀、冷却水型蒸发器、压力调节阀、毛细管、冷却空气型蒸发器，并设有温度、压力、流量及功率检测。开关按钮与功率调节按钮集中安装在实验台面板上。可实现部分冷凝热回收，可模拟冷水机组和电冰箱的工作状况，可实现变工况制冷循环。具有针对性强，集成性高，功能完善，操作方便，新型适用等特点，可进行多项包括设计性、研究性及综合性的三性实验教学。

Description

带冷凝热回收的蒸气压缩式制冷循环多功能教学实验台

[技术领域]本实用新型涉及一种制冷专业教学的实验台。

[背景技术]目前，蒸气压缩式制冷是应用最广的制冷方式。我国高、中等教育中涵盖制冷课程的相关专业，在制订制冷课程的教学大纲时，大多以蒸气压缩式制冷为教学重点。蒸气压缩式制冷循环作为压缩式制冷的理论基础，要求学生深刻理解和牢固掌握。然而实践表明，学生对此教学内容普遍感到比较抽象，理论与实践严重脱节。

[发明内容]本实用新型的目的在于为高、中等教育涵盖制冷课程的相关专业提供一台以蒸气压缩式制冷循环为基本实验内容并能开展制冷冷凝热回收研究的集“综合性、设计性、研究性”为一体的多功能专业教学实验台。

本实用新型由安装在实验台上的蒸汽压缩式制冷循环系统、实验参数检测系统及电源电路与控制系统三大部分组成。下面对各部分分别进行说明：

蒸汽压缩式制冷循环系统由依次连接的制冷压缩机、分流三通I、与分流三通I的A出口连接的切换阀I以及与切换阀连接的冷凝热回收水箱、与分流三通I的B出口连接的盘通阀、合流三通I、与合流三通I出口连接的逆流套管式水冷冷凝器、可变色视液镜、储液器、干燥过滤器、电磁阀、分流三通II、与分流三通II的A出口连接的切换阀II以及与切换阀II连接的热力膨胀阀、与热力膨胀阀连接的冷却水型蒸发器、与冷却水型蒸发器连接的压力调节阀、与分流三通II的B出口连接的切换阀III以及与切换阀III连接的毛细管、与毛细管连接的冷却空气型蒸发器以及合流三通II构成。合流三通II的出口与压缩机的吸气管相连。冷凝热回收水箱外贴保温板隔热，制冷剂管道弯成螺旋盘管平置于水箱中，箱中盛水覆盖螺旋盘管顶部，过热的制冷剂蒸气流经螺旋盘管时加热箱中的水，从而实现冷凝热的部分回收。操作切换阀I和盘通阀，可进行回收冷凝热与不回收冷凝热的对比实验研究。制冷剂在逆流套管式水冷冷凝器的内管流动，冷却水在内外管构成的环形通道内流动。视液镜可用来观察从冷凝器流出的制冷剂是否完全冷凝。选择具有变色功能的视液镜，通过观察视液镜的颜色可判断制冷剂中的水分含量。冷却水型蒸发器采用热力膨胀阀作节流装置，设计蒸发温度为5℃，可模拟冷水机组的工作状况；冷却空气型蒸发器采用毛细管作节流装置，设计蒸发温度为-18℃，可模拟电冰箱的工作状况。冷却水型蒸发器和冷却空气型蒸发器的箱体均外贴保温板进行隔热。冷却水型蒸发器型式为管片式，由紫铜管和翅片组成，紫铜管弯曲成蛇形管。蒸发器管沿箱体内壁四周布置。为防止翅片间结冰，翅片不宜过密。为使蒸发器水箱中的水温均匀，设置一带调速功能的搅拌装置。为模拟空调用冷水机组的工作，在实验台上安装一个小型风机盘管，通过水泵将冷却水型蒸发器中产生的冷水输送到风机盘管，通过风机盘管向环境散失冷量。通过风机盘管后的回水从冷却水型蒸发器上侧进入箱体中。冷却空气型蒸发器型式为带翅片的蛇形盘管，盘管为紫铜管。蒸发器盘管布置在箱体中心位置，其与箱体接触处都密封。在箱体两侧各开一个进、出风口，用保温风管连接。在靠近出风口侧的风管上安装一台风机。为提供实验所需的热负荷，在靠近风管进口处的风道中设置一个功率可调的电加热丝网。为便于排放凝结水，箱体底部有微小坡度，且在最低处设置一放水阀。通过操作切换阀II和切换阀III，可实现冷却水型蒸发器和冷却空气型蒸发器的单独或同时工作。冷却水型蒸发器和冷却空气型蒸发器同时工作时，由于两个蒸发器的工作压力不同，为避免系统出现震荡，在冷却水型蒸发器出口管路上设置压力调节阀。

本实用新型的参数检测系统包括温度检测、压力检测、流量检测和功率检测。在制冷循环的管路系统中，分别在压缩机、冷凝热回收水箱、逆流套管式水冷冷凝器、冷却水型蒸发器、冷却空气型蒸发器的进、出口制冷剂管道上设置一个测温点，共10个测温点；分别在压缩机的进口与出口、逆流套管式水冷冷凝器的进口与出口、分流三通II的进口前、冷却空气型蒸发器的出口以及冷却水型蒸发器出口与压力调节阀进口之间的制冷剂管道上设置一个测压点，共7个测压点。为了较准确地测试冷凝热回收水箱的热回收量以及冷却水型蒸发器和冷却空气型蒸发器的制冷量，在冷凝热回收水箱、冷却水型蒸发器以及冷却空气型蒸发器盘管两端的箱体内不同位置处分别布置3个测温点；为检测逆流套管式水冷冷凝器释放的冷凝热，在冷却水的进、出口处分别设置1个测温点；为检测风机盘管的散冷量，在风机盘管的进、出口处分别设置1个测温点；另外还在实验台的合适位置处布置1个环境温度检测点。流量检测为逆流套管式水冷冷凝器的冷却水流量、风机盘管的冷水流量和冷却空气型蒸发器内流动的风量。功率检测为压缩机瞬时消耗功率和累积消耗功率。

为保护压缩机，本实用新型设有过热保护、过载保护以及高、低压保护。为便于实验操作，压缩机、风机盘管、搅拌装置、电热丝网及风机的开关按钮或功率调节按钮均集中安装在实验台面板上。

为计时需要，在实验台面板上安装一块可读秒的时钟。

本实用新型包含了典型的蒸气压缩式制冷系统，且构成系统的各部件都安装在便于观察的位置，可为蒸气压缩式制冷的理论教学提供很好的实物支持，并进行演示性实验。

本实用新型可让学生通过实验掌握蒸气压缩式制冷循环从开启到稳定的动态变化过程中各主要参数的变化规律，掌握判断制冷剂添加量是否合适的方法，掌握添加制冷剂的相关操作，提高学生动手和实际应用能力。

本实用新型通过测试相关测点的温度值和压力值，可绘制出蒸气压缩式制冷循环的压焓图，明晰制冷剂蒸气在压缩、冷凝、节流及蒸发四大基本过程中所发生的状态变化，判断制冷剂在制冷循环不同部位处所处的状态，如过热、饱和、过冷等，并可通过实验求出蒸气压缩式制冷循环的各特性指标，如单位质量制冷量，单位比容制冷量，比功，容积比功，单位冷凝热负荷，压力比，制冷循环的性能系数及热力完善度等。该实验内容综合了蒸气压缩式制冷循环的理论教学内容，让学生能够很好地理论联系实践，加深对理论知识的认知和理解。

本实用新型可进行实际蒸气压缩式制冷循环制冷量和制冷系数的测试，包括动态测试和静态测试。利用热平衡原理，可求出蒸气压缩式制冷循环的制冷剂质量流量。利用冷却空气型蒸发器可进行结霜和化霜的实验研究。利用冷却水型蒸发器可进行结冰过程的实验研究。这些实验内容实用性强，可进一步激发学生的学习兴趣，开阔学生的专业视野。

本实用新型可开展蒸气压缩式制冷循环相关影响因素的实验研究。通过改变冷却水的流量或温度，可获得不同的冷凝温度、冷凝压力和制冷剂过冷度；通过切换冷却水型蒸发器和冷却空气型蒸发器，可实现两个不同的蒸发温度；对冷却水型蒸发器来说，通过改变风机盘管的转速或冷水流量，对冷却空气型蒸发器来说，通过改变电热丝网的加热功率和箱体内的初始温度，可获得不同的蒸发温度；通过改变压缩机吸气管段的保温状况，可获得不同的压缩机吸气过热度；通过改变切换阀I及压力调节阀的开度，可改变压缩机排气管、压缩机吸气管的压力损失。

本实用新型还可操作切换阀I和盘通阀，可实现回收部分冷凝热和不回收冷凝热的对比实验研究。进行冷凝热回收实验时，可进行不同制冷循环工况的对比实验。本实用新型以蒸气压缩式制冷循环的工作原理、基本过程、影响因素及性能系数等为主要实验内容，并可开展冷凝热回收的探索性实验，具有针对性强，集成性高，功能完善，操作方便的特点。

[附图说明]

图1是本实用新型实施例制冷系统的原理图；

图2是其冷凝热回收水箱的结构示意图；

图3是其冷却水型蒸发器的结构示意图；

图4是其冷却空气型蒸发器的结构示意图。

[具体实施方式]

实施方式1一种以蒸气压缩式制冷循环为基本实验内容且可开展制冷冷凝热回收的多功能教学实验台，如图1～5所示。

如图1所示，制冷循环系统由依次连接的制冷压缩机1、分流三通I2、与分流三通I2的A出口连接的切换阀I3以及与切换阀I3连接的冷凝热回收水箱4、与分流三通I2的B出口连接的盘通阀5、合流三通I6、与合流三通I6出口连接的逆流套管式水冷冷凝器7、视液镜8、储液器9、干燥过滤器10、电磁阀11、分流三通II12、与分流三通II12的A出口连接的切换阀II13以及与切换阀II13连接的热力膨胀阀14、与热力膨胀阀14连接的冷却水型蒸发器15、与冷却水型蒸发器15连接的压力调节阀16、与分流三通II12的B出口连接的切换阀III17以及与切换阀III17连接的毛细管18、与毛细管18连接的冷却空气型蒸发器19及合流三通II20构成。合流三通II20的出口与压缩机1的吸气管相连接。制冷系统各部件间的制冷剂连接管道外均包扎塑料套管进行保温。

图2中，冷凝热回收水箱4的箱体由塑料板21焊接而成，制冷剂管道22弯成螺旋盘管平置于水箱中，水箱中盛水覆盖螺旋盘管顶部。制冷剂管道的进口23和出口24分别布置在水箱箱体的两侧，且高于箱内最高水面。冷凝热回收水箱箱体外侧敷以10mm厚保温板25隔热，保温箱盖26可打开，箱体下侧设有排水阀27。

逆流套管式水冷冷凝器7采用常用的套管式冷凝器结构型式，其内管为制冷剂流通通道，材质为紫铜管，外管为保温塑料管，内外管构成的环形通道为冷却水通道。逆流套管式水冷冷凝器的形状为圆盘形，竖直放置，制冷剂与冷却水成逆流形式在各自的通道内流动。冷却水采用自来水，在冷却水进水管的适当位置布置一个玻璃转子流量计，用以测量冷却水的流量。

视液镜8具有变色功能，其颜色可随制冷剂中水分含量的不同而改变；通过视液镜8可观察制冷剂在逆流套管式水冷冷凝器7中是否完全冷凝，通过观察视液镜8的颜色可判断制冷剂中的水分含量。

冷却水型蒸发器15和冷却空气型蒸发器19为两种不同形式的蒸发器。冷却水型蒸发器15采用热力膨胀阀14作节流装置，设计蒸发温度为5℃，可模拟冷水机组的工作状况；冷却空气型蒸发器19采用毛细管18作节流装置，设计蒸发温度为零下18℃，可模拟电冰箱的工作状况。

图3中，冷却水型蒸发器15的箱体由塑料板28焊接而成，箱体外贴10mm厚保温材料29隔热。箱盖30为活动保温箱盖。冷却水型蒸发器型式为管片式，由紫铜管31和铝翅片32组成，紫铜管弯曲成蛇形管。蒸发器管沿箱体内壁四周布置，且管中心距离箱体内壁20mm；为防止翅片间结冰，翅片的片距取1.5～2.0mm。冷却水型蒸发器15的制冷剂进口33和出口34设在蒸发器水箱一侧的上端，高于蒸发器水箱中的水位30mm以上。为使水箱中水温均匀，在水箱中心处设置一个带调速功能的搅拌装置35。为模拟空调冷水机组的工作，在实验台上安装一个小型风机盘管36，通过水泵37将冷却水型蒸发器15中产生的冷水输送到风机盘管36，通过风机盘管36向环境散失冷量。通过风机盘管36后的回水从冷却水型蒸发器15的上侧进入箱体中。流过风机盘管的水量由转子流量计38测试。为便于清洗蒸发器水箱并排放污水，在冷却水型蒸发器15箱体一侧的下端设置了一个放水阀39。

如图4所示，冷却空气型蒸发器19的箱体由塑料板40焊接而成，箱体外贴12mm厚保温材料41隔热。箱盖42为活动保温箱盖。冷却空气型蒸发器19的蒸发器盘管43的型式为带翅片的蛇形盘管，蛇形盘管为紫铜管，翅片的片距取2.5～3.0mm。蒸发器盘管43布置在箱体的中心位置，其下端与箱底接触处、上端与箱盖接触处以及前后两端与箱体接触处，都必须用密封材料进行密封。在箱体的两侧各开有一个进风口44和出风口45，用风管46进行连接。风管46需进行保温处理，外包扎12mm厚保温材料41。在靠近出风口45侧的风管上安装一台风机47。为提供实验所需的热负荷，在靠近风管进口处的风道中设置一个功率可调的电热丝网48，以便模拟电冰箱等制冷设备的工作状况。通过调节电热丝网48的加热功率，可使冷却空气型蒸发器19的蒸发温度保持基本稳定，从而可进行稳态实验研究。由于实验时可能产生凝结水，为便于排放凝结水，箱体底部具有微小坡度，且在最低处设置一个放水阀49。

通过操作切换阀II13和切换阀III17，可实现冷却水型蒸发器15和冷却空气型蒸发器19单独工作或同时工作。冷却水型蒸发器15和冷却空气型蒸发器19同时工作时，由于两个蒸发器的工作状态不同，冷却水型蒸发器15的蒸发压力高于冷却空气型蒸发器19的蒸发压力，为避免系统出现震荡等不稳定现象，需调节压力调节阀16的开度，使二者的压力趋于相等。

制冷循环的管路系统中，分别在压缩机1、冷凝热回收水箱4、逆流套管式水冷冷凝器7、冷却水型蒸发器15、冷却空气型蒸发器19的进、出口制冷剂管道上设置一个测温点，共10个测温点。分别在压缩机1的进口与出口、逆流套管式水冷冷凝器4的进口与出口、分流三通II12的进口、冷却空气型蒸发器19的出口以及冷却水型蒸发器15的出口与压力调节阀16的进口之间的制冷剂管道上均设置一个测压点，共7个测压点。为较准确地测试冷凝热回收水箱4的热回收量以及冷却水型蒸发器15和冷却空气型蒸发器19的制冷量，在冷凝热回收水箱4、冷却水型蒸发器15以及冷却空气型蒸发器盘管39两端的箱体内的不同高度处分别布置3个温度检测点，共12个测温点。为检测逆流套管式水冷冷凝器7释放的冷凝热，在冷却水的进、出口处分别设置一个测温点。为检测风机盘管36的散冷量，在风机盘管36的进、出口处分别设置1个测温点；另外在实验台的某一合适位置还布置一个测温点检测环境温度。温度检测元件为T分度号热电偶，采用温度数字显示仪在实验台面板上直接显示各测点的温度值。由于测温点多达27个，故将其分为两组，制冷循环管路系统的10个测温点、及环境温度测温点为一组，其它16个测温点为另一组。各组的温度显示分别采用一块温度数字显示仪，通过一个16点切换开关进行切换。压力检测采用弹簧管压力表。冷水与冷却水的流量检测采用玻璃转子流量计，冷却空气型蒸发器19的风量检测采用皮托管与微型差压计间接测量。压缩机1的消耗功率采用电压表和电流表测瞬时消耗功率，采用电度表测累积消耗功率。温度显示仪、切换开关、压力表、微型差压计电压表、电流表以及电度表均安装在实验台面板上，便于操作和读数。

压缩机1采用两相电源，与电磁阀11采用串连电路连接。为保护压缩机1在各种不同实验条件下不被损坏，压缩机1的保护装置设有过热保护、过载保护以及高、低压保护。压缩机1、搅拌装置35、风机盘管36、风机42及电热丝网43的开关按钮与功率调节按钮均集中安装在实验台面板上，便于实验时操作。

实验时为计时需要，在实验台的面板上还安装一块可读秒的时钟。

主要实验方案与机理简述如下：

蒸汽压缩式制冷循环系统构成演示实验。开启压缩机1，运行制冷循环，通过观察相关测温点和测压点的数值，认知制冷循环的动态变化过程。依据实验现象，判断制冷剂中是否含有水分、制冷剂的量是否合适，并可进行补充或放出制冷剂的操作。

蒸汽压缩式实际制冷循环的压焓图研究。通过操作切换阀I3与旁通阀5、切换阀II13和切换阀III17，可构成多个不同的制冷循环。选择其中一个制冷循环，通过测试相关测温点和测压点的温度值和压力值，结合该制冷剂的相关热力性质图表，可绘制出该实际制冷循环的压焓图，并可得出压焓图上各点的其它参数值。通过数据让学生进一步明晰蒸气压缩式制冷循环的压缩、冷凝、节流及蒸发四大典型过程中所发生的状态变化，并判断制冷剂在制冷循环不同部位处所处的状态，得出相关的过冷度、过热度等。依照实验得出的压焓图，获取蒸气压缩式实际制冷循环的各特性指标，如单位质量制冷量，单位比容制冷量，比功，容积比功，单位冷凝热负荷，压力比，制冷循环的性能系数及热力完善度等。

蒸汽压缩式实际制冷循环制冷量q₀与制冷系数EER的测试。制冷量与制冷系数是反映制冷循环性能好坏的重要指标。可分为动态测试和静态测试。动态测试时，冷却水型蒸发器15的制冷量测试可采用时域平均法，即在较小的时间段Δt内，测试冷却水型蒸发器15箱体内水的温度降ΔT，依照公式q₀＝c·m·ΔT/Δt(c为水的比热；m为箱内水的质量，实验前事先称量好)可得出冷却水型蒸发器15在Δt时间内的平均制冷量。然后根据测试压缩机1功率的电度表在Δt时间内实际消耗功率，可得到压缩机在Δt时间内的平均实际消耗功率ω_s，依照公式EER＝q₀/ω_s可得出在冷却水型蒸发器15在Δt时间内的制冷系数EER。同理，冷却空气型蒸发器19的制冷量q₀可通过测试风机42风量以及蒸发器盘管39两端的前或后箱体内的风温在较小的时间段Δt内的温度降ΔT得到，制冷系数EER的测试方法与冷却水型蒸发器15相同。稳态测试前先需将系统调整到稳定工作状态。根据热平衡原理，风机盘管36的散冷量、电热丝网43的加热功率即分别为冷却水型蒸发器15与冷却空气型蒸发器19的制冷量，相应地测出该状态下压缩机消耗功率，就可得出相应的制冷系数。

蒸汽压缩式实际制冷循环主要影响因素研究。通过改变冷却水的流量或温度，获得不同的冷凝温度、冷凝压力和制冷剂过冷度；通过切换冷却水型蒸发器15和冷却空气型蒸发器19，可实现两个不同的蒸发温度；对冷却水型蒸发器15来说，通过改变风机盘管36的转速或冷水流量，对冷却空气型蒸发器19来说，通过改变电热丝网43的加热功率和箱体内的初始温度，可获得不同的蒸发温度；通过改变压缩机1吸气管段的保温状况，可获得不同的吸气过热度；通过改变切换阀I3及压力调节阀16的开度，可改变压缩机1的排气管、吸气管的压力损失。通过对比实验，获取具体的实验数据，可使各影响因素对制冷循环性能影响的大小实现量化，化抽象为具体。

蒸汽压缩式制冷循环部分冷凝热回收的实验研究。通过操作切换阀I3和盘通阀5可实现回收部分冷凝热和不回收部分冷凝热的对比实验研究，研究两种不同情况下制冷循环各状态点参数值及其制冷循环性能系数的变化。单独进行部分冷凝热回收实验时，也可分为动态和静态两种情况，即一种是蒸发器的蒸发温度随制冷时间不断下降，一种是通过调整风机盘管36的散冷量或电热丝网43的加热功率，使蒸发器的蒸发温度基本保持不变。研究内容可包括冷凝热回收水箱4中水的升温规律，可得出升温曲线图；制冷循环在不同工作状态下，冷凝热回收水箱4中的水升温到不同温度时回收的冷凝热量占总冷凝热量的比率；制冷系统的综合能量利用系数定义为η_综合＝(Q₀+Q_H)/ω_S×100％式中Q₀是蒸发器的制冷量，Q_H为回收的冷凝热量，ω_S为压缩机的实际消耗功率，可研究制冷系统的综合能量利用系数随制冷循环工况变化的关系或规律。该研究内容具有一定的深度，可引导学生开展初步的科学研究。

Claims (6)

1.一种带冷凝热回收的蒸气压缩式制冷循环教学实验台，其特征在于：由蒸汽压缩式制冷循环系统、实验参数检测系统及电源电路与控制系统三大部分组成，蒸气压缩式制冷循环系统由依次连接的制冷压缩机、分流三通I、与分流三通I的A出口连接的切换阀I以及与切换阀连接的冷凝热回收水箱、与分流三通I的B出口连接的盘通阀、合流三通I、与合流三通I出口连接的水冷冷凝器、可变色视液镜、储液器、干燥过滤器、电磁阀、分流三通II、与分流三通II的A出口连接的切换阀II以及与切换阀II连接的热力膨胀阀、与热力膨胀阀连接的冷却水型蒸发器、与冷却水型蒸发器连接的压力调节阀、与分流三通II的B出口连接的切换阀III以及与切换阀III连接的毛细管、与毛细管连接的冷却空气型蒸发器以及合流三通II构成；实验参数检测系统由温度检测、压力检测、流量检测和功率检测构成；电源电路与控制系统有压缩机过热保护、过载保护及高、低压保护；压缩机、风机盘管、搅拌装置、电热丝网及风机的开关按钮与功率调节按钮集中安装在实验台面板上。

2.根据权利要求1所述的教学实验台，其特征是：所述的切换阀连接的冷凝热回收水箱外贴保温板隔热，制冷剂管道弯成螺旋盘管平置于水箱中，箱中盛水覆盖螺旋盘管顶部。

3.根据权利要求1所述的教学实验台，其特征是：所述的水冷冷凝器采用逆流套管式水冷冷凝器，内管为制冷剂流通通道，冷却水在内外管构成的环形通道内流动。

4.根据权利要求1所述的教学实验台，其特征是：所述的冷却空气型蒸发器设计了模拟冷水机组工作状况的冷却水型蒸发器与模拟电冰箱工作状况的冷却空气型蒸发器，冷却水型蒸发器和冷却空气型蒸发器单独或同时工作。

5.根据权利要求4所述的教学实验台，其特征是：所述的冷却水型蒸发器蒸发器型式为管片式，沿箱体内壁四周布置，水箱中部有一带调速功能的搅拌装置，用小型风机盘管向环境散失蒸发器产生的冷量。

6.根据权利要求4所述的教学实验台，其特征是：所述的冷却空气型蒸发器型式为带翅片的蛇形盘管，布置在箱体中心位置，与箱体接触处都密封，箱体两侧开有进、出风口，用保温风管连接，风管上安装一台风机，风管内设置一个功率可调的电加热丝网提供蒸发器负荷。

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