一、實(shí)驗目的
1、了解壓縮機性能測定的原理及方法；
2、了解壓縮式制冷的循環(huán)流程及各組成設備；
3、測定蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的性能；
4、理解與認識回熱循環(huán)；
5、比較單級壓縮制冷機在實(shí)際循環(huán)中有回熱與無(wú)回熱性能上的差異；
6、熟悉實(shí)驗裝置的有關(guān)儀器、儀表，掌握其操作方法。
二、實(shí)驗原理
1、單級壓縮制冷機的理論循環(huán)
圖1顯示了壓力－比焓圖上單級蒸氣壓縮制冷機的理論循環(huán)。壓縮機吸入的是以點(diǎn)1表示的飽和蒸氣，1－2表示制冷劑在壓縮機中的等熵壓縮過(guò)程；2－3表示制冷劑在冷凝器中的等壓放熱過(guò)程，在冷卻過(guò)程中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)有溫差，放出過(guò)熱熱量，在冷凝過(guò)程中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)無(wú)溫差，放出比潛熱，在冷卻和冷凝過(guò)程中制冷劑的壓力保持不變，且等于冷凝溫度T_K下的飽和蒸氣壓力P_K；（）是液態(tài)再冷卻放出的熱量；3－4表示節流過(guò)程，制冷劑在節流過(guò)程中壓力和溫度都降低，且焓值保持不變，進(jìn)入兩相區；4－1表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過(guò)程，制冷劑在溫度T₀、飽和壓力P₀保持不變的情況下蒸發(fā)，而被冷卻物體或載冷劑的溫度得以降低。

圖1
2、有回熱的單級蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)
為了使膨脹閥前液態(tài)制冷劑的溫度降得更低（即增加再冷度），以便進(jìn)一步減少節流損失，同時(shí)又能保證壓縮機吸入具有一定過(guò)熱度的蒸氣，可以采用蒸氣回熱循環(huán)。
圖3示為來(lái)自蒸發(fā)器的低溫氣態(tài)制冷劑1，在進(jìn)入壓縮機前先經(jīng)過(guò)一個(gè)熱交換器——回熱器。在回熱器中低溫蒸氣與來(lái)自冷凝器的飽和液體3進(jìn)行熱交換，低溫蒸氣1定壓過(guò)熱到狀態(tài)1'，而溫度較高的液體3被定壓再冷卻到狀態(tài)3'，回熱循環(huán)1'—2'—3—3'—4'—1—1'中，3—3'為液體的再冷卻過(guò)程，過(guò)熱后的蒸氣溫度稱(chēng)為過(guò)熱溫度，過(guò)熱溫度與蒸發(fā)溫度之差稱(chēng)為過(guò)熱度。
根據穩定流動(dòng)連續定理，流經(jīng)回熱器的液態(tài)制冷劑和氣態(tài)制冷劑的質(zhì)量流量相等。因此，在對外無(wú)熱損失情況下，每公斤液態(tài)制冷劑放出的熱量應等于每公斤氣態(tài)制冷劑吸收的熱量。也就是說(shuō)，單位質(zhì)量制冷劑再冷卻所增加的制冷能力△q₀（面積b'4'4bb'）等于單位質(zhì)量氣體制冷劑所吸收的熱量△q（面積a11'a'a）。由于有了回熱器，雖然單位質(zhì)量制冷能力有所增加，但是，壓縮機的耗功量也增加了△w₀（面積11'2'21）。因此，回熱式蒸氣壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數有可能提高，也有可能降低，應具體分析。

圖3
采用回熱器的優(yōu)點(diǎn)：
（1）對于一個(gè)給定的制冷量，制冷劑流量減少。
（2）在液體管路上氣化的可能性減少（特別是在管路較長(cháng)的情況下）。
（3）在壓縮機的吸氣管道上，可減少吸入外界熱量。
（4）在壓縮機吸氣口消除液滴，防止失壓縮。
3、單級壓縮蒸氣制冷機的實(shí)際循環(huán)與簡(jiǎn)化后的實(shí)際循環(huán)
實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)有許多不同之處，除了壓縮機中的工作過(guò)程以外，主要還有下例一些差別。
（1）熱交換器中存在溫差，即冷卻水溫度T低于冷凝溫度T_K，且T是變化的（進(jìn)口溫度低，出口溫度高）：載冷劑或冷卻對象的溫度T₀，載冷劑的溫度也是變化的（進(jìn)口溫度高，出口溫度低）。
（2）制冷劑流經(jīng)管道及閥門(mén)時(shí)同環(huán)境介質(zhì)間有熱量交換，尤其是自節流閥以后，制冷劑溫度降低，熱量便會(huì )從環(huán)境介質(zhì)傳給制冷劑，導致冷量損失。
因為制冷機的實(shí)際循環(huán)過(guò)程很難用手算法進(jìn)行熱力計算。因此，在工程設計中常常是對它作一些簡(jiǎn)化。
圖2為簡(jiǎn)化后的實(shí)際循環(huán)過(guò)程。
注：為理論循環(huán)的等熵壓縮過(guò)程：為實(shí)際循環(huán)的壓縮過(guò)程。
簡(jiǎn)化途徑是：
（1）忽略冷凝器及蒸發(fā)器中的微小壓力變化，即以壓縮機出口的壓力為冷凝壓力（在大型裝置中，壓縮機的排氣管道較長(cháng)，應從排氣壓力減去這一段管道壓力損失后作為冷凝壓力），以壓縮機進(jìn)口壓力作為蒸發(fā)壓力（在大型裝置中尚需加上吸氣管道的壓力損失），同時(shí)認為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度均為定值。
（2）將壓縮機內部過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)從吸氣壓力到排氣壓力有損失的簡(jiǎn)單壓縮過(guò)程。
（3）節流過(guò)程認為是等焓過(guò)程。
經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化之后，即可直接利用lgp-h圖進(jìn)行循環(huán)性能指標的計算。

圖2
4、實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的區別
實(shí)際循環(huán)區別于理論循環(huán)有如下幾方面：
（1）由于摩擦作用，在壓縮機的排出口和膨脹閥進(jìn)口之間及膨脹閥出口和壓縮機吸入端之間將產(chǎn)生微小的壓力降。
（2）壓縮過(guò)程即不是等熵過(guò)程也不是絕熱過(guò)程（壓縮機通常有熱量損失）。
（3）離開(kāi)蒸發(fā)器的蒸氣通常有過(guò)熱（這使膨脹閥得以自動(dòng)控制，同時(shí)也改善了壓縮機的性能）。
（4）離開(kāi)冷凝器的液體一般略有過(guò)冷（這樣提高了制冷系數ε，且減少了通向膨脹閥管路上形成蒸氣的可能性）。
（5）循環(huán)在環(huán)境溫度下運行時(shí)，可能有少量的無(wú)用熱量從外界傳入到循環(huán)的各個(gè)部分。 
三、試驗臺簡(jiǎn)介
制冷壓縮機的制冷量的測試有幾種方法，其中采用具有第二制冷劑的電量熱器法是最精確的方法之一。具有第二制冷劑的電量熱器法實(shí)驗臺的原理見(jiàn)圖6-1。
整個(gè)實(shí)驗裝置由三部分組成：1、電量熱器；2、制冷系統；3、水冷卻系統。


四、實(shí)驗方法
1.電量熱器法是間接測量壓縮機制冷量的一種裝置，它的基本原理是利用電加熱器發(fā)出的熱量來(lái)抵消壓縮機的制冷量，從而達到平衡。電量熱器是一個(gè)密閉容器，如圖6—2所示。電量熱器的頂部裝有蒸發(fā)器盤(pán)管，底部裝有電加熱器，浸沒(méi)于一種容易揮發(fā)的第二冷劑(常用R11、R12)中。試驗時(shí)，接通電加熱器，加熱第二制冷劑，使之蒸發(fā)，第二制冷劑飽和蒸氣在頂部蒸發(fā)盤(pán)管被冷凝，又重新回到底部。而蒸發(fā)盤(pán)管中的低壓液態(tài)制冷劑被第二制冷劑蒸氣加熱而氣化，返回制冷壓縮機。實(shí)驗儀在試驗工況下達到穩定運行時(shí)，供給電加熱器的電功率正好抵消制冷量，從而使第二制冷劑的壓力保持不變。
2.為了控制第二制冷劑的液面，在量熱器的中間部位裝有觀(guān)察玻璃視液鏡。（特別注意：在啟動(dòng)加熱器前，必須通過(guò)觀(guān)察視液鏡確定量熱器內有制冷劑的情況下，方可接通加熱器工作）
量熱器上裝有壓力控制器，它與加熱器的控制電路相連接，防止壓縮機停機后加熱器繼續加熱，使量熱器內壓力升高到危險程度。 
五、實(shí)驗步驟：
1．實(shí)驗前準備
預習實(shí)驗指導書(shū)，詳細了解實(shí)驗裝置及各部分的作用，檢查儀表的安裝位置及熟悉各測試參數的作用；了解和掌握制冷系統的操作規程；熟悉制冷工況的調節方法。
首先把冷卻系統水箱里加滿(mǎn)清潔的自來(lái)水，一般加到水箱的2/3處即可。
通過(guò)量熱器上的觀(guān)察鏡檢查量熱器內的第二制冷劑的液位，如果液位過(guò)低或觀(guān)察不到，通過(guò)量熱器的壓力表值判斷是否有制冷劑，若沒(méi)有制冷劑，千萬(wàn)不要打開(kāi)加熱器，以免燒毀加熱器。若沒(méi)有制冷劑，從量熱器加液口加入制冷劑R12.直到視液鏡能觀(guān)察到制冷劑方可。
4．實(shí)驗小組由5人組成，設實(shí)驗組長(cháng)1名，做好分工，明確調節指令及信息反饋方式；在熟悉了實(shí)驗系統，明確了實(shí)驗內容和操作步驟以及注意事項，掌握了實(shí)驗設備和儀表的使用方法之后，依次逐步進(jìn)行實(shí)驗；
5．手動(dòng)啟動(dòng)制冷設備步驟：
(1)首先撥動(dòng)：手動(dòng)/自動(dòng)開(kāi)關(guān)，選擇在手動(dòng)位置。
(2)先打開(kāi)冷卻水泵開(kāi)關(guān)。
(3)檢查冷卻塔進(jìn)出水口系統各閥門(mén)是否正常。冷卻塔進(jìn)出口水流正常即可。否則關(guān)機進(jìn)行修復
(4)冷卻水循環(huán)正常后，開(kāi)啟冷卻風(fēng)機開(kāi)關(guān)。
(5)啟動(dòng)制冷壓縮機，并檢查電子膨脹閥開(kāi)度是否正常，選擇電子膨脹閥開(kāi)度進(jìn)行制冷。
(6)檢查制冷系統各部件運轉情況，觀(guān)察排氣壓力、吸氣壓力及量熱器內壓力的變化。
(7)開(kāi)啟量熱器加熱器開(kāi)關(guān)，手動(dòng)調節加熱器調節器，觀(guān)察排氣壓力、吸氣壓力及量熱器內壓力的變化。
自動(dòng)控制說(shuō)明：
(1)首先撥動(dòng)：手動(dòng)/自動(dòng)開(kāi)關(guān)，選擇在自動(dòng)位置。
(2)打開(kāi)電腦上制冷壓縮機性能實(shí)驗軟件。
(3)在組態(tài)軟件上，首先選擇電子膨脹閥開(kāi)度，滑動(dòng)調節即可。
(4)點(diǎn)擊開(kāi)啟冷卻水泵，冷卻水循環(huán)正常后，再點(diǎn)擊開(kāi)啟開(kāi)啟冷卻塔風(fēng)機。
(5)點(diǎn)擊啟動(dòng)制冷壓縮機，并檢查電子膨脹閥開(kāi)度是否正常。
(6)檢查制冷系統各部件運轉情況，觀(guān)察排氣壓力、吸氣壓力及量熱器內壓力的變化。
(7)點(diǎn)擊開(kāi)啟量熱器加熱器開(kāi)關(guān)，手動(dòng)調節加熱器調節器，觀(guān)察排氣壓力、吸氣壓力及量熱器內壓力的變化。
無(wú)回熱時(shí)
1．調節回熱器
回熱器的作用是為了使膨脹閥前液態(tài)制冷劑的溫度降得更低(即增大再冷度)，以便進(jìn)一步減少節流損失，同時(shí)又能保證壓縮機吸入具有一定過(guò)熱度的蒸氣。
按系統流程圖，關(guān)閉手動(dòng)閥門(mén)(JF2),打開(kāi)手動(dòng)閥門(mén)(JF3)將實(shí)驗系統調成無(wú)回熱狀態(tài)；設備出廠(chǎng)時(shí)為無(wú)回熱狀態(tài)。
2．將量熱器投入運行
面板上加熱器旋鈕開(kāi)關(guān)，選擇在開(kāi)時(shí)，可調加熱器接通，實(shí)驗臺左上方側面為調節調壓器，可調節加熱量。加熱功率通過(guò)加熱器功率表直接顯示。
實(shí)驗前首先檢查調壓器是否在零位，若不在零位，應調在零位。打開(kāi)加熱器電源開(kāi)關(guān)后，調節調壓器，由關(guān)閉逐漸開(kāi)啟，不要過(guò)快，應觀(guān)察量熱器壓力表的數值。
3．調節穩定工況
在電子膨脹閥開(kāi)度不變的狀態(tài)下，使吸氣壓力、排氣壓力達到一定值后，通過(guò)調壓器調節電加熱器的加熱量，觀(guān)察量熱器壓力表的數值變化。壓力增加，說(shuō)明加熱量大，需減小加熱量，減小調壓器的數值；壓力降低，說(shuō)明加熱量小，需增大加熱量，加大調壓器的數值。通過(guò)調壓器的調節，使壓力表數值穩定不變。保護電路在量熱器上的壓力達到1.4MPa時(shí)會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)加熱器電源。
4．測定并記錄數據
(1)測定吸氣壓力、排氣壓力、量熱器內壓力、吸氣溫度、排氣溫度、量熱器入口溫度、入回熱器氣體溫度、量熱器溫度、室內環(huán)境溫度。
(2)測量量熱器的電功率。
(3)測量壓縮機輸入功率。
(4)每間隔l0分鐘讀取一次數據，并以連續四次讀值的算術(shù)平均值作為計算依據。
5．制冷壓縮機的制冷量

式中N—供給電量熱器的功率，kW。
Q--電量熱器熱損失，kW。
i₁"一在壓縮機規定吸氣溫度下、吸氣壓力下制冷劑蒸氣的焓值，kJ／kg。
i₃"一在規定再冷溫度下，節流閥前液體制冷劑的焓值，kJ／kg
i₄—在實(shí)驗條件下，離開(kāi)蒸發(fā)器制冷劑蒸氣的焓值，kJ／kg。
i₃—在實(shí)驗條件下，節流閥前液體制冷劑的焓值，kJ／kg
ν₁—壓縮機實(shí)際吸氣溫度下、吸氣壓力下制冷劑蒸氣的比容，m³/kg
ν₁"—壓縮機規定吸氣溫度下、吸氣壓力下制冷劑蒸氣的比容，m³/kg
6．冷凝器的熱負荷計算：
（kW）
式中：G—冷卻水流量kg/h
C—水的定壓比熱4.1868kJ/kg℃
t₇—冷凝器冷卻水入口溫度℃
t₈—冷凝器冷卻水出口溫度℃
7．壓縮機的輸入功率測定：
(W)
式中：I—輸入電流A
U—輸入電壓V
8．性能系數COP的計算
此指標考慮到驅動(dòng)電機效率對耗能的影響，以單位電動(dòng)機輸入功率的制冷量大小進(jìn)行評價(jià)，該指標多用于全封閉制冷壓縮機。計算公式如下：

式中—制冷量kW
—壓縮機輸入功率kW
按照系統圖調整閥門(mén)，使系統運行在有回熱狀態(tài)，穩定兩分鐘，計算結果請注意考慮設備的漏熱量。
有回熱時(shí)
重復以上步驟，將數據紀錄在后面的表格中。
6、實(shí)驗結束，關(guān)機：
（1）關(guān)閉壓縮機和加熱器；
（2）保持水系統運行大約5分鐘后，斷電。
六、數據處理與試驗報告內容
實(shí)驗目的；
根據所得的實(shí)驗數據計算出其算術(shù)平均值，計算過(guò)程整理到實(shí)驗指導書(shū)上，繪出無(wú)回熱理論循環(huán)的壓焓圖，再根據實(shí)驗數據繪出無(wú)回熱與有回熱實(shí)際循環(huán)的壓焓圖，并查出相應狀態(tài)的焓值及吸氣比容，計算出各性能指標（參數），填入相應數據表中，并作結果分析！
注：
由于實(shí)驗過(guò)程是實(shí)際循環(huán)，在無(wú)回熱循環(huán)過(guò)程中，蒸發(fā)器出口及壓縮機吸氣狀態(tài)點(diǎn)都不在飽和氣線(xiàn)上，有過(guò)熱；冷凝器出口不在飽和液線(xiàn)上，有過(guò)冷。冷凝器出口、蒸發(fā)器出口及壓縮機吸氣狀態(tài)點(diǎn)一定要找準確。采用回熱循環(huán)時(shí)，冷凝器出口狀態(tài)點(diǎn)基本不變，但壓縮機吸氣狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)一步過(guò)熱。
附：為了便于比較不同活塞式制冷壓縮機的工作性能，我國規定了四個(gè)溫度工況，其中標準工況和空調工況可用來(lái)比較壓縮機的制冷能力，最大工況和最大壓差工況則為設計和考核壓縮機的機械強度、耐磨壽命、閥片和合理性和配用電機的最大功率的指標。