热学制冷循环实验
实验5—1  热学制冷循环实验
    长期以来，热学实验始终是物理实验中的一个薄弱环节，学生对许多热学知识，往往仅局限于书本。本实验通过应用热学知识广泛而又实际的电冰箱，将一些热学基本知识，如热力学定律，等温、等压、绝热、循环等过程，以及焦耳—汤姆孙实验等，作了综合性应用，使学生在加深对热学基本知识理解的同时，得到一次理论与实际，学与用相结合的锻炼。
【实验目的】
1. 培养学生理论联系实际，学与用相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. 测定电冰箱压缩机的功率、制冷量和制冷系数。
图5-1-1
【实验原理】
1. 制冷的理论基础
    热力学第二定律的克劳修斯说法是：热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。只有通过某种逆向热力学循环，外界对系统作一定的功，才能使热量从低温物体（冷端）传到高温物体（热端），如图5-1-l所示。即有关母亲节的诗歌 
电冰箱是对循环系统冷端的利用，称制冷机。
2. 制冷的方式
    制冷可利用熔解热、升华热、蒸发热等方式。详细了解请阅读本书第六章实验6-7制冷技术与应用。电冰箱是用氟里昂或其它替代物作制冷剂，当液体氟里昂在蒸发器里大量蒸发（实际是沸腾，在制冷技术中习惯称为蒸发）时，带走所需的热量，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
    制冷剂是制冷装置中的载热体，又称它为“工质”。制冷剂的种类很多，这里仅简单介绍氟里昂的一些主要特性。氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的统称。本实验中过去使用的氟里昂12的分子式为CCl2F2，国际统一符号为R12。R12无、无味、无臭、无毒、对金属材料无腐蚀性。当容积浓度达到10％左右时，对人没有任何不适的感觉；但当容积浓度达到80％时，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，并会破坏臭氧层。R12的几个重要参数为：沸点（1atm）－29.8℃，凝固点（1atm）－155℃，临界温度112℃，临界压力4.06MPa。本实验中目前使用绿环保型制冷剂R134a，请自己查阅资料了解其主要特性及参数。
4. 真实气体的等温线
图5-1-2
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，其图如图5-1-2所示。从图可见，真实气体的等温线并非都是等轴双曲线。如在部分，与理想气体的等温线相似，在点汽体开始液化，在到点的液化过程中，体积虽在减小，但压力保持不变，是等压过程，其压力称饱和蒸汽压，到点汽体完全液化。等温线的部分为饱和蒸汽与饱和液体共存的范围，但在部分，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，汽液共存状态的范围从线段缩小为线段，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，在图上出现一个拐点，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。
在图上，不同等温线开始液化和液化终了的各点可以连成曲线。曲线手工制作小汽车的左边完全是液体状态，线称湿饱和液体线，以干度表示。曲线的右边完全是汽体状态，线称干饱和蒸汽线，以干度 表示。（干度X表示汽液共存区里饱和蒸汽所占的比例。例如干度时，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5-1-3和图5-1-4所示。图5-1-3为液体蒸发式制冷循环原理示意图，该循环系统主要有四大部件组成：压缩机、冷凝器、毛细管（节流阀）和蒸发器。图5-1-4为制冷循环过程及图。
图5-1-3
从图5-1-4可见，电冰箱的制冷循环主要有四个过程：压缩机从蒸发器中吸入低温低压的制冷剂蒸汽，压缩成高温高压的蒸汽排放到冷凝器中；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中（低）温低压汽液混合体，并不断供向蒸发器；蒸发器使制冷剂液体吸热蒸发成低温低压蒸汽，再被压缩机吸入，从而达到制冷循环的目的。结合热力学知识点，四个过程的具体情况如下：
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，可近似地看作与外界没有热量交换的绝热压缩。在图中为A→B的一条绝热线。绝热线下的面积，即为压缩机对系统所做的功。
图5-1-4
    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（B点），它被空气冷却成干饱和蒸汽（C点），并进一步冷却成湿饱和液体（D点），再进一步冷却成过冷液体（E点）（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，冷凝压力为。在图中为B→C→D→E的一条水平线。在此过程中制冷剂放出热量。
    节流过程（绝热过程）：制冷剂通过毛细管狭窄的通路时，由于摩擦和紊流，在流动方向产生压力下降，此即焦耳－汤姆孙节流过程。在图中为E→F的一条绝热线。（想一想：为什么是绝热过程？）
    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。进入蒸发器的制冷剂是汽液混合体（F点），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（G点），再进—步吸热成过热蒸汽被压缩机吸入（A点）。在图中为F→G→A的一条水平线。在此过程中制冷剂吸收热量。
6. 制冷系数
    根据热力学第二定律，制冷机的制冷系数为
    上式表明，压缩机对系统所作的功越小，自低温热源吸收的热量越多，则制冷系数越大，越经济。制冷系数是反映制冷机制冷特性的一个重要参数，它可以大于1，也可以小于1。若把制冷机看作逆向卡诺循环机，则制冷系数
                                 
由此可见，与越接近，如冰箱冷冻室的温度与室温越接近，越大，说明消耗同样的功率，可以获得较好的制冷效果。因此，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。
【实验仪器】
LWL一99C型热学制冷循环实验仪（LZL—05创新型制冷循环综合实验仪）。
    99C型实验仪如图5-1-5所示（05创新型实验仪面板上增设了一个风扇电机电源开关KFD，底部安装了带有风扇电机的翅片盘管式冷凝器，内部设有启动保护电路）。各主要部件的功能如下：
教师年度个人工作总结    1. 冷冻室：其组成是在保温桶中盛三分之二深度的含水酒精作冷冻物；内置铜盘管蒸发器；加热器用来平衡制冷剂蒸发时的吸热量，并用马达带动搅拌器使冷冻室内温度均匀。Ptl00热电偶用于探测冷冻室内含水酒精的温度，以判定是否已达到了热平衡。
    2. 冷凝器 ：即散热器。99C型实验仪中丝管式冷凝器安装在实验仪的背面（05创新型实验仪中带有风扇电机的翅片盘管式冷凝器安装在实验仪的底部）。
    3. 干燥过滤器和毛细管：干燥过滤器内装有吸湿剂，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。家用冰箱使用的毛细管是内径小于1mm的铜管，用于制冷剂节流膨胀，产生焦耳一汤姆孙效应。
    4. 压缩机：压缩机压缩制冷剂蒸汽使其压力由低变高。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，其效率，本实验中按功率因数表指示的值来计算；压缩机也因种种损耗，用于压缩气体的功率小于电动机输向压缩机的功率，其效率。因此，压缩机对制冷剂作功的功率（简称压缩机功率）
    5. 接线柱I、U、 和调压变压器：接线柱共两组，、、 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），但事前需做出电流——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，查得功率值。本实验中已作进一步简化。
    调压变压器用于调节加热器工作电压，以改变加热功率。
1. 稳压延时保护器；2. 数显温度指示仪；3. 搅拌调速开关；4. 搅拌电源；5.周杰伦好听的歌芙蓉出水是什么意思 加热电源(0－220V)；6. Pt100热电偶探头；7. 搅拌电机；8. 加热棒；9. 保温桶(内装蒸发器)；10. 冷凝器；11. 压缩机；12. 加液阀；13. 截止阀；14. 视液镜；15. 干燥过滤器；16.毛细管；17. 压力表（四块）；18. 电压表；19. 电流表；20. 武汉旅游景点加热电源总开关；21. 功率因数表；22. 调压变压器；23. 压缩机电源开关；24. 制冷循环工作原理图及图。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。