盛 健，邵旻君，陳淑梅

(上海理工大學(xué) 能源動(dòng)力工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 楊浦區(qū) 200093)

單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)是能源動(dòng)力類相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)及制冷原理與設(shè)備的基本，也是掌握制冷設(shè)備的工作原理、構(gòu)造及制冷空調(diào)設(shè)備基本設(shè)計(jì)計(jì)算方法的入門知識(shí)[1,2]。

制冷技術(shù)的理論性強(qiáng)、相對(duì)抽象，同時(shí)還涉及諸多設(shè)備，除制冷四大件(壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流元件)，還有回?zé)崞鳌庖悍蛛x器、儲(chǔ)液器、干燥過(guò)濾器等。僅憑理論講解、圖片展示、動(dòng)畫演示等難以令學(xué)生理解，也不能引起學(xué)生的興趣，更不可能讓學(xué)生熟悉不同工況參數(shù)時(shí)，單級(jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的不同設(shè)備中制冷劑流量、熱工狀態(tài)(溫度、壓力、相態(tài)等)以及相互之間的關(guān)聯(lián)性。因此通過(guò)基于第二制冷劑量熱器法的單級(jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并在該實(shí)驗(yàn)裝置上調(diào)節(jié)不同工況參數(shù)，展示不同現(xiàn)象，形象直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，加深其理解單級(jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)和各設(shè)備的作用、工況變化時(shí)對(duì)循環(huán)性能的影響及關(guān)聯(lián)性；此外，讓學(xué)生對(duì)環(huán)保制冷劑的應(yīng)用現(xiàn)狀及替代等技術(shù)難點(diǎn)有一定認(rèn)識(shí)[3-7]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

制冷循環(huán)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)是工程熱力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，目的是對(duì)應(yīng)工程熱力學(xué)理論教學(xué)中的制冷循環(huán)進(jìn)行理論與實(shí)踐的結(jié)合。提供應(yīng)用最廣泛的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)裝置給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，以便深入理解制冷循環(huán)中4個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的相態(tài)變化、熱工參數(shù)變化、在制冷循環(huán)中的作用、對(duì)制冷循環(huán)性能的影響；制冷四大件及其他附件的形貌特征、作用；制冷劑熱力性質(zhì)表和圖的應(yīng)用，如何查找熱力參數(shù)以進(jìn)行制冷裝置熱工計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，可進(jìn)行有回?zé)岷蜔o(wú)回?zé)醿煞N制冷循環(huán)。當(dāng)進(jìn)行有回?zé)釂渭?jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)時(shí)，回?zé)犭姶砰y開啟而不回?zé)犭姶砰y關(guān)閉，使蒸發(fā)器出口低壓低溫氣態(tài)制冷劑流經(jīng)回?zé)崞?，并與從回?zé)崞髁硪粋?cè)的來(lái)自冷凝器的高溫高壓液態(tài)制冷劑進(jìn)行換熱，達(dá)到氣態(tài)制冷劑過(guò)熱而液態(tài)制冷劑過(guò)冷的回?zé)崮康?。?dāng)進(jìn)行無(wú)回?zé)釂渭?jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)時(shí)，不回?zé)犭姶砰y開啟而回?zé)犭姶砰y關(guān)閉，使來(lái)自冷凝器的高溫高壓液態(tài)制冷劑流經(jīng)回?zé)崞鳎珌?lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓氣態(tài)制冷劑不流經(jīng)回?zé)崞鞫苯舆M(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口，因此不能回?zé)帷?/p>

圖1 制冷循環(huán)性能測(cè)試裝置流程圖

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間為2學(xué)時(shí)，共100 min，2個(gè)學(xué)生一組操作一臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置，共8臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置，每次課16名學(xué)生，通過(guò)網(wǎng)上課程預(yù)約系統(tǒng)預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間[8]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的及步驟：前10 min，學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置，初步認(rèn)識(shí)各設(shè)備及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；之后15 min為教師講解，介紹實(shí)驗(yàn)裝置中的主要設(shè)備、循環(huán)流程、壓力-焓圖中物性查找、單位質(zhì)量制冷量、單位質(zhì)量耗功和制冷性能系數(shù)的計(jì)算，實(shí)驗(yàn)操作步驟及注意事項(xiàng)；之后約50 min，學(xué)生完成基本實(shí)驗(yàn)操作、記錄并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；最后25 min為擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)或探究性教學(xué)，教師通過(guò)調(diào)節(jié)制冷裝置以展示不同的制冷現(xiàn)象。將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作與創(chuàng)新性研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，提高學(xué)生興趣和引導(dǎo)思考分析，激發(fā)創(chuàng)新活力[9-12]。

2.1 常規(guī)學(xué)生動(dòng)手的制冷性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)

首先教師講解蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的4個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，即絕熱壓縮升壓過(guò)程、等壓冷凝放熱過(guò)程、等焓節(jié)流降壓過(guò)程及等壓蒸發(fā)吸熱過(guò)程，如圖2所示。實(shí)現(xiàn)上述4個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的4個(gè)主要設(shè)備，即壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、手動(dòng)節(jié)流閥及蒸發(fā)器。再在裝置上描述有回?zé)岷蜔o(wú)回?zé)岬闹评淞鞒碳盎責(zé)釋?duì)安全性及制冷量等的影響。另外介紹主要附件的名稱、結(jié)構(gòu)及作用。如干燥過(guò)濾器，如圖3所示，由于制冷系統(tǒng)在抽真空時(shí)有殘余空氣，因而運(yùn)行時(shí)，可能存在水蒸氣，而水蒸氣隨液態(tài)制冷劑流至節(jié)流裝置時(shí)，由于節(jié)流降溫可能使水蒸氣結(jié)冰，而堵塞節(jié)流裝置，造成制冷系統(tǒng)高低壓報(bào)警、停機(jī)等故障；此外提出制冷系統(tǒng)中存在殘余水蒸氣或空氣時(shí)，對(duì)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力和制冷量等的影響。過(guò)濾器的必要性則在于制冷系統(tǒng)在焊接后，利用高壓氮?dú)獯党s物時(shí)未必吹除干凈，此外由于長(zhǎng)期運(yùn)行，焊接處可能有部分焊料或其他毛刺因振動(dòng)或腐蝕而脫落，如果這些雜質(zhì)未被過(guò)濾器收集起來(lái)，而在系統(tǒng)中流動(dòng)，則會(huì)堵塞節(jié)流裝置[13-14]。

圖2 有回?zé)岷蜔o(wú)回?zé)嶂评溲h(huán)壓力-焓圖

圖3 干燥過(guò)濾器外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)常規(guī)制冷循環(huán)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，提供了學(xué)生將理論教學(xué)中的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的4個(gè)熱力學(xué)過(guò)程對(duì)應(yīng)到實(shí)際系統(tǒng)中的4個(gè)主要部件；學(xué)生感知了制冷系統(tǒng)運(yùn)行后，各個(gè)部件中制冷劑熱力學(xué)狀態(tài)的變化；學(xué)習(xí)了如何應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置讀取的溫度和壓力，在壓力-焓圖中查找制冷劑各狀態(tài)下的焓值，并計(jì)算單位質(zhì)量制冷量、壓縮機(jī)耗功及制冷系數(shù)等。

2.2 探究性擴(kuò)展制冷系統(tǒng)概念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1)提出回?zé)嵫h(huán)制冷量及制冷系數(shù)如何變化。

在理論教學(xué)中，學(xué)生掌握了冷凝器出口液體過(guò)冷可提高單位質(zhì)量制冷量和制冷性能系數(shù)；蒸發(fā)器出口氣體過(guò)熱可有效避免壓縮機(jī)液擊，提高系統(tǒng)安全性。因此，將冷凝器出口液體管與蒸發(fā)器出口氣體管綁定，進(jìn)行換熱而使液體過(guò)冷同時(shí)氣體過(guò)熱，形成回?zé)嵫h(huán)。

作上述分析后，學(xué)生還是對(duì)R717、R22等常見制冷系統(tǒng)為何仍采用回?zé)嵫h(huán)表示不解。教師需指出，工科學(xué)生要有工程概念，是否采用回?zé)嵫h(huán)，除考慮制冷系數(shù)等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)外，還要考慮安全性、可靠性等因素。如采用回?zé)嵫h(huán)可以使節(jié)流前液體制冷劑獲得較大過(guò)冷度，可確保節(jié)流前無(wú)汽化，并且節(jié)流過(guò)程中汽化減少，既能提高單位質(zhì)量制冷量又能使節(jié)流裝置工作更為穩(wěn)定；蒸發(fā)器出口氣體經(jīng)回?zé)嵫h(huán)后，可確保在較低負(fù)荷時(shí)也能有適當(dāng)?shù)倪^(guò)熱度，避免壓縮機(jī)濕壓縮，提高安全性。

2)調(diào)高節(jié)流閥開度至較大制冷量，調(diào)小量熱器內(nèi)電加熱功率。

對(duì)于名義工況下制冷系統(tǒng)的運(yùn)行情況，通過(guò)理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書要求的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，本科生可以掌握不同流程階段制冷劑所處狀態(tài)及制冷量等參數(shù)。但對(duì)于變工況，即外界冷卻條件、制冷區(qū)域熱負(fù)荷變化或制冷運(yùn)行參數(shù)變化時(shí)，制冷系統(tǒng)將如何發(fā)生變化，則沒有觀察過(guò)變工況時(shí)制冷系統(tǒng)變化的現(xiàn)象并且缺乏分析思路。

在探究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師通過(guò)適當(dāng)增大手動(dòng)節(jié)流閥開度以提高制冷量，同時(shí)降低電加熱負(fù)荷以減少制冷量消耗，從而使蒸發(fā)器中制冷劑液體無(wú)法完全蒸發(fā)，進(jìn)而使部分液態(tài)制冷劑流入氣液分離器(蒸發(fā)壓力升高而吸氣壓力下降)。提醒學(xué)生觀察現(xiàn)象：當(dāng)有較少液態(tài)制冷劑流入氣液分離器時(shí)，氣液分離器外壁面開始結(jié)露，如圖4所示；當(dāng)有較多液態(tài)制冷劑流入氣液分離器時(shí)，隨著吸氣壓力下降，其外壁面開始結(jié)霜并逐漸增厚，如圖5所示。

圖4 氣液分離器外壁結(jié)露圖

圖5 氣液分離器外壁結(jié)霜圖

通過(guò)上述現(xiàn)象變化，引導(dǎo)學(xué)生思考原因，即制冷系統(tǒng)蒸發(fā)壓力略提高、液態(tài)制冷劑流量增大，而蒸發(fā)器熱負(fù)荷下降，導(dǎo)致液態(tài)制冷劑無(wú)法全部蒸發(fā)，而進(jìn)入氣液分離器，從而導(dǎo)致其壁面溫度在低于露點(diǎn)溫度而高于0℃時(shí)結(jié)露，而當(dāng)其壁面溫度低于0℃時(shí)結(jié)霜。通過(guò)這一實(shí)例，傳授分析變工況時(shí)制冷系統(tǒng)變化的方法。

此外，還可擴(kuò)展介紹3方面知識(shí)點(diǎn)：①氣液分離器的作用及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以有效避免壓縮機(jī)濕壓縮；②露點(diǎn)溫度與冰點(diǎn)溫度的概念；③結(jié)霜問(wèn)題與融霜方法及控制方式。

3)旁通壓縮機(jī)排氣對(duì)氣液分離器進(jìn)行化霜實(shí)驗(yàn)。

結(jié)合探究性實(shí)驗(yàn)2.2節(jié)部分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行熱氣旁通融霜試驗(yàn)，切換制冷系統(tǒng)進(jìn)入旁通融霜模式，即打開旁通管路電磁閥、關(guān)閉制冷循環(huán)電磁閥，將壓縮機(jī)排出的高溫高壓過(guò)熱蒸氣直接旁通送入蒸發(fā)器，再進(jìn)入氣液分離器，可觀察到氣液分離器從頂部開始融霜，并逐漸向下融霜，如圖6所示。通過(guò)該現(xiàn)象可驗(yàn)證氣液分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并介紹旁通融霜時(shí)，融霜開始判據(jù)、融霜結(jié)束判據(jù)的技術(shù)現(xiàn)狀，可啟發(fā)學(xué)生思考、對(duì)這方面進(jìn)行課后深入閱讀和創(chuàng)新性思考。

圖6 氣液分離器外壁融霜圖

4)遮擋冷凝器進(jìn)風(fēng)面，觀察制冷系統(tǒng)參數(shù)變化。

2.2節(jié)進(jìn)行了改變蒸發(fā)壓力及流量，觀察和分析制冷系統(tǒng)參數(shù)變化；另一個(gè)改變制冷系統(tǒng)工況的探究性實(shí)驗(yàn)是改變冷凝條件，觀察制冷系統(tǒng)參數(shù)變化。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到該功能，因此，只能通過(guò)遮擋冷凝器進(jìn)風(fēng)面來(lái)降低冷卻通風(fēng)量，從而惡化冷凝換熱條件，提高冷凝壓力及壓縮機(jī)排氣壓力。通過(guò)理論分析可知，排氣壓力和冷凝壓力升高后，壓縮機(jī)壓比升高，造成排氣溫度升高；而手動(dòng)節(jié)流閥開度不變，使蒸發(fā)壓力也略有升高，單位質(zhì)量制冷量和制冷性能系數(shù)均下降。通過(guò)該探究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置記錄遮擋冷凝器進(jìn)風(fēng)面前后制冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變化，并對(duì)比與理論分析結(jié)果是否一致及變化程度。如表1所示，遮擋后，由于冷凝換熱惡化，冷凝溫度和壓力升高，排氣壓力和溫度也因此升高，單位質(zhì)量制冷量及制冷系能系數(shù)均下降。

表1 遮擋冷凝器進(jìn)風(fēng)面前后制冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變化(R22)

3 結(jié)束語(yǔ)

在能源動(dòng)力類本科專業(yè)工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)單級(jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革實(shí)踐。在2學(xué)時(shí)的教學(xué)中，首先指導(dǎo)學(xué)生完成有回?zé)峒盁o(wú)回?zé)嶂评溲h(huán)的第二制冷劑量熱器法制冷量、制冷性能系數(shù)的測(cè)試及計(jì)算；之后進(jìn)入探究性擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，由教師調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)器熱負(fù)荷、冷凝換熱條件、結(jié)霜與融霜實(shí)驗(yàn)等，通過(guò)研究型、工程型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生既觀察到制冷循環(huán)變工況時(shí)多姿多彩的現(xiàn)象，又能夠觀測(cè)到復(fù)雜的參數(shù)變化，既激發(fā)了其學(xué)習(xí)制冷循環(huán)的興趣，也引導(dǎo)其如何分析工程問(wèn)題。對(duì)于培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、善于分析解決工程問(wèn)題及創(chuàng)新創(chuàng)造的卓越工程師人才有重要意義。