单级蒸汽压缩式制冷循环探究性实验教学实践

盛 健，邵旻君，陈淑梅

(上海理工大学 能源动力工程国家级实验教学示范中心，上海 杨浦区 200093)

单级蒸汽压缩制冷循环是能源动力类相关专业学生学习工程热力学及制冷原理与设备的基本，也是掌握制冷设备的工作原理、构造及制冷空调设备基本设计计算方法的入门知识[1,2]。

制冷技术的理论性强、相对抽象，同时还涉及诸多设备，除制冷四大件(压缩机、冷凝器、蒸发器和节流元件)，还有回热器、气液分离器、储液器、干燥过滤器等。仅凭理论讲解、图片展示、动画演示等难以令学生理解，也不能引起学生的兴趣，更不可能让学生熟悉不同工况参数时，单级蒸汽压缩式制冷循环的不同设备中制冷剂流量、热工状态(温度、压力、相态等)以及相互之间的关联性。因此通过基于第二制冷剂量热器法的单级蒸汽压缩式制冷循环性能测试实验，并在该实验装置上调节不同工况参数，展示不同现象，形象直观地展现给学生，加深其理解单级蒸汽压缩式制冷循环系统和各设备的作用、工况变化时对循环性能的影响及关联性；此外，让学生对环保制冷剂的应用现状及替代等技术难点有一定认识[3-7]。

1 实验装置简介

制冷循环性能测试实验是工程热力学基础实验之一，目的是对应工程热力学理论教学中的制冷循环进行理论与实践的结合。提供应用最广泛的蒸汽压缩式制冷循环装置给学生进行实验操作，以便深入理解制冷循环中4个热力学过程的相态变化、热工参数变化、在制冷循环中的作用、对制冷循环性能的影响；制冷四大件及其他附件的形貌特征、作用；制冷剂热力性质表和图的应用，如何查找热力参数以进行制冷装置热工计算。

实验装置如图1所示，可进行有回热和无回热两种制冷循环。当进行有回热单级蒸汽压缩式制冷循环时，回热电磁阀开启而不回热电磁阀关闭，使蒸发器出口低压低温气态制冷剂流经回热器，并与从回热器另一侧的来自冷凝器的高温高压液态制冷剂进行换热，达到气态制冷剂过热而液态制冷剂过冷的回热目的。当进行无回热单级蒸汽压缩式制冷循环时，不回热电磁阀开启而回热电磁阀关闭，使来自冷凝器的高温高压液态制冷剂流经回热器，但来自蒸发器的低温低压气态制冷剂不流经回热器而直接进入压缩机吸气口，因此不能回热。

图1 制冷循环性能测试装置流程图

2 实验教学过程

实验教学时间为2学时，共100 min，2个学生一组操作一台实验装置，共8台实验装置，每次课16名学生，通过网上课程预约系统预约实验时间[8]。实验教学目的及步骤：前10 min，学生预习实验指导书，并结合实验装置，初步认识各设备及实验内容；之后15 min为教师讲解，介绍实验装置中的主要设备、循环流程、压力-焓图中物性查找、单位质量制冷量、单位质量耗功和制冷性能系数的计算，实验操作步骤及注意事项；之后约50 min，学生完成基本实验操作、记录并处理实验数据；最后25 min为扩展实验教学环节或探究性教学，教师通过调节制冷装置以展示不同的制冷现象。将基础实验操作与创新性研究性实验内容相结合，提高学生兴趣和引导思考分析，激发创新活力[9-12]。

2.1 常规学生动手的制冷性能测试实验教学

首先教师讲解蒸汽压缩式制冷循环的4个热力学过程，即绝热压缩升压过程、等压冷凝放热过程、等焓节流降压过程及等压蒸发吸热过程，如图2所示。实现上述4个热力学过程的4个主要设备，即压缩机、风冷冷凝器、手动节流阀及蒸发器。再在装置上描述有回热和无回热的制冷流程及回热对安全性及制冷量等的影响。另外介绍主要附件的名称、结构及作用。如干燥过滤器，如图3所示，由于制冷系统在抽真空时有残余空气，因而运行时，可能存在水蒸气，而水蒸气随液态制冷剂流至节流装置时，由于节流降温可能使水蒸气结冰，而堵塞节流装置，造成制冷系统高低压报警、停机等故障；此外提出制冷系统中存在残余水蒸气或空气时，对冷凝压力、蒸发压力和制冷量等的影响。过滤器的必要性则在于制冷系统在焊接后，利用高压氮气吹除杂物时未必吹除干净，此外由于长期运行，焊接处可能有部分焊料或其他毛刺因振动或腐蚀而脱落，如果这些杂质未被过滤器收集起来，而在系统中流动，则会堵塞节流装置[13-14]。

图2 有回热和无回热制冷循环压力-焓图

图3 干燥过滤器外形及内部结构图

通过常规制冷循环性能测试实验，提供了学生将理论教学中的蒸汽压缩式制冷循环的4个热力学过程对应到实际系统中的4个主要部件；学生感知了制冷系统运行后，各个部件中制冷剂热力学状态的变化；学习了如何应用实验装置读取的温度和压力，在压力-焓图中查找制冷剂各状态下的焓值，并计算单位质量制冷量、压缩机耗功及制冷系数等。

2.2 探究性扩展制冷系统概念的实验教学

1)提出回热循环制冷量及制冷系数如何变化。

在理论教学中，学生掌握了冷凝器出口液体过冷可提高单位质量制冷量和制冷性能系数；蒸发器出口气体过热可有效避免压缩机液击，提高系统安全性。因此，将冷凝器出口液体管与蒸发器出口气体管绑定，进行换热而使液体过冷同时气体过热，形成回热循环。

作上述分析后，学生还是对R717、R22等常见制冷系统为何仍采用回热循环表示不解。教师需指出，工科学生要有工程概念，是否采用回热循环，除考虑制冷系数等经济性指标外，还要考虑安全性、可靠性等因素。如采用回热循环可以使节流前液体制冷剂获得较大过冷度，可确保节流前无汽化，并且节流过程中汽化减少，既能提高单位质量制冷量又能使节流装置工作更为稳定；蒸发器出口气体经回热循环后，可确保在较低负荷时也能有适当的过热度，避免压缩机湿压缩，提高安全性。

2)调高节流阀开度至较大制冷量，调小量热器内电加热功率。

对于名义工况下制冷系统的运行情况，通过理论学习和实验指导书要求的实验环节，本科生可以掌握不同流程阶段制冷剂所处状态及制冷量等参数。但对于变工况，即外界冷却条件、制冷区域热负荷变化或制冷运行参数变化时，制冷系统将如何发生变化，则没有观察过变工况时制冷系统变化的现象并且缺乏分析思路。

在探究性实验环节，教师通过适当增大手动节流阀开度以提高制冷量，同时降低电加热负荷以减少制冷量消耗，从而使蒸发器中制冷剂液体无法完全蒸发，进而使部分液态制冷剂流入气液分离器(蒸发压力升高而吸气压力下降)。提醒学生观察现象：当有较少液态制冷剂流入气液分离器时，气液分离器外壁面开始结露，如图4所示；当有较多液态制冷剂流入气液分离器时，随着吸气压力下降，其外壁面开始结霜并逐渐增厚，如图5所示。

图4 气液分离器外壁结露图

图5 气液分离器外壁结霜图

通过上述现象变化，引导学生思考原因，即制冷系统蒸发压力略提高、液态制冷剂流量增大，而蒸发器热负荷下降，导致液态制冷剂无法全部蒸发，而进入气液分离器，从而导致其壁面温度在低于露点温度而高于0℃时结露，而当其壁面温度低于0℃时结霜。通过这一实例，传授分析变工况时制冷系统变化的方法。

此外，还可扩展介绍3方面知识点：①气液分离器的作用及内部结构，可以有效避免压缩机湿压缩；②露点温度与冰点温度的概念；③结霜问题与融霜方法及控制方式。

3)旁通压缩机排气对气液分离器进行化霜实验。

结合探究性实验2.2节部分，通过实验台进行热气旁通融霜试验，切换制冷系统进入旁通融霜模式，即打开旁通管路电磁阀、关闭制冷循环电磁阀，将压缩机排出的高温高压过热蒸气直接旁通送入蒸发器，再进入气液分离器，可观察到气液分离器从顶部开始融霜，并逐渐向下融霜，如图6所示。通过该现象可验证气液分离器的结构特点，并介绍旁通融霜时，融霜开始判据、融霜结束判据的技术现状，可启发学生思考、对这方面进行课后深入阅读和创新性思考。

图6 气液分离器外壁融霜图

4)遮挡冷凝器进风面，观察制冷系统参数变化。

2.2节进行了改变蒸发压力及流量，观察和分析制冷系统参数变化；另一个改变制冷系统工况的探究性实验是改变冷凝条件，观察制冷系统参数变化。由于实验台设计时未考虑到该功能，因此，只能通过遮挡冷凝器进风面来降低冷却通风量，从而恶化冷凝换热条件，提高冷凝压力及压缩机排气压力。通过理论分析可知，排气压力和冷凝压力升高后，压缩机压比升高，造成排气温度升高；而手动节流阀开度不变，使蒸发压力也略有升高，单位质量制冷量和制冷性能系数均下降。通过该探究性实验，学生可以通过实验装置记录遮挡冷凝器进风面前后制冷系统运行参数变化，并对比与理论分析结果是否一致及变化程度。如表1所示，遮挡后，由于冷凝换热恶化，冷凝温度和压力升高，排气压力和温度也因此升高，单位质量制冷量及制冷系能系数均下降。

表1 遮挡冷凝器进风面前后制冷系统运行参数变化(R22)

3 结束语

在能源动力类本科专业工程热力学实验教学中，对单级蒸汽压缩式制冷循环实验教学进行了改革实践。在2学时的教学中，首先指导学生完成有回热及无回热制冷循环的第二制冷剂量热器法制冷量、制冷性能系数的测试及计算；之后进入探究性扩展实验环节，由教师调节蒸发压力、蒸发器热负荷、冷凝换热条件、结霜与融霜实验等，通过研究型、工程型和创新型实验环节，使学生既观察到制冷循环变工况时多姿多彩的现象，又能够观测到复杂的参数变化，既激发了其学习制冷循环的兴趣，也引导其如何分析工程问题。对于培养基础扎实、善于分析解决工程问题及创新创造的卓越工程师人才有重要意义。