《地熱學》課堂實驗/實踐指導書課程中文名稱：地熱學課程英文名稱：Geothermic課程編號：020060120適用專業：新能源科學與工程學時數：32學分數：2課程類別：專業課程應開課學期：第四學期實驗/實踐一：地源熱泵機組COP測定實驗/實踐類型：操作實驗/實踐學時：4實驗/實踐要求：10人/組一、實驗/實踐目的1、了解熱泵的工作過程及性能的評價指標；2、熟悉熱泵裝置的組成，領會制冷與供熱的對立與統一關系；3、測定蒸氣壓縮式制冷循環的性能；4、通過本實驗，了解測定熱泵壓縮機主要性能指標──壓縮機的制冷量和輸入功率的相關標準（GB/T?5773－2004容積式熱泵壓縮機性能試驗方法）；5、通過本實驗，掌握測定熱泵主要性能指標（壓縮機的制冷量和輸入功率）的一種試驗方法──第二制冷劑量熱法；6、通過本實驗，掌握一種測定換熱器2熱損失系數的方法。二、實驗/實踐內容1.測定蒸汽壓縮式制冷循環性能。2.測定熱泵主要性能指標。3.測定換熱器熱損系數。三、儀器設備熱泵性能測試儀四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟（一）實驗原理、方法和手段1、單級熱泵的理論循環熱泵(HeatPump)是一種將低溫熱源的熱能轉移到高溫熱源的裝置。來實現制冷和供暖，熱泵裝置的工作原理與\t"/item/%E7%83%AD%E6%B3%B5%E5%8E%9F%E7%90%86/_blank"壓縮式制冷機是一致的，在小型空調器中，為了充分發揮其效能，夏季空調降溫或冬季取暖，都是使用同一套設備來完成。通過本裝置學習熱泵原理及使用方法圖1顯示了壓力－比焓圖上單級熱泵機組的理論循環。熱泵壓縮機吸入的是以點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程；2－3表示制冷劑在冷凝器中的等壓放熱過程，在冷卻過程中制冷劑與環境介質有溫差，放出過熱熱量，在冷凝過程中制冷劑與環境介質無溫差，放出比潛熱，在冷卻和冷凝過程中制冷劑的壓力保持不變，且等于冷凝溫度TK下的飽和蒸氣壓力PK；（）是液態再冷卻放出的熱量；3－4表示節流過程，制冷劑在節流過程中壓力和溫度都降低，且焓值保持不變，進入兩相區；4－1表示制冷劑在蒸發器中的蒸發過程，理想狀態下，制冷劑在溫度T0、飽和壓力P0保持不變的情況下蒸發，而被冷卻物體或載冷劑的溫度得以降低。實際中由于存在壓降和飽和度問題，可根據實際情況，分析導致與理想狀態不一致的原因，找出適合此工況的操作方法圖1壓力－比焓圖2、單級熱泵壓縮制冷機的實際循環與簡化后的實際循環實際循環和理論循環有許多不同之處，除了壓縮機中的工作過程以外，主要還有下例一些差別。（1）熱交換器中存在溫差，即冷風溫度T低于冷凝溫度TK，且T是變化的（進口溫度低，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。（2）制冷劑流經管道及閥門時同環境介質間有熱量交換，尤其是自節流閥以后，制冷劑溫度降低，熱量便會從環境介質傳給制冷劑，導致冷量損失。因為制冷機的實際循環過程很難用手算法進行熱力計算。因此，在工程設計中常常是對它作一些簡化。圖2為簡化后的實際循環過程。注：為理論循環的等熵壓縮過程：為實際循環的壓縮過程。簡化途徑是：（1）忽略冷凝器及蒸發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，應從排氣壓力減去這一段管道壓力損失后作為冷凝壓力），以壓縮機進口壓力作為蒸發壓力（在大型裝置中尚需加上吸氣管道的壓力損失），同時認為冷凝溫度和蒸發溫度均為定值。（2）將壓縮機內部過程簡化為一個從吸氣壓力到排氣壓力有損失的簡單壓縮過程。（3）節流過程認為是等焓過程。經過簡化之后，即可直接利用lgp-h圖進行循環性能指標的計算。圖2實際循環過程3、實際循環與理論循環的區別實際循環區別于理論循環有如下幾方面：（1）由于摩擦作用，在壓縮機的排出口和膨脹閥進口之間及膨脹閥出口和壓縮機吸入端之間將產生微小的壓力降。（2）壓縮過程即不是等熵過程也不是絕熱過程（壓縮機通常有熱量損失）。（3）離開蒸發器的蒸氣通常有過熱（這使膨脹閥得以自動控制，同時也改善了壓縮機的性能）。（4）離開冷凝器的液體一般略有過冷（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）循環在環境溫度下運行時，可能有少量的無用熱量從外界傳入到循環的各個部分。4、間接法測定熱泵性能本實驗采用國標（GB/T5773一2004）提出的對熱泵壓縮機性能測試的主要試驗方法——間接量熱法，對熱泵壓縮機的制冷量和輸入功率進行測定。根據標準，本試驗方法適用于不小于0.75kW的容積式熱泵壓縮機的性能試驗。間接法是通過第二制冷劑換熱器2間接測定制冷量，是利用安置在第二制冷劑換熱器2內部的電加熱管發出的熱量來消耗蒸發器盤管所產生的制冷量。本試驗裝置有二種制冷劑，其中第一制冷劑為R22，第二制冷劑為乙二醇水溶液。第二制冷劑換熱器2是一個密閉的常壓的隔熱容器，安置在該換熱器2內的蒸發器盤管浸漬在第二制冷劑內，電加熱管安裝在容器的底部并被容器內的第二制冷劑浸沒。第一制冷劑在制冷系統中循環，在第二制冷劑換熱器2的蒸發器盤管中蒸發制冷;輸入第二制冷劑換熱器2的熱量主要由電加熱管供給（換熱器2的漏熱量應不超過5%)。這樣，制冷系統所產生的冷量被輸入的熱量通過第二制冷劑（中間介質）間接消耗，當試驗系統的熱力狀態趨于穩定時，表明換熱器2內趨于動態熱平衡。當系統處于熱平衡時，其熱平衡方程式為：（W）…………(1)式中：──蒸發器盤管制冷量/W──電加熱功率/W──第二制冷劑換熱器2的熱損失（外界傳入為正）/W當實際試驗工況與規定的試驗工況相一致，以及實際供電頻率和規定電網頻率一致時，蒸發器盤管制冷量即為熱泵壓縮機的制冷量。若實際的試驗工況和規定工況有些差異，根據熱泵壓縮機制冷量的定義，用以下的公式求得全封閉式熱泵壓縮機在規定試驗工況下的制冷量。（W）…………..(2)式中：──熱泵壓縮機規定試驗工況下的制冷量/W；──規定試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比焓/kJ/kg；──規定試驗工況下節流閥前液態制冷劑的比焓（kJ/kg）──實際試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比焓（kJ/kg）──實際試驗工況下節流閥前液態制冷劑的比焓（kJ/kg）──規定試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比容（m3/kg）──實際試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比容（m3/kg）──規定試驗工況下熱泵壓縮機供電頻率（Hz）──實際試驗工況下熱泵壓縮機供電頻率（Hz）5、第二制冷劑換熱器2熱損失的標定將換熱器2與制冷系統的閥門全部關閉，接通電加熱管電源，供給電能使第二制冷劑循環，調節供電量，使第二制冷劑溫度穩定于某值，該值所對應的第二制冷劑的飽和溫度與環境溫度之差不小于14℃，此時維持供電量，其值波動應在±1％之內，并使第二制冷劑壓力相對應的飽和溫度的波動不大于±0.5℃，讀得電加熱量。第二制冷劑換熱器2熱損失系數由下式確定：（W/℃）………..(3)式中：──第二制冷劑換熱器2熱損失系數（W/℃）──第二制冷劑穩定壓力所對應的飽和溫度（℃）──環境溫度（℃）從而可利用值，求得試驗條件下第二制冷劑換熱器2的熱損失：（W）………(4)式中：──實際試驗條件下第二制冷劑穩定壓力所對應的飽和溫度（℃）──實際試驗條件下環境溫度（℃）測定的第二制冷劑換熱器2的絕熱效果應使散熱量不超過被測壓縮機制冷量的5％。（二）實驗步驟1準備工作（1）實驗前準備預習實驗指導書，詳細了解實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；了解和掌握制冷和制熱系統的操作規程；熟悉制冷工況的調節方法。（2）在熟悉了實驗系統，明確了實驗內容和操作步驟以及注意事項，掌握了實驗設備和儀表的使用方法之后，依次逐步進行實驗（3）檢查制冷/制熱系統各部分有無異常，如有異常，則應首先處理完好。比如制冷劑壓力是否正常，以保護壓縮機。（4）檢查換熱器2內乙二醇溶液是否覆蓋盤管，若不是，添加配制30%乙二醇溶液至埋沒銅管；（5）啟動總電源，啟動控制電源開關，進行設備預熱，一般冬季需要5min左右（夏季此步驟省略）；（6）設置參數，設置壓力保護上限1.5MPa，溫度保護上限90℃，壓縮機啟動間隔2.5min（可有效保護壓縮機，防止超過使用要求）；（7）通過觸控機啟動換熱器1電機，開啟手動節流閥和電磁閥，以保證整個設備內壓力基本一致（防止熱泵壓縮機突然啟動導致壓力過大）（8）啟動換熱器2外循環泵，以保證換熱器2內換熱介質處于均勻狀態2制冷實驗操作（1）打開VA11~VA14，檢查VA21~VA24處于關閉狀態；（2）啟動壓縮機，觀察運行過程中壓力和溫度變化情況，并通過視液鏡觀察制冷劑相變狀態，對比分析整個制冷過程每個階段的變化過程；（3）微調工況手閥，控制制冷壓降處于合適范圍（4）運行一段時間后，觀察到換熱器2內溫度約為15℃時，啟動換熱器2加熱，建議初始可設置加熱比例為60%；（5）選擇控制換熱器2溫度15℃（此處可根據任務設定），當達到所需溫度時，換熱器2溫度依然下降，可通過調節換熱器2加熱功率使其穩定（6）5min左右，設備狀態不再變化，則視為穩定，記錄此時相關壓力、溫度、功率；（7）再次控制換熱器2溫度10℃、5℃，重復8、9步驟；（8）根據實驗數據，查詢相關實驗點的焓值，并記錄到數據處理表格，畫出相關壓焓圖，并根據壓焓圖進行數據處理；分析對比相關現象，并解釋相關原因。（9）調節換熱器2加熱至蒸發器出口溫度至規定工況，并調節節流閥節流流量至壓縮機入口規定工況，記錄相關數據；（10）實驗結束，關閉加熱，關閉壓縮機；保持冷凝風扇運行大約5分鐘后，斷電并整理實驗臺。3制熱實驗操作（1）打開VA21~VA24，檢查VA11~VA14處于關閉狀態；（2）啟動壓縮機，觀察運行過程中壓力和溫度變化情況，并通過視液鏡觀察制冷劑相變狀態，對比分析整個制冷過程每個階段的變化過程；（3）微調工況手閥，控制制冷壓降處于合適范圍（4）記錄此時的換熱器2溫度，穩定10min后，再次記錄換熱器2的溫度；（5）記錄此時相關壓力、溫度、功率；（6）根據實驗數據，查詢相關實驗點的焓值，并記錄到數據處理表格，畫出相關壓焓圖，并根據壓焓圖進行數據處理；分析對比相關現象，并解釋相關原因。（7）根據熱量公式，計算換熱器2實際吸收熱負荷，并計算相關制熱系數；（8）實驗結束，關閉壓縮機；保持冷凝風扇運行大約5分鐘后，斷電并整理實驗臺。五、實驗/實踐結果處理1、記錄數據：（1）記錄吸氣壓力、排氣壓力、冷凝壓力、節流閥前壓力、節流閥后壓力、換熱器2內壓力、壓縮機吸排氣溫度、冷凝器出入口溫度、膨脹閥前后溫度、換熱器2出口溫度、換熱器2溫度、室內環境溫度。（2）測定換熱器2電流、換熱器2電壓。（3）測定壓縮機輸入電流I1、輸入電壓U1，計算輸入功率。（4）每間隔l0分鐘讀取一次數據，并以連續四次讀值的算術平均值作為計算依據。2、制冷劑流量計算（第二制冷劑換熱器2法）：

（）式中——供給電換熱器2的功率，W；換熱器2循環產熱功率記為10W——電換熱器2熱的漏熱系數（k=4.00W/℃，此漏熱系數為測定漏熱系數，有興趣的同學可對漏熱系數測定進行測定）；——環境溫度，℃；——第二制冷劑飽和溫度（根據其飽和壓力查表），℃；——制冷劑在換熱器2出口的焓值，kJ／kg；——節流閥前液體制冷劑的焓值，kJ／kg；3、實際制冷量計算：Qp=(W式中：──熱泵壓縮機試驗工況下的制冷量/W；W1──換熱器2電加熱功率W──規定試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比焓/kJ/kg；──規定試驗工況下節流閥前液態制冷劑的比焓（kJ/kg）──實際試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比焓（kJ/kg）──實際試驗工況下節流閥前液態制冷劑的比焓（kJ/kg）──規定試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比容（m3/kg）──實際試驗工況下熱泵壓縮機吸入蒸汽的比容（m3/kg）──規定試驗工況下熱泵壓縮機供電頻率（Hz）──實際試驗工況下熱泵壓縮機供電頻率（Hz）；4、壓縮機壓比、制冷循環壓比計算：α其中：P1——壓縮機入口壓力P2——壓縮機出口壓力P3——節流前壓力P4——節流后壓力5、壓縮機的輸入功率測定：(W)式中：I——輸入電流AU——輸入電壓V6、制冷系數計算ε7、性能系數COP的計算 此指標考慮到驅動電機效率對耗能的影響，以單位電動機輸入功率的制冷量大小進行評價，該指標多用于全封閉熱泵壓縮機。計算公式如下：COP式中