实验五 模拟电冰箱制冷系数的测量
一、实验目的
1、              培养学生理论联系实际，学用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、              测定电冰箱的制冷系数。
 二、电冰箱的制冷原理
1、电冰箱制冷的理论基础    热力学第二定律的克劳修斯说法是：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起外界的变化。因此,只能通过某种逆向热力学循环，外界对系统作一定的功，使热量从低温物体(冷端)传到高温物体(热端)，如图5—l所示。Q1是系统向高温热源放出的热量，Q2是系统从低温热源吸收的热量， W是外界对系统所做的功，那么：
Q2=Q1-W                                                  (5-1)
 
电冰箱就是通过逆向热力学循环对循环系统冷端的利用，称为制冷机。
 
 
 
 
 
 
          图5—l                                    图5—2
 2、制冷的方式    制冷可利用熔解热、升华热、蒸发热、珀尔贴效应等方式。电冰箱则是用氟里昂作制冷剂，当液体氟里昂在蒸发器里大量蒸发(实际是沸腾，但在制冷技术中习惯称为蒸发)时，带走低温处的热量，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、制冷剂氟里昂  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。当氟里昂容积浓度不超过10%左右时，人没有任何不适的感觉，但当氟里昂容积浓度达到80%，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。R12的几个有关参数如下：
        沸点(latm)    -29.8℃            凝固点(latm)    -155℃
临界温度    112℃            临界压力      4.06Mpa
4、真实气体的等温线    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P-V图如图5-2所示。从图5-2中可见，真实气体的等温线并非都是等轴双曲线。如在lm部
分，真实气体的等温线与理想气体的等温线相似；在m点气体开始液化，在m至n点这段气体的液化过程中，气体体积虽在减少，但气体压力保持不变，因此该过程是等压过程，我们称其压力为饱和蒸汽压；至n点气体完全液化。等温线的mn部分为饱和蒸汽和饱和液体共存的范围，但在no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，气液体共存状态的范围从mn线段缩小为m’n’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P—V图上出现一个拐点K，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p-V图上，不同等温线上开始液化和液化终了的各点可以连成曲线mKn。曲线nK的左边完全是液体，nK线称温饱和液体线，以干度X=0表示。曲线mK的右边完全是气体状态，mK线称干饱和蒸汽线，以干度X=1表示（干度X表示气液体共存区里饱和蒸汽所占的比例。例如干度X=0.3时，表示饱和蒸汽占30%冰箱不制冷了一般都是哪里坏了，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—3、图5—4所示，其中图5—3为循环示意图，图5—4表示在P—V图上的制冷循环过程。
 
 
 
 
 
 
 
             图5—3                                                                          图5—4
 电冰箱的制冷循环主要有四个过程：压缩机压缩R12蒸汽，使它的压力由低增高成高温高压蒸汽；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低温低压汽液混合体，并不断供向蒸发器；蒸发器使R12液体吸热成低温低压蒸汽，从而达到制冷循环的目的。四个过程的具体情况如下：
(l)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，可近似地将此过程看作是与外界没有热量交换的绝热压缩。在P-V图中为一条绝热线。绝热线下的面积即为压缩机对系统所做的功W。
(2)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，它被空气冷却成干饱和蒸汽，并进一步冷却成中温饱和液体，再进一步冷却成过冷液体。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，为冷疑压力P1，在P-V图中为一条水平线，在此过程中制冷剂放出热量Q1。
.  (3)减压过程(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，此即焦耳一汤姆孙节流过程，在P-V图中为一条绝热线。
(4)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P2。进入蒸发器的制冷剂是汽液混合体，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，再进一步成过热蒸汽被压缩机吸入，在P-V图中为一条水平线，在此过程中制冷剂吸收热量Q2。
以上四个过程，构成电冰箱的制冷循环过程。
6、制冷系数ε    根据热力学第二定律，制冷机的制冷系数为：
                                ε=                                      (5-2)
从上式可以看出，压缩机对系统所作的功W越小，自低温热源吸取的热量Q2越多，则制冷系数ε越大，系统工作越经济。制冷系数是反映制冷机制冷特性的一个参数，它可以大于1,也可以小于1。
如把制冷机看作逆向卡诺循环机，则制冷系数为：
                                ε=                                   (5-3)
由此式可见，T1、T2越接近，即冷冻室的温度与室温越接近时，制冷系数ε越大，也就是说消耗同样的功率，可以从低温热源吸取较多的热量，从而获得较好的制冷效果。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。
 
三、实验装置
本实验所用的装置主要有：模拟电冰箱制冷系数测定装置(MB-Ⅳ型)，功率因数表。学生可以根据图5—5所示实验装置了解上述电冰箱的制冷原理，对照实物，搞清实验中装置各部分的作用。
l、冷冻室    其组成是在杜瓦瓶中盛三分之二深度的含水酒精作冷冻物；用蛇形管蒸发制冷剂吸热；用加热器平衡制冷剂蒸发时的吸热，并用马达带动搅拌器使冷冻室内温度均匀。温度计t0用于读出冷冻室内含水酒精的温度，以判定冷冻室是否已达到了热平衡。
2、冷凝器    即散热器，在实验装置的背后，接"冷凝汽入口B"和"冷凝器出口E"。
3、干燥管和毛细管    干燥管内装有吸湿剂，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。内径小于0.2毫米的毛细管用于制冷剂节流膨胀，产生焦耳—汤姆孙效应。
4、压缩机和电流表    压缩机压缩制冷剂使其压力由低变高。电流表用于监测压缩机的工作电流，当电流大于1安培时，制冷系统可能有堵塞情况发生。电流表后装有通电延时器，以防压缩机启动时电流过载。
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P电，其效率η电≈0.8；压缩机也因种种损耗，用于压缩汽体的功率小于电动机输向压缩机的功率，其效率η压≈0.65。因此压缩机对制冷剂作功的功率P(简称压缩机功率)。
P=ηP电=η电η压P电=0.52P电
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                          图5—5                                             图5—6 
5、接线柱I、U、*和调压变压器    接线柱共两组， I加、U加、*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)，但事前需作出电流—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，查得实际的功率值。