Экспериментальное исследование характеристик холодильной машины

Экспериментальное  

исследование характеристик  

холодильной машины

Методические указания  
к лабораторной работе 

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана

УДК 621.56
ББК 31.392
 
Ш65

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/57/book1783.html

Факультет «Энергомашиностроение»
Кафедра «Холодильная, криогенная техника,  
системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

Шишов, В. В.
Ш65  
Экспериментальное исследование характеристик холодильной 
машины. Методические указания к лабораторной 
работе / В. В. Шишов, А. В. Борисенко.  — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 43, [1] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4833-3
В процессе выполнения лабораторной работы проводится экспериментальное 
исследование характеристик холодильной машины, 
входящей в состав холодильной установки «Остров». Даны описания 
лабораторного стенда, его основных элементов, методика проведения 
испытаний и обработки экспериментальных данных, а также методика 
энтропийно-статистического анализа низкотемпературного односту-
пенчатого холодильного цикла. 

Для студентов, изучающих курсы «Теоретические основы холодильной 
техники», «Холодильная техника» и «Холодильные машины и 
установки».
УДК 621.56
ББК 31.392

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4833-3 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

Предисловие

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной 
работы «Экспериментальное исследование характеристик 
холодильной машины».
Лабораторная работа посвящена экспериментальному исследованию 
характеристик холодильной машины, входящей в состав 
холодильной установки «Остров».
Лабораторную работу выполняют студенты кафедры «Холодильная, 
криогенная техника, системы кондиционирования и 
жизнеобеспечения» (Э-4):

 •четвертого курса бакалавриата в рамках изучения дисциплин 

«Теоретические основы холодильной техники», «Холодильные 
машины и установки», обучаемые по направлению подготовки 
16.03.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения» (
программа бакалавриата 16.03.03_01 «Холодильная 
техника и технологии»);

 •первого курса магистратуры в рамках изучения дисциплин 

«Холодильная техника» и «Холодильные машины и установки», 
обучаемые по специальности 16.04.03 «Холодильная, криогенная 
техника и системы жизнеобеспечения» (программы магистратуры 
16.04.03_01 «Холодильная техника и технологии» и 16.04.03_04 
«Регулирование и автоматизация холодильных установок и систем 
кондиционирования»);

 •пятого курса специалитета в рамках изучения дисциплины 

«Холодильная техника», обучаемые по специальности  16.05.01 
«Специальные системы жизнеобеспечения» (программа специа-
литета 16.05.01_01 «Криогенная техника и специальные системы 
жизнеобеспечения»).
Цель работы — ознакомить студентов с особенностями эксплуатации 
холодильной машины, конструкцией и назначением ее 
элементов, с практикой экспериментального исследования холодильных 
машин и закрепить теоретические знания, полученные 
из курса лекций по холодильным машинам.

Основная задача — нахождение объемных и энергетических 

характеристик холодильной машины на основе экспериментальных 
данных, самостоятельно полученных студентами в процессе 
выполнения лабораторной работы, а также проведение энтропий-
но-статистического анализа низкотемпературного одноступенча-
того холодильного цикла.
В результате выполнения лабораторной работы студенты узнают 
устройство холодильной камеры, особенности ее эксплуатации, 
приобретут навыки экспериментального исследования холодильной 
машины, последующей обработки результатов, умение 
применять метод энтропийно-статистического анализа холодильных 
машин.

Теоретическая часть

Парокомпрессионная холодильная машина состоит из четырех 

основных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и 
дросселирующего элемента, соединенных трубопроводами; пятым 
элементом является хладагент, циркулирующий в системе.
Испаритель содержит кипящий хладагент. Кипение хладагента 

в испарителе происходит при низком давлении за счет теплоты, 
поступающей от охлаждаемого объекта. Температура кипения хладагента 
в испарителе обычно на 6…10 °С ниже температуры охлаждаемой 
среды. Через поверхность испарителя воздух отдает свою 
теплоту хладагенту, который при этом превращается в пар. Таким 
образом, в испарителе хладагент кипит при низкой температуре, 
отбирая теплоту от охлаждаемого воздуха.
Компрессор всасывает пары хладагента из испарителя и поддерживает 
в нем низкое давление, обеспечивающее низкую температуру 
кипения. Кроме того, компрессор нагнетает пары в конденсатор 
и сжимает их до такого давления, при котором они превращаются 
в жидкость при условии охлаждения их окружающей средой.
Конденсатор обеспечивает охлаждение сжатых паров хладагента 
окружающим воздухом для понижения температуры паров до 
температуры конденсации (состояния насыщения) и превращение 
насыщенных паров в жидкое состояние.
Для равномерной подачи жидкого хладагента в испаритель 

за конденсатором обычно устанавливают ресивер, а перед дрос-
селирующим элементом — фильтр-осушитель. Фильтр-осушитель 
улавливает различные механические загрязнения хлад агента и 
поглощает влагу, находящуюся в системе. При дросселировании 
давление конденсации хладагента понижается до давления кипения. 
Кроме того, дроссель обеспечивает необходимое заполнение 
испарителя жидким хладагентом, подавая в единицу времени 
столько жидкости, сколько паров успевает за это время всосать 
компрессор.
Процесс дросселирования осуществляется в соответствии с закономерностями 
гидравлики: путем создания для потока жидко-

го хладагента «местного сопротивления» или «сопротивления по  
длине». Первый метод реализован в технических конструкциях, 
называемых терморегулирующими вентилями. Второй метод состоит 
в дросселировании хладагента в капиллярной трубке. Терморегулирующий 
вентиль регулирует заполнение испарителя хладагентом, 
поддерживая постоянное значение перегрева за ним. 
Капиллярная трубка выполняет только одну функцию — дроссе-
лирует проходящий через нее жидкий хладагент.
Процесс дросселирования жидкого хладагента сопровождается 

изменением его агрегатного состояния. Часть жидкости, прошедшей 
через дроссель, превращается в насыщенный пар, поэтому 
из дросселя выходит смесь жидкости и насыщенного пара (влажный 
пар). Жидкость в испарителе кипит при давлении кипения, 
поглощая теплоту от воздуха через стенки испарителя. Пары, поступающие 
из дросселя и образующиеся при кипении, всасывает 
компрессор.
Поскольку жидкости несжимаемы, то попадание жидкого хладагента 
в цилиндр компрессора может привести к явлению, называемому 
гидравлическим ударом. При этом возможно разрушение 
конструктивных элементов компрессора. Пары хладагента по мере 
продвижения по испарителю в результате теплообмена через его 
стенки дополнительно подогреваются. Температура паров на выходе 
из испарителя выше температуры кипения на величину перегрева (
обычно 7 К).
Сжатие паров хладагента в компрессоре от давления кипения до 

давления конденсации сопровождается, кроме того, возрастанием 
их внутренней энергии и температуры. Температура паров в конце 
сжатия зависит от разности значений давления на входе и выходе 
из компрессора и достигает 120...140 °С. В конденсаторе происходят 
три процесса: охлаждение сжатых паров до состояния насыщения, 
их конденсация и переохлаждение жидкого хладагента. Давление 
и температура конденсации зависят от температуры охлаждающей 
среды, площади теплопередающей поверхности конденсатора и 
интенсивности теплопередачи. Как правило, температура конденсации 
на 5…15 К превышает температуру охлаждающей среды. Переохлаждение 
в воздушном конденсаторе достигает 4 К.
Жидкий хладагент из конденсатора через фильтр-осушитель 

поступает в дроссель, и цикл повторяется. Таким образом, хладагент, 
совершая движение по замкнутому циклу, отнимает теплоту 
от воздуха в охлаждаемом помещении или замкнутом объеме и 
отдает его воздуху, обдувающему конденсатор.

К недостаткам парокомпрессионных холодильных машин 

следует отнести необходимость обслуживания высококвалифицированным 
персоналом, высокую вероятность выхода из строя 
вследствие большого числа движущихся деталей (5 % по международным 
стандартам), высокий уровень шума.
Однако есть одно достоинство, которое делает парокомпрессионные 
холодильные машины весьма привлекательными. В условиях, 
в которых работают, например, бытовые кондиционеры, 
холодильный коэффициент теоретически равен 3. Это означает, 
что на 1 кВт затрачиваемой электроэнергии (с использованием 
теплоты воздуха окружающей среды) производится 3 кВт холода.

Общая характеристика лабораторного стенда

Лабораторный стенд (рис. 1) позволяет моделировать работу 

холодильной установки с изменяемой нагрузкой в широком диапазоне 
значений температуры кипения. Тепловая нагрузка на 
установку регулируется включением и отключением нагревателя, 
установленного внутри холодильной камеры.
Холодильная установка (см. рис. 1) работает на хладагенте 

R404А по простому одноступенчатому парокомпрессионному  
циклу (рис. 2). Хладагент поступает в компрессор 1 в состоянии 

Рис. 1. Лабораторный стенд: 

1 — холодильная камера; 2 — компрессорно-конденсаторный агрегат; 3 — щит 

управления

перегретого пара, охлаждая электрические обмотки его двигателя. 
В зависимости от давления всасывания преобразователь частоты 
регулирует частоту вращения вала компрессора, что приводит к 
уменьшению затрат энергии. После сжатия газ поступает в маслоотделитель 
2, а затем в конденсатор 3 с воздушным охлаждением. 

Далее переохлажденная жидкость поступает в линейный вертикальный 
ресивер 4, а затем, пройдя фильтр-осушитель 6 и смотровое 
стекло 5, дросселируется в электронном терморегулирующем 
клапане 8 с шаговым электродвигателем, работа которого зависит 
от работы контроллера EVD evolution. Хладагент впрыскивается в 
таком количестве, чтобы поддерживался постоянный перегрев в 
испарителе 9 в зависимости от заданного в системе мониторинга 
Refservice значения. В испарителе происходит процесс кипения 
хладагента с заданной температурой уставки. 

С помощью этой холодильной установки можно продемонстрировать 
все преимущества используемого оборудования:
1) плавность и точность регулирования производительности 

компрессора с помощью преобразователя частоты Eaton, экономия 
электроэнергии;

Рис. 2. Схема холодильной установки: 

а — компрессорно-конденсаторный агрегат; б — холодильная камера; 1 — компрессор; 
2 — маслоотделитель; 3 — конденсатор; 4 — ресивер; 5 — смотровое 
стекло; 6 — фильтр-осушитель; 7 — электромагнитный клапан; 8 — электронный 
терморегулирующий клапан; 9 — испаритель; BP1, BP2, BP11, 
BP12, BP21, BP22 — датчики давления; BT1–ВТ14 — датчики температуры; 
М1–М3 — электродвигатели; E1, E2 — трубчатые электронагреватели подогрева 
масла

2) возможность изменения частоты вращения электродвигателей 
вентилятора конденсатора;
3) точность поддержания заданных значений температуры, 

адаптация к изменению нагрузки благодаря работе электронного 
расширительного вентиля Carel;
4) эффективность работы систем мониторинга и управления.

Характеристика основных элементов  
лабораторного стенда

Компрессор

На стенде установлен поршневой полугерметичный компрессор 
2GES-2Y-40S фирмы Bitzer (рис. 3). Поршневые полугерме-
тичные компрессоры Bitzer соответствуют современному техническому 
уровню и работают по принципу охлаждения обмоток 
электродвигателя всасываемым газом. 

Достоинства компрессоров Bitzer:
 •смазка маслом (BSE32) без помощи масляного насоса (разбрызгивание), 
большой объем картера обеспечивают надежность 
и безопасность работы системы смазки; 

Рис. 3. Компрессор Bitzer 2GES-2Y-40S

•алюминиевые поршни с поршневым кольцом, подшипники 

скольжения способствуют износоустойчивости и надежности работы 
кривошипно-шатунного механизма;

 •электронный блок защиты создает защиту электродвигателя 

от перегрева; 
 • применяется зарекомендовавшая себя во всем мире конструкция 
клапанной доски с лепестковыми клапанами на всасывании 
и нагнетании с односторонним закреплением. Клапаны 
изготовлены из высококачественной ударной пружинной 
стали;

 •компрессор имеет трубчатый электронагреватель для подогрева 
масла; 
 •в стандартном исполнении компрессор установлен на четыре 

специальные виброопоры, которые предназначены для уменьшения 
динамических сил, передающихся от компрессора на различные 
конструкции; это приводит к снижению шумового фона.
Помимо этого к достоинствам указанных компрессоров относят 
удобство в проведении технического обслуживания, высокую 
эффективность и надежность.

Основные технические характеристики компрессора Bitzer

Тип. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Полугерметичный 
  
 поршневой
Холодильный коэффициент. . . . . . . . . . . 1,97
Регулирование производительности . . . . С помощью преобра-
 
 зователя частоты
Электропитание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 фазы/380 В/50 Гц
Холодопроизводительность, Вт  
(температура конденсации tк = 45 °C). . . . 6270 (температура 
 
 кипения t0 = +5 °C)
 
 3550 (t0 = –10 °C)
Объемная производительность, м3/ч  . . . 7,58
Габариты, мм (высота×длина×ширина). . . 273×343×224
Масса нетто, кг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Объем масла, дм3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Уровень звукового давления, дБА . . . . . . 63
Диаметр патрубка, дюйм:
     на всасывании. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5/8
     на нагнетании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1/2
Хладагент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R404A