【文章內(nèi)容簡介】 替換原有的聚氨酯泡沫材料，提高保溫效果的同時(shí)，也加大了冷柜的儲存空 間。 該低溫冷柜采用自然 復(fù) 疊制冷循環(huán)，采用 R22/R23 為混合工質(zhì)。本文涉及了對各大重要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括蒸發(fā)器，冷凝器，蒸發(fā)冷凝器，中間換熱器，節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算和壓縮機(jī)的選型計(jì)算，并且對低溫冷柜系統(tǒng)運(yùn)行中可能會出現(xiàn)的問題加以改進(jìn) 。 青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 第 2 章 冷柜的總體布置和保溫材料的選取 冷柜的總體布置 箱體結(jié)構(gòu)： 600*500*500（寬 深 高），此次設(shè)計(jì)保溫層材料采用導(dǎo)熱系數(shù)為 （ ）的 VIP+PU 復(fù)合材料，代替原有 PU 材料。箱體的背面布置冷凝器，蒸發(fā)器采用換熱管盤繞在冷 柜箱體內(nèi)形成，其他換熱器及壓縮機(jī)布置在箱體的底部。 冷柜保溫材料的選取 首先根據(jù)產(chǎn)品需要耐受的溫度來選擇相對應(yīng)型號的保溫材料 ， 比如設(shè)備使用的環(huán)境溫度區(qū)間。 其次根據(jù)設(shè)備的形狀來確定使用什么形態(tài)的產(chǎn)品如管，板，卷氈然后根據(jù)使用環(huán)境來確定產(chǎn)品的 其他使用特性例如耐熱氣流沖刷，耐腐蝕，隔熱或者保溫，減震緩沖等材料選用原則經(jīng)濟(jì)耐用保溫材料厚度不是越厚越好有一個(gè)最佳經(jīng)濟(jì)厚度，超出此數(shù)值溫度降低一度厚度可能成倍增長因此選用的材料只要價(jià)格便宜能夠達(dá)到使用要求就好 。 根據(jù)制冷工況，選取傳熱系數(shù)低的保溫材 料不僅可以節(jié)約耗能，而且可以增加箱體內(nèi)的載物容積。為提高隔熱效果，用 VIP+PU（真空隔熱板）代替常規(guī)保溫材料 PU（聚氨酯）。本次設(shè)計(jì)采用的 VIP 板厚度為 40 毫米， 10mm 厚 VIP+30mm厚的 PU 復(fù)合而成，芯材為玻璃棉，外面一層為鋁膜塑料，導(dǎo)熱系數(shù)為 （ ），組裝時(shí) VIP 層在外側(cè)， PU層在內(nèi)側(cè) [13]。 箱體表面結(jié)露校核公式： )( 211 ttkttow??? ? (2— 1) tw箱體外表面溫度，單位為 ℃ t1箱體外空氣溫度，單位為 ℃ 青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 t2箱內(nèi)空氣溫度，單位為 ℃ a1 箱體外空氣對箱體外表面的傳熱系數(shù)，單位為 w/(㎡ .k) a2 箱體內(nèi)空氣對箱體內(nèi)表面的傳熱系數(shù)，單位為 w/(㎡ .k) K 為總的傳熱系數(shù)，單位為 w/(㎡ .k) 按照國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在箱體外表面溫度高于露點(diǎn)溫度下計(jì)算箱體的漏熱量，最后校驗(yàn)絕熱層厚度是否達(dá)標(biāo)。 青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 第 3 章 低溫冷柜的熱負(fù)荷計(jì)算 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，計(jì)算冰箱的熱負(fù)荷其實(shí)很重要，它可以從產(chǎn)品的開發(fā)前期知道產(chǎn)品的性能狀態(tài)，產(chǎn)品的制冷系統(tǒng)匹配、以及產(chǎn)品出現(xiàn)問題后能找到問題的分析點(diǎn)，它與冰 箱的箱體結(jié)構(gòu)、冰箱的內(nèi)容積，箱體絕熱層的厚度和絕熱材料的優(yōu)劣等因素有關(guān)。熱負(fù)荷的計(jì)算的意義涉及到以下幾個(gè)方面 [14]： ① 知道產(chǎn)品未來的性能狀態(tài)； ② 知道產(chǎn)品在不同環(huán)境下的性能狀態(tài)； ③ 事先可以知道產(chǎn)品的耗能水平以及改正后的狀態(tài)； ④ 可以找到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn)、找到改進(jìn)的方 向； ⑤ 可以用最低的成本設(shè)計(jì)產(chǎn)品； ⑥ 縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，提高產(chǎn)品開發(fā)的命中率。 熱負(fù)荷包括：箱體漏熱量 Q1，開門漏熱量 Q2，貨物熱量 Q3，其他熱量 Q4。即 Q=Q1+Q2+Q3+Q4 箱體漏熱量 Q1 箱體漏熱量包括，通過箱體隔熱層的漏熱量 Qa，通過箱門和門封條的漏熱量 Qb，通過箱體結(jié)構(gòu)形成熱橋的漏熱量 Qc。即 Q1=Qa+Qb+Qc 箱體隔熱層的漏熱量 Qa，由于箱體外殼鋼板很薄，而其熱導(dǎo)率 λ 值很大，所以熱阻很小，可忽略不計(jì)。內(nèi)殼多用 ABS 或 HIPS 塑料板真空成形 ，最薄的四周部位只有 。塑料熱阻較大，可將其厚度一起計(jì)入隔熱層，因此箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過程。即 Qa=KA(t1t2） 式中 A… 箱體外表面，單位為 m2。 傳熱系數(shù) K(單位為 W/(m2K )為 青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 21111???? ???K （ 3— 1） α1—— 箱外空氣對箱體外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為 W/(m2K)； α2—— 內(nèi)箱壁表面對箱內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為 W/(m2K)； δ—— 隔熱層厚度，單位為 m； λ—— 隔熱材料的熱導(dǎo)率，單位為 W/(mK)。 設(shè)通過箱門與門封條進(jìn)入的漏熱量 Qb，以為其很難計(jì)算，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取 Qb 為 Qa 的 15％。 箱體結(jié)構(gòu)部件形成橋熱的漏熱量 Qc，因?yàn)槟壳安捎镁郯滨グl(fā)泡成型隔熱結(jié)構(gòu)的箱體，無支撐架形成的冷橋，因此 Qc 值可不計(jì)算。 設(shè)定箱體外環(huán)境溫度為 18℃ ，傳熱溫差 78℃ ?？紤]到本次設(shè)計(jì)冷凝器布置在箱體背面，所以空氣溫度高于環(huán)境溫度，暫定為 40℃ [15]。 傳 熱系數(shù)的計(jì)算根據(jù)公式（ 3— 1） 計(jì)算時(shí)箱外空氣對箱體外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) α1 取 11W/(m2K),箱內(nèi)壁表面對箱內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) α2 取 (m2K)，隔熱層材料的熱導(dǎo)率 λ 取(mK)[15]。厚度為 40mm。 計(jì)算得 K= 箱體總的漏熱量即為冷柜六個(gè)面的漏熱量之和，分別為頂面、側(cè)面、背面、門體、底面，表 31 為各個(gè)面的漏熱量。 冷柜各面的熱負(fù)荷 表 31 負(fù)荷計(jì)算 頂面 側(cè)面 背面 門體 底面 傳熱面積 ㎡ ㎡ ㎡ ㎡ ㎡ 傳熱系數(shù) 傳熱溫差 78℃ 78℃ 100℃ 78℃ 78℃ 傳熱量 計(jì)算得出總的箱體隔熱層漏熱量為 WQ a ?????? 青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 W ab 9 1 %15 ??? 總的箱體漏熱量： WQ ? 開門漏熱量 Q2 因開門漏熱量計(jì)算很復(fù)雜，且不精確，所以一般引用經(jīng)驗(yàn)公式 [16]： nB hnQ???? （ 3— 2） B? 表示箱內(nèi)容積，計(jì)算約等于 179。； n 為開門次數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為 2 次 /每小時(shí)； h? 為進(jìn)入箱體空氣達(dá)到規(guī)定溫度的比焓差單位 kj/kg；空氣在 60℃ 可視為干空氣，計(jì)算焓值 h= Cp 取 (kg.℃ ） h? = ℃30h ℃60?h =82kj/kg （ )=n? 表示空氣的比體積，單位為 m179。/kg 取 B? 為 179。/kg； 計(jì)算得 Q2= 貨物熱量 Q3 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 [16] 213 ? ??? tcmrmctmQ hccc （ 3— 3） 在這里以水為貨物為例計(jì)算： m 為水的質(zhì)量單位為 kg，按 5%計(jì)算； c 為水的比熱 容，為 () r 為水的凝固熱，為 335kj/kg hc 為冰的比熱容， 2kj/ 1t ， 2t 為水的初始溫度和凍結(jié)溫度，單位為 ℃ 青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 計(jì)算得 Q3= 其它熱量 Q4 這里所說的其他熱量，是指箱內(nèi)照明燈、各種加熱器、冷卻風(fēng) 扇電機(jī)的散發(fā)熱量，可將其電耗功率折算熱量計(jì)入。另外，還要考慮開門時(shí)漏入的熱量，因此，在冷柜箱體熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)，為了安全起見一般還增加 10~15%的余度，即以~ 的熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按總熱負(fù)荷 10%計(jì)算， Q4=Q10% 總的負(fù)荷 4321 Q ???? 計(jì)算得 Q= 74W 箱體外表面凝露校核 表面溫度應(yīng)該校核冷柜的絕熱層的最薄處，假定絕熱層均勻，厚度均為40mm，計(jì)算時(shí)取冷柜外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 11W/(㎡ .K）， 傳熱系數(shù) K 為 ，環(huán)境溫度為 18℃ ，箱內(nèi)溫度為 60℃ ，則外表面溫度為 )(211 ttkttow??? ? (3— 4） =18 （ 18+60） =℃ 在環(huán)境溫度為 18℃ 的情況下查空氣的焓濕圖得其露點(diǎn)溫度為 13℃ ，由此可知，冷柜的表面溫度大于環(huán)境溫度的露點(diǎn)溫度，所以不會結(jié)露 [16]。 青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 第 4 章 熱力計(jì)算及各換熱器的設(shè) 計(jì) 混合制冷劑的選用 從自復(fù)疊式制冷循環(huán)工作過程看出，低溫部分節(jié)流后的制冷劑流量直接影響到制冷量的大小。高溫部分的制冷劑流量雖然不直接影響制冷量，但是其流量和溫度直接影響低溫部分的制冷能力，因此，選取合適的混合工質(zhì)將變得非常重要。在選取工質(zhì)組分時(shí)，要綜合考慮到以下幾點(diǎn)： 此次設(shè)計(jì)選用 R22/R23 為混合工質(zhì)，此混合工質(zhì)有以下優(yōu)點(diǎn) [17] 1 該混合工質(zhì)凝固點(diǎn)低，粘度和密度小，傳熱系數(shù)大； 2 組合制冷工質(zhì)要相溶但不共沸； 3 選取的制冷劑沸點(diǎn)差大，符合選取 40℃ ~80℃ 的溫差； 4 根 據(jù)環(huán)保 原則，選取的制冷劑盡量不能有害于環(huán)境 ； 系統(tǒng)形式和重要參數(shù)的確定 低溫冷柜制冷系統(tǒng)形式的確定 ，本次設(shè)計(jì)采用自復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。相比較一般的自復(fù)疊式制冷，在氣液分離器的上方加了一個(gè)熱交換器，其功能同回?zé)崞黝愃?，可以提高循環(huán)效率。另外一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是兩種工質(zhì)在蒸發(fā)冷凝器前混合，增大了熱交換流量，降低傳熱溫差，循環(huán)效率得到了提高。 下圖 41 即為本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)示意圖。 青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 圖 41 A— 壓縮機(jī) B— 冷凝器 C— 氣液分離器 D— 換熱器 E— 冷凝蒸發(fā)器 F— 節(jié)流裝置 I G— 節(jié)流 裝置 II H— 蒸發(fā)器 工作循環(huán)過程簡介： R22/ R23 混合工質(zhì)從壓縮機(jī) A 排出 , 在冷凝器 B 中被部分冷凝 。 由于制冷劑 R2 R23 的沸點(diǎn)不同 , 在冷凝器中大部分高沸點(diǎn)組分R22 被冷凝成液體 , 制冷劑中大部分低沸點(diǎn)組分 R23 仍然為蒸氣 ,混合 制 冷劑進(jìn)入氣液分離器 C 中。在氣液分離器中 , 由于氣液分離器的截面積比管路的截面積大得多 , 致使制冷劑流速驟降 , 在減速和轉(zhuǎn)向的雙重作用下 , 制冷劑分為 R23 含量少的液體和 R23 含量多的蒸氣 , 其中制冷劑液體部分經(jīng)過節(jié)流裝置 Ⅰ 后 , 與從蒸發(fā)器出來 的溫度較低的蒸氣混合進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器 E 并和主要成分為 R23 的蒸氣部分進(jìn)行熱交換。主要成分為 R23 的蒸氣被冷凝為液體后 , 經(jīng)節(jié)流裝置Ⅱ 進(jìn)入蒸發(fā)器 H 進(jìn)行蒸發(fā)制冷。最后 , 從蒸發(fā)器出來的低沸點(diǎn)組分從節(jié)流裝置Ⅰ 出來的高沸點(diǎn)組分混合后進(jìn)入壓縮機(jī) , 從而完成整個(gè)循環(huán)。 冷凝溫度的確定 [18] 冷凝溫度一般取決于冷卻介質(zhì)的溫度以及冷凝器中冷卻介質(zhì)與制冷劑的傳熱溫差，傳熱溫差與冷凝器的冷卻方式和結(jié)構(gòu)型式有關(guān)。一般設(shè)計(jì)采用空氣自然對流冷卻方式，制冷劑的冷凝溫度等于外界空氣溫度 (即環(huán)境溫度 )加上冷凝傳熱青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 溫差。冷凝 傳熱溫差靠一般取 10～ 20 ℃ ，冷凝器的傳熱性能好，可適當(dāng)取小的數(shù)值，例如采用風(fēng)速為 2～ 3m／ s 的風(fēng)冷卻時(shí)，傳熱溫差 △ K 值可取 8～ 12℃ 。本次設(shè)計(jì)選取冷凝溫度為 40℃ 。 蒸發(fā)溫度的確定 [18] 蒸發(fā)溫度一般取決于被冷卻物體的溫度以及蒸發(fā)器中制冷劑與被冷卻物體的傳熱溫差。電冰箱的蒸發(fā)溫度等于箱內(nèi)溫度減去傳熱溫差，一般傳熱溫差以取5～ 10℃ ，如采用風(fēng)冷卻式（間冷式）時(shí)傳熱溫差可取 5℃ ，箱內(nèi)溫度一般參照星級要求選取。因此次設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度定位 65℃ 。 回氣溫度的確定 回氣溫度 (即過熱溫度 )取決于 蒸氣離開蒸發(fā)器時(shí)的狀態(tài)和回氣管的長度。普通冰箱采用全封閉壓縮機(jī)，一般以進(jìn)入殼體的狀態(tài)為吸氣狀態(tài)，可根據(jù)壓縮機(jī)標(biāo)定的工況選取，該值越低對壓縮機(jī)運(yùn)行越有利。一般回氣溫度要小于或等于環(huán)境溫度，即進(jìn)入壓縮機(jī)前的回氣管溫用手摸一般有涼的感覺，或者有微微凝露，但不應(yīng)該有結(jié)霜。因本次設(shè)計(jì)是低溫制冷，采用混合工質(zhì)，回氣溫度跟出蒸發(fā)器溫度有關(guān)，設(shè)定為 10℃ 。 系統(tǒng)個(gè)點(diǎn)參數(shù) 在制冷循環(huán)中，制冷劑的充注量和充注比對制冷系統(tǒng)影響很大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定 R23 的充注量為 30%，系統(tǒng)個(gè)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)確定取自 R22/R23 混合工質(zhì)狀態(tài) 含有一定量的 R23 的 R23/R22 的混合工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)。經(jīng)壓縮和油分離器，制冷劑蒸氣在水冷冷凝器中冷卻。然后大量的 R134a 冷凝成液體，而大部分的 R23 制冷劑還是保持氣態(tài)。含有大量的 R23 制冷蒸氣從冷凝器的頂部進(jìn)入熱交換器，然后被更低壓力的蒸氣進(jìn)一步冷卻，最后進(jìn)入到氣液分離器，混合制冷劑被自動分離。同時(shí)，富含 R134a 的液體制冷劑部分通過冷凝器的底部出口進(jìn)入到氣液分離器。然后在氣液分離器中混合制冷劑達(dá)到平衡。蒸氣部分從氣液分離器的上部進(jìn)入到蒸發(fā)冷凝器中。液體部分首先進(jìn)入到 熱交換器進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，在通過干燥 過濾器，最后同樣進(jìn)入到蒸發(fā)冷凝器中膨脹到一個(gè)低壓狀態(tài)。在這種方式下，在蒸發(fā)冷凝器中富含 R22 的液體制冷劑部分吸收熱量來冷卻另一邊的