【文章內容簡介】 替換原有的聚氨酯泡沫材料，提高保溫效果的同時，也加大了冷柜的儲存空 間。 該低溫冷柜采用自然 復 疊制冷循環(huán)，采用 R22/R23 為混合工質。本文涉及了對各大重要部件的設計計算，包括蒸發(fā)器，冷凝器，蒸發(fā)冷凝器，中間換熱器，節(jié)流裝置的設計計算和壓縮機的選型計算，并且對低溫冷柜系統(tǒng)運行中可能會出現(xiàn)的問題加以改進 。 青島大學本科畢業(yè)論文（設計） 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 箱體結構： 600*500*500（寬 深 高），此次設計保溫層材料采用導熱系數(shù)為 （ ）的 VIP+PU 復合材料，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 柜箱體內形成，其他換熱器及壓縮機布置在箱體的底部。 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型號的保溫材料 ， 比如設備使用的環(huán)境溫度區(qū)間。 其次根據(jù)設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)濟耐用保溫材料厚度不是越厚越好有一個最佳經(jīng)濟厚度，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格便宜能夠達到使用要求就好 。 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）。本次設計采用的 VIP 板厚度為 40 毫米， 10mm 厚 VIP+30mm厚的 PU 復合而成，芯材為玻璃棉，外面一層為鋁膜塑料，導熱系數(shù)為 （ ），組裝時 VIP 層在外側， PU層在內側 [13]。 箱體表面結露校核公式： )( 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 ℃ 青島大學本科畢業(yè)論文（設計） 7 t2箱內空氣溫度，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 箱體內空氣對箱體內表面的傳熱系數(shù)，單位為 w/(㎡ .k) K 為總的傳熱系數(shù)，單位為 w/(㎡ .k) 按照國家標準應在箱體外表面溫度高于露點溫度下計算箱體的漏熱量，最后校驗絕熱層厚度是否達標。 青島大學本科畢業(yè)論文（設計） 8 第 3 章 低溫冷柜的熱負荷計算 在產(chǎn)品設計中，計算冰箱的熱負荷其實很重要，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，它與冰 箱的箱體結構、冰箱的內容積，箱體絕熱層的厚度和絕熱材料的優(yōu)劣等因素有關。熱負荷的計算的意義涉及到以下幾個方面 [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)品設計中的缺點、找到改進的方 向； ⑤ 可以用最低的成本設計產(chǎn)品； ⑥ 縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高產(chǎn)品開發(fā)的命中率。 熱負荷包括：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，通過箱體結構形成熱橋的漏熱量 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，而其熱導率 λ 值很大，所以熱阻很小，可忽略不計。內殼多用 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 青島大學本科畢業(yè)論文（設計） 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—— 內箱壁表面對箱內空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為 W/(m2K)； δ—— 隔熱層厚度，單位為 m； λ—— 隔熱材料的熱導率，單位為 W/(mK)。 設通過箱門與門封條進入的漏熱量 Qb，以為其很難計算，所以根據(jù)經(jīng)驗，取 Qb 為 Qa 的 15％。 箱體結構部件形成橋熱的漏熱量 Qc，因為目前采用聚氨酯發(fā)泡成型隔熱結構的箱體，無支撐架形成的冷橋，因此 Qc 值可不計算。 設定箱體外環(huán)境溫度為 18℃ ，傳熱溫差 78℃ ?？紤]到本次設計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)的計算根據(jù)公式（ 3— 1） 計算時箱外空氣對箱體外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) α1 取 11W/(m2K),箱內壁表面對箱內空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) α2 取 (m2K)，隔熱層材料的熱導率 λ 取(mK)[15]。厚度為 40mm。 計算得 K= 箱體總的漏熱量即為冷柜六個面的漏熱量之和，分別為頂面、側面、背面、門體、底面，表 31 為各個面的漏熱量。 冷柜各面的熱負荷 表 31 負荷計算 頂面 側面 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 計算得出總的箱體隔熱層漏熱量為 WQ a ?????? 青島大學本科畢業(yè)論文（設計） 10 W ab 9 1 %15 ??? 總的箱體漏熱量： WQ ? 開門漏熱量 Q2 因開門漏熱量計算很復雜，且不精確，所以一般引用經(jīng)驗公式 [16]： nB hnQ???? （ 3— 2） B? 表示箱內容積，計算約等于 179。； n 為開門次數(shù)，根據(jù)標準規(guī)定為 2 次 /每小時； h? 為進入箱體空氣達到規(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； 計算得 Q2= 貨物熱量 Q3 根據(jù)經(jīng)驗公式 [16] 213 ? ??? tcmrmctmQ hccc （ 3— 3） 在這里以水為貨物為例計算： m 為水的質量單位為 kg，按 5%計算； 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溫度，單位為 ℃ 青島大學本科畢業(yè)論文（設計） 11 計算得 Q3= 其它熱量 Q4 這里所說的其他熱量，是指箱內照明燈、各種加熱器、冷卻風 扇電機的散發(fā)熱量，可將其電耗功率折算熱量計入。另外，還要考慮開門時漏入的熱量，因此，在冷柜箱體熱負荷計算時，為了安全起見一般還增加 10~15%的余度，即以~ 的熱負荷進行設計。 根據(jù)經(jīng)驗按總熱負荷 10%計算， Q4=Q10% 總的負荷 4321 Q ???? 計算得 Q= 74W 箱體外表面凝露校核 表面溫度應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，計算時取冷柜外表面?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)境溫度的露點溫度，所以不會結露 [16]。 青島大學本科畢業(yè)論文（設計） 12 第 4 章 熱力計算及各換熱器的設 計 混合制冷劑的選用 從自復疊式制冷循環(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將變得非常重要。在選取工質組分時，要綜合考慮到以下幾點： 此次設計選用 R22/R23 為混合工質，此混合工質有以下優(yōu)點 [17] 1 該混合工質凝固點低，粘度和密度小，傳熱系數(shù)大； 2 組合制冷工質要相溶但不共沸； 3 選取的制冷劑沸點差大，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 ，本次設計采用自復疊式制冷系統(tǒng)。相比較一般的自復疊式制冷，在氣液分離器的上方加了一個熱交換器，其功能同回熱器類似，可以提高循環(huán)效率。另外一個創(chuàng)新點是兩種工質在蒸發(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 即為本次設計的系統(tǒng)示意圖。 青島大學本科畢業(yè)論文（設計） 13 圖 41 A— 壓縮機 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 混合工質從壓縮機 A 排出 , 在冷凝器 B 中被部分冷凝 。 由于制冷劑 R2 R23 的沸點不同 , 在冷凝器中大部分高沸點組分R22 被冷凝成液體 , 制冷劑中大部分低沸點組分 R23 仍然為蒸氣 ,混合 制 冷劑進入氣液分離器 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入冷凝蒸發(fā)器 E 并和主要成分為 R23 的蒸氣部分進行熱交換。主要成分為 R23 的蒸氣被冷凝為液體后 , 經(jīng)節(jié)流裝置Ⅱ 進入蒸發(fā)器 H 進行蒸發(fā)制冷。最后 , 從蒸發(fā)器出來的低沸點組分從節(jié)流裝置Ⅰ 出來的高沸點組分混合后進入壓縮機 , 從而完成整個循環(huán)。 冷凝溫度的確定 [18] 冷凝溫度一般取決于冷卻介質的溫度以及冷凝器中冷卻介質與制冷劑的傳熱溫差，傳熱溫差與冷凝器的冷卻方式和結構型式有關。一般設計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本科畢業(yè)論文（設計） 14 溫差。冷凝 傳熱溫差靠一般取 10～ 20 ℃ ，冷凝器的傳熱性能好，可適當取小的數(shù)值，例如采用風速為 2～ 3m／ s 的風冷卻時，傳熱溫差 △ K 值可取 8～ 12℃ 。本次設計選取冷凝溫度為 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)溫度等于箱內溫度減去傳熱溫差，一般傳熱溫差以取5～ 10℃ ，如采用風冷卻式（間冷式）時傳熱溫差可取 5℃ ，箱內溫度一般參照星級要求選取。因此次設計蒸發(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)器時的狀態(tài)和回氣管的長度。普通冰箱采用全封閉壓縮機，一般以進入殼體的狀態(tài)為吸氣狀態(tài)，可根據(jù)壓縮機標定的工況選取，該值越低對壓縮機運行越有利。一般回氣溫度要小于或等于環(huán)境溫度，即進入壓縮機前的回氣管溫用手摸一般有涼的感覺，或者有微微凝露，但不應該有結霜。因本次設計是低溫制冷，采用混合工質，回氣溫度跟出蒸發(fā)器溫度有關，設定為 10℃ 。 系統(tǒng)個點參數(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)驗設定 R23 的充注量為 30%，系統(tǒng)個狀態(tài)點參數(shù)確定取自 R22/R23 混合工質狀態(tài) 含有一定量的 R23 的 R23/R22 的混合工質進入壓縮機。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入熱交換器，然后被更低壓力的蒸氣進一步冷卻，最后進入到氣液分離器，混合制冷劑被自動分離。同時，富含 R134a 的液體制冷劑部分通過冷凝器的底部出口進入到氣液分離器。然后在氣液分離器中混合制冷劑達到平衡。蒸氣部分從氣液分離器的上部進入到蒸發(fā)冷凝器中。液體部分首先進入到 熱交換器進行進一步冷卻，在通過干燥 過濾器，最后同樣進入到蒸發(fā)冷凝器中膨脹到一個低壓狀態(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