3-电冰箱系统设计

13冰箱制冷系统设计冰箱制冷系统的设计基本思路和顺序是：先根据要求确定箱体尺寸，然后根据箱体尺寸确定热负荷，根据热负荷和其他发热元件可以确定冰箱的基本能耗，并依次确定压缩机，同时可以确定蒸发器和冷凝器两大主要传热设备，最后才是确定节流元件和制冷剂充注量。当然，计算设计不可能是很准确的，最后还需要通过试验和不断的调试来使系统运行达到最优化。3.1保温层设计3.1.1保温层设计方法冰箱保温层厚度是设计的重点，关键是产品的成本与性能，而保温层的设计需要考虑的因素包括：①不同的市场和不同的能耗要求；②产品的不同风格和设计特点；③市场对发泡料的限制条件；④产品成本的综合对比选择；⑤产品的市场要求:全球性、区域性、特殊客户；⑥产品的未来发展考虑。冰箱保温层厚度是设计的重点，在设计中总会与不同部门发生冲突，当然要求的厚度越薄越好，这样成本低，容积大，但由于技术的能力有限制的，在能耗达到一定的水平时，厚度也不是可以薄到想要的程度，因此在厚度的设计方面存在选择是否合理的问题。目前冰箱箱体都采用硬质聚氨脂整体发泡作绝热层，其绝热性能好，适于流水线大批量生产，发泡后的箱体内外壳被粘接成刚性整体，结构坚固，内外壳厚度可以适当降低，无须对箱体做防潮处理，年久也不会吸湿而使热导率增大。电冰箱绝大多数为立式结构。箱体结构的发展过程，大致分为四个阶段：50年代以前主要是厚壁箱体(厚度为60～65mm)；60年代是薄壁箱体(厚度30～35mm)；70年代是薄壁双温双门；80年代以后世界上趋于采用中等壁厚箱体(厚度为40～45mm)，并以箱背式冷凝器的三门三温或双门双温自然对流冷却(即直冷式)冰箱为主。随着良好隔热性能的隔热材料的应用，箱体壁厚的减薄，箱体重2量进一步减轻并增大了冰箱的内容积。立式冰箱箱体，首先根据内容积确定宽深比例，一般选为正方形或矩形，其比例不超过1：1.3，双侧门柜式箱体的宽深比为1：0.65左右。总体高度以放置稳定和箱内储放食品方便为原则。表6—7给出了电冰箱内容积与外形尺寸范围。表6-7电冰箱内容积和外形尺寸范围设计箱体的绝热层时，可预先参照国内外冰箱的有关资料设定其厚度，如表3-1所示为某冰箱的绝热层厚度。表3-1冰箱的绝热层厚度冷冻室顶层厚度冷冻室顶层厚度冷冻室背面厚度冷冻室门体厚度冷冻室底面厚度0.1m0.072m0.072m0.053m0.05m冷藏室顶层厚度冷藏室侧面厚度冷藏室背面厚度冷藏室门体厚度冷藏室底面厚度0.05m0.053m0.053m0.053m0.05m但采用了其他冰箱的厚度时，需要对厚度进行校核计算，校核的依据就是不能出现凝露。校核计算首先是要计算出箱体表面温度。如果箱体外表面温度tw低于露点温度，则会在箱表面上发生凝露现象，因此箱体表面温度tw必须高于露点温度td，最低限度tw＞0.2℃+td。在达到稳定传热状态后的表面温度tw可以由下式计算：)(2101ttakttw(3-1)（改a1式中：tw—箱体外表面温度，单位为℃；3tl—箱外空气温度，单位为℃；t2—箱内空气温度，单位为℃；a1—箱外空气对箱体外表面的表面传热系数，单位为W/(m2.K)；k—传热系数，单位力W/(m2.K).按照国家标准GB8059.1的规定，电冰箱在进行凝露试验时，规定亚温带型(SN)、温带型(N)和亚热带型(ST)、热带型(T)冰箱的露点温度分别为19℃±0.5℃和27℃±0.5℃。在箱体表面温度高于露点温度的前提下，计算箱体的漏热量Q1，并用下式校验绝热层的厚度121)(AQttww式中：twl—箱外壁温度，单位为℃；tw2—箱内壁温度，单位为℃；λ—热导率，单位为W/(m2.K)，各种绝热层热导率可见；A-传热面积，单位为m2。校验计算所得的厚度在设定厚度的基础上，进行修正，反复计算，直到合理为止。3.1.2保温层设计案例某冰箱设计要求：（1）使用环境条件：冰箱周围环境温度ta=32℃,相对湿度φ=75%。（2）箱内温度，采用标准温度，冷藏室温度5℃，冷冻室温度-18℃。（3）箱内容积总168L，冷藏室100L，冷冻室68L，人们的生活习惯是经常用冷藏箱而少用冷冻箱，因此将冷冻箱设置在下层。（4）冰箱制冷方式为直冷，节流元件为毛细管，其他配件根据需要自行配置。设计：1、箱体保温层采用硬质聚氨酯泡沫。42、箱体尺寸参考其他相似尺寸的冰箱确定，相关尺寸和结构如图所示（图中尺寸单位：cm）。3、首先校核这种尺寸选择是否满足凝露条件箱体外表面凝露校核分冷冻室和冷藏室进行。（1）冷冻室凝露校核冷冻室绝热层厚度最薄处在压缩机室处和门侧，由于压缩机散热导致压缩机室内温度高于环境温度一般不会出现凝露，因此，凝露校核计算时选取厚度最小的门侧。凝露校核计算公式为3-1，因此，首先要确定相关参数：环境温度t1为32C，箱内空气温度t2为-18℃。另外，对于相关传热系数的规定：当室内风速为O.1～0.15m／s时，α1可取3.5～11.6W/(m2·K)；箱内空气为自然对流(直冷式)时，α2可取0.6～1.2W/(m2·K)；双门双温问冷式电冰箱，由于箱内风速较大，其α2可取l7～23W／(m2·K)。这里选取室内α2=0.8W/(m2·K)，隔热层绝热系数0.02W/(m·K)，室外对流换热系数α1取11W/(m2·K)，则521111K=0.26W/(m2·K)则外表面温度8.30)1832(1126.032)(2111ttakttw℃高于国家标准GB8059.1的规定的凝露温度。（2）冷藏室凝露校核冷藏室最薄的地方仍然是门侧，因此，计算方法同冷冻室，可计算出外表面温度为)532(1126.032)(2111ttakttw=31.4℃同样高于国家标准规定的凝露温度。一般情况下，如果箱体尺寸参考了市场上产品的尺寸，则一般不存在凝露问题，但最好进行一下凝露校核。63.2冰箱热负荷计算在产品的设计中，计算冰箱的热负荷实际上很重要，它可以从产品的开发前期已经知道产品的性能状态，产品的制冷系统匹配、以及产品出现问题后能找到问题的分析点：①知道产品的未来的性能状态；②知道产品在不同环境中的性能状态；③事先可以初步知道产品的能耗水平以及改进后的状态；④可以找到产品设计中的缺点、找到改进的方向；⑤可以用最低成本设计产品；⑥缩短产品的开发时间，提高产品开发的命中率。3.2.1电冰箱的热负荷计算电冰箱热负荷在冰箱设计中是一个重要参数，它与冰箱的箱体结构、冰箱的内容积，箱体绝热层的厚度和绝热材料的优劣等因素有关。热负荷包括：箱体漏热量Q1、开门漏热量Q2、贮物热量Q3和其它热量Q4。即Q=Q1+Q2+Q3+Q4(6—4)1、箱体漏热量Q1箱体漏热量包括，通过箱体隔热层的漏热量Qa，通过箱门和门封条的漏热量Qb，通过箱体结构形成热桥的漏热量Qc。即Q1=Qa+Qb+Qc(6—5)(1)箱体隔热层的漏热量Qa，由于箱体外壳钢板很薄，而其热导率λ值很大，所以热阻很小，可忽略不计。内壳多用ABS或HIPS塑料板真空成形，最薄的四周部位只有1.0mm。塑料热阻较大，可将其厚度一起计入隔热层，因此箱体的传热可视为单层平壁的传热过程。即Qa=KA(t1-t2)(6．6)式中A…-箱体外表面，单位为m2。传热系数K(单位为W／(m2·K))为721111K式中α1——箱外空气对箱体外表面的表面传热系数，单位为W／(m2·K)；α2——内箱壁表面对箱内空气的表面传热系数，单位为W／(m2·K)；δ——隔热层厚度，单位为m；λ——隔热材料的热导率，单位为W／(m·K)。在进行箱体隔热层捕热量计算时，要注意到冷冻室和冷藏室的隔热层厚度是不一样的，应采用分段计算相加后的Qa值。另外，采用壁板盘管式冷凝器的电冰箱，箱体后壁面的表面温度近似取为冷凝温度tk，也需另外计算该部分漏热量。（2）通过箱门与门封条进入的漏热量Qb由于Qb值很难用计算法计算，一般根据经验数据给出，可取Qb为Qa的15％值。（3）箱体结构部件的漏热量Qc箱体内外壳体之间支撑方法不同，Qc值也不同，因此同样也不易通过公式计算。一般可取Qc值为Qa值的3％左右。目前采用聚氨酯发泡成型隔热结构的箱体，无支撑架形成的冷桥，因此Qc值可不计算。2、其它热量Q。这里所说的其他热量，是指箱内照明灯、各种加热器、冷却风扇电机的散发热量，可将其电耗功率折算热量计入。另外，还要考虑开门时漏入的热量，因此，在电冰箱箱体热负荷计算时，为了安全起见一般还增加10~15%的余度，即以1.1~1.15Q的热负荷进行设计。3.2.2冰箱热负荷计算案例案例一：继续前一节的BCD168L冰箱的设计，计算箱体热负荷。对于冰箱热负荷计算，有的公司将计算分成制冷和不制冷两个阶段分别计算，这也是有道理的。制冷时，压缩机运转，压缩机室温度高于不制冷时，如果冷凝器是背挂式，则箱体背部的外表温度也不同于环境温度，因此，分开计算可以更精确计算。但本书作者经过实验研究表明，这种分开计算提高了设计工作量，对于实际的设计却没有多大的意义，因此，一般不分开计算。8另外，借助于计算软件可以获得高效准确的计算结果，最简单的就是借助MsOffice的Excel电子表格软件进行设计计算，可以获得快速准确的计算结果，并且适用于不同规格的冰箱设计计算。下面分步骤进行热负荷计算。1、冷冻室热负荷QF计算（1）箱体漏热量Q1F一般的冰箱不需要考虑冷桥漏热，因此冷冻室箱体漏热量只包括箱体隔热层漏热量Qa和通过箱门与门封条漏热量Qb两部分。1)箱体隔热层漏热量Qa箱体隔热层漏热量按式(6—6)计算，计算时箱外空气对箱体外表面的表面传热系数α1取11W／(m2·K),箱内壁表面对箱内空气的表面传热系数α2取0.8W／(m2·K)，隔热层材料的热导率λ取0.02W／(m·K)。各传热表面的传热量计算见表6-18。表6-18冷冻室负荷计算顶面侧面背面门体底面面积A/m20.26510.62760.28420.28420.2651传热系数0.2600.2020.2020.2600.202传热温差/℃23.000050.000050.000050.000050.0000传热量Q/W1.58746.35072.87603.69962.6826将上表中各表面的传热量相加即得箱体隔热层漏热量Qa=17.2W。2）通过箱门与门封条漏热量QbQb=0.15Qa=0.15×17.2=2.6W冷冻室箱体漏热量为Q1F=Qa+Qb=17.2+2.6=19.8W考虑到其他漏热，加上15%的余量，因此，冷冻室的热负荷QF=19.8×1.15=22.7W。2、冷藏室热负荷QR计算冷藏室热负荷同冷冻室。（1）冷藏室箱体漏热量Q1R1）箱体隔热层漏热量Qa冷藏室各传热表面的传热计算如表7所示。表7冷藏室负荷计算顶面侧面背面门体底面面积A/m20.26510.72490.32830.32830.26519传热系数0.2600.2510.2510.2510.260传热温差/℃27.000027.000027.000027.0000-23.0000传热量Q/W1.86354.90452.22112.2211-1.5874将上表中各表面的传热量相加即得冷藏室箱体隔热层漏热量Qa=9.6W。2）通过箱门与门封条漏热量QbQb=0.15Qa=0.15×9.6=1.4W冷藏室箱体漏热量为Q1R=Qa+Qb=9.6+1.4=11W考虑到其他漏热，加上15%的余量，因此，冷藏室的热负荷QR=11×1.15=12.7W。电冰箱的总负荷为Q=QF+QR=22.7+12.7=35.4W。案例二：双层玻璃门的传热计算很多冷柜或者冰箱采用的是双层玻璃门，其传热示意图如图1所示。图1双层玻璃门传热示意图图1中的符号名称如下：Ti——柜内温度，[K]；To——环境温度，[K]；Tig，Tg3——柜内侧玻璃表面温度，[K]；Tog，Tg2——柜外侧玻璃表面温度，[K]；ε——辐射黑度；dg——玻璃厚度，[m；10da——玻璃夹层厚度，[m]；λg——玻璃导热系数，[w/m•k]；