电冰箱的设计.doc

前言通过丝管式冷凝器和平板式蒸发器的优化设计，借助制冷系统压缩机.冷凝器.蒸发器负荷匹配和毛细管制冷机流量匹配，通过提升冷凝器和蒸发器的热交换能力，借助两大换热器（冷凝器和蒸发器）中制冷剂管道的合理布置，从而提高系统制冷量，根据大学四年对制冷原理和制冷系统的学习理解进行了此设计，内容包括冰箱热负荷计算，压缩机选型，冷凝器的设计，蒸发器的设计，毛细管的长度计算等。此设计系统地阐述家用小型冰箱的设计过程和设计内容。 通设计该冰箱的参数如下：有效容积为201L，工质为：R134a，温带型双门；使用条件：冰箱周围环境温度为18，相对湿度。箱内温度：冷冻室温度不高于-18，冷藏室平均温度为4。箱内有效容积：总容积为201L，其中冷冻室为60L，冷藏室为141L，采用上部冷藏室下部冷冻室的方式布置，制冷系统为单级蒸气压缩式制冷系统，冷却方式采用直冷式，冷冻室蒸发器采用平板式，冷藏室蒸发器也采用平板式，冷凝器采用丝管式冷凝器，采用毛细管作为节流元件。1.电冰箱的总体布置1） 使用条件：冰箱周围环境温度ta=18，相对湿度。2） 箱内温度：冷冻室温度不高于-18，冷藏室平均温度tm=43） 箱内有效容积：总容积为201L，其中冷冻室为60L，冷藏室为141L4） 制冷系统为单级蒸气压缩式制冷系统，冷却方式采用直冷式，冷冻室蒸发器采用平板式，冷藏室蒸发器采用平板式，冷凝器采用丝管式冷凝器，采用毛细管作为节流元件。5） 箱体结构：外形尺寸为580mm669mm1479mm(宽深高)绝热层采用聚氨酯发泡。其厚度根据理论计算和冰箱厂的实践经验选取，其值如表所示：1-1冷冻冷藏箱个面的绝热层厚度（mm）箱面顶面侧面背体门体底面冷冻室9393939393冷藏室6060606093箱体结构图选用R134a做工质（1） 润滑油 选用合成的聚酯油作为系统的润滑油。（2） 干燥过滤器 选用XH7型干燥过滤器。2.电冰箱的热负荷2.1冷冻室热负荷冷冻室箱体漏热量 包括箱体隔热层漏热量和门缝条漏热量1）箱体隔热层漏热量 箱外空气对箱体外表面的传热系数=11.3 ，箱内壁表面对箱内空气的传热系数=1.1，隔热层材料的导热系数为=0.023W/(m.k)。有式=KA()A箱体外表面积 单位（）K传热系数 1-2冷冻室箱体各表面的传热量计算值箱面顶面侧面背面门面底面面积A/0.2860.6190.2930.2880.279传热系数K/0.1720.2010.2010.2010.201传热温差/2236463636传热量Q/W1.0824.4792.7092.8042.019箱体的隔热层漏热量为以上各箱面漏热量的总和=(1.082+4.479+2.709+2.084+2.019)W=12.373W2) 通过门与门封条的漏热量=0.15= 0.1512.373W=1.856W冷冻室箱体的漏热量=+=（12.373+1.856）=14.229W（2）冷冻室开门漏热量 电冰箱的冷冻室内容积取0.060，开门次数为每小时一次，空气的比体积=0.9，进入箱内的空气达到规定温度时的降温降湿比焓差值如下式:=h18.75-h-18.100=43-(-16.75) kJ/kg =59.75kJ/kg冷冻室开门漏热量为：=VB.n.h/3.6Va =0.06159.75/3.60.9=1.106W（3） 储物热量 水的初始温度,实冰的温度，水的质量 =600.005=0.300 kg则 =(+)/23.6=(0.34.1925+0.3333-0.32-2)/23.6=18.406W 式中，水的比热容、水的融化热、冰的比热容。其它热负荷不计，则冷冻室的热负荷：=+=(14.229+1.106+18.406)W=33.741W2.2冷藏室热负荷（1）冷藏室箱体的漏热量1)箱体隔热层漏热量 箱外空气对箱体外表面的传热系数=11.0 ，箱内壁表面对箱内空气的传热系数=1.1，隔热层材料的导热系数=0.023W/(m.k)。有式=KA()A箱体外表面积 单位（）K传热系数 1-3冷藏室箱体各表面的传热量计算值箱面顶面侧面背面门面底面面积A/0.3160.4730.4040.4040.316传热系数K/0.2770.2770.2770.2770.172传热温差/14142414-22传热量Q/W1.2253.6682.6861.567-1.196箱体的隔热层漏热量为以上各箱面漏热量的总和=(1.225+3.668+2.686+1.567-1.196)W=7.950W2) 通过门与门封条的漏热量=0.15= 0.157.950W=1.193W冷藏室箱体的漏热量=+=(7.950+1.193)W=9.143W（2）冷藏室开门漏热量 电冰箱的冷冻室内容积取0.141，开门次数为每小时二次，空气的比体积=0.9，进入箱内的空气达到规定温度时的降温降湿比焓差值如下式= h18.75-h4.100=(43-17.2) kJ/kg =25.8 kJ/kg冷藏室开门漏热量为：= VB.n.h/3.6Va =0.141225.8/3.60.9=2.246W（3）储物热量 水的初始温度,实冰的温度，水的质量 =1410.005=0.705kg则 =(+)/23.6=(0.7054.1925+0.705333-0.7052-2)/23.6=42.47W式中，水的比热容、水的融化热、冰的比热容。其它热负荷不计，则冷藏室的热负荷：=+=(9.143+2.246+42.47)W=53.859W电冰箱的总热负荷:Q=1.1(+)=1.1(53.859+33.741)W=96.36W3.箱体外表面凝露校核3.1.冷冻室冷冻室绝热层最薄处在顶面，取箱外空气对箱体外表面的传热系数为11.63，传热系数K值为0.376，环境温度为32，箱内空气温度为-18。则外表面温度在环境温度18，相对湿度75%下查空气的h-d图，其露点温度为12.6，由此可见冷冻室绝热层厚度最薄处的顶表面温度大于露点温度，故不会凝露。二）.冷藏室冷藏室两侧和底面的厚度最薄，取传热系数K值为0.277，环境温度为18，箱内空气温度为4，其余参数与冷冻室校核计算相同。则外表面温度：可见冷藏室底部和两侧都不会凝露。根据计算可知，采用以上所设计的厚度绝热层的冰箱的外表面不会出现凝露现象。4.制冷系统的热力计算参数选取参照下表1-4 （单位）工况参数冷凝温度蒸发温度回气温度过冷温度设计例值40.4-23.318（80）3参数来源=18+22.4环境温度加上冷凝传热温差341x=0x=122k2s2Lgp(kPa)h (kJ/kg)=-18-5.3上箱要求温度减去传热温差蒸气进入压缩机壳体前状态（实际吸入气缸前的过热蒸气）=18-15环境温度减去过冷度电冰箱制冷系统的压焓图如下相关值的计算如表1-5参数名称符号单位参数来源计算值冷凝压力=40.4查热力性质表1.0277蒸发压力=-23.3查热力性质表0.115出蒸发器时饱和蒸气的比焓=-23.3查热力性质表383.27进压缩机前过热蒸气的比焓18查热力性质图423.5进压缩机前过热蒸气的比体积18查热力性质图0.215进入气缸前过热蒸气的比焓80查热力性质图476.0进入气缸前过热蒸气的比体积80查热力性质图0.251排除过热蒸气温度371.89冷凝温度下的过热蒸气比焓=40.4查热力性质表420.4排除过热蒸气比焓=+563.7制冷剂过冷至32时的比焓=40.4查热力性质图230.0毛细管节流前液体比焓（17）=40.4查热力性质图218.0蒸发器入口制冷剂比焓=218.0定熵压缩蒸气比焓值（32）=40.4查热力性质图482.0定熵压缩蒸气比焓值（80）=40.4查热力性质图540循环各性能指标计算如下（1） 单位制冷量 （2） 单位体积制冷量（3）单位等熵压缩功（4）制冷系数（5）单位冷凝热量 （6）制冷剂循环量式中Q电冰箱的总热负荷(7)冷凝器热负荷(8)压缩机实际吸入的过热蒸气量5.压缩机选型及热力计算一）.设计工况下的输气系数参数参见表1-4，其输气系数等于容积系数、压力系数、温度系数和泄露系数的乘积。（1）容积系数=其中相对余隙容积C取0.025，膨胀系数m取1，冷凝压力取1027.7，蒸发压力取115，排气压力损失取0.1，则容积系数：=0.779（2）压力系数其中进气阀的压力损失，其余取值同容积系数，则压力系数：（3）温度系数系数a取1.15，b取0.25，回气热力学温度取353K，冷凝热力学温度取313.4K,蒸发温度取-23.3，压缩机吸入前过热度（4）泄露系数 取0.99 。则输气系数为二）.理论输气量实际输气量为0.628，则三）.压缩机的制冷量四）.压缩机的功率（1）理论功率（2）指示功率式中指示效率上式中的为采用摄氏温度为单的蒸发温度，系数b凭经验取值。则指示率 （3） 摩擦功率其中取为平均摩擦压力，取0.65，为0.685，则摩擦功率（4）压缩机的轴功率=+=(46+12.4)W=58.4W(5) 电功率和电动机效率=/取=0.82，则=71.22W根据以上求取的压缩机理论输气量、压缩机制冷量、电功率等参数，参照按R134a制冷工质设计的压缩机有关规格参数表，选择意大利生产的低回压R134a冰箱压缩机，型号为PB9，额定制冷量98W,电源电压220/240V、50HZ。6.冷凝器的设计冷凝器采用丝管式冷凝器，冷凝管采用复合钢管（邦笛管），钢丝直径，管间距钢丝间距。冷凝器的总热负荷值在热力计算中已经求得为173.83W，冷凝温度为40.4，压缩机机壳出口制冷机蒸汽温度可假设为80，箱体底部化霜水盘中，不设预冷盘管，设置旁门框防露管，制冷剂出防露管的温度为18空气温度为18 。 一）.过热段及饱和段热负荷查制冷剂R134a的热力性指表，运用线性插值法可求得过热蒸气比焓。当温度，压力p=1027.7KPa时，比焓；同时查热力性指表也能查得，压力p=1027.7KPa时的饱和蒸气比焓和t=18似的过冷液体比焓。过热段热负荷占总热负荷的百分数：现取防露管中放出的热量占总热负荷热40%，而过热段热负荷占总热负荷的，则饱和段热负荷占总热负荷的41.54% 。根据冷凝器总热负荷值可求得过热段热负荷，饱和段的热负荷 。二）.过热段和饱和段的传热温差（1）过热段的传热温差（2）饱和段的传热温差三）.自然对流表面传热系数式中 空气的热导率，单位W/(m.K)； 当量直径，单位（m）； 空气的普朗特数； 空气的格拉晓夫数。（1）过热段的自然对流表面传热系数 过热段的定性温度，空气的热导率查表得t=40时，；t=30时，；用线性内插法得t=37.45时，。空气的普朗特数=0.698，空气的格拉晓夫数：式中 g重力加速度，g=9.81 空气的体积膨胀系数， 对数平均温差，=38.89 空气的运动粘度，t=37.45时， 当量直径，单位（m）； 肋效率，对冰箱用丝管式冷凝器，取=0.85。则空气的格拉晓夫数 过热段对流表面传热系数（2）饱和段对流表面传热系数 饱和段的定性温度=（40.4+18）/2=29.2，查表由内插法得空气的热导率，空气的普朗特数=0.699，空气的运动粘度，空气的格拉晓夫数饱和段对流表面传热系数四）.辐射传热系数式中 黑度，黑漆=0.97； 壁面的平均热力学温度，单位K； 空气的热力学温度，单位K； 传热温差，单位 。（1）过热段的辐射传热系数 过热段壁温不是定值，现取，而=18。则过热段的辐射传热系数（2）饱和段的辐射传热系数 饱和段的壁面温度，其余参数同过热段。则饱和段的辐射传热系数五）.冷凝器传热面积A(1)冷凝器过热段传热面积式中 （单位 ）为过热段传热面积，过热段自然对流传热系数，过热段的辐射传热系数，过热段的传热温差=38.89，过热段的热负荷=32.09W，其中为表面效率：式中 每米管长管面的面积，=0.005； 每米管长上钢丝的外表面积。则表面效率 过热段的传热面积（2）冷凝器饱和段传热面积饱和段的传热面积（单位），饱和段自然对流表面传热系数，饱和段的辐射传热系数，饱和段的传热温差=22.4，饱和段的热负荷=72.2W，表面效率=0.85，则所以冷凝器的传热面积六）.冷凝器整体尺寸丝管式冷凝器的冷凝管长度L(m)由于冷凝器的积灰以及水平排数增加时传热系数减小，所以设计值比理论计算大，取设计值比理论值大40%冷凝器的设计面；， 。则：取冷凝器的有效宽度，则冷凝器冷凝管水平根数，制冷剂从同一侧进出，取N=15根。每根的实际长度。冷凝器的的高度，冷凝器钢丝焊接时两头个露出0.01m。则冷凝器的实际高度 。 7.蒸发器的设计一）.冷冻室蒸发器 本设计采用平板式蒸发器，是一种自然对流空气冷却是蒸发器，由蒸发板.蒸发管.板孔等构成，蒸发板为铝板，采用将蒸发管紧紧毂在蒸发板上的方式再打板孔增加空气的自然对流。（1）制冷剂在管内的表面传热数 （当制冷剂工质位R12时） 式中 每根管内制冷剂的流量，单位 kg/s；g制冷剂的质量流量，单位 ；B于制冷剂种类和蒸发温度有关，为-23.3时，B=0.9523；热流量，单位为蒸发管内径，单位 mm, =6mm 。 制冷剂在管内的温度，而冷冻室内的平均温度热流量；式中 冷冻室热负荷，单位为W； L冷冻室蒸发器长度，对于本设计蒸发管长度为6.84m。则热流量为制冷剂的循环量为2.098 kg/h，化为质量流量当制冷剂为R12时，在管内沸腾的表面传热系数为采用R134a制冷剂时在管内沸腾的表面传热系数比R12高35%45%，取42%，则 （2）平板式蒸发器空气表面传热系数平板式蒸发器空气侧表面传热系数：式中 A沿高度方向管排的修正系数，此设计蒸发器为三层搁架形式，查表可得A=1.168； 冷冻室空气的平均温度为-18； 板管式蒸发器内R134a的蒸发温度为-23.3； 管外径，单位为mm, =6.5mm 。则平板式蒸发器空气侧传热系数在冷却排管外表面对空气的换热过程中，自然对流的表面传热系数较小（一般1小于10），因此辐射换热相对来说不可忽略，空气侧的表面辐射换热系数 ：式中 冷冻室空气平均温度（单位K），；蒸发器管子表面温度，因为蒸发器的管壁很薄，则内外表面温差不大，管子的外表面温度可视为与蒸发器管内的R134a的蒸发温度相同， 。 C辐射系数，对于结霜表面去则气侧的表面辐射换热系数 空气侧的传热系数式中 空气侧的表面传热系数和辐射传热系数，单位（）。 曝光系数，对于平板可取1.0 。 析湿系数，取1.167则空气侧的传热系数（3）冷冻室蒸发器的传热系数 冷冻室蒸发器管内表面传热系数，空气侧的表面传热系数。空气侧的传热系数远小于制冷剂侧的传热系数，因此式中 考虑管内阻和管外霜层的修正系数。=0.80.9 翅片管的表面效率。取=0.98则（4）冷冻室蒸发器的传热面积A冷冻室热负荷33.741W,蒸发温度为-23.3冷冻室温度为-18 。电冰箱总体布置中冷冻室内传热面长度为394mm，深度为483mm，故实际的传热面积： 冷冻室传热面积的实际设计值大于冷冻室传热面积计算值，满足设计要求。二）.冷藏室蒸发器： 本设计采用平板式蒸发器，是一种自然对流空气冷却是蒸发器，设计为多回弯式。回弯为10次总长度为5.8m。（1）制冷剂在管内的表面传热数 （当制冷剂工质位R12时） 式中 每根管内制冷剂的流量，单位 kg/s；g制冷剂的质量流量，单位 ；B于制冷剂种类和蒸发温度有关，为-23.3时，B=0.9523；热流量，单位为蒸发管内径，单位 mm, =6mm 。 制冷剂在管内的温度，而冷藏室内的平均温度热流量；式中 冷冻室热负荷，单位为W； L冷冻室蒸发器长度，对于本设计蒸发管长度为5.8m。则热流量为制冷剂的循环量为2.098 kg/h，化为质量流量当制冷剂为R12时，在管内沸腾的表面传热系数为采用R134a制冷剂时在管内沸腾的表面传热系数比R12高35%45%，取42%，则 （2）平板蒸发器空气表面传热系数平板式蒸发器空气侧表面传热系数式中 A沿高度方向管排的修正系数，此设计蒸发器为回弯形式，查表可得A=1.45； 冷藏室空气的平均温度为4； 板管式蒸发器内R134a的蒸发温度为-23.3； 管外径，单位为mm, =6.5mm 。则平板蒸发器空气侧传热系数在冷却排管外表面对空气的换热过程中，自然对流的表面传热系数较小（一般1小于10），因此辐射换热相对来说不可忽略，空气侧的表面辐射换热系数 式中 冷藏室空气平均温度（单位K），；蒸发器管子表面温度，因为蒸发器的管壁很薄，则内外表面温差不大，管子的外表面温度可视为与蒸发器管内的R134a的蒸发温度相同， 。 C辐射系数，对于结霜表面去则气侧的表面辐射换热系数 空气侧的传热系数式中 空气侧的表面传热系数和辐射传热系数，单位（）。 曝光系数，对于平板可取1.0 。 析湿系数，取1.167则空气侧的传热系数（3）冷藏室蒸发器的传热系数 冷藏室蒸发器管内表面传热系数，空气侧的表面传热系数。空气侧的传热系数远小于制冷剂侧的传热系数，因此式中 考虑管内阻和管外霜层的修正系数。=0.80.9 翅片管的表面效率。取=0.98则（4）冷藏室蒸发器的传热面积A冷冻室热负荷53.859W,蒸发温度为-23.3冷藏室温度为4 。电冰箱总体布置中冷藏室内传热面长度为700mm，宽度为549mm，故实际的传热面积： 冷冻室传热面积的实际设计值大于冷冻室传热面积计算值，满足设计要求。8.毛细管长度的计算采用R12做制冷剂时压力差；查其饱和状态下的热力性质白表，温度对液体比体积的的影响不大，取温度为冷凝温度与蒸发温度的平均值，即，查得液体比体积蒸汽比体积，取干度。则平均比体积 其密度 下液体粘度，而气体粘度，则平均粘度。已知制冷工致循环量，选用内径0.65mm的毛细管，则制冷工质的流速:雷诺数值为则毛细管长度当采用R134a做制冷剂时其流量约减小10%20%，所以毛细管的长度需增加，取毛细管的长度增加20%，则毛细管的长度为：9.盘管总阻力计算乌越邦和等的试验表明，在其他条件相同的条件下，R134a在管内的流动阻力比R12要高出百分之十1）.R134a在冷冻室蒸发器内的流动阻力：= =0.187kp由于在蒸发温度-23.3时R134a的饱和压力为112.897KPa,故流动阻力损失仅占饱和压力的1.5%，因此流动阻力引起的蒸发温度的变化可忽略不计。2）.R134a在冷藏室蒸发器内的流动阻力：= =0.2816kp由于在蒸发温度4时R134a的饱和压力为337.66KPa,故流动阻力损失仅占饱和压力的1.5%，因此流动阻力引起的蒸发温度的变化可忽略不计。3. .R134a在冷凝器内的流动阻力： = =0.356kp由于在蒸发温度40.4时R134a的饱和压力为1027.7KPa,故流动阻力损失仅占饱和压力的0.323%，因此流动阻力引起的蒸发温度的变化可忽略不计所以可以求得盘管的总阻力：= =0.8338kp10.控制电路设计电冰箱内温度的高低是随蒸发器表面温度的高低变化的，箱温和蒸发器温度存在一定关系，所以只要控制蒸发器表面温度就可以控制箱温。可以通过控制冷系统制冷量的大小或控制压缩机的开停时间实现蒸发器表面温度的控制。采用毛细管节流时，其制冷量是不可调节的，所以本设计采用温控器来实现对压缩机开停时间的控制。温控器安装在冷藏室内，用来控制冷藏室蒸发器的表面温度。毛细管节流后制冷剂先进入冷藏室蒸发器，再进入冷冻室蒸发器，而冷藏室蒸发器管路有比较短，其容积也小，故制冷剂的蒸发温度与制冷剂先进入冷冻室蒸发器，再进入冷藏室着蒸发器的制冷系统比较，它受外界条件和冷冻室负荷的影响较小，冷藏室蒸发器表面温度波动也小一些，所以温控器开停温度的范围也可小一些，根据一上设计要温控器选取B-201普通型温控器。控制电路图如下：1-启动过电流保护器 2-照明灯 3-冷藏室补偿加热器 4-温度控制器5-化霜停止开关6-化霜加热器 7-指示灯限流电阻 8-化霜时间继电器9-指示氖灯 10-保护电阻 11-化霜温