家用冰箱制冷系统设计.doc

1、本科毕业设计论文题目BCD450型风冷式家用冰箱制冷系统设计系别机械工程系专业热能与动力工程班级热动104学号学生姓名指导老师2015年6月本科毕业设计（论文）任务书题目BCD450型风冷式家用冰箱制冷系统设计姓名专业热能与动力工程学号1毕业设计（论文）课题的主要任务风冷冰箱具有冷却速度快,制冷量大，适用于大型容积冰箱，温度易调节等优势，且更能满足大众对冰箱的美观程度，使用功能和多元化的要求，使得风冷式冰箱逐渐成为高端冰箱的主流发展方向，被行业公认是冰箱未来发展的必要趋势。相对于直冷式冰箱来说，风冷的最大优点就是不用除霜。而风冷冰箱仍存在耗能高，故障率高的问题。理解并掌握冰箱的一般设计方法，对

2、继续优化冰箱设计以及其构件选择提前打下基础。通过对冰箱的热力计算和热负荷的计算对冰箱的构件进行选型来对冰箱制冷系统优化设计。2课题的具体工作内容（原始数据、技术要求、工作要求）（1）查阅相关文献资料，确定设计方案；（2）撰写开题报告；（3）掌握风冷冰箱的工作原理，主要部件形式；（4）撰写论文的绪论；（5）外文翻译；（6）风冷冰箱的热力计算；（7）计算冰箱的热负荷并对各部件选型；（8）撰写论文。3课题完成后提交的书面材料要求（论文字数，图纸规格、数量，实物样品，外文翻译字数等）本次撰写论文字数为20000字,外文原文及翻译。4主要参考文献1吴业正，韩宝琦，制冷原理及设备M第一版。西安西安交通大学

3、出版社，20102潘坚，程德彬探索冰箱节能技术J家电科技，2007。3肖建军，华泽钊不同循环冰箱的性能比较J制冷技术，20024LORENTZENGREVUVALREFRIGERANTSACOMPLETESOLUTIONTOTHECFC/HCFCPREDICAMENTJINTJREFIG,1995,1831901975YANWM,LIHY,WUYJ,ETALPERFORMANCEOFFINNEDTUBEHEATEXCHANGESOPERATINGUNDERFORSTINGCONDITIONSJINTJMASSTRANSFER,2003,4658718776张献峰冰箱节能技术的设计应用J家电科技

4、，2003。7TOBIHARATPERFORMANCEASSESSMENTOFNATURALFLUIDSFORHEATPUMPSJTRANSJSHRAE,2000,7521118丁国良，张春路，赵力制冷空调新工质M第一版上海上海交通大学出版社，20039华泽钊张华刘宝林，等REFRIGERATIONTECHNOLOGYM科学出版社，北京，200910YUFW,CHANKTMODELINGOFACONDENSERFANCONTROLFORANAIRCOOLEDCENTRIFUGALCHILLERJAPPLIEDENERGY,2007,841111171135要求完成日期年月日指导教师（签名）接受

5、任务日期年月日学生（签名）摘要I摘要为满足人们现代化生活方式的需要,目前家用电冰箱正在向大型化、多功能、多温区、多用途的方向发展。风冷式冰箱以其自动除霜、大容量、多功能等诸多优点而越来越受到消费者的青睐。近年来,国内冰箱生产商开始了风冷冰箱的开发高潮。但大容积风冷冰箱存在控温不准和耗电量高等技术难点,对于风冷冰箱的精确控温和降低耗电量,现在国内的冰箱企业多采用“经验试验”的设计方法。本文在设计风冷冰箱BCD450W的过程中,通过对冰箱进行热交换计算、选用合理的保温层厚度、采用超低热传导系数的中空隔热板保温材料、采用双层密封设等方法降低冰箱的耗电量，采用高效压缩机，合理的优化系统来达到效果。本论

6、文详细的说明了如何设计一台450L的风冷冰箱的步骤和相关的计算方法。例如绝热层厚度的选择、冰箱外壁面的防露校核、制冷系统的热力计算、压缩机的选型、蒸发器和冷凝器的热力计算及毛细管长度的计算等。例如，在箱体热负荷计算过程中，要迅速确定箱体的主要漏热方式及对应的漏热量。而在对于冰箱使用过程所常见的一些故障压缩机不启动，不制冷，不除霜等。我们也需要简单的了解一些，以免不正确的操作影响冰箱的制冷效果。关键词风冷式冰箱，制冷系统，热力设计ABSTRACTIIIABSTRACTTOMEETTHENEEDSOFTHEMODERNLIFESTYLE,HOUSEHOLDREFRIGERATORISEXPECTE

7、DTOBELARGESCALE,MULTIFUNCTION,MULTITEMPERATUREANDMULTIPURPOSEAIRCOOLEDREFRIGERATORWITHITSAUTOMATICDEFROST,LARGECAPACITY,MULTIFUNCTION,ANDMANYOTHERADVANTAGES,MOREANDMOREGETSTHEFAVOUROFCONSUMERSINRECENTYEARS,THEDOMESTICREFRIGERATORMANUFACTURERSKEENONTHEDEVELOPMENTOFAIRCOOLEDREFRIGERATORSBUTLARGECAPACI

8、TYAIRCOOLEDREFRIGERATORHASTHESHORTCOMINGOFINACCURATETEMPERATURECONTROLANDHIGHPOWERCONSUMPTIONTOCONTROLTHETEMPERATUREPRECISELYANDREDUCINGTHEPOWERCONSUMPTION,AIRCOOLEDREFRIGERATORTHEPRECISECONTROLOFMILDLOWERPOWERCONSUMPTION,NOWDOMESTICREFRIGERATORENTERPRISESADOPTTHEDESIGNMETHODOF“EXPERIENCE2组件通过商业CFD软

9、件包分析和III标准化实验。尽管前两个技术组件设计中扮演着重要角色,他们不提供足够的信息组件匹配和系统行为,只有通过测试冰箱在一个受控环境室。然而,这些测试费时又费钱。更快和更少的昂贵的替换方案是使用计算机模型来模拟热,制冷系统的流体动力行为。许多数学模型提出了过去冰箱建模。在最早的研究中,戴维斯和斯科特1结合了一个数学模型来预测稳态组件的行为范围的操作条件,包括单个组件的模型,结合采用基于与一些经验参数获得的数据。简单的模型被用于热交换器的蒸发和冷凝压力被认为是已知的。压缩机模型,另一方面,考虑了缸内压缩和吸力和排出阀压力下降。没有模型为扩张提供设备。几年后,美国能源部DOE赞助的发展家用冰

10、箱的稳态仿真模型,该计划的目的是将被采纳作为参考美国家庭建立能源目标制造商2。根据美国能源部模型,增量的一些研究被执行。首先,艾布拉姆森等。3合并被毛细管行换热器,适应和外文原文及翻译63模型模拟一台双门冰箱“结合”。之后,李维斯等。4改善整体计算换热器的性能使用ENTU方法建模、多项式适合压缩机质量流量和功耗。最近,克莱因等。5提出了一种采用基于模型为模拟230直冷冰箱的稳态行为,由以下组件模型一个自然通风丝管式冷凝器,平板式蒸发器“新制”,毛细管，热管式热交换器、密封往复压缩机和绝缘热层。建立了模型基于质量、动量和能量守恒法律、传热方程,方程的状态工作媒体和经验来自实验数据的相关性。毛细管

11、热管式换热器被导出从一个更复杂的模型通过分数6分析因设计技术,同时压缩机的热量数据被基于曲线。在所有上述研究,模型依赖于可靠的组件级的性能数据,为每个组件测试所需的专用实验设备。在目前的研究中,所需的经验直接通过测试来收集信息的冰箱控制温度和湿度。为了这样做,制冷系统正常,仔细检测,以减少任何对其性能影响。守恒定律是用来建立描述系统行为的控制方程。每一个组件是使用集总方法建模,基于物理原理和使用经验参数（如热转移系数和摩擦因素,调整以适应实验数据，模型与实验数据显示良好的反应来验证运行状况。命名法罗马A面积M2GK整体压缩效率CP比热JKG1K1GV体积效率D的内径毛细管MQ制冷剂密度（KGM

12、2D热交换器盘管的内径MR制冷剂质量分数F摩擦系数下标H比焓JKG1AH压焓图M制冷剂的质量KGA环境L长度MC电容器N压缩机速度S1DIS溶解在压缩机油Q传热速率WE蒸发器QE制冷量WF蒸发器风扇QT热负荷WHX毛细管T换热器R热阻KW1I内部入口T温度KK压缩机UA热导率WK1L饱和液体V比体积M3KG1O外部出口V体积M3OIL油压缩机W功率WSAD饱和W制冷剂质量流率KGS1SUB过冷X蒸汽质量MSUP过热V饱和蒸汽17的制冷剂状态制冷循环西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）64希腊字符A传热系数WK1C空隙率DP压降PAC平均空隙率二实验执行的测试以430型顶部无霜冰箱、组装密

13、封往复式压缩机,一个自然通风丝管冷凝器,没有冰霜的管片式蒸发器。密封系统采用HFC134A工作流体130克和合成油作为润滑剂250毫升。空气温度在生鲜食品的冰箱,厢内温度是由一个温控器控制调节阀控制。冰箱是检测和安装在一个环境室。衣架式热电偶探针都沉浸在制冷剂流道和绝对压力传感器测量不确定性的01的全面安装在7分制冷循环,如图所示图1。互补式质量流量计测量的不确定性003KG/H是安装在压缩机排出口。周围的空气温度测量了五个热电偶放置在冰箱里。冰箱和空气新鲜食品温度测量,分别由三个和六个热电偶放置在这些隔间。所有的衣架式热电偶用于本研究测量的不确定性03C压缩机和风扇能耗监测使用数字功率分析仪

14、测量的不确定性01。112通道系统用于数据收集。测试之前和之后进行执行仪器设置,以检查任何系统性能上的差异。引入系统允许更多的调整来获得所需的信息。一根针计量阀门安装作为一个辅助设备的上游毛细管扩展。最初的固定容量压缩机被可变容量压缩机所取代。墙热循环加分路的,除霜加热器被关闭。热静态机制已被删除的阻尼和孔径一直不断地打开。压缩机和风机的功耗和速度是独立控制和测量。压缩机功耗和速度测量与横河WT230功率分析仪。风机转速是使用红外线加压渗透测量。总共13个变量被研究,7个系统的几何特征和其他六个操作变量。几何特征是不同的，在不同的组合生成的八个不同的系统配置,如表1所示。每个配置测试控制以下六

15、个操作变量I环境温度II压缩机速度III制冷剂容量IV辅助扩张设备开放V风扇转速VI内部加热。共有168个测试进行,大约20为每个配置测试。独立的实验装置是用来测量毛细管内径、内部卷的组件,热层整体热导率。测试条件的范围是压焓图的显示图2。值得注意的这个数据集也可以用于组件分析。三数学模型外文原文及翻译65建模的目的,制冷系统划分为五个组件模型I压缩机、毛细管II换热器,III冷凝器、蒸发器IV,和V冷冻柜。每一个组件模型下面将描述。可以找到更详细的信息在7。31往复压缩机西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）66在大多数往复式压缩机,进入制冷剂先后通过压缩机外壳、吸入消声器和压缩室的吸入

16、阀,它是驱逐通过排出阀排放消声器。压缩机质量流率方程是基于体积8定义的效率,W和N分别是压缩机质量流率KG/S和速度M/S，WNVK/V1V，VK是压缩室体积M3,V1是比容压缩机入口M3KG1压缩机排出焓,H2,得到的总体能量平衡H2H1H2，SH1/KUAK/W（T2TA）压缩功率工作计算如下；WKNVK/V1V/K（H2,SH1压缩机热释放率计算是一个整体，UAK，与排出管线的温差有关,T2,和周围的空气TZ。压缩机体积和总效率值和整体压缩机热导率都是拟合实验数据,产生K10111P2/P11/113000023NK072940001349TA0001428N,UAK15202423P1

17、005459N006742T2TAUAK的单位为WK1，P1和P2PA,TA和T2。C,和NRPM。在图3中,可以看出这组方程预测质量流率的实验数据图3和功耗图3B在10误差范围,和压缩机排气温度图3C5度的偏差）外文原文及翻译6732热交换器冷凝器是一种自然通风丝管式换热器，空气侧旁边的温度被认为是均匀的。冷凝器被划分为三个区域根据制冷剂状态过热、饱和或过冷图4。每个区域的传热速率然后建模NTU方法9。制冷剂在冷凝器出口获得以下能量平衡的传热率计算如下QC,SUPWH3HVWCPNT5TA1EXPUSUP/WCP,VQC,SATWHLVUASATETCTAQC,SUBWH1H4WCP,LTC

18、TA1EXPUASUB/WCP,LP西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）68注意方程受制于整个电容器ACAC,SUPAC,SATAC,SUB。对每个地区,整体热导率得到了来自内部和外部的电导UA1AIAI1OAOA01评估考虑到空气侧旁边电导翅片效率,提出的计算方法施密特10。传热系数是符合的实验数据。制冷传热系数调整为每个地区过热100（W/M2K）饱和1900（W/M2K）低温冷却16W/M2K1而空气侧旁边传热系数被认为是均匀的13WM2K1）。一次由摩擦因素融入上述方程每个区域,但偏差高达50。这可能是由于几个现象不占EQ。9,如两相流模式和管件的弯曲弯曲返回。因此,平均实验价值

19、4KPA采用压降,代表02K温度滑移,影响系统的性能可忽略不计。蒸发器被类似于冷凝器,虽然只有两个区域可以观察，饱和和过热制冷剂图4B。热交换器的流体进入饱和状态，可以退出饱和或过热蒸汽。制冷剂在蒸发器出口从能量平衡如下QE,SATWHVH6UASATTITE,QE,SUPWH7HVWCPVTITE1EXPUASUP/WCPV注意,方程式。10和10B受制于整个冷凝器面积,AEAE,SUPAE,SAT。对于每个地区,整体热导率从EQ8。使用的传热系数蒸发器模型如下空气侧25W/M2K01冷冻剂饱和度1700W/M2K1和制冷剂过热100W/M2K1。此外,平均压降在蒸发器7KPA,代表一个大约

20、15K的蒸发温度。图5显示了蒸发器和冷凝器图5图5B被预测传热速率,一项协议在10,20误差范围可以指出,分别冷凝器和蒸发器。外文原文及翻译6933毛细管丝管式换热器冰箱采用同心毛细管丝管式换热器，在毛细管内放置吸线形成一个逆流换热器,如在图6。在扩张过程中热量从毛细管转移吸力。因此,制冷剂在蒸发器入口质量降低,而吸入行出口温度增加,消除吸线出汗,防止压缩机缓涌。质量流率通过毛细管建模通过一个P型相关,使用一组无量纲参数提出了11。方程系数应用于12所提供的实验数据,再冷却进气条件,在这项研究中获得的数据饱和进气条件下,效率降低图7中可以看出,方程式G,SAT1X4。11A和11B两种预测实验

21、数据存在10误差。当低温冷却或质量接近零,质量流率是由一个决定值之间的线性插值的两个方程。传热在毛细管吸力行换热器确定使用热交换器的有效性,定义如下HXT1T/T5T7有效性是所有实验发现约087数据。此外,吸线被认为是绝热的关系周围的空气,因此,制冷剂所获得的吸线被认为是等于毛细管所释放的热量。制冷剂在蒸发器入口焓从而获得下面的能量平衡如下H6H5H7H1为了避免计算成本高昂以及收敛性问题,毛细管流模型取代了固定低温冷却冷凝器出口的程度。因此,该模型使用后确定毛细管要求直径要求扩大冷凝的制冷剂蒸发压力。西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）70外文原文及翻译7134制冷剂大量库存每个组件

22、的体积是仔细加压气体的原则包含在一个已知的体积被扩展成一个疏散未知的体积。在两相流区域,平均空隙率的定义是用来确定工作流体的平均密度13MSATASATLSATVV1西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）72一些空隙率模型进行了测试13,但是他们都生成一个协议2050与实验制冷剂容量图8，因为这些结果,验证研究是使用固定在蒸发器出口的过热的实验值。当时制冷剂容量计算后验使用空隙率模型引入了HUGHMARK15为了提供制冷剂容量的定性描述的变化对过热的程度。35工作压力需要两个额外的方程来确定蒸发和冷凝压力。一般来说,工作压力从下面得到隐式迭代从以下方程WW0,MMJ0,在W和W0压缩机的制

23、冷剂质量流率放电压和流经毛细管,M是制冷剂的实际费用和MJ是计算数量的制冷剂在每个组件的制冷循环。值得注意的是,方程式。20和B20非线性函数的工作压力,因此他们的解决方案很耗时间和可能会导致收敛性问题。为了复杂性保持在合理水平,这些方程取代的是被强加的过热和低温冷却度，分别在蒸发器和冷凝器。因此,工作压力计算TSATPET7TSUPTSATPETATSUB这个过程不仅消除了收敛性问题，也近似数值分析到设计实践,在毛细管和制冷剂容量调整后强制制冷系统与设计的过热和低温冷却度。外文原文及翻译7336冷藏车厢整体热导率值用于计算的传热率通过内阁墙壁和垫片密封QEQTUACABTITAWF。风机功耗

24、WF变化从75W2500RPM到85W3100RPM所有的测试,因此,假定平均8W的价值。热传递的速度穿过墙壁基于整体热导率计算,UACAB,是安装在反向热泄漏所产生的实验数据测试。这个参数被发现2WK1,它预测了传热实验数据误差在87。37解决方案的算法模块化的格式编写使用特定程序为每个组件模型，并实现了使用以E平台模块化的形式16。每个被例程的主要的输入和输出每个组件的几何特征，压力和焓的组件接口、质量流率和内部和外部空气温度。基本上,能量和动量守恒原则产生了两个方程用于计算为每个组件互连的比焓和压力点。在压缩机排出到设备的压力和吸入的压力从EQS计算。21和21B,毛细管丝管式线制冷剂热

25、交换器提供了一个方程压缩机进气温度。节能原则应用于冷冻柜提供最终方程内部空气温度。这些方程的顺序排列后,得到四个非线性方程和四个未知蒸发和冷凝压力和压缩机进口和内部空气的温度是使用牛西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）74顿迭代法解决了。其他通过连续方程解决迭代组件内的子例程。四结果与论证41模型验证图9显示了一个比较预测和测量值。图9对比预测和衡量内部空气温度和压缩力量作为制冷剂的一个函数，显示的最大偏差25OC和5。图9C显示了一样的独立变量的函数压缩机速度,最大偏差为10C和8W分别观察内部空气温度和压缩机功率。图9显示了相同的独立参数的变化作为作为一个辅助功能扩展阀，偏差450C

26、和9W可以指出，替换为有效内部空气温度和压缩机功率。在所有情况下,测量和预测的值是在一个可以接受的不确定性的范围,数值模型能够预测令人满意的趋势观察实验。外文原文及翻译75西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）7642灵敏度分析验证模型被用来评估冰箱性能假设以下关键条件I系统1表12冰箱空气温度在180C3环境气温320C,4000RPM,IV压缩机速度V辅助设备完全开放扩张。毛细管丝管式换热器效率的影响,和冷凝器连接的数量和蒸发器翅压缩机功耗进行了调查。数值实验进行了维护内部空气温度和蒸发器过热和冷凝器欠火度不变。这些数字的制冷剂容量变化由虚线表示,因为仅仅是说明性的值。图10描绘了毛细

27、管吸线的影响换热器在压缩机功率有效性。可以看出压缩机功率和制冷剂容量减少和效率增加,这是由于减少蒸发器进口和蒸汽的质量,因此,需要一个低数量的制冷剂。实际上,提出有效性的提高可以通过增加换热器长度或减少吸入线直径。图11显示了换热器的翅片表面的影响在压缩机功率。它可以指出,压缩能力减少增加冷凝器表面,虽然所需的制冷剂是保持内部空气温度恒定图11。它也可以指出,传热表面是大大增加,虽然能耗变化仅为5。当蒸发器的数量被改变图11B,不仅是制冷剂也需要调节压缩机的速度以保持内部空气温度不变。另外,值得注意的是渐近减少功耗的增加冷凝器或蒸发器传热表面。图12显示了冰箱在考虑制冷剂,压缩机速度和毛细管内

28、径作为状态变量。这张图显示了一个地区压缩机功率达到一个最佳值。在这个地区,冷凝器和蒸发器完全充电,出口大约处于饱和状态。增加压缩机的速度也会增加成本之间的制冷剂容量带电容器和充电式蒸发器,总是一个点对压缩机功耗。这一结果不仅显示了一个机会几乎最优的设计系统也为实现多变量控制系统的探索这种行为的点。外文原文及翻译77西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）78五结束语本研究的结论可以概括如下1实验冰箱测试在范围广泛的操作条件下进行了测试。13个变量实验评估,导致超过160数据点。制冷剂压力和温度进行了测量在7个地点在制冷循环至少对系统的性能影响。这些数据是必不可少的组件的开发和验证模型2模型质量、能量和动量守恒方程被用作一个组件模型的框架。参数和集总模型也开发和拟合实验数据。主要的经验参数是摩擦因素和传热系数。3数值程序模型中实现E软件。计算机代码是模块化的格式写的,为每个组件使用一个特定的过程。当所有的例程运行程序解决四个非线性方程。该计划预测相对于实测数据和协议的合理水平实现了。4分析一些关键参数对系统性能的影响被确定。在这分析内部的空气温度是常数反映了设计要求。系统状态的地图提供的见解设计和控制程序。这种类型的分析提供了一个现实的洞察系统行为,否则费力和昂贵的进行试验。确认作者感谢该公司德压缩机EMBRACOSA赞助这项研究计划。