1、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：不同的市场和不同的能耗要求；产品的不同风格和设计特点；市场对发泡料的限制条件；产品成本的综合对比选择；产品的市场要求:全球性、区
2、域性、特殊客户；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：5 0 年代以前主要是厚壁箱体(厚度为 6065mm)；60 年代是
3、薄壁箱体(厚度 303 5mm)；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 4045mm)，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2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 67 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
4、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0.1m 0.072m 0.072m 0.053m 0.05m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0.05m 0.053m 0.053m 0.053m 0.05m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
5、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：(3-1)（改 a1)(210taktw式中：3tw箱体外表面温度，单位为；tl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 190.5和 270.5。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12)(AQtw式中：twl箱外壁温度
6、，单位为；tw2箱内壁温度，单位为；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 =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。4设计：1、箱体保温层采
7、用硬质聚氨酯泡沫。2、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 32 C，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.10.15ms 时， 1可取 3.511.6W/(m2K)；箱内空气为自然对流(直冷式
8、)时， 2可取0.61.2W/(m2K)；双门双温问冷式电冰箱，由于箱内风速较大，其 2可取5l723W(m2K)。这里选取室内 2=0.8 W/(m2K)，隔热层绝热系数 0.02 W/(mK)，室外对流换热系数 1取 11W/(m2K)，则=0.26 W/(m2K)21K则外表面温度8.30)12(6.03)(21 taktw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 =31.4)532(16.0)(21taktw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
9、，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：知道产品的未来的性能状态；知道产品在不同环境中的性能状态；事先可以初步知道产品的能耗水平以及改进后的状态；可以找到产品设计中的缺点、找到改进的方向；可以用最低成本设计产品；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
10、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 (64)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 (65)(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 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) (66)式中 A-箱体外表面，单位为 m2
11、。传热系数 K(单位为 W(m 2K)为721K式中 1箱外空气对箱体外表面的表面传热系数，单位为 W(m2K)； 2内箱壁表面对箱内空气的表面传热系数，单位为 W(m2K)；隔热层厚度，单位为 m；隔热材料的热导率，单位为 W(mK)。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
12、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 1015%的余度，即以 1.11.15Q 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
13、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8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。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Ms Office 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
14、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 1取 11W(m2K),箱内壁表面对箱内空气的表面传热系数 2取 0.8W(m2K)，隔热层材料的热导率 取 0.0 2W(mK)。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/m2 0.2651 0.6276 0.2842 0.2842 0.2651传热系数 0.260 0.202 0.202 0.260 0.202传热温差/ 23.0000
15、50.0000 50.0000 50.0000 50.0000传热量 Q/W 1.5874 6.3507 2.8760 3.6996 2.6826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=0.1517.2=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=19.81.15=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 9冷藏室各传热表面的传热计算如表 7 所示。
16、表 7 冷藏室负荷计算 顶面 侧面 背面 门体 底面面积 A/m2 0.2651 0.7249 0.3283 0.3283 0.2651传热系数 0.260 0.251 0.251 0.251 0.260传热温差/ 27.0000 27.0000 27.0000 27.0000 -23.0000传热量 Q/W 1.8635 4.9045 2.2211 2.2211 -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=0.159.6=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
17、热，加上 15%的余量，因此，冷藏室的热负荷QR=111.15=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；10Tig， Tg3柜内侧玻璃表面温度，K；Tog， Tg2柜外侧玻璃表面温度， K； 辐射黑度；dg玻璃厚度，m；da玻璃夹层厚度，m； g玻璃导热系数，w/mk； a玻璃间气体导热系数，w/mk。玻璃门的综合传热系数 K 计算式 1w/mk （1）anjjiRK110柜内侧传热系数 1为： iw/mk （2）)(1(067.5444iigiiigici T式中： 柜内侧对流换热系数，w/m 2k;ic辐射换热系数，w/m 2k。)(1(067.5444iigiiigT柜外侧传热系数 为：ow/m2k （3）)(1(067.5144ogoogoc T式中： 柜外侧对流换热系数，w/m 2k;oc玻璃热阻 R 为：
