小型冷藏柜设计毕业设计论文.docx
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小型冷藏柜设计毕业设计论文
桂林航天工业高等专科学校
毕业设计
论文题目：
小型冷藏柜设计
学生姓名：
学号:
指导老师：
系别：
汽车工程系
专业班别：
完成时间：
目录
摘要…………………………………………………………3
第一章概论……………………………………………………………4
第二章冷藏柜的总体布置……………………………………………5
第三章冷藏柜的热负荷………………………………………………7
第四章箱体外表面的凝露校核………………………………………9
第五章制冷系统循环热力计算………………………………………10
第六章压缩机的选型及热力计算………………………………………13
第七章冷凝器的设计计算………………………………………………15
第八章蒸发器的设计计算………………………………………………21
第九章毛细管的选择计算…………………………………………25
参考文献………………………………………………………………26
致谢………………………………………………………………………26
摘要：
本课程设计综合运用制冷原理、传热学、小型制冷装置设计指导、工程热力学的知识，借用成熟机型的结构，设计一台小型冷藏柜。
关键词：
压缩机蒸发器冷凝器毛细管
Abstract：
Thiscurriculumprojectsynthesisutilizationrefrigerationprinciple,heattransfertheory,thesmallrefrigeratingunitdesigninstruction,engineeringthermodynamics'sknowledge,borrowsthematuretypethestructure,designsasmallfreezer
Keyphrase:
CompressorEvaporatorcondenser
Capillarytube
第一章概论
冷柜是商业和饮食业中使用面较广的商业制冷装置。
通常指那些供商店或食堂服务人员用来短期贮存商品或食品的低温柜或箱。
冷柜可分为冷藏柜和冷冻柜,也可以组合在一起。
冷藏柜的柜内温度通常在0～8℃之间,冷冻柜柜内温度通常在0～-18℃以下,国产冷柜柜内温度也有设计成0～-15℃之间的,而专用型冷柜对柜内温度有不同的要求。
冷柜也可根据需要制成具有冻结能力的冻结冷柜。
根据使用地区的不同可制成两种形式,对使用在温带气候地区的冷柜使用环境温度是12～32℃,相对湿度是40％～85％;对亚热带地区的使用环境温度是18～40℃,相对湿度是40％～80％,这对设计制作冷柜围壁隔热层和融霜系统应有不同的要求。
冷柜的内容积通常在0.4～3m3之间,小于O.4m3的冷柜通常列入家用冷柜,而大于3m3的冷柜通常制成组合冷库形式,便于操作人员贮存食品。
由于要求操作人员在橱柜外面伸手拿取食品,因而冷柜的进深较浅。
冷柜在结构形式上分为两大类：
立式冷柜和卧式冷柜。
立式冷柜和卧式冷柜不但在形式结构上差别较大，而且在功能种类上也不同。
立式冷柜早先在国内由于温度在-lO℃左右且外型类似柜，故简称冷藏柜；而卧式冷柜的外型呈箱式，故早先简称为冷藏箱，用于存取冷食饮料或冷却瓶装饮料，其冷却方式除用空气直接冷却外，也可采用水作为载冷剂间接冷却。
卧式冷柜存贮食品易堆积，不如立式冷柜存取方便，但卧式冷柜的上开门方式使冷量损失较少，结构较立式冷柜简单，价格便宜。
第二章冷藏柜的总体布置
冷藏柜的总体布置是冷藏柜设计的一个重要环节。
本设计的总体布置是以实用、节能为依据。
现根据所提出的任务给出如下设计条件：
1）使用环境条件：
冷藏柜周围环境温度ta=32℃，
相对湿度Ψ=75±5﹪
2）箱内温度：
平均温度为tm=-12℃,
3）箱内有效容积：
总容积为263L
4）制冷系统为单级蒸汽压缩式制冷系统，冷却方式采用直冷，蒸发器为板管式蒸发器，冷凝器采用丝管式冷凝器，采用毛细管作为节流元件。
制冷系统图如下形式，不设置水蒸发加热器。
5）箱体结构：
外形尺寸为1210mm×930mm×630mm（宽×深×高）。
绝热层用聚氨酯发泡，其厚度根据理论计算和冰箱厂的实践经验选取，其值如下表所示，箱体结构图如下所示。
冷藏柜各面的绝热层厚度（mm）
箱面
两侧面
前后面
门体
底面
厚度（mm）
55
55
55
65
6）由于本设计选用R12的代替工质R134a，故在总体布置是还须考虑一下俩方面问题。
①润滑油制冷工质R12中的氯原子有利于润滑，尤其是在高的压力下，氯原子起着良好的润滑作用，而替代工质R134a无氯原子，它与矿物质油难以互溶，前几年曾经选用聚烯氢甘醇（PAG）油与R134a配用，虽然解决了互溶性问题，但是由于聚烯氢甘醇润滑性不好，致使摩擦力增加，造成压缩机的COP下降。
最近对新合成的聚酯油进行了试验，其结果表明，聚酯油不但润滑性比聚烯氢甘醇好，而且具有合适的粘度，低吸湿性等优点，为此本设计选用合成的聚酯油作为系统润滑油。
②干燥过滤器采用R134a替代R12，要取得好的效果，干燥过滤器需要从新选择。
其过滤器内的分子筛品种要根据R134a的直径大小来选配。
因为聚酯类润滑油更容易吸水，故干燥过滤器内分子筛的重量比原来的增大20％左右。
青岛电冰箱厂在试制过程中选用XH7型干燥过滤器替代原XH5型干燥过滤器，使用效果良好，故本设计也选用XH7型干燥过滤器。
箱体结构图
第三章冷藏柜的热负荷
（1）冷藏柜箱体漏热量Q1
1）箱体隔热层漏热量Qa箱体隔热层漏热量按式Qa=KA（t1-t2）计算，计算时箱外空气对箱体外表面的表面传热系数α1取11.3w/（㎡．k），箱内壁表面对箱内空气的表面传热系数α2取1.16w/（㎡．k），隔热层材料的热导率λ取0.03w/（m．k）。
K=1/（1/α1+δ/λ+1/α2）δ为隔热层厚度，各传热表面的传热量计算见下表：
冷藏柜箱体各表面的传热量
箱面
计算值
两侧面
前后面
门体
底面
面积A/㎡
0.67
1.319
0.762
0.762
传热系数Ｋ／Ｗ／（㎡．Ｋ）
0.359
0.359
0.359
0.321
传热温差/℃
44
44
44
55.2
传热量Ｑ／Ｗ
10.583
20.835
12.037
13.502
箱体隔热层漏热量为
Qa=（10.583+20.835+12.037+13.502）W=56.957W
2）通过箱门与门封条漏热量Qb
Qb=0.15Qa=0.15×56.957=8.544W
箱体漏热量为
Q1=Qa+Qb=（56.957+8.544）=65.501W
（2）冷藏柜开门漏热量Q2开门漏热量按公式Q2=（VB×n×△h）/（3.6va）计算。
冷藏柜内容积VB取，开门次数为每小时10次，空气的比体积va为0.9m3/Kg，进入箱内空气达到规定温度时的降温降湿比焓差△h值为
△h=h32℃，75％-h-12℃，100％=〔90-（-8.3）〕KJ/Kg=98.3KJ/Kg
冷藏柜开门漏热量为
Q2=（VB×n×△h）/（3.6va）
=（0.26312×8×98.3）÷（3.6×0.9）=63.863W
（3）贮物热量Q3，贮物热量按Q3=（M×C×t1+M×r-M×Cb×t2）/（2×3.6）计算，水的初始温度t1取25℃，实冰的温度t2取-2℃，水的质量M=263.12×0.005Kg=1.316Kg。
则
Q3=（M×C×t1+M×r-M×Cb×t2）/（2×3.6）W
=〔1.316×4.19×25+1.316×333-1.316×2×（-2）〕÷（2×3.6）W
=（137.851+438.228+5.264）÷7.2
=80.742W
式中M——水的质量，单位为Kg；
C——水的比热容，C=4.19Kj/（Kg.k）
r——水的熔化热,r=333Kj/Kg
Cb——冰的比热容,Cb=2Kj/（Kg.k）。
则冷藏柜的总热负荷为：
Q=1.1（Q1+Q2+Q3）W=65.501+63.863+80.742W=210.106W
第四章箱体外表面的凝露校核
绝热层厚度最薄处在两侧，按式tw=t1-K/α0（t1-t2）计算，
计算时取箱外空气对箱体表面的表面传热系数α0取11.63w/（㎡．k），
传热系数K值为0.359w/（㎡．k），
环境温度t1为32℃，箱内空气温度t2为-12℃，
则外表面温度
tw=t1-K（t1-t2）/α0
=32-0.359×（32+12）÷11.63=30.642℃
在环境温度32℃，相对湿度75％下查空气的h-d图，其露点温度为28.2℃，由此可见，箱体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。
根据以上计算可知，本设计的冷藏柜采用上述绝热层厚度在外表面不会出现凝露现象。
第五章制冷系统循环热力计算
热力参数的计算步骤:
本设计时为便于压缩机选型，故选择压缩机工况，工况列表如下：
工况参数
冷凝温度tk
蒸发温度to
回气温度tG
过冷温度ts
设计例值
54.4℃
-23.3℃
32（80）℃
17℃
参数来源
tk=32+22.4=54.4℃环境温度加上冷凝温度。
to=-12-11.3=-23.3℃箱内温度减去传热温差。
蒸汽进入压缩机壳前的状态，括号值为实际吸入汽缸前的过热蒸汽。
ts=32-15=17℃环境温度减去过冷度
制冷系统压--焓图见下图
并应用R134a的压-焓图、热力性质表及其有关计算公式，现将其设计工况下的有关压力、各点比焓值和过热蒸汽比体积等参数列表如下：
热物性参数列表（工质R134a）
参数名称
符号
单位
参数来源
设计值
冷凝压力
Pk
MPa
tk=54.4℃查热力性质表
1.4696
蒸发压力
Po
MPa
to=-23.3℃查热力性质表
0.115
出蒸发器时饱和蒸汽比焓
h1
KJ/Kg
to=-23.3℃查热力性质表
383.27
进压缩机前过热蒸汽比焓
h1＇
KJ/Kg
32℃查热力性质图
430.0
进压缩机前过热蒸汽比体积
v１＇
m3/Kg
32℃查热力性质图
0.213
进入汽缸前过热蒸汽比焓
h1’’
KJ/Kg
80℃查热力性质图
475.0
进入汽缸前过热蒸汽比体积
v１”
m3/Kg
80℃查热力性质图
0.250
排出过热蒸汽温度
ｔ2ｓ
℃
T2=（Pk/Po）（k-1）/k.（t1’+273）
119.55
冷凝温度下饱和蒸汽比焓
h2
KJ/Kg
tk=54.4℃查热力性质表
424.1
排出过热蒸汽比焓
h2’’
KJ/Kg
h2’’=h1’’+（h2s’-h1’’）/ηi
585.5
制冷剂过热至32℃时比焓
h3
KJ/Kg
tk=54.4℃查热力性质图
244.37
毛细管节流前液体比焓（17℃）
h3’
KJ/Kg
tk=54.4℃查热力性质图
223.06
蒸发器入口制冷剂比焓
h4
KJ/Kg
h4=h3’
223.06
定商压缩蒸汽比焓值（32℃）
h2s
KJ/Kg
tk=54.4℃查热力性质图
499.0
定商压缩蒸汽比焓值（80℃）
h2s’
KJ/Kg
tk=54.4℃查热力性质图
552.8
循环各性能指标计算值如下：
（1）单位制冷量
qo=h1-h4=383.27-223.06KJ/Kg=160.21KJ/Kg
（2）单位体积制冷量
qv=qo/v１＇=（h1-h4）/v１＇=160.21÷0.213KJ/m3
=752.16KJ/m3
（3）单位等熵压缩功
Wi=h2s-h1，=499.0-430.0kJ/kg=69.0kJ/kg
（4）制冷系数
ƹ=qo/Wi=（h1-h4）/（h2s-h1，）=160.21÷69=2.322
（5）单位冷凝热量
qk=h2’-h3=528-244.37kJ/kg=283.63kJ/kg
（6）制冷剂循环量
Ga=Q/qo=210.106×3.6÷160.2=4.7215Kg/h
式中Q——冷藏柜的总热负荷值。
（7）冷凝器热负荷
Qk=Ga.qk=4.7215×283.63×103÷3600W=371.987W
（8）压缩机实际吸入过热蒸汽量
Vs=Ga.v１＇=4.7215×0.213m3/h=1.006m3/h
第六章
压缩机的选型及热力计算
压缩机的选型除了采用查阅全性能曲线的方法外，也可以用热力计算方法。
首先求出设计工况下的输气系数，并计算出压缩机的理论输气量、压缩机的制冷量、压缩机的输入功率,再查有关电冰箱压缩机的规格参数表，最后选用压缩机。
所选用压缩机的制冷量必须等于或略大于设计值，其理论输气量和输入功率也要同时满足设计要求。
1、设计工况的输气系数
设计工况参数如上面得表，其输气系数λ等于容积系数λv、压力系数λP、温度系数λT和泄露系数λl的乘积。
λ=λv×λP×λT×λl。
1）容积系数：
λv
λv=1-C｛〔（Pk+△Pk）/Po〕1/m-1｝
其中相对余隙容积C取0.025，膨胀系数m取1冷凝压力Pk取1469.6KPa,蒸发压力Po取115.15KPa，排气压力损失△Pk为0.1Pk，怎容积系数
λv=1-0.025｛〔（1469.6+0.1×1469.6）/115.15〕1/1-1｝
=0.68
2）压力系数：
λP=1-（1+C）△Po/（λv.Po）
其中进气阀的压力损失△Po=0.05Po，其余取值同容积系数，则压力系数
λP=1-（1+0.025）×0.05×115.15÷（0.68×115.15）
=0.925
3）温度系数λt
其中a取1.15，b取0.25，回气热力学温度T1‘’取353K，冷凝热力学温度Tk取327.4K，蒸发温度to取-23.3℃，
为压缩机吸入前过热度，
=T1‘’-（273+to）=353-（273-23.3）=103.3K
==353/（1.15×327.4+0.25×103.3）=0.88
4）泄露系数
泄露系数
取0.99。
输气系数为
=0.68×0.925×0.88×0.99=0.55
2、理论输气量：
=1.006/0.55=1.829m3/h
3、压缩机制冷量：
=752.16×1.829×0.55
=756.64KJ/h=0.2102Kw
4、压缩机的功率：
1）理论绝热功率：
=4.7215×69÷3600=0.0905Kw
2）指示功率：
=0.0905÷0.704=0.1286Kw
=249.7/327.4+0.0025×（-23.3）=0.704
3）摩擦功率：
=0.65×1.829÷36.72=0.0324Kw
为平均摩擦压力，取0.65MPa
4）压缩机轴功率：
=0.1286+0.0324=0.161Kw
5）电功率
和电机效率
：
=0.161/0.82=0.191.7Kw
取
0.84
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
制冷工质设计的压缩机有关规格参数表选择压缩机。
压缩机选择:
半封闭往复压缩机
压缩机型号：
QD88G；制冷量0.22kW；输入功率0.192kW；电源电压范围220+10％-20％V、50Hz。
第七章冷凝器的设计计算
冷凝器采用丝管式冷凝器，冷凝管用复合钢管（邦迪管）db=6×1.00mm,
钢丝直径db=1.5mm，管间距Sb=46mm，钢丝间距Sw=5mm。
冷凝器的总热负荷值在热力计算中已求得为。
冷凝温度为54.4℃，压缩机机壳出口制冷剂蒸汽温度可以假设为80℃，箱体底部化霜水盆中不设预冷盘管，设置门框防露管，制冷剂出防露管稳当为32℃，空气温度为32℃。
1、过热段及饱和段热负荷
查制冷剂R134a的热力性质表，运用线性插值法可求得过热蒸汽比焓值h2k。
当温度t=80℃，压力P=1317.6kPa时，比焓h2k‘=458.399kJ/kg；当温度t=80℃，压力P=1491.2kPa时，比焓h2k‘‘=455.578kJ/kg，则t=80℃，压力P=1469.6kPa时，比焓h2k‘=455.929kJ/kg。
同时查热力性质表也能查得t=54.4℃、P=1469.6kPa时的饱和蒸汽比焓h2=424.10kJ/kg和t=32℃时的过冷液体比焓h3=244.37kJ/kg.故可求得过热段热负荷占总热负荷的百分数β为
β=（h2k-h2）/（h2k-h3）=（455.929-424.10）/（455.929-244.37）
=15.05﹪
现取防露管中放出热量占总热负荷的43﹪，而过热段热负荷占总热负荷的15.05﹪，则饱和段热负荷占总热负荷为41.95﹪。
根据冷凝器总热负荷值可求得过热段热负荷Q‘=371.987×15.05﹪=55.984W，和饱和段热负荷Q“=371.987×41.95﹪=156.049W。
2、过热段及饱和段热负荷的传热温差
（1）、过热段传热温差θm
θm=（th-tk）/{ln[（th-tk）/（tk-ta）]}
式中th——过热蒸汽温度th=800C。
tk——冷凝温度=54.40C。
ta——空气温度=320C。
则
θm=（th-tk）/{ln[（th-ta）/（tk-ta）]}
=（80-54.4）/{ln[（80-32）/（54.4-32）]}
=33.590C
（2）、过热段传热温差θp
θp=tk-ta=（54.4-32）0C=22.40C
3、自然对流表面传热系数
自然对流表面传热系数按下公式计算。
αof=0.94×λf（PrfGrf）0.26{（Sb-db）（Sw-dw）/[（Sb-db）2+
（Sw-dw）2]}0.155/de
式中λf——空气的热导率，单位为Ｗ／（ｍ．Ｋ）
de——当量直径，单位为ｍ
Prf——空气的普朗特数
Grf——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tf=ta+θM/2=（32+33.59÷2）℃=48.785℃,空气的热导率λf查表后用内插入法求取。
t=40℃时，λ=2.76×10-2W/（m.K）；t=50℃时，λ=2.83×10-2W/（m.K），用线性内插法得t=48.785℃时，λf=2.8×10-2W/（m.K）。
空气的普朗特数Prf=0.696，空气的格拉晓夫数可由下式计算
Grf=gβθmde3/v2
de=Sb{（1+2Sbdw/Swdb）/[（Sb/2.76db）0.25+（2Sbdwηf/Swdb）]}4
式中g——重力加速度，g＝9.81m/s
β——空气的体积膨胀系数，β＝1/Tf=1/（273+48.84）=1/321.84=0.00311
θm——对数平均温差，θm＝33.68
V——空气的运动粘度，t=48.84时，V＝17.84×10-6m2/s
de——当量直径，单位为m；
ηf——肋效率，对冰箱用丝管式冷凝器，常取ηf＝0.85。
现将Sb、db、Sw、dw值代入上式，则
de=0.046×{[1+2×0.046×0.0015÷（0.005×0.006）]÷[（0.046÷2.76÷0.006）0.25+（2×0.046×0.0015×0.85÷0.005÷0.006）]}4m=0.0619m
空气的格拉晓夫数为
Grf=9.81×0.00311×33.59×（0.0619）3÷（17.84×10-6）2
=763697.9894
参照上面αof公式，过热段的自然对流表面传热系数
αof’=0.94×2.8×10-2×（0.696×763697.9894）0.26×{（0.046-0.006）×（0.005-0.0015）÷[（0.046-0.006）2+（0.005-0.0015）2]}0.155/0.0619W/（m2.K）
=8.969W/（m2.K）
（2）饱和段自然对流表面传热系数饱和段的定性温度tf=（tk+ta）/2=（54.4+32）/2℃=43.2℃，查表后内插得空气的热导率λf”=2.7824×10-2W/（m.K），空气的普朗特数Prf＝0.699，空气的运动粘度V＝17.28×10-6m2/s,空气的格拉晓夫数为
Grf=gβθmde3/v2=9.81×0.003163×22.4×（0.0619）3÷（17.28×10-6）2=552000.7031
参照上面αof公式，则饱和段自然对流表面热系数为
αof”=0.94×2.7824×10-2×（0.699×552000.7031）0.26×{（0.046-0.006）×（0.005-0.0015）÷[（0.046-0.006）2+（0.005-0.0015）2]}0.155/0.0619W/（m2.K）
=8.197W/（m2.K）
4、辐射传热系数
辐射传热系数由下式计算：
αor=5.67ε[（Tw/100）4-（Ta/100）4]/θ
式中ε——黑度，黑漆＝0.97；
Tw——壁面的平均热力学温度，单位为K；
Ta——空气的热力学温度，单位为K；
θ——传热温差，单位为℃。
（1）过热段的辐射传热系数过热段壁tw不是定值，现取tw=tw+θm=32+33.68=65.68℃，而ta=32℃，则过热段的辐射传热系数为
αor'=5.67×0.97×{[（Tw）/100]4-[（Ta）/100]4}/θ
=5.67×0.97×{[（273+65.68）/100]4-[（273+32）/100]4}÷33.59
=7.36W/（m2.K）
（2）饱和段的辐射传热系数饱和段的壁面温度tw=tw+θp=32+22.4=54.4℃，其余参数同过热段。
则饱和段的辐射传热系数为
αor“=5.67×0.97×{[（Tw）/100]4-[（Ta）/100]4}/θ
=5.67×0.97×{[（273+54.4）/100]4-[（273+32）/100]4}÷22.4
=6.9638W/（m2.K）
5、冷凝器的传热面积A
（1）冷凝器过热段传热面积其传热面积可按下式计算
A’=Q’/（αof’+αor’）ηoθm
式中A’（单位为m2）为过热段传热面积。
过热段自然对流表面传热系数αof’=8.9
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