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1、毕业设计论文小型制冷系统制冷匹配计算及节能研究专业名称：热能与动力工程学生姓名： 导师姓名： 摘 要摘要题名：小型制冷系统制冷匹配计算及节能研究姓名： 导师： 学校： 正文：传统制冷系统装置的设计过程中，设备大小、型号的选择多以经验为参考而没有根据系统实际需求考虑设备的相互匹配，存在设备利用不充分、制造成本较高、系统制冷效果不理想等问题。本课题以南京火天食品机械公司的220L速冻柜为例，通过实地实验测量和对该设备的设计工况做理论分析和匹配计算，验证其主要设备选型的合理性，并对不合理的地方和可改进之处提出优化措施和改进方法，使系统各个设备之间以及设备与系统之间相互匹配，彼此协调，设备的利用效率大
2、大提高而制造成本降低，从而减少设备制造生产的成本和运行时的能耗，达到节能节材的目的。关键词：小型制冷系统；速冻柜；匹配计算；节能优化ABSTRACTTITLE: The matching-calculation and energy-saving research of small refrigeration systemNAME: Shi En-leSUPERVISOR: Huang Shi-hongUNIVERSITY: Southeast UniversityTEXT:The design of traditional refrigeration system uses the expe
3、rical formulation as the main means to choose the size and model of its major equipments but not considering their matching according to the actual needs of the system, leading to some system issues such as the use of inadequate equipments, high manufacturing costs, the cooling effect is not ideal a
4、nd so on. In this paper, a blast chiller manufactured by the Nanjing FirePro Food Machinery Corporation whose capacity is 200L was choosed as an example to verify whether the choice of its major equipments is reasonable. Some optimization measures and improvements are proposed to make the equipments
5、 and system is better matched, thus the efficiency of the equipments is greatly improved while the manufacturing costs are reduced. In this way, energy and materials are saved by improving system efficiency and reducing manufacturing costs.Keywords: Small Refrigeration Systems; Blast Chiller; Matchi
6、ng Calculation; Energy-optimized3目 录目 录摘要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1研究的背景及意义11.2速冻柜的发展史及现状及其匹配11.2.1除霜控制的研究21. 2.2速冻柜的节能的研究3第二章 速冻柜设计的实现方法42.1速冻柜的工作原理42.2速冻柜的热负荷计算42.2.1漏热量Q152.2.2开门漏热量Q252.2.3贮物热量Q362.3速冻柜制冷系统的热力计算62.3.1制冷工况的确定62.3.2 循环的性能指标62.4制冷设备的选型72.4.1压缩机的选型72.4.2冷凝器的选型72.4.3蒸发器的选型82.4.4节流结构的
7、选型82.5本章小结8第三章 速冻柜的循环热力计算93.1速冻柜的热负荷计算93.1.1隔热层的漏热量Q193.1.2开门漏热量Q2103.1.3贮物热量Q3103.2柜体外表面凝露校核113.3速冻柜制冷系统的热力计算113.4本章小结13第四章 制冷系统的选配与优化134.1压缩机的选型144.1.1压缩机的计算144.1.2压缩机的选择匹配与优化161)压缩机形式的选择16采用变频压缩机174.2冷凝器的选型184.2.1冷凝器的计算184.2.2冷凝器的节能优化措施204.3蒸发器的选型204.3.1冷凝器的计算20图4-5速冻柜选用蒸发器结构图214.3.2蒸发器的优化匹配214.4
8、节流机构的选型和匹配方法224.4.1选配原则224.4.2选配步骤224.5制冷剂选择与填充量计算234.5.1制冷剂选择234.5.2制冷剂充注量的计算234.6本章小结23第五章 总结与展望245.1 总结245.2 展望24致谢25参考文献26第一章 绪论第一章 绪论1.1研究的背景及意义 制冷技术的产生和发展与人们对低于环境温度条件的需求有密切的关系，随着人民生活水平的不断提高，小型制冷和空调装置得到了越来越广泛的应用， 一些家用冰箱、空调器和汽车空调都已有大批量生产，并成为与生活密切相关 的重要商品。与此同时，人们对制冷系统性能的要求也越来越高，耗电、噪音、制冷效果以及对环境的污染
9、问题日益受到关注。由于制冷剂对大气臭氧有严重的破坏作用，为了保护人类赖以生存的生态环境，十多年来世界各国及有关国际组织多次召开国际会议，制定了限制和禁止使用的一系列措施，对受控物质的范围及完全停止生产和禁止使用的时间表，都做了具体的规定。由于空调、冰箱等家用小型制冷装置的普及使用，加上制冷装置的耗电量又很大，对电力的需求量会相当可观。所以，深入研究制冷系统节能技术，降低制冷系统能耗是缓解我国能源短缺的有效手段。新型制冷装置的研发工作需要经过系统设计和性能验证两个阶段。如何在设计系统时，对各个部件及整个系统进行充分优化，寻找最佳匹配点，实现制冷装置设计方法的现代化，以达到提高制冷装置效率和节能降
10、耗的目的，是一项重要的研究课题。对一个设计完毕的制冷系统，对其进行性能的验证和预测是必要的，因为一个在标准工况下匹配良好的制冷系统，当改变环境参数或换用新工质时，都会使系统的工作状态偏离原来的平衡点，此时需要通过调整操 作参数（如换热器的迎面风速、风温和压缩机转速等），使系统重新稳定在一个 效率较高的平衡点上，这就需要掌握制冷系统各工作参数对系统性能影响的规律。 传统的产品研发遵循着“设计一样机制造一试验验证”的开发程序。在设计阶段往往伴随着繁琐的手工计算。在样机制造和试验验证阶段，需要做大量 的试验，并结合设计人员的经验去调整，系统中每个部件的变换都要重新进行 设计计算，这不仅要消耗大量的人
11、力物力，也将耗费很多时间，而且样机的制造周期长，开发效率较低，有时往往也不安全 为了解决手工计算和试验中存在的问题，前人对小型制冷空调系统工作原 理和特性进行了比较深入细致的研究，并逐步开发出许多能够比较准确地再现 其各部件及整体性能的计算公式和计算方法，用计算机计算代替手工计算和部分试验本文即在此基础之上，对制冷系统各部件分别建立模型并将其耦合，在计算机上求解，实现对整个系统运行的模拟分析，这样就可以在产品设计初 期较准确地预测系统各部件及整体的工作状况（蒸发温度，冷凝温度）、工作性 能（输气量，制冷量等）及各项经济技术指标（等），从而可进行多方案的 比较和筛选，实现各部件的良好匹配；同时还
12、可进行部件及系统的敏感性分析， 掌握各部件及相应的结构参数在不同工况下的变化特点和使用不同制冷剂对部 件和系统性能的影响，为控制系统提供所需参数。这样不仅省去了大量繁琐的 手工计算，而且可根据不同的需要，对制冷空调系统的各种设计参数进行优化。 以在计算机上的灵活方便地计算、比较和选择，代替或部分代替样机制造和实 验验证工作，这对于提高制冷空调系统的设计质量、改进产品性能、缩短研制 周期、降低样机研制成本和整机生产成本，具有十分重要的意义。1.2速冻柜的发展史及现状及其匹配1924年，克拉伦斯伯兹研制出革命性的新装置称为冷冻盘。随后西弗吉尼亚报告了在热烫蔬菜之前对其冻结的必要性。我国的速冻柜行业
13、始于1956年，改革开放以来取得了突飞猛进的发展。在发展初期，主要依靠产品数量的扩大。90年代开始，随着生活水平的提高，消费者的生活水平有很大的提高，大型商场、超市如雨后春笋般发展，速冻柜的需要也越来越高，并向高效率、智能化、多功能的方向发展。近几十年来，作为食品冷链末端的速冻柜行业，一直缺少突破性的进展，市场格局相对较稳定。在我国的速冻柜行业，不同规模、品牌的厂家高达20多家，但是由于价格方面的萎缩，国内合资企业的影响日益强大。和大部分家电行业发展类似，速冻柜市场的增长伴随着行业集中度的提高和产业扩张的加速2。在优胜劣汰的时代，该行业出现了强者越强，弱者越弱的发展趋势，许多竞争力差的小企业被
14、淘汰，留下的市场被大中型速冻柜企业所占据,但大中型企业的竞争同样非常激烈。目前我国的速冻柜市场，国产品牌还是目前的主导，但是外国品牌的介入，竞争力越来越强。速冻柜作为现代日常生活中常用到的小型智能系统，也是由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀四大主要部件组成，四大部件的性能对系统的总体的性能都有着重要的影响，因此各个设备的选型有严格的要求。当下南京火天食品机械公司制冷设备的设计存在一种缺陷：为了满足制冷量和制冷温度的需求，一味选择性能好、功能强大的部件，但并不是采用性能好、功率大的的四大主要部件，系统的整体性能就好，此时往往只能够使系统的某些指标量勉强的达到实际需求，但系统的运行效率不高而制造成本
15、极大。主要原因是各个部件设计选择的时候不能够能够很好的匹配，存在较大的资源和能源浪费。因而有必要通过理论的计算分析匹配，在系统能够满足制冷要求的前提下，采用最佳匹配范围内的主要部件，在减小制造成本的同时，它们能够协调一致地运行，使系统效率得到提高。1.2.1除霜控制的研究速冻柜运行时，当蒸发器侧翅片表面温度低于空气露点温度时，空气中的水蒸气会凝结成水滴，此时如果翅片表面温度低于0，水滴会结霜。霜层会增加导热热阻，使传热系数下降，能耗增加，除此之外，霜层的存在加大了空气流过蒸发器的阻力，降低了空气流量，影响其换热性能。随着霜层的增厚，速冻柜出现制冷量下降、蒸发温度下降、风机性能衰减等现象。当霜层
16、增加到一定厚度，必须对蒸发器进行除霜。除霜控制的最优目标是按需除霜1，实现机理是利用各种检测元件和方法直接或间接检测蒸发器表面的结霜状况，判断是否启动除霜指令，在除霜达到预期效果时，及时中止除霜。传统的除霜方法有自然除霜、电加热除霜、热气除霜等。自然除霜利用周围空气的热量进行除霜，除霜开始后，制冷系统停止运行，利用风扇电机的加速运转，吸入周围环境的温度，达到除霜的目的。此方法不需要消耗额外的能量，操作复杂，除霜时间长，效果不稳定，目前在速冻柜中很少使用。电加热除霜是将加热丝缠绕在蒸发器上，停止运行制冷系统，启动加热丝，除霜开始。该方法产生的热量仅有15%用于除霜，其余85%的热量都耗散在速冻柜
17、的内部，增加了制冷负荷。除此之外，加热丝工作时，空气与蒸发器盘管上的霜层进行的是对流换热，换热慢，除霜时间长，柜内温升快，影响了食品的品质。但是该方法简单可行、除霜可靠，目前在速冻柜中使用比较广泛2。自然除霜和电加热除霜均是由外部加热，而热气融霜是将从压缩机送出来的部分高温高压的气体直接送入需融霜的蒸发器盘管内，不需要额外热源，将高温气体和蒸发器盘管进行对流换热，盘管与霜层进行换热，以此达到除霜的目的。此除霜方法不需要额外的热源、能耗小、除霜时间短、效果好3，但是系统控制方式比较复杂，高压蒸汽流过蒸发器，对蒸发器盘管耐压性的要求较高4。针对除霜控制方式，目前大多采用定时除霜和温控除霜，即时除霜
18、作为新的除霜方式还未被普遍采用。定时除霜控制方法简单，但是受到周围环境温度、人流量及季节变化等因素的影响，无法控制除霜效果。温度控制除霜，是用温控器来采集除霜时速冻柜内温度或者出风口温度，并进行合理的换算，当达到设定温度时就结束除霜。因为要保证不超过柜内某一温度，这种方式可能会导致除霜不彻底5。即时除霜技术已经投入研究很多年，其中包括测量流过蒸发器前后的空气压差、温差、以及利用纤维视觉传感器来测量霜层厚度等等。即时除霜可以降低制冷系统的能耗、缩短除霜时间、 提高速冻柜内温度控制的精确度，保证了柜内食品的品质。但是由于流过蒸发器前后空气的压差、温差等受很多因素的影响，如蒸发器结构、翅片形状、翅片
19、间距、霜层均匀性、霜层厚度等，这些因素使得温差、压差的测量存在一定的难度，另外测量霜层厚度的高灵敏度传感器的开发也是难题，所以即时除霜技术还需要进一步完善和改进。国内外很多学者针对制冷系统的结霜特性、除霜方法及除霜控制方式进行了大量的研究。1974年Sanders建立了蒸发器除霜的模型，并分析了除霜时能量消耗的分配状况，这是早期的关于蒸发器除霜实验的研究6。1976年,Niederer用实验方法测定除霜能耗时，发现80%的除霜能耗用于加热换热器金属结构以及周围的空气7。1989年美国的科学家Oneal对制冷设备的热气除霜过程进行了实验研究8，得出了采用除霜时间、融霜时间、排水时间、及COP四项
20、特性指标来反映制冷设备的除霜特性。王铁军等对结霜和除霜过程进行了深入的实验研究，针对普遍采用的时间温度法除霜控制技术，提出了能适应环境变化的模糊自修正除霜技术的设计思想，在时间量的基础上考虑室外换热器管温与环境温度之差以及湿度变化等一些不确定因素的影响，改变盘管温度传感器的位置，使得除霜更彻底，对食品品质影响也最小9。1. 2.2速冻柜的节能的研究速冻柜的功耗在超市、商场中占有很大的比重，节能技术尤其重要，针对此问题对速冻柜做了许多改进。目前，许多国家速冻柜在技术研究方面已经非常成熟，但在节能设计上仍有很大的提升空间。对制冷系统的部件进行改善，同样可到达节能的目的。例如使用电子膨胀阀，可以更精
21、确的调节膨胀阀的开度，对能量的调节做出迅速的反应；调整蒸发器结构、材质，减少蒸发器弯头，降低蒸发压力；选择合适的翅片材料和间距，增加空气和翅片的传热效率。对制冷系统进行改进。采用并联机组可满足大输出功率的需要，同时冷冻机组功率又可实现多级调节，根据季节进行制冷量的调节，自动关闭开启压缩机，适应速冻柜负荷的变化，从而减少运行费用、提高运行的可靠性。除此之外，并联机组可采用微电脑控制，通过对机组低压的精确控制实现节能，采用并联机组可节能15%20%。回收机组的冷凝热，作为商场供暖的热源或用于除霜的热源510。第二章 速冻柜设计的实现方法第二章 速冻柜设计的实现方法速冻柜的设计主要是对制冷系统的设计
22、，制冷系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构、干燥过滤器以及储液器等辅助设备，系统设计的最终目的是对制冷系统四大部件（压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构）为主的制冷系统的建立。本章主要介绍了速冻柜的工作原理、热负荷计算、热力计算及设备选型的理论基础。2.1速冻柜的工作原理速冻柜的核心为一制冷系统，通过制冷系统获得冷量，达到低温的目的。制冷系统采用单级压缩式的制冷方式，实质上就是从低于环境温度的物体中取出热量并转移到环境介质中，以达到低温的目的。制冷系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀四个主要部件组成，由管道将四大部件和其他辅助器件串联起一个封闭的系统，制冷剂在该系统中循环流动。制冷系统原理
23、图如图2-1。1-压缩机 2-冷凝器 3-膨胀阀 4-蒸发器图2-1 制冷系统原理图压缩机从蒸发器中吸取低压状态的制冷剂蒸汽，并将其压缩到高温高压状态，将这些高温高压状态的气体送到冷凝器中。在冷凝器中等压冷却凝结成液体，并放出热量。高压状态的液体经节流装置节流到低压状态，节流的同时温度也降低。节流后其中有一部分液体气化，制冷剂以气液两相的状态进入蒸发器，在蒸发器中液体蒸发为低压状态的气体，同时吸收热量产生制冷效果。低压状态的气体随后进入压缩机中，如此循环完成制冷过程。为达到不同的需求温度，可以调节节流装置的开度，控制制冷剂流量，达到产生不同制冷量的目的11。2.2速冻柜的热负荷计算速冻柜的热负
24、荷就是单位时间内从柜内取出的热量。速冻柜热负荷的计算，其目的在于正确合理地确定制冷系统的冷却设备负荷及确定各个设备的规格，它的值不是恒定的，其大小受多方面的影响，比如，外界环境温度的变化、客流量的多少、柜内食品储藏量的多少、以及淡季、旺季时食品的冷加工量的差异等诸多因素。通常进行制冷负荷计算是设计速冻柜的最初工作之一，所以合理地确定速冻柜的热负荷，对于制冷系统设计是非常重要的。热负荷是速冻柜设计的一个重要参数，它与速冻柜结构、内容积、柜体绝热层的厚度以及绝热材料的优劣有关。热负荷包括：通过柜的隔热层的漏热量Q1、开门漏热量Q2、储物热量Q312，即Q= Q1+ Q2+ Q3。 (2.1)2.2
25、.1漏热量Q1漏热量包括，通过柜体隔热层的漏热量Qa，通过柜门和门封条的漏热量Qb，通过柜体结构形成热桥的漏热量Qc。即Q1= Qa+ Qb+ Qc (2.2)1)柜体隔热层的漏热量QaQa=KA(t1-t2) (2.3) 式中A柜的外表面积，单位为m2K传热系数，单位W/(m2k)，计算表达式为K=111+12 (2.4)式中柜外空气对柜体外表面的表面传热系数，单位为W/(m2k)，一般状况下，取值3.511.6 W/(m2k)。 内柜壁表面对柜内空气的表面传热系数，单位为W/(m2k)，自然对流时，取值0.61.2 W/(m2k)，强迫对流时，取值11.623.3 W/(m2k)。 隔热层
26、厚度，单位为m；隔热材料的热导率，单位为W/(mk)。2)通过柜门与门封条进入的漏热量QbQb因其传热结构比较复杂，计算不易准确，一般根据经验取值，取Qb为Qa的15%。 3)柜体结构部件的漏热量Qc由于柜内外壳体之间支撑方式的不同，一般按经验取值，Qc为Qb的3%左右。 2.2.2开门漏热量Q2在速冻柜工作期间，每次开门都有冷气逸出，外界的热空气乘机侵入。开门漏热量与速冻柜的容积、开门次数及空气的温湿度有关，可按如下公式计算：Q2=VBnh3.6va (2.5)式中VB速冻柜的内容积，单位为m3；n 每小时的开门次数；进入柜内空气达到规定温度时的比焓差，单位为KJ/kg；空气的比体积，取值为
27、0.9m3/kg。2.2.3贮物热量Q3对于贮物热量无明确规定的标准，一般是按照速冻柜内容积的0.5%的25水，在h内结成冰的规定进行计算。 Q3=m(ct1+r-cbt2)3.6 (2.6)式中m水的质量，单位为kg；c水的比热容，c=4.19KJ/(kgk)； r水的凝固热，r=333KJ/kg；cb冰的比热容，cb=2 KJ/(kgk)；t1、t2水的初始温度和冻结了温度，单位为。 2.3速冻柜制冷系统的热力计算速冻柜制冷系统的热力计算根据所设定的环境及计算的热负荷，确定制冷系统的制冷工况，计算制冷循环的性能指标，以此作为选择制冷设备的理论依据。2.3.1制冷工况的确定制冷系统的额定工况
28、由于应用标准的不同，没有统一的标准，结合其运行条件，按照下列方法确定制冷系统的各个参数。1)冷凝温度Tk冷凝温度一般取决于冷却介质与制冷剂的传热温差，该温差与冷凝器的冷却方式和结构形式有关。速冻柜采用空冷式的丝管式冷凝器，传热性好，传热温差可取810。冷凝温度为环境温度加上传热温差。2)蒸发温度T0蒸发温度与被冷却物体的温度及制冷剂与被冷却物体的温差有关，速冻柜的蒸发温度为柜内温度减去传热温差，传热温差一般取510。3)过冷温度TS制冷剂经过冷凝器冷凝后，与回气管进行热交换，更进一步冷却后的温度值为过冷温度。其数值一般为环境温度减去过冷度。4)过热温度TG过热温度取决于蒸汽离开蒸发器时的状态和
29、回气管的长度。该值越小越有利于压缩机的运行，一般取值低于或等于环境温度12。2.3.2 循环的性能指标根据制冷剂的热力性质，选择合适的制冷剂，使制冷循环满足良好的理论循环特性。根据确定的工况及选用的制冷剂，在制冷剂的压-焓图上绘出制冷循环曲线，查得各点状态的热力参数。计算循环的各个性能指标，包括单位质量制冷量、单位容积制冷量、单位等熵压缩功、性能系数COP等。制冷系统的性能主要由制冷量、压缩机消耗的功率、性能系数等参数反映12。2.4制冷设备的选型以上的热负荷及热力计算的目的是选择合适的制冷设备，以满足制冷系统运行的需求。选用的基本原则是在速冻柜的工作环境的基础上，综合考虑制冷设备的特点及使用
30、范围，全面比较最终选择合适的设备规格。2.4.1压缩机的选型压缩机是制冷系统的核心部件，它是制冷剂在制冷系统中循环的动力。压缩机工作时从蒸发器中抽取气化的蒸汽，从而维持蒸发器内的蒸发温度和压力，并对吸入的蒸汽进行压缩，维持冷凝器内的高压。目前，速冻柜行业一般采用全封闭式的压缩机，结构紧凑、体积小、噪声低、振动小。按其结构特点分为如下三种类型：往复式压缩机、涡旋式压缩机、滚动转子式压缩机。其各自的特点如表2-1所示。选型时，根据以上计算的参数，首先计算出设计工况的输气系数、压缩机的理论输气量、压缩机的制冷量、压缩机的输入功率，然后根据速冻柜压缩机的规格参数表，选用合适的压缩机型号。表2.1 三种
31、类型压缩机的特点特点滑管式连杆式滚动转子式零部件数中多少加工工艺性简单较复杂复杂加工精度要求低中高装配要求中低高振动和噪声中小小重量中大小能效比低中高总体评价制造简单，成本较低寿命较短，年故障率为2%4%生产技术较成熟，寿命长，年故障率为1%，价格偏高加工精度高，价格高2.4.2冷凝器的选型冷凝器将压缩机输出的高温高压的蒸汽冷凝成液体，制冷剂蒸汽在其中冷却、冷凝，释放的热量由空气或水等介质带走。按冷却方式，大致可以分为水冷式和空气冷却式，空气冷却式冷凝器又可分为自然对流式和强制通风式两种。自然对流的冷却方式构造简单，不易发生故障，但传热效率低；强制通风式的冷却方式传热效率高，体积较小，使用也方
32、便，但有一定的风机噪声；水冷式传热效率高，无噪声，但是水消耗较大，综合各方面因素，为达到节能的效果及好的传热效率，速冻柜通常选用强制通风的空气冷却式的丝管式冷凝器。其设计的原则是满足传热需求并保证安全，同时尽量减少传热面积和占用空间，降低设备费用。首先，确定冷凝器的管排布置、翅片型式等结构参数，计算其表面传热系数、传热温差、表面效率，然后根据确定的冷凝温度及计算得到的冷凝热负荷，由公式： A=QK0m (2.7)求得冷凝器的传热面积。最后进行冷凝器的校核，确定是否满足冷凝器的传热需求。2.4.3蒸发器的选型蒸发器是使液体制冷剂吸热气化的一种热交换器，液体制冷剂在此吸收冷却介质的热量蒸发转变为气
33、体，同时冷却了被冷却介质，达到低温的目的。蒸发器的类型很多，大致分为空气冷却式和液体冷却式。按制冷剂在蒸发器内的充满程度及蒸发状况可以分为三种：干式蒸发器、再循环式蒸发器和满液式蒸发器。速冻柜使用的蒸发器通常为空气冷却式的管板式蒸发器。在蒸发器的设计计算时，设计的原则是计算的传热面积要大于实际所需的传热面积。采用总体分析法，首先选择蒸发器的结构参数，包括管的规格、翅片厚度、间距和排列方式，计算出制冷剂在管内的表面传热系数、空气表面传热系数、 翅片效率、翅片表面效率，然后计算蒸发器的传热系数K，根据速冻柜热负荷大小、蒸发温度和选择的蒸发器的结构参数，计算所需要的传热面积。最后对传热面进行设计，计
34、算实际的传热面积并进行校核 12。2.4.4节流结构的选型节流机构也是制冷四大部件之一，它具有两种功能：一是在制冷系统中保持蒸发器和冷凝器的压力差，使高压液态制冷剂转变为低压状态，为制冷剂在低温低压下气化创立条件；二是用于调节制冷剂的供液量，保持蒸发器合理的过热度，实现制冷系统安全经济的运行。常用的节流机构有毛细管和膨胀阀，膨胀阀又分为热力膨胀阀和电子膨胀阀。毛细管结构简单，无运动部件，不属于自动调节类，调节动作缓慢，不适合热负荷变化较大的制冷系统。热力膨胀阀可以控制蒸发器出口处制冷剂的过热度，随着蒸发器负荷变化自动调节制冷剂流量，但是执行动作缓慢。电子膨胀阀感受电信号，比热信号传递快，执行动
35、作迅速、准确。除此之外，还要选择合适的气液分离器、储液器、油分离器、集油器以及安全保护装置等辅助设备。2.5本章小结本章简要介绍了速冻柜制冷系统工作原理。结合速冻柜的工作原理，重点介绍了速冻柜的热负荷Q计算方法。此外，还介绍了制冷系统的热力计算，包括制冷工况的确定和制冷循环性能指标参数的确定。最后，介绍了制冷四大部件(压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构)的种类及选型的理论依据。25 第三章 速冻柜的循环热力计算基于火天食品机械加工有限公司某一具体型号的速冻柜，本章对其进行热负荷计算及主要设备的选型。该速冻柜实物图如图4-1。图3-1 速冻柜实物展示图速冻柜总体布置的设计是速冻柜设计中的一个基础环
36、节，只有在总体布置的基础上才能选择合适的设备。全面的考虑总体布置情况，先给出如下设计条件：1)由于速冻柜一般是用于食品仓库低温冷冻，仓库环境因素变化较小冬季空调室内温度为1822，相对湿度为40%60%，夏季空调室内温度为2428，相对湿度为40%60%，夏季速冻柜的负荷较冬天的大。考虑最不利的工作条件，所以按夏季的规定计算速冻柜的热负荷12，取周围环境温度ta=25,相对湿度=60%。2)柜内温度：速冻期间保持柜内-40。3)制冷系统为单级蒸汽压缩式制冷系统，冷凝器采用丝管式冷凝器，蒸发器选用管板式蒸发器，采用电子膨胀阀作为节流机构。4)速冻柜外形结构：外形尺寸为920mm600mm740m
37、m(宽深高)。绝热层采用聚氨酯发泡，其厚度根据理论计算和经验选取，其具体取值如表4-1。5)柜内有效容积：容积为220L。速冻柜的结构图如图4-2所示。表3.1 速冻柜的绝热层厚度 (mm)柜面侧面底面 门厚度7272 723.1速冻柜的热负荷计算热负荷是速冻柜设计的一个重要参数，是根据速冻柜的结构和总体布置进行计算。热负荷包括：通过柜的隔热层的漏热量Q1、开门漏热量Q2、储物热量Q3。即：Q= Q1+ Q2+ Q3 (31) 3.1.1隔热层的漏热量Q1Q1= Qa+ Qb+ Qc (3.2)1)柜体隔热层的漏热量QaQa=KA(t1-t2) (3.3) 式中A柜的外表面积，单位为m2；K传
38、热系数，单位W/(m2k)，计算表达式为 K=111+12 （3.4)式中取值11.3W/(m2k)， 取值1.16 W/(m2k)，聚氨酯发泡热导率取值0.03 W/(mk)，侧面的传热系数 K=111+12=1111.3+0.0720.03+11.16=0.298 W/(m2k)(3.6)把速冻柜的柜体看做一个外形尺寸为920mm600mm740mm(宽深高)的立方盒计算，表面积A=3.3536 m2柜体隔热层的漏热量Qa=KA(t1-t2)=0.298*3.3536*(25-(-40)=65.059W (3.7)2) 柜体结构部件的漏热量Qb取Qb=0.12Qa=0.15*65.059=
39、7.807W (3.8) 3.1.2开门漏热量Q2 Q2=VBnh3.6va (3.9)式中速冻柜的内实际容积VB值为0.40 m3，开门次数n取每小时3次，进入速冻柜内空气达到规定温度时的比焓差，=(298.450-233.0625)=65.388KJ/kg，空气的比体积，取值为0.9m3/kg。Q2=0.40365.3883.60.90=24.218W (3.10)3.1.3贮物热量Q3速冻柜的贮物热量有两部分组成，第一部分为把空气从事问冷冻到-40，记为Q31；第二部分为把从冰淇淋机里面制作出来的冰淇淋迅速冷冻到-40，记为Q32 Q31=m(ct1+r-cbt2)3.6 (3.11)式
40、中水的比热容c为4.19KJ/(kgk)，水的凝固热r =333 KJ/kg，冰的比热容，t1、t2分别为水的初始温度和冻结了温度。 Q31=2800.0054.1925+333-2-403.6=201.347W (3.12)冰淇淋机中制作出来的冰淇淋温度为-59-40，则第二部分的热量为把-5的冰淇淋冷冻到-40，所以Q32=mcl(t1-t2)23.6 (3.13)式中冰淇淋的比热容cl为2.93 KJ/(kgk)，t1、t2分别为冰淇淋的初始温度和冻结了温度。Q32=1200.622.93-5-403.6=1777.533W (3.14)速冻柜的贮物热量Q3=Q31+Q32=1978.8
41、81W速冻柜的热负荷为：Q=Q1+Q2+Q3=2075.964W3.2柜体外表面凝露校核对柜体进行露点校核时，取传热系数K值为0.321 W/(m2k)，柜体外空气表面的表面传热系数为11.63,则表面温度为tw=ta-K1ta-t2=25-0.32111.6325+18=23.8 （3.15）查空气的焓湿图得，环境温度ta为25，相对湿度60%，其露点温度td为18，twtd,不会凝露12。3.3速冻柜制冷系统的热力计算速冻柜制冷系统的热力计算是根据其总体布置及计算的热负荷，来确定系统的性能指标、制冷剂循环量等参数。该制冷系统选用制冷剂R404A，压焓图如图3-3，热物性参数列表如表3-3。
42、图3-2 制冷系统的压焓图制冷循环过程如下：4-1为制冷剂R22在蒸发器内的蒸发吸热过程，理想状态下变为饱和蒸汽，实际过程中蒸发器出口存在过热度，1- 为制冷蒸汽出蒸发器的过热及进入压缩机气缸前的过热，假设此过热温度为50， -2s为制冷蒸汽在压缩机的等熵压缩过程，该过程设为在理想状态下，2s-为高压蒸汽经排气管和冷凝器的冷凝过程，设计冷凝到15, -4为高压液体的节流过程11。蒸发温度T0=-40，冷凝温度Tk=35。表3.2 热物性参数列表参数名称及符号数值单位冷凝压力PK1.6195MPa蒸发压力P00.1353MPa出蒸发器的焓值h1341.67KJ/kg进压缩机前的过热蒸汽的比体积v10.1535m3kg进压缩机前的过热蒸汽的焓值h1359.65KJ/kg压缩机排出过热蒸汽的温度t2s65.67压缩机排出过热蒸汽的焓值h2s415.04KJ/kg出冷凝器的焓值h3250.48KJ/kg过冷至15的焓值h3234.65KJ/kg制冷循环性能指标计算值如下：(1)单位质量制冷量q0q0=h1-h3=(341.67-234.65)KJ/kg=107.02KJ/kg (3.16)(2)单位容积制冷量qvqv=q0v1=(107.02/0.1535）KJ/m3=794.506KJ/m3