冰柜冰箱设计计算报告书.doc

冰

柜

设

计

计

算

书

学院：能源与环境学院
专业：热能与动力工程系
班级：热能103班
姓名：
学号：
目录
整体计算流程图 - 2 -
1冰柜总体布置 - 3 -
2冰柜热负荷计算 - 3 -
2.1箱体漏热量 - 3 -
2.2开门漏热量 - 4 -
2.3储物热量 - 5 -
2.4其他热量 - 5 -
2.5总热负荷 - 5 -
3箱体绝热层厚度校核 - 5 -
4制冷系统热力计算 - 6 -
4.1制冷系统额定工况 - 6 -
4.2热物性参数列表 - 6 -
4.3循环各性能指标计算 - 8 -
5压缩机选型及热力计算 - 8 -
5.1压缩机参数计算 - 8 -
5.2压缩机选用 - 11 -
5.3压缩机工作系数校核 - 11 -
5.4冰柜耗电量预算 - 11 -
6翅片管式冷凝器设计计算 - 11 -
6.1关于温度参数及冷凝热负荷拟定 - 11 -
6.2翅片管簇构造参数选取及计算 - 12 -
6.3传热计算 - 13 -
6.4冷凝器外形尺寸拟定 - 14 -
6.5风机选取计算 - 15 -
7蒸发器设计 - 15 -
7.1冰柜蒸发器设计计算 - 15 -
7.2制冷剂在管内表面传热系数 - 15 -
7.3管板式蒸发器空气表面传热系数 - 16 -
7.4冷冻室蒸发器蒸发面积拟定 - 18 -
8毛细管计算及选型 - 18 -
8.1毛细管长度计算 - 18 -
8.2毛细管校核 - 19 -
9制冷剂充注 - 19 -
9.1按额定工况法计算 - 19 -
9.2制冷剂充注量校核 - 20 -
10 成果 - 21 -
11总结 - 22 -
参照文献 - 23 -
附图一 - 24 -
外观尺寸图 - 24 -
附图二 - 25 -
控制电路图 - 25 -
整体计算流程图

1冰柜总体布置
依照所提出任务给出设计条件:
1) 使用环境条件:冰柜周边环境温度ta=32℃,相对湿度ψ=75±5％
2) 箱内温度:不高于-18℃.
3) 箱内有效容积:302.5L
4) 制冷系统为单级蒸汽压缩式制冷系统,冷却方式采用直冷式,蒸发器采用暗盘管(类似于板管式),冷凝器采用翅片管式冷凝器,采用毛细管作为节流元件.制冷系统图见附件
5) 箱体构造:外形尺寸1200mm×670mm×950mm(宽×深×高)。绝热层用聚氨酯发泡，其厚度依照理论计算和冰箱厂实践经验选用，其值如 表1-1，箱体构造见附图。
表1-1
箱面
门体
侧面
底面
冷冻室
70
60
100
6）润滑油
选用合成聚酯油作为系统润滑油
7）干燥过滤器选用
由课本关于R134a系统干燥过滤器经验，选用XH7型干燥过滤器
2冰柜热负荷计算
冰柜热负荷在冰柜设计中是一种重要参数，它与冰柜箱体构造、冰柜内容积，箱体绝热层厚度和绝热材料优劣等因素关于。
热负荷涉及：箱体漏热量Q1、开门漏热量Q2、贮物热量Q3和其他热量Q4。即
Q=Q1+Q2+Q3+Q4
2.1箱体漏热量
箱体漏热量Q1
箱体漏热量涉及，通过箱体隔热层漏热量Qa，通过箱门和门封条漏热量Qb，通过箱体构造形成热桥漏热量Qc。即
Q1=Qa+Qb+Qc
（1）箱体隔热层漏热量Qa，由于箱体外壳钢板很薄，而其热导率λ值很大，因此热阻很小，可忽视不计。内壳多用ABS或HIPS塑料板真空成形，最薄四周部位只有1.0mm。塑料热阻较大，可将其厚度一起计入隔热层，因而箱体传热可视为单层平壁传热过程。即
Qa=KA(t1-t2)
式中A---箱体外表面积，单位为m2。
传热系数K(单位为W／(m2·K))为

式中α1——箱外空气对箱体外表面表面传热系数，单位为W／(m2·K)；
α2——内箱壁表面对箱内空气表面传热系数，单位为W／(m2·K)；
δ——隔热层厚度，单位为m；
λ——隔热材料热导率，单位为W／(m·K)。
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隔热层厚度是不同样，应采用分段计算相加后Qa值。此外，采用壁板盘管式冷凝器冰柜，箱体后壁面表面温度近似取为冷凝温度tk，也需此外计算该某些漏热量。
（2）通过箱门与门封条进入漏热量Qb
由于Qb值很难用计算法计算，普通依照经验数据给出，可取Qb为Qa15％值。
（3）箱体构造部件漏热量Qc
箱体内外壳体之间支撑办法不同，Qc值也不同，因而同样也不易通过公式计算。普通可取Qc值为Qa值3％左右。当前采用聚氨酯发泡成型隔热构造箱体，无支撑架形成冷桥，因而Qc值可不计算。
2.2开门漏热量
开门漏热量Q2
依照家用冰箱使用状况，近似取开门次数每小时1次，假定每次开门箱内空气所有被置换成箱外空气，则开门漏热量Q2可按下式计算

式中VB—电冰箱内容积，单位为m3
n—开门次数;
Δh—进入箱体空气达到规定温度时比焓差，单位为kJ/kg
va—空气比体积，单位为m3/kg
由各值计算=9.9666W
2.3储物热量
储物热量
冰柜储物热量无明确规定原则，普通按电冰箱原则“制冰能力”项提出“以电冰箱内容积0.5％25℃水，在2h内结成实冰”规定进行计算。实冰详细温度按-2℃至-5℃取值。储物热量Q3按下式计算

式中 m—水质量，单位kg
c—水比热容，c=4.19kJ/(kg·K)
r—水凝固热（冰融解热），r=333kJ/kg
cb—冰比热容，cb=2 kJ/(kg·K)
t1 t2—水初始温度和冻结终了温度，单位为℃
计算得=92.798W
2.4其他热量
其他热量Q4
这里所说其她热量，是指各种加热器、冷却电扇电机散发热量，可将其电耗功率折算热量计入。此外，还要考虑开门时漏入热量，因而，在冰柜箱体热负荷计算时，为了安全起见普通还增长10~15%余度，即以1.1~1.15Q热负荷进行设计。
2.5总热负荷
总热负荷Q
Q=Q1+Q2+Q3+Q4=175.034W

3箱体绝热层厚度校核
设计箱体绝热层时，预先参照国内外冰箱关于资料设定其厚度，并计算出箱体表面温度。如果箱体表面温度tw低于露点温度，则会在箱体表面上产生凝露现象，因而箱体表面温度tw必要高于露点温度td，最低限度tw>0.2℃+td
在达到稳定传热状态后表面温度tw可以由下式计算：
=30.476℃>27℃
式中 tw—箱体外表面温度，单位为℃
t1—箱外空气温度，单位为℃
t2—箱内空气温度，单位为℃
α0—箱外空气对箱体外表面表面传热系数，单位为W/(m2·K)
K—传热系数，单位为W/(m2·K)
查设计气候条件下冰箱露点温度为27℃，计算如下式所示
=30.476℃>27℃
因此箱体厚度适当
4制冷系统热力计算
4.1制冷系统额定工况
表2-1 制冷系统额定工况
工况
参数
冷凝温度
蒸发温度
回气温度
过冷温度
设计
例值
54.4
-25
32
（80）
17

参数
来源

环境温度加上冷凝传热温差

冷冻室温度减去传热温差
蒸气进入压缩机壳体前状态，括号值为实际吸入气缸前过热蒸气

环境温度减去过冷度
4.2热物性参数列表
依照设计冰柜拟定工况和选用制冷剂，运用压焓图或热力性质表或计算公式求取关于压力、各点比焓值和过热蒸气比体积，将各参数列于表2-2中制冷系统压焓图如图2-1。

图2-1 冰柜制冷系统压焓图
表2-2 热物性参数列表（工质R134a）
参数列表
符号
单位
参数来源
设计值
冷凝压力

1.4644
蒸发压力

0.1064
出蒸发器时饱和蒸气比焓

383.45
进压缩机前过热蒸气比焓

430.43
进压缩机前过热蒸气比体积

0.229
进气缸前过热蒸气比焓

473.62
进气缸前过热蒸气比体积

0.267
排出过热蒸气温度

℃

181.99
冷凝温度下饱和蒸气比焓

424.91
排出过热蒸气比焓值

592.17
制冷剂过冷至32℃时比焓

244.59
毛细管节流前液体比焓（17℃）

223.38
蒸发器入口制冷剂比焓

223.38
定熵压缩蒸气比焓值（32℃）

500.63
定熵压缩蒸气比焓值（80℃）

556.01

4.3循环各性能指标计算
（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----冰柜总热负荷值。
（7）冷凝器热负荷

（8）压缩机实际吸入过热蒸气量

5压缩机选型及热力计算
压缩机选型除采用用热力计算办法外。一方面求出设计工况输气系数，并计算出压缩机理论输气量、压缩机制冷量、压缩机输入功率，再查关于冰柜压缩机规格参数表，最后选用压缩机。所选用压缩机制冷量必要等于或略不不大于设计值，其理论输气量和输入功率也要同步满足设计规定。
5.1压缩机参数计算
设计工况参数如表2-2所示。其输气系数、压力系数、温度系数和a泄露系数乘积。
（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1469.6kPa，蒸发压力取115.15kPa，排气压力损失为0.1，则容积系数
=0.6465
（2） 压力系数

其中进入阀压力损失=0.05，别的取值同容积系数，则压力系数
=0.921
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327.4K，蒸发温度取-25℃压缩机吸入前过热度=105K
=0.876
（4）泄露系数 泄露系数取0.99
输气系数为=0.6465×0.921×0.8765×0.99=0.5165
理论输气量
=1.746m3/h
压缩机制冷量=698.74×1.746×0.5165=175W
理论绝热功率

批示功率

式中 —批示功率，可以用下面公式计算：
=0.695
上式中为采用摄氏温度为单位蒸发温度，系数b凭经验选用。则批示功率
76.75/0.695=110.431W
摩擦功率 摩擦功率按下式计算：

其中为平均摩擦压力，取0.65MPa，为1.12，则摩擦功率
=30.9W
压缩机轴功率
=110.431+30.9=141.33W
电功率和电机效率

取=0.82，则
=141.33/0.82=172.36W
5.2压缩机选用

依照以上求取压缩机理论输气量、压缩机制冷量、电功率等参数，参照按R134a制冷工质设计压缩机关于规格参数表，依照《资料1》现选取意大利生产低回压R134a冰柜压缩机，型号为E1118CZA,额定制冷量182W，功率消耗为183.75W，气缸容积为7.2cm3 ，尺寸高为151mm、宽140mm、长220mm，压缩机名义工况下质量流量0.001137kg/s,冷凝器热负荷395.1989W

5.3压缩机工作系数校核
冰柜箱体漏热量为56.4w，压缩机额定制冷量为182W，工作系数为

满足压缩机工作系数30%-35%规定。
5.4冰柜耗电量预算
选定压缩机后来，即可以依照压缩机耗电量预算冰柜耗电量。
压缩机功率W计算公式如下：
W
压缩机耗电量P计算：
W1.36 kW.h/24h
即压缩机耗电量为1.36度/天。
6翅片管式冷凝器设计计算
6.1关于温度参数及冷凝热负荷拟定
各关于温度参数取值见下表
对数平均温差
℃=16.9℃
由压缩机选型可知，冷凝器热负荷395.1989W
项目
目
参数值/℃
项目
目
参数值/℃
冷凝温度
54.4
进出口空气温差
10
进口空气干球温度
32
出口空气干球温度
42

6.2翅片管簇构造参数选取及计算
选取紫铜管为传热管，选用翅片是厚度波纹形整张铝制套片。取翅片节距,迎风面上管中心距：，管簇排列采用正三角形叉排。
每米管长各关于传热面积分别为

==0.4765

=0.0303
= 0.5068
=0.0295
取本地大气压=98.07kPa，由空气(干空气)热物理性质表(表3-2)，查得在空气平均温度℃条件下，=1005J/(kg·k)、=0.02733、=在进风温度℃条件下=1.1576 。
冷凝器所需空气体积流量
=
选用迎面风速1.0m/s则迎风面积
=
取冷凝器迎风面宽度即有效单管长0.184m,则冷凝器迎风面高度

=
迎风面上管排数
排=7排
6.3传热计算
拟定所需传热面积、翅片管总长L及空气流遗方向上管排数n采用整张波纹翅片及密翅距叉排管簇空气侧传热系数由式 (310)乘以1.1再乘以1.2计算.
预测冷凝器在空气流通方向上管排数n=3，则翅片宽度
=
微元最窄截面当量直径
=
最窄截面风速
=
由于

==
查《小型制冷装置》课本表3-18和表3-19，用插值法求得=0.201、n=0.582，c=1.24、m=-0.24，则
空气侧表面传热系数

查《小型制冷装置》课本表3-1，R134a在=54.4℃物性集合系数B=1381.472，氟利昂在管内凝结表面传热系数由式(3-17)计算

翅片相称高度由课本式(3-15)计算：

=
取铝片热导率,由课本式(3-14)计算翅片参数m,即

由式(3-13)计算翅片效率

表面效率由式(3-12)计算

忽视各关于污垢热阻及接触热阻影响，则,将计算所得关于备值代人上等式即

解上式得=49.8℃,则R134a在管内凝结表面传热系数

取管壁与翅片间接触热阻、空气侧尘埃垢层热阻、紫铜管热导率,由式(3-21)计算冷凝器总传热系数

.

6.4冷凝器外形尺寸拟定
冷凝器所需传热面积

所需有效翅片管总长

空气流通方向上管排数
排=1.78排
取整数n=2排，与空气侧表面传热系数时预测空气流通方向上管排数相符。
这样，冷凝群实际有效总管长为2.208m，实际传热面积为1.119，较传热计算所需传热面积大，能满足冷凝负荷传热规定。此外，冷凝器实际迎面风速与所取迎面风速相一致。
6.5风机选取计算
由于冷凝器迎风面宽度 =0.168m、高度H=0.1684m，安装1个小电扇比较适当.
动压
静压
风机采用电动机直接传动，则传动效率 =1;取风机全压效率 =0.6，则电动机输入功率

7蒸发器设计
7.1冰柜蒸发器设计计算
冷冻室蒸发器热负荷为175W，蒸发温度为-25℃，冷冻室温度为-18℃。采用管板式蒸发器。
7.2制冷剂在管内表面传热系数
制冷剂在管内表面传热系数管内表面传热系数（当制冷剂工质为R134a时）可按下式计算：

式中—每根管内制冷剂流量，单位为
g—制冷剂质量流量，单位为
B—与制冷剂种类和蒸发温度关于系数，时，制冷剂R134aB值为0.95
—热流量，单位为
—蒸发器管内径，单位为mm，=8mm
制冷剂在管内温度，而冷冻室内平均温度。制冷剂在管内热流量可按下式计算
=263.88W/m2
式中—冷冻室热负荷，单位为W
L—冷冻室绕管长度，对于本设计书中绕管取5圈，则
制冷剂循环量为，化为质量流量

制冷剂为R134a时，在管内沸腾表面传热系数为
W/(m2·K)
依照报导，R134a制冷剂在管呢沸腾表面传热系数比R12高3545%，现取40%,则
139.81×1.4=195.734 W/(m2·K)
7.3管板式蒸发器空气表面传热系数
管板式蒸发器空气表面传热系数管板式蒸发器空气侧表面传热系数可用自然对流公式计算

式中 A—对于多排管，为沿高度方向管排数修正系数，选蒸发器冷却排管为8圈，查表可得
—冷冻室空气平均温度为-18℃
—板管式蒸发器管内R134a蒸发温度为-25℃：
—管外径，单位为mm，=9mm。
侧板管式蒸发器空气侧表面传热系数
=10.139 W/(m2·K)
在冷却塔排管外表面对空气换热过程中，自然对流表面传热系数较小（普通在如下），因而辐射换热相对来说不可忽视。空气侧表面辐射换热可按下式计算

式中 —冷冻室空气平均温度（单位为K），=273-18=255K；
—蒸发器管子表面温度，由于蒸发器管管壁很薄，则内外表面温差不大。管子外表面温度可视为与蒸发器管内R134a蒸发温度相似，=（273-25）K=248K。
C—辐射系数，对于结霜表面取。
则空气侧辐射传热系数为
W/(m2·K)
综共计算空气侧表面传热系数必要同步考虑对流和辐射，计算公式如下

式中 —空气侧表面传热系数和辐射传热系数，单位为；
—曝光系数，对于平板可取为1.0；
— 析湿系数。
析湿系数可按第4章简介办法计算，也可参照已有产品之数据拟定，此处按参照产品之数据拟定，取
因而空气侧传热系数
=3.475×1.4+10.139×1.0=17.67W/(m2·K)
7.4冷冻室蒸发器蒸发面积拟定
冷冻室蒸发器管内表面传热系数，空气侧表面传热系数。由于空气侧表面系数远不大于管内制冷剂侧传热系数，因而传热系数计算可简化为：

式中 —考虑管内热阻和管外霜层热阻修正系数。依照实验。
—翅片管表面效率。取0.98.
代入数据计算，得：
0.9×0.98×17.67=15.59 W/(m2·K)
（1） 冰柜蒸发器传热面积
冷冻室热负荷为175W，蒸发温度为-25℃，冷冻室内温度为-18℃，则由下式计算冷冻室蒸发器传热面积：
=1.60m2
（2）冰柜蒸发器实际传热面积
冷柜总体布置中所设计冷冻室内传热面长度为1100mm，深度为550mm，高度为500mm，故实际设计传热面积 m2
依照以上计算，冷冻室传热面积实际设计值不不大于冷冻室蒸发器传热面积计算值，满足设计规定。
8毛细管计算及选型
8.1毛细管长度计算
用公式（6-14）（《小型制冷装置设计指引》，P245）计算。制冷剂R134a压力差，查制冷剂在饱和状态下热力性质表，发现温度对液体比体积影响不大，本设计所取温度为冷凝温度和蒸发温度平均值，即，查得液体比体积，蒸汽比体积，凭经验取干度x=0.1，则平均比体积

其密度
14.7℃下液体粘度，气体粘度，则平均粘度。
已知制冷工质循环量，选用内径0.7mm毛细管，则制冷剂流速

雷诺数值为

则毛细管长度

8.2毛细管校核
依照课程设计资料2定型校核
按照数据表中给出实验数据进行毛细管选型。压缩机制冷量为183W，冷凝温度54.4℃，蒸发温度-25℃.用插值法可以查出在45℃时候毛细管长度为1.5m，冷凝温度每上升一度，毛细管长度增长2%。因此在冷凝温度为54.4℃时，毛细管长度为1.5*1.02*9=1.77m,与计算成果相符，阐明计算无误。
9制冷剂充注
9.1按额定工况法计算

依照给定工况在R12制冷剂压焓图和热力性质表中查所需参数。

=-25℃时 液体密度、蒸汽密度
时 液体密度、蒸汽密度
蒸发器入口干度，出口干度，平均干度x=0.7.因而蒸发器内饱和液体平均容积30％，干蒸汽占70％。冷凝器内液体按经验取15％，干蒸汽占85％。
求制冷剂最佳充注量：
蒸发器内液体量：

蒸发器内干蒸汽量：

冷凝器内液体量：

冷凝器内干蒸汽量：

总计：
冰柜制冷系统如用R134a代替R12时，其最佳充注量将减少。在不变化系统部件状况下，制冷剂充注量将减少10％左右。
因此R134a制冷剂充注量为401.93*0.9=361.25g
9.2制冷剂充注量校核
按照资料1中给出制冷剂充注计算办法进行计算。
有关参数简介：
滑动比
蒸发器中制冷剂平均密度可按下式计算
=0.059kg/L
—滑动比
—蒸发温度气体比体积
—蒸发温度液体比体积
—蒸发器进口干度
—蒸发器出口干度
由此可以计算出蒸发器内制冷剂量=40.5g
冷凝器计算则要分为过热段、冷凝段、过冷段三段来计算，这里假定其各段容积比率如下：过热段=12%、冷凝段=78%、过冷段=10%。
过热段密度按冷凝温度饱和气体密度值计算，=0.0749kg/L
冷凝段密度按下式计算：
=1.0178kg/L
式中：—滑动比
—蒸汽密度
—液体密度
过冷段密度按冷凝温度下液体密度计算：==1.081kg/L
冷凝器中制冷剂质量：=162.15g
总制冷剂充注量为：m=+=202.64g
10 成果
型号
冷冻
（L）
输入
（W）
耗电量
（kW/h·24h）
冷冻能力
（kg/24h）
能效指数
（%）
BD-300
300
183.75
1.36
—
80.78
制冷剂
充注量（g）
冷凝器
（管径mm×壁厚mm）
干燥过滤器型号
毛细管
（管径mm×管长mm）
蒸发器
（管径mm×壁厚mm）
R134a
360
Φ10×0.3
XH7
Φ0.7×179
Φ8×0.5
压缩机型号
COP
制冷量
（W）
吸气管
排气管
外形尺寸
（mm×mm×mm）
E1118CZA
0.97
182
Φ6.1
Φ4.9
1200×670×950
11总结
小型制冷装置课程设计（冷柜设计）总结：
课设重要工作：冰柜总体设计布置、热负荷计算、绝热层厚度校核、制冷系统热力计算、压缩机选型计算、两器设计计算及风机选取、毛细管计算选型、制冷剂充注。
重要完毕工作：压缩机计算选型、冷凝器计算设计、风机计算。
重要配合完毕工作：总体布置、热力计算。
重要遇到问题及解决方案：
总体布置时查阅有关文献及搜索网上冰柜实例基本上做出最后外观及冷冻箱尺寸布置，箱体设计为平底，但是后期设计冷凝器时发现箱体下空了好多空间，感觉还是将冷冻箱设计成阶梯型比较好，能做到空间充分运用。后经询问教师关系不大。
后期计算时发现热负荷计算时漏热量计算失误，某些漏热量计算错误影响了背面诸多环节设计计算，不得不重新计算改正。通过数据改正最后热负荷及漏热量满足背面校核。
绝热层选用时参照了网上诸多实例，也许不精确，但是符合大多冰柜选用。
压缩机选型时发现最后选取满足负荷及功率压缩机cop是不大于1，感觉不太适当，但是按照计算来说有无比这个更适当压缩机了
冷凝器计算时冷凝热负荷应当用依照压缩机选型后其名义工况下制冷量计算出来，而不是依照制冷系统热力计算得出制冷量算出，它只是用来选压缩机，前者计算出冷凝热负荷要比后者大。这点值得注意。
冷凝器计算后计算选取风机时发现风机风压及功率都太小了，找了好多风机厂家，主线没找到适当风机，因此在设计时只是画了一种电扇，没有写出详细型号。
固然本次课设遇到问题尚有诸多诸多不再一一列出，同步也反映出对课本知识掌握局限性。通过本次课程设计对小型制冷装置流程及设计结识有了很大提高，这远远高于对课本看上十遍理解。总来说，实践很重要，生活中要多看多揣摩，设计上没有绝对对的，时代在发展，任何完美设计都会变化，有错误才干有提高。

参照文献
[1] 小型制冷装置设计指引
[2] 制冷原理与装置
[3] 制冷空调新工质：热物理性质计算办法与实用图表
[4] 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，
[5] 吴业正，韩宝琦．制冷原理及设备[M]．第一版.西安：西安交通大学出版社，1987.

附图一
外观尺寸图

附图二
控制电路图