小型制冷系统制冷匹配计算及节能研究毕业论文(编辑修改稿)

小型制冷系统制冷匹配计算及节能研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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. 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 [5][10]。 东南大学毕业设计（论文） 4 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，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。 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 图如图 21。 1234 1压缩机 2冷凝器 3膨胀阀 4蒸发器 图 21 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]。 速冻柜的热负荷计算 速冻柜 的热负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第二章 速冻柜 设计的实现方法 5 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 Q 开门漏热量 Q储物热量 Q3[12]， 即 Q= Q1+ Q2+ Q3。 () 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 () 1)柜体隔热层的漏热量 Qa () 式中 A— 柜的外表面积，单位为 m2 K— 传热系数，单位 W/(m2k)， 计算表达式为 () 式中 1 — 柜外空气对柜体外表面的表面传热系数，单位为 W/(m2 k)， 一般状况下， 1 取值 ~ W/(m2k)。 2 — 内柜壁表面对柜内空气的表面传热系数，单位为 W/(m2 k)， 自然对流时，2 取值 ~ W/(m2k)，强迫对流时， 2 取值 ~ W/(m2k)。  — 隔热层厚度，单位为 m；  — 隔热材料的热导率，单位为 W/(m k)。 2)通过柜门与门封条进入的漏热量 Qb Qb 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。 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： () 式中 VB— 速冻柜的内容积， 单位为 m3； n — 每小时的 开门次数 ； h — 进入 柜 内空气达到规定温度时的比焓差，单位为 KJ/kg； av — 空气的比体积，取值为 3/kg。 东南大学毕业设计（论文） 6 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 %的 25℃水，在 h内结成冰的规定进行计算。 () 式中 m— 水的质量，单位为 kg； c— 水的比热容， c=(kg k)； r— 水的凝固热 ， r=333KJ/kg； cb— 冰的比热容 ， cb=2 KJ/(kg k)； t t2— 水的初始温度和冻结了温度，单位为 ℃。 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。 制冷工况的确定 制冷系统的额定工况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 8~10℃。 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 5~10℃。 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]。 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、单位等第二章 速冻柜 设计的实现方法 7 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]。 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范围，全面比较最终选择合适的设备规格。 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 21 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 三种类型压缩机的特点 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 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 m 、表面效率 0 ，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 ： 东南大学毕业设计（论文） 8 () 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。 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 s 、空气表面传热系数 0 、 翅片效率 f 、 翅片表面效率 s ，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，计算实际的传热面积并进行校核 [12]。 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。