冰箱制冷系统设计说明书

1.冰箱设计步骤

图1 BCD-348W/H电冰箱制冷系统图

2.冰箱的总体布置

2.1箱体设计要求及形式

电冰箱箱体设计的优劣，直接影响使用性能、外观、耐久性制造成本和市场销售。在进行设计时，要求造型别致、美观大方。除色调要与家庭家具协调外，还必须考虑占地面积小内容积大，宽度、深度与高度的比例合理，有稳定感等。冰箱箱体尺寸见表1。

表1箱体尺寸

2.2箱体外表面温度校核和绝热层厚度

设计箱体的绝热层时，可预先参照国内外冰箱的有关资料设定其厚度，并计算出箱体表面温度tw。如果箱体外表面温度tw低于露点温度td，则会在箱体表面发生凝露现象，因此箱体表面温度必须高于露点温度,一般tw > td+0.2

to

ti

tWtoK(toti) (1) ao国家标准GB8059.1规定，电冰箱在进行凝露实验时 亚温带SN、温带N气候条件下，露点温度为19±0.5℃ 亚热带ST、热带T气候条件下，露点温度为27±0.5℃

在tw > td的前提下，计算箱体的漏热量Q1，并用下面的公式校验绝热层的厚度

tw1----冰箱外壁温度，℃ tw2----冰箱内壁温度，℃

A(tw1tw2)Q1 (2)

-----绝热层导热系数，w/(m.k) A-----传热面积，m2

校验计算的厚度在设定厚度基础上进行修正，反复计算，直到合理为止。

3.冰箱热负荷计算

总热负荷Q=Q1+Q2+Q3

Q1---- 箱体的漏热量 Q2---- 门封漏热量 Q3---- 除露管漏热量

（1）箱体的漏热量Q1

由于箱体外壳钢板很薄，而其导热系数很大，所以钢板热阻很小，可忽略不计。内胆多用塑料ABS成型，热阻较大，可将其厚度一起计入隔热层，箱体的传热可以看做单层平壁的传热。

Q1KA(toti) (3)

K  (4)

111aoai其中：K —— 传热系数，W/m2·℃；

A —— 传热面积，m2 ； to——箱体外空气温度，℃； ti——箱体内空气温度，℃

αo——箱外空气对箱体外表面的表面换热系数，W/m2·℃； αi——箱体内表面对箱内空气的表面换热系数，W/m2·℃； λ ——绝热层的导热系数,W/m2·℃； δ —— 箱体各绝热层的厚度，m

注：1当室内风速为0.1-0.15m/s时，αo可取3.5-11.6 W/m2·℃ 2箱内空气为自然对流（直冷冰箱）时，αi可取0.6-1.2 W/m2·℃ 3间冷冰箱，由于箱内风速大，αi可取17-23 W/m2·℃

（2）门封漏热量Q2

冷冻室和冷藏室的门封漏热系数均取0.0406W/m·℃。

Q2=0.0406·L·（to-ti） (6) 其中：L —— 门封有效长度；m

to——箱体外空气温度，℃； ti——箱体内空气温度，℃

（3）除露管漏热量Q3

依据经验公式估算除露管带给箱体的热负荷：

Q3=(LD/1.79)×0.2294×(tD-0.84to-0.16tF)×Pr (7) 其中：LD —— 除露管有效长度；m

tD —— 除露管温度；℃ to —— 箱体外空气温度，℃； tF —— 冷冻室温度；℃ Pr —— 压缩机工作系数；Pr4.制冷系统热力计算

电冰箱制冷系统热力计算的目的是算出循环系统的性能指标，制冷工质的循环量和压缩机实际吸入蒸气量。以此作为设计电冰箱冷凝器、蒸发器及压缩机选型的依据。 4.1制冷循环的额定工况

制冷循环的额定工况参照国标 GB9098-88中规定的工况，见表2。

表2.我国国标 GB9098-88中规定的工况

time开机time开机time停机

制冷系统中的需确定的参数为：冷凝温度tk，蒸发温度t0，回气温度th，过冷温度tg （1）冷凝温度tk

冷凝温度一般取决于冷却介质的温度以及冷凝器中冷质与制冷剂的传热温差，传热温差与冷凝器的冷却方式和结构形式有关。电冰箱大多采用空气自然对流冷却方式，制冷剂的冷凝温度等于外界空气温度加上冷凝传热温差。冷凝传热温差一般取10℃-20 ℃，冷凝器的传热性能好，可适当取小

的数值，例如采用风速为2-3m/s的风冷却时，传热温差可取8-10 ℃ (2) 蒸发温度t0

蒸发温度一般取决于被冷却物体的温度以及蒸发器中制冷剂与被冷却物体的传热温差，电冰箱的蒸发温度等于箱内温度减去传热温差，一般传热温差取5-10 ℃,如采用风冷却式时传热温差可取5 ℃。箱内温度一般参照星级要求选取。 （3）回气温度th

回气温度取决于蒸气离开蒸发器时的状态和回气管的长度。电冰箱采用全封闭压缩机，一般进入壳体的状态为吸气状态，可根据压缩机标定的共况选取，该值越低对压缩机运行越有利。一般回气温度要小于或等于环境温度，但经实际测定，由于电机加热吸入气缸前过热蒸气温度达到80 ℃ （4）过冷温度tg

过冷温度取决于液体制冷剂在回气管中进行热交换的程度。冷凝后的制冷剂在冷凝器末端已达到环境温度，再与回气管进行热交换得到冷却。一般过冷温度等于环境温度减去过冷度，过冷度可取15-32 ℃ 4.2制冷系统热力计算案例

要求设计一台采用自然对流冷却方式的BCD-195热带型电冰箱，冷冻食品贮藏室的温度要求为 -18 ℃，制冷剂选用R12。现对该冰箱的制冷系统进行热力计算。（环境温度：SN型、N型、ST型取25℃；T型取32℃） 对于热带型电冰箱，环境温度取32℃。 计算步骤如下 ：

（1）确定制冷系统的额定工况。

表3制冷系统额定工况 工况参数 设计值 冷凝温度tk 54.4 tk=32+22.4 环境温度加上传热温差 蒸发温度t0 -25 t0=-18-7 冷冻室温度减去传热温差 回气温度th 32 （80） 过冷温度tg 17 参数来源 取为环境温度 tS= 32-15 括号值为实际吸入环境温度减去过冷气缸前的过热蒸汽 度 （2）运用压焓图求各参数。

根据设计冰箱确定的工况和选用的制冷剂，运用压-焓图或热力性质表或计

算公式求取有关压力、各点比焓值和过热蒸气比体积。计算时采用图2的压-焓图。图中将制冷剂在毛细管内的节流和进一步过冷过程分别用3’-4和3-3’表示。

图2.冰箱制冷系统压-焓图

表4热力参数值（R12）

（3）计算循环的各性能指标。

是例1中总热负荷的计算值。

5. 压缩机选型及热力计算

电冰箱压缩机均采用全封闭式压缩机。对于冰箱厂，一般无制造冰箱压缩机的能力，只能在进行电冰箱设计时，直接根据设计任务书所提出的制冷量的大小从已有产品中选择压缩机。

压缩机选型时，主要的参考资料是各种压缩机的全性能曲线，全性能曲线见图3。 图中t0为蒸发温度,tk为冷凝温度。压缩机制造厂提供每种型号压缩机的全性能曲线。

用全性能曲线选择压缩机的方法如下：①通过制冷系统的热力计算，求出在计算工况t0,tk时的制冷量Q。；②参照各种压缩机的全性能曲线，选择压缩机。所选用的压缩机应满足计算工况下的制冷量，并应有高的制冷系数，同时要顾及产品的质量，价格和安装尺寸。压缩机型号及性能见附表1。

图3.压缩机全性能曲线

6. 毛细管的设计计算

在电冰箱和空调器等小型制冷装置设计中，毛细管尺寸的正确选择和制冷剂充注量的确定都是很重要的，它们将直接影响到装置的有关性能。

关于毛细管的选择，国内外学者提出了多种方法，但由于毛细管中气、液两相流动过程比较复杂，在实际应用中，因管径偏差、管壁的粗糙度等都难以准确测量，所以计算结果都存在一定误差。在制冷系统设计中，一般先用实验或计算法初步预选毛细管，然后再通过整机的试验，确定其最终尺寸。下面介绍几种毛细管的选择方法。 （1）实测法

实测法分为毛细管液体流量测定法和氮气(或者空气)流量测定法两种。

液体流量测定法是将几台经过实测和证实符合设计要求工况工作的制冷系统作为样机，拆除该机的毛细管作为标准品，测出它的液体流量值，作为生产所用毛细管的测定依据。

简易测定流量方法如图4所示。在钢瓶内盛的液体(酒精、水或四氯化碳)用空气压缩机加压，在气体流量控制阀的控制下，瓶内的压力保持在表压力1MPa，每分钟通过毛细管的液体量，就是该毛细管的流量(mL)。

氮气(或空气)流量测定法一般用压缩机为排气动力，进行氮气(空气)流量测定。其测定方法：在压缩机吸、排气侧连接低压、高压阀门和压力表，低压阀门处于全开状态，把毛细管一端焊在干燥过滤器出口上(要保持干燥过滤器畅通)，另一端暂不焊入蒸发器。压缩机启动运行后，氮气或空气从低压阀吸人，直到低压吸入压力与大气压相等时，高压表指示压力应稳定在 l～1．2Mpa（此压力为冰箱设计值，对于空调器，压力应为0.55—0.6Mpa）的数值上。如高压超过上述值，说明流量过小，可截去一段毛细管，边截边试，直到压力值合适为止。如压力过低，说明流量过大，要更换长一些的毛细管或加大毛细管的

阻力，如增加毛细管盘卷圈数或盘卷直径等。这种方法在维修中应用较普遍。

图4 毛细管流量测定示意图

（2） 图解法

图解法即在稳定工况下，对某种制冷剂按试验数据作出线图。实际应用时，根据已知的条件，通过线图选择适用的毛细管。图5a以管径di为1.625mm,长度L为2030mm，蒸发压力小于或等于临界压力时情况下测得的制冷剂流量，并以冷凝温度为54.4℃，进口温度为46.1℃时为流量为相对流量1，而图5b则表明冷凝温度为54.4℃，进口温度为46.1℃时，各种毛细管管径及长度下的相对流量。

a 制冷剂流量与过冷度、冷凝 b 制冷剂流量与毛细管规格的关系 温度的关系 （tk=54.4℃ 过冷度Δt=8.1℃） 图 5 （3）计算法

毛细管的计算公式到目前为止都不是十分精确。现介绍一种从管道阻力计算中推导出来的经验公式。

(8)

（4）统计法

统计法是一种最简单的使用方法，它是根据多数厂家长期的实践经验数据选用毛细管。表5是通过统计法得到的用于电冰箱、冷藏库毛细管的选配表。

表5毛细管的选配表

7．制冷剂充注量

制冷系统设计制造中，制冷剂加入量过多或过少，运行都是不利的。制冷剂量不足时，蒸发器未完全充满，蒸发压力降低，压缩机吸气过热度增加，因此蒸发器的传热系数和系统制冷量减小。另一方面制冷剂量过多时，将导致冷凝器参与换热的有效表面减少，结果引起冷凝温度和压力增加，系统制冷量下降，能耗也增加，而且充注量过多时，传热系数的下降速度比充注量不足时更快。

制冷剂注入量的精确计算，迄今还没有得到很好解决，目前归纳起来有以下几种方法。 （1）观察法

这种方法是在压缩机运行的情况下边充制冷剂，边检查充注压力，（小型制冷系统一般从压缩机吸入口充注，大中型制冷系统从高压贮液器加液口充入，充入前应接干燥器，确保充入制冷剂中不含水分）边观察蒸发器的结霜情况、冷凝器的温度、低压吸气管的温度、压缩机的运转电流等。直到蒸发器全部结霜，压缩机的运转电流不超过额定电流时，就停止充制冷剂。 （2）实验数据法

实验数据法是根据实验方法得出的计算式和计算图。这种方法是从长期实践中总结出来的，在实验条件下使用是较正确的。

下面介绍是按照蒸发器和冷凝器内部容积计算制冷剂充注量(单位为g)的经验公式。

m＝0.41Ve+0.62Vc-38 (9)

式中 m——制冷剂充注量，单位为g； Ve——蒸发器的内部容积，单位为cm3；

Vc——冷凝器的内部容积，单位为cm3。

（3）额定工况计算法

额定工况计算法是根据制冷剂在制冷系统内的不同状态，查出它的密度和液体及蒸气所占容积的比例，然后按运行时各容器的制冷剂状态算出其质量。 计算步骤：

1)分别计算冷凝器、蒸发器、干燥过滤器及管道内腔容积。

2)按额定工况参数查出制冷剂在该状态(气态、液态)下的密度，根据额定工况参数作压焓图，并查出蒸发器进，出口干度x1,x2，再求出蒸发器内蒸汽的平均干度x=(x1+x2)／2

3)用1)、2)项数据，分别计算各部分所需质量并相加，即为该机制冷剂的注入量。

例1： 一台冰箱的蒸发器容积Ve＝0.118dm3，冷凝器容积Vc＝0.1056dm3，制冷工质为Rl2，其工况t0= -15℃,tk=55℃、tg (过冷温度)=50℃，求制冷剂的最佳充注量。 解：

1) 根据给定工况在R12制冷剂压一焓图和热力性质表中查所需参数。

t0=-15℃时，液体密度'1.44 Kg/L；蒸气密度\"0.01 Kg/L

tk=55℃, tg=50℃时 液体密度'1.213 Kg/L；蒸气密度\"0.068 Kg/L

蒸发器入口干度x1=0.4, 出口干度x2=1.00,平均干度x=0.7。因此蒸发器内饱和液体平均值占容积的30%，干蒸汽占70%。冷凝器内液体按经验取15%，干蒸汽占85%。

'蒸发器内液体量：m10.3Ve0.31.440.1180.05kg

\"蒸发器内干蒸汽量：m20.7Ve0.70.010.1180.0008 kg '冷凝器内液体量：m30.15Vc0.151.2130.1050.019 kg \"冷凝器内于蒸汽量：m40.85Vc0.850.0680.1050.006kg

总计m=m1+m2+m3+m4=0.05+0.0008+0.019+0.006=0.0758kg=75.8g 将以上各式合并，则

m(0.31.440.70.01)Ve(0.151.2130.850.068)Vc m0.439Ve0.239Vc (1)

式（1）为t0=-15℃，tk=55℃下充注R12的充注量公式。

电冰箱制冷系统如用R134a替代R12时，其最佳充注量将减少。在不改变系统部件的情况下，制冷剂的充注量将减少10%左右。

电冰箱设计案例

设计一台直冷式BCD-195热带型电冰箱为例。阐述电冰箱的设计。 1.电冰箱的总体布置

表5.电冰箱各面的绝热层厚度

5)箱体结构：外形尺寸为545mm*545mm*l332mm(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．其值如表5所示，箱体结构图如图6所示。

图6箱体结构图

2.电冰箱热负荷计算 2.1冷冻室热负荷QF （1）箱体的漏热量Q1

表6冷冻室箱体各表面的传热量

Q1=4.296+5.98+3.275+2.98+4.218=21.379W （2）门封漏热量Q2

Q2=0.0406·L·（to-ti）

=0.0406×2(545+356) ×10-3[32-(18)]

=3.66W

（3）除露管漏热量Q3

Q3=(LD/1.79)×0.2294×(tD-0.84to-0.16tF)×Pr

={[2(545+356)+545] ×10-3/1.79}×0.2294×(120-0.84×32-0.16×(-18)) ×35% =10.1W

冷冻室总热负荷QF=Q1+Q2+Q3

=21.379+3.66+10.1

=35.14W

2.2冷藏室热负荷QR （1）箱体的漏热量Q1

表7冷藏室箱体各表面的传热量

Q1=-1.94+10.07+6.219+3.89+3.05=21.289W （2）门封漏热量Q2

Q2=0.0406·L·（to-ti）

=0.0406×2(865+545) ×10-3(32-5) =3.1W

冷藏室总热负荷QR=Q1+Q2

=21.289+3.1

=24.389W

电冰箱总热负荷为Q=1.2(QF+QR)=1.2(35.14+24.389)=71.43W（考虑一定的热负荷余量，乘以一个放大系数1.2。）

3.箱体外表面凝露校核

箱体外表面凝露校核也分冷冻室和冷藏室进行。 3.1冷冻室

冷冻室绝热层厚度最薄处在顶面，按式(1)计算，计算时取箱外空气对箱体表面的表面传热系数a0

为11.63W／(m2K)，传热系数K值为0.376W／(m2K)，环境温度to为32℃，箱内空气温度ti为-18℃，则外表面温为：

tWtoK0.376(toti)32(32(18))30.38℃ ao11.63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℃,由此可见冷冻室绝热层

厚度最薄处的顶表面温度大于露点温度，故不会凝露。 3.2冷藏室

冷藏室两侧面和底面的绝热层厚度最薄，因此只要对它们进行露点校核即可。计算时取

2

传热系数K为0.43Lw/(mK)，环境温度to为32℃，箱内空气温度ti为5℃,其余参数与冷冻室校核计算相同，则外表面温度为：

tWtoK0.431(toti)32(325)31℃ ao11.63可见，冷藏室两侧和底部同样不会凝露。

根据以上计算可知，本例题所设计的冰箱采用上述绝热层厚度在外表面不会出现凝露现象。

4.制冷系统热力计算

tk=54.4℃ t0=-23.3℃ th=32(80) ℃ tg=17℃

5.压缩机选型及热力计算

缩机选型除采用查阅全性能曲线的方法外，也可以用热力计算方法，首先求出设汁工况下的输气系数，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的要求。

6.毛细管长度计算