冰箱制冷毕业论文设计

安徽电子信息职业技术学院

毕业设计（论文）报告

题目：电冰箱空调器制冷系统冷凝器蒸发器的优化设计

姓名：景雁龙

专业：制冷与空调技术

班级：制冷061

指导教师：叶彬

设计完成日期 2010 年 11月 xx日

目录

第一节：中文摘要 (2)

关键词. ..................................................2-3

绪论 (3)

电冰箱的发展趋势 (4)

电冰箱蒸发器冷凝器的设计..................................4-5

空调器的发展及强化传热措施 (6)

冷凝器蒸发器的优化方法...................................7-13

电冰箱空调器制冷原理图 (14)

结束语 (15)

参考文献 (15)

中文摘要：

近年来随着科技的飞速发展，社会进步和人民生活水平的不断提高，制冷设备的应用几乎遍及生产、生活的各个方面。同时也带动着制冷效果和冷藏技术的日益更新。电冰箱的出现越来越得到商业各领域的不断需求。

在当今社会随着国际间的贸易越来越成为经济的主体，地区与地区的合作交流越来越平凡。商品在此当中得到了很好的流通。一直以来我们都为食品存放时间一久就会变得不再新鲜甚至腐败而烦恼。那么靠什么来维持产品的新鲜从而达到不腐败的目的呢？电冰箱的制冷系统很好的发挥了这一作用。商用电冰箱的应用就是为了适应商业不同需要而研制的，根据不同的商业用途可分为冷藏柜、陈列柜、小型制冰机、冰淇淋机、小型冷饮机等装置。商用电冰箱是商业用小型制冷装置的总称，它与家用电冰箱相比较具有容积大、形式多、功能强的特点。商用电冰箱中的制冷系统和电气系统实用性强、能够循环制冷使产品能够长时间保持新鲜状态，从而使产品达到制冷保鲜的目的。

关键词：电冰箱空调器的优化制冷系统电气系统

绪论

一、电冰箱空调器冷凝器与蒸发器的发展背景

随着经济发展，国际贸易和城市与城市之间的合作交流越来越平凡，

由此引发的产品保鲜问题得到了多方的共同讨论话题。冷凝器蒸发器的出现很好的解决了电冰箱空调器的问题，电冰箱空调器让鲜货和新鲜生活随手可取。

20世纪以前，用冰箱保存食物是不可想象的，用空调保持室内恒温更是不可思仪的。在冰箱空调出现以前，我们一直在为食品存放时间一久就会变得不再新鲜甚至腐败而烦恼为生活更舒适而头疼。人们不堪很多食物总是在这个地区运往那个地区的途中就腐败掉。从而推动了人们对这一问题的共同研究。真正的电冰箱发明于20年代，1920年，纽约布鲁克林一家平板印刷厂的一位名叫威利斯·H.卡里尔的工程师，设计出一种能控制温度和湿度的系统。1923年，当弗雷基代尔还是美国通用汽车公司的分厂的时候，它引进了一种新的机械冰箱组件，并组装成电冰箱。弗雷基代尔电冰箱的设计是把储存易腐烂食品的“冰盒”和制冷机械部分装进一个特制的柜子。这种装置安静、方便，且结构紧凑。电冰箱空调器冷凝器蒸发的优化是制约电冰箱空调器发展的瓶劲。只有冷凝器蒸发器不段的优化才能有不同种类的电冰箱和空调来不段符合现代人的需求。

《一》电冰箱

摘要：冷冻室蒸发器采用多层换热片的复合立体结构,在Ｓ型制冷盘管壁外侧固定套装翅片,增加冷冻室顶部和低部两个高温区制冷量。将冷冻室按1:1划分出变温室,通过其中温度传感器控制双稳态电磁阀通断实现制冷剂回路切换,将变温室按冷冻、软冷冻、冷藏使用,也可关闭。通过横、竖盘管混排结构的丝管式冷凝器设计,借助制冷系统压缩机、冷凝器、蒸发器负荷匹配及其与毛细管制冷剂流量匹配,通过防凝露管走向及位置设计、蒸发器管道位置及走向布置和回气换热器设计,研制的ＢＣＤ-186ＣＨＳ直冷电冰箱最大负荷日耗电0.39度,在变温室为节能状态时耗电在0.35度以下,最低达0.31度。

关键词：热工学优化设计理论分析直冷电冰箱制冷系统

1 前言

电冰箱发展速度很快,我国电冰箱的产量由1991年的470万台增加到2001年的1349万台,平均年增长11.1%[1]。而电冰箱的耗电量占家用电器总耗电量的32%[2],所以,节能降耗和环保是电冰箱研发工作的重要课题,而蒸发器和冷凝器的传热能力、软冷冻及变温技术优化设计则是关键因素。

2 蒸发器的优化设计

研制采取了以下措施。第一,减小冷藏、冷冻两蒸发器的面积比差值,在总面积一定情况下,尽量加大冷藏室蒸发器的面积,采用大内径蒸发管、增加蒸发管长度及双管并行排列结构等,保证在低温或高温环境下有最佳的开停比,从而保证在一定环境温度下耗电最少。第二,设计高效蒸发器。冷冻室蒸发器是由从上到下依次排列多个换热层片和连接所有换热层片的连接管组成的复合立体式结构[3],换热层片由多个并列Ｓ型制冷盘管构成,且在其盘管壁外侧固定套装翅片,大大增加了制冷盘管与空气间接触面积,如图1示。该蒸发器在不改变电冰箱结构情况下,大幅度增加冷冻

室蒸发面积,增加冷冻室顶部和低部两个高温区制冷量,使其快速达到规定要求,缩

短压缩机工作时间,大幅降低能耗。冷藏室采用导热粘接胶膜将压扁铜管紧紧粘在传热铝板上,并通过高粘合双面胶粘贴在冷藏室内胆上,增强传热效果。第三,合理安排蒸发器位置和制冷剂走向。据箱内自然对流情况,制冷剂流向采用逆流式换热,毛细管和回气管采用较长的并行锡焊或热塑工艺等,以提高换热效果。第四,通过理论计算和试验相结合方法,合理匹配蒸发器与冷凝器的传热面积,努力减小冰箱工作系数,避免过低蒸发压力和过高冷凝压力,达节能目的。

3 冷凝器优化设计

在优化冷凝器设计中除合理增大冷凝面积外,还应充分考虑以下几点:

3.1 设计横、竖盘管混排结构冷凝器:在冷凝器内为制冷剂气液两相状态,分析冷凝器中制冷剂流态变化和内、外部换热条件,横排管冷凝器的换热系数比竖排管冷凝器增加3倍以上,为加强流体扰动,破坏流动边界层,采用横、竖盘管相结合走向的冷凝器将会提高冷凝器换热效果,同时也可降低制冷剂流动噪声。

3.2 丝管式冷凝器代替百叶窗式冷凝器:在其它条件不变情况下,丝管式冷凝

器传热性能好,对应的制冷循环效率提高,能耗减小。

3.3 改内藏式冷凝器为外挂式:外挂式冷凝器散热条件比内藏式冷凝器好得多,对降低冷凝温度和过冷温度十分有利,可有效节能降耗。

两大换热设备(蒸发器和冷凝器)中制冷剂管道的合理布置。两大换热设备换热能力的提高对提高系统制冷量,降低能耗十分重要,而换热能力的提高与其中制冷剂管道的合理布置紧密相关。项目研制中,冷藏室蒸发器双排并行盘管紧贴于内胆之上,冷冻室蒸发器采用分层立体结构。冷凝器设计为横、竖盘管混排结构,并采用外挂式。通过这些措施,大大增强了蒸发器与冷凝器的换热能力,经实测,电冰箱最大负荷时

日耗电仅0.39度,而在节能状态下耗电在0.35度以下。

《二》空调器

摘要：近年来，随着人民生活水平的不断提高，空调器产品已成为冬夏季节中人民生活不可或缺的产品。随着生活中电器的的增加，据报到：2004 年国家电网公司拉闸限电 100 多万次，高峰时期电力缺口达 2000～3000万 KW，我国电力需求年达 14%～15%，仅家用空调一项为：400 亿 KW，年家电用量占约全国电力 10%，其年增长率与全国 GDP 增长接近,因此,空调节能势在必行。

空调，就是对空气进行调节，空气调节需要能量，所以空调实质上是能量转换设备，是消耗电能来依靠压缩机对冷媒工质作功，通过换热设备来实现冷、暖调节的。既然是能量转换来实现空气调节，转换效率的高低，就是我们研究的问题。

在空调中，冷凝器、蒸发器实际上都是换热器，换热器约占 50%的份量；在中央空调中换热器约占 50%～70%份量。在能量方面，换热器的好坏直接影响到空调的COP，若换热器传热效率高，制冷效果显著，空调压缩机耗功少，COP 就高。所以，通过优化设计蒸发器冷凝器来降低空调器的耗电量；通过热交换器的强化传热来改善空调的制冷效果。

关键词：空调器热交换器耗电量优化设计强化传热

换热器强化传热措施

人们在换热器的强化传热方面进行了大量的研究，在宏观上对换热器的结构采取了有效措施，而现在在微观的气流分子运动上进行大量强化传热的研究。换热器传热计算通式为：Q=KF△t。从该式可以看出，强化传热不外乎从传热系数 K、传热面积 F、冷热流体传热温差△t 三方面进行。这只是单向流体传热常用公式，对于有沸腾、凝结换热应充分考虑传热系数的不同。

1换热器强化传热的方式

1.1 增大传热面积 F

扩展传热面积是增加传热效果,现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。

1.2 增加传热温差Δt

加大换热器传热温差Δt 是加强换热器换热效果常用的措施之一。但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。依靠增加换热器传热温差Δt 只能有限度的提高换热器换热效果。

1.3 增强传热系数（K）

K = 1/ (1/α1 + 1/α2 ) = (α1 ·α2) / (α1 +α2 )

从上式可以看出 K值必定小于α1 和α2的值,而且它比二者中较小的一个还小。所以在增强传热的时候,必须增大α中较小的一项(即减小最大热阻项) 才能有效地增大传热系数，提高传热系数，增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。

换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。

2换热器管内强化传热措施

2.1 扩展表面法-内肋管

经研究证明，当换热管一侧是气体, 一侧是液体进行强制对流换热时, 最常用的强化手段是采用扩展表面的方法。因为气体的给热系数比液体的小得多, 一般小10～50 倍。传热系数 K 值的变化主要取决于较少给热系数侧的变化, 因此在气体侧采用异形扩展换热面, 可以使普通扩展换热面的换热系数再提高 50 %～150 % 。

常用的异形扩展面形式较多,如交叉短肋型、波型翅多孔型、百页窗型、低翅片管型、销钉型等，实验表明：R12 的工质，内肋管强化传热凝结系数比光管增加 20～40%，按管子表面积计算不考虑内肋表面积，凝结传热系数是光管的 1～2倍。

2.2 插入纽带法

据介绍，国外从 1896 年就开始研究和应用管内插入物的强化传热。管内插入物有:环式、拉希格图、盘式、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带、静态混合器和径向混合器等。在强化传热技术中管内安装插入物的强化传热技术有显著的特点:不改变传热面形状;插入物加工简单,特别适合于现有设备改造,不需要更换原有管壳式换热器。应用在管内插入纽带后，其凝结换热系数按管子的表面积计算时可比光管凝结换热系数高 30%，流动压力损失与内肋管同，但综合效应远不如采用内肋管。

2.3 表面粗糙法

在液体传热场合, 这种强化技术可以大大提高传热系数。因为, 在层流状态下, 如管壁粗糙度较小, 低速流体贴着管壁平滑地流过, 不形成漩涡, 但当相对粗糙度h/ R , 即粗糙高度与管子内半径之比增大时,流体不再平滑地流过管壁,在管壁附近会形成漩涡,即粗糙度对换热和阻力产生影响。在管子内表面增加粗糙度，用高度与管子内径比值为 0.013、0.021 进行实验，凝结系数比光管高近一倍，与内肋管凝结换热系数基本相同，阻力损失和金属的消耗量比内肋管少。

2.4 螺旋扁管法

螺旋扁管由于管子的独特结构,流体在管内处于螺旋流动,促使湍流程度。经实验研究表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高,在低雷诺数时最为明显,2～3倍;随着雷诺数的增大,通常也可提高传热系数 50%以上。

2.5JAD 螺旋螺纹管法

来自加拿大的 JAD 螺旋螺纹管换热器设计是针对目前市场大部分非对称流的换热工况，使两侧换热面积大不相同，壳容积最大可达 4.2倍的管容积，在汽—水换热领域有着无可比拟的优势，并且可满足多种复杂工况要求，被誉为“欧洲蒸汽王子”。螺旋螺纹管换热器的换热管内径一般为 8mm，考虑到了压降和换热系数的最佳组合关系，争取以最小的压降达到最好的换热系数，与常规的管壳式换热器相比，JAD 螺旋螺纹管换热器换热系数大，传热效率高，具有相当的灵活性、适用性和可靠性。JAD 系列螺旋螺纹管换热器独特的螺旋结构、先进的传热机理以及经济实用性，势必决定了其节能、高效的优越性。

2.6 横纹管法

横纹管其形状为管壁被挤压成与管子轴线成 90°的横纹，在管壁内形成一圈一圈突出的圆环。用以强化管内气体和液体的传热及管内气体的冷凝。当流体流经横纹管的圆环时，在管壁上形成轴向漩涡，增加了流体边界层的扰动，有利于通过边界层传递热量。当漩涡将要消失时，流体又经过第二个圆环，从而保证轴向漩涡不断生成。比光管换热器的总传热系数提高 85％，在相同负荷时，可节约 40％的面积，而且基本无结垢和腐蚀现象。

2.7 波纹管法

波纹管是将光管加工成波纹形状的翅片，当流体流经波峰时，速率增加，静压降低，而当流体流经波谷时，速率减小，静压增大。周期性的变化增加了流体的扰动，促使湍流产生，从而增大了传热系数。该管较普通的光管换热器效率提高２~３倍。

2.8 缩放管法

缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道。在扩张段中流体速度降低，静压增加；在收缩段中流体速度增加，静压减小。周期性的变化产生剧烈的漩涡冲刷流体边界层，使其减薄。缩放管可强化管内外单相流体的传热，在同等流阻损失下，Re＝1×104~1×105 范围内，传热量比光管增加 70％。

2.9 流体旋转法

这种强化技术主要用于单相流体管内强制对流换热, 使管内流体发生旋转运动。流体发生旋转可使贴近壁面的流体速度增加, 同时还改变了流体的流动结构, 加速了边界层流体的拢动及边界层流体和主流流体的混合,强化传热过程。提高了传热传热效率。

2.10 添加剂法

在流动液体中加入气体或固体颗粒、在气体中喷入液体或加入固体颗料, 都可起到强化单相流体强制换热的作用。这些强化传热的方法统称为添加剂法。,在水流中加入氮气的试验, 发现传热系数仅增大了 50 %; 在油中加入聚苯乙烯小球的试验也只是使换热系数增大40%左右。对空气中喷入液滴时的传热工况进行研究表明 ,如能在换热面上形成连续液膜,则换热系数最多可增加 30 倍。在气体中加入少量固体颗粒可以强化气体侧的传热。固体颗粒随气体一起流动, 可以减薄热阻最大的边界层厚度。

2.11 静电场法

在液体中加一静电场以强化单相流体的对流换热量是一种有吸引力的强化传热方法。这种方法对气体和液体的自然对流和强制对流都能产生一定的强化传热效应。在静止流体中加上足够强度的静电场后, 会促使流体流动, 形成一股所谓的电晕风。它在一定条件下能强化单相流体的对流换热。采用静电场可使蒸发器的传热系数提高一个数量级,并克服油类介质对泡核沸腾的影响,也能使冷凝液膜产生波状失稳, 引起膜层减薄, 进而降低热阻,使传热系数增加 2 倍。

3 换热器管外强化传热措施

3.1 凝结管旋转法

使内壁粗糙的管束作旋转时凝结换热工况，这实际上是一种合成强化凝结方法，可使传热系数比不转动光管时提高 3.5倍。

3.2 采用螺旋槽法

螺旋槽管法是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管,管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数,起到双边强化的作用。螺旋槽管之所以能够强化传热,是螺旋槽使冷凝液膜产生附加的表面张力场,使平均冷凝液膜减薄,减少了冷凝传热热阻所致。研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。目前,无论是从传热、流阻、阻垢性能,还是从无相变对流换热和有相变凝结换热,对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。

3.3 采用高性能翅片

原来为了增加换热面积，采用平片翅片，但效果不是最佳，现在采用波纹片、条形、双向条形翅片，其表面传热系数：波纹片比平片提高 20%，条形片比平片提高

65%，双向条形片比平片提高 85%。所以，换热器（冷凝器、蒸发器）管内采用螺旋槽，管外采用高性能的翅片进行强化传热，其传热系数要比光管套波纹片提高 65%。

3.4 采用锯齿形翅片和花瓣形翅片

锯齿形翅片与螺旋槽纹管相比，翅片距更密，翅片外缘开有锯齿缺口，其传热面积更大，由于翅片顶部呈错开锯齿状，促进了冷凝液体的对流换热，是光滑管的 6 倍。花瓣形翅片是一种特殊的三维翅片结构强化传热管。其形状是翅片从翅顶到翅根都被割裂开，翅片侧面呈一定的弧线，从侧面看，各翅片成花瓣状。其肋化系数是光滑管的 2.5 倍，增大了换热面积，冷凝传热系数为普通滑管的５~１８倍。

3.5采用 T 型翅片管

T 型翅片管是由光管经过滚轧加工成型的一种高效换热管。其结构特点是在管外表面形成一系列螺旋环状 T 型隧道。管外介质受热时在隧道中形成一系列的气泡核，由于在隧道腔内处于四周受热状态，气泡核迅速膨大充满内腔，持续受热使气泡内压力快速增大，促使气泡从管表面细缝中急速喷出。气泡喷出时带有较大的冲刷力量，并产生一定的局部负压，使周围较低温度液体涌入 T 型隧道，形成持续不断的沸腾。这种沸腾方式在单位时间内，单位表面积上带走的热量远远大于光管，因而这种管型具有较高的沸腾传热能力。传热效果好。在 R113 工质中 T 管的沸腾给热系数比光管高 1.6-3.3 倍。

3.6 采用低螺纹翅片管

低螺纹翅片管是普通换热管经轧制在其外表面形成螺纹翅片的一种高效换热管型，这种管型的强化作用是在管外。对介质的强化作用一方面体现在螺纹翅片增加了换热面积；另一方面是由于壳程介质流经螺纹管表面时，表面螺纹翅片对层流边层产生分割作用，减薄了边界层的厚度。而且表面形成的湍流也较光管强，进一步减薄边界层厚度。综合作用的结果，使该管型具有较高的换热能力。当这种管型用于蒸发时，可以增加单位表面上气泡形成的数量，提高沸腾传热能力；当用于冷凝时，螺纹翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液膜减薄，热阻减少，提高冷凝传热效率。

3.7 采用空心环支撑菱形翅片管

空心环支撑菱形翅片管换热器是以菱形翅片管为传热元件，折流板采用空心环式支撑结构形成的一种新型高效换热器。该换热器的菱形翅片管为带有周向非连续三维翅片的高效传热管，其传热强化性能优于带周向连续翅片的螺纹翅片管。当用于冷凝强化传热时，由于其三维翅片的特殊结构造成翅片表面液膜的表面张力分布不均，根部大，顶部小，液膜被拉向根部，使三维翅片表面的液膜厚度大幅度的减薄，热阻减小，使汽态介质和管外壁的换热能力增强，从而提高换热效果。当用于对流传热强化时，由于其翅片的非连续性，可对流体传热边界层产生周期性的破坏，使翅片表面传热边界层厚度有效减薄，降低边界滞留底层的传热阻力，提高换热效果。在低流阻条件下获得高的传热性能。较光滑管比，其表面膜传热系数或对流膜传热系数提高 1-3倍。

3.8 采用三维管内、外肋法

三维内肋管是一种新型的强化换热管件,通过专用的工具,经过一定的方法对普

通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减薄,从而提高对流传热膜系数。对于空气的管内换热,三维内肋管最高可达相同工况下光管换热的 5.8倍,而对高Ｐｒ数的流体,其强化换热倍数可达

更高值。就管内的凝结换热和沸腾换热而言,采用这种强化传热管，管内肋密度可变，管内、外肋化比可达 6，蒸发换热表面传热系数可达光管的 2～5 倍，冷凝器换热系数可达光管的 3~5 倍。

电冰箱空调器制冷原理图

结语

通过改进换热器结构,采用多层排列的复合立体式蒸发器设计,改单一的竖排管

排列为横、竖混合排列的丝管式外挂冷凝器,借助于电冰箱压缩机、冷凝器、蒸发器及毛细管的优化匹配,并且借助于制冷剂管路走向节能设计等措施,通过变温控制技术的优化设计,研制的ＢＣＤ-186ＣＨＳ直冷电冰箱最大负荷时日耗电0.39度,而在节能状态下耗电在0.35度以下,最低达0.31度。与同样大小固定冷冻室容积的直冷电冰箱相比,项目研制的电冰箱,既满足消费者对温区的多方需求,又显著节能降耗。

通过对以上三个方面的强化传热节能降耗技术的阐述，空调换热器节能降耗是大有可为，在能源消耗的设备中，节能是永恒的科研课题，人们总是希望花费能量的代价越少，获得的能量越多，才是最大的、最好的 COP。在空调换热器上我们希望花费的材质少，传热效率越高，换热器体积少，耗电少，成本降减，质量可靠，环保。这是科学家、企业家永恒的研究、解决的课题。在快速建设四个现代化强国的今天，节能减排，建设节约型社会，人人有责，人们在使用空调时控制适宜的温度，定期清洗过滤器、冷凝器、蒸发器，就能节约大量的能源。

参考文献

1 方言.电冰箱市场需求的大趋势.家用电器科技,2002,(7):34～35

2 河南新飞电器有限公司.电冰箱的蒸发器.中国,实用新型.

3 浅析 JAD 螺旋螺纹管换热器的节能高效.

4 王忠良铁城“新型高效换热管——铜铝复合管”通过专家鉴定.

5 刘恒健梁爱姣管壳式换热器管程强化传热技术研究进展辽宁化工 2006年05 期 .

6 管壳式换热器传热强化及技术进展情况.

7 各种换热器的原理、特点及适用范围.