冷柜制冷系统设计分析

1、制冷系统原理介绍一般制冷机的制冷原理压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小， 压力升高。 压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后， 成为压力较低的液体后， 送入蒸发器， 在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽， 再送入压缩机的入口， 从而完成制冷循环。 压缩制冷系统循环见下图 1-1。单级蒸汽压缩制冷系统，是由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀四个基本部件组成。 它们之间用管道依次连接， 形成一个密闭的系统， 制冷剂在系统中不断地循环流动，发生状态变化，与外界进行热量交换。液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、 在冷凝器中向冷却介质 (水或空气 ) 放热，冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。 这样，制冷剂在系统中经过蒸发、 压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。在制冷系统中，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件，这当中蒸发器是输送冷量的设备。制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。 节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量， 并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。实际制冷系统中， 除上述四大件之外，常常有一些辅助设备，如电磁阀、分配器、干燥器、集热器、易熔塞、压力控制器等部件组成， 它们是为了提高运行的经济性，可靠性和安全性而设置的。2、冷柜制冷系统设计2.1 、冷柜制冷系统设计的内容和流程制冷系统设计的主要内容是落实一款产品的整个制冷系统，需明确压缩机、蒸发器、冷 凝器等一系列制冷件， 但也要考虑其它零件， 如感温导管、连接管等。简单来说，就是制冷人员要将整个制冷系统考虑一遍，并在明细表中确定下来。需要考虑的大原则是零件尽量通用，产品设计零件数量少，零件规格通用化，加工设备（包括外协厂制作加工）尽量少，生产效率高。针对冷柜系统焊点要尽可能少， 简单产品不超过 10个焊点， 最多不超过 15个。压缩机物料号需技术副总审批， 通用化高的制冷件物料审批需部长级审批，通用化较低的零件则需室主任审批，以便控制零件数量。为达到减少零件目的， 可采取一定措施尽可能不出装配图或集成更多的零件一起出装配图。 可通过在零件上增加标示的方式达到装配的目的，比如在内藏式冷凝器的进出口端一定位置增加颜色标示，就可以省去出外箱部件图。 还可以将蒸发器、回气管部件、感温导管、电气件与结构件一起出在箱体部件图中。制冷设计的一般流程如下（以新产品为例）：了解产品的结构，如产品的外观、内箱尺寸、箱体泡层以及门体泡层和压缩机仓尺寸；计算热负荷，选择合适的压缩机（需考虑压缩机的高度、安装尺寸，具体见压缩机的选择篇）；设计蒸发器、冷凝器和回气管部件 ， 该过程需要考虑能否借用目前现有的零件；其它零件 ，如连接管、感温导管、干燥器和储液器、温控器等；安排零件制作和样机制作，针对不是本地供应的零件，需要提前让采购部门采购，以免影响试制；性能测试和整改 ，针对性能测试，针对不符合性能的，需要进行整改，具体需要根据试验表现出来的问题，进行单一整改或几个零件一起更改；采用注释。小批验证 。小批主要验证产品的一致性，主导部门是工艺部，考虑更多的是产品的装配性和工艺性，会造成产品零件的更改；批量上市后的生产或市场反馈整改。当一款产品上市后，有可能存在结构或性能上的不足，需要进行整改。制冷系统设计的主要参数一般是要能体现零件的要点，防止某些方面不满足要求时会造成某些后果。 因此，需要零件在进货检验或批量抽检中给予检查是否符合设计要求。2.2 、冷柜制冷系统零部件设计小型压缩式制冷产品的制冷系统由压缩机、冷凝器、蒸发器、干燥过滤器和回气管部件（含毛细管）组成。制冷系统在小型制冷装置中，制冷剂主要是在管道中流动，所以设计的工作对象在管道上。因此有必要了解下管道知识。2.2.1 、制冷管路概述目前管道的材质主要有铜管（毛细管作为精密铜管，单独列出）、铁（钢）管和铝管，它们的牌号和规格和用途见表1。表1 制冷管道规格用途表材料牌号常用规格一般用途铜管TP2-M 4.0*0.55 连接管、除露管4.76*0.75 封尾管6.0*0.6 、 6.0*0.5 连接管、蒸发器7.94*0.6 、7.94*0.7 连接管、蒸发器9.52*0.4 翅片蒸发器、翅片冷凝器铝管1060、6.0*0.5 感温导管3003 8.0*0.75 翅片蒸发器9.52*0.75 翅片蒸发器钢管单层镀锌钢管、单层镀铜钢管4.0*0.51 冷凝器4.76*0.71 丝管式冷凝器、冷凝器6.0*0.5 蒸发器、冷凝器6.0*0.71 丝管式冷凝器6.35*0.71 丝管式冷凝器7.8*0.6 蒸发器管道加工要求： 管道作为金属件， 采用普通冷加工工艺对管道进行弯曲、扩口、缩口是有限度的，具体表2。缩口由于是内径减少过程，长度和缩口尺寸一般均可以满足。表 2 管道加工要求指标材料延伸率最小弯管半径是否允许扩缩口最大扩口率扩口总长度特殊情况下扩口长度铜管35% D*4 可以40% 17 与压缩机连接处 12mm ，封尾管25mm 钢管24% D*4 不允许扩口- - - 铝管28% D*4 可以30% 17 - 如管道在弯管过程中外圈有保护或管道内部有软管防止变形，弯管半径可以做到更小。一般在丝管式冷凝器和翅片蒸发器的弯管中比较常见。如尺寸超过目前已有零件的加工范围，建议在该情况下咨询外协厂是否有能力加工。2.2.2 、压缩机设计我司所用的压缩机制冷量较小，全部为全封闭制冷压缩机。全封闭制冷压缩机 （后续简称压缩机） 的压缩机和电动机全部被封闭在一个钢制外壳内，电动机在气态制冷剂中运行，结构紧凑，体积小，重量轻，密闭性能好，振动小，噪声低，多用于家用制冷空调设备和小型商用制冷设备中。按结构型式可分为往复式、活动转子式和涡旋式三大类。压缩机作为制冷循环的 “心脏” ， 是重要外购件，到我司时已经是一个整体。我司选用压缩机需要考虑的是，制冷剂，电源、制冷量、COP ，启动电容，压缩机高度、安装尺寸等等因素， 表 3 已列出大致的性能参数。 目前压缩机噪声已经比较低，但需留意个别压缩机的噪声值和振动值，避免安装到产品后噪声超标。另外设计人员还需要对压缩机的价格有一定的了解，有可能符合要求的压缩机有好几个厂家， 需选择最优的压缩机。 一般厂家每年都会推出压缩机的产品目录供制冷人员参考。制冷人员了解后对有疑问的可以咨询厂家相关人员。表 3 压缩机主要性能参数制冷剂电源制冷量COP 高度吸排侧方向认证R600a 220-240V/50Hz 160 1.65 170 同侧VDE R134a 115V/60Hz 150 1.43 172 异侧UL R290 220-240V/50Hz 840 2.2 184 同侧CCC 压缩机选择需要考虑以上因素外，有时还需要考虑其它参数， 特别是新增压缩机，还要知道压缩机排气管、 回气管和工艺管的内外管径，压缩机附件是否会影响产品装配。另外，压缩机考虑到上面因数外， 还涉及到压缩机的可靠性， 不能通过可靠性测试的压缩机不能投入批量使用，就需要另外选择压缩机。 因此，我司对新匹配的压缩机原则是选择厂家已大批量生产过的成熟基型。压缩机作为重要零件， 除压缩机需满足国家标准外， 还需满足我司的企业标准冷柜压缩机验收标准 、 压缩机起停寿命试验 、 压缩机 1000h 加速寿命试验 、 压缩机保护器。2.2.3 、蒸发器设计冷柜目前使用的蒸发器型式主要有内藏式蒸发器、翅片式蒸发器和吹胀式蒸发器。见图 2。但蒸发器的种类绝不是这三类，比如冰箱常用的层架式丝管蒸发器、板管蒸发器，制冰机用的盘管蒸发器，在不同情况下采用不同的蒸发器，这就需要我们在选择蒸发器类别时予以考虑。图 2 蒸发器（从左到右分别为内藏式蒸发器、吹胀式蒸发器和翅片式蒸发器）2.2.4 、冷凝器设计卧柜冷凝器设计需要考虑产品的热负荷，一般容积在500 升以下，采用 4冷凝器。 500升以上则用 6。冷凝器的型式主要有丝管式冷凝器、 翅片冷凝器和内藏冷凝器， 具体见图 5。图 5 （从左到右分别是丝管式冷凝器、翅片冷凝器和内藏冷凝器）在冷柜上使用的冷凝器除考虑本身的安装空间外，还需考虑是自然冷却还是强制风冷冷却。 如产品是风冷， 则冷凝器的尺寸会比自然冷却小得多（从传热系数可以看出差异）。当冷凝器的结构型式确定后，冷凝器的主要考虑因数在肋片的间距（内藏冷凝器的间距是将外箱作为肋）。不同的冷凝器参数见表4。表 4 不同冷凝器的参数比较冷凝器形式材料特点传热系数W/(m2.K) 标准间距mm 备注内藏式冷凝器铜管、钢管、铝管均可贴在内箱的发泡层侧，不占空间，便于清扫，不易损伤， 传热性能较差68 80 一般用于卧柜立柜较少使用丝管式冷凝器 钢管传热性能较好，整体强度好，材料费低，但钢丝碰焊泄漏风险较高79（无冷凝电机）1520（有冷凝电机）钢丝间距 6 冷凝管间距 25、30、40 立柜卧柜翅片铜管传热性能3040（有翅片间立柜式冷凝器好，成本高冷凝电机）距：4.5 、6 卧柜微通道冷凝器铝管传热效果好，材料用料少，缺点清扫困难，需增加过滤网暂无数据2.2 立柜内藏式冷凝器：为提高冷凝器的生产效率，一款冷凝器只能使用一种半径，即半径 40mm 。 通用管间距为 80mm ， 其它间距则可以通过调整直线段长度来满足。通常管径为 4mm ，有时为增强换热效果，可采用更大管径的冷凝器，如4.76mm或6.0mm 。丝管式冷凝器：丝管式冷凝器可分为底部丝管式冷凝器和背挂式丝管式冷凝器。均可以采用自然冷却和风冷冷却。底部丝管式冷凝器由于安装空间有限，需要采用卷曲方式并用固定板固定，因此，管径可以多种。 背挂冷凝器则受安装夹限制，一般管径为 4.76mm 。但通用的钢丝间距为6mm ，钢丝管径为 1.5mm或1.3mm 。翅片冷凝器：端板厚度目前小型号（500L以下）为 0.7mm ，大型号（ 500L及以上）端板厚度为1.0mm ，翅片间距为 4.5 或 6.0mm 。由于翅片冷凝器换热效率高，尤其需要留意灰尘对冷凝器的影响，高端产品需要增加防尘网， 低端产品则需要客户定期清扫冷凝器。微通道换热器：在汽车空调中已大量应用，目前家用空调和冷柜正在推广。由扁管加工成蛇管， 为了提高其承压能力在蛇管内加肋。为了提高管内换热， 目前还有把通道做成锯齿形，以增加管内换热面积和增加扰动。见图6。主要有几个优点：从传热和阻力观点看，扁管的水力半径小；从结构和工艺看，蛇管可大大减少焊接弯头，工艺简单，且减少可能的泄漏点，提高了可靠性。从材料看，为全铝材构成，重量轻，成本低。图 6 微通道换热器2.2.5 、回气管部件与毛细管设计回气管部件作为最大的连接管， 一般均缠绕有毛细管。 原因是制冷系统采用了回热循环， 回热循环的单位质量制冷量和理论比功均有增加，故回热循环的制冷系数是增大还是减小同制冷剂的种类有关， R134a、R290 、R502采用回热循环时制冷系数提高，而R22采用回热循环时制冷系数无明显变化。毛细管与回气管通用缠绕方式： 卧柜采用铝箔 （公司前期还采用过从回气管中间穿出方式，由于成本较高，没有采用），立柜则一般采用白色热缩套。但最有效的方式为将毛细管锡焊在回气管上，但存在加工效率低，成本高的缺点。回气管部件因有两个零件， 因此设计时需留意回气管连接蒸发器出口端和压缩机吸气管的管径，毛细管则与蒸发器入口管连接，另外一端则与干燥器连接，因此，需特别留意本身零件长度和配接零件的管径大小。回气管材料的选择： 由于回气管的温度较低， 又暴露在空气中，