劉九慶，王　楠，張時(shí)雨

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

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可伸縮式冷藏箱的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

劉九慶，王楠，張時(shí)雨

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

為了達(dá)到儲(chǔ)藏裝置空間可調(diào)、通風(fēng)透氣、節(jié)約能源且安全保鮮的目的，設(shè)計(jì)了一款可伸縮式恒溫冷藏箱.基于Solidwoks建立三維結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)電路，并利用熱力計(jì)算方法分析冷藏箱在不同容量時(shí)的消耗功率及耗電量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷藏箱在實(shí)際應(yīng)用中較家用冰箱一年最高可節(jié)約70%的耗電量，具有儲(chǔ)藏容積大、空間利用率高、高效節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)冷藏箱恒溫特性研究提供了一定的參考和理論依據(jù).

果蔬儲(chǔ)藏；可伸縮式；冷藏箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電路設(shè)計(jì)；熱力計(jì)算；消耗功率；耗電量

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，更多的人住進(jìn)樓房，冬季不具備果蔬儲(chǔ)藏的條件.北方由于供暖的作用，室內(nèi)外溫差較大，居民習(xí)慣于購(gòu)買較多蔬菜備用，通常都儲(chǔ)藏在陽(yáng)臺(tái)或樓道里，儲(chǔ)存條件的不適會(huì)導(dǎo)致蔬菜營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的流失和腐爛.食品與人民群眾的生活息息相關(guān)，果蔬在常溫下易受微生物的作用而變質(zhì)，低溫儲(chǔ)藏能最大程度保持果蔬的新鮮度和原有風(fēng)味[1].為了提供更適宜的環(huán)境來(lái)儲(chǔ)藏果蔬，就目前冰箱空間有限、干耗過(guò)快、無(wú)法通風(fēng)易霉變，并不適合長(zhǎng)期存放蔬菜等問題[2]，本文提出了可伸縮式恒溫冷藏箱的設(shè)計(jì)方案.該設(shè)計(jì)不僅解決現(xiàn)有儲(chǔ)藏裝置占用空間不可調(diào)、空間利用率低等問題，同時(shí)還解決了通風(fēng)透氣的問題，減少經(jīng)濟(jì)支出，安全衛(wèi)生便捷.

1　可伸縮式冷藏箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可伸縮式冷藏箱的制冷系統(tǒng)(如圖1所示)是由金屬底座內(nèi)的制冷元器件通過(guò)管路連通的循環(huán)系統(tǒng).金屬底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過(guò)底箱中的隔熱板將其分為制冷循環(huán)風(fēng)道和風(fēng)冷循環(huán)風(fēng)道.壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管、干燥過(guò)濾管和散熱風(fēng)扇安裝在風(fēng)冷室內(nèi)；蒸發(fā)器和制冷風(fēng)機(jī)安裝在制冷室內(nèi)；在底殼側(cè)壁接近冷凝器排風(fēng)扇處設(shè)有散熱出風(fēng)孔，接近壓縮機(jī)處的側(cè)壁上設(shè)有散熱通風(fēng)孔；在底箱隔熱頂板接近制冷風(fēng)機(jī)處設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，接近蒸發(fā)器處設(shè)有出風(fēng)口；底箱由外殼和保溫隔熱層的頂板構(gòu)成.控制電路板安裝在底座中，通過(guò)管路分別與壓縮機(jī)、制冷風(fēng)機(jī)、散熱風(fēng)扇等連接.

圖1　制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷藏箱的伸縮結(jié)構(gòu)如圖3所示，由隔層托盤、伸縮支架、支撐桿三部分組成.伸縮支架既起到支撐作用，又能通過(guò)壓縮節(jié)省空間，壓縮時(shí)托盤隨支架一起，收展便捷.伸縮機(jī)構(gòu)通過(guò)金屬底座上隔熱板邊角處的安裝孔來(lái)固定，可整體拔出.當(dāng)箱內(nèi)儲(chǔ)藏物減少時(shí)，可通過(guò)伸縮桿壓縮到一定高度，減少過(guò)多閑置空間，有效提高制冷效果的同時(shí)又節(jié)約能源；不使用時(shí)，可將伸縮支架完全壓縮放置，方便收納，不占用空間.箱體內(nèi)部則通過(guò)網(wǎng)狀的隔層托盤將空間有效分割利用，方便放置果蔬的同時(shí)還可提高箱內(nèi)空氣流動(dòng)，增加果蔬的通風(fēng)效果.為了保護(hù)制冷箱體及方便移動(dòng)使用，底箱底部設(shè)計(jì)了底盤托架和動(dòng)腳輪.

圖3　伸縮結(jié)構(gòu)

可伸縮式冷藏裝置的箱體隔熱結(jié)構(gòu)是可固定在金屬底座上，圍繞金屬伸縮支架外圍的可折疊保溫罩，該保溫罩為夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充真空隔熱保溫材料，具有厚度薄、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，可提高保溫效果，有效減少熱傳導(dǎo)[3]；外部為帆布材質(zhì)，密封隔熱效果好，且在隔熱層前部設(shè)計(jì)拉鏈結(jié)構(gòu)，方便拆卸和拿取果蔬；開口處為密封保溫邊帶，減少拉鏈處的冷量散失和水分的凝結(jié).保溫罩為柔性設(shè)計(jì)，可隨支架一起伸縮展開，可整體卸除，便于使用收納，利于搬運(yùn)，裝置整體效果圖如圖4所示.

圖4　裝置整體效果圖

1.3控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

可伸縮式冷藏箱的控制系統(tǒng)示意圖如圖5所示，具體的控制系統(tǒng)電路框圖如圖6所示。

圖5　控制系統(tǒng)示意圖

該冷藏箱控制系統(tǒng)主要由輸入系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成.輸入系統(tǒng)主要用于用戶的人機(jī)交互和指令輸入，方便用戶對(duì)冷藏箱的控制；信息處理系統(tǒng)主要用于將用戶的指令進(jìn)行解讀，之后通過(guò)單片機(jī)對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制；執(zhí)行系統(tǒng)主要是對(duì)箱體進(jìn)行制冷，完成冷藏箱對(duì)食品的保鮮工作.當(dāng)啟動(dòng)冷藏箱電源之后，單片機(jī)上電，整個(gè)冷藏箱控制系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài).用戶通過(guò)輸入系統(tǒng)的鍵盤選擇冷藏箱功能、設(shè)定溫度；單片機(jī)接收到輸入系統(tǒng)的用戶指令后，控制壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，同時(shí)將用戶設(shè)定的溫度存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中并在鎖存器中鎖存；壓縮機(jī)開始制冷后，冷藏箱中的溫、濕度傳感器將冷藏箱中的實(shí)時(shí)溫度通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)入到單片機(jī)中，之后與鎖存器中用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比對(duì)；當(dāng)冷藏箱中的溫度達(dá)到用戶的設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)發(fā)送指令使壓縮機(jī)進(jìn)入到待機(jī)工作狀態(tài).

圖6　控制系統(tǒng)電路框圖

2　可伸縮式冷藏箱制冷系統(tǒng)研究

2.1冷藏箱的使用條件

該冷藏裝置一般放置在居民樓陽(yáng)臺(tái)，根據(jù)食用蔬菜的溫濕度保存條件[4]，箱內(nèi)貯藏果蔬的溫度范圍在0～6℃，適宜相對(duì)濕度為85%～95%.制冷系統(tǒng)選用性能優(yōu)異的新型R600a制冷劑，其具有較低的蒸發(fā)壓力和壓力差，并有較大的汽化潛能，冷卻能力強(qiáng)，不損壞臭氧層，無(wú)溫室效應(yīng)，耗電量小，經(jīng)濟(jì)效益高，此外R600a壓縮機(jī)具有較小的氣流噪音和機(jī)械噪音[5].

該冷藏箱通過(guò)隔層托盤分割為五層，其箱體最大箱內(nèi)有效總?cè)莘e為744 L，最小箱內(nèi)有效容積為124 L，中間有效容積為434 L，選取這三種不同容量，通過(guò)制冷系統(tǒng)的熱力分析計(jì)算，比較不同有效容量的制冷負(fù)荷及耗電量.

2.2冷負(fù)荷計(jì)算

總負(fù)荷Q包括箱體漏熱量Q1，開門漏熱量Q2，儲(chǔ)物熱量Q3.冷藏裝置還包括一些其他沒有考慮到的熱量以及計(jì)算過(guò)程中存在的誤差，一般增加10%的余度[6].其他負(fù)荷不計(jì)，冷藏裝置的總熱負(fù)荷為

Q=1.1(Q1+Q2+Q3)

(1)

箱體漏熱量Q1包括箱體隔熱層漏熱量Qa，箱門漏熱量Qb，箱體結(jié)構(gòu)件熱橋傳熱量Qc，因箱體采用的發(fā)泡成型隔熱材料，無(wú)支撐形成的冷橋，故Qc可以不計(jì)算，即

Q1=Qa+Qb+Qc

(2)

Qa=KA(ta-tn)

(3)

式中：A為箱體外表面積；箱外空氣溫度ta=15℃；箱內(nèi)空氣溫度tn=3℃；K為傳熱系數(shù)，計(jì)算公式為

(4)

式中：aw為箱外空氣對(duì)箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速為0.1～0.15 m/s時(shí)，取aw=11.0W/(m2·K)；an為箱內(nèi)壁對(duì)箱內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，an=1.1 W/(m2·K)；λ為隔熱材料的導(dǎo)熱率，λ=0.035 W/(m2·K)；δ為隔熱材料的厚度.

由于Qb值難以計(jì)算得出，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取Qb為Qa的15%.

設(shè)定箱內(nèi)空氣全部被置換為外界空氣，則開門漏熱量Q2可表示為

(5)

式中：VB為箱內(nèi)容積；n為開門次數(shù)；Δh為進(jìn)入箱內(nèi)空氣達(dá)到規(guī)定溫度時(shí)的比焓差，Δh=36.19 kJ/kg.

家用冷藏裝置的儲(chǔ)物熱量沒有明確的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，參照電冰箱標(biāo)準(zhǔn)，按照以電冰箱內(nèi)容積0.5%的25℃水在2 h內(nèi)結(jié)成實(shí)冰的規(guī)定計(jì)算儲(chǔ)物熱量Q3，其表達(dá)式為

(6)

式中：m為水的質(zhì)量；水的比熱容c=4.19kJ/(kg·K)；水的凝固熱r=333 J/g；水的初始溫度為25℃.

將不同容量冷藏箱計(jì)算的Q1、Q2、Q3分別代入式(1)中，得出總熱負(fù)荷Q.冷藏箱不同容量的熱負(fù)荷值如表1所示.

表1　不同容量的熱負(fù)荷值

2.3制冷系統(tǒng)的能耗計(jì)算

2.3.1制冷工況

在進(jìn)行制冷設(shè)備的配套選擇和計(jì)算之前，首先應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求和外界條件來(lái)確定制冷裝置的工作參數(shù)，主要包括冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、過(guò)冷溫度及吸氣溫度.當(dāng)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度越高，冷凝溫度越低時(shí)，它的制冷量越大，即單位制冷量所消耗的功率就越小.因此，在滿足使用條件的前提下，應(yīng)盡量提高制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，降低冷凝溫度，從而獲得最佳的經(jīng)濟(jì)性制冷循環(huán).

根據(jù)箱內(nèi)溫度范圍在0～6℃，采用自然對(duì)流式空氣冷卻，取冷凝溫度為tk=30℃，蒸發(fā)溫度為t0=-5℃.通過(guò)分析R600a的熱力性質(zhì)表和壓焓圖查出各狀態(tài)點(diǎn)的熱力性質(zhì)，得出制冷參數(shù)值如表2所示.

表2　相關(guān)制冷參數(shù)

2.3.2熱力計(jì)算

通過(guò)表1中的制冷量Q及表2的相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行熱力計(jì)算，冷藏箱制冷系統(tǒng)制冷劑的質(zhì)量循環(huán)量為

(7)

式中，單位質(zhì)量制冷量q0為

(8)

通過(guò)式(8)得q0=287.93 kJ/kg，代入式(7)可得不同容量的質(zhì)量循環(huán)量分別為0.995 g/s，0.597 g/s，0.198 g/s.

2.3.3壓縮機(jī)選型及功率計(jì)算

本文選用滾動(dòng)式轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、質(zhì)量輕、噪聲低并且單位功率制冷量大[7]，適合該冷藏箱質(zhì)輕、低能耗的要求.根據(jù)熱力計(jì)算和滾動(dòng)式轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[8]，初步確定壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)參數(shù).

制冷壓縮機(jī)消耗的理論功為

W=mR(h2-h1)

(9)

在實(shí)際工作中，壓縮機(jī)會(huì)產(chǎn)生能量損失和壓力損失，壓縮制冷蒸氣所消耗的單位功和功率為指示功和指示功率[9]，理論功與指示功的比值為指示效率ηi，即

(10)

式中，指示效率取ηi=0.92，則可得指示功Wi.

在指示功中并沒有包括克服機(jī)械摩擦所消耗的功，消耗在壓縮機(jī)軸上的軸功與軸功率，把壓縮單位制冷劑時(shí)指示功率與軸功率的比值稱為機(jī)械功率ηm，機(jī)械功率一般取0.70～0.90，軸功率公式為

(11)

壓縮機(jī)由電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)，配套的電動(dòng)機(jī)功率W0=1.15Ws，令ηm=0.8，可得配套的電機(jī)功率W0，則冷藏箱在不同容量下壓縮機(jī)的功率如表3所示.

表3　不同容量的壓縮機(jī)功率

2.4不同容量的耗電量分析

可伸縮式冷藏箱不同于傳統(tǒng)意義上的家用冰箱，對(duì)于北方居民，果蔬儲(chǔ)藏容量隨著季節(jié)的變化而不同，當(dāng)氣候嚴(yán)寒又逢過(guò)新年時(shí)期，居民對(duì)果蔬的需求量較大，因此儲(chǔ)藏空間為最大值744 L；當(dāng)需求量相對(duì)較小時(shí)，儲(chǔ)藏空間為中間值434 L；當(dāng)早春時(shí)節(jié)，隨著溫度的回升，氣候逐漸變暖，對(duì)果蔬的儲(chǔ)藏需求降低，儲(chǔ)藏空間為最小值124 L；其他時(shí)間則不需要大量?jī)?chǔ)藏果蔬，可將冷藏裝置壓縮起來(lái)放置.

冷藏裝置不同容量使用時(shí)間均按照兩個(gè)月計(jì)算，壓縮機(jī)的運(yùn)行系數(shù)為0.25，依據(jù)表3壓縮機(jī)的消耗功率計(jì)算冷藏箱的日耗電量，如表4所示.通過(guò)表4可知，可伸縮式冷藏裝置在一年中實(shí)際應(yīng)用耗電量約為48.6 kWh.

表4　不同容量的耗電量

以有效容積為320 L，日耗電量0.7 kWh的家用冰箱作為對(duì)象進(jìn)行耗電量對(duì)比，其結(jié)果如圖7所示.由圖可知，冷藏箱的耗電量較家用冰箱最高可節(jié)約70%，且冷藏箱的有效容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于家用冰箱的使用容量.

圖7　冷藏箱與家用冰箱月耗電量比較

3　結(jié)　論

通過(guò)以上分析得出如下結(jié)論：

1) 所設(shè)計(jì)的伸縮式冷藏箱由金屬底座、伸縮機(jī)構(gòu)及保溫外罩三部分組成，通過(guò)伸縮支架實(shí)現(xiàn)收納方便，空間可調(diào)，便于通風(fēng)的保鮮要求.

2) 通過(guò)制冷系統(tǒng)的熱力分析計(jì)算得出冷藏箱不同容量的壓縮機(jī)電機(jī)功率值；分析了冷藏箱在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的耗電量，并與家用冰箱進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果證明了冷藏箱在實(shí)際應(yīng)用中可行性及節(jié)能優(yōu)勢(shì).

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(責(zé)任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Design and application of scalability refrigerator

LIU Jiu-qing,WANG Nan,ZHANG Shi-yu

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

In order to realize the goal of adjustable storage device space,good ventilation,energy conservation as well as safety and freshness,a scalability refrigerator with constant temperature was designed.A 3D structural model was established based on Solidworks,and the control system circuit was designed.With the thermodynamic calculation method,the consumed power and electricity consumption of refrigerator under different volume capacities were analyzed.The results show that the refrigerator can save up to 70 percent of electricity consumption a year in the practical application compared with the household refrigerator,and has such advantages as large storage capacity,high space utilization,high efficiency and energy conservation.Moreover,the present study can provide certain references and theoretical basis for the following research on the constant temperature characteristics of refrigerator.

fruit and vegetable storage; scalability; refrigerator; structure design; circuit design; thermodynamic calculation; consumed power; electricity consumption

2015-11-05.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DL13EA03-04).

劉九慶(1971-)，男，遼寧葫蘆島人，教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及測(cè)控等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.10

TB 65

A

1000-1646(2016)02-0175-05

*本文已于2016-03-02 16∶48在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1648.052.html

機(jī)械工程