可伸縮式冷藏箱的設計與應用*

劉九慶，王　楠，張時雨

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

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可伸縮式冷藏箱的設計與應用*

劉九慶，王楠，張時雨

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

為了達到儲藏裝置空間可調、通風透氣、節約能源且安全保鮮的目的，設計了一款可伸縮式恒溫冷藏箱.基于Solidwoks建立三維結構模型，設計了控制系統電路，并利用熱力計算方法分析冷藏箱在不同容量時的消耗功率及耗電量.實驗結果表明，冷藏箱在實際應用中較家用冰箱一年最高可節約70%的耗電量，具有儲藏容積大、空間利用率高、高效節能等優勢，為后續冷藏箱恒溫特性研究提供了一定的參考和理論依據.

果蔬儲藏；可伸縮式；冷藏箱；結構設計；電路設計；熱力計算；消耗功率；耗電量

隨著社會經濟的快速發展，城鎮化進程加快，更多的人住進樓房，冬季不具備果蔬儲藏的條件.北方由于供暖的作用，室內外溫差較大，居民習慣于購買較多蔬菜備用，通常都儲藏在陽臺或樓道里，儲存條件的不適會導致蔬菜營養價值的流失和腐爛.食品與人民群眾的生活息息相關，果蔬在常溫下易受微生物的作用而變質，低溫儲藏能最大程度保持果蔬的新鮮度和原有風味[1].為了提供更適宜的環境來儲藏果蔬，就目前冰箱空間有限、干耗過快、無法通風易霉變，并不適合長期存放蔬菜等問題[2]，本文提出了可伸縮式恒溫冷藏箱的設計方案.該設計不僅解決現有儲藏裝置占用空間不可調、空間利用率低等問題，同時還解決了通風透氣的問題，減少經濟支出，安全衛生便捷.

1　可伸縮式冷藏箱結構設計

1.1底座結構設計

可伸縮式冷藏箱的制冷系統(如圖1所示)是由金屬底座內的制冷元器件通過管路連通的循環系統.金屬底座內部結構如圖2所示，通過底箱中的隔熱板將其分為制冷循環風道和風冷循環風道.壓縮機、冷凝器、毛細管、干燥過濾管和散熱風扇安裝在風冷室內；蒸發器和制冷風機安裝在制冷室內；在底殼側壁接近冷凝器排風扇處設有散熱出風孔，接近壓縮機處的側壁上設有散熱通風孔；在底箱隔熱頂板接近制冷風機處設有進風口，接近蒸發器處設有出風口；底箱由外殼和保溫隔熱層的頂板構成.控制電路板安裝在底座中，通過管路分別與壓縮機、制冷風機、散熱風扇等連接.

圖1　制冷系統結構

圖2　底座內部結構

1.2伸縮結構設計

冷藏箱的伸縮結構如圖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，又能通過壓縮節省空間，壓縮時托盤隨支架一起，收展便捷.伸縮機構通過金屬底座上隔熱板邊角處的安裝孔來固定，可整體拔出.當箱內儲藏物減少時，可通過伸縮桿壓縮到一定高度，減少過多閑置空間，有效提高制冷效果的同時又節約能源；不使用時，可將伸縮支架完全壓縮放置，方便收納，不占用空間.箱體內部則通過網狀的隔層托盤將空間有效分割利用，方便放置果蔬的同時還可提高箱內空氣流動，增加果蔬的通風效果.為了保護制冷箱體及方便移動使用，底箱底部設計了底盤托架和動腳輪.

圖3　伸縮結構

可伸縮式冷藏裝置的箱體隔熱結構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，該保溫罩為夾層結構，內部填充真空隔熱保溫材料，具有厚度薄、體積小、質量輕的優點，可提高保溫效果，有效減少熱傳導[3]；外部為帆布材質，密封隔熱效果好，且在隔熱層前部設計拉鏈結構，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.保溫罩為柔性設計，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，裝置整體效果圖如圖4所示.

圖4　裝置整體效果圖

1.3控制系統電路設計

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

圖5　控制系統示意圖

該冷藏箱控制系統主要由輸入系統、信息處理系統和執行系統組成.輸入系統主要用于用戶的人機交互和指令輸入，方便用戶對冷藏箱的控制；信息處理系統主要用于將用戶的指令進行解讀，之后通過單片機對執行系統進行控制；執行系統主要是對箱體進行制冷，完成冷藏箱對食品的保鮮工作.當啟動冷藏箱電源之后，單片機上電，整個冷藏箱控制系統進入工作狀態.用戶通過輸入系統的鍵盤選擇冷藏箱功能、設定溫度；單片機接收到輸入系統的用戶指令后，控制壓縮機進行制冷，同時將用戶設定的溫度存儲到存儲器中并在鎖存器中鎖存；壓縮機開始制冷后，冷藏箱中的溫、濕度傳感器將冷藏箱中的實時溫度通過A/D轉換器轉入到單片機中，之后與鎖存器中用戶設定的溫度進行比對；當冷藏箱中的溫度達到用戶的設定溫度時，單片機發送指令使壓縮機進入到待機工作狀態.

圖6　控制系統電路框圖

2　可伸縮式冷藏箱制冷系統研究

2.1冷藏箱的使用條件

該冷藏裝置一般放置在居民樓陽臺，根據食用蔬菜的溫濕度保存條件[4]，箱內貯藏果蔬的溫度范圍在0～6℃，適宜相對濕度為85%～95%.制冷系統選用性能優異的新型R600a制冷劑，其具有較低的蒸發壓力和壓力差，并有較大的汽化潛能，冷卻能力強，不損壞臭氧層，無溫室效應，耗電量小，經濟效益高，此外R600a壓縮機具有較小的氣流噪音和機械噪音[5].

該冷藏箱通過隔層托盤分割為五層，其箱體最大箱內有效總容積為744 L，最小箱內有效容積為124 L，中間有效容積為434 L，選取這三種不同容量，通過制冷系統的熱力分析計算，比較不同有效容量的制冷負荷及耗電量.

2.2冷負荷計算

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

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，箱體結構件熱橋傳熱量Qc，因箱體采用的發泡成型隔熱材料，無支撐形成的冷橋，故Qc可以不計算，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℃；箱內空氣溫度tn=3℃；K為傳熱系數，計算公式為

(4)

式中：aw為箱外空氣對箱體的表面傳熱系數，當室內風速為0.1～0.15 m/s時，取aw=11.0W/(m2·K)；an為箱內壁對箱內空氣的表面傳熱系數，an=1.1 W/(m2·K)；λ為隔熱材料的導熱率，λ=0.035 W/(m2·K)；δ為隔熱材料的厚度.

由于Qb值難以計算得出，一般根據經驗數據取Qb為Qa的15%.

設定箱內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為箱內容積；n為開門次數；Δh為進入箱內空氣達到規定溫度時的比焓差，Δh=36.19 kJ/kg.

家用冷藏裝置的儲物熱量沒有明確的計算標準，參照電冰箱標準，按照以電冰箱內容積0.5%的25℃水在2 h內結成實冰的規定計算儲物熱量Q3，其表達式為

(6)

式中：m為水的質量；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算的Q1、Q2、Q3分別代入式(1)中，得出總熱負荷Q.冷藏箱不同容量的熱負荷值如表1所示.

表1　不同容量的熱負荷值

2.3制冷系統的能耗計算

2.3.1制冷工況

在進行制冷設備的配套選擇和計算之前，首先應根據生產工藝的要求和外界條件來確定制冷裝置的工作參數，主要包括冷凝溫度、蒸發溫度、過冷溫度及吸氣溫度.當制冷系統的蒸發溫度越高，冷凝溫度越低時，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，應盡量提高制冷系統的蒸發溫度，降低冷凝溫度，從而獲得最佳的經濟性制冷循環.

根據箱內溫度范圍在0～6℃，采用自然對流式空氣冷卻，取冷凝溫度為tk=30℃，蒸發溫度為t0=-5℃.通過分析R600a的熱力性質表和壓焓圖查出各狀態點的熱力性質，得出制冷參數值如表2所示.

表2　相關制冷參數

2.3.2熱力計算

通過表1中的制冷量Q及表2的相關參數值進行熱力計算，冷藏箱制冷系統制冷劑的質量循環量為

(7)

式中，單位質量制冷量q0為

(8)

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

2.3.3壓縮機選型及功率計算

本文選用滾動式轉子壓縮機，其結構簡單，體積小、質量輕、噪聲低并且單位功率制冷量大[7]，適合該冷藏箱質輕、低能耗的要求.根據熱力計算和滾動式轉子壓縮機的結構特點[8]，初步確定壓縮機的機構參數.

制冷壓縮機消耗的理論功為

W=mR(h2-h1)

(9)

在實際工作中，壓縮機會產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械摩擦所消耗的功，消耗在壓縮機軸上的軸功與軸功率，把壓縮單位制冷劑時指示功率與軸功率的比值稱為機械功率ηm，機械功率一般取0.70～0.90，軸功率公式為

(11)

壓縮機由電動機直接傳動，配套的電動機功率W0=1.15Ws，令ηm=0.8，可得配套的電機功率W0，則冷藏箱在不同容量下壓縮機的功率如表3所示.

表3　不同容量的壓縮機功率

2.4不同容量的耗電量分析

可伸縮式冷藏箱不同于傳統意義上的家用冰箱，對于北方居民，果蔬儲藏容量隨著季節的變化而不同，當氣候嚴寒又逢過新年時期，居民對果蔬的需求量較大，因此儲藏空間為最大值744 L；當需求量相對較小時，儲藏空間為中間值434 L；當早春時節，隨著溫度的回升，氣候逐漸變暖，對果蔬的儲藏需求降低，儲藏空間為最小值124 L；其他時間則不需要大量儲藏果蔬，可將冷藏裝置壓縮起來放置.

冷藏裝置不同容量使用時間均按照兩個月計算，壓縮機的運行系數為0.25，依據表3壓縮機的消耗功率計算冷藏箱的日耗電量，如表4所示.通過表4可知，可伸縮式冷藏裝置在一年中實際應用耗電量約為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的家用冰箱作為對象進行耗電量對比，其結果如圖7所示.由圖可知，冷藏箱的耗電量較家用冰箱最高可節約70%，且冷藏箱的有效容量遠遠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　論

通過以上分析得出如下結論：

1) 所設計的伸縮式冷藏箱由金屬底座、伸縮機構及保溫外罩三部分組成，通過伸縮支架實現收納方便，空間可調，便于通風的保鮮要求.

2) 通過制冷系統的熱力分析計算得出冷藏箱不同容量的壓縮機電機功率值；分析了冷藏箱在實際應用時的耗電量，并與家用冰箱進行了對比，結果證明了冷藏箱在實際應用中可行性及節能優勢.

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(責任編輯：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.

中央高校基本科研業務專項資金資助項目(DL13EA03-04).

劉九慶(1971-)，男，遼寧葫蘆島人，教授，博士，主要從事機械設計及測控等方面的研究.

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在中國知網優先數字出版.網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1648.052.html

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