刘九庆，王　楠，张时雨

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)



可伸缩式冷藏箱的设计与应用*

刘九庆，王楠，张时雨

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

为了达到储藏装置空间可调、通风透气、节约能源且安全保鲜的目的，设计了一款可伸缩式恒温冷藏箱.基于Solidwoks建立三维结构模型，设计了控制系统电路，并利用热力计算方法分析冷藏箱在不同容量时的消耗功率及耗电量.实验结果表明，冷藏箱在实际应用中较家用冰箱一年最高可节约70%的耗电量，具有储藏容积大、空间利用率高、高效节能等优势，为后续冷藏箱恒温特性研究提供了一定的参考和理论依据.

果蔬储藏；可伸缩式；冷藏箱；结构设计；电路设计；热力计算；消耗功率；耗电量

随着社会经济的快速发展，城镇化进程加快，更多的人住进楼房，冬季不具备果蔬储藏的条件.北方由于供暖的作用，室内外温差较大，居民习惯于购买较多蔬菜备用，通常都储藏在阳台或楼道里，储存条件的不适会导致蔬菜营养价值的流失和腐烂.食品与人民群众的生活息息相关，果蔬在常温下易受微生物的作用而变质，低温储藏能最大程度保持果蔬的新鲜度和原有风味[1].为了提供更适宜的环境来储藏果蔬，就目前冰箱空间有限、干耗过快、无法通风易霉变，并不适合长期存放蔬菜等问题[2]，本文提出了可伸缩式恒温冷藏箱的设计方案.该设计不仅解决现有储藏装置占用空间不可调、空间利用率低等问题，同时还解决了通风透气的问题，减少经济支出，安全卫生便捷.

1　可伸缩式冷藏箱结构设计

1.1底座结构设计

可伸缩式冷藏箱的制冷系统(如图1所示)是由金属底座内的制冷元器件通过管路连通的循环系统.金属底座内部结构如图2所示，通过底箱中的隔热板将其分为制冷循环风道和风冷循环风道.压缩机、冷凝器、毛细管、干燥过滤管和散热风扇安装在风冷室内；蒸发器和制冷风机安装在制冷室内；在底壳侧壁接近冷凝器排风扇处设有散热出风孔，接近压缩机处的侧壁上设有散热通风孔；在底箱隔热顶板接近制冷风机处设有进风口，接近蒸发器处设有出风口；底箱由外壳和保温隔热层的顶板构成.控制电路板安装在底座中，通过管路分别与压缩机、制冷风机、散热风扇等连接.

图1　制冷系统结构

图2　底座内部结构

1.2伸缩结构设计

冷藏箱的伸缩结构如图3所示，由隔层托盘、伸缩支架、支撑杆三部分组成.伸缩支架既起到支撑作用，又能通过压缩节省空间，压缩时托盘随支架一起，收展便捷.伸缩机构通过金属底座上隔热板边角处的安装孔来固定，可整体拔出.当箱内储藏物减少时，可通过伸缩杆压缩到一定高度，减少过多闲置空间，有效提高制冷效果的同时又节约能源；不使用时，可将伸缩支架完全压缩放置，方便收纳，不占用空间.箱体内部则通过网状的隔层托盘将空间有效分割利用，方便放置果蔬的同时还可提高箱内空气流动，增加果蔬的通风效果.为了保护制冷箱体及方便移动使用，底箱底部设计了底盘托架和动脚轮.

图3　伸缩结构

可伸缩式冷藏装置的箱体隔热结构是可固定在金属底座上，围绕金属伸缩支架外围的可折叠保温罩，该保温罩为夹层结构，内部填充真空隔热保温材料，具有厚度薄、体积小、质量轻的优点，可提高保温效果，有效减少热传导[3]；外部为帆布材质，密封隔热效果好，且在隔热层前部设计拉链结构，方便拆卸和拿取果蔬；开口处为密封保温边带，减少拉链处的冷量散失和水分的凝结.保温罩为柔性设计，可随支架一起伸缩展开，可整体卸除，便于使用收纳，利于搬运，装置整体效果图如图4所示.

图4　装置整体效果图

1.3控制系统电路设计

可伸缩式冷藏箱的控制系统示意图如图5所示，具体的控制系统电路框图如图6所示。

图5　控制系统示意图

该冷藏箱控制系统主要由输入系统、信息处理系统和执行系统组成.输入系统主要用于用户的人机交互和指令输入，方便用户对冷藏箱的控制；信息处理系统主要用于将用户的指令进行解读，之后通过单片机对执行系统进行控制；执行系统主要是对箱体进行制冷，完成冷藏箱对食品的保鲜工作.当启动冷藏箱电源之后，单片机上电，整个冷藏箱控制系统进入工作状态.用户通过输入系统的键盘选择冷藏箱功能、设定温度；单片机接收到输入系统的用户指令后，控制压缩机进行制冷，同时将用户设定的温度存储到存储器中并在锁存器中锁存；压缩机开始制冷后，冷藏箱中的温、湿度传感器将冷藏箱中的实时温度通过A/D转换器转入到单片机中，之后与锁存器中用户设定的温度进行比对；当冷藏箱中的温度达到用户的设定温度时，单片机发送指令使压缩机进入到待机工作状态.

图6　控制系统电路框图

2　可伸缩式冷藏箱制冷系统研究

2.1冷藏箱的使用条件

该冷藏装置一般放置在居民楼阳台，根据食用蔬菜的温湿度保存条件[4]，箱内贮藏果蔬的温度范围在0～6℃，适宜相对湿度为85%～95%.制冷系统选用性能优异的新型R600a制冷剂，其具有较低的蒸发压力和压力差，并有较大的汽化潜能，冷却能力强，不损坏臭氧层，无温室效应，耗电量小，经济效益高，此外R600a压缩机具有较小的气流噪音和机械噪音[5].

该冷藏箱通过隔层托盘分割为五层，其箱体最大箱内有效总容积为744 L，最小箱内有效容积为124 L，中间有效容积为434 L，选取这三种不同容量，通过制冷系统的热力分析计算，比较不同有效容量的制冷负荷及耗电量.

2.2冷负荷计算

总负荷Q包括箱体漏热量Q1，开门漏热量Q2，储物热量Q3.冷藏装置还包括一些其他没有考虑到的热量以及计算过程中存在的误差，一般增加10%的余度[6].其他负荷不计，冷藏装置的总热负荷为

Q=1.1(Q1+Q2+Q3)

(1)

箱体漏热量Q1包括箱体隔热层漏热量Qa，箱门漏热量Qb，箱体结构件热桥传热量Qc，因箱体采用的发泡成型隔热材料，无支撑形成的冷桥，故Qc可以不计算，即

Q1=Qa+Qb+Qc

(2)

Qa=KA(ta-tn)

(3)

式中：A为箱体外表面积；箱外空气温度ta=15℃；箱内空气温度tn=3℃；K为传热系数，计算公式为

(4)

式中：aw为箱外空气对箱体的表面传热系数，当室内风速为0.1～0.15 m/s时，取aw=11.0W/(m2·K)；an为箱内壁对箱内空气的表面传热系数，an=1.1 W/(m2·K)；λ为隔热材料的导热率，λ=0.035 W/(m2·K)；δ为隔热材料的厚度.

由于Qb值难以计算得出，一般根据经验数据取Qb为Qa的15%.

设定箱内空气全部被置换为外界空气，则开门漏热量Q2可表示为

(5)

式中：VB为箱内容积；n为开门次数；Δh为进入箱内空气达到规定温度时的比焓差，Δh=36.19 kJ/kg.

家用冷藏装置的储物热量没有明确的计算标准，参照电冰箱标准，按照以电冰箱内容积0.5%的25℃水在2 h内结成实冰的规定计算储物热量Q3，其表达式为

(6)

式中：m为水的质量；水的比热容c=4.19kJ/(kg·K)；水的凝固热r=333 J/g；水的初始温度为25℃.

将不同容量冷藏箱计算的Q1、Q2、Q3分别代入式(1)中，得出总热负荷Q.冷藏箱不同容量的热负荷值如表1所示.

表1　不同容量的热负荷值

2.3制冷系统的能耗计算

2.3.1制冷工况

在进行制冷设备的配套选择和计算之前，首先应根据生产工艺的要求和外界条件来确定制冷装置的工作参数，主要包括冷凝温度、蒸发温度、过冷温度及吸气温度.当制冷系统的蒸发温度越高，冷凝温度越低时，它的制冷量越大，即单位制冷量所消耗的功率就越小.因此，在满足使用条件的前提下，应尽量提高制冷系统的蒸发温度，降低冷凝温度，从而获得最佳的经济性制冷循环.

根据箱内温度范围在0～6℃，采用自然对流式空气冷却，取冷凝温度为tk=30℃，蒸发温度为t0=-5℃.通过分析R600a的热力性质表和压焓图查出各状态点的热力性质，得出制冷参数值如表2所示.

表2　相关制冷参数

2.3.2热力计算

通过表1中的制冷量Q及表2的相关参数值进行热力计算，冷藏箱制冷系统制冷剂的质量循环量为

(7)

式中，单位质量制冷量q0为

(8)

通过式(8)得q0=287.93 kJ/kg，代入式(7)可得不同容量的质量循环量分别为0.995 g/s，0.597 g/s，0.198 g/s.

2.3.3压缩机选型及功率计算

本文选用滚动式转子压缩机，其结构简单，体积小、质量轻、噪声低并且单位功率制冷量大[7]，适合该冷藏箱质轻、低能耗的要求.根据热力计算和滚动式转子压缩机的结构特点[8]，初步确定压缩机的机构参数.

制冷压缩机消耗的理论功为

W=mR(h2-h1)

(9)

在实际工作中，压缩机会产生能量损失和压力损失，压缩制冷蒸气所消耗的单位功和功率为指示功和指示功率[9]，理论功与指示功的比值为指示效率ηi，即

(10)

式中，指示效率取ηi=0.92，则可得指示功Wi.

在指示功中并没有包括克服机械摩擦所消耗的功，消耗在压缩机轴上的轴功与轴功率，把压缩单位制冷剂时指示功率与轴功率的比值称为机械功率ηm，机械功率一般取0.70～0.90，轴功率公式为

(11)

压缩机由电动机直接传动，配套的电动机功率W0=1.15Ws，令ηm=0.8，可得配套的电机功率W0，则冷藏箱在不同容量下压缩机的功率如表3所示.

表3　不同容量的压缩机功率

2.4不同容量的耗电量分析

可伸缩式冷藏箱不同于传统意义上的家用冰箱，对于北方居民，果蔬储藏容量随着季节的变化而不同，当气候严寒又逢过新年时期，居民对果蔬的需求量较大，因此储藏空间为最大值744 L；当需求量相对较小时，储藏空间为中间值434 L；当早春时节，随着温度的回升，气候逐渐变暖，对果蔬的储藏需求降低，储藏空间为最小值124 L；其他时间则不需要大量储藏果蔬，可将冷藏装置压缩起来放置.

冷藏装置不同容量使用时间均按照两个月计算，压缩机的运行系数为0.25，依据表3压缩机的消耗功率计算冷藏箱的日耗电量，如表4所示.通过表4可知，可伸缩式冷藏装置在一年中实际应用耗电量约为48.6 kWh.

表4　不同容量的耗电量

以有效容积为320 L，日耗电量0.7 kWh的家用冰箱作为对象进行耗电量对比，其结果如图7所示.由图可知，冷藏箱的耗电量较家用冰箱最高可节约70%，且冷藏箱的有效容量远远大于家用冰箱的使用容量.

图7　冷藏箱与家用冰箱月耗电量比较

3　结　论

通过以上分析得出如下结论：

1) 所设计的伸缩式冷藏箱由金属底座、伸缩机构及保温外罩三部分组成，通过伸缩支架实现收纳方便，空间可调，便于通风的保鲜要求.

2) 通过制冷系统的热力分析计算得出冷藏箱不同容量的压缩机电机功率值；分析了冷藏箱在实际应用时的耗电量，并与家用冰箱进行了对比，结果证明了冷藏箱在实际应用中可行性及节能优势.

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(责任编辑：景勇英文审校：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.

中央高校基本科研业务专项资金资助项目(DL13EA03-04).

刘九庆(1971-)，男，辽宁葫芦岛人，教授，博士，主要从事机械设计及测控等方面的研究.

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在中国知网优先数字出版.网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1648.052.html

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