冰箱設(shè)計(jì)全過程.doc

主要介紹以半導(dǎo)體器件為制冷源的新型全無氟綠色食品冰箱。它具有冷凍和冷藏功能，其特點(diǎn)是制冷源采用半導(dǎo)體制冷器件的原理（帕爾帖效應(yīng))。同時對冷藏室抽真空。具有換氣、除臭、食品保鮮及真空預(yù)冷等多項(xiàng)功能。 在真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)適當(dāng)?shù)某闅鈺r間計(jì)算出真空的抽速，以選擇合適的真空設(shè)備。自動控制系統(tǒng)對冷凍和冷藏室分別加以控制，利用溫度傳感器AD590和壓阻規(guī)ZDY-1及其控制單元實(shí)現(xiàn)對真空設(shè)備和制冷設(shè)備的電氣控制，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)顯與自動的控制。該機(jī)制冷速度快，具有潛在市場效應(yīng)。 關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷；真空；無污染；保鮮；制冷速度 隨著人們生活質(zhì)量提高，民以食為天的準(zhǔn)則不隨以飽來衡量，因而對食品提出了更高的要求，人們不僅要求食品品質(zhì)優(yōu)良，營養(yǎng)豐富，而且要求品種繁多，衛(wèi)生便利，故如何延長各類食品的存放保鮮期，保持天然食品原有狀態(tài)、色澤風(fēng)味和營養(yǎng)成分，成為姆學(xué)家的研究方向。 冷凍儲藏為人們所熟知，但傳統(tǒng)的冷凍儲藏有其缺陷，即冷藏后產(chǎn)品營養(yǎng)流失，形狀、色澤、氣味均有改變，且不易復(fù)原。傳統(tǒng)的制冷裝置所需時間長，這正是導(dǎo)致以上缺陷的原因。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電冰箱的冷凍儲藏時間已有所縮短，但仍不能滿足人們對食物的新鮮度、營養(yǎng)性的要求。而且由于冰箱內(nèi)空氣的流動，食品水分的蒸發(fā)，食品在冰箱內(nèi)的存放期較短。同時由于冷卻的速度不夠快，耗電量就大。為了解決冰箱存在的上述缺點(diǎn)，采用在冰箱內(nèi)部抽真空冷卻的方法來加快冷卻速度，延長食品的存放期，提高食品的保鮮度。同時對食品產(chǎn)生的異味進(jìn)行排除，提高了產(chǎn)品的儲藏質(zhì)量。冰箱雖然已普及，但污染問題越來越受到人們的關(guān)注，都在尋求氟利昂的替代品，其中無氟冰箱早已出現(xiàn)，但它們對大氣仍有不同程度的污染，因而就要尋找另一種新的制冷源。經(jīng)研究，利用帕爾帖效應(yīng)的(熱電)半導(dǎo)體致冷器件來克服污染問題。熱電致冷器件有許多機(jī)械式致冷無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、工作環(huán)境要求低、尺寸小、重量輕、無任何機(jī)械部分、工作中無噪聲、通過調(diào)節(jié)工作電流的大小可調(diào)節(jié)致冷效率、切換電流方向，能夠使致冷器從致冷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成致熱狀態(tài)，作用速度快、使用壽命長且易于控制。因此，本研究主要針對冰箱內(nèi)部抽真空和半導(dǎo)體制冷源加以研究，對冰箱進(jìn)行了改革，使其能滿足現(xiàn)代人的生活需要，對環(huán)境不造成威脅。1 半導(dǎo)體致冷冰箱的結(jié)構(gòu)與工作原理 半導(dǎo)體致冷冰箱是利用半導(dǎo)體致冷器件的帕爾帖效應(yīng)和真空預(yù)冷原理而設(shè)計(jì)的多功能式冰箱1-3，它由箱體、制冷裝置、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等4大部分組成。11半導(dǎo)體致冷原理 圖1為半導(dǎo)體制冷原理，可分為2部分來研究。當(dāng)電流的極性如圖所示時，電子從電源負(fù)極出發(fā)，經(jīng)金屬片結(jié)點(diǎn)4，p型半導(dǎo)體，結(jié)點(diǎn)l，金屬片回到電源正極。但因左半部是p型半導(dǎo)體，導(dǎo)電方式是空穴型的，空穴流動方向與電子流動方向相反，所以空穴是從金屬片，結(jié)點(diǎn)3，p型半導(dǎo)體，結(jié)點(diǎn)4，金片回到電源負(fù)極?？昭ㄔ诮饘佼?dāng)中所具有的能量，低于在半導(dǎo)體中所具有的能量。當(dāng)空穴在電場作用下，由金屬片通過結(jié)點(diǎn)3，到達(dá)p型半導(dǎo)體時，必須增加一部分能量。但空穴本身無法自己增加能量，只有從金屬片中吸收能量，并把這部分熱能變成空穴的勢能。因而在結(jié)點(diǎn)3處的金屬片的溫度便降低。而當(dāng)空穴沿p型半導(dǎo)體通向結(jié)點(diǎn)4流向金屬片時，由于p型半導(dǎo)體中空穴的能量大于金屬中空穴的能量，因而要釋放出多余的勢能，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茚尫懦鰜?，所以使結(jié)點(diǎn)4處金屬片的溫度升高。而圖1中右半部由n型半導(dǎo)體金屬片相聯(lián)接，靠自由電子導(dǎo)電。電子在金屬中的勢能低于在n型半導(dǎo)體中的勢能，在電場的作用下，電子從金屬片通過結(jié)點(diǎn)2到達(dá)n型導(dǎo)體時必然要增加勢能，這部分勢能也只能從金屬片的熱能取得，因而使結(jié)點(diǎn)2處金屬片的溫度降低，當(dāng)電子從n型半導(dǎo)體經(jīng)過結(jié)點(diǎn)1流向金屬片時，因電子是由勢能較高的地方流向勢能較低的地方，所以釋放出多余的勢能，并轉(zhuǎn)變成熱能，使結(jié)點(diǎn)1處金屬片的溫度升高。從上述分析可知，上部金屬片的溫度降低，成為冷端，這樣溫度低的金屬片便從周圍介質(zhì)吸熱使周圍介質(zhì)得到冷卻，因而達(dá)到了制冷的目的；而下部兩聯(lián)結(jié)片則放熱，成為熱端，在制冷時熱端所產(chǎn)生的熱量必須排走。12真空冷卻保鮮原理 真空冷卻是在減壓條件下，使果蔬表面的一部分水分迅速蒸發(fā)，由于水分在蒸發(fā)過程中吸熱而使果蔬達(dá)到冷卻的目的4。如果在低溫條件下抽真空，可以加快制冷源的制冷速度。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)是100oC，而當(dāng)壓力下降到610 Pa時，水的沸點(diǎn)是0oC。在不同壓力下，水的氣化熱也不相同。在l105 Pa時，1g水蒸發(fā)需2275 J的熱量，而當(dāng)壓力下降到610Pa時，1g水蒸發(fā)需2515 J的熱量。由此可見，隨著壓力的降低，水的沸點(diǎn)溫度降低，蒸發(fā)單位質(zhì)量的水所消耗的熱量反而增加。這就是說，只要抽真空，被冷卻處理的物料表面水分就會在低溫下蒸發(fā)，同時消耗較多的熱量，在沒有熱源的情況下能很快降低物料自身的溫度而達(dá)到冷卻的目的，這就叫作真空冷卻。 在l105610 Pa和1000oC的壓力和溫度范圍內(nèi)，水是最好的制冷劑。壓力低于610 Pa以后，溫度就會低于0oC，造成被保鮮物料的冷凍，這是真空冷卻所不允許的。一般真空冷卻時要求果蔬食品的水分損失不超過5，否則將造成被保鮮食品的萎蔫。在壓力從一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓降低到610 Pa的過程中，僅有23的水分被蒸發(fā)，果蔬食品不干枯，質(zhì)量不減少。一般認(rèn)為每蒸發(fā)質(zhì)量1的水分，大約使食品溫度下降6oC，假設(shè)從30oC冷卻到2oC，其失水率不超過5，所以食品的風(fēng)味、品質(zhì)不受影響。2 半導(dǎo)體制冷冰箱的設(shè)計(jì)計(jì)算21殼體設(shè)計(jì)計(jì)算 箱體有2個室：冷藏室和冷凍室，且對冷藏室抽真空，因而殼體的設(shè)計(jì)是根據(jù)低溫低壓環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱體的設(shè)計(jì)原則，殼體分四層：鋼板、防潮層、隔熱層、護(hù)板(由內(nèi)向外)。 (1)鋼板殼體用角鋼焊接成內(nèi)外構(gòu)架，在外構(gòu)架內(nèi)側(cè)點(diǎn)焊厚0.5mm的鋼板。 (2)防潮層制冷裝置啟動后，隔熱層溫度由內(nèi)向外不同程度地降低。降溫后，隔熱層中空氣的體積縮小，空氣中水蒸氣的分壓力隨溫度的降低而降低，這就在隔熱層內(nèi)外有一個水蒸氣分壓力的差值。如果沒有防潮層，大氣中的水蒸氣就會和空氣中的水蒸氣一起進(jìn)入隔熱層。進(jìn)入隔熱層的水蒸氣在被冷卻后變成水，這會大大破壞材料的隔熱性能。因此防潮層起著非常重要的作用。 本設(shè)計(jì)選用的防潮層為二層涂刷均勻、光滑的除瀝青瑪碲脂，厚度為2mm。 (3)隔熱層 隔熱層的作用是防止熱量傳人被除卻的空間，其應(yīng)具有的主要特性是：導(dǎo)熱系數(shù)小、容重小、耐低溫性好。所以選擇聚苯乙烯泡沫塑料作隔熱材料。 平壁所需隔熱層厚度： =(TB-TW)(TZ-Tb)式中為隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)，取=0.035 WmK；為空氣對隔熱層外表面的放熱系數(shù)，取=8.14 Wm2K；TW為隔熱物體的溫度(oC)；TZ周圍環(huán)境溫；為隔熱層厚度；Tb為隔熱層外表面溫度。已知：TW(冷藏) = 2oC，TW(冷凍) = -16oC，：Tb = 27oC，TZ = 30oC可得：(冷藏) = 35mm，(冷凍) = 60mm (4)護(hù)板 因箱體要承受外壓，對于食品儲藏室，又必須得防銹，所以選用不銹鋼板。取其厚度為2mm。為了增加殼體的機(jī)械強(qiáng)度，以免變形，根據(jù)盒形殼體的設(shè)計(jì)方法，采用加強(qiáng)筋補(bǔ)強(qiáng)5。加強(qiáng)筋的布置如圖2所示：橫加強(qiáng)筋的寬度和高度分別為0.6和1.8cm。22箱體冷負(fù)荷計(jì)算 箱體只有從介質(zhì)的溫度降到設(shè)計(jì)溫度的過程中需要冷量，根據(jù)這個階段的冷負(fù)荷選擇半導(dǎo)體制冷器件的各項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)箱體內(nèi)所需的溫度及冷卻速率的一般要求在O.11.5oCmin，可知冷藏室、冷凍室的降溫時間的分別為1120和1840s。2.2.1產(chǎn)品降溫階段冷負(fù)荷 本設(shè)計(jì)冰箱外形尺寸長、寬、高分別是75，60，120 cm。冷藏室外形高96 cm，冷凍室高24 cm，估計(jì)冷藏室有效容積為120 L，冷凍室為30 L。 Q1(冷藏) = mc(T1-T2)/Q1(冷凍) = mc(T1-T0)+c0(T0-T2)+式中m為產(chǎn)品質(zhì)量，c為冰點(diǎn)以上時食品的比熱容；c0為冰點(diǎn)以下時食品的比熱容，T0為冰點(diǎn)溫度；T1為開始溫度，T2為最終溫度；為降溫時間；為潛熱。冷藏室中以冷藏葡萄為例，其儲藏容積為9.4m3t，比熱容c0為3.60 kJkgK。冷凍室中以冷凍魚為例，其儲藏容積為8.1 m3t，比熱容c0為1.80 kJkgK?？傻茫篞(冷藏)=1.25 kW，Q1(冷凍)：0.76 kW2.2.2箱體內(nèi)零件降溫冷負(fù)荷 冷藏室的主要零件是一層擱板和置于半導(dǎo)體冷端的熱導(dǎo)體鋁，冷凍室的主要零件是置于半導(dǎo)體冷端的熱導(dǎo)體鋁。由熱傳導(dǎo)公式可得：Q2(冷藏) = 0.086 kW，Q2(冷凍)=0.054 kW。2.2.3箱壁降溫冷負(fù)荷 為計(jì)算方便，將加強(qiáng)筋體積折合成冷藏室，整個箱體鋼板體積的厚度，hp=0.106 mm查表知：鋼板：1 = 7750 kg/m3，c1 = 0.5 kJkgK泡沫塑料：2= 30 kg/m3，c2 = 0.03 kJkgK防潮層：3 = 2000 kgm3，c3 = 0.6 kJkgK則由Q = mc(T2-T1)/ 可得：Q3(冷藏) = 0.089 kW，Q3(冷凍) = 0.023 kW2.2.4通過箱體傳入冷負(fù)荷Q4 Q4 = KSp(TH-T4)式中Sp為箱體外表面積的平均值(m2)；TH為環(huán)境溫度(oC)；T4為箱體內(nèi)溫度(oC)；K為熱導(dǎo)率?？傻茫篞4(冷藏)=0.026 kW；Q4(冷凍)=0.005 kW。2.2.5開門冷損耗Q5 Q5 = V(iw一in)式中：V為實(shí)驗(yàn)室有效體積；為空氣在該溫度下的比重；iw為實(shí)驗(yàn)室外空氣的熱焓；in為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的熱焓?？傻茫篞5(冷藏) = 0.005 kW，Q5(冷凍) = 0.0016 kW2.2.6產(chǎn)品降溫階段總冷負(fù)荷 Q = Q1 + Q2+ Q3 + Q4+ Q5 可得(取1.11.2的安全系數(shù))： Q(冷藏) = 1.76 kW；Q(冷凍)=1.012 kW。23致冷器設(shè)計(jì)計(jì)算 如果采用單個的半導(dǎo)體致冷器件，則需幾百個制冷器串聯(lián)或并聯(lián)，這樣會占用很大的空間，造成冰箱笨重，所以本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體溫差電模塊。散熱器裝置分2級：一級使用水冷裝置，它和串聯(lián)的溫差電模塊及起貯冷作用的熱導(dǎo)體組合成一套固定的裝置。另一級是空氣強(qiáng)制冷卻。 本設(shè)計(jì)采用美國NSI公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體致冷模塊，其各項(xiàng)參數(shù)如下：表1半導(dǎo)體致冷模塊參數(shù)模塊 ToK I最佳/A U最佳/V T最大/K Q/W Ac/mm2 Lm/mm N 8HF 300 7.0 5.5 60 65 17.519.25 3.0 1 表中To為半導(dǎo)體致冷器熱端溫度；I最佳，U最佳分別為最佳工作電流和最佳工作電壓；T最大是在Qo = 0時的最大溫差；Q為熱面的最大熱功率；Lm為模塊的總高；N為級數(shù)；Ac為端面面積。 由致冷效率和所求出的冷負(fù)荷可得冷藏室中所需致冷模塊的熱功率為2.07 kW，冷凍室中為4.048 kW，又因?yàn)殡妷簽?.5 V時，一個致冷模塊的熱功率為63 W，所以冷藏室所需致冷模塊的個數(shù)為N=207063=33個，冷凍室所需致冷模塊的個數(shù)為N=408063=65個。每套致冷源中有33個半導(dǎo)體致冷模塊串聯(lián)，冷藏室用一套這樣的致冷源，冷凍室用2套。 在本設(shè)計(jì)中，致冷器件排布密集，產(chǎn)冷量高，所以采用換熱系數(shù)大的循環(huán)水散熱系統(tǒng)，為了避免致冷源產(chǎn)生的熱量穿透箱體較薄的金屬造成局部過冷，在電堆的冷端設(shè)置第一熱導(dǎo)體和第二熱導(dǎo)體，以使冷量在箱體內(nèi)均勻分散。24真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 本設(shè)計(jì)真空部分包括真空泵、儲氣室和真空管道。冷藏室的門把手上設(shè)有一進(jìn)氣閥，以便開啟箱門。 根據(jù)真空冷卻保鮮原理知：對冷藏室抽真空能保鮮食品，加快冷卻速度。但如果真空度過高會使果蔬萎蔫皺縮。所以綜合考慮上述因素，確定其極限壓強(qiáng)為6800 Pa，所需真空系統(tǒng)抽氣速率為： y = 2.3(V/t)lg(p1/p2) 式中：t為真空泵抽氣時間(s)；V為被抽容器容積(L)；p1為被抽容器起始壓力(Pa)；p2為被抽容器設(shè)定壓力(Pa)。 由已知條件可得：y=0.5 Ls 對冰箱抽真空所選用的泵必須能從大氣開始抽氣，且要體積小、重量輕、成本低，因而選用2X-0.5型旋片泵。為減少旋片泵返油，污染被抽空間，在旋片泵進(jìn)氣口設(shè)置油分離器，油分離器的筒身直徑D=24 mm。3 裝置的自動控制系統(tǒng) 在冰箱中設(shè)置自動控制系統(tǒng)，可提高冰箱的使用性能?？刂葡到y(tǒng)對冷藏室的壓強(qiáng)和溫度及冷凍室的溫度進(jìn)行控制，其控制系統(tǒng)的簡圖如圖3所示6。 在本設(shè)計(jì)中，冷藏室溫度設(shè)定為2oC，冷凍室的溫度設(shè)定為-16oC，所以選用AD590溫度傳感器。用此傳感器及其他元件構(gòu)成溫度控制測量系統(tǒng)。冷藏室真空