对冰箱制冷系统及使用材料和工艺的分析研究
1.1.1制冷系统使用的工质R12是家用电冰箱广泛使用的传统制冷剂，随着全球环保意识的逐步加强，各冰箱厂家都在积极进行制冷工质的替代工作。R12的替代物主要有R134a、R60a，由于三者的热物理性质存在不同程度上的差异，压缩机也有不同程度的差异。
制冷量是压缩机最主要的技术指标，用于衡量压缩机工作能力的大小。在上面提到的“压缩机技术性能”参数表中所给的数值是标准工况下的制冷量，该值随工况条件的变化而变化，具体可以压缩机厂提供的性能曲线。
为了评价压缩机的制冷效果和总电能消耗之间的关系，国外常用“能效比”的概念，英文称为“EnergyEfficiencyRatio”，即EER值，单位是。国内称为“单位功率制冷量”，即COP值，单位是。两者之间的换算关系是：1.5之间。
家用电冰箱使用的全封闭压缩机是将电动机与压缩装置组成一个整体，密封在金属壳体中。
电动机作为原动力，是必不可少的部件，对它的技术参数也应注意。如工作电压范围一般是180 -240V，为一些地区需要特设低压起动。使用电源方面，国内为220V/50Hz，出口日美的冰箱为115V/60Hz3另外还有润滑油的选择，起动器、保护器的工作参数等。
在冰箱制冷系统中干燥过滤器安装在冷凝器的出口与毛细管的进口之间，它的作用主要有两个：干燥-清除系统中残留水分，防止产生冰堵，并减少水分对系统的腐蚀；滤除制冷系统中的杂质，避免杂质堵塞毛细管或损伤压缩机。
它的结构较简单，铜管做成的壳体，两端设有150目左右的金属过滤网。中间填充的干燥剂一般选用分子筛，R12与R134a系统分子筛材料和填充量有区别，原为R12系统设计的不能用在R134a系统。
毛细管是冰箱的节流降压装置，装在冰箱的两大换热部件――冷凝器、蒸发器之间，维持两换热器之间的压力差，并控制工质的流量，保持合理的蒸发温度，以实现冰箱的正常、安全、经济运行。
毛细管是紫铜管制成的等截面细管，内径为0.5 ~4m，具体数值由冰箱制冷量和蒸发温度来定。
冷凝器、蒸发器是冰箱的两大换热部件，两者的作用刚好相反。从压缩机送来的高温高压气态制冷剂通过冷凝器迅速散热，很快变为液体；从毛细管出来的低温低压液态制冷剂通过导热良好的蒸发器，吸收与蒸发器接触的周围介质（空气或食物）的热量，很快气化，达到制冷的目的。
冷凝器排放的热量，既包括制冷剂在蒸发器中吸收的热量，又包括压缩机做功而产生的热量。
两器的结构形式多样，冰箱的冷凝器基本上是采用空气自然对流式结构，有外置、内藏两种形式。外置是挂在冰箱背部，多为丝管式，也有部分百叶窗式。内置式一般由三部分组成：一是蒸发皿（接冰箱中的化霜水）下的蒸发盘管；二是内藏式冷凝器，一般贴在冰箱外壳的左右侧板内侧；三是分布在冰箱门周围的防露管，既起到了冷凝器的作用，又可使箱体门边温度升高，防止凝露流水。参见。容积不是很大的冰箱一般无第一部分。
蒸发器按冷却方式分为强制对流式、自然对流式两种。用于风冷冰箱的强制对流式多为翅片盘管式结构。用于直冷冰箱的自然对流式，样式较多：在小容积的冷藏箱中多是外置的铝板吹胀式蒸发器；双门直冷冰箱，传统的上F下R的采用内置发泡层内的管板式，目前国内流行的上R下厂室为暗抽屉结构，其R蒸发器还是使用管板式，F蒸发器多为丝管式层架蒸发器，也有部分管板式层架蒸发器，不论何种形式，层架蒸发器都是外置在F室内。
2系统内压力、温度分析蒸汽压缩式制冷系统中，工质从某一状态开始，经过各种状态变化，又回到初始状态，在这种周而复始的变化过程中，每一次都消耗一定的机械功而从低温物体吸热，并将此热转移至高温物体。这种一面改变制冷剂状态，一面完成制冷作用的全过程被称为制冷循环。给出了制冷循环示意，是典型的家用电冰箱的R12工质在循环中的状态变化图。
由一状态变成另一状态称为一个过程，制冷循环共有四个过程。
压缩过程（A-B）制冷剂在压缩机内发生状态变化。R12气体从进气管处的。8MPa提高到排气管处的1.2MPa左右。温度也从初始的25丈升高到90T左右。工质在整个过程中都为气态。
这个过程有两个作用，一是降低制冷工质的温度；二是将工质由气体状态冷凝到液体状态。
由于冷凝器的管子截面对流过的工质流量来说是足够大的，流动阻力很小，整个过程工质压力略低于压缩机的排气压力。冷凝过程开始部分的温度接近90T左右，而最后部分约为55.冰箱制冷系统的这一段由过滤器、毛细管和与之并焊在一起的回气管组成。制冷工质在毛细管中形成相当的压力降，并把热量传给在回气管中对向流动的低温工质。在制冷循环中这一过程稍复杂，但非常重要。通过这个过程，制冷液体由高温高压变为低温低压湿蒸气。
在这一过程中产生特定的制冷效果，整个过程可分为三个阶段，状态图中的D-E表示制冷剂从毛细管出来进入蒸发器的初始阶段，工质膨胀，温度和压力进一步降低。E-F这是一个主要阶段，周围环境的热量主要是在这段被吸收，制冷剂逐渐完全气化，在这一阶段中制冷剂温度和压力稳定，约为-25~-30，―个大气压左右。F-A阶段在蒸发器与压缩机相连接的回气管内发生。气态低温制冷工质从毛细管、外部环境中吸收热量，压力、温度逐渐增加，在回气管尾部工质温度已和环境温度接近。工质回复初始状态重新进人压缩过程，开始新一轮循环。
表1给出了冰箱压缩机测试工况参数，表2给了几种常用工质在各工况下的蒸发、冷凝压力和压缩比实验参数。
表1冰箱压缩机测试工况参数工况名称蒸发温度冷凝温度过冷温度吸气温度t环境温度标准工况冰箱工况表2冰箱测试实验数据工况制冷剂蒸发压力kPa（A）冷凝压力kPa（A）压缩比标准冰箱3管道系统使用的材料为完成制冷循环各个热力过程所需要的机械设备及连接它们的管路、管路附件等组成的系统，称为制冷系统。系统中使用到的最多材料就是不同内径的导管，制冷工质（还包含少量冷冻机油和微量杂质）在系统中发生着状态、压力、温度的变化，制冷系统中所进行的过程是一个融合传热、传质的复杂过程，它是一个动态过程，又是一个具有分布参数性质的过程。对组成系统的材料在导热性能、酎腐蚀性、高温低温下机械性能的稳定性等方面都有相应的要求。目前在冰箱制冷系统中使用最多的管材是ACR铜管，另外还有邦迪管（含钢质焊管）、连续挤压铝管。
ACR铜管铜的热传导率比其它任何金属都高，具有高的耐腐蚀性能，在低温环境下铜的机械性能变化不明显。这些基本特性使之在空调及制冷行业中被广泛应用。空调与制冷用铜管（CopperTubeforAir-conditioning的加工工艺有挤压法、连铸连乳法和焊接法。世界主要的ACR铜管生产大国分别制定了相应的行业标准，目前被普遍采用的有日本的JIS H3300和美国的ASTM B743，我国也有《空调与制冷用无缝铜管》国家标准（GB/T 17791-1999）。化学成分、机械性能和尺寸控制在各标准中均被列为ACR铜管的主要控制参数。
美国BundyCorporation公司发明了邦迪管，长期以来被广泛用在制冷、汽车等领域。邦迪管是用高精度的的冷轧双面镀铜钢带横向卷轧720°成管形，然后通过高温钎焊炉，以镀铜层作为钎料使形成沿管壁结合面360°的钎焊层。加工工艺流程见下图：I镀铜钢带I一￥11―I高温炉焊il―I防锈处理I―邦迪管加工工艺流程。近年来，表面镀锌处理的钢质精密焊管代替邦迪管在制冷行业的应用呈逐年上升的趋势。
如冰箱中的主冷凝管、上R下F直冷抽屉式冰箱的丝管式层架蒸发器等。焊管生产过程如下：篼频或直流焊运1―|热处理I―|镀前处理|焊管加工工艺流程邦迪管（含焊管）用于冰箱，其优势在于价格低廉，内部清洁度高。用于外挂丝管式冷凝器，在工艺技术上已十分成熟。该冷凝器是用专门的定位夹具将直径约为1.5mm的碳素钢丝，成单排或双排点焊在钢质冷凝盘管的一侧或两侧，再经表面处理，涂漆以防锈蚀。
由于邦迪管是表面镀铜或镀锌的钢管，当其镀层遭到任何一点轻微的破坏后，便会引发腐浊反应的发生。所以在将其用于内藏式冷凝器或层架蒸发器时：对表面镀层提出了相应要求，镀层厚度3fzra左右，要求表面镀层应无麻点、起皮、剥落、树枝沉积和露低等缺陷，弯管成型后镀层不得有裂纹、脱落等现象。按《电工电子产品基本环境试验规程试验Ka：盐雾试验方法》（GB/T2423.17-93）对邦迪管进行盐雾试验，按《家用制冷器具冷藏冷冻箱KGB/T8059.2-195）对电镀件要求进行检验，其耐盐雾的时间由原24小时提升到不小于72小时；邦迪管（含焊管）用于内藏式冷凝器时，还应注意与胶泥接触处的防腐，一是在生产中控制胶泥的酸碱性，PH值在7~8之间，二是与胶泥接触管段套热收缩管或与铝箔胶带进行隔离保护；冰箱门框四周的防露管由于受到冷热交变的影响，如果四周密封不好很易使管表面吸附空气中的水分，所以一是要保证防露管的密封良好，二是保证使用的管材本身具有良好的耐腐蚀性。
金属铝具有良好的导热性能，并具有很好的冷加工性能，常被用于制作冰箱的蒸发器。如广泛应用于单门冰箱中铝复合板吹胀式蒸发器，换热部件中的换热板、用于增强换热能力的翅片等。连续挤压铝管，则主要可以替代铜管用在直冷冰箱的管板式蒸发器，风冷冰箱的翅片盘管式蒸发器。翅片盘管式换热器，用铜管加铝翅片组成时，铜管被制成分段U型管，若干U型管通过半圆接头连接成盘管，盘管与铝翅片之间用胀管法连接，为防铜铝的电腐蚀，成型后的蒸发器要进行表面浸漆处理。全铝的翅片盘管式蒸发器，采用无接头铝管，减少了接头数目，从而降低了泄漏的可能。连续挤压铝管的化学成分应符合GB/3I90- 1996《铝及铝合金加工产品化学成分》的规定，具体见表3.表3连续挤压铝管化学成分（％）杂质在冰箱蒸发器中一般使用公称直径为6 ~8mm的圆管或D型管，壁厚Iram左右，最大问题是与铜质的毛细管、回气管的连接问题，第4大节中将详细论述。
无论是ACR管，还是邦迪管或铝管，都是作为一种半成品，在冰箱行业中要进行再加工。管道加工主要包括切管、弯曲、压扁、扩口。
管材的提供状态一般是盘管，使用时都要先将管子展直，然后按需要的长度用管子割刀切割管道。管子切断之后，将管子内缘毛刺清除干净，并清除管内碎屑。
冰箱制冷系统的管道经常需要弯成特定的形状，且要保持弯曲部分的管道内腔不变形。
管板蒸发器通常先将管道制成盘管，为了增强换热效果再进行压扁处理，然后将盘管粘附或贴附于换热板上。
管子的焊接、接头连接时都需要对管口进行扩口。管子的扩口加工分杯形扩口和扩喇叭口两种，前者用来进行管道的焊接连接，后者用于管子的全接头连接、半接头连接。
铜、铝有色金属均具有较好的冷加工性能，邦迪管主要成分是金属Fe，其强度和硬度较大，塑性和韧性较小，在弯曲和配接方面有一定的难度。通过一些实验试制我们认为在制作盘管时需注意控制平面度；焊接时，注意控制火焰温度，防止残余应力导致扩口端产生裂纹。下表给出了三种管材力学性能方面的对比：表4力学性能材料生产厂家抗拉强度（N/mm2〉延伸率（％）半哽态铜管连续挤压铝管长沙铜铝材厂直流焊管中山火炬精密焊管公司无论使用何种管材，从样品的检测、小批量试用、批量试用直到稳定供货都涉及管材与冰箱厂家设备的配合问题，为了保证制冷系统的质量，控制成本，双方应共同对管材化学成分、机械加工性能、尺寸控制等方面做出规定。
4系统管道部件的连接工艺制冷系统各部件通过管路连接成一个全封闭系统，制冷工质在压缩机作用下，在系统中进行往复循环，达到制冷的目的。系统连接的质量要求一个是致密性指标，一个是强度指标。在连接方式，钎焊或是锁环连接，连接材料，钎料、钎剂或锁环、密封胶确定的情况下，连接的质量主要取决于间隙、钎焊温度和表面清洁度。
制冷系统中常用三种材料：铜、铁和铝，于是存在铜与铜、铜与铁、铁与铁、铜与铝、铝与铝的连接问题。
冰箱上使用的铜管是紫铜，熔点为183丈，导电导热性很好，它的表面氧化物为Cu20和CuO，这两种氧化物易为还原性气体还原，所以钎焊性很好。使用铜磷焊条，可以不用焊剂。
4.2铜管+铁管、铁管+铁管的连接冰箱制冷系统管路的钢管基本上有镀锌和镀铜两种，钎焊时必须采用不含磷的银基钎料配合QJ102活性助焊剂来完成。焊接时需注意：碳钢的导热性比紫铜差，钢性较大，加热和冷却时不能自由膨胀和收缩，必须仔细控制钎焊加热，避免局部过烧。双嘴焊炬钎焊工艺，能有效地解决这个难题。
钎焊中使用的QJ102焊剂是在非腐浊性焊剂中加入一定量的氟化钾（钠）或氯化钾（钠）等化合物，它能较强清除焊件上的金属氧化物和杂质，对金属焊件有腐蚀作用，焊后要对焊点进行清除残留焊剂和熔渣的工作，然后涂保护漆。
4.3铜管+铝管、铝管+铝管的连接铜和铝的熔点相差近一倍，当铝达到熔点开始熔化时，铜仍处在固态；而当铜开始熔化时，铝早已熔化烧损了很多，故要将两者焊接起来是很难的。
表5铜铝主要物理性能对比熔点（t）沸点（n）氧化物熔点（t）铜铝冰箱行业的铜铝管连接方式大致有两种，一种是通过专门的铜铝接头连接，还有一种是锁环连接3最早冰箱行业进行铜铝管的连接都是先由专业工厂焊接好铜铝接头，然后到蒸发器厂用手工钨极氩弧焊将其接到蒸发器上，在冰箱厂连接制冷系统时，只需进行铜与铜的焊接。采用这种方式，铜铝接头就成为冰箱的一个重要零件，需由专机生产，对它的外观、内部清洁度、气密性、温度范围等都有相关规定。
连接管路系统最普遍的是采用焊接方法，20世纪90年代在一些发达国家出现了一种新的管材连接方法。这种方法是在常温下采用专门的锁环通过挤压方法来实现管材的连接，建立在冷挤压工作原理之上。
操作时锁环需和专用设备――液压钳动力站，专用工具数（由长沙花纹铝板厂提供）。另外，使用中须滴加专用密封液，等它固化后更加强了密封效果。
表6锁环、液压钳及其适用范围液压钳工作压力锁环适于连接的管材种类和规格型号额定最大种类材料种类管材外径（mm）管材壁厚（mm）YQ-25-31.535套装在外的管材铝7.50.8套装在内的管材铝、铜7.50.8YQ-25-231.5352套装在外的管材铝7.50.8套装在内的管材铜1.90.6表7液压钳动力站主要技术参数动力站型号适用范围其它主要技术参数输出压力流量电压（V）。启动频率（次/min）环境温度环境湿度（%）电机功率（kW）噪声（db）净重（kg）外形尺寸冰箱管道无论是焊接还是锁环连接，首先都要进行套管工作。或者是细管伸人粗管中，或者是将一管端做成杯形口，再将另一管插入杯形口内，如所示为保证管道连接质量，对套管的插人深度和间隙都有一定要求。一般外径iOmm以下的管道插人间隙0.06~0.10mm之间，套管焊接的插入深度lmm左右，锁环连接的插人深度16 5原铜管系统改用非铜管的经济性分析在前面几节中我们已介绍了冰箱制冷系统的构成，系统内制冷工质的状态、压力、温度分布：并对构成系统的管道材料――铜、铁、铝三者的材料性质，尤其是工艺加工性进行了分析。从性能和加工工艺方面来说，紫铜管是冰箱制冷系统的最优选材料。但从制作成本方面考虑，紫铜管又失去了优势。各冰箱厂家一直都在进行着铜管系统的替代工作，其中邦迪管、错管都是可行的替代材料。我们对此也进行了一系列的研究实验，下面以内藏式冷凝器抖x 05表面镀锌钢质焊管替代原Mx 0.55紫铜管，管板式蒸发器――打5xO，75铝管替代原柄x07紫铜管的非铜管替代项目为例进行分析。
非铜管替代项目，对冰箱的结构、传热方式不作调整，替代后冰箱的整体性能不能下降。
5.2传热分析及实验验证项目中的冷凝器和蒸发器都可以作为一自然对流式管板式换热器来进行传热分析。散热m2.h.）。K值可按多层平壁传热公式计算：上t为肋化系数，由管径、长度、传热板面积决定。的、虹分别为空气侧和制冷剂侧的放热系数（kCaJ/m'h.），由散热方式和使用的工质决定的，与管材无关，aa= 10~50，《=2500左右。S￡Af、S/X、S0/；W）代表污垢、管壁、油膜的热阻。传热性与管材有关的就是热阻部分的S/U为管壁厚度，入是管壁导热系数，表8给出了三种材料的导热系数。
表8铜、铁、铝的导热系数对比材料铜铁铝在冰箱制冷系统中使用的是薄壁管，管壁厚不会超过lmm，导管材料本身的热阻占系统热交换热阻的比率很小，且管道内外都干净无污垢，在进行传热计算Si/Xf、SA、80/W）热阻部分可忽略，（2）式可简化为从上面的分析我们可以认为，理论上，用非铜管替代铜管，在管径相近的情况下可以不改变管道的长度，而达到相同的换热效果。
我们分别在华凌的风冷、直冷、直冷抽屉式冰箱上做了一系列实验工作，见表9.表9非铜管替代项目实验研究型号额定实测值替re方案值风冷BCD-内葳冷凝管一4x0.5镀锌焊管替代原04x0.55紫铜管直冷BCD内藏冷凝管一￠4x0.5镀锌焊管替代原￠4x0.55紫铜管管板式蒸发器一￠7.5x0.75铝管替代原￠6x 0.7紫铜管管板式蒸发器一
