毕业设计（论文）电冰箱节能技术研究

装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书1、文献综述17世纪中期，“冰箱”这个词才进入了美国语言，在那之前，冰只是刚刚开始影响美国普通市民的饮食。随着城市的发展冰的买卖也逐渐发展起来。它渐渐地被旅馆、酒馆、医院以及被译些有眼光的城市商人用于肉、鱼和黄油的保鲜。内战（1861-1865）之后，冰被用于冷藏货车，同时也进入了民用。到1880年以前，已经有半数在纽约、费城和巴尔的摩销售的冰，三分之一在波士顿和芝加哥销售的冰箱开始进入家庭使用，因为一种新的家庭设备冰箱即现代冰箱的前身，被发明了。 制造一台有效率的冰箱不像我们想象的那么简单。19世纪早期，发明家们关于对冷藏科学至关重要的热物理知识的了解是很浅陋的。人们认为最好的冰箱应该防止冰的融化，而这样一个在当时非常普遍的观点显然是错误的，因为正是冰的融化起到了制冷作用。早期人们为保存冰而作出了大量的努力，包括用毯子把冰包起来，使得冰不能发挥它的作用。直到近19世纪末，发明家们才成功地找到有效率的冰箱所需要的隔热和循环精确的平衡。其实冰箱是我国家电行业的传统产品。我国社会的冰箱保有量已超过1.1 亿台，每年更新的冰箱约400万台。2004年，我国冰箱产量为3000多万台，电冰箱及电冰箱压缩机出口近2000万台。在2005年，冰箱出口量继续呈现上升趋势，截止13月，我国电冰箱的电冰箱压缩机出口量已达500 多万台。与我国世界冰箱制造大国不大相适应的是我国冰箱的设计理念与制造技术等与发达国家相比有一定差距，这制约着我国冰箱行业的发展。欧盟2002年提出ROHS和WEEE两个指令涉及到我国众多家电行业。欧洲议会在2003年提出的使用能源产品的生态设计要求的指令草案（Eco-design requirements for Energy-Using Products，简称EUP），要求生产厂家需在产品设计及生产等多方面加以改进。1.1制冷技术的发展冰箱的发展是建立在制冷技术发展的基础上的，随着制冷技术的不断进步，才有了冰箱现在的发展。现代制冷技术是18世纪后期发展起来的。在此之前人们就已懂得冷的利用。我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降温。马可波罗在他的著作（马可波罗游记）中，对中国制冷和造冰窑的方法有详细的记述。 1755年，爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和汽化现象。提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。 1834年，发明家波尔金斯制造出了第一台以乙醚为工质的蒸发压缩式制冷机，并正式申请了英国第6662号专利。这是后来所有蒸汽压缩式制冷机的雏形，但使用的工质是乙醚，容易燃烧。到1875年卡利和林德用氨制冷剂，从此蒸汽压缩式制冷机开始占有统治地位。 在此前期，空气绝热膨胀会显著降低空气温度的现象开始用于制冷。1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制冷机使他一举成名。威廉西门斯在空气制冷机中引入了回热器，并提高了制冷机得性能。 1859年，卡利发明了氨水吸收式制冷系统，并申请了专利。 1910年左右，马利斯莱兰克发明了蒸汽喷射式制冷系统。到20世纪，制冷技术有了更大的发展：全封闭制冷压缩机的研制成功（美国通用电器公司），米里杰发现氟利昂制冷剂并用于蒸汽压缩式制冷循环以及混合制冷剂的应用，伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。1.2冰箱替代制冷剂的现状自蒙特利尔议定书实施以后,世界各国都加快了CFCs制冷剂的替代研究,而且已经取得了明显的进展和大量的成果。发达国家在1996年就停止了CFCs 制冷剂的生产,我国也签署了在2001年以后所生产的电冰箱中停止使用CFC12 的有关条约。目前,在电冰箱、冷柜行业中,CFCs物质已基本停止使用,HCFCs物质、HFCs物质和天然工质已经被作为替代工质在实际中广泛应用。目前,国际上对于冰箱制冷剂CFC12 的替代主要采用3种技术方案:一种是以美国、日本为代表的,采用美国杜邦公司提出的HFC134a 替代CFC12；一种是以德国等欧洲国家为代表的,采用HC600a (异丁烷) 替代CFC12；另一种是采用西安交通大学提出的HFC152a/ HCFC22 混合工质制冷剂替代CFC12。其他的替代制冷剂还有美国杜邦的MP39 (即R401A) 、清华大学的THR01 等。上述3 种主要方案各有优缺点。HC600a 为烃类天然工质,环境优势比较明显(见表1-1)。尽管HC600a 具有较高的比体积,但其临界温度(135 ) 也较高,可以在较高的冷凝温度下运行而没有严重的效率损失,这使得其所需的冷凝器尺寸可以在家用限制以内,故被家用冰箱广泛采用。表11 几种CFC12 替代制冷剂与CFC12 的环境及安全性能比较工质ODPGWP毒性可燃性CFC120182010600无 不燃HFC134a010001300无 不燃HC600a0-100020无 可燃HFC152a/ HCFC22约01005约357无 微燃HFC152a/ HFC12501000约612无 微燃另外,HC600a 的价格比较便宜,具有较高的制冷效率、与水不发生化学反应、与铜质管材和矿物润滑油完全兼容等优点。然而,采用HC600a 替代方案的缺点也很明显,由于其容积制冷量小,冰箱系统及主要配件需要重新设计,生产线需要改造,并且由于其具有可燃性,可能产生易燃、易爆等安全问题,故生产及维修需要高标准的防火要求等。目前,采用HC600a 为制冷剂的家用产品的安全运行记录是非常好的,在我国臭氧耗损物质国家替代方案和中国制冷工业CFCs 替代逐步淘汰战略研究中也都把HC600a 作为CFC12 的主要替代品之一。美国等国家由于其政策法规的特点,导致各大厂商非常注重安全问题,故仍然坚持使用性能不是特别好但却更加安全可靠的HFC134a 作为替代制冷剂。FC134a 的ODP 值为0 , 其蒸气压曲线和CFC12的比较接近,而且HFC134a的换热性能比CFC12 的好。然而, HFC134a 在物性方面却有许多弱点,如潜热小、不溶于矿物油以及分子体积小等,这使得替代过程复杂,而且耗资巨大,需开发专用压缩机、冷冻油、换热器等,还要相应调节制冷系统和改造生产线. 另外,尽管HFC134a 具有与CFC12 相似的热力学性质,但是实际的运行效果却并不十分令人满意,尤其是应用在较低温度时的制冷能力较低。此外, HFC134a 的GWP 值相对过高以及比CFC12 更耗能,使其应用前景受到影响,已被列入京都议定书温室气体清单。国际社会已公认,HFC134a 也只是一种过渡性替代制冷剂。1.3制冷剂的发展趋势总得来说制冷剂的发展趋势应该是满足生态环境可持续发展的前提下尽可能的获得最大的制冷性能。根据可持续发展中经济发展与保护资源、保护生态环境的协调一致的核心要求，制冷剂的发展方向有两个：一个是环保，使用绿色环保的制冷剂已经是大势所趋，绿色环保制冷剂可以是合成的，也可以是天然的，虽然合成的环保制冷剂也对臭氧不会造成破坏，但从地球生态的可持续发展来看天然制冷剂是最理想的选择，因为天然制冷剂本来就是地球生态系统中存在的，无论是使用还是排放到环境中，取之于自然回之于自然，对环境的影响比合成制冷剂都小的多，相信随着技术的不断进步，天然制冷剂必将大有发展。第二个是节能，随着人们生活水平的提高制冷空调等设备越来越普及，同时其消耗的大量的能源也越来越引起人们的注意，今夏我国18个省市出现电力紧缺问题，中国电监会的一项调查显示，供需矛盾加剧造成今夏电力吃紧，其中空调制冷负荷快速增长是不可忽视因素。今夏我国华东、华中、华南地区持续高温，空调制冷负荷猛增。华东电网、南方电网、华中电网空调制冷负荷比重已超过30，个别省电网甚至接近40。而电能的产生又要消耗大量的化石燃料，如煤、石油等，不但造成大量的不可再生能源的消耗，而且燃烧产物如等还可引起温室效应等环境问题。因此除了改进制冷技术外还可从制冷剂上下手，通过研制新型节能制冷剂降低制冷空调设备的能耗也是一个发展方向。从制冷剂的替代过程以及其替代研究与环境的关系中我们可以看到，在整个制冷剂的替代研究中环境的可持续发展的思想起了很重要的作用，应该说是环境的可持续发展的要求推动了制冷剂替代研究的发展，并且为其发展指明了方向，同时制冷剂的替代又进一步促进了环境的可持续的发展。1.4冰箱的发展方向、国内政策的导向，决定了冰箱的节能化。近几年我国冰箱生产将全面推行强制性节能标准，从2003年7月份开始，中国市场上的电冰箱都必须贴上能效标识的标签。这一政府行为将促使我国冰箱业继续高走节能路线。节能是冰箱业永恒的主题，目前全球已有37个国家和地区使用节能标识。早在1994年，欧盟就规定了电冰箱、冷冻箱和冷藏冷冻箱、干衣机上必须加贴能耗标签，并将节能设置为技术壁垒，抬高门槛。可见，中国实行节能政策是大势所趋。目前，国内一些著名冰箱生产企业已经依靠技术实力展开了节能市场攻略。政策方向其实反映的是用户的客观需求。2003年，国内冰箱企业将开始重新洗牌，围绕节能冰箱这一核心主题，进一步与国际标准接轨，那些高能耗、无法实现节能技术升级的产品将不可避免地要被淘汰出局。富裕的消费群体，决定了冰箱的多温区方向。正在向全面小康社会迈进的中国消费者对产品的要求从来没有像现在这么苛刻过。人们在解决温饱之后，对生活的要求理所当然要转向舒适化和高品质化。他们所要求的冰箱已经不仅仅是简单的能够冷藏、冷冻食品的容器了，而且对食品的营养提出了更高的要求。同样是应该放进冷藏室，但牛奶、蔬菜和啤酒所需要的最佳营养温度是不一样的；同样是应该放进冷冻室，但冰冻一周和冰冻一个月的食物，其需要的冰冻温度也是不一样的。对于冰箱的营养化，中国冰箱业要走的路还很长。生活频率的加快，决定了冰箱的智能化、大容积方向。中国“白领”、 “金领”层的日益壮大和生活频率的日益加快，又决定了冰箱的大容积、智能化方向。视“时间就是金钱”第一要义的他们，再也不愿意在调节冰箱档位这样的小问题上浪费时间了，他们需要更智能、更简单的冰箱产品，最好是几个按钮就能将所有问题全部解决。这将使冰箱大容积、智能化的趋势持续下去。“新生代”的崛起，决定了冰箱的个性化、时尚化方向。在中国，意识超前、引领潮流的消费群体正在不断壮大，而且他们正在日益成为时尚消费的主力军，他们的消费取向对于冰箱生产厂家来说至关重要。对于他们来说，冰箱早已不是一个简单的容器，除了要求功能先进、操作简单外，他们更注重冰箱的外观。他们相信第一感觉，他们崇尚个性、时尚、与众不同。他们的要求将导致冰箱产品的进一步“改头换面”以上四大需求决定了冰箱主流的发展方向。其实对于今天的中国消费者，特别是城镇消费者来说，价格早已不是决定购买冰箱的唯一因素，从低价竞争回归到满足用户需求的竞争上来，将是中国家电市场进一步健康发展的唯一途径。、国外随着新技术、新材料、新工艺的不断开发，家用冰箱的性能、质量、款式和品种正在迅速发展。当前，国外家用冰箱发展的新趋势是厨房化、大型（大容积）或小型化、多门温室化，多功能化、节能化、智能化，以及开发各种能源和功能多样的冰箱等。（1）经济效果的节能化当前，节能型冰箱的开发已成为家用冰箱发展的一个重要方向。例如：采用旋转式压缩机代替原来的往复式压缩机，耗电量可减少1020；采用新型隔热材料，可增加冰箱的容积和提高制冷效率；采用多重式结构门封条，提高密封性能，减少冷量外逸；采用电子控制技术，根据环境温度高低，自动调节压缩机运行时间，达到“节能”运行，可节电1015。日本在冰箱节能方面采用多项新技术，经济效果明显。如：容积为270升300升冰箱的耗电量已下降到2325KWh月，约为10年前耗电量的4050。（2）多件合一的厨房化随着住房结构的变化，近年来国外开发了一种可与厨房中其它用具配套使用的组合式冰箱。例如：台柜式冰箱，冰箱顶部可作台板使用，也可与组合式厨具配套；又如炊具组合式冰箱，上部左侧为单孔煤气灶或电磁灶，右侧是一个洗涤池，下部为冰箱，三件组合为一体，适用于人口少、厨房面积小的家庭，具有一物多用的特点。（3）方便需要的小型化容积为50升70升的单门冷藏箱或冰柜，将逐步走进办公室、宾馆客房和交通工具里。最近，美国开发的库拉特龙系列小型冰箱，其最大规格净重也只有约5公斤。满足了老年人、单身汉以及短程旅途的方便需要。（4）储量升级的大型化日本在80年代后期冰箱容积就以300升400升为主，近年来正向400升500升方向发展。美国家用冰箱的容积在400升以上的比率已占90，最大的达700升。据市场调查资料，我国家用冰箱现正趋向于200升250升发展。最近，我国扬子集团与日本东芝公司合作，联合开发245立升、355立升、450立升3种大容积冰箱。冰箱大型化适应了家用大储量的用途。 （5）精细生活的多门多温化前几年，日本出现了“三门”冰箱，即将双门冰箱原果菜盒部分制成一个独立的、用于贮藏蔬菜的蔬菜室。因多吃蔬菜和水果有益于健康和美容，带有50升60升蔬菜室的三门冰箱深受用户欢迎。据统计，近两年日本销售的三门冰箱已占冰箱产量的一半。最近，国外还出现了一种带有“冰温室”的四门冰箱，冰温室的温度的01间，使食品处于将冻而未冻状态，即处于最佳“保鲜”状态。有的冰箱还带有“解冻室”，用于冷冻食品解冻和解冻后保存，提高冻结食品保鲜质量。可以看出，近年来冰箱正向多门多温化发展。（6）种种用途的多功能化通过新技术的应用，提高和扩展了冰箱的使用性能和功能。例如：应用“快速冷冻”技术，提高食品的冷冻质量；箱内使用多用途组合式搁架，可充分利用箱内、门胆的空间，食品取存方便，且有多种用途。最近，美国库拉特龙公司生产一种新型多功能冰箱，不仅可以制冷，还可以作为食品的保温器和加热器，可用来炒菜、烘面包或热牛奶等。此外，无箱冷冻、温度切换、可调温保鲜、自动除臭等技术已在冰箱中应用。（7）自动控制的智能化近年来电子技术在家电领域中得到广泛应用。电冰箱的电脑控制技术即为其中一例。例如：日本东芝公司的一种新型冰箱，在箱门、横梁、台面板前侧面上装有电子显示装置，能显示和调节冷冻、冷藏箱温度，不开门就能控制，操作方便。该新型冰箱装置了具有6个功能的IC控制板，实现多种制冷情况下的自动控制。另外，还装有报警指示器，如果箱门没有关严（或开门时间超过30秒），箱门上的传感器就会发出信号，直至把门关上。（8）生态健康的环保化目前，世界各国正在大力推行“双绿色”冰箱，即在冰箱制造和使用中不使用氟氯烃类物质。由于氟利昂会破坏大气臭氧层，威胁整个地球的生态平衡和人类的健康。日本、美国等国已全面推行无CFC冰箱。我国的青岛海尔集团、华意集团已率先推出无CFC的“双绿色”冰箱。无CFC冰箱将是未来冰箱发展的必然趋势。此外，使用各种能源的冰箱也相继问世，如太阳能冰箱、风力冰箱、煤气冰箱等；另外还有如冷藏和加热两用冰箱、手提式软体冰箱、停电不解冻冰箱、供应热水冰箱、会“说话”冰箱等，供冰箱家族日趋丰富多彩。2、冰箱知识概述2.1电冰箱分类及应用现状2.1.1冰箱应用现状电冰箱是最小的压缩式制冷系统。据统计，我国目前电冰箱、冷柜的拥有量近1.3亿台，而且近年来电冰箱的产量、销售量均在1千万台以上，城市电冰箱平均拥有率达到90.95%。我国正逐渐在为全球家电及家电零部件的生产基地，全球电冰箱的制造能力进一步向我国转移。2006年，我国电冰箱的产量占全球市场30%的份额。近10年来，我国电冰箱的产量由1991年的470万台增加到2002年的1599万台，平均每年增长11.8%，增长十分迅速。在日本，1975年就有99%的家庭拥有电冰箱，在过去20年，平均每个家庭的电冰箱拥有量是1.2台。美国1990年的电冰箱普及率达114%。我国电冰箱的普及率在东部沿海地区为89.6%，中部地区为80.7%，西部地区为83.8%。截止到2006年，我国电冰箱制造企业以海尔为代表，携手新飞、美菱、美的、容声、小天鹅、海信、TCL、荣事达树立起中国自主品牌。外资品牌中，只有西门子、博世、伊莱克斯、松下、夏普、LG、三星等在大容积电冰箱市场占有优势。因此，就形成了国产品牌占据中、小容积产品市场优势与外资品牌在中、大容积领域占优势相抗衡的局面。在中、外两大电冰箱阵营中，各处发展的重点有所不同。国产品牌在210L容积以下占有90%的市场份额，其余的10%则由西门子、伊莱克斯、松下和LG所占有。2.1.2电冰箱的分类、 用途分类（1）冷藏箱：冷藏箱主要用于冷藏食品，至少应有一个冷藏室，其温度保持在010之间；亦能在箱内上部由蒸发器围成较小的冷冻室，用于冻藏少量食品或制作少量冰块，其温度一般保持在职-12-6。冷藏箱一般为单门家用冰箱，容积多在170L以下。（2）冷藏冷冻箱：冷藏冷冻箱一般由冷藏室和冷冻室组成，具有冰温保鲜功能的还增设果蔬室或冰温保鲜室等；其中冷藏室的温度在0以上，适用于贮存不需要冻结的食品；冷冻室的温度应达到-18-12，适用于冷冻食品或储藏冷冻食品。冷藏冷冻箱的结构一般为双门和多门家用冰箱，把箱体分割成互不干扰的多个隔间，可以将食品分类储藏，既卫生又方便，是目前市场占有率较大的主流产品。该类家用冰箱容积多在100300L且冷冻室容积较大，冷藏室由搁架或抽屉分隔成若干空间。（3）冷冻箱：冷冻箱是指只有冷冻室的家用冰箱，温度在0以下，按温度可分为“一星级室”、“二星级室”、“三星级室”、“四星级室”，其储藏温度分别为-6、-12、-18以下，主要用来储藏、冻结食品。其结构形式大部分为上开门结构，少数为立式侧开门式。、电冰箱按其结构和冷藏容积分为三类:(1)单门冰箱（又称冷藏箱），一般有效容积在45170L之间。单门冰箱结构简单、价格便宜、耗电量较小；但冷冻室容积一般都很小，而且冷冻室温度只能达到-6-12，储存冻结食品的时间较短。(2)双门电冰箱（大部分都是冷藏冷冻箱），一般有效容积在100300L之间，双门冰箱的特点是既可冷藏，又能冷冻，其冷冻室的温度可达-18，储存冻结食品的时间较长。其结构一般是上部是冷冻室，下部是冷藏室。有的双门冰箱在冷藏室上部增设一个“冰温室”，其温度保持在职-30, 既保持了一定的低温，又能得到一定的湿度，可对食品进行冰温保鲜。(3)三门及多门冰箱，其容积一般在200400L以上，多属豪华型冰箱。其结构一般有冷冻室、冷藏室、果菜室和多功能转换室，有的还设有水温室。三门及多门冰箱容积大、功能全，但结构复杂、价格昂贵、耗电量也大。、按冷冻室温度分类按冷冻室所达到的温度，家用冰箱可分为1星级、2星级、3星级、4星级共4个等级，不同星级的冷冻室温度，食品贮存时间如表2-1所示。表2-1 不同星级温度计食品有效贮存期星级星标冷冻室温度（不高于）冷冻食品贮存期1星级*-61星期2星级* *-121个月高2星级（日本标准）* *-151.8个月3星级* * *-183个月4星级* * * *-18（具有速冻能力）46个月、按制冷方式分类家用冰箱制冷方式不同可分为蒸气压缩式冰箱，吸收式冰箱和半导体式冰箱等。（1）蒸气压缩式冰箱。其制冷原理是采用蒸气压缩式制冷循环，即在消耗电能的条件下，利用制冷剂（如氟利昂）在系统中蒸发时大量吸收冰箱内的热量，实现制冷的目的。（2）吸收式冰箱。如图2-1所示，吸收式冰箱的构造与压缩式冰箱类似，也分为箱体、制冷系统和控制系统三部分。其制冷系统是以液体吸收气体和加入扩散剂氢气所组成的“气冷连续吸收扩散式制冷系统”。该系统没有运动部件，因而无噪声，使用寿命长；可以采用各种热源作为动力，例如天然气、油、燃气、太阳能等。因此，此种冰箱都装有气、电两用的加热装置，该装置由燃烧器、自动点火装置、温度控制器组成。燃烧器中还带有安全装置，当燃烧器的火焰熄灭时，感受火焰温度的热电偶可自动断开燃气通路，以确保安全。在制冷系统中充有三种物质，即制冷剂氨、吸收剂水、扩散剂氢。图2-1吸收-扩散式冰箱制冷系统1-蒸发器 2-冷凝器 3-精馏器 4-发生器 5-吸收器 6-热源家用吸收式冰箱的主要问题是效率较低、能耗较高，故目前仅用于作战部队的卫生所、野外作业的科研工作等特殊场合，多为容积较小的单门冷藏箱。 （3）半导体冰箱。半导体冰箱又称温差电制冷冰箱，是利用半导体制冷器件制成的一种制冷装置。它是根据半导体温差效应制成的一种装置。其优点是体积小、重量轻、无噪声、无磨损、操作简单、可靠性高，列制冷剂泄漏和污染问题。但是由于半导体电冰箱制冷效率低、成本昂贵、能耗高、容积又很小，故目前仅用于某些特定的场合，如汽车、实验等。 、按箱内冷却方式分类家用冰箱按冷却方式可分为直冷式、间冷式和间直冷并用式三类。（1）直冷式冰箱。直冷式冰箱又称为冷气自然对流式冰箱，它利用箱内蒸发器周围的冷空气比重大，向下流动被贮存的食品吸热，温度上升后回到蒸发器周围，使箱内空气形成自然对流。另外，箱内部分水分会在蒸发器周围冻结成霜，故直冷式冰箱又称为有霜式冰箱。 直冷式冰箱结构如图2-2所示，这种直冷式冰箱的蒸发器一般直接安装在上部的冷冻室，在下部的冷藏室内另有一个小的蒸发器，或者将冷冻室的冷空气分一部分进入冷藏室，冷藏室进行食品冷藏。直冷式冰箱具有制造容易、结构简单、成本低、制冷速度快、比较省电的特点；但由于箱内依靠空气自然流动来冷却贮存食品，因此箱内温度的均匀性不如间冷式冰箱好；而且冷冻室又需要定期进行人工除霜，对于食品的贮存质量有很大的影响，亦给日常使用带来了许多不便。另外，由于两个冷间的温度只有一个温度控制器通过控制压缩机的开、停来调节，因此箱内温度不能随着两个冷间贮存食品种类的变化而改变，以致影响了食品的贮存质量。另一方面，箱内温度受环境温度的影响较大，当冬季环境温度较低时，会出现压缩机不启动，两个冷间的温度会出现一间温度过低，而另一间温度过高的情况。为此需要增加低温热补偿装置，或采用双温控制技术（采用二位三通电磁阀加毛细管方法）。前者的方法会引起电耗量的增加，而后者则使控制系统变得复杂导致成本增加。（2）间冷式冰箱。间冷式冰箱也称为气强制循环式冰箱，它依靠风扇吹风来强制箱内冷空气对流循环，从而实现间接冷却。由于箱内食品不与蒸发器接触，故称为间冷式冰箱。间冷式冰箱的蒸发器一般位于冷冻室后部隔层中，竖立或横卧安装在冷冻室和冷藏室的夹层之间，如图2-3所示。用一个微型电风扇将冷风通过风道送入冷冻室和冷藏室，达到制冷效果。由于冷冻食品蒸发的水分被冷风带走，并在蒸发器表面冻结。 图2-2直冷式双门双温电冰箱剖面图图 图2-3间冷式双门双温电冰箱制冷系统图1-冷冻室蒸发器 2-冷冻室 3-冷藏室蒸发器 1-冷冻室 2-翅片式蒸发器 3-风扇4-接水盒 5-冷藏室 6-冷凝器 7-压缩机 4-热温风门温度控制器 5-冷藏室 6-冷凝器8-启动器和过载保护继电器 9-水蒸发盘 7-压缩机 8-启动过载保护继电器 9-水蒸发盘10-果菜盒 11-搁架 12-温度控制器和照明灯 10-果菜盒 11-搁架 12-制冰盒 13-温度控制器间冷式冰箱具有自动除霜装置，自动蒸发除霜，因此冷冻室内无霜，故又称“无霜”冰箱或风冷式冰箱。与直冷式冰箱相比，间冷式冰箱一般设置一个蒸发器和两个温度控制器；其中一个控制冷冻室温度与压缩机制开、停机，另一个通过改变风门的位置调控送入冷藏室的冷风量来控制冷藏室的温度。间冷式冰箱最大的特点是箱内温度均匀，冷却速度快；即使在除霜时冷冻室的温度变化不大于5，冷藏室温度变化不大于2，因此大大提高食品的贮存质量。由于间冷式冰箱采用双温度控制系统，因此各个冷间温度可以独立控制，易于实现多门多温度控制，冰箱的容积亦可以做得较大。但是由于其自动除霜系统、强制送风系统和自动调瘟系统等功能的增加，与直冷式电冰箱相比，结构复杂，耗电量大，成本提高了10%以上。（3）间冷、直冷并用式冰箱。间冷、直冷并用式冰箱也称为冷气强制循环及自然对流并用式冰箱，这种类型冰箱查将直冷式和间冷式的特点结合起来，冷冻室采用间冷式，冷藏室采用直冷式。2.2电冰箱的结构组成由于市场上的家用冰箱大都是蒸气压缩式冰箱，因此这里只对蒸气压缩式冰箱的制冷系统简单的介绍。蒸气压缩式冰箱由制冷系统、电控系统和箱体及附件等三部分组成。2.2.1制冷系统的组成家用冰箱的制冷系统一般有压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器、干燥过滤器及制冷剂等组成。另外根据实际情况可在蒸发器出口设置集液器。 图2-4直冷式冰箱制冷系统 图2-5间冷式双门双温电冰箱制冷系统1-蒸发器落2-低压吸气管 3-毛细管 4-冷凝器 1-翅片管式蒸发器 2-冷凝器 3-干燥过滤器5-干燥过滤器 6-压缩机 4-抽空充注制冷剂管 5-压缩机 6-水蒸发加热器 7-抽宾充注制冷剂管 7-低压吸气管 8-毛细管 9-门口除霜管图2-4为最常见的具有冷藏室与冷冻室的双门双温直冷式冰箱的制冷系统。制冷剂在制冷系统中的流向为；压缩机副冷凝器主冷凝器防露管干燥过滤器毛细管冷藏室蒸发器冷冻室蒸发器回气管压缩机。图2-5为双门双温间冷式冰箱的制冷系统图，其制冷剂在制冷系统中的流向与直冷式冰箱大致相同。区别在于当内置冷凝器分别在箱体两侧时，高压侧制冷剂一般先流过一侧冷凝器，经过防露管，再流过另一侧冷凝器、干燥过滤器，进入毛细管。（1）压缩机。家用冰箱通常采用全封闭容积压缩机，结构形式有滑管式、连杆式和旋转式等。它具有结构紧凑、体积小、重量轻、振动小、噪声低及制冷剂不泄漏等优点。（2）冷凝器。冷凝器是使气态制冷剂放出热量而凝结为液态的热交换设备。家用冰箱的冷凝器通常为空气冷却式冷凝器，大部分采用自然对流冷却方式，按其安装的位置可分为内置式和外置式。外置式冷凝器通常放在冰箱的背部，其结构形式为钢丝式、平板式或百叶窗式。内置式冷凝器的冷凝管直接在冰箱两侧外壳钢板的内侧，利用两侧钢板向外散热。内置式冷凝器的传热效果不及外置式冷凝器好，设计中要适当加大隔热层的厚度，传热系数一般为68W/()。内置式冷凝器外形比较美观，冷凝表面不易积灰。（3）门防冻防露管。门防冻防露管主要是用于防止冰箱的门四周因为冷量逸出而使门封处温度降低，出现结露甚至结冰现象，从而保证箱门的正常使用。家用冰箱的门加热防露装置，有别于大型制冷装置，通常不使用专门的热量来加热门框，起到防冻防露的作用，同时又节省了电加热的费用。（4）蒸发器。蒸发器是使液体制冷剂吸热汽化成气体的热交换设备。家用冰箱的蒸发器属于空气冷却式，直冷式冰箱采用自然对流式蒸发器，有管板式、铝复合板式、钢丝盘管式、单脊翅片式和层架盘管式蒸发器，用风机进行强制对流换热。（5）干燥过滤器。家用冰箱的干燥过滤器一般安装在冷凝器出口毛细管入口之间的液体管路上，其作用是滤除制冷系统中的杂物和吸收制冷剂中的残留水分，以避免毛细管的冰堵和脏堵，保证制冷系统的正常运行。图2-6干燥过滤器家用冰箱使用的干燥过滤器的结构如图2-6所示。在过滤器两端分别装有120目至180目的过滤网，滤网之间填充干燥剂。干燥剂的种类有很多，如氧化铝、氧化钙、硅胶和分子筛等。目前家用冰箱大部分采用吸湿性强的分子筛（如球形分子筛或特制的分子筛柱）作为干燥剂。（6）毛细管。家用冰箱的制冷系统中，通常采用毛细管作为节流元件。其优点是结构简单、成本低、运行可靠；缺点是调节性能则较差，系统结构参数的变化对于性能的影响会比较显著，因此对于系统匹配的要求较高。（7）制冷剂。家用冰箱使用的制冷剂有R134a、R600a等。R134a是一种新型制冷剂，其热力性质与R12非常相似，适用于家用冰箱、汽车空调、中温和高温商用制冷装置。作为R12的替代物，R134a的制冷系统中压缩机的结构尺寸和换热器的尺寸、耐压性能等均需调整，但主要是密封材料、润滑油、干燥剂的选择。R600a是一种自然制冷剂，对环境无破坏作用。其标准沸点为-11.7，凝固点-160其性质与R12差异较大，主要表现在压比高、容积制冷量小、电器绝缘要求高。因此用于家用冰箱时，制冷系统要重新设计和制造。2.2.2电路控制系统家用冰箱的电控系统主要控制冰箱内的温度，保证冰箱的正常工作。图2-7所示为家用冰箱的典型电路图，其工作原理如下。图2-7家用冰箱典型电路图1-灯开关 2-照明灯 3-温度控制器 4-温度补尝加热丝5-启动继电器 6-压缩机电动机 7-过载保护器B-蓝色 BK-黑色 Br-棕色 G-Y-黄绿色当冰箱电源接通时，压缩机电动机运行绕组（主绕组）和启动继电器线圈首先得电，在接通的瞬间电流较大，使启动继电器吸合，从而使电动机启动绕组（副绕组）通电，在定子中产生旋转磁场，电动机启动并很快（约12s）达到额定转速。随着转速提高，启动电流下降，当电流下降到不足以吸合衔铁时，启动触点断开，启动绕组断电，电冰箱进入正常运转。压缩机热保护器的结构主要是一个双金属片开关，正常工作时处于常闭位置。当压缩机电机过载时，紧贴着压缩机壳体安装的热保护器发热元件发热，即双金属片受热弯曲，使其保护触点断开，切断电路，保护了电机不致损坏或烧毁。箱内照明灯开关平时处于常开位置，灯开关则与箱门机械接触。当箱门打开时闭合，灯亮以照明箱内。温度控制器利用感温包检测各间室的温度，通过对制冷压缩机的开、停进行自动控制来保持各间室温度的设定值。采用强制对流冷却的间冷式冰箱，还增设了风门温度控制器；温度控制器直接控制冷冻室的温度，冷藏室、冰温保鲜室等次序间的温度是通过风门温度控制器自动调节风门开启角度的大小，以控制进入各冷间室的冷风量变化，从而实现其温度的自动控制。家用冰箱常用的化霜方法有：人工化霜、半自动化霜和全自动化霜三种方式。对于直冷式冰箱，一般采用人工化霜和半自动化霜的化霜方法，其特点是结构简单，动作可靠，但是化霜时间较长，箱内温度波动较大。对于间冷式电冰箱，则采用全自动化霜控制系统。目前市场上大多数间冷式电冰箱，采用定时控制式自动电热化霜。在蒸发器上安装电热元件，以时间继电器作固定时间的周期化霜。一般出厂时已经调整好化霜间隔时间和化霜时间。2.2.3箱体及附件家用冰箱的箱体主要由外壳、内胆、箱门、隔热层和附件组成。其中，外壳常采用0.61mm薄钢板，外表面磷化处理后喷漆或喷塑，或彩色钢板；内胆一般采用丙烯腈丁二烯-苯乙烯（ABS）或改性聚苯乙烯（PC）板，加热至60干燥后采用凸模真空成型或凹模真空成型。隔热层通常充填硬质聚氨酯泡沫塑料。家用冰箱的箱门由门面板、门内胆、磁性门封和手柄及铰链（门折页）组成。其中，门面板与箱体外壳一样；门内胆与箱体一样；磁性门封由塑料门封条（乙烯基塑料挤塑成型）和磁性胶条（在橡胶塑料的基料中渗入硬性磁粉挤塑成型）组成，为了节能有些低温水箱还另设橡胶气囊二次门封。家用冰箱的附件包括：搁架、箱内接水盒、果蔬盒、制冰盒、箱外接水盒（或蒸发盒）等组成。2.3 电冰箱能效标准及经济性能评估2.3.1冰箱能效等级标准电冰箱是家用电器中的主要耗能设备，OECD国家家用电冰箱的能耗是火车耗电量的3倍；在日本，电冰箱能耗占住宅耗电量的17%；在泰国，这一比例是20%；1995年我中国家用电冰箱的耗电量所占比例为32%，上述情况都说明了电冰箱是耗能大户。从节能、环保和促进技术进步等角度出发，2003年国家颁布了GB12021.2-2003电冰箱能效标准。电冰箱的耗电量限定会按下式计算： （2-1）式中： 耗电量限定值，kWh/24h;M参数，由表2-2查得， kWh /L;N参数，由表2-2查得，kWh；调整容积，L。电冰箱产品的实测耗电量应不大于值，否则，为不合格。对于具有可变温间室的电冰箱，分别测试不同设定温度条件下的耗电量，各测试结果均应满足相应类别的耗电量限定值要求。表2-2 M、N取值序号类别M/ （kWh /L）N/（kWh ）1无星级室的冷藏箱02212332带1星级室的冷藏箱06111813带2星级室的冷藏箱04282334带3星级室的冷藏箱06242235冷藏冷冻箱06972726冷冻食品储藏箱05301907食品冷冻箱0567205该标准不仅规定了电冰箱在标准状况下耗电量限定值，并且规定了冰箱的能效等级为15级，其中1级、2级为节能产品，1级最节能，5级为能效合格产品。按照冰箱在标准状态下实际耗电量与限定值的比较，比值小于0.55的为能效1级，也就是说，在通常情况下能效1级电冰箱的耗电量相当于该型号电冰箱标准允许耗电量的55%，即节能45%以上；比值0.560.65为能效2级冰箱；比值0.660.80为能效2级冰箱；比值0.810.90为能效4级冰箱；能效5级冰箱为能效水平刚满足标准的合格产品；比值大于1的产品为不合格产品，国家标准强制不允许其进入市场。1级是企业努力的目标，约占当前产品总量的5%；2级是代表节能产品的门槛，约占当前产品总量的20%；3、4级代表我国的平均水平，约占当前产品总量的50%；5级代表能效限定值，是未来淘汰的产品，约占当前产品的25%。电冰箱的能效主要取决于压缩机的EER和箱壁的保温性能两个因素。电冰箱能效标准的出台，对于规划电冰箱市场，统一电冰箱用能效标准，提高电冰箱融整体效率水平，挖掘制造企业开发超级节能冰箱的潜力等方面具有积极意义。2.3.2不同能效等级电冰箱耗电量的确定 我国电冰箱以中等容积（161L230L）需求最为旺盛，它们大部分耗电量为1.21.4 Kwh/24h.按照GB12012.2-89家用电冰箱电耗限定值及其测试方法的规定，目前冰箱的能耗水平绝大部分在国际规定值的80%90%。与发达国家同类产品相比，我国冰箱能耗水平是比较高的，据初步分析，与发过国家相差表20%，也就是说，我国冰箱的节能潜力较大。按报批搞的能效等级划分方案，可得到表2-3的结果，由此可确定各个能效等级的耗电量，即1级为204.40kWh/a,2级为290.18kWh/a,3级为339.45kWh/a,4、5级可不考虑，因为这类产品通常在市场上不允许出售。表2-3 电冰箱不同能效等级的耗电量节能措施耗电量（kWh/24h）计算能效指数（%）能源效率等级最佳的运行控制0.4434.31（55%）真空板0.5946.11结构系统优化0.6550.81使用节能新工质R600a0.7659.42(55%65%)使用高效压缩机0.8364.82使用较高效压缩机0.9372.73(65%80%)适当加厚隔热发泡层5mm1.0884.44(80%90%)改进门封结构1.1791.45(90%100%)改进发泡材料和工艺1.30101.65注：基准电冰箱耗电量1.2kWh/24h；各节能措施由下至上依次累加。1级表示能效最高；能源效率等级一栏括号内数据为标准报批搞相应等级要求的能效指数。2.3.3能源节约量及污染物减排预测（1）报废函数报废函数，也称生存曲线，可用来估计设备的报废率。若认为报废函数是线性的，那么在设备平均寿命的2/3时期内，没有设备报废；而在平均寿命的4/3时期后，所有设备都报废。这一函数可用文字描述：若使用时间平均寿命2/3，那么所有设备均完好；若平均寿命2/3使用时间平均寿命4/3，那么所有设备均报废；（2）设备生存因子如果要预测节能量的年份标准有效，并且该所份在设备的2/3寿命期内，则生存因子为1005；如果该年份超过4/3寿命期，则生存因子为0；其他情况可用下式计算： （2-2）式中：设备a在j年的生存因子，%；设备在a的寿命，a；要预测节能量的年份，a；设备销售的当年，a。（3）设备保有量设最初市场上没有设备a销售，也没有用户使用设备a。从s年开始有了设备a的销售和使用，那么在s+1,s+2,年后，设备a的数量不断增加，但是因为每年都有设备报废，因此增加量不是每年销售量的简单加和， 要考虑设备生存因子的影响。也就是说，保有量是当年的销售量加上历年销售仍在当年使用的设备数，设备保有量按下式计算： （2-3）式中：设备a在I年的保有量，is；设备a在j年的销售量。（4）能效等级节能量 （2-4）式中：单台某一能效等级的设备当年的节能量，kWh/a；基准设备的单台能耗，kWh/a达到某一能效等级的设备的单台能耗，kWh/a。（5） 某一能效等级的设备在第I年的节能量 （2-5）（6）污染物及温室气体的减排预测 、及粉尘的减少量都是能源节约量的函数，表达式如下：当年减排量： （2-6） 累计减排量： （2-7）式中：设备a在I年物质p的减排量，kg； 物质p的排放系数，kg/kWh； 设备a累计至i年物质p的减排量，kg。（7）计算依据计算起始时间从2003年开始，截止2007年，因为标准通常5年修订一次。假定2003年实施标准，由于此前进入市场的产品不受该标准的制约，所以只预测2003年以后的新产品的节能状况，20032007年电冰箱的需求量见表2-4。预测污染物及温室气体的减排量时使用以下排放系数：碳339g/kWh,氮化物4.07g/kWh,硫化物53.10g/kWh,固体颗粒24.80g/kWh。表2-4 20032007年电冰箱的市场总量预测年度20032004200520062007市场需求量（万量）1347.081411.721474.501535.421595.48（8）预测结果及分析计算结果见下一组图2-82-11。图2-8节能最预测图2-9碳减排量预测图2-10氮化物减排量预测图2-11硫化物减排量预测由图中数据可知，1级5年累计节能50.16kWh，2级标识累计节能31.74kWh。以上数字表明，能效标识所带来的节能效果是巨大的，可作一形象的说明，设火电厂的年运行时间为6000小时，2级相当于5年内少建1.个1000MW的火电厂；1级则相当于5年内少建1个1700MW的火电厂。在化石燃料是主要能源的今天，节能即意味着环保。从图2-82-11可得出，1级5年累计可减排氮化物20.4吨，硫化物26.63吨，固体颗粒12.44吨，碳17.00吨；2级5年累计可减排氮化物12.92吨，硫化物16.86吨，固体颗粒7.86吨，碳10.76吨。以上分析说明能效标准带来的环保收益是非常可观的。因为我国目前的环境形式不容乐观，由于燃煤等带来的污染，中国的北京、沈阳、西安、上海、广州5城市名列世界污染最重的城市之列。二氧化硫严重超标，酸雨态势扩大，出现酸雨的城市占全国城市半数以上。据统计，2001年全国城市空气质量达到二级以上、三级及三级以下标准的城市各占1/3。人国城市可吸入颗粒物年均浓度超过国家二级标准，并且近三成的城市超过国家三级。此外，我国已成为第二大排放国1999年排放3058.7吨，占世界总量的13.2%。可见，从环保角度出发，是很有必要实施电冰箱能效标准的。2.4电冰箱发泡剂的替代研究随着CFCs的禁用，从2007年起，国内市场的电冰箱、冰柜产品将进入无CFCs时代。这不仅要求电冰箱制冷剂不含CFCs，同时也要求发泡剂不含CFCs。理想的发泡剂必须具备下列一些特性：（1）不能与塑料发生反应；（2）必须充分溶于液态塑料，但不溶解固态塑料；（3）使用液态发泡剂，必须有适宜的沸点和蒸气压力；（4）隔热泡沫塑料要求发泡剂具有低导热性，以便最终产品有高绝热性能；（5）要求发泡剂不可燃，并且有助于使最终产品获得良好的阻燃性能。众所周知，电冰箱四周的隔热材料是现场注入发泡剂形成的硬质聚氨酯泡沫塑料，而用作发泡剂的R11已被国际组织列为是对臭氧层危害最大和禁用的品种之一。世界上很多化学品公司和制冷器具生产厂商纷纷开展研究工作，寻找R11发泡剂的替代物质。进入20世纪90年代，电冰箱硬聚氨酯发泡剂替代品的研究引起各国的高度重视。我国在加水发泡技术方面有一定的基础，广东省有关单位早在20世纪70年代曾做过一系列的加水发泡剂试验，取得过替代5%的效果，积累了丰富的经验。目前替代物质的研究工作也进展顺利，浙江省氟化式技术开发所已经建成小批量生产R123和R141b的装置，可供各生产、科研单位使用。在电冰箱门体的生产过程中，发泡剂的特性与生产系统的干燥部分设计有关。为了通过预分配混合原料提高发泡质量，使用R141b发泡剂预先使门体在敞开式模具中发泡。R245fa发泡剂较低，能够迅速产生发泡反应，但是它不适合开模式生产。目前，几乎所有主要硬泡行业都完成了向ODP为零的发泡剂的转化，在多数都依赖R141b作为主要的第一代替代物，替代目前禁止的CFCs。虽然作为发泡剂R11具有较好的特性，但其对臭氧层的破坏性使其使用受到一定限制，已被列为淘汰之列。2.4.1电冰箱发泡剂R141b和R123替代R11的应用 R141b和和R123的物理性能（沸点、蒸气导热系数及蒸发潜热与）R11相似，其中R141b的能量效率比较高，成本比R11约高出2030倍，ODP值0.11、GWP值为0.12，具有可燃性；R123能量效率相对低些，成本价格要比R11高出约50%，对臭氧的破坏力相当小，且不可燃。此外，由于它们的分子量不同于R11，为了取得相同的发泡率，R141Br 用量较少，而R123则要多用些。另外，R141b对电冰箱内胆ABS板村有腐蚀，需采用双层拱挤板或改性ABS板，从而造成运行费用的增加；R141b泡沫物性稳性差，需要对工艺进行改进才能保证使用。为了更好地利用R123较低的消耗臭氧层潜能值和不可燃性的特点，以及R141b较好的发泡效率、；较低的溶解能力和成本，美国杜邦公司研制出两种化合物的混合物Formacell-R。它将两者的优点集于一身，其分子量和膨胀率都是与R11相似，且不可燃，对臭氧层的破坏力为R11的1/20。2.4.2环戊烷替代R11的应用首先是德国采用了环戊烷方案，随后意大利、荷兰、英国和北欧的瑞典、丹麦、挪威等国部分采用了环戊烷替代R11方案。到目前为止，这些国家采用环戊烷替代R11的方案已有多年，有着丰富的实践经验，最典型的是大型电冰箱厂德国津根的博士-西门子公司的制冷器具厂。在日本，虽然前些年以R141b为主要方案，但近所来很多电冰箱厂也改为环戊烷方案。日本松下、日立、三洋人个电冰箱厂都建立了环戊烷发泡生产线；新飞引进德国亨内机公司环戊烷发泡剂生产线实现每年60万台的生产能力，科龙、海尔都实现了环戊烷发泡生产线的改造。在美国，仍采用R141b作为电冰箱发泡剂，但对于进口环戊烷发泡的电冰箱并不加限制。因此，环戊烷替代R11作为长期方案，可以获得世界各国的承认和普遍采用。2.4.3环戊烷替代技术的发展环戊烷替代方案虽然被料多采用，但由于其导热系数比R141b高、资源有限、价格高等因素，因而采用正、异戊烷的方案已开始实施。正、异戊烷的发泡强度和流动性都较好，导热系数虽高一些，但资源丰富、成本低，博士-西门子电冰箱厂现用正、异戊烷的混合物替代环戊烷作发泡剂，能够降低成本8%；对于用正、异戊烷发泡与R600a作制冷剂的搭配，电冰箱的整机能耗可保持在R11和R12的水平。这对我国是一个可喜的信息，因为我国目前环戊烷要靠进口，价格很贵，而正、异戊烷的资源丰富，应当努力开发这种方案。自1992年以来，欧洲在短期内实现了环戊烷代替R11发泡剂的改造，但由于种种原因这种发泡剂没有在北美自由贸易协定（North American Free Trade Agreement,NAFTA）地区被成功应用。另一种名为R245fa的发泡剂被广泛应用，它主要适用于受到经济因素限制而无能力使用环戊烷的中小型工业。国外试验表明，HCFCs替代材料的绝热效率只有CFCs的90%。为了保证原有绝热性能，就必须增加电冰箱的壁厚，但电冰箱的外形尺寸又不能随意改变（必须与建筑尺寸和传统布局相适应），因此，只能以牺牲电冰箱内部容积为代价。发泡材料的相溶性也是一个关键问题。通常电冰箱内胆使用的是ABS或SB/HIPS工程塑料。HCFCs，尤其是R123比R11有较强的溶解作用，会使塑料内胆产生破裂或皱缩。各生产厂商正在积极探索途径，期望能降低HCFCs的溶解能力；或在塑料表面镀上一层其他防护材料；或者试用新材料（如聚碳酸酯类）做内衬等等。但目前尚未见到有正式结果的报道。3、电冰箱的设计3.1冰箱设计的考虑因素3.1.1电冰箱节能考虑近年来,全球“电荒”、“油荒”频发,欧美经济强国除了在全球范围内积极扩大能源产地外,对家电能耗要求也越来严格,甚至利用能耗标准作为技术壁垒来制约包括中国在内的发展中国家对其家电出口；在国内,节能也已成为众多冰箱制造商的一个重大竞争点,冰箱是否节能直接关系到产品开发及日后产品销售的难易程度。低冰箱能耗