（制冷及低温工程专业论文）高效电冰箱研究和开发.pdf

忠钳一 独创性声明 1 i i i ll l l l l l l l l l1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 q l l l l l l l l l l 17 8 8 6 3 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至! 童 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一 ? 签名：至迫导师签名：耋隧f i 期：竺生垒旦堡9 j。-。4 鳇j 善 摘要 摘要 家用电冰箱是我国家庭中必不可少的家用电器。由于家用电冰箱全年工作的 特点，其耗能量在家庭总耗能量中占据的比例很大，加之近年来环境能源问题的 日益严重，家用电冰箱的能耗问题也受到了更多的关注，各个国家均对家用电冰 箱的能效水平提出更高的要求，相继制定或更新相关的国家标准，我国也于2 0 0 8 年制定了新的国家标准家用电冰箱耗电量限定值及能源效率等级 ( g b l 2 0 2 1 2 2 0 0 8 ) 以促进高能效低能耗的电冰箱产品的研发、生产，起到节约 能源的作用，并已经于2 0 0 9 年5 月正式实施。本课题对家用电冰箱进行能效分析 并提出相应节能改造途径，通过理论分析与实验相结合的方法，对高效电冰箱的 设计和节能改造途径提出具体意见并进行节能效果、分析。 本文首先介绍家用直冷式电冰箱的原理及结构，分析国家标准( 家用电冰 箱耗电量限定值及能源效率等级) 中电冰箱能效水平的判定标准、方法及相关 影响因素。在此基础之上，本文分析并总结家用直冷式电冰箱的能耗结构进行分 析，并提出改造节能途径。然后通过理论分析研究角度，按照箱体绝热层的节能 设计、制冷系统的节能设计、辅助系统的节能设计和压缩机的节能设计等几个方 面介绍家用直冷式电冰箱的节能设计方法。再严格按照国家标准的相关测试标准 和规定，对样机进行测试实验。结合实验结果，对样机提出节能改造的具体方法， 并针对改造的具体方法进行节能改造效果及节能潜力的预测。 关键词：直冷式电冰箱、能耗、高效 h o u s e h o l dr e f r i g e r a t o ri s a ne s s e n t i a l a p p l i a n c e t of a m i l yi nc h i n a t h e c h a r a c t e r i s t i ct h a th o u s e h o l dr e f r i g e r a t o rw o r k st h r o u g h o u tt h ey e a rm a k e si t se n e r g y c o n s u m p t i o no c c u p yac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o ni nt o t a lf a m i l ye n e r g yc o n s u m p t i o n w i t ht h eg r o w i n ge n v i r o n m e n ta n d e n e r g yi s s u e s ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f h o u s e h o l dr e f r i g e r a t o r sh a sb e e ng i v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s m o s t o fc o u n t r i e si nt h ew o r dh a v ed e v e l o p e do ru p d a t e d r e l e v a n tn a t i o n a ls t a n d 砌so nt h e e n e r g ye f f i c i e n c yo fh o u s e h o l dr e f r i g e r a t o r st op r o m o t et h ee n e r g ys a v i n g ，c h i n ah a s a l s or e n e w e di t sn a t i o n a ls t a n d a r d “t h em a x i m u ma l l o w a b l ev a l u e so ft h ee n e r g v c o n s u m p t i o na n de n e r g ye f f i c i e n c yg r a d ef o rh o u s e h o l d r e f r i g e r a t o r s ，( g b 12 0 21 2 2 0 0 8 ) ，w h i c hh a sb e e no f f i c i a l l y i m p l e m e n t e di nm a y2 0 0 9 t oah i g h e r e n e r g y - e f f i c i e n tl e v e lt ol e a dt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no fr e f r i g e r a t o r s t h i ss t a l l d a i - d p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nc h i n ae n e r g ys a v i n g sa n d b r i n g sf o r w a r dh i g hr e q u i r e m e n t s f o rm ee n e r g ye f f i c i e n c i e so fh o u s e h o l d r e f r i g e r a t o r s w i t ht h er e s u l t so ft h e t h e o r e t i c a la n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fh o u s e h o i d r e f r i g e r a t o r sw a sa n a l y z e d s o m ec o r r e s p o n d i n ge n e r g y - s a v i n gm e t h o d sa n ds o m e s p e c i f i cc o m m e n t sf o rt h ed e s i g na n dr e f o r mo fh i g h e f f i c i e n tr e f r i g e r a t o r sw e r ep u t f o r w a r d t h ee n e r g y s a v i n gp o t e n t i a l sw e r ef u r t h e ra n a l y z e d f i r s t l y t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fd i r e c t - c o o l i n g r e f r i g e r a t o r , a n a l y z e dt h es t a n d a r d ，t h ew a y sa n ds o m er e l a t i v ef a c t o r sf o r t l l e d e t e r m i n a t i o no ft h er e f r i g e r a t o re n e r g ye f f i c i e n c yl e v e li nt h en a t i o n a ls t 锄d a r dr c t h e m a x i m u ma l l o w a b l ev a l u e so ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de n e r g ye f f i c i e n c yg r a d e f o rh o u s e h o l dr e f r i g e r a t o r s ”) o nt h i sb a s i s ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ns t r u c t u r eo f t h e d i r e c t 。c o o l i n gk i n dh o u s e h o l dr e f r i g e r a t o r , a n dp r o p o s e st h ep o s s i b l ew a v sf o r e n e r g y - s a v i n gw e r ea n a l y z e di nd e t a i l s t h e nw i t ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s i n a c c o r d a n c ew i t ht h e e n e r g y s a v i n gd e s i g no fc o m p a r t m e n ti n s u l a t i o n ，t h e e n e r g y s a v l n gd e s i g no fr e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h ee n e r g y s a v i n gd e s i g no fa u x i l i a r y s y s t e ma n dc o m p r e s s o re n e r g ys a v i n gd e s i g n t h ee n e r g ys a v i n gd e s i g nm e t h o d sf o r d i r e c t 。c o o l i n gh o u s e h o l dr e f r i g e r a t o rw e r ei n t r o d u c e d as a m p l er e f r i g e r a t o rw a s t e s t e di na c c o r d a n c ew i t hn a t i o n a ls t a n d a r d sa n d r e g u l a t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u i t s l e a dt os o m e s p e c i f i ce n e r g ys a v i n gm e t h o d s a n d ，a tl a s t ，t h e e n e r g y s a v i n g p o t e n t i a l so ft h es a m p l er e f r i g e r a t o rw e r ef u r t h e ra n a l y z e d k e yw o r d s ：d i r e c t 。c o o l i n gr e f r i g e r a t o r ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ；h i g h e f f i c i e n c y c j j ；f !文曼论曼位曼学曼十曼硕皇 咒 学舅 跃 t 皇 m 学曼 恻大曼七业曼a t 曼京曼 9ji 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 目录。i ii 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 我国家用电冰箱应用现状1 1 1 2 我国家用电冰箱生产及销售现状1 1 1 3 我国家用电冰箱能耗现状2 1 1 4 家用电冰箱能效相关国家标准2 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 增加电冰箱发泡层厚度3 1 2 2 真空绝热技术4 1 2 - 3 新型门封4 1 2 4 采用高效压缩机4 1 2 5 冷凝器和蒸发器节能研究4 1 2 6 变频节能技术5 1 2 7 采用机械式温控器、单循环制冷系统5 1 2 8 压差保持技术5 1 2 9 其他技术6 1 3 本课题研究意义、主要研究内容及思路6 1 4 本章小结6 第2 章家用直冷式电冰箱结构及能耗分析。9 2 1 家用直冷式电冰箱原理及结构9 2 1 1 家用电冰箱原理9 2 1 2 家用电冰箱结构10 2 2 家用直冷式电冰箱的能效评价及测试1 2 2 2 1 电冰箱能效等级判定12 2 2 2 影响能效指数的囚素分析13 2 2 3 家用直冷式电冰箱的能效测试15 2 3 家用直冷式电冰箱的能效分析与节能途径16 2 3 1 影响电冰箱能效水平的冈素1 6 2 3 2 节能途径2 0 i i i 北京t 业大学t 学硕士学位论文 i i i 2 3 3 压缩机运行的开停比与电冰箱能效的关系2 1 2 4 本章小结2 1 第3 章高效电冰箱的节能设计与改造方法2 3 3 1 箱体绝热层的节能研究和设计2 3 3 1 1 箱体发泡绝热层2 3 3 1 2 真空绝热技术2 3 3 1 3 复合绝热体设计2 4 3 1 4 门封设计2 4 3 2 制冷系统的节能设计2 4 3 2 1 制冷循环方式的改进2 4 3 2 2 蒸发器和冷凝器的优化设计与匹配2 5 3 3 辅助系统的节能设计3 0 3 4 压缩机的节能设计3l 3 4 1 提高容积系数的措施3 2 3 4 2 提高温度系数的措施3 2 3 4 3 提高泄漏系数及压力系数3 2 3 5 本章小结3 3 第4 章样机及实验研究3 5 4 1 实验概述3 5 4 2 样机情况介绍3 5 4 3 实验方法及装置3 7 4 3 1 实验内容3 7 4 3 2 实验要求3 7 4 3 3 实验装置及其功能3 7 4 4 实验结果4 1 4 4 1 红外热成像拍摄4 l 4 4 2 样机运行情况摸底实验5 0 4 4 3 样机运行参数测试5 1 4 4 4 样机性能参数测试一5 3 4 5 误差分析。5 7 4 5 1 红外热成像仪拍摄部分5 7 4 5 2 样机运行情况摸底实验5 7 4 5 3 样机运行参数测试5 7 4 5 4 样机性能参数测试5 7 i v 左 j 目录 4 6 本章小节5 8 第5 章结果与分析5 9 5 1 实验数据和节能潜力分析5 9 5 2 节能效果计算与分析6 0 5 2 1 绝热结构的节能改造方法及效果分析6 0 5 2 2 制冷系统节能改造方法及效果分析6 2 5 2 3 节能方案及效果总结6 7 5 3 本章小结一6 8 结论6 9 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 5 致谢7 7 v v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 电冰箱是家庭中必不可少的家用电器，具有普及率高、使用率高、能耗高 的特点。与其它家用电器相比，电冰箱虽然功率不大，但是它全年工作，电冰 箱的累积总耗电量占全部家用耗电量的很大部分。随着环境能源问题的日益严 重，相关部门对家用电冰箱的能效问题投入了相当程度的关注，也出台了相关 的国家标准，来激励和促进电冰箱能效水平的提升。 1 1 1 我国家用电冰箱应用现状 据国务院发展研究中心市场经济研究所等四家权威部门共同组成的 “2 0 0 1 - - 2 0 0 5 年中国城市家电市场联合调查课题组”对我国2 7 个省( 市) 、自 治区的7 5 个城市进行的专项调查表明：电冰箱的普及率已达到了8 5 4 ( 大城 市达9 6 ) ；其中有两台以上冰箱的家庭为3 6 ( 大城市达8 ) ；家用冰箱以 1 6 0 - - 2 0 0 升的容量拥有者居多。从城市居民购买冰箱的时间来看，1 9 9 4 年以前 购买的产品占据主导地位，达5 1 ；其中1 9 9 0 年以前购买冰箱的比例为2 3 4 。 以电冰箱的使用寿命1 0 - 1 5 年计，我国这部分家用冰箱将相继进入更新期，年 均报废量达4 0 0 万台，从而将构成未来五年内城市电冰箱市场消费的主体。 与此同时，家用电冰箱在农村也显示出巨大的消费潜力，现拥有率为 1 7 9 。特别是发达经济地区，电冰箱已是富裕家庭尤其是新婚家庭必备的家电 产品。在未来五年中有2 1 1 农村家庭有购买意向，其中决定一年内购买冰箱 的家庭达4 1 l i j 。 通过以上调查结果，可明显看出家用电冰箱已成为我国家庭普及率和使用 率较高的家用电器之。 1 1 2 我国家用电冰箱生产及销售现状 进入二十一世纪以来，中国已经成为世界上最大的冰箱生产和供应困之一。 参考( ( 2 0 0 6 年中国家用冰箱市场白皮书中赛诺市场研究公司对电冰箱市场的 监测，从2 0 0 2 年起至2 0 0 4 年，中国电冰箱企业国内销量增长率一直呈上升趋 势，其中2 0 0 4 年冰箱食业国内销量比2 0 0 3 年增加了2 2 0 6 ，国内销鼍增长率 达到历史最好水平。2 0 0 5 年由于圈内冰箱业资本市场发生一些重大事件影响了 行业的证常发展，导致国内销量比2 0 0 4 年小幅下降了2 7 。2 0 0 6 年中国电冰 箱企业国内销量增长速度开始恢复，并创下1 4 2 7 万台的新高，比2 0 0 5 年增长 了1 3 6 个百分点，增长率也达到5 年来的最高水平。从2 0 0 6 年的国内销量情 况可以看出，中国电冰箱国内销量开始从以前的急速上升过渡到稳步上升的阶 北京t 业大学工学硕士学位论文 段【2 1 。 此外，自2 0 0 5 年冰箱出口量首次突破内销量来，2 0 0 6 年中国电冰箱的出 口量继续突飞猛进，1 3 6 3 的内销增速仅为外销增速的一半，而根据海关统计 数据，我国外销的冰箱产品也逐步向中高端转移，l g 、西门子等国际品牌将对 开门冰箱的基地设在国内，就是看中了国内良好的出1 ：3 环境和配套资源【3 】。 另外随着近年来国内家电下乡、家电以旧换新、出口退税率提升等等一系 列利好政策的出台，冰箱的产销量有了很大程度的提升。2 0 0 9 年1 - - 5 月我国 冰箱累计产量为2 0 4 1 8 万台，同比下降0 3 ；销量为2 1 2 7 1 万台，同比增长 8 7 。其中，l 5 月国内市场累计销售1 5 1 4 7 万台，同比增长1 6 8 ；出口市 场累计销售6 1 2 4 万台，同比下降7 2 【4 1 。 1 1 3 我国家用电冰箱能耗现状 通过对我国家用电冰箱市场的分析，可看出家用电冰箱在我国家庭中的普 及率很高，同时我国电冰箱产量不断增长，市场不断扩大，使得日常耗电量、 能耗急剧增加。 我国的电力资源大部分来自于煤炭。电能的使用不仅使大气中温室气体 c 0 2 的排量增加，而且还增加影响空气质量的氮化物、硫化物和总悬浮颗粒数。 其中c 0 2 的排放导致的温室效应造成地球气候的变暖更是世界范围关注的环境 问题。而由于经济的发展导致能源消耗的急剧增加，能源短缺甚至能源危机问 题同益严重。节能技术的研究不仅关系到环境保护，更涉及到能源战略，近年 来也越来越受到政府及研究者的极大重视。 电冰箱是家庭中的主要耗能家用电器，与其它家用电器相比，电冰箱虽然 功率不大，但是全年工作，总耗电量很大。在日本，电冰箱消耗了1 7 的住宅 电能；在泰国，这一比例是2 0 ( c o g a n 和h a r r i n g t o n 2 0 0 0 ) ；在美国，电冰箱 冷柜的用电量约占家庭用电的1 6 ，在欧洲约占2 5 ，而在我国则在1 3 以上。 据初步分析，我国能源利用率只有3 2 ，比先进国家水平低1 0 左右【5 】。如果 按国内年销售量2 0 0 0 万台计，产品能效每提高1 0 ，将会带来直接节电2 0 0 亿度。我国是世界上第二大能源消费国及第二大c 0 2 排放国，而且电冰箱的使 用寿命长，一般都在十年以一卜，因此电冰箱的节能研究具有十分重要的意义。 1 ，1 4 家用电冰箱能效相关国家标准 由于家用电冰箱具有使用率高、耗电量大的特征，对居民用电黾水平的影 响不容忽视，其能耗指标在一定程度上也反映出一个国家的制作水平、环保意 识和消费观念。为此，世界各国尤其是发达国家均十分重视对电冰箱类家电产 品能耗水平的管理，许多国家对电冰箱产品执行了强制性能效标准。 波兰首先于1 9 6 2 年引入了第一批工业电器强制性最低能效标准。法国政府 第1 苹绪论 在1 9 6 6 年和1 9 7 8 年分别制定了冷藏箱和冷冻箱标准。1 9 7 6 年美国制定了冷藏 箱及冷冻箱的强制性标准与标识，近年来又推出著名的能源之星计划推动节能 进程。1 9 7 6 年德国制定了自愿性标识。1 9 7 8 、1 9 7 9 年加拿大、日本相继制定了 强制性与自愿性标准。1 9 8 1 年，澳大利亚也制定了相关的标准与标识。1 9 9 5 年 欧盟制定了强制性标准及标识同时推行欧洲的节能计划。发展中国家的泰国、 新加坡、印尼、菲律宾分别于1 9 9 4 、1 9 9 8 、1 9 9 9 、2 0 0 0 年实行了指令性或自愿 性标识【6 1 。 我国于1 9 8 9 年首次发布电冰箱能耗限定值国家标准，1 9 9 9 年又发布了家 用电冰箱电耗限定值及节能评价( g b l 2 0 2 1 2 1 9 9 9 ) 的国家标准，对电冰箱的 能耗限定值作了强制性规定，明确了节能评价值。对降低我国家用电冰箱产品 的能耗水平起到了积极的作用。2 0 0 3 年国家颁布了家用电冰箱耗电量限定值 及能源效率等级( g b1 2 0 2 1 2 - 2 0 0 3 ) ，规定能效系数r 是冰箱实测耗电量占国 家标准规定的最大允许耗电量的百分比，能效系数越小，冰箱效率越节能。以 能效系数的范围作为分级标准，将电冰箱的能源效率等级由高到低分为l 、2 、 3 、4 、5 五个等级并依次由深绿色、浅绿色、黄色、橙色、红色五种标志作为 标识。通过这种分级措施，使得能效的标准更加清晰直观易于理解，促进了广 大的消费者对节能产品的认知和选择，更激励电冰箱厂家和相关科研单位对高 能效低能耗电冰箱产品的研发和生产。2 0 0 8 年修订的最新的标准家用电冰箱 耗电量限定值及能源效率等级( g b l 2 0 2 1 2 - 2 0 0 8 ) 已通过最后审批，并于2 0 0 9 年5 月l 同正式实施。新标准较旧标准( g b l 2 0 2 1 2 - 2 0 0 3 ) 有较大不同。新标 准充分考虑了电冰箱目前的能耗状况、节能技术应用、市场消费结构、产品的 差异化，更科学合理地限定了不同结构的电冰箱的能耗值，对等级的划分提高 到了一个新的要求，提高了能效的市场准入门槛，有利于进一步淘汰高能耗产 品、进一步地促进优质、高效、低能耗的电冰箱产品的研发，减少高耗能电冰 箱产品的生产，使低能耗产品逐步替代高能耗产品，降低电冰箱产品的能耗， 起到节约能源的作用。 1 2 国内外研究现状 家用电冰箱的节能研究受到国内外相关研究者的关注，近年来的研究的力 度不断增加，研究成果与节能效果亦非常显著。存节能方而已有的节能技术及 方法有以f 几种： 1 2 1 增加电冰箱发泡层厚度 据文献 7 有关数据显示从门封漏入电冰箱箱室内的热量占总漏热量的 1 5 ，从箱体漏入的占8 5 ，为了保持冰箱内的低温，需要尽量减小漏热量。 适当增厚隔热层，可以很好起到节能的效果。文献【8 】提到，增厚5 m m 可以节 3 北京t 业大学t 学硕十学何论文 能1 0 左右，但是加大电冰箱体积或减少使用空间对消费者来说不容易接受。 当今的节能型冰箱冷冻室保温层厚8 0 1 0 0 m m ，冷藏室保温层厚5 5 m m 左右。 但是加大隔热层厚度无疑是较简单、方便的节能方式。 1 2 2 真空绝热技术 真空绝热板是一种先进的高效节能产品，其优异的绝热性能在冷冻、冷藏、 低温家电领域都有着广泛的应用前景。真空绝热技术在冰箱行业的应用源于9 0 年代，利用真空条件下的低导热特性制作隔热材料，固定在冰箱发泡层中以提 高冰箱绝热性能。目前的真空绝热产品一般是用玻璃纤维复合品做型芯，复合 铝膜袋套装并密封抽真空，其导热系数仅为0 0 0 2 5 w m k ，而目前常用的环 戊烷发泡料的导热系数为0 0 2 0 0 3 w m k ，它比现有的发泡隔热材料的导热 系数低整整一个数量级，绝热效果更为优秀。 国外先后有r 本三井武田株式会社，松下冷机，东芝，英格兰帝国化学工 业公司，美国欧文斯公司，陶氏化学公司，卡伯特公司等先后开展真空绝热板 的研究工作。此外德国，意大利，土尔其阿塞利克公司也都有生产。在日本家 用冰箱的保温层中约7 0 使用了真空绝热板，s h a r p 公司在冰箱中大量使用其 作为绝热材料。使用真空绝热技术的冰箱型号有s j w e 4 4 a 、s j w e 3 8 a 、s j 4 5 a 等均已面市4 1 。 1 2 3 新型门封 文献 1 5 】中提到门封漏热与门体密封条的形状、磁条的磁力、箱体与门体 间的装配结构等密切相关，设计加入副主气囊的新型门封和双门封结构可以使 节能2 3 。 1 2 4 采用高效压缩机 无论从电冰箱的节能措施还是从电冰箱的耗电设备上来看，高效压缩机对 于电冰箱的节能都具有十分重要的意义。国际上一些著名的冰箱压缩机制造公 司，如d a n f o s s 、e m b r a c o 等都在大力丌发高效压缩机。 目前电冰箱使用的压缩机绝大部分是全封闭往复活塞式，| = l 缩机。采用环保 替代工质r 6 0 0 a 的高效压缩机已经成功地推向市场，其具有高效性、可靠性以 及低噪音等性能。高效r 6 0 0 a 压缩机在冰箱上已经广泛使用，其能源效率值能 达到1 7 5 1 6 - j8 1 。 1 2 5 冷凝器和蒸发器节能研究 文献 1 9 】中提到外背式冷凝器向外倾斜安装能增大冷凝效果，提高制冷效 率，降低整机耗电量，达到节能降耗的目的。 文献 2 0 中提到铝箔在冷凝管的散热中是一个重要的热路，如果不考虑铝 4 第1 章绪论 箔的影响，计算所得的换热量将偏8 左右；冷凝器的管材对换热效果影响不大， 采用铜管比钢管的换热效果增大不到1 ；增加冷凝管与外壁的接触面积可以提 高换热效果，但是增加幅度并不明显；同时计算结果也表明，冷凝器通过发泡层 传入冰箱内部的热量约占冷凝器总负荷的1 2 。 文献 2 1 】中提到，应合理调节增大蒸发器面积的尺度，蒸发器、冷凝器换 热面积太大或太小皆不可取，太大会使增加制冷剂的充灌量，增加能耗。若蒸 发器换热面积过大也会造成蒸发器出口温度过高，影响温度场的稳定；另外增 大蒸发面积在提高蒸发温度的同时，回压缩机排气量增加，造成在毛细管中流 动阻力更大，从而又降低蒸发温度，同时，冷凝器的散热能力也限制、制约了 系统的制冷能力。另外考虑到冰箱室内空间有限和成本问题，所以文献【2 1 的 作者认为应将蒸发器面积控制在最佳点。也可采取减小冷藏、冷冻两蒸发器的 面积比差值，保证在低温或高温环境下有最佳的开停比，从而保证在特定环境 温度( 国际上规定2 5 为能耗测试条件) 下耗电最少。还可采用丝管式多层双 管并行排列的复合立体式蒸发器设计，改单一的竖排管排列为横、竖混合排列 的丝管式外挂冷凝器，合理安排蒸发器位置和制冷剂走向。通过对蒸发器和冷 凝器进行合理地匹配，避免过低蒸发压力和过高冷凝压力，达到节能目的。 1 2 6 变频节能技术 变频技术在日本冰箱行业中应用非常广泛，国内冰箱行业从1 9 9 9 年开始试 验变频技术，到现在市场上已有海尔、海信、依莱克斯、无锡松下等多家企业 的变频冰箱上市，与传统转速为3 0 0 0 r p m 的压缩机相比，变频压缩机具有软启 动、低噪音、高效率、高速制冷能力的优点，其转速范围1 8 0 0 r p m 至4 3 0 0 r p m ， 能源效率值最高可以达到1 9 以上。采用变频技术的电冰箱可以在短时间内快 速制冷达到设定的温度，然后以低速持续运行，产生少量冷量维持冰箱内的温 度，避免压缩机频繁开停造成的电能浪费，据测算采用变频技术的冰箱与相同 的普通冰箱相比可以节省能耗1 5 以上怛引。 1 2 7 采用机械式温控器、单循环制冷系统 有文献f 2 3 认为，采用机械式温控器、单循环制冷系统的电冰箱没有电脑 板、电磁阀等耗电部件，同时采用单循环制冷系统的冰箱压缩机开停只受到冷 藏室温度控制，开机时间短，较为省电。 1 2 8 压差保持技术 文献 2 3 】中还提到电冰箱工作时压缩机压缩气念制冷剂到冷凝器内，通过 散热成为高压的液态制冷剂，然后山毛细管进入低压的蒸发器内气化蒸发，吸 走冰箱内的热量，达到制冷的目的。冰箱压缩机在刚开始的3 至5 分钟内主要 用于建立冷凝器和蒸发器之间的压差，然后力能进入f 常的制冷状态，这前曲 北京t 业大学t 学硕十学位论文 的3 至5 分钟属于能耗的浪费。压差保持技术是通过在冰箱制冷管路上设置一 系列的阀门来控制管路的通断，压缩机开机制冷时阀门导通，当压缩机停机时 阀门关闭，将冷凝器中的高压制冷剂切断并保持在冷凝器中，下次压缩机开机 时可以快速建立冷凝器和蒸发器间的压差，减少浪费的能耗。该技术的优点是 可以减少压缩机丌机时的能耗损失，缺点是需要在管路上设置多个阀门及相应 的压缩机卸压管路，管路的焊接点较多。 1 2 。9 其他技术 文献 2 4 】中对环境温度、箱门的丌启和温控器的位置等因素和它们对电冰 箱能耗综合影响给出了分析。 文献 2 5 、2 6 对电冰箱的节能方法进行了相关的综述。可见在电冰箱节能 方面的研究是很多方面的。 但是以上的节能技术均有其明显的优势，但也各自存在一些不足，例如过 厚的发泡层会影响箱体的美观以及箱室内容量；真空绝热板价格昂贵、成本高； 机械式温控器操作不方便，需要根据季节的不同调整温度档位；采用单循环系 统的冰箱冷冻能力小、不能实现速冻等功能等等。所以，如何全面综合考虑， 研发新型高能效电冰箱是一个重要的研究课题。 1 3 本课题研究意义、主要研究内容及思路 家用电冰箱占居民家庭耗电量的1 3 以上，其能效一直是国家推动节能工 作的重点。2 0 0 8 年国家再次修订了电冰箱能效标准，大幅度提高了对能效的要 求，并已经于2 0 0 9 年正式实施。为了满足新标准的要求，积极开发新的高效冰 箱以满足节能减排政策和新能效标准要求便显得尤为紧迫和重要。 本课题将首先完成对家用直冷式电冰箱的耗电分析和节能潜力预测，并通 过各类实验试验完成对样机的能效状况的分析及能效等级的判定、并提出各种 节能技术措施、分析其预计的能效效果、开发能效达到国家最新能效标准 g b l 2 0 2 1 2 - 2 0 0 8 规定的能效等级2 级以上的家用电冰箱。 本文总共分为六部分。第一章介绍本课题的背景、研究现状以及本课题的 研究内容。第二章介绍家用电冰箱的原理、结构和国家标准规定的能效评价及 测试方法，并对家用电冰箱能效及节能途径作出分析。第三章中，将就高效能 电冰箱节能理论方面进行阐述，并介绍节能设计和改造方法。第四章将介绍一 台样机测试实验，并进行误差的分析。第五章将根据实验结果，分析其节能潜 力以及节能效果。最后部分为全文的总结部分。 1 4 本章小结 本章首先对沦文背景进行叙述，简要介绍了我国家用电冰箱的市场现状及 能耗现状和与家用电冰箱能效相关的国家标准。然后对国内外对电冰箱：常能方 6 第l 章绪论 i 法的研究现状进行了说明，并提出本课题的意义和主要研究内容。 7 8 第2 章家用直冷式电冰箱结构及能耗分析 第2 章家用直冷式电冰箱结构及能耗分析 2 1 家用直冷式电冰箱原理及结构 电冰箱是一种最为常见的小型制冷装置，作为家用电器广为大家所熟知。 按照制冷原理分类，可以将电冰箱分为三类：蒸气压缩式制冷电冰箱、吸收式 制冷电冰箱和半导体制冷电冰箱。目前市场上的家用电冰箱以蒸气压缩制冷循 环系统为主，本论文主要也以蒸气压缩式制冷电冰箱为主进行分析和论述。 2 1 1 家用电冰箱原理 蒸气压缩制冷循环系统循环示意图如下图2 1 所示，下面将简单就蒸气压 缩式制冷系统的工作原理进行介绍： 蒸发器 压缩机 冷凝器 图2 1 蕉气压缩制冷循环系统循环以i 恿图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo fv a p o rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l ec i r c u l a t i o n 在蒸气压缩循环系统中，压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器四大部件及其 管道形成一个封闭的循环空间，制冷剂在其中流动连续完成循环过程。压缩机 吸入从蒸发器出来的低压蒸气l ，经过压缩过程，将其压缩成为高温高压的过 热蒸气2 通过排气管道送入冷凝器中。通过它使压缩机排出的高温高压过热蒸 气2 向环境中释放出热量并将其冷凝为饱和( 或者过冷) 液体3 。饱和( 或者 过冷) 液体3 通过干燥过滤器滤除制冷剂之中的水分或者污垢，进入毛细管。 通过毛细管节流，降低温度和压力并转化为气液混合态流体4 进入蒸发器内。 在蒸发器中气液混合念制冷剂4 吸收冰箱箱室内的热量蕉发为气体状态1 。这 个过程使得箱窀内温度下降至所需温度。这样就完成了一次蒸气压缩制冷过程。 在蒸发器中完成吸热过程之后的低温低压制冷剂蒸气再被压缩机f i 及入进行压 缩，从而进入下一个循坏。如此连续循环制冷。 家用电冰箱： 作时，压缩机开机，制冷系统进行制冷，蒸发器与箱室内的 空气进行热交换，冷却箱室内空气温度。当箱审内的空气温度达到目标温度时， 控制电路控制压缩机停机，制冷系统停止制冷。箱体绝热层和门体门封对箱室 内空气温度起到绝热保温作用。电冰箱内因为储物或耆漏热而产生的热负荷， 9 北京t q k 大学t 学硕十学何论文 会使箱室内空气温度渐渐回升，当箱室内空气温度不能高于目标温度范围允许 的最高值时，控制电路控制压缩机开机，制冷系统继续制冷。如此进行循环维 持箱体内的低温，用来储存箱室内的食物。 按照箱内冷却方式进行分类，电冰箱可分为三类：直冷式电冰箱、间冷式 电冰箱和间直冷并用式电冰箱。 直冷式电冰箱箱室内采用自然对流式换热，利用箱内蒸发器直接冷却蒸发 器附近的空气，这部分空气被冷却后温度降低，相对密度变大，自然向下流向 被贮藏物对其进行冷却，吸热后温度上升，相对密度变小回到蒸发器附近。空 气在箱体内形成自然对流。 间冷式电冰箱箱室内采用强制对流式换热，依靠风扇进行箱室内空气的强 制对流换热，实现间接冷却。 间直冷并用式电冰箱是将以上两种对流方式综合利用，在不同温度要求的 箱室内采用不同的对流换热方式的电冰箱 在本文中，着重以直冷式电冰箱为研究对象，对其能效情况和节能措施进 行深入的分析。 2 1 2 家用电冰箱结构 电冰箱主要由三部分构成，其包括：制冷系统部分、电控系统部分和箱体 及附件部分。下面将分别介绍三部分的组成部分： 2 1 2 1 制冷系统家用电冰箱制冷系统部分的主要部件为压缩机、冷凝器、毛 细管、蒸发器这四大部件。另外还有干燥过滤器等必要部件，其结构示意图如 图2 2 所示： 过滤器 毛细管 左冷凝器右冷凝器 冷冻军蒸发器压缩机 图2 2 家用电冰箱制冷系统结构示意图 f i g 2 2t h ep r i n c i p l eo fc o o l i n gs y s t e mf o rh o u s e h o l dr e f r i g e r a t o r 压缩机是制冷系统的关键部件，= i i 缩机是整个循环系统的心脏，在制冷过 程中提供压力，驱动制冷剂在整个系统中进行循环。家用电冰箱通常以全封闭 式的往复活塞式压缩机为主，采用全封闭式以减小制冷剂泄漏的机会，采用往 第2 章家用直冷式电冰箱结构及能耗分析 复活塞式则是考虑到其体积小，效率高，制冷量适合于家用电冰箱的需求。 冷凝器是制冷系统中主要的热交换设备，冷凝器通常采用丝管式或者箱壁 式冷凝器，丝管式冷凝器由在蛇管两侧垂直电焊若干等距离的钢丝组成。箱壁 式冷凝器是将蛇管或粘贴或焊接在箱壁内侧组成的一种“内藏式 冷凝器。箱 体金属板作为整体在箱壁式冷凝器中起翅片作用。两种冷凝器进行对比而言， 丝管式冷凝器的换热效果要优于箱壁式，但由于用户对美观整洁要求度的增加 考虑，现在家用电冰箱的冷凝器通常采用箱壁式冷凝器。 电冰箱制冷系统中的节流装置采用毛细管，结构简单、运行可靠、造价低 廉。 蒸发器同样是制冷系统中主要的热交换设备，电冰箱中的蒸发器的类型较 多，以自然对流方式进行换热的直冷式电冰箱为例，常见的蒸发器为板管式和 吹胀式蒸发器，均可看作是一种复杂的翅片式换热器。 另外干燥过滤器安装在冷凝器管路与毛细管之间，起到滤除水分和污垢的 作用，保证毛细管的通畅，避免产生冰堵、脏堵的情况。 2 1 2 2 电控系统部分家用电冰箱的电控系统部分包括温度控制部分、电机的 启动和保护器件、照明及其控制部件等几部分。家用电冰箱典型电路图如下图 2 3 所示 温控器 起动继电器 热保护器 图2 3 家刚电冰箱典型电路图 f i g 2 3t h ec i r c u i td i a g r a mo fat y p i c a lh o u s e h o l dr e f r i g e r a t o r 温度控制设备主要是温度控制器，电冰箱内温度