（热能工程专业论文）“不同类型电冰箱产品的耗电量差异”研究.pdf

摘要 摘要 在当前世界范围内节能降耗的大趋势下，节能冰箱以其节能的优势进入了 千家万户，逐渐取代了以前所用的电冰箱。节能冰箱又有风冷冰箱和直冷冰箱 两种不同型式，它们各有优缺点。然而，哪种冰箱更省电成为消费者和各冰箱 生产厂家所关注的焦点。本文用实验与模拟计算相结合的方法，对风冷冰箱和 直冷冰箱的耗电量进行了研究，力图得到准确的风冷冰箱和直冷冰箱耗电量的 比较。 本文首先构建了组成冰箱系统的蒸发器、冷凝器、压缩机和毛细管的数学 模型。由于风冷冰箱与直冷冰箱主要的区别就在于蒸发器的不同，所以对蒸发 器构建了不同的数学模型。在此基础上，通过对数学模型的计算，从理论上得 到风冷冰箱和直冷冰箱各自的耗电量。再通过长期实验，从实验的角度得到风 冷冰箱和直冷冰箱的耗电量。然后，用试验得到的数据对数学模型进行修正， 从而可以得到耗电量随蒸发温度、冰箱容积和压缩机制冷量的变化情况。最后， 对风冷冰箱和直冷冰箱耗电量的大小进行比较，得出结论，并总结冰箱的节能 途径。 关键词：风冷冰箱；直冷冰箱；耗电量 北京工业大学工学硕士学位论文 k b s t r a c t e n e r g yc r i s i sb e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e mf o re v e r yc o u n t r ya l lo v e rt h ew o r l d a n de n e r g ys a v i n gr e q u e s tl sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nm e v e r yg o v e r n m e n t t h eh i 曲一e f f i c i e n t r e f r i g e r a t o r s h a v ee n t e r e di r m u m b e r a b l e f a m i l i e sw i t hi t s a d v a n t a g eo fe n e r g ys a v i n ga n du n d a m a g i n gf o rt h eo z o n o s p h e r e ，a n dh a v er e p l a c e d g r a d u a l l yt h et r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t o r t h eh i 曲一e f f i c i e n tr e f r i g e r a t o rc a nb ed i v i d e d i n t ot w od i f f e r e n tt y p e s ，a i rc o o l e dr e f r i g e r a t o ra n dd i r e c tc o o l i n gr e f r i g e r a t o r ，a n d t h e y h a v et h e i ro w l l a d v a n t a g e s a n d s h o r t c o m i n g s h o w e v e r , w h i c h k i n do f r e f r i g e r a t o rc a l ls a v em o r ee l e c t r i c i t yh a sb e c o m et h ef o c u st h a tc u s t o m e r sa n de a c h r e f r i g e r a t o r m a n u f a c t u r e rd a i da t t e n t i o nt o t h i s p a p e r s t u d i e st h e p o w e r c o n s u m p t i o no fa i r c o o l e d r e f r i g e r a t o r a n dd i r e c t c o o l i n gr e f r i g e r a t o r w i t ht h e m e t h o do fc o n s i d e r i n gt h es i m u l a t e dc a l c u l a t i o nw i t ht h ee x p e f i m e n la n dt r i e st og e t t h em o r ea c c u r a t ec o m p a r i s o no np o w e rc o n s u m p t i o no fa i rc o o l e dr e f r i g e r a t o ra n d d i r e c tc o o l i n g r e f r i g e r a t o r f i r s t l y t h i sp a p e r h a se s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fe v a p o r a t o r , c o n d e n s e r , c o m p r e s s o ra n dc a p i l l a r y , w h i c hc o m p o s et h er e f 6 【g e r a t o rs y s t e m s i n c e t h em a j o rd i f f e r e n c eo fa i rc o o l e dr e f r i g e r a t o ra n dd i r e c tc o o l i n gr e f r i g e r a t o rk e si n t h e e v a p o r a t o r , s ot w od i f f e r e n t m a t h e m a t i c sm o d e l so fe v a p o r a t o rh a v eb e e n e s t a b l i s h e d o nt h i sb a s i s ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o no fa i rc o o l e dr e f r i g e r a t o ra n d 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 a r lb eg o t t h e o r e t i c a l l yt h r o u g h t h ec a l c u l a t i o nt 。 m a t h e m a t i c sm o d e l ，t h e n ，t h ee x p e r i m e n t a lp o w e rc o n s u m p t i o no fa i r c o o l e d r e f r i g e r a t o ra n dd i r e c tc o o l i n gr e f r i g e r a t o rh a sb e e no b t a i n e dt h r o u g han u m b e r o f e x p e r i m e n t s f i n a l l y ，w ec o m p a r e t h ed i f f e r e n tv a l u eo ft h ep o w e rc o n s u m p t i o nt h a t r e a c h e df r o ms i m u l a t e dc a l c u l a f t o na n dt h ee x p e r i m e n t ，a n da n a l y s et h ep r o b l e mo f s i m u l a t e dc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n te a c h e v e n t u a l l y ，t h ed i s c r e p a n c yo fp o w e r c o n s u m p t i o no f a i rc o o l e dr e f r i g e r a t o ra n dd i r e c tc o o l i n gr e f r i g e r a t o ri ss h o w e di n t h e p a p e r ， k e y w o r d ：a i r c o o l e dr e f r i g e r a t o r ；d i r e c tc o o l i n gr e f r i g e r a t o r ；p o w e rc o n s u m p t i o n i i 独创性声明 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：主垒孟! 翌同期：! 型：! ：竺 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。 签名：起名、婆签名：起名s 誓 聊签名：秘日期：蛰噬! ! ：弘 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 本世纪七十年代以来，c f c 对大气臭氧层破坏的问题得到了世炅各国的关 注，1 9 8 7 年的“蒙特利尔议定书”对c f c 物质的使用进行了严格的限制，因此对 冰箱工业产生了巨大的影响。各冰箱生产厂家为了生存，纷纷探索和研究家用 冰箱上的c f c 替代，用r 1 3 4 a 代替r 1 2 。然而，虽然缓解了使用c f c 制冷剂带 来的矛盾，但是，可能由于初期的技术不够成熟，存在能耗偏高等问题， 目前，我国是世界上最大的冰箱生产和使用国。随着中国经济的迅速发展和 人民生活水平的提高，在过去十年，电冰箱大量进入城乡居民的家庭。家用冰 箱的数量大幅度增加，从1 9 9 0 年的4 6 3 万台增长到近年来的超过i 0 0 0 万台，家 用电冰箱在中国城市家庭中的普及率已超过8 5 ，其用电量约占中国居民用电 量的5 0 左右。使用的日益普及带来了耗电量的不断增长，按当前的冰箱产量 和能耗水平，在这些冰箱的寿命期内，预计在今后的十年将需要6 0 1 0 亿度的电 量，约为3 0 亿人民币，而且需要增加5 7 0 0 兆瓦的发电能力。而由于中国8 0 的电力来自火力发电，由此产生的二氧化碳及其他有害气体的排放造成了严重 的环境和健康问题，1 9 9 5 年，电力生产引起二氧化碳的排放占中国二氧化碳总 排放的三分之一，造成酸雨、环境温度升高等严重的大气污染问题。因此在当 前大气污染十分严重的形势下，提高电冰箱的能耗水平、开发节能冰箱就显得 尤为重要，对于保护环境具有积极的意义。因而，提高冰箱的能耗水平，增加我 国家电产品在国内外市场上的竞争力，与国际水平接轨，已成为生产企业的重要 任务。 我国家用电器节能技术是“九五”国家重点技术开发指南中的重大关键 技术之一，而且国家经贸委已正式确定“九五”期间，节能与c f c s 替代技术的 开发将作为家用电器行业参与国际竞争、赶超国际水平的重点项目。节能己成 为全球关心的一大课题。但由于我国冰箱工业发展较晚，冰箱节能技术的开发和 应用与发达国家相比有大的差距，因此我们必须加强和发达国家的技术交流，参 考和借鉴国外先进的节能经验和措施，促进我国冰箱节能工作的开展，同时政府 北京工业犬学工学硕士学位论文 部门采取倾斜政策鼓励企业进行技术创新，大力开展节能产品认证工作，推动冰 箱节能技术的快速发展。节能是世界家电的发展趋势。 为实现这一目标，国家就必须制订出新的关于冰箱的能耗标准，进而从宏 观上限制冰箱的能耗，促使冰箱生产厂家生产节能冰箱。所以国家标准化研究 所将制订出新的中国冰箱能耗限值和能效分级。从国家管理和宏观控制的角度 迫使冰箱企业生产、销售具有较好节能水平的产品、促进节能冰箱在中国的发 展和市场化。 本研究课题为标准制订的重要组成部分，为标准的制订准备必要的试验数 据和计算数据。 1 1 1 当前冰箱的市场状况 根据有关资料，近几年的冰箱产量如下： 2 0 0 0 年 2 0 0 1 住2 0 0 2 年 1 2 7 7 万台1 3 4 9 万台1 5 0 3 万台 近年来，我国家用电冰箱市场呈稳定增长态势，目前家用冰箱的拥有量超 过1 亿台，其城镇普及率已达8 5 以上，我国的冰箱国内市场容量每年大约为 1 0 0 0 万台，其余的要对外出口。家用电冰箱耗电大约占居民家庭总用电量的一 半，已经成为居民家庭的耗电大户。由于市场经济的不断深入及我国加入w t o ， 国内市场国际化，国际市场一体化，家用电冰箱市场竞争进入白热化，而节能 和环保已成为市场竞争的焦点，同时也是电冰箱行业发展永恒的主题及热点。 1 1 2 节能冰箱的节能标准和标识的具体解释 根据有关统计，全国节能冰箱产量占冰箱总产量的百分比每年以1 0 的速 度在增长。节能冰箱( 指比国家标准规定的能耗限值要好4 0 以上的冰箱) 的 生产和销售有很大的增长，从1 9 9 9 年的不足1 0 0 0 台增加到2 0 0 1 年的2 4 0 0 0 0 台。按此趋势，节能冰箱很快将替代一般冰箱“1 。 节能冰箱的标准到底是什么? 我们可以看到1 0 年前生产的2 0 0 升左右的冰 箱，在标准状态下，平均每天大约消耗1 7 度电；9 0 年代中期生产的冰箱，同 样是2 0 0 升，在标准状态下，平均每天大约消耗1 4 度电；9 0 年代末期生产的 冰箱，也是2 0 0 升，在标准状态下，平均每天大约消耗1 0 度电；2 0 0 2 年生产 的冰箱，还是2 0 0 升，在标准状态下，平均每天仅消耗大约0 7 度电。同样的 2 ， 第1 章绪论 容积和使用功效的冰箱用更少的电，这就是节能。 在冰箱行业内，通常用“能效指数”来评价电冰箱的能效水平。能效指数 是用某种冰箱在标准状态下的实测耗电量与该型号产品按照国家现行的家用 电冰箱耗电限定值及节能评价值标准计算出的电耗限定值的比值，比值越小， 能效指数越高，也就是冰箱越节能。冰箱的“能效指数”为7 5 时达到了目前 国内的节能评价值指标( 在修改后的电冰箱国家能效标准中改为6 5 ) ，基本 相当于欧洲b 级水平，能效指数为5 5 时，类比欧洲标准，基本与其a 级水平 相当。 近年来，中国冰箱企业产品的能效不断改进。冰箱的平均能效指数不断下 降，如图l 一1 所示 图1 1 冰箱的平均能效指数变化图 f i g l lr e f r i g e r a t o r sa v e r a g ee n e r g ye f f i c i e n c y 1 2 国外冰箱的发展状况及能耗情况 随着家用电冰箱的发展和普及，其耗电量占民用总用电量的比例越来越大 ( 美国为1 3 ) ，因而，提高冰箱的能源效率，增加我国家电产品在国内外市场上的 竞争力，与国际水平接轨，已成为生产企业的重要任务为了鼓励企业生产节能 冰箱和用户购买节能冰箱，世界各国采取了一系列的政策措施。如美国颁布了能 源法，制定了包括冰箱在内的十二种家用电器的能耗限制标准：日本实施了家用 电器系列节能标准；欧洲对冰箱实行了能效等级标准；此外，加拿大、澳大利亚、 台湾、香港等国家和地区也制定或实施了电冰箱的能效标准。 各国对电冰箱能效要求愈来愈高，欧美等发达国家更是利用能耗标准作为 绿色技术壁垒来制约广大发展中国家产品对其出口贸易，美国，2 0 0 1 年7 月1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 日实施的电冰箱能耗新标准，将电冰箱能耗标准提高近3 0 ，对小型冷柜更是 提高近5 0 。欧盟已将现行标准修订提高，计划2 0 0 5 年实施的a + 能耗标准比现 在执行的a 级能耗标准还要节能2 0 以上，即能效指数为4 5 ( a 级为5 5 ) ，到 时候c 、d 级能耗电冰箱( 目前仍为节能产品) 将被淘汰出市场。据悉，德国、 荷兰、比利时等政府规定，购买达到a + 能耗标准电冰箱将得到政府补贴1 0 0 欧 元台，即消费者可少支出1 0 0 欧元。 发展环保节能冰箱产业有资料表明，在国际能源组织成员国中，各类家用 电器和办公设备的年耗能是除交通运输业外增长最快的领域，其中冰箱独占鳌 头。作为家用电器中最为普及的产品，冰箱成为家电中耗电最多的一只“电老 虎”。节能环保冰箱的研究、开发和推广因而迫在眉睫，为此，许多国家通过政 府的调控手段，采取一系列积极的应对措施，大力推动环保节能冰箱产业发展。 在美国，健全的法律成为政府干预节能冰箱产业发展的有力手段。据最新 数字表明，冰箱的耗电量平均占到美国家庭总耗电量的9 至2 5 ，超过任何其 他家用电器。从2 0 世纪9 0 年代开始，美国就把推广节能冰箱作为其家电节能 战略的重中之重，并随之推出了一系列针对性法律，以促进产品的更新。1 9 8 7 年，美国国会通过全国家用电器节能法，针对冰箱等1 3 种家用电器产品规 定了能耗限额标准。进入2 0 世纪9 0 年代，美国能源部在该法的基础上，每隔 几年又对冰箱能耗标准进行重新修订，使冰箱最大能耗标准越变越低：先是规定 1 9 9 3 年以后生产的冰箱最大能耗必须在此前基础上降低3 0 ：之后又出台了新 标准，要求2 0 0 1 年7 月1 日以后生产的冰箱最高能耗必须在1 9 9 3 年基础上再 降3 0 。另外，为实行统一的能效标识，引导市场方向，1 9 8 0 年，美国联邦贸 易委员会颁布电器商标法，规定冰箱等新生产的家电产品都必须强制性地粘 贴能耗标签。这一系列相关法律产生了积极后果，近2 0 年来美国冰箱的能耗降 低了5 0 左右，电冰箱平均额定耗电量由1 9 7 2 年的1 7 2 5 k w h 年，降至1 9 9 6 年 的6 6 1 k w h 年。在美国，环保节能冰箱的市场份额和消费者接受程度已相当可 观。2 0 0 2 年美国“普里曼”公司对5 0 0 个家庭进行调查后发现，有3 4 的消费 者称，过去一年中购买家电时，能耗是他们考虑的一个重要因素。 巴西也积极发展节能冰箱，从1 9 8 4 年就开始实行“家电产品节能计划”。 1 9 9 3 年，巴西颁布法令设立“全国节能计划节能奖标签”，奖励在各类型号家 - 4 - 第1 章绪论 电产品中节能效率最高的产品，只有在节能标签能耗等级中获得“a ”的冰箱才 能参加节能标签的评选。这种标签的有效期只有一年，以此鼓励企业间开展竞 争，促进企业不断改进技术。为节约电力资源，巴西电费实行分段收费制度， 用电越多，每度电越贵，所以节电产品受到普遍欢迎。2 0 0 1 年巴西出现电力危 机，全国大部分地区实行限制用电，许多家庭因超额用电被罚断电，于是纷纷 淘汰旧冰箱，购买节能冰箱，新型冰箱的销量大幅增加。环保也越来越成为消 费者购买冰箱的重要着眼点。1 9 9 5 年，巴西环保委员会又决定从2 0 0 1 年1 月1 日起禁止生产、进口和销售c f c 的冰箱。目前，巴西市场上已经没有使用氟利 昂的冰箱。 在亚洲，泰国政府的举措，使其在实施冰箱环保和节能方面已经走在了亚 洲的前列。早在1 9 9 2 年，泰国政府按照国际节能研究所的要求，制定了一项为 期5 年、价值1 9 亿美元的“需求方管理”的企业自愿节能计划。同年泰国出 台了节能促进法，成为包括冰箱产业在内的节能与环保项目实施的立法基础。 另外，泰国专门设立节能促进基金，数额高达4 亿美元，是当前世界上最大的 节能基金之一。与此同时，泰国政府通过积极的广告宣传争取消费者的广泛支 持。不仅如此，政府还利用经济手段引导消费者购买节能产品如果消费者 购买节能标识第5 级的冰箱，将提供相当于冰箱售价2 5 到3 0 的消费贷款。政 府的这些努力最终取得了节能和环保的双赢效果，到1 9 9 8 年底，泰国对冰箱和 空调进行的标识计划共为国家节省电力5 9 兆瓦，并减少二氧化碳排放3 0 万吨。 环保节能冰箱前景广阔各国政府强有力的举措，在大大增强了人们环保意识的 同时，催生出了一个前景广阔、潜力巨大的环保节能冰箱市场。目前，节能成 为消费者购买冰箱的主要出发点。 新加坡不生产冰箱，市场上的冰箱全部依靠进口。为控制污染物的排放， 新加坡政府通过每个季度对c f c 为制冷剂的产品生产和进口许可证进行拍卖的 方法，实现分阶段停止使用c f c 的目标，使以c f c 为制冷剂的产品逐步被排 除在新加坡市场以外。目前在新加坡，环保、节能和款式已跃升为市场竞争的 重要因素，无c f c 和低耗能冰箱越来越受到消费者的青睐，冰箱上是否有低能 耗标识和环保标志已经成为消费者首先要考虑的因素一。 环保节能冰箱市场的蓬勃发展为各国冰箱产业的发展提供了新的机遇。 - 5 一 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 直冷冰箱和间冷冰箱的区别 我国市场上销售的电冰箱几乎都是压缩式的，按冷却方式可分为直冷式和 问冷( 风冷) 式两大类。目前流行的说法：“直冷冰箱箱内温度不均匀，冷冻室 内会结霜；间冷冰箱箱内温度均匀，对食品保存有益，且能自动除霜，使用方 便，但耗电量大。” 一台冰箱主要由箱体、制冷系统、控制系统三部分组成，冰箱的能耗量与 这三部分参数相关。对于一台电冰箱而言，决定其能耗水平的主要因素有两个： 一是其箱体内的热负荷，二是其制冷系统的效率。所以要想进一步提高一台电 冰箱的节能水平，首先须从降低其箱体内的热负荷着手，其次再考虑进一步提 高其制冷系统的制冷效率。 压缩机是压缩式电冰箱最主要的组成部分，压缩机的效率直接影响冰箱的 性能，对整台冰箱能耗起决定作用。如果两台冰箱所用的压缩机完全相同，则 此方面能耗差异就很小，可以忽略不计。按间冷方式冷却的冰箱只有一个翅片 管式蒸发器，一般垂直地安装在冷冻室后壁内，用- - 4 风机使空气在蒸发器和 箱内之间流动，间接地实现热量的传递，从蒸发器送至箱内的是干燥空气，所 以箱内空间一般不会结霜。箱内的水分被箱内空气带到蒸发器中凝聚以致结霜， 风冷冰箱安装了自动化霜系统，定时化霜，以提高制冷效率。间冷冰箱降温速 度快，箱内温度均匀，融霜时间温度波动小，冷藏食品质量好。直冷式冰箱， 蒸发器布置在冷藏和冷冻室空间内，依靠空气的自然对流直接进行热交换，使 箱内保持定低温。冰箱运行一段时间后，蒸发器上、冷冻室内就会凝结一层 霜，霜的传热性能极差，它会严重影响冰箱换热器的热交换能力，从而降低冰 箱的制冷效果。如果霜层过厚，箱内温度不能正常降低，压缩机就会长期不停 地运行，这样不仅增加耗电，严重时会引起压缩机故障。直冷冰箱降温速度慢， 箱内温度不均匀，冷冻室会结霜，一般采用人工除霜或半自动融霜方式，融霜 过程内箱内温度急剧上升，不但影响了食品品质，也增加了冰箱能耗。 从分析上可以看出，间冷冰箱和直冷冰箱各有利弊，能耗方式也有一定的 不同。直冷冰箱是否比风冷冰箱省电，省多少，这就是本课题的主要研究内容。 由于冷却方式不同，从而产生了电冰箱的两大系列，在使用过程中表现出 各自不同的特点，现依项分析如下： 6 第1 苹绪论 1 3 1 间室温度控制 现有直冷式电冰箱基本上使用的均为一个蒸发器系统。以双门冰箱为例： 制冷剂依次流过冷冻一冷藏、或冷藏一冷冻、或冷冻一冷藏一冷冻、或冷藏一 冷冻冷藏蒸发器，因其被控部件唯有压缩机，而通常冷藏室温度要求较为严 格，故温度控制器均置于冷藏室。很明显，此时冷冻室温度呈现随机状态，尽 管在设计开发中，对两室蒸发器进行了较合理的匹配，也只能满足单一设定工 况的性能要求( 单一设定工况指某环境温度、冷藏室设定温度、冷冻室设定温 度、设定储物量、开门次数等的组合) 。直冷式电冰箱在冷藏室内加装了补偿电 加热丝。然而，随之而来的是电能的浪费，对于用户来说，补偿电热丝的使用 带来的电量消耗增加达2 0 4 0 ，有的电冰箱甚至更为严重。因此总的来说， 现有的直冷式电冰箱在多温区工作是不理想的。 间冷式电冰箱通过风道、风门调节制冷量，所以它较容易实现电冰箱的多 温多控，尽管目前其控温精度不高。 1 3 2 电能消耗 目前家用电冰箱的效率总的来说是不高的。除了压缩机效率、保温层的导 热系数、门封结构、所用制冷剂及制冷循环等方面均有潜力可挖外，就直冷式 和间冷式系统而言，效率不高的重要原因之一是：现有系统基本上均是固定长 度毛细管工作方式，不同制冷工况为同一蒸发温度，相当多的情况下取大传热 温差工作的方式，从而导致能量浪费。至于间冷式电冰箱制冷系统，还存在风 扇电机和融霜电加热丝的附加电耗。所以在完全相同的其他条件下，间冷式电 冰箱的电耗较之直冷式的大些。轻工部颁布的家用电冰箱产品质量分类分级 规定中允许间冷式电冰箱耗电量限定值较直冷式增加1 5 。当然，这是按国 家标准规定的模式下测定所反映的情况，由于间冷冰箱间室温度的可调性，实 际使用时的耗电量差别往往没这么大。 1 3 3 冷却速度 间冷式电冰箱由于是靠空气强制对流来冷却储藏物品的，即传热系数较大， 从而冷却速度较直冷式电冰箱大。 1 3 4 对门封密封性的要求 - 7 一 北京工业大学工学硕士学位论文 直冷式冰箱箱内空气基本上工作在无压差状态下，一般的狭缝不会造成严 重漏冷。间冷式冰箱则不同，它必然存在正压区和负压区，与箱外存在压差， 这就易于产生空气对流及与外界的热质传递。为了减小该传递，冰箱各处的对 外密封要求应该较直冷式冰箱高。 1 4 研究目标 本课题将通过理论计算和试验等方法，研究风冷冰箱和直冷冰箱耗电量的 差异。 冰箱的耗电量取决于以下因素：冰箱的结构形式、冰箱的容量、相同容量 时冰箱冷冻室所占体积的比例、冰箱内部的换热方式、压缩机的性能、系统匹 配的好坏、控制系统设计的好坏、换热器的性能、冰箱冷量损失的大小( 保温 层、门封等) 、所使用的制冷工质、加工制造水平、冰箱的运行条件、电网( 电 源) 品质等。这些因素最终将在几个方面影响冰箱的耗电量、运行时的效率、 运行时间和停机时的冷量损失。 当比较两台冰箱、研究某一因素对这两台冰箱耗电量的影响时，这两台冰 箱的其它因素应当是相同的，这样所得的结果才有可比性、才有意义。否则， 各种因素混淆在一起，相互干扰，研究将无法进行。然而，在实际生活中不可 能找到两个完全一样的风冷电冰箱和直冷电冰箱，它们具有相同的长、宽、高， 相同的冷冻箱容积，相同的冷藏箱容积，相同的压缩机制冷量等等。而且，又 不可能去厂家定制这样的两台冰箱，这样花费太大，仅做这两台冰箱的模具就 需要花销上百万元人民币，而冰箱标准编制的经费仅有几万元。所以，研究不 可能用两台相同的风冷冰箱和直冷冰箱，而只能使用相近的或相似的风冷冰箱 和直冷冰箱做研究。但是，这样做又产生了新的问题：用实验的方法比较两台 冰箱、研究某一因素对冰箱耗电量的影响时，这两台冰箱的其他因素不尽相同。 所以就需要建立相应的数学模型，然后用实验测得的值对数学模型进行修正， 以便将其应用到其它规格的冰箱研究上，从而可以减少试验工作量、降低科研 成本。最终可以比较不同类型的风冷冰箱和直冷冰箱耗电量的差异。 本研究课题选用的冰箱所用都是全封闭活塞式压缩机，冷凝器采用箱壁式 冷凝器，采用毛细管节流。主要的不同点就在于冰箱蒸发器的换热方式和蒸发 温度不一样。 - 3 - 第1 章绪论 1 4 1 换热方式不同的分析 电冰箱换热方式不同表现在：个为自然对流换热方式，即所谓的直冷冰 箱；另一个为强制对流换热方式，即所谓的风冷冰箱。 不同的蒸发器换热方式对冰箱耗电量的影响表现在： 1 ) 风冷冰箱增加了风机的耗电量；但另一方面，强制对流换热较高的 换热系数使得冰箱内可以较快达到设定温度，减少了压缩机的运行 时间，从而使得耗电量减少。 2 ) 直冷冰箱没有风机的耗电量；但箱内换热较慢，增加了压缩机的运 行时间使得耗电量增加。 3 ) 风冷冰箱多为自动除霜的无霜冰箱，在除霜时将消耗一定的电功率， 使冰箱的能耗增加。 因此，在其它因素相同的条件下，研究只需计算、测试冰箱内的换热状况， 并考虑除霜的影响，通过研究冰箱内部的流动及与外边的换热过程，最终通过 冰箱几个耗能装置的耗电量得出总的耗电量。 鉴于冰箱内部的传热过程为非稳态过程，流动与传热也非常复杂，很难单 纯从理论计算上解决这一问题。研究将以试验测试为主、理论计算为辅的方式 进行。试验的目的将表现在两个方面：为理论计算提供必须的边界条件和初始 数据；完成理论计算所难以承担的部分研究内容。 1 4 2 蒸发温度不同的分析 蒸发温度的不同引起的能耗不同主要表现在以下两个方面： 1 ) 蒸发温度不同，箱体内部的温度就不同，所产生的冷量损失不同 2 ) 不同的蒸发温度使得理论上的功耗不同 冰箱内部的设定温度越低，从冰箱中传递出去同样热量也就越困难，同时 向外界的漏热和传热也越大，相应的冰箱所需的电能也越多。因此，忽略温度 而单纯比较冰箱的耗电量没有任何意义。例如，同是5 0 升的冰箱，日耗电量 0 8 度的冰箱不一定比日耗电量1 2 度的冰箱更节能。因为，耗电量1 2 度的 冰箱内的温度是一2 0 c ，而耗电量0 8 度的冰箱只有o c 。这样耗电量1 2 度的 冰箱效率反而高。 第一部分的研究可以借鉴换热方式不同的研究方式进行。第二部分的研究 口 北京工业大学工学硕士学位论文 主要依靠理论计算。1 。 1 4 3 冷藏、冷冻箱内容积不同的分析 可以想象，冰箱的容积越大，从冰箱中需要传递出去的热量也就越多。相 应的冰箱所需的电能也越多。因此，不考虑容积，只比较冰箱的耗电量也没有 任何意义。例如，日耗电量0 8 度的冰箱不一定比日耗电量1 2 度的冰箱更节 能。因为，耗电量1 2 度的冰箱可能是5 0 升的容积，而耗电量0 8 度的冰箱只 有2 0 升。这样耗电量1 2 度的冰箱效率反而高。 容积对耗电量影响方面的研究主要通过试验和理论计算两个方面来完成。 1 4 4 压缩机制冷量不同的分析 由于压缩机制冷量的不同，压缩机耗电量也就相应的有所不同。当压缩机 制冷量大的时候，其输入功率就大，相应地，消耗的电功率就大，所以压缩机 耗电量也就大，这就会使冰箱的能耗增大。然而，压缩机制冷量大时，冰箱达 到箱内设定的温度时，压缩机运行时间就少，但是在总能耗计算时，这个因素 影响不大。总的来说，当两台冰箱仅仅压缩机制冷量不同时，很明显，压缩机 制冷量大的冰箱消耗的电能就多。 1 4 5 不敏感因素 在本课题的研究中，下列几个方厦不认为是造成能耗差异的因素： 压缩机的效率 冰箱的绝热技术 门封损失 冰箱系统的匹配 产品的制造水平 材料与生产工艺 1 5 本文所做的工作 本文所做工作如下： 1 分析冰箱各部件的耦合关系，并建立它们的数学模型，以对冰箱进 行模拟计算，以计算出不同类型冰箱的能耗量随蒸发温度、容积、压缩机 制冷量的变化； 1 0 一 第1 章绪论 2 在标准工况下对冰箱进行实验测定，测出冰箱的实际能耗量； 3 用实际测量的冰箱的能耗量对数学模型进行修正，然后用修正过的 数学模型对不同类型的冰箱进行计算，得出不同类型电冰箱的能耗量随蒸 发温度、容积、压缩机制冷量的变化。 1 6 本章小结 本章首先对论文背景的叙述，简要介绍了本课题的重要性以及国内外冰箱 的研究现状，然后通过几个方面对风冷冰箱和直冷冰箱进行了比较。最后对本 课题所要研究的目标的分析，得出本文以下所要做的工作。 北京工业大学工学硕士论文 第2 章数学模型的建立 在电冰箱运行时，不但系统内各部件中的制冷剂工作参数是一一耦合的， 而且制冷系统与外界环境工况也有着严格对应关系。为了描述这种耦合关系， 制冷系统的模拟要遵循下列平衡关系： 能量守恒 当稳定运行时，外界输入到系统中的能量等于系统传给外界环境的能量。 当系统非稳定运行时，除了稳定运行时已有能量传递外，系统本身的焓值也会 发生变化。 压力平衡 电冰箱是个全封闭的制冷系统，系统内部制冷剂的压力状态参数应是封闭 的，即压缩机内工质压力的提高等于其余部件内工质压力下降之和。 质量守恒 电冰箱制冷系统内的制冷剂在任一时刻的总质量是恒定的。 2 1 制冷系统与环境介质( 外层耦合) 的耦合关系 电冰箱的制冷系统是由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器这四个部件组成， 制冷剂就在这四个部件组成的封闭空间内流动，与外界进行热量交换。 对电冰箱系统进行模拟计算，首先要用动态的观点及参数间互相定量耦合 的观点来分析制冷系统，将系统解耦后，每个部件均可以看作是一个独立体， 划分出独立体的输入输出参数。1 。这样处理对后面各个部件建立适当的数学模 型有很大的帮助。本文主要分析影响电冰箱耗电量的制冷系统与环境介质之间 的耦合关系及解耦处理“”。 对于制冷系统带负载运行的情况，冷藏室和冷冻室内带标准货物负载 试验时的冰箱内传热情况，其各参数的耦合关系可用图2 一l 表示，其中： 一为箱内的空气温度， z 乙一为箱外侧( 环境) 温度， q 。一为制冷剂侧的制冷量， - 1 2 - 第2 章数学模型的建立 q 。一为蒸发器外侧放出来的制冷量 q k 。一为牛肉包的制冷量， t 。、瓦。一分别为牛肉包和蒸发器壁面的温度。 图2 1 制冷系统与环境介质耦合图 f i 9 2 - lr e l a t i o no ft h es y s t e ma n de n v i r o n m e n t 本文模拟计算思路是：首先模拟压缩机运行，求出压缩机流量，然后模拟 冷凝器、蒸发器和毛细管，根据冷凝器制冷剂的能量和质量平衡迭代出压缩机 出口状态，根据蒸发器制冷剂的能量和质量平衡迭代出压缩机的入口状态。而 冷源温度变化是通过蒸发器与冷藏室、冷冻室之间的热量平衡进行计算的。在 处理清楚电冰箱系统耦合问题之后，本文逐个建立了电冰箱的压缩机、冷凝器、 蒸发器和毛细管等的数学模型，现详细描述如下： 2 2 全封闭往复式压缩机模型 压缩机是电冰箱制冷系统的心脏，也是其中最为复杂的机械部件。在目前 国内制造的家用电冰箱中，大部分是采用传统的往复全封闭压缩机，其一般的 结构示意图如图2 3 所示。它是由电机、带进排气管的活塞气缸装置以及包覆 着它们的壳体组成。润滑油在机壳的底部，与壳内的制冷剂自由接触。 相对于实际的冰箱压缩机，本物理模型做了如下假设： 一1 3 - 北京工业大学工学硕士论文 制冷剂在压缩机内的流动是一维流动； 1 一进气闵，2 一排气嘲，3 一排气管入口 图2 2 全封闭活塞式压缩机结构示意图 f i 9 2 - 2c o n s t r u c t i o no f h e r m e t i cc o m p r e s s o r 高速运动的过程中，制冷剂流经压缩机内每个状态点都有稳定的状态 参数： 制冷剂在每个状态点都有均匀的物性。 本章在建立往复式压缩机的数学模型时，采用了常规的计算方法引，不对 压缩机内部的工作过程进行具体模拟，所关心的只是压缩机排出的制冷剂工质 的流量、温度以及这些参数对整个冰箱性能的影响。并且，由于本文做的是稳 态模拟，所模拟的压缩机对象是运行稳定后的压缩机，因此只要能够计算出压 缩机的平均出口流量和平均温度即可。 2 2 1 活塞式压缩机制冷剂工质流量计算 根据上面的分析，对于本文所要求的压缩机模型，只需要计算平均流量即 可，因此对于流量的计算可以借鉴已有的压缩机流量计算模型“，用下式计算： m 一：旯丘 ( 2 1 ) u 5 “c 式中，为压缩机的理论容积输气量，单位为m a h ； u 。为压缩机环节吸气口的制冷剂气体比容，单位为m 3 k g ； 1 4 釜：兰茎兰堡型箜垄圭 = r 譬阳 江z ， i 为气缸数，对于小型全封闭式压缩机，一般有：i = 1 。 丑= 五，r 丸冬如 ( 2 3 ) 五，丑。，4 ，如分别为容积系数、压力系数、温度系数、泄漏系数。 铲h ( 警 ；一， a ， 护卜等等 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 式( 2 4 ) ( 2 7 ) 中，p 。、p 。分别为冷凝压力与蒸发压力，卸。、卸。为 排气和吸气压力损失，口为过热度，占为活塞与气缸的径向间隙，l 为活塞有效 密封长度，占为压缩比，n 为多变指数。 2 2 2 活塞压缩机功率计算 压缩机的理论功率为： 一西筹妒 伢s ， 面 嘶 志一 北京工业大学工学硕士论文 r ，= 矗+ 0 0 0 2 5 ( t 一2 7 3 1 5 )( 2 9 ) 有效功率为： 以：丝+ n 。( 2 - 1 0 ) m 式( 2 1 0 ) 中，a _ 为摩擦功率，单位为枷 最终的输入功率为： n 。：生 ( 2 1 1 ) 叩m 。 式( 2 1 1 ) 中，为电机效率。 2 2 3 活塞压缩机温度计算 温度计算时，吸气状态是以压缩机气缸吸入口的状态来计算的，直接计算 得到的排气温度也是离开气缸时的排气温度。对于整个装置仿真来讲，并不要 求精确知道压缩杌内部的状态。但要确定全封闭压缩机进出口状态之间的关系， 因为这些参数直接影响到冷凝器与蒸发器的计算。 因此，在建立压缩机模型时，可将压缩机看成一个整体。当压缩机稳态运 行，而周围环境温度稳定时，压缩机得到的能量为输入的电功率，这些电功率 一部分以热的形式散失到环境中，另一部分则被经过压缩机的制冷剂工质所吸 收而转变成其自身焓的增加。故可得到下面的能量平衡式： 9 2 = n 。一q l ( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中， 0 为输入功率，单位为k w ：q 。压缩机为热散失，单位为 k w ；鲮为制冷剂工质所吸收的热量，单位为姘。而其中蜴可表示为： q = g + q o ( 2 1 3 ) 式( 2 - 1 3 ) 中，q ，为压缩机辐射散热量，单位为k w ；q 为压缩机对流散 热量，单位为k w 。这里可将压缩机看成一个黑色圆柱体，所以有： q 。：爿一1 9 。( 毛。一z 。) + 占。盯k 。4 一t o 。4 ) j ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中4 一为压缩机表面积，单位为m 2 ；z 蝴为压缩机壳体温度，单 第2 章数学模型的建立 位为t ；z 赢为压缩机周围环境温度，单位为t a s 。为压缩机壳体的黑度， 盯 为波尔兹曼常数仃= 5 6 7 1 0 “，o r 。为压缩机壳体表面的对流换热系数，可 看作自然对流来算。 式( 2 一1 5 ) 中，r a 为瑞利系数r 口：g r p r ：9 1 3 f l a t a v ( 2 1 5 ) 将式( 2 1 3 ) ( 2 1 5 ) 的结果代入到式( 2 1 2 ) 中就可得出制冷剂工质在 流经压缩机后得到的热量q 2 ，即制冷剂工质的焓增 一，所以有： h o 。= h m + 吃。，( 2 1 6 ) 而 。：，帆，p 。) 为已知值，这样就可算出压缩机的排气焓 。了，即可进 一步算出压缩机的排气温度瓦。： 乙= 厂( 瓦。，p 。) 2 3 一维换热模型 ( 2 - 1 7 ) 电冰箱制冷系统中的换热器无论是冷凝器还是蒸发器，制冷剂在其中 呈两相流动，其流动传热方程可用一组复杂的非线性偏微分方程描述。为了简 化方程，便于分析求解，对换热器作如下假设： 制冷剂管内的流动为一维流动： 换热器为一细长薄壁水平管： 忽略轴向热传递； 忽略不凝性气体、制冷剂油膜、空气侧灰尘及凝结水膜对传热的影响。 设计合理的系统其压降一般较小，为得到较简单实用的控制模型，可以忽 北京工业大学工学硕士论文 略压降的影响，认为换热器管内的压力及两相区制冷剂的温度不变。 2 3 1 冷凝器数学模型 本文选用的冰箱采用的是内藏式冷凝器，对于这种冷凝器，箱外壳起到冷 凝器的肋片作用，把它看作箱壁的一部分。为了使问题简化，还需做如下假设： 冷凝管与散热板的导热热阻忽略不计； 微元段内冷凝管壁及与它接触的那个区段的散热板壁面上各个方向的 温度梯度忽略不计； 不计制冷剂侧和空气侧的污垢热阻。 2 3 1 1 空气侧的自然对流换热系数 竖壁与空气之间的自然对流换热系数可以用米海耶夫经验公式计算暗1 ，即： n。=c(grpr)“(2-18) 对于冰箱用箱壁式冷凝器，由于壁面有效高度及壁面与空气之间温差的影 响，它的g r 数与p r 数的乘积一般都大于2 xi 0 7 ，因此上式应用于箱壁式冷凝 器的空气侧自然对流换热计算时，可以简化成： 口o ，= 曰毗。一，。) 】 e w ( m 2 x k ) ( 2 1 9 ) 式中r 。，一冷凝器外壁平均温度( ) ；f 。一空气平均温度( ) 。 下表给出了两种大气压力下几种不同温度的空气的b 值： 大气压力 t 。( ) ( b a r ) 2 03 04 05 0 0 9 8 0 6 6 51 5 81 5 4 1 5 01 4 8 1 0 1 3 2 51 6 51 6 l1 5 81 5 4 2 3 1 2 空气侧的辐射换热系数 在考虑冷凝器与外界的辐射换热时，当冰箱置于大空间时，其外界温度可 处理成外界空气温度；当冰箱置于小空间时，外界温度应为空间墙壁温度。在 做这个试验时，因为把冰箱放在一个房间里，所以按小空间处理，空间墙壁表 面积仍然比冷凝器表面积大的多，根据传热理论，冷凝器与室内壁面之间的辐 射换热量可以由下式计算： - 1 8 - 第2 章数学模型的建立 q ，_ 5 6 7 e “( 南4 一( 斋4 (w)(2-20) 式中：一冷凝器外壁面黑度，对白漆e = o 8 5 ； t 冷凝器外壁面平均绝对温度( k ) ； t 。一空气平均绝对温度( k ) ： a 。一冷凝器外壁面有效面积( 2 ) 。 为了计算方便，引入了相当辐射换热系数a 。并与自然对流换热的传热温 差一致，即： 口，= 5 6 7 w ( 抒k ) ( 2 2