1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.1 冰箱的发展

17世纪中期，”冰箱”^[1]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，已经有半数的冰在纽约、费城和巴尔的摩销售，三分之一的冰在波士顿和芝加哥销售^[2]。至此，冰箱开始进入家庭使用，因为一种新的家庭设备#8212;#8212;冰箱#8212;#8212;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1～3月，我国电冰箱的电冰箱压缩机出口量已达500多万台^[3，4]。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^[5]。

1.2 家用电冰箱的分类

(1)按箱门的结构划分

可划分为单门式电冰箱、双门式电冰箱、对开双门壁柜式电冰箱、多门式等。

a.单门式电冰箱是指冰箱只有一扇门,它的冷却方式是靠箱内顶部蒸发器的低温,使箱内空气自然对流来传递热量。

b.对开双门壁柜式电冰箱,又可称为立式大型双门双温电冰箱,是指两扇门直立并排的电冰箱,容积较大,一般在500升左右;箱体一侧是冷冻室,温度为-6℃、-12℃、-18℃(三星级)三档。另一侧为冷藏室,温度为0℃~8℃。由于两侧温度不同,箱体中间用隔热层分隔开。温度调节与化霜均为自动控制,由于外形类似大衣柜,也称作壁柜式电冰箱。

c.多门冰箱:今年来的一种冰箱流行趋势,将冷藏和冷冻区分别分成多个门体多个温度,方便储藏各种不同的食物,但是缺点是容积较大价格昂贵。

(2)按用途划分

可划分为食品冷藏电冰箱、食品冷冻电冰箱、冷藏冷冻电冰箱^[6]。

a.食品冷藏电冰箱:贮存不需要冻结的食品,箱温范围0℃~10℃。

b.食品冷冻电冰箱:适用食品冷冻,箱温在-18℃以下,用于冷冻肉类及鱼类制冷等。

c.冷藏冷冻电冰箱:适用于冷冻食品和贮藏冷冻食品,箱温在-18℃或-18℃以下,它有冷冻室,箱外表面附有星形符号,用以表明冰箱的温度特性。

(3)按制冷方式划分

可划分为风冷式电冰箱、直冷式冰箱、风直冷式^[7]。

a.风冷式:通常情况下把无霜叫做风冷式(靠强制对流制冷)。

b.直冷式:通常情况下把有霜叫做直冷式(靠自然对流制冷)。

c.风直冷式:冷藏室是直冷式,冷冻室是风冷式。

(4)按冷冻能力划分

可划分为:一星级、二星级、三星级、带冷冻能力的三星级^[8]

星级	星标	冷冻室温度(℃)	物品大约储存期（月）
一星级	★	-5℃	0.4
二星级	★★	-12℃	1
三星级	★★★	-18℃	1.8
带冷冻 力的三星级	★★★★	-18℃	3

1.3 冰箱的基本组成

由于市场上的家用冰箱大都是蒸汽压缩式冰箱，因此这里只对蒸汽压缩式冰箱的制冷系统简单的介绍。蒸汽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。

1.3.1 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1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reg;副冷凝器reg;主冷凝器reg;防露管reg;干燥过滤器reg;毛细管reg;冷藏室蒸发器reg;冷冻室蒸发器reg;回气管reg;压缩机。

1-蒸发器 2-低压吸气管 3-毛细管 4-冷凝器 5-干燥过滤器 6-压缩机 7-抽空充注制冷剂管

图1直冷式冰箱制冷系统

图2为双门双温间冷式冰箱^[9]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-翅片管式蒸发器 2-冷凝器 3-干燥过滤器 4-抽空充注制冷剂管 5-压缩机 6-水蒸发加热器 7-低压吸气管 8-毛细管 9-门口除霜管

图2间冷式双门双温电冰箱制冷系统

（1）压缩机^[9]。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^[10]。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6～8W/(m²K)。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^[11]。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^[12]。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。

（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^[13]。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。

1.3.2 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3所示为家用冰箱的典型电路图，其工作原理如下。

1-灯开关 2-照明灯 3-温度控制器 4-温度补偿加热丝 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

图3 家用冰箱典型电路图

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1～2s）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。

1.3.3 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0.6～1mm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。

1.4 蒸气压缩式冰箱的工作原理

传统的电冰箱仍然采用单级蒸气压缩式制冷系统^[14]。冰箱制冷系统理论循环过程的热力图如图4所示。

图4单极理论制冷循环p-h图

单级蒸气压缩式制冷系统^[15]由压缩机，冷凝器，节流阀，蒸发器组成，用管道连成一个封闭的系统。制冷剂工质在蒸发器内与被冷却的对象发生热交换，吸收冰箱内的余热和余湿并汽化。这一过程产生的低温低压的制冷剂蒸气被压缩机吸入，压缩后以高压排出。这一过程中，需要消耗能量。压缩机排出的高温高压的制冷剂蒸气进入冷凝器中，被冷却和冷凝成高压液体。高压的制冷剂液体流经节流阀，变成低压，低温的湿蒸气，进入蒸发器，其中的低压液体在蒸发器中汽化制冷，如此周而复始。压缩式冰箱制冷系统工作过程示意图如图5所示。

1#8212;压缩机 2#8212;冷凝器 3#8212;膨胀阀 4#8212;蒸发器

图5 压缩式冰箱制冷系统工作过程示意图

1.5冰箱的研究现状

磁制冷^[16]是利用磁性物质在绝热去磁过程中温度下降的原理从而获得低温的，是一种基于材料物性（磁热效应）的固态制冷方式，采用水等环保介质作为传热流体，具有零GWP、零ODP、高效、低噪音与低振动等特点，有望成为具有重要应用前景的制冷技术之一。Aprea，Greco^[17]等人研究并通过数值模拟比较了商用R134a制冷设备与采用AMR循环的磁制冷机组的性能指标。通过采用不同的固体磁制冷剂，实验发现AMR循环的性能系数高于传统的压缩式制冷循环的性能系数。热声脉冲管制冷（TAPTR）系统^[18,19]采用热声发动机作为压力波发生器而不是机械压缩机，这种制冷系统由于没有移动部件，结构简单和使用环保工作流体而具有高度的可靠性。

地源热泵空调系统^[20]利用地下浅层的低品位能量对建筑供热制冷,比常规空调系统能源利用更合理,是一项极具发展前途的可再生能源利用新技术。在国内节能减排形势下,地源热泵技术以其节能、环保特点,越来越受重视,近年快速发展。雷飞^[21]撰文，首先分别介绍了对两类地源热泵空调系统的全年运行监测分析。这两类系统分别是地埋管热泵和地下水水源热泵,是地源热泵空调系统的两种主要应用形式。两个系统都是武汉地区住宅建筑中使用的集中空调系统,使用条件相似、空调采暖规模相近。通过监测得出了系统和机组的季节能效性能系数,分析比较了地源热泵空调系统的温度情况,对地埋管系统由于冷热堆积效应的季节影响和年度影响进行了评价。验证了住宅建筑的能耗与室外空气温度的线性关系,说明在住宅建筑中度日法用于能耗负荷预测的适用性。并对这类系统存在的典型问题进行分析。

张帝^[22]撰文在分析现有矿井降温技术的基础上，提出了一种新的用于掘进工作面的局部降温方法：涡流管制冷降温技术^[23]。涡流管是一种可以把压缩气体分离成冷热两股气流的装置，其中冷气流可用来降温。由于它所使用的气源为压缩空气，不会对矿内环境造成污染。但是目前对涡流管的应用研究极少涉及矿井降温，相关文献也鲜见报道。论文以涡流管制冷为研究对象，在进行理论分析和总结前人研究成果的基础上，设计了不同结构的涡流管并建立了涡流管性能测试实验平台。研究了不同几何结构对其冷热分离性能的影响，并绘制了性能曲线，同时在实验范围内得出了涡流管各部件之间最佳的几何结构比例关系。

近50年来,世界科技飞速发展,航空航天、低温超导、低温医疗、低温物理等得到了长足的进步,这使得小型低温制冷机在这些领域大规模应用。而斯特林制冷机^[24，25]是小型回热式低温制冷机中技术最为成熟、应用最为广泛的机种。斯特林制冷机又分为电控式和气动式结构,尹成厚^[26]撰文针对气动型斯特林制冷机的研究难点,开展了如下工作:(1)构建并完善了的从压缩机到膨胀机的动力学耦合模型,定性地揭示了各个重要参数之间的关系和它们对制冷机性能的影响,为气动型斯特林制冷机的理解和设计提供了新的视角。(2)针对给定的气动型斯特林制冷机,基于Sage软件建立了数学模型,从定量的角度验证了所提出制冷机的整机动力学耦合模型。(3)搭建了气动型斯特林制冷机的实验装置,对该制冷机在不同运行工况下的制冷性能和热端压比进行了实验验证,实验结果和模拟计算结果有较好的一致性,说明了所构建的Sage模型的准确性,以及间接说明了耦合理论的合理性。最后,对耦合模型将来在气动型斯特林制冷机指导和分析中的应用进行了说明,希望该模型在未来能够带来价值。

在全球气候不断暖化的背景下,以太阳能热水作为驱动能源的太阳能吸收式制冷系统由于其具有季节匹配性好、环保和节能的特点而受到广泛的研究。然而相比于压缩式制冷系统,太阳能吸收式制冷系统^[27]性能系数(COP)值相对较低,能源转换效率不高,而且由于太阳能在时间与空间上的分布不均匀性以及能量密度低的特点。韩晓东^[28]撰文研究实现太阳能吸收式制冷系统在低品位太阳能热水驱动下实现高效制冷。在低品位太阳能热水驱动下,发生器内冷剂水蒸发能力不足是太阳能吸收式制冷系统制冷能力低的主要原因。提高冷剂水蒸发能力,即强化冷剂水的相变传质过程,需要通过提高传质驱动力和降低传质阻力两个方面进行。冷剂水的传质驱动力来源于太阳能热水对发生器内溴化锂水溶液所传递的热能,传质阻力则由溴化锂水溶液本身物性和发生器内部的真空度所决定。

太阳能半导体制冷技术^[29，30]具有安全、绿色、无噪音、无污染、运行可靠等诸多优点。半导体制冷的原理主要源于帕尔贴效应（Peltier Effect），当直流电通过由N、P型半导体材料组成的一对热电偶时，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处各自发生吸热和放热现象。直流电流通方向为N→P的一端会出现吸热现象，即是冷端；直流电流通方向为P→N的一端会出现放热现象，即是热端。如果将若干个热电偶对在电路上串联起来，就构成了一个常见的热电制冷电堆，如图6所示。

图 6 热电制冷电堆工作原理图

参考文献

[1] 王金坤, 徐春菲. 家用电冰箱的技术发展现状及动向(续)[J]. 制冷, 1995(1):16-21.

[2] 王文娟, 陈瑞, 刘安. 家用电冰箱冷冻室部分节能体系的优化设计及分析[J]. 家电科技, 2014(9):86-87.

[3]苏亮.冰箱行业蓄势突围 结构升级唤醒活力[J].家用电器,2017(06):68-69.

[4] 张保健, 李恩光, 刘建立. 家用电冰箱能效检测及节能技术探讨[J]. 电子世界, 2017(4):156-156.

[5] 侯坚. 家用电冰箱生态设计评价研究[J]. 质量与认证, 2015(6):53-55.

[6]牛君伟.电冰箱如何分类(上)[J].家电检修技术,2010(07):35.

[7]樊志强,朱伟涛,王彬,祁影霞.直冷式冰箱蒸发器一体化的研究[J].家电科技,2016(06):52-55.

[8]牛君伟.电冰箱如何分类(下)[J].家电检修技术,2010(09):36.

[9]刘蓉. 涡旋制冷压缩机变工况特性数值研究[D].西安理工大学,2017.

[10]刘宏宇. 平行流冷凝器的传热计算与应用研究[D].合肥工业大学,2014.

[11]M.I. Heredia,J. Siqueiros,J.A. Hern#225;ndez,D. Ju#225;rez-Romero,A. Huicochea,J.G. Gonz#225;lez-Rodr#237;guez. Energy saving into an absorption heat transformer by using heat pipes between evaporator and condenser[J]. Applied Thermal Engineering,2018,128.

[12]陈光明,何坚峰.干燥过滤器新冲压工艺的设计[J].机械制造,2017,55(07):72-73.

[13]Lingnan Lin,Hao Peng,Guoliang Ding. Model for predicting particle size evolution during nanoparticle aggregation in refrigerant#8211;oil mixture[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2018,119.

[14]Francisco Mol#233;s,Joaqu#237;n Navarro-Esbr#237;,Bernardo Peris,Adri#225;n Mota-Babiloni,Aacute;ngel Barrag#225;n-Cervera. Theoretical energy performance evaluation of different single stage vapour compression refrigeration configurations using R1234yf and R1234ze(E) as working fluids[J]. International Journal of Refrigeration,2014,44.

[15]高珊. 蒸气压缩式制冷装置稳态仿真及分析[D].辽宁工程技术大学,2009.

[16]A. Kitanovski,U. Plaznik,J. Tu#353;ek,A. Poredo#353;. New thermodynamic cycles for magnetic refrigeration[J]. International Journal of Refrigeration,2014,37.

[17]C. Aprea,A. Greco,A. Maiorino. Magnetic refrigeration: a promising new technology for energy saving[J]. International Journal of Ambient Energy,2016,37(3).

[18]Mathew Skaria,K. K. Abdul Rasheed,K.A. Shafi,S. Kasthurirengan,Upendra Behera. Computational Investigation on the performance of thermo-acoustically driven pulse tube refrigerator[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,2017,171(1).

[19]Mathew Skaria,K.K. Abdul Rasheed,K.A. Shafi,S. Kasthurirengan,Upendra Behera. Simulation studies on the performance of thermoacoustic prime movers and refrigerator[J]. Computers and Fluids,2015,111.

[20]Liangliang Sun,Jianghua Wu,Haiqi Jia,Xuebin Liu.Research on fault detection method for heat pump air conditioning system under cold weather[J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2017,25(12):1812-1819.

[21]雷飞. 地源热泵空调系统运行建模研究及能效分析[D].华中科技大学,2011.

[22]张帝. 涡流制冷技术在矿井掘进工作面中的应用研究[D].湖南科技大学,2012.

[23]李玮. 涡流管数值模拟及其应用研究[D].华北电力大学（北京）,2008.

[24] Houda Hachem,Ramla Gheith,Fethi Aloui,Sassi Ben Nasrallah. Optimization of an air-filled Beta type Stirling refrigerator[J]. International Journal of Refrigeration,2017.

[25]刘业凤,陈申,周国梁.斯特林型低温冰箱的试验研究[J].流体机械,2018,46(01):69-72 88.

[26]尹成厚. 单级气动式斯特林制冷机耦合特性研究[D].浙江大学,2017.

[27] Tanmay Agrawal,Varun,Anoop Kumar. Solar Absorption Refrigeration System for Air-Conditioning of a Classroom Building in Northern India[J]. Journal of The Institution of Engineers (India): Series C,2015,96(4).

[28]韩晓东. 太阳能吸收式制冷系统及其热质传递强化研究[D].华南理工大学,2016.

[29]金硕,冯锦新,黄江常,郭欣,方利国,赖剑威.新型节能型太阳能半导体制冷制热机构的探究[J].制冷,2017,36(04):12-17.

[30]马晓勇,郑大宇,朱雪静.太阳能半导体制冷箱的设计及实验分析[J].科学技术创新,2017(32):140-141.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1 解决的问题

设计一台直冷式亚温带型双开门双循环定频电冰箱，容量为150l，设计条件如下：

（1）使用环境条件为电冰箱周围环境温度为25℃，相对湿度为75%。