1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

随着科学技术的发展，现代人们生活水平的提高，电冰箱已经成为人们生活中必不可少的必需品。目前，我国电冰箱的产量呈迅速增长的趋势，电冰箱耗电量占居民总用电量的较大。因此电冰箱的设计对于在制冷领域的就业具有较大意义。

1 我国冰箱行业的起源与革新

在我国，电冰箱行业起源于5O年代，电冰箱行业在改革开放后有了很大的进步。于1985年达到鼎盛时期，国内约有110家冰箱生产厂家。在我国政府的激励下，国内节能领域发生了翻天覆地的变化。目前通过技术改进，电冰箱的日耗电能已经整整降低了l度电，降幅超过70％，改进速度十分迅速。在经历了几个技术的革命后，我国已经取代了氟利昂制冷，开启了无氟时代的大门。虽然我国技术已经提高很多了，但是与国际领先技术还是差很多，还有许多需要改进与学习的地方^[1]。

2 冰箱的分类

2.1按制冷原理分类

（1）压缩式电冰箱。压缩式冰箱采用蒸汽压缩式制冷，是目前生产和使用最多的冰箱。压缩式制冷原理如图1所示。

图1.压缩式制冷原理示意图

蒸气压缩制冷循环主要由蒸发器、压缩机、节流阀、冷凝器构成封闭系统，制冷剂在其中循环，达到制冷效果^[2]。制冷循环过程中低压制冷剂在蒸发器中等压蒸发，此时吸收冷藏时中的热量达到制冷效果，制冷剂变成低压蒸气后被压缩机吸入，压缩机消耗一定的机械功将制冷蒸气压缩成高温、高压状态，然后被压缩过后的蒸气进入冷凝器中冷凝，由冷却水或冷却介质吸收热量冷凝成液体，冷凝器出来的液体经膨胀阀进行绝热膨胀到蒸发压力，温度降低到与之对应的饱和温度，然后再次进入蒸发器等压蒸发^[3]。

（2）吸收式电冰箱。吸收式冰箱主要用于没有电源的地区，或要求冰箱运行噪声较低的旅馆客房中。吸收式制冷原理如图2所示。

由蒸发器出来的低压制冷剂蒸气先进入吸收器，在吸收器中用一种液态吸收剂来吸收，以维持蒸发器内的低压，在吸收的过程中要放出大量的溶解热，热量由管内的冷却水或其他冷却介质带走，然后用溶液泵将制冷剂和吸收剂的混合溶液送入发生器。溶液在发生器中被管内蒸气或其他热源加热，提高了温度，制冷剂蒸气又重新蒸发析出。此时压力明显比吸收器内的压力高，成为高压蒸气进入冷凝器冷凝。冷凝液经节流阀节流减压后进入蒸发器进行蒸发吸热从而吸收冷室的热量，进而达到制冷效果^[4]。

图2.吸收式制冷原理示意图

（3）半导体电冰箱。半导体冰箱结构简单，便于携带，多用于车用冰箱。

半导体制冷器的基本原理是利用金属与半导体组成环路时的帕尔贴效应，帕尔贴效应是在1834 年 J.A.C 帕尔贴最早发现的。帕尔贴原理是用两种不同的导体 A 和 B 组成完整的回路，并且加载直流电源。在两种不同的导体接触点除了电路的焦耳热以外还会有其他形式的热能被释放出来，而在另一接触点则会吸收热量。而且这一特点不仅正向可用，逆向也是成立的。改变吸放热方向只需改变电源正负极，吸放能量与电流成正比且与导体材料有关^[5]。

半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的Peltier 效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高^[6]。

2.2按冷却方式分类

（1）直冷式电冰箱。直冷式冰箱由蒸发器直接吸收储存室内的热量从而制冷，直冷式冰箱的冷冻室内会挂霜，故也称有霜式电冰箱。直冷式冰箱有两大优点：1）冷却速度快；2）冷冻室的温度变化小，适合长期储存食品^[7]。直冷式电冰箱结构如图3所示。

图3.直冷式电冰箱结构示意图

（2）间冷式电冰箱。间冷式电冰箱在冷冻室和冷藏室之间或在冷藏室后壁的夹层中设置蒸发器，用小型风扇将流经蒸发器的冷空气通过管道吹入冷藏室或冷冻室，形成储存室内的强制空气循环来达到制冷效果。这种冰箱的储存室内不会结霜，故也称无霜电冰箱^[8]。间冷式冰箱结构如图4所示。

图4.间冷式冰箱结构示意图

3 冰箱冷凝器

冰箱冷凝器是电冰箱制冷系统中的重要组成部分，一般装于冰箱背部，作用是将压缩机排出的高压气态制冷的热量传给周围的空气，从而将制冷剂冷凝为液体。现国内外冰箱大多使用的空气冷却式冷凝器。按冷却空气循环方式不同，分为自然对流式和强制对流式。自然对流式冷凝器以空气自然对流方式进行冷却，一般用于压缩机功率在200瓦以下的电冰箱中。强制对流冷凝器依靠风机转动强迫空气流动来冷却，用在大容量和大型双温电冰箱中^[9]。

家用电冰箱一般采用自然对流式冷凝器。根据结构的不同可分为板式、百叶窗式和钢丝式等。

板式冷凝器使用较早，由冷凝管和散热板组成。冷凝管的走向有水平、垂直、水平和垂直混合型。为了取得较好的传热效果，冷凝管和散热板之间由焊接固结。散热板的作用是增加冷凝管散热面积。板式冷凝器结构简单、工艺较落后，生产效率低，目前使用较少^[10]。

百叶窗式换热器是板式换热器的一种改良与进步。此换热器将冷凝管紧卡或电焊在百叶窗式散热片上。散热片做成百叶窗形状，是为了增加散热面积和改善通风条件。目前国内冰箱多采用这种结构的换热器。

钢丝式冷凝器又是百叶窗式冷凝器的更进一步。此换热器将冷凝管装置于专门用来装卡和焊接的设备上，在冷凝管两侧点焊钢丝。钢丝式冷凝器具有单位尺寸散热面积大，通风散热条件好，原料易取，生产效率高，成本低等优点^[11]。

4 冰箱相变材料的运用

上个世纪，中国引进了一种PCM（相变材料）潜热储能再生器。放入冰箱的再生器可以通过降低压缩机的启动频率来提高冰箱的效率^[12]。近年来，Azzouz等人^[13，14]提出了一种储能方法，在蒸发器的背面加入厚板PCM，这使家用冰箱的COP提高了约10-30％^[15]。

随着材料科学的飞速发展，相变材料的研究应用为改善冰箱冷藏室内的温度波动提供了技术与方法支持。利用相变材料在相变过程中的吸放热的特点，在冰箱冷藏室内放置相变材料，在冰箱压缩机开启阶段，相变材料相变吸冷，延缓冷藏室内温度的降低，在压缩机停机阶段，相变材料通过相变释冷，延缓温度的快速上升。利用相变材料的这一特点，在理论上为我们提供了可行性的依据^[16]。

关于蓄冷、释冷的相变材料的研究已经有了一些进展，Maria^[17]等已经进行了葵酸、月桂酸及十五烷混合材料的相变蓄冷与释冷特性的实验研究，并对实验结果进行了详细描述和分析。Royon R^[18]针对石蜡油与水乳液相变蓄冷材料的特性进行了实验研究，根据实验结果分析得到该混合材料的溶解度及溶解潜热值。Fan^[19]等人开展了不同添加剂对相变蓄冷材料特性影响的实验研究，分别添加了铜、铝、镍及其金属氧化物、不锈钢和碳纤维等添加剂，研究结果表明，添加剂的使用显著提升了相变蓄冷材料的传热能力。

不仅对蓄冷材料本身，关于蓄冷材料的应用效果，也有众多专家学者进行详细分析。E Or#243; 与A deGracia^[20]等人总结了88 种相变温度低且可以应用于低温蓄冷潜在相变蓄冷材料（PCM）以及相应的热物理性质，并介绍了市场上已经出现的40 种商用PCM 相变蓄冷材料的性能，以及从其理论和实验的角度对PCM 不同封装方法对材料传热效果的影响进行了分析。

北京工业大学的刘忠宝等人^[21]通过对低温相变蓄冷材料的性能研究，将其应用在冰箱冷冻室，通过实验证明：（1）相变蓄冷低温速度托盘可以应用于冰箱冷冻室，使直接摆放在托盘上的食品度过最大冰晶生成带时间较普通冰箱大大减少；（2）相变蓄冷材料可实现冰箱内能量转移，使冰箱内上下温差尽可能减小。但是应用在冷冻室内相变材料不适合冷藏室。

5 冰箱制冷剂和发泡剂材料的选择

众所周知,不考虑环保因素,对于电冰箱而言以CFC-12为制冷剂、CFC- 11为发泡剂无疑是最好的,它是电冰箱行业数十年发展的最优选择;虽然它们均是无毒性,但是,它们消耗大气层中的臭氧层。于是,当不得不停用CFCs时,我们又重新面临制冷剂、发泡剂的选择问题。这些年来国内外研究者至今没有能够找到一种为大家一致公认的替代CFC-12、CFC-11的最优制冷剂-发泡剂组合,目前可选的替代物制冷剂、发泡剂的组合,至少可有十余种不同的替代方案,可以作为绿色冰箱产品的过渡性的制冷剂和发泡剂。表1给出了可作为冰箱(包括其他制冷设备)制冷剂或发泡剂的物质的评价^{[22- 25]}。

冰箱等制冷设备的过渡性替代制冷 、 泡剂
		物理化学性质	缺点	优点	可否替代
制冷剂	HFC- 134a	物化性与CFC- 12相似	温室效应气体,它比CO2高1300倍	ODP值为0，毒性低	不完美的替代物
HFC- 152a	物化性与CFC- 12相似	空气中含量达4.8%～ 16.8%时具可燃性		与其它物质混合,组成非共沸混合物过渡替代CFC- 12
HCFC- 22	良好的物理与化学性质		ODP值仅为CFC- 12的5%	在没有寻找出完全理想的替代物之前HCFC- 22仍可作为过渡性替代物
R401A R401B	非共沸(或近共沸)混合物的制冷剂	回收、再循环、再生的难度大		非共沸混合物很多含有HCFC,所以它们大多数也为过渡性替代物
DME(二甲醚)	ODP= 0,GWP= 0		节能、便宜、无温室效应	过渡性替代物
THR01	性能较接近CFC12		便宜、节能、安全可靠	过渡性的,亚共沸绿色环保制冷剂
发泡剂	HCFC- 141b	物性与CFC- 11接近	空气中含量达7 ～16%时会燃烧，低毒性	替代CFC- 11,生产设备和技术工艺变动不显著	它是一种HCFC,为过渡性替代物
HCFC- 123	物性与CFC- 11相近	低毒	同上	它是一种HCFC,为过渡性替代物
碳氢化合物(环戊烷)		环戊烷是可燃的,用它制成的泡沫 料导热系数 ,使制冷设备的能耗增大;生产设备和技术工艺变动	无毒、ODP值为零, GWP值小于0.01,而且具有发泡技术与CFC- 11相近,制成泡沫材料与冰箱内衬相容性好和价廉等优点	不理想的过渡性替代物

6 未来发展趋势

6.1环保化趋势

随着人们的环保意识的不断提高,环保类的产品越来越受到消费者的欢迎,尤其是西方的发达国家,对于冰箱的进口有着严格的环保要求。近年来我国也加大了对于环保的支持力度,消费者购买新型的环保冰箱可以获得国家一定程度的补贴。在未来的市场竞争中,谁能开发出更为绿色环保的家用冰箱将在一定程度上决定着其市场竞争力。这种环保趋势主要是体现在对于绿色制冷剂和绿色制造材料的应用。

（1）制冷剂的更替。

家用冰箱使用的制冷剂多为氟氯烃类产品,这类产品对于地球的大气层有着一定程度的损害,很早之前,科学家就发现南极上空的大气层空洞,因此,开发新型制冷剂至关重要。目前新型的制冷剂主要有R600a,R600a的ODP为零,对臭氧层无破坏,GWP值近于零,温室效应小,能效比比R12稍好。但其属于易燃易爆物质,对其使用和操作必须遵守规范。而实际200 L左右冰箱中R600a的充注量只有60 g左右,使用得当,完全可以采用^[26]。

（2）环保原料

冰箱报废之后处置不当很容易造成环境污染,因此在冰箱的设计过程中,要注意对环保原料的应用,减少白色污染,多采用可回收重复利用的材料。比如在冰箱内胆泡沫材料的选择上,选择可以生物降解的泡沫原料,在冰箱报废之后,减少对于环境的污染^[27]。

6.2节能化趋势

目前困扰着人类社会发展的一个巨大难题就是全球的能源短缺,从目前的统计数据来看,地球上可供开采的化石燃料已经所剩无几,过去的粗放式的经济增长方式造成了巨大的资源浪费,新型能源技术进展缓慢,能源结构目前还是主要依赖化石燃料。人类社会为了应对能源的短缺的问题,一方面是积极的研制新型能源技术,比如太阳能发电技术；另一方面是在提供能源利用效率上做文章,从实际效果来看,提高能源利用效率比开发新型能源技术效果更明显。我国对于冰箱进行了能耗的等级划分并在冰箱上张贴出来,节能的冰箱还可以获得国家财政补贴。消费者选购节能冰箱重要原因是可以降低冰箱的使用成本,未来随着能源价格的不断提高,节能的冰箱会受到越来越多消费者的亲睐。

（1）采用高效压缩机。

压缩机可以被称为冰箱的心脏,同时也是冰箱的主要耗能部分,因此节能技术的关键之一就是开发高效的压缩机。目前,家用冰箱主要是采用往复式全封闭压缩机,冰箱设计的过程中,要在此基础上,进行进气方式的改进,增大输气系数,采用低粘度的高效轮滑油减少摩阻。另外一个方面就是在发动机控制方面,采用无极变频技术,可以让压缩机根据热负荷的微小变化,实现从2000～4000 r的无级变速。还有就是加大对非线性压缩机的开发和应用^[28]。

（2）高效换热器的开发和使用。

家用冰箱上的蒸发器主要有管板式、吹胀式、单脊翅片管式和冷却排管式,冷凝器主要有丝管式、翅片式和内置管板式,虽然名称复杂多样,但也各有其优缺点,都有在特定情况下最好的一种选择。冰箱换热器主要从结构上去完善,如管路的布置,减小管内外导热热阻等方法。新型换热器创新虽步子不大,但也有进展,如中科院理化所研究了一种冰箱用”蓄冷(热)不间断工作冷凝器,蒸发器”,通过加装”蓄冷(热)液”技术来储存压缩机工作时的能量,压缩机停机时继续释放出热(冷)量,以此保证不间断工作。当前也有从加强管内工质冷凝放热系数入手,利用微细管路换热的研究新进展,来开发新式冷凝器^[29]。

6.3智能化趋势

智能化趋势主要是是指智能控制技术在冰箱的应用。21世纪是”傻瓜式”产品大发展的时期,从傻瓜式相机获得巨大成功就可以看出人们对于智能化的产品是多么的喜爱。傻瓜式的冰箱完全可以解决人们对于不同食物保存所需要进行的冰箱参数设置,完全可以按照食物的特点设定最合适的保存温度,物联网技术的发展,未来人们可以坐在客厅去遥控冰箱。

通过尽可能少的按键, 实现电脑自动优化, 利用智能、节电、速冻等多种运行模式,实现自动匹配最佳温度的目的。精确控温,误差控制已达到0. 1度之内,实现精确保鲜。人工智能自学习系统,全优化控制,模拟人工智能,随食物储量多少自动控制压缩机运转,保持食物恒温储藏, 新鲜持久不变, 并能自主记忆存储习惯,优化参数^[30]。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题拟设计一台风冷无霜式亚温带型双开门双循环变频电冰箱，容量为190L，其使用环境条件为电冰箱周围环境温度为25℃，相对湿度为75%。箱内温度，采用标准温度，冷藏室温度5℃，冷冻室温度-18℃。箱内总容积190L，冷藏室120L，冷冻室70L，冷冻箱设置在下层。冰箱采用单级蒸气压缩式制冷系统，制冷方式为风冷，节流元件为毛细管。