本科毕业论文(开题报告)
题 目： 家用电冰箱节能与环保设计 学 院： 机电学院 专 业： 热能与动力工程 姓 名： 同组学生： 指导教师：
2011年 3月 19日
一、设计背景
冰箱是我国家电行业的传统产品，尤其是家电下乡政策推行之后，我国家用电冰箱的产量进一步提升，具体数据见表一及图一。统计数据分析表明，2009
年中国电冰箱的产量为6063.6万台，同比增长27%，比2008年涨幅提高19个百分点。
表1 2008-2009年中国家用电冰箱产量及同比统计 年份 产量（万台） 同比（%）
2008 4756.9 8 2009 6063.6 27
图1 2009年中国家用电冰箱产量各省份比例分配
然而与我国冰箱制造大国不大适应的是我国冰箱的设计理念与制造技术等与西方发达国家相比有一定差距，这制约了我国冰箱业的发展，如何应对新的竞争形式与新的增长方式，实现行业健康可持续发展，是行业面临的一个重大课题，一方面,世界冰箱行业经过几十年的发展,跨国公司之间的技术差距已越来越小，趋于同质化；另一方面，国内冰箱企业历经十多年的发展，与跨国公司相比技术方面没有明显差距，国内企业之间技术差距也越来越小，呈同质化趋势。现如今在国家低碳化发展的政策下，在加大研发新产品力度的同时，降低能耗成为了白色家电行业的一种趋势。
二、冰箱的技术现状及发展趋势
为了积极响应1992年哥本哈根第四次保护臭氧层议定书缔约国大会决议，
执行《中国消耗臭氧物质逐步淘汰国家方案》和《中国家用制冷行业CFCs逐步淘汰战略研究》的有关规定和要求，保护臭氧层，保护环境，各冰箱厂家纷纷顺应国际潮流，根据各公司的实际进行了经济技术评估，最终决定本公司的替代路线。节能、环保已经成为现在国内外各大家电公司的卖点，根据目前形势, 节能冰箱已经成为众心所向、众望所归的消费趋势。降低能耗主要的着手点有以下几个方面。
1、改进隔热材料
CFC-11是过去冰箱中的常用制冷剂，其易于发泡，热传导率好，隔热效果好，但由于其对臭氧层的破坏，发达国家已从1996年停止使用，我国也在2005年开始禁用。在电冰箱生产过程中，CFC耗用量最多的不在于制冷剂而在于电冰箱的隔热层材料中的发泡剂。一般来说，一台电冰箱隔热层发泡所需的R11约为制冷剂R12充注量的4～5倍(600-800g)。不过隔热层耗用R11的替代问题比起制冷剂R12的替代要相对容易些，可通过多种途径予以解决。目前对电冰箱发泡剂R11的替代主要采用两种方案，即R141b和环戊烷。前者为美国采用的主要方案，但由于R141b的ODP值为0.11、GWP值为0.12，还不能作为最后替代R11的物质。并且，R141b对电冰箱内胆ABS板材有腐蚀，需采用双层拱挤板或改性ABS板，因而造成运行费用的增加。另外，在泡沫物理性方面，R141b泡沫的成型稳定性差，需要对工艺进行改进来保证使用。R141b的禁用时间已定为2003年，为此，欧洲一些国家(如德国、意大利、荷兰、英国、瑞典、丹麦、挪威等)部分采用了环戊烷方案。到目前为止，这些国家采用环戊烷替代R11的方案已有多年，技术上也较为成熟，在电冰箱的能耗、成本、生产及使用安全、维修等方面考虑都很周到，生产的自动化水平非常高。最典型的是德国博土——西门子公司的电冰箱厂，该厂自1993年改用环戊烷后，在生产安全上采用了精密的通风、隔离、防爆、防静电、报警等措施，已生产了500万台环戊烷发泡的电冰箱，没有发生过问题。在日本，虽然前些年以R141b为主要方案，但近年来很多电冰箱厂也改为环戊烷方案。在国内，有无锡松下电冰箱厂、博西扬制冷有限公司等采用了环戊烷发泡生产线；新飞集团也引进了德国亨内机公司环戊烷发泡生产线实现每年60万台的生产能力；还有科龙、海尔都实现了环戊烷发泡生产线的改造。
同时，对于其他隔热方式的研究正在继续，欧洲一些冰箱厂开始采用真空隔热技术，采用箱中套箱的方法能够进一步提高隔热效果。故对新一代发泡剂的需求特点为：高的效能、好的TEWI(Total Equivalent Warming Impact，综合温室效应)值，低的POCP(Potochemistry Ozone Creation Potenitial,化合物光化学臭氧产生潜能)值及不可燃。 2、改进制冷剂
目前，我国电冰箱行业主要有两种替代方案，即海尔、科龙等采用异丁烷(HC-600a)替代CFC-12、环戊烷(C5H10)替代CFC-11方案和华凌、上菱等无霜冰箱生产厂及新飞等采用的HFC-134a替代CFC-12、HCFC-141b或C5H10替代CFC-11方案。
对方案一，由于HC-600a及C5H10的ODP=0，GWP≈0，环保性能好，且容易获得。不足的是它们均易燃易爆，所以在冰箱设计、生产和使用维修过程中都要考虑严格的防火、防爆措施，贮运、生产、维修现场需通风良好且安装气体浓度监测及报警装置。对HC-600a，压缩机容积相对于CFC-12需增大70%以上，制冷性能好，有明显节能效果。但必须采用蒸发器固定在聚氨酯泡沫中形式，冰箱内电气元件要采用防爆型，最好装在冰箱外部，压缩机电机保护开关也需防爆。其维
修也较麻烦，不能气焊或电焊，对HC-600a充注量精度要求高。这对蒸发器固定在冷冻室内，且有化霜、定时、温控等电气元件的无霜冰箱安全性方面很难保证，故至今HC-600a仅用于直冷冰箱。环戊烷作发泡剂的泡沫成品中，环戊烷的易燃性已不再明显，已用于无霜冰箱生产中。因而也被认为是目前CFC-11的首选替代物。但其绝热性能较CFC-11差15%～20%，需采用微孔发泡技术及加厚发泡层方法来改善绝热性能。
方案二中的HFC-134a热物理性能与CFC-12十分接近，使用安全，ODP=0，但GWP=0.34，稍高，目前成本偏高(是CFC-12的3～4倍)，且制造工艺相对复杂，对制冷系统管路中残油、水份、杂质等含量要求特别苛刻，维修要求严格。至于HCFC-141b，工艺相对简单且安全，但ODP=0.11，GWP=0.13，均不为零，属过渡性替代物，发达国家须在2003年禁用，中国也将在2030年禁用。HCFC-141b对冰箱内胆ABS有浸蚀作用，需采用改性ABS。其绝热性能较CFC-11差5%～10%，需采用微孔发泡技术及加厚发泡层来改善，这些均使产品成本提高。
总之，方案一的前期设备投入大，而方案二则后期运行费用高，原材料成本高，二者互有利弊，估计会在相当一段时间内共存。
而国际上针对冰箱制冷剂CFC-12的主要替代物即所谓的环保制冷剂为：HFC-134a,HC即其混合物制冷剂和HCFC混合制冷剂。为提高能效，新制冷剂的研发一直在继续进行，但在现有的条件下制冷剂的未来趋势是 ① 开发新的理想的纯工质制冷剂的可能性较小 ② 作为环保要求与安全要求的的折衷，天然的工质有可能再度兴起。根据我国的现状和环保的要求，制冷剂的选择应根据一下几点标准：①HCs的再兴，取决于寻求环保要求与安全要求的的折衷，有赖于减少安全风险新技术的开发，同样，CO2的再次发展，也有待于科技的进步；② 正确认识制冷机的作用，给予足够重视和必要的“地位”。混合物可以发挥“优势互补，取长补短”的作用。
3、压缩机的选用
为降低冰箱 的能耗，在综合对其各部件的优化设计、改良 性能以外，提高压缩机的效率是最主要的决定 因素。从2000年开始，压缩机的COP 从1.3左右上升1.8 左右，基本上将冰箱的能耗降低 5 0 ％，当压缩机的技术发展到一定程度后，再提高压缩机的CO P已经是有相当的困难，因此 目前市场上开始推行变频压缩机变频压缩机主要 以直流变频为主 ，采用 B L DC电机，目前它的效率也可以达到1.8 左右 的水平，与高效的交流定频压缩机能效相差不大。对于它在低转速和高转速的运行情况下，其效率会比在中转速的情况下有所降低。对于变频压缩机来说，需要变频板的控制，会消耗 2 W左右的能耗；而且主控板还需要采用开关电源设计 ，对比于机械温控或开关电源控制的普通冰箱，大约增加0.05 kWh／24 h 的能耗。因此，要根据不同类型的冰箱决定是否采用变频压缩机。
4、优化制冷系统设计
采用强化传热机理设计蒸发器和冷凝器，运用计算机对制冷系统优化匹配及动态模拟仿真。在冷冻室设蓄冷器，采用双稳态电磁阀(阀本身几乎不耗电)，通过切换制冷剂流向，对冷冻室、冷藏室温度分别进行控制，以达到节能效果。同时还可使冷藏室变成冷冻室、冰温室、或关闭不用，具有变温功能，更大程度上满足了不同消费者对冰箱温度的细化需要，方便了不同季节不同的储物需求。 5、多循环系统的研究
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