【摘要】：我國是冰箱的生產(chǎn)大國,每年的家用冰箱產(chǎn)量突破8000萬臺；同時也是冰箱的消費(fèi)大國,冰箱耗電量在居民用電中的比例達(dá)到了40%-50%。因此,研究新型冰箱節(jié)能技術(shù)不僅對于提升我國冰箱的品質(zhì)、提高我國冰箱企業(yè)的自主創(chuàng)新能力具有推動作用,而且對于緩解我國能源緊張、降低溫室氣體排放,都具有重要意義。 本文的研究對象為一種儲能型節(jié)能冰箱,其基本原理是采用儲能型冷凝器,當(dāng)冰箱工作時,利用儲能材料把部分來不及釋放的冷凝熱儲存起來；當(dāng)冰箱停機(jī)時,再把儲存在儲能材料中的冷凝熱釋放到環(huán)境中去,從而在一個完整周期內(nèi)把冰箱冷凝器從間歇性換熱轉(zhuǎn)換為連續(xù)性換熱,進(jìn)而提高冷凝器的總體換熱能力,以提高冰箱的節(jié)能效果。本文從實驗測試和分析、動態(tài)仿真等方面對儲能型節(jié)能冰箱進(jìn)行了系統(tǒng)研究；并提出了基于遺傳算法的提高冰箱整體性能的多目標(biāo)優(yōu)化方法,對新型節(jié)能冰箱的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了分析；最后,對蓄冷型蒸發(fā)器對冰箱運(yùn)行效果的影響進(jìn)行了初步研究。該論文的研究成果,將為新型節(jié)能冰箱的性能提升及推廣應(yīng)用提供實驗和理論基礎(chǔ)。 本文首先建立了配有儲能型冷凝器的新型節(jié)能冰箱的樣機(jī),對不同型號的節(jié)能型冰箱在穩(wěn)定運(yùn)行工況下的運(yùn)行特性進(jìn)行了實驗研究,并與相應(yīng)的普通冰箱進(jìn)行了比較。研究結(jié)果顯示：新型冰箱在剛啟動時的最大功率要更小,而且可以在更短的時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；由于冷凝器儲能的原因,新型冰箱開機(jī)時間、停機(jī)時間和運(yùn)行周期時間均小于普通冰箱,并且,新型冰箱具有更小的開機(jī)停機(jī)時間比；由于儲能型冷凝器實現(xiàn)了與環(huán)境的連續(xù)換熱,從而提高了冷凝器總體散熱效果和冰箱性能,在開機(jī)階段降低了新型冰箱冷凝溫度,提高了儲能型冷凝器出口過冷度,從而使得新型冰箱的耗電量大幅降低。通過不同型號冰箱的對比實驗發(fā)現(xiàn),新型冰箱的節(jié)能效果可達(dá)10%左右。多種型號冰箱的實驗結(jié)果也證明了儲能型冷凝器對冰箱節(jié)能的通用性。 為了進(jìn)一步研究儲能型冷凝器對冰箱運(yùn)行特性的影響,本文建立了儲能型冷凝器數(shù)學(xué)模型,并編制了冰箱整機(jī)動態(tài)仿真模型,對新型儲能型冰箱和普通冰箱的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果顯示,不論新型冰箱還是普通冰箱,仿真模擬結(jié)果都與實驗結(jié)果吻合得非常好,這驗證了冰箱動態(tài)仿真模型的正確性和準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用儲能型冷凝器使得新型冰箱的性能系數(shù)(COP)大幅度提高將近20%,但是,由于儲能材料的加入降低了保溫層的隔熱性能,使得冰箱平均漏熱增加,部分抵消了COP的提高對節(jié)能效果的影響,使得新型冰箱的耗電量實際減少了10%左右。本文討論了關(guān)鍵參數(shù)諸如環(huán)境溫度、冷凍室溫度及儲能材料的相變溫度峰值對新型冰箱運(yùn)行特性的影響,根據(jù)模擬結(jié)果得出,增加環(huán)境溫度或降低冷凍室溫度可以增加新型冰箱的節(jié)能效果；并得到了儲能材料的最合適的相變溫度峰值。該仿真分析為進(jìn)一步分析新型冰箱的節(jié)能機(jī)理、改善新型冰箱的性能提供了理論基礎(chǔ)。 為了提高冰箱的整體性能,本文提出了結(jié)合冰箱動態(tài)仿真程序和遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)矣帽溥M(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化的新方法。優(yōu)化目標(biāo)為冰箱成本和24小時耗電量,利用該方法對采用儲能型冷凝器的新型冰箱和具有箱壁式冷凝器的普通冰箱進(jìn)行了優(yōu)化,并得到了反應(yīng)成本與耗電量之間關(guān)系的優(yōu)化曲線,即每對應(yīng)一個24小時耗電量值,就會得到一個冰箱的最低成本；反之,每對應(yīng)一個冰箱成本,就會得到一個24小時最小耗電量值。優(yōu)化結(jié)果表明,對于新型冰箱,無論是耗電量還是成本都得到了大幅改善,說明了對于新型冰箱僅僅在原有設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上,儲能型冷凝器并不能使新型冰箱實現(xiàn)最佳的節(jié)能效果,還需要對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行重新的優(yōu)化設(shè)計。將新型冰箱和普通冰箱的優(yōu)化曲線進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：在相同成本情況下,優(yōu)化后新型冰箱可實現(xiàn)節(jié)能20%-26%；在相同耗電量的情況下,優(yōu)化后新型冰箱每臺節(jié)省成本為11元-21元。 為了進(jìn)一步增加冰箱節(jié)能效果,本文最后分析了蓄冷型蒸發(fā)器對冰箱運(yùn)行特性的影響。蓄冷型蒸發(fā)器的基本原理是：將相變溫度低于冰箱冷凍室設(shè)定溫度的儲能材料作為蓄冷材料與蒸發(fā)器一起構(gòu)成蓄冷型蒸發(fā)器。當(dāng)冰箱開機(jī)時,一部分冷量存儲在蓄冷材料中,當(dāng)冰箱停機(jī)時,這部分冷量就可以從蓄冷材料釋放出來傳給冷凍室,以此實現(xiàn)蒸發(fā)器在完整周期內(nèi)與冷凍室的連續(xù)換熱。本文建立了蓄冷型蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合之前建立的冰箱動態(tài)仿真模型,對采用蓄冷型蒸發(fā)器的家用冰箱進(jìn)行模擬分析。研究結(jié)果顯示,由于蓄冷材料的存在,采用蓄冷型蒸發(fā)器的冰箱的功率降低速度變緩,一個周期內(nèi)的開機(jī)時間、停機(jī)時間都會被延長,但是停機(jī)開機(jī)時間比被大幅增加。由于蓄冷型蒸發(fā)器的整體換熱性能要高于傳統(tǒng)蒸發(fā)器,采用蓄冷型蒸發(fā)器可以進(jìn)一步提高冰箱的節(jié)能效果,模擬結(jié)果表明,冰箱配備蓄冷型蒸發(fā)器之后,其耗電量能夠降低20%左右。此項工作為冰箱節(jié)能技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB657.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2563414