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新型节能冰箱运行特性及参数优化研究

袁旭东  
【摘要】:我国是冰箱的生产大国,每年的家用冰箱产量突破8000万台;同时也是冰箱的消费大国,冰箱耗电量在居民用电中的比例达到了40%-50%。因此,研究新型冰箱节能技术不仅对于提升我国冰箱的品质、提高我国冰箱企业的自主创新能力具有推动作用,而且对于缓解我国能源紧张、降低温室气体排放,都具有重要意义。 本文的研究对象为一种储能型节能冰箱,其基本原理是采用储能型冷凝器,当冰箱工作时,利用储能材料把部分来不及释放的冷凝热储存起来;当冰箱停机时,再把储存在储能材料中的冷凝热释放到环境中去,从而在一个完整周期内把冰箱冷凝器从间歇性换热转换为连续性换热,进而提高冷凝器的总体换热能力,以提高冰箱的节能效果。本文从实验测试和分析、动态仿真等方面对储能型节能冰箱进行了系统研究;并提出了基于遗传算法的提高冰箱整体性能的多目标优化方法,对新型节能冰箱的参数优化进行了分析;最后,对蓄冷型蒸发器对冰箱运行效果的影响进行了初步研究。该论文的研究成果,将为新型节能冰箱的性能提升及推广应用提供实验和理论基础。 本文首先建立了配有储能型冷凝器的新型节能冰箱的样机,对不同型号的节能型冰箱在稳定运行工况下的运行特性进行了实验研究,并与相应的普通冰箱进行了比较。研究结果显示:新型冰箱在刚启动时的最大功率要更小,而且可以在更短的时间内达到稳定状态;由于冷凝器储能的原因,新型冰箱开机时间、停机时间和运行周期时间均小于普通冰箱,并且,新型冰箱具有更小的开机停机时间比;由于储能型冷凝器实现了与环境的连续换热,从而提高了冷凝器总体散热效果和冰箱性能,在开机阶段降低了新型冰箱冷凝温度,提高了储能型冷凝器出口过冷度,从而使得新型冰箱的耗电量大幅降低。通过不同型号冰箱的对比实验发现,新型冰箱的节能效果可达10%左右。多种型号冰箱的实验结果也证明了储能型冷凝器对冰箱节能的通用性。 为了进一步研究储能型冷凝器对冰箱运行特性的影响,本文建立了储能型冷凝器数学模型,并编制了冰箱整机动态仿真模型,对新型储能型冰箱和普通冰箱的动态特性进行了仿真分析。研究结果显示,不论新型冰箱还是普通冰箱,仿真模拟结果都与实验结果吻合得非常好,这验证了冰箱动态仿真模型的正确性和准确性。仿真结果发现,采用储能型冷凝器使得新型冰箱的性能系数(COP)大幅度提高将近20%,但是,由于储能材料的加入降低了保温层的隔热性能,使得冰箱平均漏热增加,部分抵消了COP的提高对节能效果的影响,使得新型冰箱的耗电量实际减少了10%左右。本文讨论了关键参数诸如环境温度、冷冻室温度及储能材料的相变温度峰值对新型冰箱运行特性的影响,根据模拟结果得出,增加环境温度或降低冷冻室温度可以增加新型冰箱的节能效果;并得到了储能材料的最合适的相变温度峰值。该仿真分析为进一步分析新型冰箱的节能机理、改善新型冰箱的性能提供了理论基础。 为了提高冰箱的整体性能,本文提出了结合冰箱动态仿真程序和遗传算法NSGA-Ⅱ对家用冰箱进行多目标优化的新方法。优化目标为冰箱成本和24小时耗电量,利用该方法对采用储能型冷凝器的新型冰箱和具有箱壁式冷凝器的普通冰箱进行了优化,并得到了反应成本与耗电量之间关系的优化曲线,即每对应一个24小时耗电量值,就会得到一个冰箱的最低成本;反之,每对应一个冰箱成本,就会得到一个24小时最小耗电量值。优化结果表明,对于新型冰箱,无论是耗电量还是成本都得到了大幅改善,说明了对于新型冰箱仅仅在原有设计参数的基础上,储能型冷凝器并不能使新型冰箱实现最佳的节能效果,还需要对设计参数进行重新的优化设计。将新型冰箱和普通冰箱的优化曲线进行对比发现:在相同成本情况下,优化后新型冰箱可实现节能20%-26%;在相同耗电量的情况下,优化后新型冰箱每台节省成本为11元-21元。 为了进一步增加冰箱节能效果,本文最后分析了蓄冷型蒸发器对冰箱运行特性的影响。蓄冷型蒸发器的基本原理是:将相变温度低于冰箱冷冻室设定温度的储能材料作为蓄冷材料与蒸发器一起构成蓄冷型蒸发器。当冰箱开机时,一部分冷量存储在蓄冷材料中,当冰箱停机时,这部分冷量就可以从蓄冷材料释放出来传给冷冻室,以此实现蒸发器在完整周期内与冷冻室的连续换热。本文建立了蓄冷型蒸发器的数学模型,并结合之前建立的冰箱动态仿真模型,对采用蓄冷型蒸发器的家用冰箱进行模拟分析。研究结果显示,由于蓄冷材料的存在,采用蓄冷型蒸发器的冰箱的功率降低速度变缓,一个周期内的开机时间、停机时间都会被延长,但是停机开机时间比被大幅增加。由于蓄冷型蒸发器的整体换热性能要高于传统蒸发器,采用蓄冷型蒸发器可以进一步提高冰箱的节能效果,模拟结果表明,冰箱配备蓄冷型蒸发器之后,其耗电量能够降低20%左右。此项工作为冰箱节能技术的发展提供了新的思路。


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