多元发泡节能技术在冰箱上的研究与运用

北京工业大学研究生课程考试答题纸考试课程：制冷及空调装置中的新技术课程类别：学位课√选修课研究生学号：S201305099研究生姓名：聂荣华学生类别：博士硕士√工程硕士进修生考试时间：2014年5月13日题号分数任课教师签名一二三四五六七八九十总分论文题目：多元发泡节能技术在冰箱上的研究与运用姓名：聂荣华学号：S2013050991多元发泡节能技术在冰箱上的研究与运用目录第一章引言_______________________________________________________________2第二章冰箱发泡基本原理和背景简介_________________________________________22.1冰箱发泡基本原理___________________________________________________________22.2冰箱发泡技术背景简介_______________________________________________________2第三章不同的节能技术成本对比_____________________________________________23.1降低发泡料K值____________________________________________________________33.2提升压缩机COP(或使用变频压缩机)___________________________________________33.3增加VIP板________________________________________________________________33.4总结_______________________________________________________________________3第四章现有主要发泡体系技术参数___________________________________________3第五章多元发泡技术_______________________________________________________45.1多元发泡技术的技术特点_____________________________________________________45.2多元发泡技术的技术难点_____________________________________________________55.3多元发泡技术的节能效果_____________________________________________________55.4多元发泡节能技术的实际应用_________________________________________________6第六章总结和展望_________________________________________________________6论文题目：多元发泡节能技术在冰箱上的研究与运用姓名：聂荣华学号：S2013050992第一章引言全球低碳、节能已成大势所趋。从国际组织到各国政府层面，各种指令、法律、法规、政策都逐步加强了对节能产品的引导与监控；从消费者层面，全球用户无论是消费意识还是消费习惯均已快速转向节能产品。环保和节能是家电产品的发展方向，作为中国节能家电的先行者，冰箱所面临的节能任务更加繁重。目前，中国冰箱企业已经普遍使用环戊烷进行发泡。2013年，中国国家标准化委员会开始组织冰箱能效标准（GB12021.2）修订，变更能耗测试方法并进一步提高各能效等级的能效指数，这对冰箱企业提出了严格的技术指标要求。基于对节能趋势的共同适应和未来企业的发展需求，各主要冰箱制造商和上游企业都从各自实际情况出发，力图以较小的成本上升解决降低能耗的难题。在发泡体系方面，就体现为要在现有基础上提高环戊烷发泡体系保温性能，以满足冰箱行业对节能环保的新要求第二章冰箱发泡基本原理和背景简介2.1冰箱发泡基本原理发泡就是将两种化学原料进行混合，两种原料混合后发生化学反应，出现两种重大变化：一是两种液态流体原料经过混合反应后迅速固化，逐渐失去流动性；二是两种液态原料经过化学反应后，体积迅速膨胀，最终形成了带微小孔洞的固态泡沫物质，该反应后的产物（俗称发泡料）具备重量轻、含有丰富孔洞、具备良好的绝热效果。冰箱箱体发泡原理，高压发泡机通过高压将两种发泡料（因其颜色一种是白色，而另一种是黑色，因此工厂通常称为“白料”和“黑料”）压到发泡枪，在枪头中由于高压对射而达到完全混合、反应，迅速填充到预装好的内胆和壳体内侧的各个部位，在短时间内固化形成坚硬的泡沫，完成箱体的发泡。2.2冰箱发泡技术背景简介在美国，目前冰箱制造行业主要采用HFC-245fa发泡剂代替原先使用的HCFC-141b，效果较佳，但需要对设备进行改造，成本明显上升，且有一定的温室气体效应。在欧洲，冰箱业主要应用HFC-365mfc发泡体系，虽然不需要改造设备，但发泡剂本身的成本增高较为明显。在韩国，主要应用添加剂技术，该技术工艺性差，设备投入较大。目前，中国部分冰箱厂家仿效美国，开发HFC-245fa发泡剂的应用；部分企业采用环戊烷和HFC-245fa混合发泡，但技术方面仍存在设备改造问题，工艺方面也有一些问题需要解决。目前用于冰箱保温的主要应该是聚氨酯硬质泡沫塑料，它的保温性能好且成型方便。保温层厚度越大保温效果会越好但同时带来初期成本高、保温层支撑强度不够等问题，故而应适可而止。目前在冰箱领域大规模使用的发泡剂种类主要有CFC-11、HCFC-141b和戊烷三大类，对原有的CFC-11生产线而言，改用戊烷发泡技术需对生产线进行改造，因生产能力不同设备改造费用也相差巨大。第三章不同的节能技术成本对比对冰箱而言，能够提升产品能效水平的措施主要有：降低发泡料K值（K值：传热系数，K值越小，绝热能力越强）、提升压缩机COP值（COP：压缩机能效比，COP越高，压缩机效率越高）或使论文题目：多元发泡节能技术在冰箱上的研究与运用姓名：聂荣华学号：S2013050993用变频压缩机、增加VIP板（VIP：真空绝热板，英文VacuumInsulationPanel的简称）、按照测试标准针对性调整性能设计细节、通过结构设计针对性调整整机热负荷、降低电控冰箱待机功耗等。本文将以某公司常规能效水平主销电控直冷三门冰箱为例，来分析以上措施的优缺点。主要参数为：R室容积与特征温度：119L/+5℃、M室容积与特征温度：43L/-7℃、F室容积与特征温度：54L/-18℃、产品气候类型ST、基准型能耗实测值：0.46KWh/24h、发泡料K值：20.0～20.2mW/m•K、改善目标：能耗实测值下降5%。3.1降低发泡料K值基准型号所使用发泡料为普通C/P系统（C/P：环戊烷,C5H10），K值为20.0～20.2mW/m•K，模塑密度为33～35kg/m3，单台产品发泡料重量约为11kg。按能耗降低5%核算，K值需降低8%（经验数据）降至18.4mW/m•K。发泡料K值降低后，单台成本上升为17.05元。需要说明的是，发泡料的升级涉及设备、工艺、品控等多个方面，需要提升整个研发、制造、品控体系能力方可进行。同时，K值理论降低比例由于(共)沸点较高等原因无法完全达成。3.2提升压缩机COP(或使用变频压缩机)基准型号现用压缩机型号为PZ59H1Y，制冷量为108W，COP值为1.85。按能耗降低5%核算，压缩机COP值需提升至1.95。更换同厂家新款压缩机，单台成本上升51元。需要指出的是，如果基准型号为超低能耗产品，所使用的压缩机COP值已经较高，因而提升压缩机COP或使用变频压缩机的成本上升将大幅增加。3.3增加VIP板按能效提升5%计算，需在冰箱箱体两侧、冷冻室与变温室门体、冷冻室与变温室后背、压缩机室等处使用K值=2.5～3.0mW/m•K的VIP板合计面积1.35m2。按目前常规报价计算，单台VIP板与胶水合计成本上升202.5元。3.4总结由此可见，单纯依靠以上任何一个方法达到能耗降低5%的目标，材料成本均上升明显，终端售价上升的程度可能无法被消费者接受。从具体实践来看，除少数型号由于组织或产品特点使用VIP外，大部分企业均主要同时依靠降低发泡料K值与提高压缩机COP两种手段，来以较低的综合成本提高产品能效水平。由于对发泡体系的研究相对难度更大，冰箱制造企业更多地依靠直接升级压缩机COP或更换为变频压缩机来解决问题。但是，在超低能耗水平产品上继续进行节能提升，压缩机的成本上升将使企业无法接受。因此，如果企业具有较强的发泡料研发、应用实力，能够对现有发泡体系进行革命性的创新，既能大幅度降低K值，又能够少增加或不增加发泡料成本。如果成功，冰箱的竞争力将得到极大提升。第四章现有主要发泡体系技术参数国内主要冰箱制造商均采用以C/P为主的发泡体系，只是在具体组分和配方上有所差异。常见的主要为：普通C/P发泡料、低K值C/P发泡料、C/P+245fa发泡料(245fa:五氟丙烷，CF3CH2CHF2)。本论文题目：多元发泡节能技术在冰箱上的研究与运用姓名：聂荣华学号：S2013050994节仍以上述基准冰箱型号来进行分析。由表1可以看出，改进型C/P系统中K值降低的同时，发泡料成本大幅增加，客观上抑制了产品的竞争力。表1不同C/P发泡体系的技术参数与成本对比(典型值)单位：元项目普通C/P低K值C/PC/P+245faMDI（异氰酸酯，配比份数）1.251.251.15～1.20POL（组合聚醚，配比份数）0.88890.88890.8547C/P（配比份数）0.11110.11110.0983HFC-245fa（配比份数）--0.0470(共)沸点(℃)494933.4K值(mW/m•K)20.0～20.218.4～18.618.8～19.0K值降低比例0%(基准)8%↓6%↓整机能效提升比例0%(基准)5%↑3%↑模塑密度(kg/m3)33～3533～3531～32混合料加工费(元/吨)5700～60007300～76007400～7700单台用量(kg)111110.19单台发泡料加工费(元)64.3581.4076.93深入分析还可以发现：由于冰箱实际使用/测试的温度均低于上述三种发泡体系的发泡剂(共)沸点，在冰箱使用/测试时，部分发泡剂处于液相状态。从传热学角度来看，固相导热快速增加，因此，实际工况下发泡料K值会比标况测试数据更高。这将直接导致无法完全实现能耗提升的预设目标。第五章多元发泡技术5.1多元发泡技术的技术特点制冷剂R134a一直作为制冷剂在冰箱制造行业得到广泛使用，低沸点性（沸点-26.5℃）及低导热性为其在聚氨酯硬泡的发泡领域提供了新的思路和拓展空间。但低沸点性同样也为其作为发泡剂的使用造成了大量的技术瓶颈。美的冰箱发泡团队大胆引入R134a和245fa、C/P一起，开发出制冷剂多元混合发泡技术。该技术结合三种发泡剂各自特性，开发专用组合聚醚配方，生产出的泡孔更为细腻、导热系数更低的聚氨酯硬泡。在冰箱上应用后，能够在成本基本不变的前提下，大幅度降低发泡料K值。相关对比数据如表2。表2不同发泡体系的技术参数对比基本配方行业通用C/P系统低K值C/PC/P+245fa催化剂（种类）3种3种4种硅油（份数））≈2.0≈3.02.0～3.0水（份数）2.0～2.51.8～2.31.5～2.0发泡剂C/P（份数）245faR134a12～15//10～134～6/9～1210～12少量模塑密度(kg/m3)33～3531～3229～30(共)沸点(℃)4933.425.9发泡孔径(um)≈330≈330180K值(mW/m•K)20.0～20.218.8～19.018.2～18.8论文题目：多元发泡节能技术在冰箱上的研究与运用姓名：聂荣华学号：S2013050995各发泡系统优缺点CP对单体原料相溶性选择性强；组合料中发泡剂含量受限；K值降低空间