冰箱保温层设计.docx

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冰箱保温层设计

毕业设计

题目:

冰箱保温层设计

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专业年级:

姓名:

xxx

学号:

xxx

指导教师:

xxx

年月日

摘要

硬质聚氨酯泡沫塑料广泛应用于建筑，石油、化工、轻工、运辅、城市供热、制冷及食品冷藏与加工：

是冰箱，冰柜、飞机机身、轮船壳体，客运车箱，活动板房等最优良的绝热材料；还常被用做船，浮体、快艇、救捞器材的充填材料以及易碎商品包装材料；开孔型的硬泡是良好的吸音，消声材料。

聚氨酯材料可以用于管道保温，但是管道保温材料不仅仅是聚氨酯这一种，也可以是其他的，例如岩棉、珍珠岩等，根据不同的环境和需要选择不同的材料。

聚氨酯材料是可以回收再利用的。

废旧聚保温氨酯材料的再生利用方法有:

粘结制再生泡沫塑料,粉碎后热压成制品,粉碎成粉末作为生产泡沫塑料等的填料;通过醇解、胺解或水解工艺将泡沫分解再生多元醇,再用于制泡沫塑料,等等。

硬质聚氨酯泡沫塑料因其优良的隔热保温、独特的抗水渗透及化学稳定性，加上轻质、成型方便，成为冰箱保温层不可或缺的保温材料。

针对冰箱门体因硬质聚氨酯泡沫塑料充型脱模后的变形易产生报废返修问题，本文拟采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为原料对冰箱保温层进行设计并通过实验的方法验证设计方案的可行性，同时根据所测得的数据来确定优化方案，总结出合适的设计参数。

关键字：

保温材料；硬质聚氨酯泡沫塑料；冰箱保温层

Abstract

Rigidpolyurethanefoamiswidelyusedintheconstruction,petroleum,chemicalindustry,lightindustry,transportandauxiliary,urbanheating,refrigerationandfoodcoldstorageandprocessing:

refrigerator,freezer,thefuselageoftheaircraft,shipshell,passengercarriage,theactivitiesoftheboardandthemostexcellentthermalinsulatingmaterials;butalsooftenusedtotakeaboat,floatingbody,aspeedboat,salvageequipmentfillingmaterialsandfragilecommoditypackagingmaterials;passtherigidfoamisagoodsound-absorbing,sounddeadeningmaterial.Polyurethanematerialcanbeusedinpipeinsulation,butpipeinsulationmaterialisnotonlypolyurethanethisa,canalsobeother,suchasrockwool,perlite,accordingtothedifferentenvironmentandtheneedtochooseadifferentmaterial.Polyurethanematerialscanberecycled.Wastepolyethyleneinsulationpolyurethanematerialregenerationutilizationmethodsinclude:

bindingofregenerativefoam,crushedafterhotpressingproducts,crushedintopowderasfillerintheproductionoffoam;throughalcoholysis,aminesolutionorhydrolysisoffoamdecompositionrecycledpolyolsforfoamplastic,andsoon.

Duetoitsexcellentheatinsulationandthermalinsulation,uniquewaterpenetrationresistanceandchemicalstability,therigidpolyurethanefoamplasticisanindispensablethermalinsulationmaterialfortherefrigeratorinsulationlayer.FortherefrigeratordoorbodyduetothedeformationofrigidpolyurethanefoamfillingafterstrippingiseasytoproduceScrap&reworkproblem,thispaperintendstoadoptrigidpolyurethanefoamasarawmaterialforrefrigeratorinsulationlayerdesignandfeasibilitythroughtheexperimentalmethodtoverifythedesignscheme,alsoaccordingtothemeasureddatatodeterminetheoptimizationscheme,summeduptheappropriatedesignparameters.

Keywords:

Thermalinsulationmaterial;Rigidpolyurethanefoam;Refrigeratorinsulationlayer

一、绪论

1.1研究背景及意义

硬质聚氨酯泡沫材料在一个相当的时期内还是冰箱门体隔热保温层的填充材料。

“发泡”是冰箱制造的关键环节之一，为切实保证冰箱发泡的品质，从而保证冰箱的高保温性、长使用寿命和节能环保，企业们都组织专门的技术攻关项目组，用大量的实验研究，经过小批试制、中批试产及大批量试流的各阶段验证，最终克服所有困难，解决出现的各类问题。

整个项目在运作过程中，通过不断与原料供应厂家进行沟通交流，对原料配方进行优化改善，方能实现性能方面的有利改善。

整个过程经历漫长的时间、投入大量的人力物力。

在市场激烈变化的今天，这种传统的实验方法显然严重影响企业对市场的响应能力和市场竞争力。

因此，为缩短市场周期，需要一种更迅速有效的方法来取代传统的实验方法，在计算机高速发展的今天，利用计算机来建立虚拟模型，进行充型过程的数值模拟以及计算机辅助结构设计和分析仿真，与适当的实验研究相结合，可获得优化的工艺参数和结构参数。

纵观国内外的研究，不同学科的研究者或集中在模拟充型过程，或只对成型后聚氨酯硬泡性质展开研究，或者只针对冰箱部件的变形进行数值模拟和优化，彼此分离，很少见到同时涉及发泡、凝固过程与脱模冷却过程的全过程研究。

而实际上硬质聚氨酯泡沫的充型过程对脱模后的变形程度的影响十分重要，在企业生产过程中，常常会出现构件刚刚脱模不久即变形超差而报废，或出厂时变形幅度合格，但在使用一段时间后出现大变形而不得不返修的现象。

因此有必要对从发泡、凝固、到脱模变形的全过程展开多学科融合的综合研究。

利用数值模拟和实验相结合的方法来研究冰箱用硬质聚氨酯泡沫充型、脱模对冰箱部件的变形的影响规律，从发泡工艺和结构设计两个方面研究减小变形的策略和方法，为工艺和结构的优化提供指导。

该方法具有如下优点：

1）环境友好。

因为它不产生大量的实验废弃物。

2）多学科优化。

同时对多个关键参数进行研究，通过多学科优化设计得到理想结果。

3）低生产成本。

在理论分析的基础上，以较少的实验次数，即可获得优化的材料及结构的参数。

4）方便新产品预研。

计算机模拟技术在开发新产品时可以方便地进行。

聚氨酯材料在自然环境里极难分解，即便把聚氨酯深埋于地下，需要几十年才能分解。

现在被广泛采用的方法是将其燃烧掉。

但是燃烧后的废气需特殊处理。

用水来溶解其中的NO2，氰酸（HCN）等有毒物质，但是CN-根是剧毒物质，需要特殊处理，以免将毒源扩散。

也有学者提出裂解法，通过高温等特定条件，将聚氨酯裂解为小分子的化学物质，再用于生产燃油等有用材料，实现废物的可回收利用。

现今已有不少科研报告和成果，但尚未应用于实际工业生产。

所以，从环境保护的意义上来说，减少次品率和返修率即是对环保的贡献。

1.2发展状况

聚氨酯泡沫充型过程数值模拟和对硬质聚氨酯泡沫材料性能的实验研究十分热门，方法也多种多样。

国外对聚氨酯泡沫充型过程的数值仿真与实验研究相辅相成，提出了许多理论和研究方法。

国内也有不少针对聚氨酯泡沫的固化程的实验和数值仿真研究。

早在二十世纪八十年代，A.J.Rojasetal（1982）对聚氨酯自由发泡过程进行了初步的数值模拟研究，仿真与实验结果有一定差距。

MorisAmoneta（l1986，1984）研究了泡沫泡孔膨胀的数学模型及考虑传热、凝固的低压构造泡沫膨胀过程的分析。

A.Arefmaneshetal（1990）利用数值模拟方法研究泡沫成长并且预测聚合物泡沫泡孔尺寸的分布。

九十年代中期，S.A.Basereta（l1994a，1994b）建立了比较全面的凝胶反应和发泡反应的数学模型，其数值模拟和实验结果吻合得较好。

近年来，R.Tesseretal（2004,2003,1999）首先建立了改进的Flory-Huggins模型来描述物理发泡剂的溶解度，同时通过实验验证，证实此模型可以严格地描述环戊烷发泡剂在聚氨酯混合液中的溶解度，并实现了对聚氨酯泡沫发泡过程的数值仿真。

DongjinSeoetal（2005，2003）使用有限体积法实现了常粘度、常密度及变密度的膨胀牛顿流体的数值模拟，并据此实现了简单几何模型的聚氨酯泡沫充型过程的模拟。

1.3研究的方法和内容

冰箱保温层厚度是设计的重点，关键是产品的成本与性能，而保温层的设计需要考虑的因素包括：

①不同的市场和不同的能耗要求；

②产品的不同风格和设计特点；

③市场对发泡料的限制条件；

④产品成本的综合对比选择；

⑤产品的市场要求:

全球性、区域性、特殊客户；

⑥产品的未来发展考虑。

冰箱保温层厚度是设计的重点，在设计中总会与不同部门发生冲突，当然要求的厚度越薄越好，这样成本低，容积大，但由于技术的能力有限制的，在能耗达到一定的水平时，厚度也不是可以薄到想要的程度，因此在厚度的设计方面存在选择是否合理的问题。

目前冰箱箱体都采用硬质聚氨脂整体发泡作绝热层，其绝热性能好，适于流水线大批量生产，发泡后的箱体内外壳被粘接成刚性整体，结构坚固，内外壳厚度可以适当降低，无须对箱体做防潮处理，年久也不会吸湿而使热导率增大。

电冰箱绝大多数为立式结构。

箱体结构的发展过程，大致分为四个阶段：

50年代以前主要是厚壁箱体（厚度为60～65mm）；60年代是薄壁箱体（厚度30～35mm）；70年代是薄壁双温双门；80年代以后世界上趋于采用中等壁厚箱体（厚度为40～45mm），并以箱背式冷凝器的三门三温或双门双温自然对流冷却（即直冷式）冰箱为主。

随着良好隔热性能的隔热材料的应用，箱体壁厚的减薄，箱体重量进一步减轻并增大了冰箱的内容积。

二、保温层材料与原理

2.1材料种类和适用范围

早期的冰箱通常使用海绵、石棉等作为保温材料，但这类材料隔热能力并不高，易造成热量流失，导致冰箱能耗偏高，并且由于不防水，在使用过程中保温性能逐渐丧失。

图2.1冰箱用保温隔热材料发展历史

  八十年代，聚氨酯发泡走上历史舞台，较前一代的产品，其导热系数更低且使用周期较长，很快取代了之前的产品，得到广泛应用。

  一、气凝胶

  由硅凝胶、甲醇、水和少量氢氧化氨混合成，不会燃烧，不含破坏大气臭氧层的物质，是一种理想的的新颖绝热材料，其导热系数仅相当于目前冰箱所用的普通聚氨酯绝热材料的12分之一，可以很好地阻绝热度传递，实现节能扩容的效果。

不过虽然气凝胶是性能最优良的隔热材料，但是价格昂贵，主要应用于航空航天领域。

表2.1新型冰箱用保温材料的特点

真空绝热板（VIP板）

气凝胶

产品构成

各种芯材真空封装在镀铝的聚酯/聚乙烯薄膜内，芯材种类众多，早期使用二氧化硅，现以聚氨酯、玻璃纤维等为主

硅凝胶、甲醇、水和少量氢氧化氨混合成

特点

节能的同时在没有增加外形尺寸的条件下增加了食物储存空间

不会燃烧，不含破坏大气臭氧层的物质，价格昂贵

导热性能

优于聚氨酯发泡

导热系数仅相当于目前冰箱所用的普通聚氨酯绝热材料的12分之一

使用情况

占据了日本70%的市场，同时欧美也有广泛使用

海尔宇航变频冰箱、航空航天领域

  相较于使用聚氨酯发泡的保温材料，真空绝热板优良的隔热性能有利于节省更多的电量，其厚度较聚氨酯发泡大幅降低，可进一步释放有效容积20-30%。

  2、真空绝热板（VIP板）

  20世纪80年代初，日本冰箱制造商首先将平面真空绝热板应用于商业化产品。

由板/泡沫合成体提供的优异绝热性能（可以节约电能约25％左右）使得日本制造商研发的市场冰箱具有较薄的保温层。

这种结构在没有增加外形尺寸的条件下增加了食物储存空间，因而在空间意识浓厚的日本社会具有极大的竞争优势。

在日本家用冰箱的保温层中，约70%使用了VIP板。

图2.2真空绝热板的构造示意图

  目前，国内冰箱的保温材料主要是硬质聚氨酯发泡，但其由于含有氟化物，会破坏臭氧层，存在被限制使用的风险。

实际上近年来，欧美等发达国家已经开始使用新型环保产品逐步取代聚氨酯，其中VIP板是目前性价比最高的冰箱用保温材料。

2.2材料保温原理和结构特点

（1）粘接性能好。

硬质聚氨酷是一种结构致密的微孔泡沫体，与钢材、混凝土、砖石、木材、玻璃等硬质建筑材料有良好的粘接性能，具有不宜脱离主体、导热性能差的特性，特点是抗压、与基层粘结牢固。

（2）不透水。

硬质聚氨醋通过适量添加多种助剂速成微孔发泡体，闭孔率达92%以上，自结皮光洁。

因此，具有很高的水蒸气渗透阻和良好的不透水性。

在施工中采用喷涂成型技术，按照设计保温层的厚度喷涂聚氨醋，成为无接缝壳体，形成完整的不透水层，从根本上杜绝了雨水渗透沿缝隙渗人保温层的可能性。

另外，粘结强度可超过泡沫体本身的撕裂强度，不会与基层脱离，避免了水沿层间渗漏。

用硬质聚氨醋做成水盆、水箱盛200mm深的水能长期不渗漏;25mm厚的硬质板在一面割去自结皮，使其承受5m水柱高水压的作用，经过一年多的试验，没有发生渗漏现象，切开观察断面，水侵人的厚度仅为1-2mm,经分析此深度是硬质板表面切削力作用的开孔深度。

（3）导热率低。

热导率与材料内部孔隙构造有密切关系。

硬质聚氨醋材料是结构致密、封闭的非连通孔隙，材料的孔隙率较大，几乎没有对流作用的影响，所以导热率小。

（4）力学性能好。

硬质聚氨酷表观密度小、比强度高、延伸率大、抗冲击性好、不开裂、适应基材变形能力强。

其表观密度为35-40kg/m3，抗压强度在0.2-0.3MPa之间，伸长率在10%-4%之间。

（5）耐化学腐蚀性强。

硬质聚氨AL在苯、汽油等一般化学溶剂和稀浓度的酸、碱、盐溶液等环境的作用下具有良好的化学稳定性，也不会发生霉变和腐烂。

（6）耐热性能高。

硬质聚氨醋在-50℃的低温下，体积收缩率小于1%，而且不会发生变脆和开裂等现象;在120℃高温条件下，体积和强度无明显变化;在150℃较高温度下，聚合体不会发生降解，因此可用于高温和一般低温条件。

（7）单位自重轻。

表观密度小，成型后的硬质聚氨酷材料自重为1-2kg/m2（厚30-50mm）;特别适用于轻型大跨度、薄壳结构的建筑物和长距离石油输送管线，减小了自身重量，给规模化施工和现场施工提供了极大的方便。

（8）施工速度快。

硬质聚氨醋采用浇注发泡和喷涂发泡等成型技术，工艺、设备简单、操作方便，尤其适合形状复杂、管道纵横的基层表面施工。

例如，硬质聚氨酷屋面施工时不需要大型吊装设备，一套设备每日在良好条件下可完成1000m2左右建筑物的防水保温工作量。

（9）工程质量好，使用寿命长。

优异的不透水、绝热、轻质高强、耐化学腐蚀等特性奠定了优质工程的基础，从根本上解决了当前房屋建设中最突出的屋面渗漏问题和维修频繁的矛盾

三保温层选取与设计

3.1保温层设计计算

立式冰箱箱体，首先根据内容积确定宽深比例，一般选为正方形或矩形，其比例不超过1：

1.3，双侧门柜式箱体的宽深比为1：

0.65左右。

总体高度以放置稳定和箱内储放食品方便为原则。

设计箱体的绝热层时，可预先参照国内外冰箱的有关资料设定其厚度，如表3.1所示为某冰箱的绝热层厚度。

表3.1冰箱的绝热层厚度

冷冻室顶层厚度

冷冻室顶层厚度

冷冻室背面厚度

冷冻室门体厚度

冷冻室底面厚度

0.1m

0.072m

0.072m

0.053m

0.05m

冷藏室顶层厚度

冷藏室侧面厚度

冷藏室背面厚度

冷藏室门体厚度

冷藏室底面厚度

0.05m

0.053m

0.053m

0.053m

0.05m

但采用了其他冰箱的厚度时，需要对厚度进行校核计算，校核的依据就是不能出现凝露。

校核计算首先是要计算出箱体表面温度。

如果箱体外表面温度tw低于露点温度，则会在箱表面上发生凝露现象，因此箱体表面温度tw必须高于露点温度td，最低限度tw＞0.2℃+td。

在达到稳定传热状态后的表面温度tw可以由下式计算：

（3-1）

式中：

tw—箱体外表面温度，单位为℃；

tl—箱外空气温度，单位为℃；

t2—箱内空气温度，单位为℃；

a1—箱外空气对箱体外表面的表面传热系数，单位为W/（m2.K）；

k—传热系数，单位力W/（m2.K）.

按照国家标准GB8059.1的规定，电冰箱在进行凝露试验时，规定亚温带型（SN）、温带型（N）和亚热带型（ST）、热带型（T）冰箱的露点温度分别为19℃±0.5℃和27℃±0.5℃。

在箱体表面温度高于露点温度的前提下，计算箱体的漏热量Q1，并用下式校验绝热层的厚度

式中：

twl—箱外壁温度，单位为℃；

tw2—箱内壁温度，单位为℃；

λ—热导率，单位为W/（m2.K），各种绝热层热导率可见；

A-传热面积，单位为m2。

校验计算所得的厚度在设定厚度的基础上，进行修正，反复计算，直到合理为止。

3.2选取适当的保温层

某冰箱设计要求：

（1）使用环境条件：

冰箱周围环境温度ta=32℃,相对湿度φ=75%。

（2）箱内温度，采用标准温度，冷藏室温度5℃，冷冻室温度-18℃。

（3）箱内容积总168L，冷藏室100L，冷冻室68L，人们的生活习惯是经常用冷藏箱而少用冷冻箱，因此将冷冻箱设置在下层。

（4）冰箱制冷方式为直冷，节流元件为毛细管，其他配件根据需要自行配置。

设计：

1、箱体保温层采用硬质聚氨酯泡沫。

2、箱体尺寸参考其他相似尺寸的冰箱确定，相关尺寸和结构如图所示（图中尺寸单位：

cm）。

3、首先校核这种尺寸选择是否满足凝露条件

箱体外表面凝露校核分冷冻室和冷藏室进行。

（1）冷冻室凝露校核

冷冻室绝热层厚度最薄处在压缩机室处和门侧，由于压缩机散热导致压缩机室内温度高于环境温度一般不会出现凝露，因此，凝露校核计算时选取厚度最小的门侧。

凝露校核计算公式为3-1，因此，首先要确定相关参数：

环境温度t1为32C，箱内空气温度t2为-18℃。

另外，对于相关传热系数的规定：

当室内风速为O.1～0.15m／s时，α1可取3.5～11.6W/（m2·K）；箱内空气为自然对流（直冷式）时，α2可取0.6～1.2W/（m2·K）；双门双温问冷式电冰箱，由于箱内风速较大，其α2可取l7～23W／（m2·K）。

这里选取室内α2=0.8W/（m2·K），隔热层绝热系数0.02W/（m·K），室外对流换热系数α1取11W/（m2·K），则

=0.26W/（m2·K）

则外表面温度

℃

高于国家标准GB8059.1的规定的凝露温度。

（2）冷藏室凝露校核

冷藏室最薄的地方仍然是门侧，因此，计算方法同冷冻室，可计算出外表面温度为

=31.4℃

同样高于国家标准规定的凝露温度。

一般情况下，如果箱体尺寸参考了市场上产品的尺寸，则一般不存在凝露问题，但最好进行一下凝露校核。