冰箱保温层设计

毕业设计题目:冰箱保温层设计院(系):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AbstractRigidpolyurethanefoamiswidelyusedintheconstruction,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