基于CFD仿真計(jì)算的高效臥式無(wú)霜冷柜風(fēng)道系統(tǒng)

張 波 李乾坤 王 瑤

（合肥美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

1 無(wú)霜臥式冷柜原型機(jī)概況

伴隨臥式冷柜家用的日益普及，如何為用戶提供良好的使用感受，便于用戶除霜，臥式無(wú)霜冷柜應(yīng)時(shí)而出。臥式無(wú)霜冷柜作為冷柜發(fā)展的一個(gè)重要研究方向，目前海爾[1]、澳柯瑪[2]、美菱、TCL[3]等企業(yè)相繼推出臥式無(wú)霜冷柜，豐富了冷柜的產(chǎn)品鏈，為用戶提供了多種選擇的可能。

基于臥式冷柜的特殊性，市面上的臥式無(wú)霜冷柜售價(jià)相對(duì)較高，主要原因是目前臥式無(wú)霜冷柜的風(fēng)道系統(tǒng)都較為復(fù)雜，生產(chǎn)工藝極其繁瑣，生產(chǎn)和材料成本都較普通臥式冷柜增加很多，由此造成目前臥式無(wú)霜冷柜產(chǎn)品的市場(chǎng)普及率較低。

本文主要通過(guò)對(duì)我司一款臥式無(wú)霜冷柜進(jìn)行分析，提出一種低成本高效臥式無(wú)霜冷柜方案，為臥式無(wú)霜冷柜的研究提供一個(gè)可以參考的方向。

本文首先對(duì)原型機(jī)進(jìn)行分析，選用我司現(xiàn)有200 L以內(nèi)的一款臥式無(wú)霜冷柜，研究載體的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由箱體、門體組成，箱體包括發(fā)泡箱體、風(fēng)道系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，風(fēng)道系統(tǒng)包括冷凍風(fēng)道組件和發(fā)泡層內(nèi)送風(fēng)風(fēng)道，制冷系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器等。

該研究載體是單溫冷藏冷凍轉(zhuǎn)換柜，溫度調(diào)節(jié)范圍為-32～10 ℃。其冷凍風(fēng)道組件和蒸發(fā)器間室都是放置在箱體壓縮機(jī)倉(cāng)的上方，冷凍風(fēng)道組件主要包括風(fēng)扇電機(jī)、冷凍風(fēng)道、冷凍面罩以及泡沫保溫層等，冷凍風(fēng)道面罩上有向箱內(nèi)正面送風(fēng)的出風(fēng)口；同時(shí)兩側(cè)有向箱體兩側(cè)發(fā)泡層風(fēng)道內(nèi)送風(fēng)的出風(fēng)口，發(fā)泡層風(fēng)道分布在箱體長(zhǎng)度方向，其對(duì)稱布置在發(fā)泡層中，發(fā)泡層送風(fēng)風(fēng)道有向箱內(nèi)吹風(fēng)的多個(gè)出風(fēng)口，形成L形送風(fēng)系統(tǒng)[4]；蒸發(fā)器間室包括蒸發(fā)器、化霜加熱器等。

該研究載體的箱體底部設(shè)置有金屬鋼絲擱架（如圖1所示），以便用戶在實(shí)際使用過(guò)程中存放實(shí)物時(shí)不會(huì)將箱體底部的風(fēng)路堵住，便于風(fēng)路的暢通，以此保證整個(gè)箱體內(nèi)部的循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 原型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 仿真三維模型

通過(guò)對(duì)原型機(jī)的整個(gè)間室循環(huán)空氣模型進(jìn)行三維建模，得到該臥式無(wú)霜冷柜的流體仿真模型，如圖2所示。該模型包括整個(gè)單溫間室和蒸發(fā)器間室內(nèi)的循環(huán)空氣，風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之后，風(fēng)扇將經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器間室降溫過(guò)后的冷空氣送至各個(gè)風(fēng)道，再通過(guò)各個(gè)出風(fēng)口送至箱體內(nèi)部，包括冷凍面罩的出風(fēng)口、箱體長(zhǎng)度方向流經(jīng)泡層內(nèi)的L形風(fēng)道出風(fēng)口。降溫后的冷空氣與箱內(nèi)的熱空氣進(jìn)行熱交換，然后經(jīng)過(guò)箱體底部的回風(fēng)口回至蒸發(fā)器間室內(nèi)。

本文主要對(duì)整個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)的總風(fēng)量進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)各個(gè)出風(fēng)口、回風(fēng)口的風(fēng)量和風(fēng)速，并對(duì)其進(jìn)行分析對(duì)比。

冰箱內(nèi)部氣流速度相對(duì)較低，為簡(jiǎn)化仿真模型，假設(shè)冰箱內(nèi)部為理想空氣且不可壓縮，忽略冰箱箱體內(nèi)的相變過(guò)程?？諝饬鲃?dòng)循環(huán)過(guò)程滿足一下連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程：

式中：

ρ—密度；

u—速度；

A—截面面積。

圖2 原型機(jī)仿真模型

式中：

Q —體積流量。

式中：

p—靜壓。

本仿真主要利用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件和流體仿真軟件進(jìn)行分析計(jì)算。將該流體仿真模型根據(jù)實(shí)際需要分成多個(gè)部分，對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，計(jì)算網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，對(duì)于主要關(guān)注的相應(yīng)部分進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格數(shù)量加密處理。流體計(jì)算選用Realizableκ-ε湍流計(jì)算模型。

1.2 數(shù)值仿真結(jié)果及流場(chǎng)分析

該仿真主要了解系統(tǒng)總風(fēng)量和各個(gè)出風(fēng)口出風(fēng)量，本文中所選載體的冷凍面罩上正面出風(fēng)的風(fēng)口有三個(gè)，從上到下依次定義為出風(fēng)口1、2、3；泡層內(nèi)共有8個(gè)出風(fēng)口，將這8個(gè)出風(fēng)口合為其它；總回風(fēng)面設(shè)在蒸發(fā)器底部的回風(fēng)處，總風(fēng)量可直接由其讀出。將其多個(gè)出風(fēng)口和總回風(fēng)面均設(shè)為流場(chǎng)內(nèi)部面。

流體計(jì)算選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min的工況進(jìn)行模擬，將其所在區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)區(qū)域。選用Realizableκ-ε湍流計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，監(jiān)測(cè)面選用蒸發(fā)器底部的總回風(fēng)面，當(dāng)其殘差值小于10-6時(shí)，認(rèn)為其計(jì)算收斂。速度場(chǎng)分布如圖6所示，具體流量及占比見表1所示（單位：g/s）。

從以上分析看，此種臥式無(wú)霜冷柜風(fēng)冷方案能保證在離風(fēng)道最遠(yuǎn)端的冷量，可靠性很好，尤其對(duì)大容積冷柜特別有效。同時(shí)L型泡層風(fēng)道安裝在箱體內(nèi)襯與箱殼之間，必然會(huì)帶來(lái)材料成本和生產(chǎn)工藝成本都相應(yīng)的增加很多，同時(shí)也給生產(chǎn)制造增大了難度。

2 優(yōu)化方案

2.1 仿真三維模型

為了降低材料成本和生產(chǎn)工藝成本，首先設(shè)想將泡層內(nèi)的兩側(cè)送風(fēng)風(fēng)道取消，即風(fēng)扇電機(jī)向兩側(cè)發(fā)泡層內(nèi)送風(fēng)的風(fēng)口取消，只保留冷凍面罩上的三個(gè)出風(fēng)口（1、2、3），同時(shí)為了保證出風(fēng)效率，對(duì)其冷凍風(fēng)道上的風(fēng)路型線做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，為保證整機(jī)所需要的冷量，將此三個(gè)出風(fēng)口面積適當(dāng)加大；箱體底部的鋼絲擱架取消，為保證箱體內(nèi)部的整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，冷凍面罩的回風(fēng)口向下延伸至箱體底部。針對(duì)優(yōu)化風(fēng)道后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)幾何建模，并進(jìn)行流場(chǎng)仿真，將其結(jié)果與原型機(jī)進(jìn)行對(duì)比。

優(yōu)化方案后的箱體三維和仿真模型如圖3所示。

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果及流場(chǎng)分析對(duì)比

圖4 優(yōu)化方案三維

圖5 優(yōu)化方案仿真三維

表1 原型機(jī)間室流量分布與出風(fēng)口風(fēng)速

表2 優(yōu)化方案的間室流量分布及出風(fēng)口風(fēng)速

從表1-表2可以看出，整機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)總風(fēng)量由原17.61 g/s降低到15.15 g/s，降低幅度約14 %?？傦L(fēng)量雖有降低，但冷凍風(fēng)道面罩上三個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)速得到了明顯的提升，即箱內(nèi)空氣的流動(dòng)速度得到了提高，可帶動(dòng)箱體內(nèi)部離冷凍風(fēng)道最遠(yuǎn)端的空氣流動(dòng)。

在對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行以上改變的同時(shí)，我們選出一款較原型機(jī)效率低5 %的壓縮機(jī)，該款壓縮機(jī)的成本相應(yīng)降低了約19 %。

利用新壓縮機(jī)搭載優(yōu)化后的風(fēng)道方案，我們對(duì)其進(jìn)行了耗電量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化前后的耗電量對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

優(yōu)化方案的耗電量增加了約2.6 %，但從能效指數(shù)上看仍然有足夠的余量，仍屬于一級(jí)能耗。在壓縮機(jī)效率降低5 %的前提下，加上風(fēng)道總風(fēng)量的降低，最終的耗電量?jī)H增加了2.6 %，說(shuō)明我們優(yōu)化方案后的風(fēng)道效率得到了很大幅度的提升。由此可預(yù)判我們的初步設(shè)想的可行性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，在耗電量測(cè)試之后，我們依次對(duì)優(yōu)化方案后的樣機(jī)進(jìn)行了儲(chǔ)藏溫度、冷凍能力以及凝露試驗(yàn)等可靠性實(shí)驗(yàn)，并將其與原型機(jī)方案進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示儲(chǔ)藏溫度合格，優(yōu)化方案的冷凍能力和凝露試驗(yàn)優(yōu)于原型機(jī)方案。

圖6 原方案整機(jī)速度場(chǎng)

圖7 優(yōu)化方案整機(jī)速度場(chǎng)

表3 優(yōu)化前后耗電量對(duì)比

2.3 其他

為更進(jìn)一步降低該款無(wú)霜冷柜的成本，我們?cè)诂F(xiàn)有顯示板和控制板分開的基礎(chǔ)上，全新開發(fā)了一款在冰柜上適用的顯控一體板。顯控一體板的應(yīng)用必然會(huì)減少箱內(nèi)線束的使用長(zhǎng)度，會(huì)降低線束的成本。

3 結(jié)論

本文是對(duì)一款無(wú)霜冷柜風(fēng)路系統(tǒng)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，提出一種低成本高效風(fēng)冷方案，在冷凍風(fēng)道效率得到大幅度提高基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)慕档蛪嚎s機(jī)的效率，并結(jié)合一體板的開發(fā)和應(yīng)用，使無(wú)霜冷柜的成本得到了大幅度降低，可降低成本約13 %。通過(guò)優(yōu)化前后的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，新方案滿足耗電量和相關(guān)可靠性實(shí)驗(yàn)要求。