上凍下藏風冷冰箱風道優(yōu)化提效研究

王 瑤 張 波 崔培培 王煥強 鮑 敏

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

上凍下藏式風冷冰箱是一種兩門上間室小冷凍、下間室大冷藏的冰箱，是出口海外產(chǎn)品的主流款型，受到海外消費者的青睞。多為單蒸發(fā)器設計，因間室送回風要求故冷凍、冷藏風道結(jié)構(gòu)形式相對固定，系統(tǒng)性能受風道性能制約影響較大。

本文選取公司某款單系統(tǒng)的上凍下藏風冷冰箱，通過CFD仿真工作對該冰箱整機風路系統(tǒng)進行流場仿真模擬分析，分析間室流場速度場、壓力場找出性能存在缺陷的機理，并根據(jù)以上物理量數(shù)據(jù)結(jié)合實驗測試提出風道優(yōu)化方案。

1 冰箱原型機概況

研究載體結(jié)構(gòu)和各間室分布如圖1所示，上部為冷凍室，調(diào)溫范圍為-15 ～ -24 ℃，下部為冷藏室，調(diào)溫范圍2～8 ℃，蒸發(fā)器位于冷凍室背部。該冰箱的冷凍風道選用一款120 mm直徑大小的離心風機，冷凍室和冷藏室的風量通過風機和機械式手動風門控制，其中機械式手動風門可以大幅度調(diào)整冷藏間室的風量比例，分為強中弱三個檔位。

針對不同地區(qū)要求，冷藏室頂部會搭載一個FreshRoom抽屜，圖1冷藏頂部紅色零件，放置FreshRoom抽屜與不放置FreshRoom抽屜，間室內(nèi)部的溫度分布差異極大，對產(chǎn)品性能一致性帶來極大影響。

區(qū)別于上藏下凍系列冰箱，上凍下藏冰箱的冷藏送風風道及回風風道處于同一區(qū)域，進出風極易出現(xiàn)短路情況。如圖2所示，原機冷藏風道藍色箭頭代表間室的出風路徑，紅色箭頭代表冷藏間室的回風路徑，回風口處于冷藏間室頂部，從藍色箭頭送出的冷風會直接從紅色箭頭處回到蒸發(fā)器倉，冷藏室頂部第一層進風與回風極易短路，當裝載FreshRoom抽屜時，短路更明顯。

圖1 樣機冰箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 原型機冷藏風道結(jié)構(gòu)

圖3 原型機仿真模型

2 冰箱原機性能現(xiàn)狀

2.1 原型機流場

通過對原機的間室循環(huán)空氣模型進行建模，得到該風冷冰箱的流場仿真模型。如圖3所示，該模型包括上部冷凍室、下部冷藏室，冷凍風道的風扇運轉(zhuǎn)后，風扇將經(jīng)過蒸發(fā)器降溫過的空氣運送至冷凍室內(nèi)部及冷藏室內(nèi)部，冷空氣與冷藏室、冷凍室內(nèi)部熱空氣進行熱交換后繼續(xù)循環(huán)回蒸發(fā)器倉。冷氣的輸送、返回過程在出風風道、回風風道內(nèi)進行。

本文將整個原型機流場分為冷藏進風風道、冷藏間室、冷藏回風風道、冷凍進風風道、冷凍間室、冷凍回風風道、旋轉(zhuǎn)風扇等區(qū)域，并檢測間室出風口、回風口及相關(guān)關(guān)鍵界面處的物理量數(shù)據(jù)。

2.2 計算控制方程

為簡化計算，本文首先需要對計算的模型做幾點假設：

1）冰箱內(nèi)部為理想空氣；

2）冰箱內(nèi)部為定常不可壓流動；

冰箱內(nèi)部的空氣流動循環(huán)過程滿足以下控制方程：

2.3 流場仿真結(jié)果

從圖4流場分布及表1流量分布可發(fā)現(xiàn)該冰箱的整機循環(huán)風量較小，其中冷藏室的整體流場風速較低，根據(jù)上述結(jié)果我們判斷該冰箱的風路循環(huán)效率較低，需提升。

通過觀察圖5、圖6的流場對比，無FreshRoom抽屜與有FreshRoom抽屜的間室流場分布完全不同，仿真結(jié)果與原機存在的問題相符。

3 優(yōu)化方案

通過分析原型機的流場及相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)以下問題：

1）冷藏間室整體速度場量級小，間室換熱效率低；

2）冷藏出風與回風短路對間室的換熱效率影響極大。

針對以上問題點，對冷凍風道送風型線進行調(diào)整，并對原機的冷藏風道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整，目的在于提高冷藏風道的循環(huán)效率、消除冷藏出風與回風短路的問題，提升間室內(nèi)部換熱效率。根據(jù)上述思路，最終設計出圖7風道結(jié)構(gòu)，其中藍色為出風流道、紅色為回風流量，將原頂部回風口移至間室底部。

針對優(yōu)化風道結(jié)構(gòu)進行幾何建模，并進行整機流場仿真與原型機進行對比。

通過分析圖8流場分布及表2結(jié)果，優(yōu)化方案明顯提升了風道循環(huán)效率。

優(yōu)化方案的裝FreshRoom抽屜與不裝FreshRoom抽屜的流場分布基本一致，從仿真結(jié)果可以判斷該風道可以解決原機溫度分布不一致的問題。

通過上述仿真分析，優(yōu)化方案在理論上有明顯改進。我們對優(yōu)化方案裝進行性能實驗測試，對比驗證優(yōu)化方案與原狀態(tài)的性能差異。

圖4 原型機機械風門不同檔位時箱內(nèi)流場

圖5 原型機無FreshRoom抽屜流場分布

圖6 原型機有FreshRoom抽屜流場分布

圖7 優(yōu)化冷藏風道結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 優(yōu)化方案整機流場分布

表1 原型機間室流量分布

表2 優(yōu)化方案間室流量對比

圖9 優(yōu)化方案無FreshRoom抽屜流場分布

圖10 優(yōu)化方案有FreshRoom抽屜流場分布

表3 間室溫度對比

表4 優(yōu)化前后耗電量對比

首先對優(yōu)化方案裝進行間室溫度對比，驗證FreshRoom抽屜對間室溫度的影響。從表3測試結(jié)果可以看出，F(xiàn)reshRoom抽屜對間室溫度基本無影響。

同時我們對優(yōu)化方案進行耗電量對比測試，表4為原機與優(yōu)化方案的耗電測試對比數(shù)據(jù)，表中優(yōu)化方案的耗電量有明顯降低。

上述實驗測試結(jié)果符合對原機的優(yōu)化預期，說明對上凍下藏冰箱風路系統(tǒng)的優(yōu)化是成功的。

4 結(jié)論

本文通過對上凍下藏冰箱風路系統(tǒng)的仿真優(yōu)化設計研究，解決了原機存在的性能問題。原機存在最大的問題在于冷藏間室的進回風風道短路，導致間室控溫一致性差，間室換熱效率低，通過對原機風道系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，解決進回風短路問題，間室控溫一致性有明顯提升，同時因間室換熱效率提升降低了冰箱能耗，提升了冰箱性能。