風(fēng)冷冰箱改善結(jié)霜不均的冷藏回風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)

芮群娜 許丹丹 楊洪濤 廖自敏

（惠而浦（中國(guó)）股份有限公司 珠海 231283）

引言

風(fēng)冷冰箱，尤其是單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱，蒸發(fā)器的結(jié)霜問題一直制約著其的發(fā)展。蒸發(fā)器的結(jié)霜是不可避免的，而如何降低結(jié)霜對(duì)冰箱的制冷效率和能耗的影響，對(duì)風(fēng)冷冰箱的發(fā)展和提高具有重要的意義。趙宇航[1]在產(chǎn)品測(cè)試中發(fā)現(xiàn)了某款單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜不勻的問題，他分析單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜不均勻是由于單系統(tǒng)冰箱冷凍冷藏兩個(gè)間室溫度、濕度相差很大，蒸發(fā)器霜大部分來自冷藏回風(fēng)中高濕的空氣，并通過建立某單系統(tǒng)對(duì)開門冰箱回風(fēng)模型，分析了回風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)冷藏回風(fēng)流動(dòng)的影響，試驗(yàn)驗(yàn)證了單系統(tǒng)冰箱中蒸發(fā)器結(jié)霜均勻性與冷藏回風(fēng)均勻性具有強(qiáng)相關(guān)性。本文以一款在產(chǎn)的單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱BCD-409為研究對(duì)象，通過仿真分析優(yōu)化冷藏回風(fēng)道結(jié)構(gòu)，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，再次驗(yàn)證了通過改善冷藏回風(fēng)道設(shè)計(jì)改善蒸發(fā)器結(jié)霜的有效性。

1 研究現(xiàn)狀

關(guān)于風(fēng)道的仿真分析，大多數(shù)學(xué)者都集中在研究冷藏室或者冷凍室的送風(fēng)風(fēng)道分析上，因其直接關(guān)系著間室的制冷效率，影響著能耗、降溫速度、儲(chǔ)藏溫度等制冷能力，而學(xué)者們對(duì)于冰箱回風(fēng)道的研究較少，其中李智強(qiáng)[2]通過試驗(yàn)對(duì)蒸發(fā)器的結(jié)霜分布、化霜加熱器的熱量分布進(jìn)行測(cè)試，了解其結(jié)霜和化霜現(xiàn)狀，且與現(xiàn)狀態(tài)的蒸發(fā)器結(jié)霜分布與化霜加熱器的熱量分布并不對(duì)應(yīng)，然后通過對(duì)冷藏回風(fēng)道進(jìn)行溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布仿真分析，得出現(xiàn)方案的回風(fēng)道流場(chǎng)和溫度度場(chǎng)分布并不均勻，以此對(duì)回風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化，通過增加導(dǎo)流片和回風(fēng)口出口截面積的方法（如圖1），來提高流場(chǎng)和溫場(chǎng)分布均勻性，最后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際化霜時(shí)間縮短了21 min，降低了化霜功耗。相同的，韓麗麗[3]通過仿真分析和測(cè)試相結(jié)合手段，改變回風(fēng)道的寬度，增加回風(fēng)與蒸發(fā)器的接觸面積，與加熱器熱量分布進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)出新的回風(fēng)道結(jié)構(gòu)，使化霜時(shí)各處化霜同時(shí)完成。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)使化霜時(shí)間縮短了28.6 %，化霜引起的冷凍室溫升降低了22.5 %。他們的研究成果為我們提高化霜效率、降低并行能耗提供了新思路，為風(fēng)冷冰箱的設(shè)計(jì)指明了新的方向。

圖1 回風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化案例

鑒于以上研究結(jié)果，考慮到由于回風(fēng)道結(jié)構(gòu)兩端均需要與冰箱箱體的箱膽進(jìn)行裝配，若變更其裝配尺寸，則需要涉及到冷藏和冷凍箱膽，甚至箱體發(fā)泡模具的變動(dòng)，成本較大，故本文從改動(dòng)較為經(jīng)濟(jì)的冷藏回風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，結(jié)合CAE仿真分析軟件，對(duì)冷藏回風(fēng)道進(jìn)行流體分析及優(yōu)化。

2 理論模型與計(jì)算模型

本文以一款單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱為研究對(duì)象，所涉及的回風(fēng)道結(jié)構(gòu)，主要包含了進(jìn)口、出口以及風(fēng)道內(nèi)部用于對(duì)風(fēng)進(jìn)行導(dǎo)流的導(dǎo)流片，其中入口為一個(gè)大的入口，安裝位置在對(duì)應(yīng)冷藏室背部右側(cè)靠下的回風(fēng)口處，出風(fēng)口為6個(gè)大小不均的出口，置于冷凍室貼近蒸發(fā)器底部的背部處，其中出口1對(duì)應(yīng)冰箱左側(cè)位置，出口6對(duì)應(yīng)并冰箱右側(cè)位置，根據(jù)實(shí)際三維模型簡(jiǎn)化后的物理模型如圖2所示。

圖2 冷藏回風(fēng)道模型

在建立數(shù)值模型時(shí)，需要滿足的控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

式中：

ρ—密度；

t —時(shí)間；

V—速度。

動(dòng)量守恒方程：

式中：

ρ—密度；

t —時(shí)間；

V—速度；

f—體積力；

p—壓力；

λ—膨脹粘性系數(shù)或稱第二粘性系數(shù)；

μ—?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)；

ε—變形率張量。

能量守恒定律：

式中：

ρ—密度；

e—內(nèi)能；

t —時(shí)間；

p—壓力；

k—熱傳導(dǎo)系數(shù)；

q—熱源項(xiàng)；

φ—耗散函數(shù)。

2.1 湍流模型的選擇

針對(duì)湍流模擬最常用的是k-ε雙方程模型，k-ε模型是針對(duì)湍流充分發(fā)展的湍流流動(dòng)來建立的， 本文的計(jì)算模型中，氣流為充分發(fā)展的高Re數(shù)湍流流動(dòng)，且包含有旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)、多孔介質(zhì)等流動(dòng)區(qū)域，因此本文在仿真分析中選用適用性更高的Realizable k-ε模型。

模擬計(jì)算選擇的是回風(fēng)道進(jìn)口設(shè)置為停滯的進(jìn)口邊界，出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界（P=1.01×105Pa），采用基于壓力的SIMPLE壓力—速度耦合求解算法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

考慮到冷藏回風(fēng)道的結(jié)構(gòu)為不規(guī)則形狀，其內(nèi)部含有多個(gè)導(dǎo)流片對(duì)回風(fēng)進(jìn)行導(dǎo)流作用，所以在進(jìn)行仿真時(shí)分別對(duì)有無導(dǎo)流片兩種情況先進(jìn)行模擬，用以對(duì)比導(dǎo)流片的作用效果，為后續(xù)的優(yōu)化提供方向。

2.2 邊界條件的測(cè)定

本文選用ANSYS仿真分析軟件進(jìn)行仿真分析，利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)冷藏回風(fēng)道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)網(wǎng)格的質(zhì)量調(diào)整網(wǎng)格的大小，對(duì)于需要關(guān)注的部位，可以通過適當(dāng)加密網(wǎng)格數(shù)量的方式來提高網(wǎng)格質(zhì)量，通過設(shè)定邊界條件并導(dǎo)入仿真軟件中的計(jì)算模型后進(jìn)行仿真計(jì)算，從而得出比較精確的仿真結(jié)果。

在冷藏回風(fēng)道邊界條件參數(shù)的風(fēng)量測(cè)試過程中，實(shí)際回風(fēng)口位置難以測(cè)量，若不考慮門封漏冷的情況，因冷藏送風(fēng)口與回風(fēng)口的風(fēng)量基本一致，故采取測(cè)量冷藏室送風(fēng)口的風(fēng)量，作為冷藏回風(fēng)道入口處風(fēng)量的參考數(shù)據(jù)，經(jīng)過測(cè)試后，得出入口處的風(fēng)量為40 m3/h。

2.3 仿真結(jié)果

從圖3和表1可以得出，靠近右側(cè)的出口4、出口5、出口6的風(fēng)量總和近似為左側(cè)出口1、出口2、出口3三個(gè)出口風(fēng)量總和的兩倍，風(fēng)量的分布也與前文的結(jié)霜試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果一致，可以證明回風(fēng)道的回風(fēng)不均是造成蒸發(fā)器結(jié)霜不均的重要原因。而取消導(dǎo)流片可以將風(fēng)道內(nèi)壓降從20.83 Pa降至13.07 Pa，說明導(dǎo)流片的設(shè)置會(huì)增加風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)阻，故在后面的優(yōu)化策略中可以考慮在滿足風(fēng)量分配均勻的前提下減少導(dǎo)流片的數(shù)量。

表1 取消導(dǎo)風(fēng)板與原方案冷藏回風(fēng)道仿真風(fēng)量分布

圖3 取消導(dǎo)流片與原方案冷藏回風(fēng)道仿真結(jié)果

3 冷藏回風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對(duì)冷藏回風(fēng)道的仿真分析，可以從以下兩個(gè)方面入手對(duì)冷藏回風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化：

1）風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流片數(shù)量的優(yōu)化。針對(duì)原方案的仿真分析結(jié)果，先通過簡(jiǎn)單優(yōu)化導(dǎo)流片的布局和數(shù)量，重點(diǎn)來降低冷藏回風(fēng)道出入口的壓降，從而提高回風(fēng)有效性。

2）風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在上一步的基礎(chǔ)上，通過仿真優(yōu)化軟件對(duì)冷藏回風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到降低壓降并提高各出口風(fēng)量均勻性的目標(biāo)。

3.1 仿真優(yōu)化工具選用

目前ANSYS提供了兩種優(yōu)化方案：

第一種是基于目標(biāo)變量的參數(shù)化優(yōu)化方案，典型操作就是在DM/SCDM中建立參數(shù)化結(jié)構(gòu)然后在Fluent/CFD中進(jìn)行分析，接下來聯(lián)合優(yōu)化工具Design exploration/Mesh morpher optimizer進(jìn)行響應(yīng)分析，得到最佳優(yōu)化點(diǎn)。

第二種就是應(yīng)用Fluent中所帶的伴隨矩陣模塊—Adjoint Solver，其優(yōu)化方案為非參數(shù)化優(yōu)化，直接優(yōu)化的求解可以得到目標(biāo)變量的敏感度情況，并依據(jù)目標(biāo)變量的設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，優(yōu)化后得到的網(wǎng)格文件可通過工程逆向得到相關(guān)幾何模型。

其中，第一種所涉及的參數(shù)化優(yōu)化方案，需要使用CAD、網(wǎng)格劃分工具在求解器已經(jīng)建立好仿真流程的前提下才能進(jìn)行，優(yōu)化后的變量?jī)H限于所定義的參數(shù)，而Adjoint Solver是一種高效智能流體優(yōu)化模塊，可以根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)值對(duì)風(fēng)道形狀進(jìn)行智能優(yōu)化，作為Fluent中的一個(gè)專用工具，能夠分析風(fēng)道中的敏感性數(shù)據(jù)，從而有針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化。

為了更好的完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文重點(diǎn)選用Adjoint Solver作為本課題的優(yōu)化工具。

3.2 冷藏回風(fēng)道優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)原方案的仿真分析結(jié)果，為了改善左右兩側(cè)風(fēng)量分布，第一步先借助仿真分析結(jié)果，對(duì)三維模型進(jìn)行局部調(diào)整來完成初步優(yōu)化。

首先將左側(cè)三個(gè)出口—出口1、出口2、出口3的尺寸與右側(cè)三個(gè)出口的出口大小尺寸進(jìn)行調(diào)整，增大左側(cè)的三個(gè)出口，減小右側(cè)的三個(gè)出口，經(jīng)過不同尺寸的調(diào)整后，得到一個(gè)優(yōu)化方案，其冷藏回風(fēng)道各出口的風(fēng)量分布如圖4所示。

圖4 方案1與原方案仿真結(jié)果對(duì)比

風(fēng)量分布如表2所示。

表2 風(fēng)量分布優(yōu)化對(duì)比

可以看出，經(jīng)過對(duì)風(fēng)道內(nèi)部導(dǎo)流板布置位置的優(yōu)化，原方案中出口1的風(fēng)量由0.002 074 kg/s提升到了0.003 487 kg/s，風(fēng)量增加了0.001 413 kg/s，優(yōu)化了68.144 %，出口2的風(fēng)量由0.001 430 kg/s提升到了0.002 315 kg/s，而通過改變導(dǎo)流片的布局，可以使壓降降低4.801 %，這說明導(dǎo)流片的位置和數(shù)量同樣影響著壓降，進(jìn)而影響風(fēng)量大小的分布情況。

根據(jù)上述結(jié)論，為使每個(gè)出風(fēng)口達(dá)到更加合理的風(fēng)量分配，并在原方案的基礎(chǔ)上使壓降得到優(yōu)化，提出在方案1的基礎(chǔ)上，減少導(dǎo)流片的數(shù)量，以及調(diào)整導(dǎo)流片的長(zhǎng)度尺寸和風(fēng)口大小的思路來進(jìn)行進(jìn)一步的仿真分析優(yōu)化。

優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，在方案1的基礎(chǔ)上，取消原有的導(dǎo)流片3和導(dǎo)流片5，并將導(dǎo)流片4的長(zhǎng)度減短，以達(dá)到降低壓降的目的。

圖5 方案1與方案2對(duì)比

由圖6和表3可以很明顯看出冷藏回風(fēng)道左側(cè)前兩個(gè)風(fēng)口的流量較方案1同樣位置有了很明顯的增大，風(fēng)道的整體壓降也得到了一定的改善，但是相應(yīng)的，由于少了導(dǎo)流片4的導(dǎo)流作用，第3出口的流量較低，但是與原方案相比較仍然有很大的改進(jìn)。

表3 優(yōu)化方案2各出口風(fēng)量分布

圖6 冷藏回風(fēng)道優(yōu)化方案2仿真結(jié)果

為了達(dá)到同時(shí)降低壓降以及優(yōu)化風(fēng)量分布的目的，接下來，本文采用結(jié)合基于Adjoint Solver的優(yōu)化方法對(duì)冷藏回風(fēng)道的內(nèi)部導(dǎo)流片進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，選取方案2作為基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)如表4所示。

表4 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

利用Adjoint Solver分別對(duì)導(dǎo)流片的尺寸、形狀再次優(yōu)化，得到方案3（如圖7）和方案4（如圖8）。共同的是方案3和方案4均將導(dǎo)流片的高度由等高度改為變高度，不同的是，方案3還更改了導(dǎo)流片與風(fēng)道上下蓋板的角度，由垂直改為不規(guī)則的彎曲形狀；而方案4改變了導(dǎo)流片的長(zhǎng)度和導(dǎo)流片導(dǎo)流的弧度。

圖7 冷藏回風(fēng)道優(yōu)化方案3

圖8 冷藏回風(fēng)道優(yōu)化方案4

優(yōu)化結(jié)果見表5所示，通過對(duì)比各個(gè)風(fēng)口的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及壓降，綜合考慮，方案4的效果更佳。

表5 方案3和方案4優(yōu)化結(jié)果

3.3 方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案4的實(shí)際效果，在標(biāo)準(zhǔn)能耗工況下，分別對(duì)結(jié)霜情況、化霜及恢復(fù)期耗電量增量、耗電量、蒸發(fā)器溫度變化、化霜所用時(shí)間幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果如下：

1）蒸發(fā)器左右兩側(cè)的結(jié)霜量較原方案更加均勻，如圖9所示。

圖9 改善前后蒸發(fā)器結(jié)霜對(duì)比

2）化霜過程中，所用化霜期時(shí)間縮短，蒸發(fā)器表面最高溫度降低，數(shù)據(jù)整理結(jié)果見表6。

另外，由表6所得數(shù)據(jù)可計(jì)算得出耗電量從769.7 Wh/d降低至756.9 Wh/d，降低了1.66 %。

表6 冷藏回風(fēng)道優(yōu)化方案前后數(shù)據(jù)對(duì)比

從以上測(cè)試結(jié)果可得，通過對(duì)冷藏回風(fēng)道導(dǎo)流片的優(yōu)化，可以對(duì)結(jié)霜的均勻性進(jìn)行改善，進(jìn)而縮短化霜時(shí)間，提高化霜效率，達(dá)到降低能耗的目的。

4 結(jié)論

本文通過仿真分析的手段對(duì)冷藏回風(fēng)道進(jìn)行流體仿真，對(duì)風(fēng)道內(nèi)部的風(fēng)量進(jìn)行分析并結(jié)合優(yōu)化軟件有針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化，最后通過試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析了改善前后兩個(gè)方案的結(jié)霜現(xiàn)象以及溫度和能耗數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，為改善蒸發(fā)器結(jié)霜的不均勻，提高化霜效率，降低耗電量提供了參考。