TMF冰箱寬幅變溫室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝從虎 劉洪挺 程 璨 李志強(qiáng) 藍(lán)啟航

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510860）

引言

隨著人們生活水平的提高，風(fēng)冷冰箱日漸受到消費(fèi)者的青睞。風(fēng)冷冰箱通過空氣強(qiáng)制對流的方式實(shí)現(xiàn)制冷功能，風(fēng)量分配依靠風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其分配均勻性影響著冰箱內(nèi)部溫度場的均勻性，進(jìn)而影響冰箱的耗電量及食品保鮮周期[1]。對單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱產(chǎn)品而言，蒸發(fā)器優(yōu)先放置在冷凍室內(nèi)，必須先保證冷凍風(fēng)道送風(fēng)合理才能有效提高冷藏室送風(fēng)效率，各間室的冷量分配也必須依靠冷凍風(fēng)道的設(shè)計(jì)來完成[2]。

對于市面主流的雙門單系統(tǒng)冰箱而言，冰箱通常只有一個冷藏室和一個冷凍室，如果能加大這兩個間室的溫度控制范圍并實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控溫，將大大增強(qiáng)用戶使用體驗(yàn)。目前，針對風(fēng)冷冰箱寬幅變溫的研究都集中在國內(nèi)市場的主流產(chǎn)品，即上藏下凍型冰箱[3,4]。而上凍下藏型冰箱主要為歐美、非洲等地的主流產(chǎn)品，對這類冰箱的研究偏少。隨著我國冰箱行業(yè)海外市場的迅速發(fā)展，這部分研究亟待完善。本文以TMF冰箱冷凍風(fēng)道為研究對象，對其應(yīng)用雙風(fēng)門設(shè)計(jì)，將風(fēng)腔分成兩路獨(dú)立的支流，并采用數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，通過優(yōu)化風(fēng)道內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化各出風(fēng)口風(fēng)量分配及方向，實(shí)現(xiàn)冷藏室、冷凍室寬幅變溫功能，更好地滿足用戶的多種使用需求。

1 冷凍風(fēng)道模型設(shè)計(jì)

本文研究對象為一款容積為422 L的上凍下藏型單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱。為了迅速從單系統(tǒng)改型成擁有寬幅變溫的冷凍室/冷藏室，需在冷凍風(fēng)道中引入電動風(fēng)門，將風(fēng)道內(nèi)風(fēng)腔分隔成兩路，一路直接對冷凍室進(jìn)行制冷，另一路去往冷藏室。

由于TMF冰箱冷凍室容積較小，風(fēng)道空間較為緊湊，在設(shè)計(jì)冷凍風(fēng)道時，需結(jié)合離心風(fēng)扇出風(fēng)特性，采用改進(jìn)后的離心風(fēng)扇蝸殼型線繪制方法[5]繪制風(fēng)扇附近的風(fēng)腔。參考熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，得出冷凍室/冷藏室的風(fēng)量分配需求大約為5∶5。結(jié)合冷凍風(fēng)道內(nèi)電動風(fēng)門的結(jié)構(gòu)特性，利用電機(jī)端的結(jié)構(gòu)凸起，調(diào)節(jié)去往冷凍室上端兩個出風(fēng)口的風(fēng)束通道面積，進(jìn)一步平衡冷凍室風(fēng)道上出風(fēng)口的風(fēng)量配比，得出原始設(shè)計(jì)方案A1，如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案A1

冷凍風(fēng)道組件分為前蓋板、后蓋板、風(fēng)機(jī)組件、冷凍電動風(fēng)門LDF及保溫棉五個部分。前蓋板上共有兩組主要出風(fēng)口，為箱內(nèi)提供冷氣，依次標(biāo)記為LDL、LDR。后蓋板上有一個排水孔，也會有少量冷氣漏出，但不參與箱內(nèi)制冷，標(biāo)記為LDP。蓋板底部有去往冷藏室的出風(fēng)口，標(biāo)記為LCF。

2 冷凍風(fēng)道速度場數(shù)值仿真及方案優(yōu)化

為更加準(zhǔn)確的對風(fēng)道內(nèi)空氣流動情況進(jìn)行模擬，本文對冷凍室風(fēng)道內(nèi)的離心風(fēng)扇運(yùn)用MRF模型進(jìn)行分析；采用RNG k-ε湍流模型以及可擴(kuò)展壁面函數(shù)；對連續(xù)性方程、動量方程等的求解采用SIMPLE算法。對原始方案A1進(jìn)行模型簡化，只保留參與計(jì)算的風(fēng)腔，以提高計(jì)算效率。

本文在原始方案基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化并做仿真分析對比。風(fēng)機(jī)按圖示視角逆時針旋轉(zhuǎn)。冷凍室出風(fēng)流量為經(jīng)過冷凍電動風(fēng)門的流量。冷藏室出風(fēng)流量為LCF。

方案A1、A2、A3仿真結(jié)果如圖2所示。模型頂部為電動風(fēng)門過風(fēng)口。依據(jù)離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)特性，風(fēng)扇中心不與風(fēng)門中心對齊。A1方案計(jì)算結(jié)果，冷凍/冷藏出風(fēng)流量比約為7∶3，偏離熱負(fù)荷計(jì)算要求。因此加大去往冷藏的最小風(fēng)口截面（增大58.3 %），同時調(diào)整電動風(fēng)門風(fēng)口與風(fēng)扇中心的相對位置，將風(fēng)門右移10 mm，得方案A2。A2的冷凍/冷藏出風(fēng)流量比約為6∶4。需進(jìn)一步加大去往冷藏室的最小風(fēng)口面積（增大29.5 %），得A3方案，此時冷凍/冷藏出風(fēng)流量比約為5∶5，滿足熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。

圖2 方案A的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

完成冷凍及冷藏室的風(fēng)量分配設(shè)計(jì)后，在A3方案頂部增加冷凍出風(fēng)風(fēng)腔及出風(fēng)口，得到方案B1。對冷凍室左右出風(fēng)情況分配進(jìn)行仿真研究，方案B1、B2、B3的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如表1所示。為便于比較冷凍室內(nèi)左右兩側(cè)風(fēng)量，將出風(fēng)風(fēng)量折算成百分比。

表1 方案B的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

由方案B1風(fēng)道內(nèi)流線分布可知，風(fēng)道左側(cè)流線整體密度明顯大于右側(cè)。對出風(fēng)面速度矢量圖進(jìn)行分析可知，LDL出風(fēng)口流動明顯且速度偏大，LDR出風(fēng)口處空氣流動偏少。左側(cè)出風(fēng)流量占比54.89 %，右側(cè)出風(fēng)流量占比45.11 %，左側(cè)的出風(fēng)流量較右側(cè)整體偏大9.78 %。因此在方案B1設(shè)計(jì)中，即使采用風(fēng)門電機(jī)來減小左側(cè)風(fēng)腔通道的面積，也不足以彌補(bǔ)離心風(fēng)扇出風(fēng)特性帶來的左右風(fēng)量不均問題，會存在左右兩側(cè)出風(fēng)流量不均，從而影響間室內(nèi)左右側(cè)溫度分布。

方案B2在方案B1的基礎(chǔ)上，改變風(fēng)腔左右兩端形狀，采用斜面導(dǎo)風(fēng)形式；在靠近LDL出風(fēng)口處增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，繼續(xù)減小左側(cè)風(fēng)腔通道面積，以平均兩側(cè)出風(fēng)量。由風(fēng)道內(nèi)流線分布可知，風(fēng)道左側(cè)流線密度較方案B1有較明顯的減少，右側(cè)流線密度增加明顯。由出風(fēng)面速度矢量圖可知，左側(cè)出風(fēng)口氣流橫向流動有所減弱，風(fēng)向較方案B1有所改善，更多的氣流正面吹向間室，有效參與制冷。但右側(cè)風(fēng)道右部出風(fēng)方向并無太大改善，吹向間室右側(cè)壁，無法有效參與箱內(nèi)制冷。左側(cè)出風(fēng)流量占比52.29 %，右側(cè)出風(fēng)流量占比47.71 %，左側(cè)的出風(fēng)流量仍然較右側(cè)整體偏大4.58 %。方案B2仍然存在左右兩側(cè)出風(fēng)流量不均的情況，但左側(cè)出風(fēng)方向較方案B1有明顯優(yōu)化。

方案B3在方案B2的基礎(chǔ)上，在風(fēng)腔頂部內(nèi)增加多處形狀各異的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步調(diào)整風(fēng)量分配，改善出風(fēng)方向。方案B3的風(fēng)道內(nèi)流線分布情況較方案B2，左右兩出風(fēng)口內(nèi)流線分配更為合理，密度相近。由出風(fēng)面速度矢量圖可知，左右兩側(cè)風(fēng)口的出風(fēng)方向較B2方案有明顯的改善，氣流方向基本向前，速度相近，冷氣能有效參與間室內(nèi)制冷。由出風(fēng)流量對比可知，左右兩側(cè)流量差值縮小至0.46 %。方案B3基本滿足設(shè)計(jì)需求。

3 優(yōu)化方案B3的循壞測試的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于B3方案風(fēng)道結(jié)構(gòu)，制作了風(fēng)道手板樣機(jī)以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。風(fēng)道裝配于冰箱整機(jī)上，進(jìn)行25 ℃環(huán)溫下空載循環(huán)測試。為驗(yàn)證左右兩側(cè)溫度均勻性，冷凍室內(nèi)測溫點(diǎn)均左右對稱放置。測溫點(diǎn)選取冷凍室內(nèi)F1-F9共計(jì)9個測溫點(diǎn)，分別位于箱內(nèi)左右側(cè)的上部、中部和下部，具體位置如圖3所示。測試結(jié)果如表2所示。

圖3 測點(diǎn)放置示意圖（W、D、H分別代表間室的寬、深、高）

表2 方案B3空載循環(huán)測試結(jié)果

表2中方案B3冷凍室測點(diǎn)F1-F9的均溫為-17.68 ℃，左右兩側(cè)溫差僅為0.18 ℃，風(fēng)道設(shè)計(jì)合理，可進(jìn)一步驗(yàn)證寬幅變溫效果。

在單風(fēng)道系統(tǒng)上增加冷凍風(fēng)門后，可增大冷凍室和冷藏室的調(diào)溫范圍，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。對此進(jìn)行循環(huán)測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示。冷凍室的調(diào)溫范圍可由單風(fēng)門產(chǎn)品常見的（-15～-24）℃擴(kuò)展為（8～-24）℃。冷藏室的調(diào)溫范圍也可由單風(fēng)門產(chǎn)品常見的（0～10）℃擴(kuò)展為（-12～10）℃，寬幅變溫功能得以實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品的功能性大為增強(qiáng)。

表3 方案B3空載循環(huán)測試結(jié)果

4 結(jié)論

上凍下藏式冰箱冷凍風(fēng)道結(jié)構(gòu)一般較為緊湊，采用通用型號的電動風(fēng)門將風(fēng)道中風(fēng)腔單獨(dú)隔離開來，形成冷藏室/冷凍室獨(dú)立風(fēng)路，對風(fēng)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)兩個間室獨(dú)立控溫及寬幅變溫的功能，結(jié)論如下：

1）參考熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，結(jié)合離心風(fēng)機(jī)的工作原理，借用蝸殼結(jié)構(gòu)，對冷藏室/冷凍室風(fēng)量進(jìn)行合理分配；利用電動風(fēng)門自身固有結(jié)構(gòu)對風(fēng)腔實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流，左右出風(fēng)風(fēng)腔面積采用不對稱設(shè)計(jì)并增加多個導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的形狀、位置進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷凍風(fēng)道左右出風(fēng)口風(fēng)量比例，并改變出風(fēng)口風(fēng)向，將徑向吹出的冷風(fēng)引導(dǎo)至直吹箱內(nèi)，以提高風(fēng)循環(huán)效率，進(jìn)一步加強(qiáng)溫度均勻性。

2）采用優(yōu)化后的風(fēng)道進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，冷凍室左右兩側(cè)的溫差僅為0.18 ℃，證明B3方案風(fēng)道設(shè)計(jì)合理。

3）通過對TMF單系統(tǒng)冰箱冷凍風(fēng)道的改造，實(shí)現(xiàn)冷藏室/冷凍室寬幅變溫功能。冷凍室溫度調(diào)節(jié)范圍可做到（-24～8）℃；冷藏室溫度調(diào)節(jié)范圍可做到（-12～10）℃。豐富了雙門冰箱溫度選擇范圍，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)效果。