分體式壁掛機(jī)PTC防凝露優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李彬左雙全卜康太方宗元劉貴豐鄭澤宏唐勇

（1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；2.長沙學(xué)院機(jī)電工程系 湖南長沙 410022）

分體式壁掛機(jī)PTC防凝露優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李彬1左雙全1卜康太1方宗元1劉貴豐1鄭澤宏1唐勇2

（1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；2.長沙學(xué)院機(jī)電工程系 湖南長沙 410022）

分體壁掛式空調(diào)器運(yùn)行過程中，電輔熱器（PTC）上表面會產(chǎn)生凝露水珠，嚴(yán)重時造成室內(nèi)機(jī)出現(xiàn)吹水現(xiàn)象，存在安全隱患。本文通過數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)，研究了我司PTC凝露問題較嚴(yán)重的某款壁掛機(jī)內(nèi)流場分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蒸發(fā)器翅片與貫流風(fēng)葉所夾三角形區(qū)域內(nèi)空氣濕度、流速和溫度分布不均，而目前PTC的安裝位置剛好處于不同狀態(tài)氣流交匯區(qū)域，凝露容易產(chǎn)生；空氣流經(jīng)蒸發(fā)器一些部位時除濕不完全，使得進(jìn)入PTC區(qū)域的部分空氣濕度過大是導(dǎo)致PTC產(chǎn)生凝露的主要原因。最后通過大量流場分析和凝露實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了PTC的合理安裝位置，解決了PTC凝露問題。

分體式壁掛機(jī)；PTC；凝露；數(shù)值分析

本文針對我司收到的關(guān)于壁掛機(jī)室內(nèi)機(jī)吹水現(xiàn)象的投訴，選擇了某款反饋凝露問題較嚴(yán)重的樣機(jī)進(jìn)行了各工況的凝露實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)了此現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：室內(nèi)機(jī)運(yùn)行過程中，出風(fēng)口偶爾有幾滴水珠甩出，并且風(fēng)道內(nèi)有水珠滴落的痕跡。剛開始一直認(rèn)為吹出來的水珠是蒸發(fā)器上的凝露水在貫流風(fēng)葉的吸拽下被甩出，但拆除PTC后吹水現(xiàn)象還是沒有根除。問題出現(xiàn)后馬上停機(jī)拆開蒸發(fā)器，發(fā)現(xiàn)PTC的上表面分布有大量黃豆大小狀水珠，并且有滴落的趨勢，而下表面只有細(xì)小霧狀水霧，如圖1。內(nèi)機(jī)運(yùn)行中甩出來的水是由PTC上凝露水珠滴落形成。由于PTC安裝位置隱蔽，此凝露現(xiàn)象很少被關(guān)注。

1 凝露機(jī)理

圖1 PTC表面凝露現(xiàn)象

圖2 數(shù)值分析模型

圖3 室內(nèi)機(jī)原始壓力場分布

當(dāng)某一狀態(tài)的非飽和濕空氣溫度降至露點(diǎn)溫度以下時（含露點(diǎn)溫度），濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，其所含多余水分析出成水珠，即凝露現(xiàn)象。濕空氣被冷卻或與冷表面接觸，溫度達(dá)到露點(diǎn)都會形成凝露[1,2]。空氣中都含有一定量的水分，常溫下沒有達(dá)到其露點(diǎn)溫度，因此不會析出凝露水。

我司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的凝露實(shí)驗(yàn)工況為干球濕度27℃，濕球溫度24℃，該條件下的露點(diǎn)溫度為22.86℃。在制冷時，一般內(nèi)管溫會降到20℃以下，因此流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣狀態(tài)為近似飽和濕空氣。由于流路分布存在不均勻性，以及經(jīng)過蒸發(fā)器的空氣流速存在差異，從蒸發(fā)器不同位置出來的空氣溫濕度會有差異，而當(dāng)高溫飽和濕空氣遇到低溫飽和濕空氣時，混合空氣容易飽和析出凝露水，目前PTC的安裝位置剛好在此交界處，冷凝水較易在PTC上形成。當(dāng)凝露水積聚到一定程度后，在重力作用下滴落，發(fā)生吹水現(xiàn)象。

2 貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)流場數(shù)值分析

分體壁掛機(jī)為全封閉結(jié)構(gòu)，PTC區(qū)域流場的參數(shù)難以測量。故通過數(shù)值仿真方法分析了貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)流道PTC區(qū)域溫度場、速度場的分布。

2.1 數(shù)值分析模型與求解設(shè)置

貫流風(fēng)機(jī)流場沿葉輪軸向一致性較好，且沿軸線方向的流動對整個流場的影響較小，故可將三維流動簡化為二維流動來處理[3]。貫流風(fēng)機(jī)數(shù)值分析模型包括5部分：殼體、葉輪、蒸發(fā)器（含銅管）、阻尼塊以及PTC；其中PTC兩端是固定支架，中間是發(fā)熱體，支架與發(fā)熱體之間為流通區(qū)域，如圖2。

在模型前處理中，采用自適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)四面體單元劃分流體區(qū)域網(wǎng)格，并對葉輪處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。在ansys-fluent中調(diào)整模型尺寸并光順網(wǎng)格后，網(wǎng)格質(zhì)量可達(dá)到0.85，滿足計(jì)算要求。在數(shù)值計(jì)算中選用RNG k-ε湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面邊界層流動。開啟能量方程計(jì)算流場內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)換，初始環(huán)境溫度為室溫27℃，蒸發(fā)器內(nèi)銅管的溫度為實(shí)驗(yàn)中熱電偶實(shí)測值。貫流風(fēng)機(jī)葉輪和蝸殼采用的是ABS材料，新增其材料屬性；并在材料庫中添加冷媒流動載體銅管的材料屬性。葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（MRF）處理，給定轉(zhuǎn)速為室內(nèi)機(jī)高風(fēng)檔額定轉(zhuǎn)速1200rpm。采用多孔介質(zhì)處理蒸發(fā)器翅片對流速及壓降的影響。采用SIMPLE算法求解壓力和速度的耦合；因引入流多孔介質(zhì)，各變量采用一階迎風(fēng)格式離散，收斂精度為千分之一。迭代計(jì)算選用瞬態(tài)，設(shè)定時間步長ΔT為葉輪每轉(zhuǎn)一個葉片位置所需要的時間，步長因子為默認(rèn)值20，計(jì)算時間為30s。

式中，n為葉輪轉(zhuǎn)速，Z為葉片數(shù)，Z=36。

2.2 結(jié)果分析

數(shù)值分析結(jié)果顯示在出口側(cè)葉輪靠近蝸舌的區(qū)域形成了偏心渦，如圖3。據(jù)貫流風(fēng)機(jī)的工作特性，偏心渦的存在導(dǎo)致了空氣兩進(jìn)兩出葉輪形成貫流，偏心渦先于貫流產(chǎn)生[4]。

圖4 室內(nèi)機(jī)原始流場分布

圖5 PTC位置改變后流場分布

圖6 PTC位置改變前后進(jìn)風(fēng)口速度

圖7 冷媒管路及PTC表面溫度分布

在偏心渦的吸拽作用下，氣流進(jìn)入葉輪區(qū)域的速度不均勻，前面板側(cè)（簡稱前側(cè)）靠近蝸舌處空氣流速較快；后面板靠近蝸殼側(cè)（簡稱后側(cè)）空氣流速較慢，如圖4(a)，這也驗(yàn)證了文獻(xiàn)[5]中所述貫流風(fēng)機(jī)的工作特性。

冷媒流動管溫采用的是實(shí)驗(yàn)實(shí)測值，且蒸發(fā)器銅管和翅片對流體的阻尼恒定。貫流風(fēng)機(jī)工作時，空氣流經(jīng)前側(cè)蒸發(fā)器速度較快，空氣與翅片和銅管熱交換不徹底，導(dǎo)致空氣進(jìn)入到PTC區(qū)域內(nèi)，溫度仍然很高；而從后側(cè)進(jìn)入PTC區(qū)域的空氣，由于流速慢，與蒸發(fā)器熱交換均勻，溫度保持在較低的水平，溫度場分布如圖4(b)。

當(dāng)相對濕度一定的情況下，干球溫度越高，露點(diǎn)溫度就越高。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)PTC上表面（靠近前側(cè)）處于高溫區(qū)，因此當(dāng)PTC溫度一定時，上表面更容易產(chǎn)生凝露水。對比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流通過蒸發(fā)器時，與翅片和銅管發(fā)生熱交換，空氣溫度迅速降低到露點(diǎn)溫度以下，空氣中的水分以凝露水的形式被蒸發(fā)器過濾掉，含濕量降低。測量分析發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器前側(cè)進(jìn)風(fēng)速度明顯高于后側(cè)風(fēng)速，流經(jīng)蒸發(fā)器前側(cè)的空氣未與翅片和銅管進(jìn)行充分換熱及除濕即進(jìn)入到內(nèi)部，含濕量較高；而蒸發(fā)器后側(cè)空氣因流速慢，流經(jīng)蒸發(fā)器時得到了充分的除濕，進(jìn)入內(nèi)部后空氣含濕量較低。

由圖4可知，在PTC附近會發(fā)生冷熱風(fēng)交匯，致使PTC上下兩側(cè)溫度分布不均，且含濕量較高的熱空氣遇到含濕量相對較低的冷空氣，熱空氣被冷卻極易形成凝露水，而PTC為凝露水提供了附著地方，故在PTC上表面凝露現(xiàn)象非常嚴(yán)重。空氣經(jīng)過蒸發(fā)器一些部位除濕不完全是導(dǎo)致PTC凝露產(chǎn)生的主要原因。

基于以上分析，在PTC安裝位置設(shè)計(jì)中，將PTC移動到了后側(cè)靠近葉輪處。在此范圍內(nèi)空氣相對濕度較低，PTC上不易形成凝露，其流場分布如圖5。

數(shù)值分析表明PTC位置移動到右下角區(qū)域?qū)ω灹黠L(fēng)機(jī)的流場影響有限。PTC安裝位置改變，進(jìn)風(fēng)口速度分布如圖5，原點(diǎn)坐標(biāo)為貫流風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)中心在進(jìn)風(fēng)口的投影。由圖可知進(jìn)風(fēng)口從前側(cè)到后側(cè)，風(fēng)速先降低后升高，且下降的斜率大于上升的斜率，即進(jìn)風(fēng)口靠近前側(cè)風(fēng)速明顯大于后側(cè)進(jìn)風(fēng)口速度；風(fēng)速最低點(diǎn)對應(yīng)于蒸發(fā)器上阻尼塊所在區(qū)域。對比圖6a、6b可知，PTC的位置改變對進(jìn)風(fēng)口的速度影響不大。

3 凝露實(shí)驗(yàn)

在焓差實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行了凝露實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況為：常溫凝露27℃/24℃，濕度為78.5%；室外干球?yàn)?7℃；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200r/min；實(shí)驗(yàn)時間持續(xù)4h。

為了獲得分體機(jī)內(nèi)溫度場的分布，在蒸發(fā)器管路進(jìn)出口和每個U彎位置都布置有熱電偶；并且為了得到PTC附近溫度的分布，在PTC表面及附近空間都布置有熱電偶。實(shí)驗(yàn)用樣機(jī)管路分布及測點(diǎn)溫度如圖7。

對比圖5和圖7可知，PTC區(qū)域?qū)崪y溫度場和速度場分布與數(shù)值分析結(jié)果基本吻合。PTC靠近前側(cè)溫度為17.3℃，后側(cè)溫度為12.2℃，溫差達(dá)到了5℃。入口速度前側(cè)為2.5m/s，后側(cè)為1.41m/s；出風(fēng)口速度為4.7m/s。

改變PTC的安裝位置后，重新進(jìn)行凝露實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)PTC凝露現(xiàn)象得到了較好的改善，PTC上下表面都無大滴凝露水珠產(chǎn)成，且風(fēng)道內(nèi)無水珠滴落，滿足分體式壁掛機(jī)對凝露的要求。同時，重新對樣機(jī)的電氣安全、性能以及噪聲等指標(biāo)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

在貫流風(fēng)機(jī)偏心渦的吸拽作用下，蒸發(fā)器前側(cè)和后側(cè)進(jìn)風(fēng)速度不同，導(dǎo)致空氣流經(jīng)蒸發(fā)器時除濕不均勻，靠近前側(cè)區(qū)域的溫度和相對濕度大于后側(cè)區(qū)域。PTC上表面位于高溫高濕區(qū)域，凝露嚴(yán)重；PTC下表面位于低溫低濕區(qū)域，只有微小的凝露水產(chǎn)生。空氣經(jīng)過蒸發(fā)器除濕不充分，導(dǎo)致空氣濕度較大是PTC上表面凝露的主要原因；通過調(diào)整PTC的安裝位置，將PTC移動到濕度較低區(qū)域能夠有效防止PTC表面凝露的產(chǎn)生。

數(shù)值分析的速度場與溫度場與實(shí)測流場能夠較好的吻合，說明此設(shè)計(jì)方法的置信度相當(dāng)高。將數(shù)值仿真方法運(yùn)用到空調(diào)器產(chǎn)品設(shè)計(jì)及問題分析上，能夠大幅度縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約設(shè)計(jì)成本，極具實(shí)用價值。

[1] 譚成斌.送風(fēng)量對空調(diào)器凝露影響的試驗(yàn)分析[J]. 家電科技, 2014,(8):44-46.

[2] 王春,宋欽勇,崔松林.分體空調(diào)器衡量與改善凝露性能的方法研究[J]. 家電科技, 2011,(4):76-79.

[3] 伍禮兵.空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道流場數(shù)值模擬優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 浙江大學(xué), 2011.

[4] 游斌,吳克啟.貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部旋渦非定常演化的數(shù)值模擬[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2004,(2):238-240.

[5] 王嘉冰,劉飛,劉敏,等.貫流風(fēng)扇偏心渦非定常特性研究[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2008,(7):1141-1143.

Optimization design to prevent condensing on PTC of split air conditioner

LI Bin1ZUO Shuangquan1BU Kangtai1FANG Zongyuan1LIU Guifeng1ZHENG Zehong1TANG Yong2
(1.Gree Electric Appliances Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070；2.Department of Mechanical & Electrical Engineering, Changsha University Changsha 410022)

There are security risks that vapor condensates on the Positive Temperature Coefficient (PTC) heater during air conditioner working. In this paper, numerical analysis and experiment have been conducted to study the flow field distribution within the air conditioner with severe condensation. The results showed that: the air humidity, temperature and velocity unevenly distributed on the PTC location surrounded by the evaporator fins and tubular blades, which leads to condensation easy to generate. The air is much wet in PTC area for dehumidification incomplete when flowing through the evaporator. This is the main reason that PTC generates condensation. Finally, the reasonable installation location of PTC has been designed to solve the condensation problem by a large number of numerical analysis and experiments.

Split air conditioner; PTC; Condensation; Numerical analysis