分體式壁掛機PTC防凝露優化設計研究

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.長沙學院機電工程系 湖南長沙 410022）

分體式壁掛機PTC防凝露優化設計研究

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.長沙學院機電工程系 湖南長沙 410022）

分體壁掛式空調器運行過程中，電輔熱器（PTC）上表面會產生凝露水珠，嚴重時造成室內機出現吹水現象，存在安全隱患。本文通過數值分析和實驗，研究了我司PTC凝露問題較嚴重的某款壁掛機內流場分布。結果發現：蒸發器翅片與貫流風葉所夾三角形區域內空氣濕度、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氣流交匯區域，凝露容易產生；空氣流經蒸發器一些部位時除濕不完全，使得進入PTC區域的部分空氣濕度過大是導致PTC產生凝露的主要原因。最后通過大量流場分析和凝露實驗，設計了PTC的合理安裝位置，解決了PTC凝露問題。

分體式壁掛機；PTC；凝露；數值分析

本文針對我司收到的關于壁掛機室內機吹水現象的投訴，選擇了某款反饋凝露問題較嚴重的樣機進行了各工況的凝露實驗，在實驗中復現了此現象。實驗結果發現：室內機運行過程中，出風口偶爾有幾滴水珠甩出，并且風道內有水珠滴落的痕跡。剛開始一直認為吹出來的水珠是蒸發器上的凝露水在貫流風葉的吸拽下被甩出，但拆除PTC后吹水現象還是沒有根除。問題出現后馬上停機拆開蒸發器，發現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，而下表面只有細小霧狀水霧，如圖1。內機運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，此凝露現象很少被關注。

1 凝露機理

圖1 PTC表面凝露現象

圖2 數值分析模型

圖3 室內機原始壓力場分布

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

我司企業標準規定的凝露實驗工況為干球濕度27℃，濕球溫度24℃，該條件下的露點溫度為22.86℃。在制冷時，一般內管溫會降到20℃以下，因此流經蒸發器的空氣狀態為近似飽和濕空氣。由于流路分布存在不均勻性，以及經過蒸發器的空氣流速存在差異，從蒸發器不同位置出來的空氣溫濕度會有差異，而當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。當凝露水積聚到一定程度后，在重力作用下滴落，發生吹水現象。

2 貫流風機內流場數值分析

分體壁掛機為全封閉結構，PTC區域流場的參數難以測量。故通過數值仿真方法分析了貫流風機內流道PTC區域溫度場、速度場的分布。

2.1 數值分析模型與求解設置

貫流風機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]。貫流風機數值分析模型包括5部分：殼體、葉輪、蒸發器（含銅管）、阻尼塊以及PTC；其中PTC兩端是固定支架，中間是發熱體，支架與發熱體之間為流通區域，如圖2。

在模型前處理中，采用自適應性較好的非結構四面體單元劃分流體區域網格，并對葉輪處網格進行局部加密處理。在ansys-fluent中調整模型尺寸并光順網格后，網格質量可達到0.85，滿足計算要求。在數值計算中選用RNG k-ε湍流模型，采用標準壁面函數處理近壁面邊界層流動。開啟能量方程計算流場內的熱量轉換，初始環境溫度為室溫27℃，蒸發器內銅管的溫度為實驗中熱電偶實測值。貫流風機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。葉輪旋轉區域采用旋轉坐標系（MRF）處理，給定轉速為室內機高風檔額定轉速1200rpm。采用多孔介質處理蒸發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，各變量采用一階迎風格式離散，收斂精度為千分之一。迭代計算選用瞬態，設定時間步長ΔT為葉輪每轉一個葉片位置所需要的時間，步長因子為默認值20，計算時間為30s。

式中，n為葉輪轉速，Z為葉片數，Z=36。

2.2 結果分析

數值分析結果顯示在出口側葉輪靠近蝸舌的區域形成了偏心渦，如圖3。據貫流風機的工作特性，偏心渦的存在導致了空氣兩進兩出葉輪形成貫流，偏心渦先于貫流產生[4]。

圖4 室內機原始流場分布

圖5 PTC位置改變后流場分布

圖6 PTC位置改變前后進風口速度

圖7 冷媒管路及PTC表面溫度分布

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

冷媒流動管溫采用的是實驗實測值，且蒸發器銅管和翅片對流體的阻尼恒定。貫流風機工作時，空氣流經前側蒸發器速度較快，空氣與翅片和銅管熱交換不徹底，導致空氣進入到PTC區域內，溫度仍然很高；而從后側進入PTC區域的空氣，由于流速慢，與蒸發器熱交換均勻，溫度保持在較低的水平，溫度場分布如圖4(b)。

當相對濕度一定的情況下，干球溫度越高，露點溫度就越高。在實驗過程中發現PTC上表面（靠近前側）處于高溫區，因此當PTC溫度一定時，上表面更容易產生凝露水。對比實驗和數值分析發現，當氣流通過蒸發器時，與翅片和銅管發生熱交換，空氣溫度迅速降低到露點溫度以下，空氣中的水分以凝露水的形式被蒸發器過濾掉，含濕量降低。測量分析發現蒸發器前側進風速度明顯高于后側風速，流經蒸發器前側的空氣未與翅片和銅管進行充分換熱及除濕即進入到內部，含濕量較高；而蒸發器后側空氣因流速慢，流經蒸發器時得到了充分的除濕，進入內部后空氣含濕量較低。

由圖4可知，在PTC附近會發生冷熱風交匯，致使PTC上下兩側溫度分布不均，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上表面凝露現象非常嚴重。空氣經過蒸發器一些部位除濕不完全是導致PTC凝露產生的主要原因。

基于以上分析，在PTC安裝位置設計中，將PTC移動到了后側靠近葉輪處。在此范圍內空氣相對濕度較低，PTC上不易形成凝露，其流場分布如圖5。

數值分析表明PTC位置移動到右下角區域對貫流風機的流場影響有限。PTC安裝位置改變，進風口速度分布如圖5，原點坐標為貫流風機葉輪旋轉中心在進風口的投影。由圖可知進風口從前側到后側，風速先降低后升高，且下降的斜率大于上升的斜率，即進風口靠近前側風速明顯大于后側進風口速度；風速最低點對應于蒸發器上阻尼塊所在區域。對比圖6a、6b可知，PTC的位置改變對進風口的速度影響不大。

3 凝露實驗

在焓差實驗臺進行了凝露實驗，實驗工況為：常溫凝露27℃/24℃，濕度為78.5%；室外干球為27℃；風機轉速為1200r/min；實驗時間持續4h。

為了獲得分體機內溫度場的分布，在蒸發器管路進出口和每個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。實驗用樣機管路分布及測點溫度如圖7。

對比圖5和圖7可知，PTC區域實測溫度場和速度場分布與數值分析結果基本吻合。PTC靠近前側溫度為17.3℃，后側溫度為12.2℃，溫差達到了5℃。入口速度前側為2.5m/s，后側為1.41m/s；出風口速度為4.7m/s。

改變PTC的安裝位置后，重新進行凝露實驗。結果發現PTC凝露現象得到了較好的改善，PTC上下表面都無大滴凝露水珠產成，且風道內無水珠滴落，滿足分體式壁掛機對凝露的要求。同時，重新對樣機的電氣安全、性能以及噪聲等指標進行了測試，測試結果符合標準要求。

4 結論

在貫流風機偏心渦的吸拽作用下，蒸發器前側和后側進風速度不同，導致空氣流經蒸發器時除濕不均勻，靠近前側區域的溫度和相對濕度大于后側區域。PTC上表面位于高溫高濕區域，凝露嚴重；PTC下表面位于低溫低濕區域，只有微小的凝露水產生。空氣經過蒸發器除濕不充分，導致空氣濕度較大是PTC上表面凝露的主要原因；通過調整PTC的安裝位置，將PTC移動到濕度較低區域能夠有效防止PTC表面凝露的產生。

數值分析的速度場與溫度場與實測流場能夠較好的吻合，說明此設計方法的置信度相當高。將數值仿真方法運用到空調器產品設計及問題分析上，能夠大幅度縮短設計周期、節約設計成本，極具實用價值。

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

[2] 王春,宋欽勇,崔松林.分體空調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.空調室內機風道流場數值模擬優化及實驗研究[D]. 浙江大學, 2011.

[4] 游斌,吳克啟.貫流風機內部旋渦非定常演化的數值模擬[J]. 工程熱物理學報, 2004,(2):238-240.

[5] 王嘉冰,劉飛,劉敏,等.貫流風扇偏心渦非定常特性研究[J]. 工程熱物理學報, 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