大容積薄壁冰箱風道及箱體流場分析

張魁倉 黃海鴻 柯慶鏑 李乾坤 倪晨曦

1.長虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230061；2.合肥工業(yè)大學 安徽合肥 230009

1 引言

隨著房地產(chǎn)的發(fā)展和大量新房屋業(yè)主的產(chǎn)生，新型智能家居和白色家電的需求量越來越大。在冰箱消費升級中，不僅對智能控制提出了新的要求，容積率的升級需求也顯得尤為迫切。高容積率低占地面積冰箱近年來被用戶所推崇。針對市場需求及冰箱行業(yè)保溫技術(shù)發(fā)展，大容積率薄保溫層冰箱應(yīng)運而生。其采用的新型VIP板的保溫材料大大地減薄了冰箱的壁厚。其中保溫層分布設(shè)計、VIP板優(yōu)化設(shè)計、制冷系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件設(shè)計等都需要統(tǒng)籌考慮。

在國內(nèi)，對于冷藏和冷凍柜的風道頑疾如送冷量不均勻、門體漏熱、空氣擾流弱和冷氣下沉等，目前有大量研究人員針對風道設(shè)計和優(yōu)化進行研究[1-3]。設(shè)計人員往往根據(jù)風道功能劃分模塊，以模塊的流量特性阻力特征作為優(yōu)化設(shè)計依據(jù)[4]。

大容積薄壁冰箱的容積率大多已經(jīng)提升至50%以上。為了在現(xiàn)有技術(shù)上進一步提升，日本松下和日立等公司在進一步提升VIP板性能的同時，優(yōu)化了風道結(jié)構(gòu)，或采取頂置壓縮機的方式來提升容積率至60%。

為了提升國內(nèi)產(chǎn)品的競爭力，進一步提升產(chǎn)品的容積率。長虹美菱公司在箱體熱載荷仿真和風道仿真基礎(chǔ)上對箱體結(jié)構(gòu)提出了改進的要求[5-6]。本文基于某原型機設(shè)計了橫置蒸發(fā)器及其配套風道的新型結(jié)構(gòu)。通過CFD仿真商業(yè)軟件Star CCM+對橫置蒸發(fā)器冰箱進行仿真分析[5]，得到橫置蒸發(fā)器風道和箱體的內(nèi)部流場特性及演化規(guī)律。驗證了橫置蒸發(fā)器在大容積薄壁冰箱中的合理性應(yīng)用。

2 橫置蒸發(fā)器冰箱物理模型

本文研究對象為某型號大容積風冷冰箱，如圖1所示。該冰箱的制冷循環(huán)系統(tǒng)為單制冷循環(huán)系統(tǒng)。橫置蒸發(fā)器的蒸發(fā)室設(shè)置在冷凍室和冷藏室之間，采用離心風扇。

圖1 某大容積冰箱示意圖

本文基于熱負荷仿真[6]采用綜合提升容積的方案。對于某型蒸發(fā)器豎置的冰箱，采用將泡層減薄，制冷零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸進一步優(yōu)化，以及薄壁化風道的方法，改進成為橫置蒸發(fā)器大容積冰箱。配合VIP板的布置，將箱體兩側(cè)、背后以及門體中梁的泡層厚度進一步縮小。采用蛇形微通道的冷凝器，設(shè)計緊湊的壓縮機布置方案。蒸發(fā)室采用120 mm小尺寸離心風扇，并且將蒸發(fā)器頂置。此方法降低了泡層容積、風道容積和壓縮機容積，提升了冰箱有效容積64 L。

3 流場對比分析

3.1 橫置和豎置蒸發(fā)器冰箱模型

為了進一步分析流場，通過對原型機和優(yōu)化后的橫置蒸發(fā)器冰箱的箱體建模。如圖2所示，圖2a）和圖2b）分別表示理想狀態(tài)下，豎置和橫置蒸發(fā)器冰箱的箱體模型及其空氣流動方向。圖2a）的側(cè)視圖中，蒸發(fā)器豎置于冷藏室背面，經(jīng)過熱量交換后的空氣經(jīng)離心風扇進入冷凍風道，當風門打開時，部分空氣也會進入冷藏風道最終流進冷藏室。冷凍室回風從蒸發(fā)室底部進入，冷藏室回風從箱體背部進入蒸發(fā)室底部。圖2b）的側(cè)視圖中，蒸發(fā)器橫置于冷凍室頂部，經(jīng)過熱量交換后的空氣經(jīng)離心風扇進入冷凍風道，當風門打開時，部分空氣也會進入冷藏風道最終流進冷藏室。冷凍室回風位置位于冷藏室頂部，冷凍室回風口位于冷凍室頂部。

圖2 橫置和豎置蒸發(fā)器冰箱箱體及風道結(jié)構(gòu)圖

3.2 冰箱內(nèi)流場仿真計算

為了對冰箱內(nèi)流場進一步分析，本文給出該型號冰箱的計算模型的前提假設(shè)：

（1）冰箱內(nèi)部空氣為理想氣體；

（2）冰箱內(nèi)部空氣為定長不可壓縮氣體。

將橫置和豎置蒸發(fā)器的冰箱內(nèi)空氣流動循環(huán)的穩(wěn)定換熱狀態(tài)視為方針目標，采用Star CCM+商用仿真軟件，對區(qū)域進行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，計算采用多面體網(wǎng)格，并選用Realizablek-ε混合湍流計算模型。設(shè)置離心風扇風速為1560 r/min，不考慮換熱，分析風量分配以及各風道模塊設(shè)計的合理性。

為了排除網(wǎng)格的多少對仿真結(jié)果的影響，對橫置蒸發(fā)器冰箱整機空氣腔進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。采用三種加密程度不同方案的網(wǎng)格進行仿真計算，并以蒸發(fā)室流量與壓降為網(wǎng)格無關(guān)性檢驗參數(shù)，其結(jié)果如表1所示。從結(jié)果看出當網(wǎng)格加密到一定程度之后，計算結(jié)果對網(wǎng)格依賴性較小，為便于后期加入溫度場的瞬態(tài)計算，采用中等加密程度的網(wǎng)格大小。

表1 網(wǎng)格設(shè)置方法及其參數(shù)

經(jīng)過仿真計算10000步，兩種冰箱仿真的計算殘差值均小于10-4，且檢測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，認為計算已經(jīng)收斂。橫置和豎置蒸發(fā)器的冰箱冷藏和冷凍風道的進風口和回風口的風量數(shù)據(jù)如表2。相比豎置蒸發(fā)器冰箱風量參數(shù)，橫置蒸發(fā)器冰箱的冷藏風量較大，冷凍風量較小，總風量較小，但橫置蒸發(fā)器冰箱的風量左右分布更均勻。

表2 橫置冰箱和豎置冰箱的風量對比

圖3是橫置蒸發(fā)器冰箱速度跡線在箱體內(nèi)的分布圖。通過分析橫置蒸發(fā)器的仿真數(shù)據(jù)和流場跡線，發(fā)現(xiàn)：當采用橫置蒸發(fā)器時，左右兩側(cè)風道的送風型線和風速接近，分布均勻。冷藏風道的循環(huán)效率高，橫置蒸發(fā)器的設(shè)計方案有利于減小冷藏風道的風阻，消除回風短路問題，提升箱室內(nèi)部換熱效率。

圖3 橫置蒸發(fā)器冰箱速度流場分布圖

4 瞬態(tài)仿真流場和試驗數(shù)據(jù)分析

為了對橫置蒸發(fā)器的換熱性能[7]以及箱體的溫度均勻性進行全面評估，需要設(shè)定冰箱各個面的熱負荷以及表面溫度，通過瞬態(tài)仿真加以分析，并且通過試驗進行驗證。

為了分析橫置蒸發(fā)器冰箱的瞬態(tài)特性，測算出該冰箱流體域的箱體各壁面在32℃標準工況下的穩(wěn)定的換熱量。當冷藏制冷時，風速為1560 r/min，蒸發(fā)器表面溫度為-28℃。設(shè)置冷藏風門開啟的情況下，根據(jù)瞬態(tài)趨勢最終求得在25分鐘左右冷藏制冷停止，風門關(guān)閉，冷藏室平均溫度快速下降為3℃，冷凍室平均溫度逐漸上升為-17℃，圖4a）所示為冷藏制冷第10分鐘冷藏制冷的溫度跡線分布圖。當冷凍制冷時，風速為1880 r/min，蒸發(fā)器表面溫度為-25℃，根據(jù)瞬態(tài)趨勢最終求得在40分鐘左右冷凍制冷停止，冷藏室平均溫度快速下降為-19℃，圖4b）所示為冷藏制冷第10分鐘冷凍制冷的溫度跡線分布圖。圖4a）和圖4b）溫度均勻性體現(xiàn)了風道設(shè)計的合理性。

圖4 橫置蒸發(fā)器冰箱瞬態(tài)溫度場分布圖

為了進一步對橫置蒸發(fā)器的換熱效率進行驗證。在通過高溫高濕的可靠性試驗的同時，測試冰箱在不同環(huán)溫和濕度下的空氣側(cè)流場溫度，并且調(diào)整控制策略的相關(guān)參數(shù)以保證達到精確控溫的基本要求。當試驗數(shù)據(jù)周期性穩(wěn)定后，取出32℃標準工況下穩(wěn)定周期的相關(guān)數(shù)與仿真數(shù)據(jù)作對比。各箱室在制冷過程的溫度隨時間變化的試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。可知在32℃標準工況下制冷系統(tǒng)穩(wěn)定運行的周期中，1-2：壓縮機開啟時冷藏風門開啟；2—3：當冷藏室平均溫度達到臨界值3℃時，冷藏風門關(guān)閉，冷藏室溫度上升，冷凍室溫度下降；3—4：當冷凍室溫度達標時，壓縮機關(guān)閉直至下一次開啟完成一個周期。對比1-2過程冷藏室降溫階段和2-3過程冷凍制冷階段的仿真檢測溫度和實際檢測溫度如圖6a）和圖6b），發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)仿真溫度和實際溫度波動范圍和趨勢相近，誤差范圍在5%以內(nèi)。

圖5 標準工況下冰箱箱體內(nèi)溫度隨時間的變化

圖6 仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)對比

通過冷藏室冷凍室溫度性能試驗圖，可看出此橫置蒸發(fā)器冰箱的循環(huán)周期為80分鐘，其中壓縮機開啟時間達到70分鐘，關(guān)閉10分鐘，冷藏室制冷時間30分鐘，冷凍室制冷時間40分鐘。周期內(nèi)壓縮機開啟功率和停機時長均滿足要求。依據(jù)GB 12021.2-2015《家用電冰箱耗電量限定值及能效等級》的標準，測定樣機在試驗穩(wěn)定后測定的標準能效指數(shù)（ηε）為24.53%，小于25%，滿足一級能效標準。

5 結(jié)論

本文基于提升大容積薄壁冰箱的有效容積需要，設(shè)計了一種新型橫置蒸發(fā)器的風道結(jié)構(gòu)和制冷系統(tǒng)。本文探究得出以下結(jié)論：

（1）橫置蒸發(fā)器冰箱在保證精確控溫和穩(wěn)定運行的同時，將該原型冰箱的容積提升了64 L。

（2）通過橫置蒸發(fā)器的整機仿真發(fā)現(xiàn)無論是在冷藏制冷還是冷凍制冷過程中，風量分布是均勻的，周期也是固定不變的，維持穩(wěn)定運行。

（3）經(jīng)性能試驗驗證，冷藏制冷和冷凍制冷流場特性和瞬態(tài)溫度狀態(tài)與仿真吻合。因此該瞬態(tài)仿真模型和方法具有可行性。

（4）性能試驗驗證通過仿真分析設(shè)計的橫置蒸發(fā)器冰箱在滿足一級能效標準的前提下，冷藏室溫度下降較快，制冷量充足且壓縮機開機時長保持穩(wěn)定高效。