風冷冰箱改善結霜不均的冷藏回風道優化設計

芮群娜 許丹丹 楊洪濤 廖自敏

（惠而浦（中國）股份有限公司 珠海 231283）

引言

風冷冰箱，尤其是單系統風冷冰箱，蒸發器的結霜問題一直制約著其的發展。蒸發器的結霜是不可避免的，而如何降低結霜對冰箱的制冷效率和能耗的影響，對風冷冰箱的發展和提高具有重要的意義。趙宇航[1]在產品測試中發現了某款單系統風冷冰箱蒸發器結霜不勻的問題，他分析單系統風冷冰箱蒸發器結霜不均勻是由于單系統冰箱冷凍冷藏兩個間室溫度、濕度相差很大，蒸發器霜大部分來自冷藏回風中高濕的空氣，并通過建立某單系統對開門冰箱回風模型，分析了回風風道結構對冷藏回風流動的影響，試驗驗證了單系統冰箱中蒸發器結霜均勻性與冷藏回風均勻性具有強相關性。本文以一款在產的單系統風冷冰箱BCD-409為研究對象，通過仿真分析優化冷藏回風道結構，并結合試驗驗證，再次驗證了通過改善冷藏回風道設計改善蒸發器結霜的有效性。

1 研究現狀

關于風道的仿真分析，大多數學者都集中在研究冷藏室或者冷凍室的送風風道分析上，因其直接關系著間室的制冷效率，影響著能耗、降溫速度、儲藏溫度等制冷能力，而學者們對于冰箱回風道的研究較少，其中李智強[2]通過試驗對蒸發器的結霜分布、化霜加熱器的熱量分布進行測試，了解其結霜和化霜現狀，且與現狀態的蒸發器結霜分布與化霜加熱器的熱量分布并不對應，然后通過對冷藏回風道進行溫度場和流場分布仿真分析，得出現方案的回風道流場和溫度度場分布并不均勻，以此對回風道進行優化，通過增加導流片和回風口出口截面積的方法（如圖1），來提高流場和溫場分布均勻性，最后經試驗驗證，實際化霜時間縮短了21 min，降低了化霜功耗。相同的，韓麗麗[3]通過仿真分析和測試相結合手段，改變回風道的寬度，增加回風與蒸發器的接觸面積，與加熱器熱量分布進行對比，設計出新的回風道結構，使化霜時各處化霜同時完成。經試驗驗證，改進后的結構使化霜時間縮短了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，為風冷冰箱的設計指明了新的方向。

圖1 回風道結構優化案例

鑒于以上研究結果，考慮到由于回風道結構兩端均需要與冰箱箱體的箱膽進行裝配，若變更其裝配尺寸，則需要涉及到冷藏和冷凍箱膽，甚至箱體發泡模具的變動，成本較大，故本文從改動較為經濟的冷藏回風道內部結構入手，結合CAE仿真分析軟件，對冷藏回風道進行流體分析及優化。

2 理論模型與計算模型

本文以一款單系統風冷冰箱為研究對象，所涉及的回風道結構，主要包含了進口、出口以及風道內部用于對風進行導流的導流片，其中入口為一個大的入口，安裝位置在對應冷藏室背部右側靠下的回風口處，出風口為6個大小不均的出口，置于冷凍室貼近蒸發器底部的背部處，其中出口1對應冰箱左側位置，出口6對應并冰箱右側位置，根據實際三維模型簡化后的物理模型如圖2所示。

圖2 冷藏回風道模型

在建立數值模型時，需要滿足的控制方程如下：

質量守恒方程：

式中：

ρ—密度；

t —時間；

V—速度。

動量守恒方程：

式中：

ρ—密度；

t —時間；

V—速度；

f—體積力；

p—壓力；

λ—膨脹粘性系數或稱第二粘性系數；

μ—動力粘性系數；

ε—變形率張量。

能量守恒定律：

式中：

ρ—密度；

e—內能；

t —時間；

p—壓力；

k—熱傳導系數；

q—熱源項；

φ—耗散函數。

2.1 湍流模型的選擇

針對湍流模擬最常用的是k-ε雙方程模型，k-ε模型是針對湍流充分發展的湍流流動來建立的， 本文的計算模型中，氣流為充分發展的高Re數湍流流動，且包含有旋轉風機、多孔介質等流動區域，因此本文在仿真分析中選用適用性更高的Realizable k-ε模型。

模擬計算選擇的是回風道進口設置為停滯的進口邊界，出風口設置為壓力出口邊界（P=1.01×105Pa），采用基于壓力的SIMPLE壓力—速度耦合求解算法對流場進行計算。

考慮到冷藏回風道的結構為不規則形狀，其內部含有多個導流片對回風進行導流作用，所以在進行仿真時分別對有無導流片兩種情況先進行模擬，用以對比導流片的作用效果，為后續的優化提供方向。

2.2 邊界條件的測定

本文選用ANSYS仿真分析軟件進行仿真分析，利用結構化網格對冷藏回風道模型進行網格劃分，并根據網格的質量調整網格的大小，對于需要關注的部位，可以通過適當加密網格數量的方式來提高網格質量，通過設定邊界條件并導入仿真軟件中的計算模型后進行仿真計算，從而得出比較精確的仿真結果。

在冷藏回風道邊界條件參數的風量測試過程中，實際回風口位置難以測量，若不考慮門封漏冷的情況，因冷藏送風口與回風口的風量基本一致，故采取測量冷藏室送風口的風量，作為冷藏回風道入口處風量的參考數據，經過測試后，得出入口處的風量為40 m3/h。

2.3 仿真結果

從圖3和表1可以得出，靠近右側的出口4、出口5、出口6的風量總和近似為左側出口1、出口2、出口3三個出口風量總和的兩倍，風量的分布也與前文的結霜試驗驗證的結果一致，可以證明回風道的回風不均是造成蒸發器結霜不均的重要原因。而取消導流片可以將風道內壓降從20.83 Pa降至13.07 Pa，說明導流片的設置會增加風道內的風阻，故在后面的優化策略中可以考慮在滿足風量分配均勻的前提下減少導流片的數量。

表1 取消導風板與原方案冷藏回風道仿真風量分布

圖3 取消導流片與原方案冷藏回風道仿真結果

3 冷藏回風道結構優化

通過對冷藏回風道的仿真分析，可以從以下兩個方面入手對冷藏回風道進行優化：

1）風道內部導流片數量的優化。針對原方案的仿真分析結果，先通過簡單優化導流片的布局和數量，重點來降低冷藏回風道出入口的壓降，從而提高回風有效性。

2）風道內部導流片結構的優化。在上一步的基礎上，通過仿真優化軟件對冷藏回風道內部導流片結構設計進行優化，達到降低壓降并提高各出口風量均勻性的目標。

3.1 仿真優化工具選用

目前ANSYS提供了兩種優化方案：

第一種是基于目標變量的參數化優化方案，典型操作就是在DM/SCDM中建立參數化結構然后在Fluent/CFD中進行分析，接下來聯合優化工具Design exploration/Mesh morpher optimizer進行響應分析，得到最佳優化點。

第二種就是應用Fluent中所帶的伴隨矩陣模塊—Adjoint Solver，其優化方案為非參數化優化，直接優化的求解可以得到目標變量的敏感度情況，并依據目標變量的設計進行相關優化，優化后得到的網格文件可通過工程逆向得到相關幾何模型。

其中，第一種所涉及的參數化優化方案，需要使用CAD、網格劃分工具在求解器已經建立好仿真流程的前提下才能進行，優化后的變量僅限于所定義的參數，而Adjoint Solver是一種高效智能流體優化模塊，可以根據設定的優化目標值對風道形狀進行智能優化，作為Fluent中的一個專用工具，能夠分析風道中的敏感性數據，從而有針對性的進行優化。

為了更好的完成優化設計，本文重點選用Adjoint Solver作為本課題的優化工具。

3.2 冷藏回風道優化結果

根據原方案的仿真分析結果，為了改善左右兩側風量分布，第一步先借助仿真分析結果，對三維模型進行局部調整來完成初步優化。

首先將左側三個出口—出口1、出口2、出口3的尺寸與右側三個出口的出口大小尺寸進行調整，增大左側的三個出口，減小右側的三個出口，經過不同尺寸的調整后，得到一個優化方案，其冷藏回風道各出口的風量分布如圖4所示。

圖4 方案1與原方案仿真結果對比

風量分布如表2所示。

表2 風量分布優化對比

可以看出，經過對風道內部導流板布置位置的優化，原方案中出口1的風量由0.002 074 kg/s提升到了0.003 487 kg/s，風量增加了0.001 413 kg/s，優化了68.144 %，出口2的風量由0.001 430 kg/s提升到了0.002 315 kg/s，而通過改變導流片的布局，可以使壓降降低4.801 %，這說明導流片的位置和數量同樣影響著壓降，進而影響風量大小的分布情況。

根據上述結論，為使每個出風口達到更加合理的風量分配，并在原方案的基礎上使壓降得到優化，提出在方案1的基礎上，減少導流片的數量，以及調整導流片的長度尺寸和風口大小的思路來進行進一步的仿真分析優化。

優化結果如圖5所示，在方案1的基礎上，取消原有的導流片3和導流片5，并將導流片4的長度減短，以達到降低壓降的目的。

圖5 方案1與方案2對比

由圖6和表3可以很明顯看出冷藏回風道左側前兩個風口的流量較方案1同樣位置有了很明顯的增大，風道的整體壓降也得到了一定的改善，但是相應的，由于少了導流片4的導流作用，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。

表3 優化方案2各出口風量分布

圖6 冷藏回風道優化方案2仿真結果

為了達到同時降低壓降以及優化風量分布的目的，接下來，本文采用結合基于Adjoint Solver的優化方法對冷藏回風道的內部導流片進行優化。考慮到計算量和計算時間，選取方案2作為基準進行優化，優化目標如表4所示。

表4 優化設計目標

利用Adjoint Solver分別對導流片的尺寸、形狀再次優化，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還更改了導流片與風道上下蓋板的角度，由垂直改為不規則的彎曲形狀；而方案4改變了導流片的長度和導流片導流的弧度。

圖7 冷藏回風道優化方案3

圖8 冷藏回風道優化方案4

優化結果見表5所示，通過對比各個風口的標準偏差以及壓降，綜合考慮，方案4的效果更佳。

表5 方案3和方案4優化結果

3.3 方案驗證

為驗證方案4的實際效果，在標準能耗工況下，分別對結霜情況、化霜及恢復期耗電量增量、耗電量、蒸發器溫度變化、化霜所用時間幾個參數進行比較，測試結果如下：

1）蒸發器左右兩側的結霜量較原方案更加均勻，如圖9所示。

圖9 改善前后蒸發器結霜對比

2）化霜過程中，所用化霜期時間縮短，蒸發器表面最高溫度降低，數據整理結果見表6。

另外，由表6所得數據可計算得出耗電量從769.7 Wh/d降低至756.9 Wh/d，降低了1.66 %。

表6 冷藏回風道優化方案前后數據對比

從以上測試結果可得，通過對冷藏回風道導流片的優化，可以對結霜的均勻性進行改善，進而縮短化霜時間，提高化霜效率，達到降低能耗的目的。

4 結論

本文通過仿真分析的手段對冷藏回風道進行流體仿真，對風道內部的風量進行分析并結合優化軟件有針對性的進行優化，最后通過試驗測試，對比分析了改善前后兩個方案的結霜現象以及溫度和能耗數據，驗證了優化方案的有效性，為改善蒸發器結霜的不均勻，提高化霜效率，降低耗電量提供了參考。