風冷冰箱壁面傳熱對冰箱效率提升的研究

羅 雷 崔培培 鄧萍萍 余 濤

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

節能是冰箱制冷行業內永恒不變的主題。近年來，風冷無霜冰箱因其具有自動化霜，使用方便等特點，越來越受消費者青睞，對于風冷無霜冰箱冰箱，其節能技術亦從多個方向進行優化，如變頻優化控制技術、風道CFD仿真優化技術、換熱器效率提效、真空絕熱板和聚氨酯保溫技術等。

Tao and Sun[1]對冰箱的流場和箱體負荷模擬研究表明，通過仿真模擬流場和箱體負荷，可以對冰箱間室內的氣流和溫度分布設計進行優化。因此，研究者對無霜冰箱間室內流動和傳熱的進行多種探索。Yang[2]利用數值模擬的方法研究冰箱頂部安裝風道對其性能影響，結果顯示風道布局設計對間室溫度分布起到重要作用。Bayer[3]利用降溫模型研究冰箱單個溫度間室流動和溫度分布，模型中考慮恒定壁溫和輻射效應，結果表明單個間室溫度分布不受輻射影響。此后一些研究者通過實驗和數值模擬的方法研究了家用冰箱間室內流動和傳熱，但主要集中在間室溫度分布、流場分布優化改進[4-6]，冰箱制冷風道系統效率優化研究[7]，單獨研究保溫層優化分布[8]，冰箱蒸發器換熱效率提升等[9]，沒有綜合研究制冷、風道和保溫三者相互耦合的對節能效果研究的相關報道。

本文利用計算流體力學軟件FloEFD對風冷冰箱整機建立保溫、制冷和風道系統穩定傳熱溫度場仿真模型，分析不同出風風速對整機效率提升效果。

1 數值模擬

1.1 仿真模型

選取公司一款十字對開四門冰箱，容積490 L，具有三個間室，如圖1。為建立冰箱整機仿真模型，對冰箱數值模型的模擬作如下假設：

圖1 十字對開門冰箱實圖

1）箱內外流體為穩態不可壓縮流體；

2）考慮重力對流動的影響；

3）內部流動為湍流；

4）流體為干燥空氣。

根據上述假設，空氣的三維湍流連續體、動量和能量轉換方程為:

式中：

Ui— i 方向的速度；

ρa—空氣密度；

P—壓力；

μ—動力粘度；

ui′—i方向的波動速度；

gi=(0, 0, g)—重力加速度；

βa—空氣的熱膨脹系數；

T— 溫度；

T∞—參考溫度；

c(p,a)—空氣比熱容；

ka—空氣熱導率。

對于固體，能量轉換方程為：

式中：

ks—為固體的熱導率。

1.2 幾何物理模型

考慮冰箱壁面傳熱、風道和制冷系統影響，對冰箱穩定運行物理結構模型進行簡化，如圖2（a）和2（b），分別對冰箱外部流場和內部流場進行簡化。外部流場以實驗環境為基礎，按GB 12021.2-2015耗電量測試規定，輸入外部環境溫度32 ℃、風速小于0.25 m/s，建立仿真環境參數流入和流出口。內部流場，如圖2（a）按實際風道和蒸發器簡化，根據實驗多次修正獲得與實驗相近的出風速度，以符合內部流場對壁面傳熱影響。

圖2 幾何模型

冰箱仿真各物性參數按表1所列。

表1 冰箱仿真各物性參數

2 仿真結果分析

本文利用仿真工具，建立基于制冷、風道和保溫箱體模型，建立冰箱溫度場仿真模型，多方面研究分析冰箱性能表現。

如圖3，冷藏門體速度、熱通量和溫度分布，從門體溫度場仿真可知，冷藏間室內壁面速度場影響冰箱保溫層內壁面熱通量分布，最終影響箱內冰箱壁面溫度分布。

圖3 冷藏門體速度、熱通量和溫度分布

近壁面風速除影響箱內壁面溫度外，對冰箱綜合性能影響方向如何，本文通過調整風道空氣流量，本文風扇電機采用PWM占峰比控制調節其轉速變換，通過改變風扇運行轉速改變風冷風道空氣流量，從而控制風循環達到箱體內壁面速度。

如圖4，兩種風速情況下風速變化對間室溫度影響， 圖4（a），（b）當風扇轉速從1 400 rpm提升至1 870 rpm后，其冷藏內部平均溫度從4.78 ℃升至5.15 ℃，間室溫度明顯上升。如圖5（a），（b）當風扇轉速從1 400 rpm提升至1 870 rpm后，近壁面風速增加，熱流密度7.647 W/m2升至8.042 W/m2， 漏熱量從3.017 W升至 3. 172 W。表明風速增加，內壁面換熱增強，內壁面的熱流密度及換熱量升高，壁面漏熱量增大，不利于冰箱保溫，對冰箱性能不利。

圖4 風速變化對間室溫度影響

圖5 風速變化對壁面傳熱量影響

為進一步分析獲得風循環、制冷和保溫綜合最優值，本文通過擴大風循環流量數據，增加流量和風速變化范圍1.2～2.8 m/s，如圖6不同風速下風循環對冰箱換熱影響。由圖可知，隨著風速的增加，空氣流量和蒸發器換熱均呈現上升增加趨勢，但冷藏室溫度與隨著風速的增加，存在非線性關系，即存在一個相對最優風速，當風速達到1.7 m/s時能夠使得冷藏室溫度最低，綜合效率最高。

圖6 風循環對冰箱換熱影響

3 實驗驗證

選取仿真載體冰箱，依據GB 12021.2-2015家用電冰箱耗電量限定值及能效等級國家標準測試耗電量，要求環境溫度為（32±0.5）和（16±0.5）℃，相對濕度為45～75 %。采用合肥科峰型式試驗控制系統、8 720數字電參數測試儀測量采集冰箱的運行電參數，并通過電能累計儀測得一定時間內的耗電量。本文仿真按環溫32 ℃環境溫度進行仿真，本文為驗證仿真的有效性，選取國標單個環溫32 ℃進行耗電量測試，獲取穩態耗電量。

如表2，風速降低至最優風速對整機耗電量有利，與仿真一致。 能耗降低結果體現不明顯，分析認為主要是風速降低后，制冷系統效率也會下降。

表2 耗電量測試數據

4 結論

本文利用計算流體力學軟件FloEFD，通過簡化風冷冰箱整機幾何仿真模型，基于保溫、制冷和風道系統建立物理仿真模型，通過輸入冰箱載體物性及制冷關鍵參數進行計算，獲得穩定整機冰箱穩態傳熱溫度場仿真模型，分析風速變化對壁面傳熱影響、風道風循環流量變化和蒸發器換熱變化，并通過改變風速，獲取不同出風風速對整機綜合制冷效率。結果表明：風速變化除影響制冷風循環效率外，對壁面傳熱有直接影響，通過仿真獲得相對最優風速，使得冰箱綜合效率最高，冰箱運行風速范圍內1.2～2.8 m/s,當風速達到1.7 m/s時，整機制冷效率和保溫效果綜合效率達到最優。