大容積薄壁冰箱風(fēng)道及箱體流場(chǎng)分析

張魁倉 黃海鴻 柯慶鏑 李乾坤 倪晨曦

1.長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230061；2.合肥工業(yè)大學(xué) 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(fèi)升級(jí)中，不僅對(duì)智能控制提出了新的要求，容積率的升級(jí)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(duì)市場(chǎng)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(yùn)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(jì)、VIP板優(yōu)化設(shè)計(jì)、制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)等都需要統(tǒng)籌考慮。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)于冷藏和冷凍柜的風(fēng)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(duì)風(fēng)道設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行研究[1-3]。設(shè)計(jì)人員往往根據(jù)風(fēng)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(jì)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(jìn)一步提升，日本松下和日立等公司在進(jìn)一步提升VIP板性能的同時(shí)，優(yōu)化了風(fēng)道結(jié)構(gòu)，或采取頂置壓縮機(jī)的方式來提升容積率至60%。

為了提升國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的容積率。長(zhǎng)虹美菱公司在箱體熱載荷仿真和風(fēng)道仿真基礎(chǔ)上對(duì)箱體結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)的要求[5-6]。本文基于某原型機(jī)設(shè)計(jì)了橫置蒸發(fā)器及其配套風(fēng)道的新型結(jié)構(gòu)。通過CFD仿真商業(yè)軟件Star CCM+對(duì)橫置蒸發(fā)器冰箱進(jìn)行仿真分析[5]，得到橫置蒸發(fā)器風(fēng)道和箱體的內(nèi)部流場(chǎng)特性及演化規(guī)律。驗(yàn)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(duì)象為某型號(hào)大容積風(fēng)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(fēng)扇。

圖1 某大容積冰箱示意圖

本文基于熱負(fù)荷仿真[6]采用綜合提升容積的方案。對(duì)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(jìn)一步優(yōu)化，以及薄壁化風(fēng)道的方法，改進(jìn)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(jìn)一步縮小。采用蛇形微通道的冷凝器，設(shè)計(jì)緊湊的壓縮機(jī)布置方案。蒸發(fā)室采用120 mm小尺寸離心風(fēng)扇，并且將蒸發(fā)器頂置。此方法降低了泡層容積、風(fēng)道容積和壓縮機(jī)容積，提升了冰箱有效容積64 L。

3 流場(chǎng)對(duì)比分析

3.1 橫置和豎置蒸發(fā)器冰箱模型

為了進(jìn)一步分析流場(chǎng)，通過對(duì)原型機(jī)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(dòng)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(fēng)扇進(jìn)入冷凍風(fēng)道，當(dāng)風(fēng)門打開時(shí)，部分空氣也會(huì)進(jìn)入冷藏風(fēng)道最終流進(jìn)冷藏室。冷凍室回風(fēng)從蒸發(fā)室底部進(jìn)入，冷藏室回風(fēng)從箱體背部進(jìn)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(fēng)扇進(jìn)入冷凍風(fēng)道，當(dāng)風(fēng)門打開時(shí)，部分空氣也會(huì)進(jìn)入冷藏風(fēng)道最終流進(jìn)冷藏室。冷凍室回風(fēng)位置位于冷藏室頂部，冷凍室回風(fēng)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(fēng)道結(jié)構(gòu)圖

3.2 冰箱內(nèi)流場(chǎng)仿真計(jì)算

為了對(duì)冰箱內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)一步分析，本文給出該型號(hào)冰箱的計(jì)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(zhǎng)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(dòng)循環(huán)的穩(wěn)定換熱狀態(tài)視為方針目標(biāo)，采用Star CCM+商用仿真軟件，對(duì)區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，計(jì)算采用多面體網(wǎng)格，并選用Realizablek-ε混合湍流計(jì)算模型。設(shè)置離心風(fēng)扇風(fēng)速為1560 r/min，不考慮換熱，分析風(fēng)量分配以及各風(fēng)道模塊設(shè)計(jì)的合理性。

為了排除網(wǎng)格的多少對(duì)仿真結(jié)果的影響，對(duì)橫置蒸發(fā)器冰箱整機(jī)空氣腔進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。采用三種加密程度不同方案的網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算，并以蒸發(fā)室流量與壓降為網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)參數(shù)，其結(jié)果如表1所示。從結(jié)果看出當(dāng)網(wǎng)格加密到一定程度之后，計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格依賴性較小，為便于后期加入溫度場(chǎng)的瞬態(tài)計(jì)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(jì)算10000步，兩種冰箱仿真的計(jì)算殘差值均小于10-4，且檢測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂。橫置和豎置蒸發(fā)器的冰箱冷藏和冷凍風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口的風(fēng)量數(shù)據(jù)如表2。相比豎置蒸發(fā)器冰箱風(fēng)量參數(shù)，橫置蒸發(fā)器冰箱的冷藏風(fēng)量較大，冷凍風(fēng)量較小，總風(fēng)量較小，但橫置蒸發(fā)器冰箱的風(fēng)量左右分布更均勻。

表2 橫置冰箱和豎置冰箱的風(fēng)量對(duì)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(chǎng)跡線，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用橫置蒸發(fā)器時(shí)，左右兩側(cè)風(fēng)道的送風(fēng)型線和風(fēng)速接近，分布均勻。冷藏風(fēng)道的循環(huán)效率高，橫置蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)方案有利于減小冷藏風(fēng)道的風(fēng)阻，消除回風(fēng)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(chǎng)分布圖

4 瞬態(tài)仿真流場(chǎng)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了對(duì)橫置蒸發(fā)器的換熱性能[7]以及箱體的溫度均勻性進(jìn)行全面評(píng)估，需要設(shè)定冰箱各個(gè)面的熱負(fù)荷以及表面溫度，通過瞬態(tài)仿真加以分析，并且通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

為了分析橫置蒸發(fā)器冰箱的瞬態(tài)特性，測(cè)算出該冰箱流體域的箱體各壁面在32℃標(biāo)準(zhǔn)工況下的穩(wěn)定的換熱量。當(dāng)冷藏制冷時(shí)，風(fēng)速為1560 r/min，蒸發(fā)器表面溫度為-28℃。設(shè)置冷藏風(fēng)門開啟的情況下，根據(jù)瞬態(tài)趨勢(shì)最終求得在25分鐘左右冷藏制冷停止，風(fēng)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(dāng)冷凍制冷時(shí)，風(fēng)速為1880 r/min，蒸發(fā)器表面溫度為-25℃，根據(jù)瞬態(tài)趨勢(shì)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(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性。

圖4 橫置蒸發(fā)器冰箱瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

為了進(jìn)一步對(duì)橫置蒸發(fā)器的換熱效率進(jìn)行驗(yàn)證。在通過高溫高濕的可靠性試驗(yàn)的同時(shí)，測(cè)試冰箱在不同環(huán)溫和濕度下的空氣側(cè)流場(chǎng)溫度，并且調(diào)整控制策略的相關(guān)參數(shù)以保證達(dá)到精確控溫的基本要求。當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)周期性穩(wěn)定后，取出32℃標(biāo)準(zhǔn)工況下穩(wěn)定周期的相關(guān)數(shù)與仿真數(shù)據(jù)作對(duì)比。各箱室在制冷過程的溫度隨時(shí)間變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。可知在32℃標(biāo)準(zhǔn)工況下制冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的周期中，1-2：壓縮機(jī)開啟時(shí)冷藏風(fēng)門開啟；2—3：當(dāng)冷藏室平均溫度達(dá)到臨界值3℃時(shí)，冷藏風(fēng)門關(guān)閉，冷藏室溫度上升，冷凍室溫度下降；3—4：當(dāng)冷凍室溫度達(dá)標(biāo)時(shí)，壓縮機(jī)關(guān)閉直至下一次開啟完成一個(gè)周期。對(duì)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(cè)溫度和實(shí)際檢測(cè)溫度如圖6a）和圖6b），發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)仿真溫度和實(shí)際溫度波動(dòng)范圍和趨勢(shì)相近，誤差范圍在5%以內(nèi)。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)工況下冰箱箱體內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化

圖6 仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過冷藏室冷凍室溫度性能試驗(yàn)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(jī)開啟時(shí)間達(dá)到70分鐘，關(guān)閉10分鐘，冷藏室制冷時(shí)間30分鐘，冷凍室制冷時(shí)間40分鐘。周期內(nèi)壓縮機(jī)開啟功率和停機(jī)時(shí)長(zhǎng)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(jí)》的標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定樣機(jī)在試驗(yàn)穩(wěn)定后測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)能效指數(shù)（ηε）為24.53%，小于25%，滿足一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。

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(jì)了一種新型橫置蒸發(fā)器的風(fēng)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(yùn)行的同時(shí)，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(jī)仿真發(fā)現(xiàn)無論是在冷藏制冷還是冷凍制冷過程中，風(fēng)量分布是均勻的，周期也是固定不變的，維持穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）經(jīng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，冷藏制冷和冷凍制冷流場(chǎng)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(yàn)驗(yàn)證通過仿真分析設(shè)計(jì)的橫置蒸發(fā)器冰箱在滿足一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)的前提下，冷藏室溫度下降較快，制冷量充足且壓縮機(jī)開機(jī)時(shí)長(zhǎng)保持穩(wěn)定高效。