八面出風天花式空調器輔助出風口凝露優化設計

鄧 勇 陳昌中

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著生活水平的提高，人們對空調器的外觀和尺寸要求越來越高，天花式空調器出風面板厚度尺寸也越來越薄。天花式空調器由于空間限制，輔助出風口結構緊湊，如果風道設計不合理容易造成冷、熱氣流在天花機八面出風面板上產生交集，出現輔助出風口溫度不均勻直接導致面板凝露[1]。本文針對某款天花式空調器輔助出風口存在的出風口凝露現象，利用ANSYS軟件仿真技術結合試驗方法，獲取輔助出風口氣流流動規律，通過優化風道參數，改變了風口處冷熱空氣交界位置，從而避免了面板凝露問題，為空調器風道設計提供一定參考指導。

1 出風口凝露問題分析

1.1 凝露原理

空氣在一定的大氣壓力下冷卻出水時的飽和溫度稱作露點溫度。用壓力PV和溫度t來描述潮濕空氣的水蒸氣的形態。如圖1所示，在p-v示意圖上點a為濕空氣中水蒸氣的形態。對于不飽和的濕空氣，如果在水蒸氣壓力PV保持不變的狀態下使之冷卻，使不飽和空氣的溫度t下降，這時，即使濕空氣中水蒸氣的含量沒有變化，但水蒸氣的形態會沿著PV的定壓線a-c方向變化，一直到點c位置達到飽和狀態。這時的點c處溫度td被定義為露點溫度。如果對此點繼續冷卻，就會有水蒸氣變為凝結水析出[2]。

圖1 濕空氣中水蒸氣的p-v圖

根據馬格拉斯公式計算空氣露點，其水或冰的飽和水蒸氣壓力計算公式如下[3]：

式中：

E0—空氣在0 ℃時的飽和水蒸氣壓力，這里E0取值6.11 hPa；

t—空氣溫度（℃）；

a、b—定值常數，在水或冰面溫度t＞0 ℃，a取值7.5，b取值237.3，在水或冰面溫度t≤0 ℃，a取值9.5，b取值265.5。

當空氣的相對濕度為φ時，這時的空氣中水蒸氣壓力計算公式如下：

式中：

e—空氣中水蒸氣壓力（hPa）；

φ—空氣的相對濕度（%）。

由上可得出空氣的露點（℃）計算公式如下：

1.2 輔助出風口凝露現象分析

空調器出風口凝露主要有兩大原因：一是系統設計不合理導致分路不均勻，使空調器室內機蒸發器中各流路的制冷劑狀態不一樣，這時流過蒸發器不同地方時空氣就會形成溫度差，繼而在空調器的風道內部各地方形成冷熱空氣相互混合的局面，當風道內的熱空氣的溫度下降至露點溫度以下時，就會有凝結水產生[4]；二是結構設計不合理導致的漏風、風道流場紊流等問題，會造成風道在冷熱空氣交界面發生凝露[5]。

在本案例中圖2中輔助出風口的凝露主要是結構設計不合理造成面板溫差大而出現凝露水。

圖2 輔助出風口凝露

2 輔助出風口優化設計

該款天花機輔助出風口沒有導風板，在產品設計時需要同時考慮凝露和送風距離問題，出風口風道合適的斜率才能保證送風距離又能避免風口出現大量的凝露水。

2.1 控制方程

按照空調器的氣流性質，對天花式空調器的氣流仿真模型進行簡化：設定天花式空調器的結構密封性能好，風道各處沒有泄漏，其內部空氣設定為不可壓縮，滿足Boussinesq假定條件；假設氣流一直位于穩定狀態，其內部氣流設定為完全的湍流運動，空調器與外界是絕熱的。

對不計重力的三維、定常、不可壓縮的氣體，在處于恒定角速度的相對直角坐標系下，流體控制方程如下：

式中：

φ—通用變量；

Γ—對應于φ的廣義擴散系數；

S—對應于φ的廣義源相。

2.2 計算模型

本文利用流體力學FLUENT分析軟件進行數值仿真離散化求解。在計算范圍解內離心風機旋轉形成流體流動，湍流模型采用k-ε，坐標使用多重考系，設定離心風機內流場為轉子區域，其余部分為定子區域。

假設邊界條件如下：

大氣壓力：1.013 5 MPa；

環境溫度：無；

出風靜壓：0 pa；

房間尺寸：3×4×18（單位：m）。

2.3 仿真分析

輔助出風口處泡沫與面板形成風道，從經濟上考慮，通過改變泡沫斜率來優化風道。對該處的泡沫設計斜率進行變化，如圖3所示，通過設置合理的參數仿真預測氣流方向來避免冷熱空氣交界面處于面板上。

圖3 輔助出風口泡沫與面板風道結構（異形交錯的風道結構）

泡沫迎風面夾角α表征泡沫風道斜率，通過對該處α值的變化，輔助出風口處的泡沫形成了凹面、凸面設計，其相應的仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 輔助出風口凹面泡沫風道氣流仿真結果

圖5 輔助出風口凸面泡沫風道氣流仿真結果

從仿真結果來看，圖4中從凹面泡沫吹出的氣流貼著天花板，能滿足遠距離送風要求，但出風口處的氣流距離面板上表面過近，容易在面板上產生凝露現象；圖5中從凸面泡沫吹出的氣流斜向下直吹，可以避免出風口氣流在面板上產生冷熱交界面而造成風口凝露，但無法滿足遠距離送風要求。

對泡沫迎風面夾角α繼續優化參數，使出風口泡沫面與面板接觸面形成一個異形相互交錯的風道來控制氣流在風道中間吹出從而將冷熱交界面移至到空氣中，避免在面板上產生凝露水，其輔助出風口優化后的泡沫與面板形成的風道仿真結果如圖6所示。

圖6 輔助出風口泡沫優化仿真結果

從圖6中可以看出泡沫迎風面夾角α優化參數后，其氣流在輔助出風口處沒有緊貼面板，氣流沿著泡沫與面板交錯的風口中間吹出，避免了冷熱風在面板上交界而凝露；同時氣流在遠離風口位置后與天花平行送風滿足了遠距離送風要求。由此可以得出，通過優化泡沫迎風面夾角α參數得到與面板形成合理的風道結構可以保證送風距離又能避免風口出現大量的凝露水。

3 實驗結果及分析

3.1 實驗方法

1）低溫凝露（最低風檔）

在室內側干球/濕球溫度為27 ℃ /24 ℃，室外側干球/濕球溫度為27 ℃ /24 ℃工況下，電源電壓為額定電壓，空調器開制冷最低風檔連續運行4 h以后再轉最高風檔運行10 min，觀察并記錄數據和凝露情況。

2）高溫凝露（最低風檔）

在室內側干球/濕球溫度為27 ℃ /24 ℃，室外側干球/濕球溫度為35 ℃ /-工況下，電源為額定電壓，空調器開制冷最低風檔連續運行4 h以后，再轉最高風檔運行10 min，觀察并記錄數據和凝露情況。

3.2 判定標準

在整個試驗過程中，空調機出風口周圍及導風板允許有凝露水珠但不允許滴落，室內送風不應帶有水滴，轉高風運行后，風道內壁（風管內機結構測試完凝露拆開側板檢查風道）上允許有少許水滴，但不允許有水滴吹出或出現漏水現象。

3.3 實驗結果及分析

實驗驗證了優化泡沫迎風面夾角α結構與面板成異形交錯的風道結構如圖7所示，可使風口出風不再吹向面板，冷氣流在風道中間吹出從而將冷熱交界面移至到空氣中，避免在面板上產生凝露水。實驗結果如圖7所示，風口面板上方有少量分散的細小凝露水，滿足實驗標準要求，未出現凝露水滴落情況，實驗結果與仿真結果吻合，表明優化后的泡沫斜率參數滿足了八面出風面板風口設計要求。

圖7 輔助出風口泡沫實驗結果

4 結論

本文針對某款天花式空調器輔助出風口存在風口凝露現象，分析發現出風口結構設計不合理是面板形成溫度差導致凝露的主要原因。合理的風道設計尤其是迎風面夾角α的斜率是影響出風均勻性的關鍵因素，通過優化泡沫迎風面夾角α，設計了泡沫迎風面夾角α結構與面板成異形交錯的風道結構，并通過仿真和實驗驗證了優化后的風道結構能改變風口處冷熱空氣交界位置，從而避免了面板凝露問題同時滿足遠距離送風要求。由于測量和檢測的誤差，仿真和實驗有一定的差距，但不影響迎風面夾角α的斜率對凝露影響趨勢判斷，為空調器風道設計提供一定參考指導。