羅洋

（合肥華凌股份有限公司  安徽  合肥  230000）

摘要：為提升風冷冰箱機械室冷凝器的換熱效率，優化冷凝結構，降低整機的耗電量，本文利用數值模擬的方法，針對某款單系統風冷冰箱的機械室流場進行了CFD建模和理論分析，對機械室進風口和排風口進行優化設計，提出了機械室后蓋板進風口的3種不同優化方案，分析優化方案對壓降及流量的影響。研究發現，合理的進風口結構可以較顯著地提高冷凝效率。通過對優化方案的實驗值進行對比發現，冷凝器出口溫度下降約1.8℃，整機耗電量降低約2.6%。

關鍵詞：機械室；CFD；冷凝效率；流量

0   引言

調查研究顯示：消費者在選購家用冰箱的時候，第一個考慮的指標便是冰箱的能效等級及綜合耗電量。作為白電里最大的家用電器，冰箱現已成為家庭必備，且連續運行時間最長的家電，其耗電量占據家庭較大部分比例。隨著環境問題的日益突出和全社會對環境保護認識的提高，冰箱產業節能減排已成為整個冰箱行業發展的方向，冰箱的整體能效需上升一個臺階，新出臺的冰箱能耗標準對冰箱綜合能效要求更加嚴苛，國內外冰箱品牌紛紛聚焦低能效產品研發，推出超低能效產品來搶占國內外市場。

新標準中，對耗電量的測試方法進行了改進，使得實驗室測得的綜合耗電量更加接近用戶的實際使用情況。區別主要體現在：（1）原測試環境溫度25℃變為16℃和25℃，冷檔和暖檔分別實驗，最后加權計算年綜合耗電量；（2）冷凍室取消放負載包，改為放置銅制圓柱熱電偶；（3）增加輔助裝置耗電量的測試方法；（4）補充裝載耗電量測試方法；（5）明確耗電量測試時不能使用的裝置；（6）確定穩定狀態后才能計算穩定狀態功耗和溫度［1］。當測得的環境溫度與標準規定的環境溫度不同時，需用校正公式進行穩定狀態功率的修訂?，F行新能耗標準中，能效1級的產品的耗電量比原能效1級的產品耗電量下降30%～40%。

在新產品開發過程中，研發工程師需科學地創新并與實際方案相結合，不斷地探究冰箱各類新材料、新技術對其能耗的影響，以此來達到降低能耗的目的。

本文主要研究單系統風冷冰箱機械室冷凝器進風、排風量的大小及分布形式對外置式冷凝器冷凝效率的影響，以及對整機能耗的影響。

1  數值計算及仿真模型

1.1  風冷冰箱機械室構造特點

現階段，風冷冰箱冷凝裝置主要采用兩種形式。一種是絕大多數風冷產品采用的自然對流式冷凝器，冷凝管設置在冰箱箱體側板壁面，箱體發泡后冷凝管會緊貼發泡層壁面，傳熱效果較差，部分冷凝的熱量會傳入箱內，增加了箱體熱負荷；另一種為目前較大容積風冷冰箱常采用的外置式冷凝器裝置。這種裝置通常設置在冰箱機械室，采用帶導流罩的軸流風機強制對流換熱，冷凝效率可得到較大提升，減少了冷凝熱輻射對箱體內部的影響，減少了箱體熱負荷。

本文選取某型號大容積單系統風冷冰箱為研究對象，機械室冷凝裝置為第二種冷凝形式，風冷式冰箱機械室結構示意如圖1所示。此類風冷冰箱冷凝結構主要為外置式冷凝器、冷凝風扇、風扇支架、壓縮機依次布置在冰箱壓縮機底板上，且呈直線排列。其冷凝形式為風扇位于冷凝器和壓縮機之間，冷凝器設置于風扇進風面的一側，壓縮機設置于風扇排風面的一側，冷凝氣流由冷凝器一側的壓縮機后蓋板進風口格柵進入，進風經過壓縮機，從壓縮機一側的壓縮機后蓋板出風口格柵排出。

圖1  風冷式冰箱機械室結構示意圖

風冷冰箱的冷凝風扇設置在機械室內，其主要作用是形成負壓，讓機械室產生強制空氣對流，冷凝器在此過程進行換熱，其內部高溫高壓的氣態工質通過放熱變為高溫高壓的液態工質［2］。機械室冷凝氣流流動阻力主要來自機械室的各種結構，如冷凝器、壓縮機、管路、壓縮機后蓋板及壓縮機底板上布置的進風口和出風口。強制對流散熱時，往往采用大流量的軸流風機［3］。

由于冰箱機械室后蓋板上分布的通道，是冷凝空氣進出機械室空間的必經通道，其開口面積的大小、空間分布、結構形式等對冷凝器的冷凝效率具有直接影響，在本文中重點分析、優化，優選出最佳方案。

1.2  機械室仿真模型建模與方案設計

風冷冰箱機械室結構復雜，冷凝風機本身的流動特性亦較為復雜，風機在軸向壓力和離心旋轉的作用下其流場就變得雜亂無章，所以機械室內部的流動特性很難用實驗方法來獲得，為了研究機械室內部流場情況，針對本文研究的某型號冰箱機械室進行簡化建模［4］。

由于冷凝風機為低轉速軸流風機，采用ANSYS12.0版本的FLUENT模塊進行流場計算。為了模擬冷凝器對氣流的阻礙，在數值計算過程中，冷凝器處的流動模擬為多孔介質流動［4］。

1.2.2  計算域

壓縮機室CFD計算區域如圖2所示，流體分為旋轉流體和流通區流體，軸流風機的風扇及其輪轂設置為旋轉域，電機支架及其電機部分設置為靜止域，旋轉域風扇壁面邊界條件劃分6層邊界層，其余壁面劃分3層邊界層。冷凝器部分設置為多孔介質區域，采用標準的壁面函數，進出口邊界條件分別為計算域的壓力進口和壓力出口邊界，初始條件均為遠場大氣壓。

圖2  壓縮機室CFD計算區域

1.2.3  設定條件

風機電壓設定為恒定9.5V，風扇轉速設定為979r/min，冷凝器設定為55℃，環境溫度為25℃；為方便比較，壓縮機不賦予溫度值，壓縮機作為不發熱體考慮。

1.3  仿真結果與分析

（a）小進風口

（b）大進風口

（c）小進風口側面

（d）大進風口側面

圖3  原機方案機械室仿真流場圖

表1  原機方案進排風流量

從分布情況可以看出，在壓縮機兩側流道變窄，靠近機械室內壁流道的流速變大，壓縮機背面為背風面，形成了渦流區域；另外，由于進排風邊界位于壓縮機后蓋板上，布置在機械室冷凝風道的一側，氣流大部分在靠近后蓋板一側流動，冷凝器內氣流流動較少，所以冷凝器換熱存在死角，換熱的效率會降低。分布在機械室后蓋板上的進風開口較小，且進排出風比例不協調，導致機械室風道流量較低，從而整個冷凝器的換熱效率較低［5］。

冰箱機械室內部氣流的流量多少與換熱效率密切相關，冷凝器換熱效率降低后，會導致系統冷凝壓力上升，壓縮機功率上升，進而整機的綜合能耗值上升，故需要進行改進設計。

1.4  設計改進

基于原機方案，設計了三種優化方案，如圖4所示。

（a）原機方案

（b）優化方案1

（c）優化方案2

（d）優化方案3

圖4  機械室進風格柵優化方案

三種優化方案中，保持排風口截面積不變，方案1進風口格柵中間部分拉通，方案2將進風口格柵更改為豎向進風，且進風口格柵形式為百葉窗，方案3機械室后蓋板進風口同原機方案，在機械室側板壁開孔，受側壁強度影響，開孔面積占側壁面積比例約為16%。機械室進風口優化方案如表2所示。

表2  機械室進風口優化方案

原機方案和優化方案仿真數據分析如表3所示。在相同仿真條件下，相對于原機方案，方案1的排風量提高了3.2%；方案2的排風量提高了19.3%，排風總流量達到了68.6m3/h；方案3的排風量提高了20.7%，排風總流量達到了69.4m3/h。

顯然，可以通過增加流通截面積來減少流通阻力，從而增加流通流量。

表3  原機方案和優化方案仿真數據分析

2  性能試驗驗證

2.1  風量實際測試對比

對于表3的四種方案，用風量測試臺測試方案2的實際排風量，驗證仿真結果。由于機械室后蓋板和箱體之間存在間隙，測試時，使用透明膠帶將可能的間隙處密封。方案2仿真值和測試值數據對比如表4所示。

據測試結果可以看出，測試值比仿真值稍微低一點，可能是測試臺風管等處存在壓降，導致實際測試值比理論值低。

表4  方案2仿真值和測試值數據對比

綜合來看，表4顯示了冰箱機械室排風口風量的仿真值與實驗結果對比。可以看出，實驗結果與仿真結果相比差異較小，采用CFD的方法可以滿足機械室風道性能要求的預判，也驗證了計算流體力學在自由流場方面仿真的準確性。

2.2  PD及耗電量測試

在PD實驗室中，對本文論述的四種方案進行了PD測試，如圖5所示，3種優化方案的冷凝器出口溫度都較原機方案有所降低，方案1降低了1.1℃，方案2和方案3分別降低了1.8℃和1.9℃。這意味著，優化方案使整機的冷凝效率得到提升，有利于增加系統制冷量。

圖5  四種方案PD數據對比

耗電量測試對比結果如表5所示。

表5  耗電量測試對比

綜合以上數據，方案2和方案3對耗電量的貢獻值接近，但是考慮到方案3在側壁開孔對工廠可制造性的要求，選用方案2作為最終優選方案。

3   結語

本文通過研究風冷式冰箱機械室冷凝結構，對比了實驗值和仿真值，證實了CFD仿真計算的可靠性，對風冷產品可靠性的開發有著指導意義。通過機械室進風口方案優化設計，將排風口的排風量提升了19.3%，較明顯地改善了風冷冰箱機械室冷凝器的換熱效率，系統的冷凝溫度降低1.8℃，提高了制冷系統的制冷效率。經測試，整機耗電量降低約2.6%，對能耗貢獻值較大。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.家用電冰箱耗電量限定值及能效等級:GB 12021.2-2015[S].北京:中國標準出版社,2016.

[2]李成武,隆瑩,楊敏.無霜冰箱風扇電機性能及對節能的影響[J].制冷,2014,33(02):1-6.

[3]楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].北京:高等教育出版社,2006:202-211.

[4]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,2004:180-185.

[5]莊友明,張馳.冰箱風冷式冷凝器與箱壁式冷凝器能耗對比實驗研究[J].低溫與超導,2016,44(06):87-92.