风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究

罗洋

(合肥华凌股份有限公司  安徽  合肥  230000)


摘要为提升风冷冰箱机械室冷凝器的换热效率,优化冷凝结构,降低整机的耗电量,本文利用数值模拟的方法,针对某款单系统风冷冰箱的机械室流场进行了CFD建模和理论分析,对机械室进风口和排风口进行优化设计,提出了机械室后盖板进风口的3种不同优化方案,分析优化方案对压降及流量的影响。研究发现,合理的进风口结构可以较显著地提高冷凝效率。通过对优化方案的实验值进行对比发现,冷凝器出口温度下降约1.8℃,整机耗电量降低约2.6%。


关键词:机械室;CFD;冷凝效率;流量



  引言


调查研究显示:消费者在选购家用冰箱的时候,第一个考虑的指标便是冰箱的能效等级及综合耗电量。作为白电里最大的家用电器,冰箱现已成为家庭必备,且连续运行时间最长的家电,其耗电量占据家庭较大部分比例。随着环境问题的日益突出和全社会对环境保护认识的提高,冰箱产业节能减排已成为整个冰箱行业发展的方向,冰箱的整体能效需上升一个台阶,新出台的冰箱能耗标准对冰箱综合能效要求更加严苛,国内外冰箱品牌纷纷聚焦低能效产品研发,推出超低能效产品来抢占国内外市场。

新标准中,对耗电量的测试方法进行了改进,使得实验室测得的综合耗电量更加接近用户的实际使用情况。区别主要体现在:(1)原测试环境温度25℃变为16℃和25℃,冷档和暖档分别实验,最后加权计算年综合耗电量;(2)冷冻室取消放负载包,改为放置铜制圆柱热电偶;(3)增加辅助装置耗电量的测试方法;(4)补充装载耗电量测试方法;(5)明确耗电量测试时不能使用的装置;(6)确定稳定状态后才能计算稳定状态功耗和温度[1]。当测得的环境温度与标准规定的环境温度不同时,需用校正公式进行稳定状态功率的修订。现行新能耗标准中,能效1级的产品的耗电量比原能效1级的产品耗电量下降30%~40%。

在新产品开发过程中,研发工程师需科学地创新并与实际方案相结合,不断地探究冰箱各类新材料、新技术对其能耗的影响,以此来达到降低能耗的目的。

本文主要研究单系统风冷冰箱机械室冷凝器进风、排风量的大小及分布形式对外置式冷凝器冷凝效率的影响,以及对整机能耗的影响。


1  数值计算及仿真模型


1.1  风冷冰箱机械室构造特点

现阶段,风冷冰箱冷凝装置主要采用两种形式。一种是绝大多数风冷产品采用的自然对流式冷凝器,冷凝管设置在冰箱箱体侧板壁面,箱体发泡后冷凝管会紧贴发泡层壁面,传热效果较差,部分冷凝的热量会传入箱内,增加了箱体热负荷;另一种为目前较大容积风冷冰箱常采用的外置式冷凝器装置。这种装置通常设置在冰箱机械室,采用带导流罩的轴流风机强制对流换热,冷凝效率可得到较大提升,减少了冷凝热辐射对箱体内部的影响,减少了箱体热负荷。

本文选取某型号大容积单系统风冷冰箱为研究对象,机械室冷凝装置为第二种冷凝形式,风冷式冰箱机械室结构示意如图1所示。此类风冷冰箱冷凝结构主要为外置式冷凝器、冷凝风扇、风扇支架、压缩机依次布置在冰箱压缩机底板上,且呈直线排列。其冷凝形式为风扇位于冷凝器和压缩机之间,冷凝器设置于风扇进风面的一侧,压缩机设置于风扇排风面的一侧,冷凝气流由冷凝器一侧的压缩机后盖板进风口格栅进入,进风经过压缩机,从压缩机一侧的压缩机后盖板出风口格栅排出。

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图1

图1  风冷式冰箱机械室结构示意图

风冷冰箱的冷凝风扇设置在机械室内,其主要作用是形成负压,让机械室产生强制空气对流,冷凝器在此过程进行换热,其内部高温高压的气态工质通过放热变为高温高压的液态工质2。机械室冷凝气流流动阻力主要来自机械室的各种结构,如冷凝器、压缩机、管路、压缩机后盖板及压缩机底板上布置的进风口和出风口。强制对流散热时,往往采用大流量的轴流风机[3]

由于冰箱机械室后盖板上分布的通道,是冷凝空气进出机械室空间的必经通道,其开口面积的大小、空间分布、结构形式等对冷凝器的冷凝效率具有直接影响,在本文中重点分析、优化,优选出最佳方案。


1.2  机械室仿真模型建模与方案设计

1.2.1  控制方程

风冷冰箱机械室结构复杂,冷凝风机本身的流动特性亦较为复杂,风机在轴向压力和离心旋转的作用下其流场就变得杂乱无章,所以机械室内部的流动特性很难用实验方法来获得,为了研究机械室内部流场情况,针对本文研究的某型号冰箱机械室进行简化建模4]

由于冷凝风机为低转速轴流风机,采用ANSYS12.0版本的FLUENT模块进行流场计算。为了模拟冷凝器对气流的阻碍,在数值计算过程中,冷凝器处的流动模拟为多孔介质流动[4]


1.2.2  计算域

压缩机室CFD计算区域如图2所示,流体分为旋转流体和流通区流体,轴流风机的风扇及其轮毂设置为旋转域,电机支架及其电机部分设置为静止域,旋转域风扇壁面边界条件划分6层边界层,其余壁面划分3层边界层。冷凝器部分设置为多孔介质区域,采用标准的壁面函数,进出口边界条件分别为计算域的压力进口和压力出口边界,初始条件均为远场大气压。

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图2

图2  压缩机室CFD计算区域


1.2.3  设定条件

风机电压设定为恒定9.5V,风扇转速设定为979r/min,冷凝器设定为55℃,环境温度为25℃;为方便比较,压缩机不赋予温度值,压缩机作为不发热体考虑。


1.3  仿真结果与分析

原机方案机械室仿真流场图如图3所示,原机方案进排风流量如表1所示。

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图3

(a)小进风口

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图4

(b)大进风口

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图5

(c)小进风口侧面

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图6

(d)大进风口侧面

图3  原机方案机械室仿真流场图

表1  原机方案进排风流量

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图7

从分布情况可以看出,在压缩机两侧流道变窄,靠近机械室内壁流道的流速变大,压缩机背面为背风面,形成了涡流区域;另外,由于进排风边界位于压缩机后盖板上,布置在机械室冷凝风道的一侧,气流大部分在靠近后盖板一侧流动,冷凝器内气流流动较少,所以冷凝器换热存在死角,换热的效率会降低。分布在机械室后盖板上的进风开口较小,且进排出风比例不协调,导致机械室风道流量较低,从而整个冷凝器的换热效率较低[5]

冰箱机械室内部气流的流量多少与换热效率密切相关,冷凝器换热效率降低后,会导致系统冷凝压力上升,压缩机功率上升,进而整机的综合能耗值上升,故需要进行改进设计。


1.4  设计改进

基于原机方案,设计了三种优化方案,如图4所示。

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图8

(a)原机方案

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图9

(b)优化方案1

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图10

(c)优化方案2

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图11

(d)优化方案3

图4  机械室进风格栅优化方案

三种优化方案中,保持排风口截面积不变,方案1进风口格栅中间部分拉通,方案2将进风口格栅更改为竖向进风,且进风口格栅形式为百叶窗,方案3机械室后盖板进风口同原机方案,在机械室侧板壁开孔,受侧壁强度影响,开孔面积占侧壁面积比例约为16%。机械室进风口优化方案如表2所示。

表2  机械室进风口优化方案

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图12

原机方案和优化方案仿真数据分析如表3所示。在相同仿真条件下,相对于原机方案,方案1的排风量提高了3.2%;方案2的排风量提高了19.3%,排风总流量达到了68.6m3/h;方案3的排风量提高了20.7%,排风总流量达到了69.4m3/h。

显然,可以通过增加流通截面积来减少流通阻力,从而增加流通流量。

表3  原机方案和优化方案仿真数据分析

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图13


2  性能试验验证


2.1  风量实际测试对比

对于表3的四种方案,用风量测试台测试方案2的实际排风量,验证仿真结果。由于机械室后盖板和箱体之间存在间隙,测试时,使用透明胶带将可能的间隙处密封。方案2仿真值和测试值数据对比如表4所示。

据测试结果可以看出,测试值比仿真值稍微低一点,可能是测试台风管等处存在压降,导致实际测试值比理论值低。

表4  方案2仿真值和测试值数据对比

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图14

综合来看,表4显示了冰箱机械室排风口风量的仿真值与实验结果对比。可以看出,实验结果与仿真结果相比差异较小,采用CFD的方法可以满足机械室风道性能要求的预判,也验证了计算流体力学在自由流场方面仿真的准确性。


2.2  PD及耗电量测试

在PD实验室中,对本文论述的四种方案进行了PD测试,如图5所示,3种优化方案的冷凝器出口温度都较原机方案有所降低,方案1降低了1.1℃,方案2和方案3分别降低了1.8℃和1.9℃。这意味着,优化方案使整机的冷凝效率得到提升,有利于增加系统制冷量。

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图15

图5  四种方案PD数据对比

耗电量测试对比结果如表5所示。

表5  耗电量测试对比

风冷冰箱机械室CFD分析及其能耗影响研究的图16

综合以上数据,方案2和方案3对耗电量的贡献值接近,但是考虑到方案3在侧壁开孔对工厂可制造性的要求,选用方案2作为最终优选方案。


  结语


本文通过研究风冷式冰箱机械室冷凝结构,对比了实验值和仿真值,证实了CFD仿真计算的可靠性,对风冷产品可靠性的开发有着指导意义。通过机械室进风口方案优化设计,将排风口的排风量提升了19.3%,较明显地改善了风冷冰箱机械室冷凝器的换热效率,系统的冷凝温度降低1.8℃,提高了制冷系统的制冷效率。经测试,整机耗电量降低约2.6%,对能耗贡献值较大。




参考文献:

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.家用电冰箱耗电量限定值及能效等级:GB 12021.2-2015[S].北京:中国标准出版社,2016.

[2]李成武,隆莹,杨敏.无霜冰箱风扇电机性能及对节能的影响[J].制冷,2014,33(02):1-6.

[3]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006:202-211.

[4]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004:180-185.

[5]庄友明,张驰.冰箱风冷式冷凝器与箱壁式冷凝器能耗对比实验研究[J].低温与超导,2016,44(06):87-92.

:高彦楠

排版:于梦雨 (实习)

文章来源:中国机械杂志

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