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

0   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。

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

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。

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

（a）小进风口

（b）大进风口

（c）小进风口侧面

（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

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。

（a）原机方案

（b）优化方案1

（c）优化方案2

（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

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

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

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。

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

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。

3   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.