大容积薄壁冰箱风道及箱体流场分析

张魁仓 黄海鸿 柯庆镝 李乾坤 倪晨曦

1.长虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230061；2.合肥工业大学 安徽合肥 230009

1 引言

随着房地产的发展和大量新房屋业主的产生，新型智能家居和白色家电的需求量越来越大。在冰箱消费升级中，不仅对智能控制提出了新的要求，容积率的升级需求也显得尤为迫切。高容积率低占地面积冰箱近年来被用户所推崇。针对市场需求及冰箱行业保温技术发展，大容积率薄保温层冰箱应运而生。其采用的新型VIP板的保温材料大大地减薄了冰箱的壁厚。其中保温层分布设计、VIP板优化设计、制冷系统设计、结构设计、零部件设计等都需要统筹考虑。

在国内，对于冷藏和冷冻柜的风道顽疾如送冷量不均匀、门体漏热、空气扰流弱和冷气下沉等，目前有大量研究人员针对风道设计和优化进行研究[1-3]。设计人员往往根据风道功能划分模块，以模块的流量特性阻力特征作为优化设计依据[4]。

大容积薄壁冰箱的容积率大多已经提升至50%以上。为了在现有技术上进一步提升，日本松下和日立等公司在进一步提升VIP板性能的同时，优化了风道结构，或采取顶置压缩机的方式来提升容积率至60%。

为了提升国内产品的竞争力，进一步提升产品的容积率。长虹美菱公司在箱体热载荷仿真和风道仿真基础上对箱体结构提出了改进的要求[5-6]。本文基于某原型机设计了横置蒸发器及其配套风道的新型结构。通过CFD仿真商业软件Star CCM+对横置蒸发器冰箱进行仿真分析[5]，得到横置蒸发器风道和箱体的内部流场特性及演化规律。验证了横置蒸发器在大容积薄壁冰箱中的合理性应用。

2 横置蒸发器冰箱物理模型

本文研究对象为某型号大容积风冷冰箱，如图1所示。该冰箱的制冷循环系统为单制冷循环系统。横置蒸发器的蒸发室设置在冷冻室和冷藏室之间，采用离心风扇。

图1 某大容积冰箱示意图

本文基于热负荷仿真[6]采用综合提升容积的方案。对于某型蒸发器竖置的冰箱，采用将泡层减薄，制冷零部件的结构和尺寸进一步优化，以及薄壁化风道的方法，改进成为横置蒸发器大容积冰箱。配合VIP板的布置，将箱体两侧、背后以及门体中梁的泡层厚度进一步缩小。采用蛇形微通道的冷凝器，设计紧凑的压缩机布置方案。蒸发室采用120 mm小尺寸离心风扇，并且将蒸发器顶置。此方法降低了泡层容积、风道容积和压缩机容积，提升了冰箱有效容积64 L。

3 流场对比分析

3.1 横置和竖置蒸发器冰箱模型

为了进一步分析流场，通过对原型机和优化后的横置蒸发器冰箱的箱体建模。如图2所示，图2a）和图2b）分别表示理想状态下，竖置和横置蒸发器冰箱的箱体模型及其空气流动方向。图2a）的侧视图中，蒸发器竖置于冷藏室背面，经过热量交换后的空气经离心风扇进入冷冻风道，当风门打开时，部分空气也会进入冷藏风道最终流进冷藏室。冷冻室回风从蒸发室底部进入，冷藏室回风从箱体背部进入蒸发室底部。图2b）的侧视图中，蒸发器横置于冷冻室顶部，经过热量交换后的空气经离心风扇进入冷冻风道，当风门打开时，部分空气也会进入冷藏风道最终流进冷藏室。冷冻室回风位置位于冷藏室顶部，冷冻室回风口位于冷冻室顶部。

图2 横置和竖置蒸发器冰箱箱体及风道结构图

3.2 冰箱内流场仿真计算

为了对冰箱内流场进一步分析，本文给出该型号冰箱的计算模型的前提假设：

（1）冰箱内部空气为理想气体；

（2）冰箱内部空气为定长不可压缩气体。

将横置和竖置蒸发器的冰箱内空气流动循环的稳定换热状态视为方针目标，采用Star CCM+商用仿真软件，对区域进行自适应网格划分，计算采用多面体网格，并选用Realizablek-ε混合湍流计算模型。设置离心风扇风速为1560 r/min，不考虑换热，分析风量分配以及各风道模块设计的合理性。

为了排除网格的多少对仿真结果的影响，对横置蒸发器冰箱整机空气腔进行网格无关性验证。采用三种加密程度不同方案的网格进行仿真计算，并以蒸发室流量与压降为网格无关性检验参数，其结果如表1所示。从结果看出当网格加密到一定程度之后，计算结果对网格依赖性较小，为便于后期加入温度场的瞬态计算，采用中等加密程度的网格大小。

表1 网格设置方法及其参数

经过仿真计算10000步，两种冰箱仿真的计算残差值均小于10-4，且检测数据趋于稳定，认为计算已经收敛。横置和竖置蒸发器的冰箱冷藏和冷冻风道的进风口和回风口的风量数据如表2。相比竖置蒸发器冰箱风量参数，横置蒸发器冰箱的冷藏风量较大，冷冻风量较小，总风量较小，但横置蒸发器冰箱的风量左右分布更均匀。

表2 横置冰箱和竖置冰箱的风量对比

图3是横置蒸发器冰箱速度迹线在箱体内的分布图。通过分析横置蒸发器的仿真数据和流场迹线，发现：当采用横置蒸发器时，左右两侧风道的送风型线和风速接近，分布均匀。冷藏风道的循环效率高，横置蒸发器的设计方案有利于减小冷藏风道的风阻，消除回风短路问题，提升箱室内部换热效率。

图3 横置蒸发器冰箱速度流场分布图

4 瞬态仿真流场和试验数据分析

为了对横置蒸发器的换热性能[7]以及箱体的温度均匀性进行全面评估，需要设定冰箱各个面的热负荷以及表面温度，通过瞬态仿真加以分析，并且通过试验进行验证。

为了分析横置蒸发器冰箱的瞬态特性，测算出该冰箱流体域的箱体各壁面在32℃标准工况下的稳定的换热量。当冷藏制冷时，风速为1560 r/min，蒸发器表面温度为-28℃。设置冷藏风门开启的情况下，根据瞬态趋势最终求得在25分钟左右冷藏制冷停止，风门关闭，冷藏室平均温度快速下降为3℃，冷冻室平均温度逐渐上升为-17℃，图4a）所示为冷藏制冷第10分钟冷藏制冷的温度迹线分布图。当冷冻制冷时，风速为1880 r/min，蒸发器表面温度为-25℃，根据瞬态趋势最终求得在40分钟左右冷冻制冷停止，冷藏室平均温度快速下降为-19℃，图4b）所示为冷藏制冷第10分钟冷冻制冷的温度迹线分布图。图4a）和图4b）温度均匀性体现了风道设计的合理性。

图4 横置蒸发器冰箱瞬态温度场分布图

为了进一步对横置蒸发器的换热效率进行验证。在通过高温高湿的可靠性试验的同时，测试冰箱在不同环温和湿度下的空气侧流场温度，并且调整控制策略的相关参数以保证达到精确控温的基本要求。当试验数据周期性稳定后，取出32℃标准工况下稳定周期的相关数与仿真数据作对比。各箱室在制冷过程的温度随时间变化的试验数据如图5所示。可知在32℃标准工况下制冷系统稳定运行的周期中，1-2：压缩机开启时冷藏风门开启；2—3：当冷藏室平均温度达到临界值3℃时，冷藏风门关闭，冷藏室温度上升，冷冻室温度下降；3—4：当冷冻室温度达标时，压缩机关闭直至下一次开启完成一个周期。对比1-2过程冷藏室降温阶段和2-3过程冷冻制冷阶段的仿真检测温度和实际检测温度如图6a）和图6b），发现瞬态仿真温度和实际温度波动范围和趋势相近，误差范围在5%以内。

图5 标准工况下冰箱箱体内温度随时间的变化

图6 仿真数据和实验数据对比

通过冷藏室冷冻室温度性能试验图，可看出此横置蒸发器冰箱的循环周期为80分钟，其中压缩机开启时间达到70分钟，关闭10分钟，冷藏室制冷时间30分钟，冷冻室制冷时间40分钟。周期内压缩机开启功率和停机时长均满足要求。依据GB 12021.2-2015《家用电冰箱耗电量限定值及能效等级》的标准，测定样机在试验稳定后测定的标准能效指数（ηε）为24.53%，小于25%，满足一级能效标准。

5 结论

本文基于提升大容积薄壁冰箱的有效容积需要，设计了一种新型横置蒸发器的风道结构和制冷系统。本文探究得出以下结论：

（1）横置蒸发器冰箱在保证精确控温和稳定运行的同时，将该原型冰箱的容积提升了64 L。

（2）通过横置蒸发器的整机仿真发现无论是在冷藏制冷还是冷冻制冷过程中，风量分布是均匀的，周期也是固定不变的，维持稳定运行。

（3）经性能试验验证，冷藏制冷和冷冻制冷流场特性和瞬态温度状态与仿真吻合。因此该瞬态仿真模型和方法具有可行性。

（4）性能试验验证通过仿真分析设计的横置蒸发器冰箱在满足一级能效标准的前提下，冷藏室温度下降较快，制冷量充足且压缩机开机时长保持稳定高效。