风冷冰箱壁面传热对冰箱效率提升的研究

罗 雷 崔培培 邓萍萍 余 涛

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

节能是冰箱制冷行业内永恒不变的主题。近年来，风冷无霜冰箱因其具有自动化霜，使用方便等特点，越来越受消费者青睐，对于风冷无霜冰箱冰箱，其节能技术亦从多个方向进行优化，如变频优化控制技术、风道CFD仿真优化技术、换热器效率提效、真空绝热板和聚氨酯保温技术等。

Tao and Sun[1]对冰箱的流场和箱体负荷模拟研究表明，通过仿真模拟流场和箱体负荷，可以对冰箱间室内的气流和温度分布设计进行优化。因此，研究者对无霜冰箱间室内流动和传热的进行多种探索。Yang[2]利用数值模拟的方法研究冰箱顶部安装风道对其性能影响，结果显示风道布局设计对间室温度分布起到重要作用。Bayer[3]利用降温模型研究冰箱单个温度间室流动和温度分布，模型中考虑恒定壁温和辐射效应，结果表明单个间室温度分布不受辐射影响。此后一些研究者通过实验和数值模拟的方法研究了家用冰箱间室内流动和传热，但主要集中在间室温度分布、流场分布优化改进[4-6]，冰箱制冷风道系统效率优化研究[7]，单独研究保温层优化分布[8]，冰箱蒸发器换热效率提升等[9]，没有综合研究制冷、风道和保温三者相互耦合的对节能效果研究的相关报道。

本文利用计算流体力学软件FloEFD对风冷冰箱整机建立保温、制冷和风道系统稳定传热温度场仿真模型，分析不同出风风速对整机效率提升效果。

1 数值模拟

1.1 仿真模型

选取公司一款十字对开四门冰箱，容积490 L，具有三个间室，如图1。为建立冰箱整机仿真模型，对冰箱数值模型的模拟作如下假设：

图1 十字对开门冰箱实图

1）箱内外流体为稳态不可压缩流体；

2）考虑重力对流动的影响；

3）内部流动为湍流；

4）流体为干燥空气。

根据上述假设，空气的三维湍流连续体、动量和能量转换方程为:

式中：

Ui— i 方向的速度；

ρa—空气密度；

P—压力；

μ—动力粘度；

ui′—i方向的波动速度；

gi=(0, 0, g)—重力加速度；

βa—空气的热膨胀系数；

T— 温度；

T∞—参考温度；

c(p,a)—空气比热容；

ka—空气热导率。

对于固体，能量转换方程为：

式中：

ks—为固体的热导率。

1.2 几何物理模型

考虑冰箱壁面传热、风道和制冷系统影响，对冰箱稳定运行物理结构模型进行简化，如图2（a）和2（b），分别对冰箱外部流场和内部流场进行简化。外部流场以实验环境为基础，按GB 12021.2-2015耗电量测试规定，输入外部环境温度32 ℃、风速小于0.25 m/s，建立仿真环境参数流入和流出口。内部流场，如图2（a）按实际风道和蒸发器简化，根据实验多次修正获得与实验相近的出风速度，以符合内部流场对壁面传热影响。

图2 几何模型

冰箱仿真各物性参数按表1所列。

表1 冰箱仿真各物性参数

2 仿真结果分析

本文利用仿真工具，建立基于制冷、风道和保温箱体模型，建立冰箱温度场仿真模型，多方面研究分析冰箱性能表现。

如图3，冷藏门体速度、热通量和温度分布，从门体温度场仿真可知，冷藏间室内壁面速度场影响冰箱保温层内壁面热通量分布，最终影响箱内冰箱壁面温度分布。

图3 冷藏门体速度、热通量和温度分布

近壁面风速除影响箱内壁面温度外，对冰箱综合性能影响方向如何，本文通过调整风道空气流量，本文风扇电机采用PWM占峰比控制调节其转速变换，通过改变风扇运行转速改变风冷风道空气流量，从而控制风循环达到箱体内壁面速度。

如图4，两种风速情况下风速变化对间室温度影响， 图4（a），（b）当风扇转速从1 400 rpm提升至1 870 rpm后，其冷藏内部平均温度从4.78 ℃升至5.15 ℃，间室温度明显上升。如图5（a），（b）当风扇转速从1 400 rpm提升至1 870 rpm后，近壁面风速增加，热流密度7.647 W/m2升至8.042 W/m2， 漏热量从3.017 W升至 3. 172 W。表明风速增加，内壁面换热增强，内壁面的热流密度及换热量升高，壁面漏热量增大，不利于冰箱保温，对冰箱性能不利。

图4 风速变化对间室温度影响

图5 风速变化对壁面传热量影响

为进一步分析获得风循环、制冷和保温综合最优值，本文通过扩大风循环流量数据，增加流量和风速变化范围1.2～2.8 m/s，如图6不同风速下风循环对冰箱换热影响。由图可知，随着风速的增加，空气流量和蒸发器换热均呈现上升增加趋势，但冷藏室温度与随着风速的增加，存在非线性关系，即存在一个相对最优风速，当风速达到1.7 m/s时能够使得冷藏室温度最低，综合效率最高。

图6 风循环对冰箱换热影响

3 实验验证

选取仿真载体冰箱，依据GB 12021.2-2015家用电冰箱耗电量限定值及能效等级国家标准测试耗电量，要求环境温度为（32±0.5）和（16±0.5）℃，相对湿度为45～75 %。采用合肥科峰型式试验控制系统、8 720数字电参数测试仪测量采集冰箱的运行电参数，并通过电能累计仪测得一定时间内的耗电量。本文仿真按环温32 ℃环境温度进行仿真，本文为验证仿真的有效性，选取国标单个环温32 ℃进行耗电量测试，获取稳态耗电量。

如表2，风速降低至最优风速对整机耗电量有利，与仿真一致。 能耗降低结果体现不明显，分析认为主要是风速降低后，制冷系统效率也会下降。

表2 耗电量测试数据

4 结论

本文利用计算流体力学软件FloEFD，通过简化风冷冰箱整机几何仿真模型，基于保温、制冷和风道系统建立物理仿真模型，通过输入冰箱载体物性及制冷关键参数进行计算，获得稳定整机冰箱稳态传热温度场仿真模型，分析风速变化对壁面传热影响、风道风循环流量变化和蒸发器换热变化，并通过改变风速，获取不同出风风速对整机综合制冷效率。结果表明：风速变化除影响制冷风循环效率外，对壁面传热有直接影响，通过仿真获得相对最优风速，使得冰箱综合效率最高，冰箱运行风速范围内1.2～2.8 m/s,当风速达到1.7 m/s时，整机制冷效率和保温效果综合效率达到最优。