王 瑤 張 波 崔培培 王煥強(qiáng) 鮑 敏

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

上凍下藏式風(fēng)冷冰箱是一種兩門上間室小冷凍、下間室大冷藏的冰箱，是出口海外產(chǎn)品的主流款型，受到海外消費(fèi)者的青睞。多為單蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，因間室送回風(fēng)要求故冷凍、冷藏風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定，系統(tǒng)性能受風(fēng)道性能制約影響較大。

本文選取公司某款單系統(tǒng)的上凍下藏風(fēng)冷冰箱，通過CFD仿真工作對(duì)該冰箱整機(jī)風(fēng)路系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)仿真模擬分析，分析間室流場(chǎng)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)找出性能存在缺陷的機(jī)理，并根據(jù)以上物理量數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試提出風(fēng)道優(yōu)化方案。

1 冰箱原型機(jī)概況

研究載體結(jié)構(gòu)和各間室分布如圖1所示，上部為冷凍室，調(diào)溫范圍為-15 ～ -24 ℃，下部為冷藏室，調(diào)溫范圍2～8 ℃，蒸發(fā)器位于冷凍室背部。該冰箱的冷凍風(fēng)道選用一款120 mm直徑大小的離心風(fēng)機(jī)，冷凍室和冷藏室的風(fēng)量通過風(fēng)機(jī)和機(jī)械式手動(dòng)風(fēng)門控制，其中機(jī)械式手動(dòng)風(fēng)門可以大幅度調(diào)整冷藏間室的風(fēng)量比例，分為強(qiáng)中弱三個(gè)檔位。

針對(duì)不同地區(qū)要求，冷藏室頂部會(huì)搭載一個(gè)FreshRoom抽屜，圖1冷藏頂部紅色零件，放置FreshRoom抽屜與不放置FreshRoom抽屜，間室內(nèi)部的溫度分布差異極大，對(duì)產(chǎn)品性能一致性帶來極大影響。

區(qū)別于上藏下凍系列冰箱，上凍下藏冰箱的冷藏送風(fēng)風(fēng)道及回風(fēng)風(fēng)道處于同一區(qū)域，進(jìn)出風(fēng)極易出現(xiàn)短路情況。如圖2所示，原機(jī)冷藏風(fēng)道藍(lán)色箭頭代表間室的出風(fēng)路徑，紅色箭頭代表冷藏間室的回風(fēng)路徑，回風(fēng)口處于冷藏間室頂部，從藍(lán)色箭頭送出的冷風(fēng)會(huì)直接從紅色箭頭處回到蒸發(fā)器倉(cāng)，冷藏室頂部第一層進(jìn)風(fēng)與回風(fēng)極易短路，當(dāng)裝載FreshRoom抽屜時(shí)，短路更明顯。

圖1 樣機(jī)冰箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 原型機(jī)冷藏風(fēng)道結(jié)構(gòu)

圖3 原型機(jī)仿真模型

2 冰箱原機(jī)性能現(xiàn)狀

2.1 原型機(jī)流場(chǎng)

通過對(duì)原機(jī)的間室循環(huán)空氣模型進(jìn)行建模，得到該風(fēng)冷冰箱的流場(chǎng)仿真模型。如圖3所示，該模型包括上部冷凍室、下部冷藏室，冷凍風(fēng)道的風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)后，風(fēng)扇將經(jīng)過蒸發(fā)器降溫過的空氣運(yùn)送至冷凍室內(nèi)部及冷藏室內(nèi)部，冷空氣與冷藏室、冷凍室內(nèi)部熱空氣進(jìn)行熱交換后繼續(xù)循環(huán)回蒸發(fā)器倉(cāng)。冷氣的輸送、返回過程在出風(fēng)風(fēng)道、回風(fēng)風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行。

本文將整個(gè)原型機(jī)流場(chǎng)分為冷藏進(jìn)風(fēng)風(fēng)道、冷藏間室、冷藏回風(fēng)風(fēng)道、冷凍進(jìn)風(fēng)風(fēng)道、冷凍間室、冷凍回風(fēng)風(fēng)道、旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇等區(qū)域，并檢測(cè)間室出風(fēng)口、回風(fēng)口及相關(guān)關(guān)鍵界面處的物理量數(shù)據(jù)。

2.2 計(jì)算控制方程

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文首先需要對(duì)計(jì)算的模型做幾點(diǎn)假設(shè)：

1）冰箱內(nèi)部為理想空氣；

2）冰箱內(nèi)部為定常不可壓流動(dòng)；

冰箱內(nèi)部的空氣流動(dòng)循環(huán)過程滿足以下控制方程：

2.3 流場(chǎng)仿真結(jié)果

從圖4流場(chǎng)分布及表1流量分布可發(fā)現(xiàn)該冰箱的整機(jī)循環(huán)風(fēng)量較小，其中冷藏室的整體流場(chǎng)風(fēng)速較低，根據(jù)上述結(jié)果我們判斷該冰箱的風(fēng)路循環(huán)效率較低，需提升。

通過觀察圖5、圖6的流場(chǎng)對(duì)比，無FreshRoom抽屜與有FreshRoom抽屜的間室流場(chǎng)分布完全不同，仿真結(jié)果與原機(jī)存在的問題相符。

3 優(yōu)化方案

通過分析原型機(jī)的流場(chǎng)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)以下問題：

1）冷藏間室整體速度場(chǎng)量級(jí)小，間室換熱效率低；

2）冷藏出風(fēng)與回風(fēng)短路對(duì)間室的換熱效率影響極大。

針對(duì)以上問題點(diǎn)，對(duì)冷凍風(fēng)道送風(fēng)型線進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)原機(jī)的冷藏風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，目的在于提高冷藏風(fēng)道的循環(huán)效率、消除冷藏出風(fēng)與回風(fēng)短路的問題，提升間室內(nèi)部換熱效率。根據(jù)上述思路，最終設(shè)計(jì)出圖7風(fēng)道結(jié)構(gòu)，其中藍(lán)色為出風(fēng)流道、紅色為回風(fēng)流量，將原頂部回風(fēng)口移至間室底部。

針對(duì)優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，并進(jìn)行整機(jī)流場(chǎng)仿真與原型機(jī)進(jìn)行對(duì)比。

通過分析圖8流場(chǎng)分布及表2結(jié)果，優(yōu)化方案明顯提升了風(fēng)道循環(huán)效率。

優(yōu)化方案的裝FreshRoom抽屜與不裝FreshRoom抽屜的流場(chǎng)分布基本一致，從仿真結(jié)果可以判斷該風(fēng)道可以解決原機(jī)溫度分布不一致的問題。

通過上述仿真分析，優(yōu)化方案在理論上有明顯改進(jìn)。我們對(duì)優(yōu)化方案裝進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比驗(yàn)證優(yōu)化方案與原狀態(tài)的性能差異。

圖4 原型機(jī)機(jī)械風(fēng)門不同檔位時(shí)箱內(nèi)流場(chǎng)

圖5 原型機(jī)無FreshRoom抽屜流場(chǎng)分布

圖6 原型機(jī)有FreshRoom抽屜流場(chǎng)分布

圖7 優(yōu)化冷藏風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 優(yōu)化方案整機(jī)流場(chǎng)分布

表1 原型機(jī)間室流量分布

表2 優(yōu)化方案間室流量對(duì)比

圖9 優(yōu)化方案無FreshRoom抽屜流場(chǎng)分布

圖10 優(yōu)化方案有FreshRoom抽屜流場(chǎng)分布

表3 間室溫度對(duì)比

表4 優(yōu)化前后耗電量對(duì)比

首先對(duì)優(yōu)化方案裝進(jìn)行間室溫度對(duì)比，驗(yàn)證FreshRoom抽屜對(duì)間室溫度的影響。從表3測(cè)試結(jié)果可以看出，F(xiàn)reshRoom抽屜對(duì)間室溫度基本無影響。

同時(shí)我們對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行耗電量對(duì)比測(cè)試，表4為原機(jī)與優(yōu)化方案的耗電測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)，表中優(yōu)化方案的耗電量有明顯降低。

上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果符合對(duì)原機(jī)的優(yōu)化預(yù)期，說明對(duì)上凍下藏冰箱風(fēng)路系統(tǒng)的優(yōu)化是成功的。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)上凍下藏冰箱風(fēng)路系統(tǒng)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，解決了原機(jī)存在的性能問題。原機(jī)存在最大的問題在于冷藏間室的進(jìn)回風(fēng)風(fēng)道短路，導(dǎo)致間室控溫一致性差，間室換熱效率低，通過對(duì)原機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，解決進(jìn)回風(fēng)短路問題，間室控溫一致性有明顯提升，同時(shí)因間室換熱效率提升降低了冰箱能耗，提升了冰箱性能。