冰箱结霜均匀性优化设计

冰箱结霜均匀性优化设计

崔向前

广东美的制冷设备有限公司  广东省佛山市   528000

摘要：冰箱蒸发器结霜不均匀不仅会造成化霜效率降低，同时会严重影响制冷系统制冷效率，导致冰箱温度不均匀从而影响保鲜效果。本文通过建立某单系统对开门冰箱回风模型，分析回风风道结构对回风流动的影响，实验验证了单系统冰箱中蒸发器结霜均匀性与回风均匀性具有强相关性，且通过优化冷藏回风结构进行优化设计，提升回风均匀性，可以改善蒸发器结霜不均匀的问题。

关键词：冰箱  回风风道  结霜   均匀性 

1 引言

   利用CFD仿真技术对风冷冰箱的风道优化设计来提升产品制冷效率已日趋成熟，较早的有刘永辉等将CFD仿真技术引入到冰箱产品设计中，优化冰箱内部的流场分布[1]，现在CFD已基本成为冰箱风道设计的必备工具，如刘晓庆通过仿真计算优化风量、风口分风比，缩短产品开发时间[2]。除对送风风道、风口进行研究分析外，也有部分学者对回风以及化霜进行了研究，如李智强通过优化回风风道改善蒸发器结霜状态[3]。

   单系统冰箱冷冻、冷藏等间室共用同一套制冷系统，风机、蒸发器都放置于冷冻室风道内，风机将蒸发器的冷空气送到冷冻室及其它间室。单系统冰箱实际运行，冷冻间室温度一般在-18°C以下，冷藏间室温度在4°C左右，这两个温度下空气的含湿量分别为0.46g/Kg、3.01g/Kg，两个间室空气的含湿量相差6.5倍，蒸发器的霜绝大部分来自冷藏的湿空气，这意味着冷藏空气在蒸发器的流动分布较大程度影响着蒸发器结霜的均匀性。单系统冰箱由于蒸发器在冷冻室风道内，冷藏回风结构受空间限制，其回风回到蒸发器时分布不均，导致大部分单系统冰箱蒸发器结霜均匀性较差。

本文通过对某单系统对开门冰箱的回风结构进行分析，得到冷藏回风管设计参数对回风在蒸发器流动分布的影响，并对该箱体的回风结构进行优化设计，改善了蒸发器结霜均匀性效果，验证了通过回风均匀性设计来提升单系统冰箱结霜均匀性方法的正确性。

2 回风结构对冷冻回风影响分析

2.1 单系统对开门冰箱冷藏回风结构及设计参数

如图2-1(a)为单系统对开门冰箱的回风模型，模型主体部位是回风腔，回风腔上方是蒸发器，下方是接水盘，接水盘距离蒸发器的底部的垂直距离为140mm。简化模型，腔体正前方为冷冻回风风道，右侧为冷藏回风风道，冷藏冷冻两股回风在回风腔中交汇相互作用，一起流入上方蒸发器中。

图2-1 单系统对开门冰箱回风模型

在冷冻回风结构保持不变的前提下，研究冷藏回风管位置及角度对冷冻回风流动的影响。如图2-1(b)、(c)所示，冷藏回风管主要由三个设计参数控制，分别为回风管中心距接水盘的垂直高度d1、回风管竖直方向角度α1、回风管水平方向角度α2，受结构等限制，d1的设计区间取值范围为35mm-130mm，α1的设计范围为60°-110°，α2的设计范围为70°-105°。

2.2 计算模型及仿真方法

如图2-1(a)冷藏冷冻回风口设置为流量入口，数值分别取整机仿真中两回风口计算结果，冷冻回风风量Q1=36.5m3/h，冷藏回风Q2=10.3m3/h，蒸发器上方风道设置为压力出口，压力值设置为整机仿真该平面的静压值，蒸发器采用多孔介质模型，为了量在蒸发器的均匀性，将蒸发器宽度方向等分为五份，从左到右各份分别命名为E1、E2、E3、E4、E5，模拟中采用稳态计算，湍流模型设置为标准k-ε模型，利用脚本对计算模型中设计参数进行更改、提交计算，及自动提取蒸发器五个位置回风风量，统计五组风量值的标准差σ，其中σ值越小意味着五个位置的风量越趋于一致，即回风在蒸发器流动分布的均匀性越好。

2.3 各参数影响性分析及优化方案设计

将参数d1、α1、α2在其各自的设计区间内相互正交，计算各参数在不同水平下σ的数值，如图2-2、2-3、2-4，分别为三个参数在不同设计区间下σ的分布，每一个点为一组不同参数下的σ结果值，由图2-6可以明显可知，在不同高度d1下，σ呈一定规律性，我们根据σ分布特点，将d1在

图2-2 不同冷藏回风口高度d1均匀度σ的分布

图2-3 不同冷藏回风角度α1均匀度σ的分布   2-4 不同冷藏回风角度α2均匀度σ的分布

35mm-130mm取值范围分为三个区域，由低到高分别为区域ABC。区域A中，d1处于 35-65mm范围内，σ分布有高有低，且有多组结果σ达到了0.5附近，是所有组结果数据中均匀度最好的；区域B中，d1在65-95mm范围内，该区域均匀度均很差，一致性较好，几乎都在1.5-3范围；区域C中，d1在95-130mm范围内，均匀度均一致性较好，σ值都在1-1.5范围中。而由图2-3可以明显看出，在α1取任意角度值时，对应的σ值没有规律性，同样α2也是这种情况，说明了三个参数共同作用下，d1相较另外两个参数对均匀度σ的影响更大，均匀度σ主要受d1影响。

ABC三个区域中各调取一组模型回风在蒸发器的流线分布，如图2-5可以看到三个区域回风明显呈不同流动路径，这三组数据中，B区域的均匀性最差，A区域均匀性最好，C区域中蒸发器最左侧冷藏回风吹不到，均匀度不如A区域。如图2-6为模拟冷藏回风口关闭，仅冷冻回风时冷冻回风流动情况，可以看到冷冻回风在这种结构下的流动明显存在两处流动死角，一处位于A区域，即接水盘的上方空间，一处位于C区域，靠近风道前盖板的位置。这也解释了三个区域冷藏回风流动的差异，在A区域时，冷藏回风由冷冻回风下方的死角向左侧流动，可以到达蒸发器的左侧，而在B区域时，冷藏回风与冷冻回风对冲，被完全堵死在了蒸发器右侧，均匀度很差；同理在C区域时，冷藏回风由冷冻回风前方的流动死角向左侧流动，但该流动路径仅能吹至蒸发器E2位置处。

图2-5 ABC各区域的一组模拟中冷藏回风的流动图       图2-6 冷冻回风流动路径

前面提到由图2-2可知，区域A中，均匀度σ一致性较差，σ值有大有小，仅部分组的均匀度σ达到了0.5附近，其他的一些组均匀度较差，这意味着风口高度d1处于A区域时，均匀度还受另外两个参数α1α2影响，而BC区域一致性较好，意味着，在风口高度d1在这两个区域时，通过调整α1α2对均匀度影响不大。

图2-7 d1=45mm不同α1α2时σ气泡图

将风口高度d1设置为45mm保持不变，α1α2分别由70-120°、70-105°设置为多组不同角度，两组角度正交，仿真并计算标准差σ，分析冷藏回风口在A区域时，两角度参数在不同角度下均匀度σ的表现。结果如图2-7所示，横坐标α1为纵坐标为α2，图中每一个圆点为对应α1α2下的仿真结果的σ值，圆点越大，σ值越大，反之，σ值越小。由图可知，坐标系右下角的红框范围内均匀度更好，冷藏回风管的两角度位于该区域时，对回风的均匀度最有利。

2.4 实验验证

从所有模拟数据中选取均匀度最优的一组d1=45mm，α1=110°，α2=75°，制作手板替换原方案的冷藏回风管，并实验测试验证。图2-8（a）为原方案及优化方案蒸发器不同位置的冷藏回风风量分布，冷藏回风在蒸发器的风量分布σ值由原方案的2.4优化降低至0.4，均匀度得到很大改善，蒸发器各位置翅片霜层厚度由原方案的集中在右侧变为均匀分布，仿真与实验结果一致性较好，且验证了通过回风风道设计，提升回风均匀性来优化蒸发器结霜均匀性方法的正确性。

图2-8 原方案及优化方案蒸发器中冷藏回风风量分布及结霜

3 结论

本文对单系统对开门冰箱的冷藏回风结构的设计参数进行研究分析，得到了各参数对冷藏回风在蒸发器流动分布均匀性的影响及规律，在不同回风结构下回风在回风腔中呈现不同流动路径，直接影响了回风在蒸发器流动均匀性分布，实验验证了通过改善回风在蒸发器流动分布的均匀性，可以使蒸发器结霜更均匀。

参考文献

[1] 刘永辉. 基于CFD技术的大容量风冷冰箱流场分析及改进设计[J]． 流体机械，2007, 42(7)．

[2] 刘晓庆, 李凌云, 闵龙,等. 基于CFD的风冷冰箱风道仿真分析[J]. 家电科技, 2017, 77-79.

[3] 李智强, 赵丹, 丁国良,等. 间冷冰箱回风道的优化除霜设计[J]. 制冷学报, 2016, 77-83,118.