风冷冰箱壁面传热对冰箱效率提升的研究

风冷冰箱壁面传热对冰箱效率提升的研究

赖月凤,陈耀杜,邓智文

珠海格力电器股份有限公司  广东省珠海市 519000

摘要：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仿真优技术、换热器效率提效、真空绝热板和聚氨酯保温技术等。

关键词：温度场；冰箱；壁面传热；冰箱效率

引言

管式换热器是一种高效的换热设备，在制冷、化工等行业有着广泛的应用。对于不同形式的管式换热器，国内外学者进行了大量的研究。冰箱冷却系统管道翼蒸发器的接点间距很大，一般在5毫米以上。这是考虑到当蒸发器和冰箱中热空气热交换时，箱内蒸发的水分和通过门闸门泄漏的水蒸气在蒸发器表面形成霜层，从而保证了系统的冷却效率，不需要频繁除霜，因此在触点之间建立了更大的距离。本论文通过数值模拟分析了冰箱中常用的管翼蒸发器的流动传热特性，为系统选择提供参考。

1数值模型的建立

1.1仿真模型

选取公司一款十字对开四门冰箱，容积490L，具有三个间室。为了建立冰箱整机的仿真模型，对冰箱的数值模型进行了如下仿真。(1)箱体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)内部流动是湍流。4)液体是干燥的空气。

1.2数学模型

为了便于数字建模和计算，本文假定:(1)箱内空气被视为牛顿流体，不会以固体壁的速度滑动。(2)箱体内空气符合boussinesq假设，忽略空气相变过程。(3)箱体内湍流与k-湍流流动模型相对应。(4)箱体所有壁的温度比较接近，辐射热交换远低于对流热交换，因此应忽略箱体壁之间辐射热交换。(5)假设出风口的出风口速度均匀，出风口的温度和速度(尺寸和风向)恒定。

1.3边界条件

模拟计算的极限栏，其中:(1)根据轴流式风机的实际特性曲线找到风机极限；(2)QC压缩机箱头部散热计算采用公式(8)。QC=hc×a×h(ty-th)(8)，HC是压缩壳顶部对流的传热系数，约35wm-2k-1；压缩包络的顶部面积约为0.045平方米；Ty是压缩壳体的最高温度，约30℃；Th是环境温度，约43℃。计算的结果是压缩机箱天花板的散热量约为20W。(3)微通道冷凝器的散热量根据冰箱运行阶段的制冷循环计算。首先，制冷机600a的制冷剂通过制冷循环压力图计算约1.6，当冷凝温度为44℃、温度太冷2℃、蒸发温度为-27℃。根据这一计算，冷凝器的热负荷为136瓦。本文中压缩机仓库的微通道冷凝器承受100瓦的热量，连接冰箱、内冷凝器和防锈管的水盘副冷凝器分担36瓦的热量。(4)散热空气与冰箱体壁面和家具壁面之间的热量由等效换热系数和室外温度确定。

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。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。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。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1.2~2.8m/s，不同风速下风循环对冰箱换热影响。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1.7m/s时能够使得冷藏室温度最低，综合效率最高

3模型可靠性验证

根据ISO15502标准，在同一气候控制室内对冰箱进行装配前和装配后测试。室温保持在250.5℃，相对湿度保持在50%，冰箱是空的。在采用状态实验中，将冰箱嵌入木制家具，模拟在家中实际安装冰箱。其中安装尺寸符合数值模拟:冰箱背面及家具壁左右距离为5mm。数据采集系统在测试过程中自动连续地收集和存储实验数据。数据记录器提供25个数据通道，每隔15个数据通道连续分析一次。压缩机室内放置九个温度传感器，以捕获制冷剂和压缩机室内空气的温度变化。功率放大器监视冰箱的输入功率。其中，压缩机仓库、压缩机顶部和风机出口测量点的冷凝器中间温度。通过将这些点的模拟与实验值进行比较，误差小于2.5℃，上述误差在可接受的范围内，因为冰箱的实际运行周期和气流的传热不稳定，从而可以验证数值模拟的准确性。

4结果与讨论

4.1冷冻运行期间

随着真空绝缘板厚度的增加，冷藏室平均温度降低，下降速度逐渐降低。以侧壁、底部、门体外部环境和冰箱内部环境为连接对象，连接温度随壁面而变化，而不管真空隔热层的厚度、每个冰箱壁面的外壁几何中心与几何中心之间的温度真空保温板厚度越大，冷藏室侧壁温度越低，下降趋势就越慢。此外，在添加真空绝热板的三种情况下，冷侧壁的温度会在真空绝热板和聚氨酯材料的接合处发生变化。冷藏室一侧真空隔热层的厚度几乎不会影响底温层和门体的温度变化。

4.2设计与改进

本文研制的小型保温箱由驱动电机、机架、传动机构、夹具、冷端保温箱、热端散热器、弹孔等零件组成。通过倾斜放置发动机和螺旋滑块系统，将发动机的旋转运动转化为夹具的水平和垂直运动。碳热由夹子驱动，完成拉伸加热和吸热消除过程，第一代碳热冰箱为卧式设计，热端散热器位于第一代碳热冰箱系统上方，冷端热柜位于系统下方。去除12个镍钛，长200毫米，直径0.7毫米，会产生冷却效果。为了克服运动中的夹具重力因素，对第二代立式碳热冰箱进行了改进和开发。由于结构改进，第二代碳制冷机运行更加平稳。此外，第二代碳冷却器可以另外有18个镍钛，其长度和直径与第一代碳冷却器相同。拉伸过程中电机驱动力与镍钛位移变化之间的关系，拉伸过程中电机输出所需的第二代最大驱动碳热冷却，提高了第一代碳热冰箱中镍钛的质量，大大增加了冷却次数，更方便地从冷箱内部访问存储。

4.3嵌入式冰箱测试柜的选用

目前，市场上的橱柜设备有实木复盖、板材、实木颗粒、密集板、橱柜外壳和柜门样品，大部分是以刨花板和密集板为基础，为了满足使用和装饰的需要，经过加工制造出各种工艺，主要是实心板虽然材料和工艺不同，但是外表面具有防水材料层，例如防水薄膜或防水涂料，从而以一定的方式提高柜内内置冰箱的密封效果，使得内置冰箱的外表面与外界空气接触较少，因此增加了发生冷凝问题的可能性。GB/T8059内置冰箱测试时，没有规定测试柜木材，因此不同厂家和测试机构的测试结果存在一定差异，可能会偏离用户的实际使用环境。这可能导致开发的产品不能满足用户的实际需求。

结束语

利用FloEFD计算流体力学软件简化风冷冰箱整体几何模拟模型，建立基于绝热、制冷、排气系统的物理模拟模型，输入冰箱载体的物理性能和主要冷却参数，得到稳定器冰箱稳态热温度场模拟模型。分析风速变化对壁传热、空气循环流量变化和蒸发器传热变化的影响。结果表明，风速的变化不仅影响冷水体的循环效率，而且直接影响壁面传热。通过仿真得到了比较最佳的风速，最大限度地提高了冰箱的综合效率，冰箱运行时风速范围为1.2 ~ 2.8m/s,当风速达到1.7m/s时，整机制冷效率和保温效果综合效率达到最优。

参考文献

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