龍斌華

LONG Binhua

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

Gree Electric Appliances,Inc. Of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

空調(diào)室外側(cè)的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容，隨著人們生活水平的日益提升，對(duì)建筑外圍的要求也越來(lái)越高?？照{(diào)外機(jī)常被集中擺放在空間狹窄并用百葉等機(jī)構(gòu)進(jìn)行遮蔽的建筑飄窗下的凹槽內(nèi)，這種安裝方式對(duì)室外機(jī)及整機(jī)存在較大的影響。T.T Chou[1]等用數(shù)值分析法對(duì)放置在凹槽內(nèi)的室外機(jī)散熱情況分析發(fā)現(xiàn)，這種放置方式會(huì)導(dǎo)致COP的平均值下降，姜曉東[2]等人用CFD分析方法研究了格柵孔隙率對(duì)室外機(jī)風(fēng)量及性能的影響，金梧鳳[3]等人用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了位于凹槽內(nèi)的單臺(tái)室外機(jī)散熱情況。

在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以及風(fēng)沙等的惡劣環(huán)境下，很容易在室外換熱器翅片管表面積灰，積灰區(qū)域的風(fēng)阻增加，承擔(dān)的有效散熱量減少，導(dǎo)致室外側(cè)換熱不良[4]。特別是夏季，嚴(yán)重的情況下還會(huì)導(dǎo)致電子元器件因?yàn)闇厣^(guò)高而出現(xiàn)損壞或失效現(xiàn)象。

現(xiàn)有的技術(shù)手段主要研究空調(diào)室外機(jī)散熱的外圍結(jié)構(gòu)影響以及制冷系統(tǒng)流路優(yōu)化，鮮少有對(duì)室外風(fēng)道系統(tǒng)的研究及優(yōu)化，無(wú)法達(dá)到治標(biāo)的目的。其實(shí)，這些問(wèn)題的出現(xiàn)歸根結(jié)底是因?yàn)榭照{(diào)運(yùn)行風(fēng)阻增加導(dǎo)致?lián)Q熱能力降低。因此，我們有必要研究一下風(fēng)道系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題。

2 新型風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)空調(diào)室外機(jī)風(fēng)道采用軸流風(fēng)機(jī)，其進(jìn)出風(fēng)形式為：側(cè)面+后面進(jìn)風(fēng)，前面出風(fēng)（如圖1所示），由于換熱器為“L”型，經(jīng)CFD仿真分析該類型換熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)的風(fēng)速分布（如圖2所示）極不均勻，導(dǎo)致?lián)Q熱效率不高，且此類風(fēng)道系統(tǒng)克服靜壓能力較差，不適合管網(wǎng)阻力較大的室外機(jī)系統(tǒng)或安裝于單面墻體同時(shí)進(jìn)出風(fēng)帶格柵的半密閉空間（如圖3所示）。

基于此，本文以公司1.5P冷量的某款室外機(jī)殼體為研究對(duì)象優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型的室外風(fēng)道系統(tǒng)。該優(yōu)化設(shè)計(jì)在不增加現(xiàn)有殼體三維尺寸的情況下將原有的低壓軸流風(fēng)道改變?yōu)檩^高靜壓的離心風(fēng)道系統(tǒng)。原有軸流風(fēng)機(jī)尺寸為D400mm*H125mm，新型風(fēng)道系統(tǒng)的離心風(fēng)機(jī)輸送的氣流主要是軸向進(jìn)、周向出[5]，其尺寸為D440mm*H104mm。新型風(fēng)道殼體的進(jìn)出風(fēng)方式為：前側(cè)進(jìn)風(fēng)，側(cè)面+頂面和/或前面出風(fēng)（如圖4、圖5所示）。

3 CFD仿真分析結(jié)果

在進(jìn)行CFD仿真分析時(shí)，對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)無(wú)影響的其他部分，如壓縮機(jī)側(cè)考慮忽略。以下為了簡(jiǎn)化表示，將采用軸流風(fēng)道系統(tǒng)的傳統(tǒng)室外機(jī)方案簡(jiǎn)稱為原風(fēng)道，采用離心風(fēng)道系統(tǒng)的新型室外機(jī)簡(jiǎn)稱為新型風(fēng)道。

CFD仿真計(jì)算采用有限體積法的數(shù)值離散格式對(duì)方程組進(jìn)行求解，湍流模型采用Realizable k-ε模型，換熱器采用多孔介質(zhì)模型[6]，原風(fēng)道風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速800pm，新型風(fēng)道風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速650pm。

由計(jì)算可知，兩款風(fēng)道系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力差別不大，可將殼體風(fēng)阻作為相同基準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。由圖6、圖7所示，原風(fēng)道單個(gè)出風(fēng)口外的氣流“螺旋式”排出，中心位置存在較大的氣流旋渦，對(duì)噪聲降低及循環(huán)風(fēng)量的增加非常不利。而圖8、圖9所示的新型風(fēng)道系統(tǒng)采用離心風(fēng)機(jī)軸向單面進(jìn)風(fēng)，換熱器上風(fēng)速分布趨于均勻化，對(duì)室外換熱能力提升有較大幫助；且周向多面出風(fēng)口的氣流排出順暢，基本無(wú)回流，利于風(fēng)量提升及噪聲音質(zhì)的改善。

接下來(lái)，在兩個(gè)風(fēng)道方案的出風(fēng)口分別施加一定的靜壓，來(lái)等同模擬安裝在不同半封閉空間位置、不同百葉角度、換熱器積灰臟堵、結(jié)霜等情況下風(fēng)阻增大的現(xiàn)象。兩個(gè)風(fēng)道方案的計(jì)算對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10、圖11分別為根據(jù)表1繪制的計(jì)算方案加壓后的風(fēng)量—靜壓曲線以及風(fēng)量—功率曲線對(duì)比圖，從圖中可以看出：0Pa靜壓代表室外機(jī)安裝在無(wú)任何遮擋的全敞開式空間中，原風(fēng)道風(fēng)量性能優(yōu)于新型風(fēng)道6.2%；當(dāng)施加一定靜壓時(shí)，兩者的風(fēng)量均隨之衰減，新型風(fēng)道系統(tǒng)衰減的速率＜原風(fēng)道系統(tǒng)。55Pa，1530mh為兩者的交點(diǎn)，此時(shí)兩者相當(dāng)。當(dāng)繼續(xù)施加風(fēng)阻后，原風(fēng)道風(fēng)量迅速衰減；26Pa靜壓時(shí)，風(fēng)量已衰減50%，新型風(fēng)道系統(tǒng)風(fēng)量?jī)H衰減15%；63Pa靜壓時(shí)，風(fēng)量才衰減50%。除風(fēng)道系統(tǒng)外，其克服靜壓能力為原風(fēng)道系統(tǒng)的1.25倍，隨著靜壓的提升，原風(fēng)道功率隨風(fēng)量降低而有輕微增加，新型風(fēng)道方案在加壓后，其風(fēng)量衰減少，功率反而更小，這與風(fēng)道采用的兩款風(fēng)機(jī)類型本身的特性曲線變化趨勢(shì)一致，同時(shí)也說(shuō)明：原風(fēng)道系統(tǒng)風(fēng)機(jī)不適合頻繁關(guān)閉啟動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真計(jì)算對(duì)比方案變化趨勢(shì)的一致性及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的合理性，對(duì)仿真計(jì)算的兩個(gè)方案分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。風(fēng)量、噪聲測(cè)試參照GB/T 12362000工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)GB/T 77252016房間空氣調(diào)節(jié)器標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，原風(fēng)道測(cè)試最高轉(zhuǎn)速1100rpm，新風(fēng)道測(cè)試最高轉(zhuǎn)速90pm。

圖1 傳統(tǒng)室外風(fēng)道系統(tǒng)

圖2 傳統(tǒng)室外風(fēng)道換熱器風(fēng)速分布

圖3 室外機(jī)組群安裝示意圖

圖4 新型風(fēng)道系統(tǒng)示意圖1

圖5 新型風(fēng)道系統(tǒng)示意圖2

圖6 原風(fēng)道截面速度矢量圖

圖7 原風(fēng)道跡線圖

圖9 新型風(fēng)道跡線圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的換熱器迎風(fēng)面風(fēng)速分布如圖12所示，與仿真計(jì)算獲取的換熱器風(fēng)速分布基本一致，有差異的地方是圖12的中間低速區(qū)向左偏斜，這主要是由于實(shí)驗(yàn)采用了一款較大直徑電機(jī)，擋住了部分進(jìn)風(fēng)，且因?qū)嶒?yàn)測(cè)試殼體軸向上的中隔板不對(duì)稱，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸心比進(jìn)風(fēng)口處換熱器中心偏左。

圖13、圖14表明：在現(xiàn)有風(fēng)道殼體不變的情況下，滿足性能的同時(shí)加壓40Pa，軸流風(fēng)機(jī)則急速衰減85%，克服靜壓能力差；而離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量緩慢衰減20%，克服靜壓能力比原風(fēng)道殼體提升150%，可解決現(xiàn)有室外風(fēng)道風(fēng)阻增大引起的散熱不良現(xiàn)象。

圖8 新型風(fēng)道換熱器風(fēng)速分布

圖10 計(jì)算方案風(fēng)量靜壓對(duì)比

實(shí)驗(yàn)在高轉(zhuǎn)速條件也進(jìn)一步證實(shí)了新型風(fēng)道克服靜壓能力強(qiáng)勁，更加適合高靜壓工況，40Pa靜壓以內(nèi)性能衰減小，可長(zhǎng)久保持高效運(yùn)行，成為特殊運(yùn)行環(huán)境下的首選室外風(fēng)道方案。

本文僅是對(duì)優(yōu)化的新型風(fēng)道方案進(jìn)行初步研究，其噪聲及整機(jī)換熱情況將在后續(xù)的研究工作中進(jìn)一步開展驗(yàn)證。

圖11 計(jì)算方案風(fēng)量功率對(duì)比

圖13 實(shí)測(cè)方案風(fēng)量—靜壓對(duì)比

圖14 實(shí)測(cè)方案風(fēng)量—功率對(duì)比

5 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有通用的室外空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行利弊分析，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款新型風(fēng)道系統(tǒng)，并對(duì)原風(fēng)道與新型風(fēng)道系統(tǒng)展開了仿真及試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）CFD仿傷真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比方案變化趨勢(shì)完全一致，說(shuō)明CFD仿真對(duì)于研究設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義；

（2）新型風(fēng)道系統(tǒng)采用“平板”型換熱器比原風(fēng)道系統(tǒng)的“L”型換熱器上的風(fēng)速分布更加均勻，可提升對(duì)流換熱系數(shù)，增強(qiáng)換熱能力；

（3）新型風(fēng)道系統(tǒng)采用較高靜壓離心風(fēng)機(jī)，抗外界靜壓能力可提升150%，當(dāng)施加相同靜壓時(shí)，其風(fēng)量衰減速度較原風(fēng)道慢；

（4）新型風(fēng)道系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗靜壓、進(jìn)風(fēng)風(fēng)速更加均勻，后續(xù)可通過(guò)整機(jī)性能匹配，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)降低新型風(fēng)道系統(tǒng)噪聲的可能性；

（5）本文對(duì)于研究新型高靜壓室外機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)方案進(jìn)行了研究初探，對(duì)于今后的研究具有很好的指導(dǎo)意義。