韓麗麗，楊大海，魏代同，張守杰，張 月，張升剛

（海信（山東）冰箱有限公司，山東青島 266000）

0 引言

風(fēng)冷無霜冰箱，由于可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除霜，使用更為方便，已成為消費(fèi)者購買冰箱的必然選擇。風(fēng)冷無霜冰箱多采用翅片蒸發(fā)器，冰箱運(yùn)行時(shí)，循環(huán)空氣中的水分在蒸發(fā)器翅片表面上析出，凍結(jié)成霜，通過蒸發(fā)器的干燥低溫的空氣被送入冷凍室進(jìn)行食物制冷保鮮［1］。隨著冰箱的持續(xù)運(yùn)行，蒸發(fā)器上的霜層不斷增厚，一方面增大了空氣在風(fēng)道內(nèi)的流動(dòng)阻力，另一方面增大了蒸發(fā)器與空氣的換熱熱阻，降低蒸發(fā)器的換熱效率［2］。因此，需設(shè)定程序?qū)φ舭l(fā)器進(jìn)行定期除霜。蒸發(fā)器除霜的方式是在蒸發(fā)器下部安裝電加熱器［3］，電加熱器通過熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)使霜層融化。目前提高風(fēng)冷冰箱除霜效率方法的研究主要集中在不同的除霜方式和除霜的控制方法上［4-7］。實(shí)際上，風(fēng)冷冰箱除霜的效率還與霜層分布有密切的關(guān)系，尤其是單系統(tǒng)冰箱，因冷藏室回風(fēng)濕度高，霜層分布更不均勻。為了避免蒸發(fā)器某些部位剩余殘霜，必須延長除霜時(shí)間，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)和箱體內(nèi)溫度的升高，影響冰箱能耗和冷凍室食材保鮮效果。因此，很有必要對蒸發(fā)器上結(jié)霜分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，使霜層盡量在同一時(shí)刻融化結(jié)束。

1 研究方案

本文以某型號單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱為例，通過流場、溫度場仿真并配合試驗(yàn)分析，對蒸發(fā)器、回風(fēng)道布置、結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，得到蒸發(fā)器的結(jié)霜分布與除霜加熱器除霜熱量分布互相匹配的風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，達(dá)到高效除霜的目的，進(jìn)而可以降低冰箱能耗，減小箱體內(nèi)溫度的升高，提高冷凍室食材保鮮效果。

研究方案如下：首先，試驗(yàn)測量除霜加熱器表面溫度分布，確定除霜加熱器除霜熱量分布，得出最優(yōu)的霜層分布，使除霜加熱器除霜熱量分布與霜層分布相匹配。其次，基于最優(yōu)的霜層分布，得出最優(yōu)的風(fēng)量分布，使霜層分布與風(fēng)量分布相匹配。再次，基于最優(yōu)的風(fēng)量分布利用CFD流體模擬軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)回風(fēng)道結(jié)構(gòu)，使回風(fēng)道在保證對間冷冰箱成本、有效容積、制冷量影響最小的前提下，使回風(fēng)口在蒸發(fā)器上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的風(fēng)量分布。最后，進(jìn)行手板件的制作及化霜時(shí)間測試、耗電量測試、箱內(nèi)溫度回升測試，整理總結(jié)形成風(fēng)道的優(yōu)化除霜設(shè)計(jì)規(guī)范，對新品提前介入早期設(shè)計(jì)階段，開展除霜優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1所示為某型號單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱的系統(tǒng)。由于空間不足，其回風(fēng)道的布置在右側(cè)（左側(cè)需放置電控板盒），且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致風(fēng)量分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜分布不均勻。本次優(yōu)化回風(fēng)道結(jié)構(gòu)，需要滿足以下要求：回風(fēng)道風(fēng)量分布應(yīng)該與除霜加熱器放熱分布相匹配，使蒸發(fā)器上的霜均勻融化。回風(fēng)道的布置應(yīng)該盡量不影響箱室的有效容積。回風(fēng)道流動(dòng)阻力應(yīng)該盡量小，使其對蒸發(fā)器制冷性能影響最小。成本不增加或增加很少。

圖1 風(fēng)冷冰箱系統(tǒng)

1.1 除霜熱量分布計(jì)算

將除霜加熱器沿管長方向分為四等分，借助CFD仿真模擬，確定除霜加熱器在蒸發(fā)器上的熱量分布情況。其中除霜熱量由輻射熱量、對流熱量和傳導(dǎo)熱量組成，如式（1）～（4）所示［8-16］。

式中φi—— 單位時(shí)間內(nèi)除霜加熱器的除霜熱量，W；

φi,rad—— 單位時(shí)間內(nèi)以熱輻射向外傳遞的熱量，W；

φi,conv—— 單位時(shí)間內(nèi)以對流向外傳遞的熱量，W；

φi,cond—— 單位時(shí)間內(nèi)以熱傳導(dǎo)向外傳遞的熱量，W；

σ ——加熱器的輻射率，σ =0.88；

Ai——傳熱面積；

Ti,heather—— 除霜加熱器表面各點(diǎn)的熱力學(xué)溫度，℃，Ti,heather=210～310 ℃；

hi—— 強(qiáng)制對流的對流換熱系數(shù)，W（/m2·K），hi=8～22 W/（m2·K）；

λi—— 加熱器的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W（/m2·K），λi=107 W/（m·K）；

Tair—— 與除霜加熱器進(jìn)行對流換熱的空氣溫度，℃；

Ti——蒸發(fā)器表面各點(diǎn)溫度，℃。

通過計(jì)算可以得到除霜加熱器的熱量分布如圖 2，3 所示。

圖2 加熱器、蒸發(fā)器熱量計(jì)算分段

圖3 除霜加熱器熱量分布

1.2 風(fēng)量分布計(jì)算

借助流體力學(xué)仿真模擬，對回風(fēng)道進(jìn)行風(fēng)量分布計(jì)算，并對回風(fēng)道進(jìn)行初步改進(jìn)。在計(jì)算過程中，選取應(yīng)用最為廣泛、計(jì)算量適中并具有相當(dāng)精度的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對流場進(jìn)行定常分析，其中回風(fēng)口設(shè)置為停滯進(jìn)口邊界，出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界（P=1.01×105Pa），采用基于壓力的SIMPLE壓力-速度耦合求解算法對流場進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)對比如圖4所示。改進(jìn)前后的蒸發(fā)器區(qū)域內(nèi)部流場及風(fēng)量分布如圖5所示，各單元的風(fēng)量分布情況如圖6所示。從圖5，6均可看出，原始方案冷藏回風(fēng)口處風(fēng)量大，分配不均勻，回風(fēng)濕度大、終將導(dǎo)致結(jié)霜不均勻。

圖4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)對比

圖5 改進(jìn)前后蒸發(fā)器處流場對比

圖6 各單元風(fēng)量分布

1.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過除霜熱量分布計(jì)算和風(fēng)量分布計(jì)算可以看出，改進(jìn)回風(fēng)口結(jié)構(gòu)會(huì)改善化霜不均勻。因此，我們將回風(fēng)口寬度加大至與蒸發(fā)器寬度一致，回風(fēng)口內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)，通過不斷迭代的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使蒸發(fā)器內(nèi)部速度場更加均勻，提高結(jié)霜均勻性。如圖7所示，進(jìn)口段入口的形狀應(yīng)該與上游風(fēng)道出口保持一致，起連接上游風(fēng)道的作用。中間段設(shè)計(jì)成寬度漸擴(kuò)，風(fēng)道間隙由寬到窄。出口段寬度應(yīng)與蒸發(fā)器寬度相當(dāng)，風(fēng)道間隙應(yīng)較窄，這樣可保證回風(fēng)道的風(fēng)可以分布于整個(gè)蒸發(fā)器上，同時(shí)風(fēng)道所占容積較小?；仫L(fēng)道具體尺寸以及導(dǎo)流板位置的優(yōu)化可借助于計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行模擬。

圖7 回風(fēng)風(fēng)道改進(jìn)結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

將改進(jìn)后的回風(fēng)道結(jié)構(gòu)安裝到冰箱上，進(jìn)行結(jié)霜和化霜對比測試。測試前，分別在冰箱冷凍室抽屜內(nèi)部，蒸發(fā)器及加熱絲上布置溫度測點(diǎn)，記錄試驗(yàn)過程的溫度變化情況。結(jié)霜測試是在環(huán)溫38 ℃、相對濕度85%RH的冰箱性能試驗(yàn)室進(jìn)行，關(guān)閉自動(dòng)化霜，運(yùn)行7天時(shí)間后，拆機(jī)進(jìn)行對比觀察。為了加快結(jié)霜速度，可以通過加大門封處間隙1 mm的方式進(jìn)行?；獙Ρ葴y試，是將冰箱設(shè)置速凍模式，整機(jī)運(yùn)行時(shí)間10 h后，進(jìn)入強(qiáng)制化霜（冷凍-25 ℃）。圖8所示為改進(jìn)前后的結(jié)霜情況對比，可以看出，原始結(jié)構(gòu)結(jié)霜明顯不均勻（偏于左邊），優(yōu)化后結(jié)構(gòu)結(jié)霜明顯趨于均勻。圖9和表1所示為化霜升溫試驗(yàn)測試曲線和化霜升溫及加熱時(shí)間對比，原始方案除霜時(shí)加熱器的工作時(shí)間為21 min，優(yōu)化方案除霜時(shí)加熱器的工作時(shí)間為15 min，除霜時(shí)間縮短了28.6%，與此同時(shí)，加熱器的能耗也相應(yīng)降低28.6%；另外，通過監(jiān)測抽屜內(nèi)銅頭在化霜期間的溫度來比較化霜升溫幅度，原始方案化霜過程中的最大溫升為32.5 ℃，優(yōu)化方案的化霜溫升為25.2 ℃，化霜升溫降低了22.5%。

圖8 蒸發(fā)器結(jié)霜對比

圖9 化霜升溫試驗(yàn)測試曲線

表1 化霜升溫及加熱時(shí)間對比

3 結(jié)論

（1）冰箱行業(yè)風(fēng)冷冰箱的回風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)普遍延續(xù)以前的設(shè)計(jì)，只考慮空間布置而沒考慮到對化霜效果的影響。本文運(yùn)用CFD技術(shù)聯(lián)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的回風(fēng)道結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)測試，除霜時(shí)間縮短了28.6%，化霜升溫降低了22.5%，可在冰箱行業(yè)的設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

（2）風(fēng)冷冰箱的除霜問題是影響其冷凍室保鮮效果和能耗的因素之一，通過除霜加熱絲的熱量分布計(jì)算、通過蒸發(fā)器的風(fēng)量分布計(jì)算的方法可以有效的優(yōu)化回風(fēng)道結(jié)構(gòu)，降低化霜溫升和化霜耗電。該研究成果填補(bǔ)了冰箱化霜設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理論，促進(jìn)風(fēng)冷無霜冰箱的進(jìn)一步推廣發(fā)展。