鄧 勇 陳昌中

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著生活水平的提高，人們對空調(diào)器的外觀和尺寸要求越來越高，天花式空調(diào)器出風(fēng)面板厚度尺寸也越來越薄。天花式空調(diào)器由于空間限制，輔助出風(fēng)口結(jié)構(gòu)緊湊，如果風(fēng)道設(shè)計不合理容易造成冷、熱氣流在天花機八面出風(fēng)面板上產(chǎn)生交集，出現(xiàn)輔助出風(fēng)口溫度不均勻直接導(dǎo)致面板凝露[1]。本文針對某款天花式空調(diào)器輔助出風(fēng)口存在的出風(fēng)口凝露現(xiàn)象，利用ANSYS軟件仿真技術(shù)結(jié)合試驗方法，獲取輔助出風(fēng)口氣流流動規(guī)律，通過優(yōu)化風(fēng)道參數(shù)，改變了風(fēng)口處冷熱空氣交界位置，從而避免了面板凝露問題，為空調(diào)器風(fēng)道設(shè)計提供一定參考指導(dǎo)。

1 出風(fēng)口凝露問題分析

1.1 凝露原理

空氣在一定的大氣壓力下冷卻出水時的飽和溫度稱作露點溫度。用壓力PV和溫度t來描述潮濕空氣的水蒸氣的形態(tài)。如圖1所示，在p-v示意圖上點a為濕空氣中水蒸氣的形態(tài)。對于不飽和的濕空氣，如果在水蒸氣壓力PV保持不變的狀態(tài)下使之冷卻，使不飽和空氣的溫度t下降，這時，即使?jié)窨諝庵兴魵獾暮繘]有變化，但水蒸氣的形態(tài)會沿著PV的定壓線a-c方向變化，一直到點c位置達到飽和狀態(tài)。這時的點c處溫度td被定義為露點溫度。如果對此點繼續(xù)冷卻，就會有水蒸氣變?yōu)槟Y(jié)水析出[2]。

圖1 濕空氣中水蒸氣的p-v圖

根據(jù)馬格拉斯公式計算空氣露點，其水或冰的飽和水蒸氣壓力計算公式如下[3]：

式中：

E0—空氣在0 ℃時的飽和水蒸氣壓力，這里E0取值6.11 hPa；

t—空氣溫度（℃）；

a、b—定值常數(shù)，在水或冰面溫度t＞0 ℃，a取值7.5，b取值237.3，在水或冰面溫度t≤0 ℃，a取值9.5，b取值265.5。

當(dāng)空氣的相對濕度為φ時，這時的空氣中水蒸氣壓力計算公式如下：

式中：

e—空氣中水蒸氣壓力（hPa）；

φ—空氣的相對濕度（%）。

由上可得出空氣的露點（℃）計算公式如下：

1.2 輔助出風(fēng)口凝露現(xiàn)象分析

空調(diào)器出風(fēng)口凝露主要有兩大原因：一是系統(tǒng)設(shè)計不合理導(dǎo)致分路不均勻，使空調(diào)器室內(nèi)機蒸發(fā)器中各流路的制冷劑狀態(tài)不一樣，這時流過蒸發(fā)器不同地方時空氣就會形成溫度差，繼而在空調(diào)器的風(fēng)道內(nèi)部各地方形成冷熱空氣相互混合的局面，當(dāng)風(fēng)道內(nèi)的熱空氣的溫度下降至露點溫度以下時，就會有凝結(jié)水產(chǎn)生[4]；二是結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致的漏風(fēng)、風(fēng)道流場紊流等問題，會造成風(fēng)道在冷熱空氣交界面發(fā)生凝露[5]。

在本案例中圖2中輔助出風(fēng)口的凝露主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成面板溫差大而出現(xiàn)凝露水。

圖2 輔助出風(fēng)口凝露

2 輔助出風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計

該款天花機輔助出風(fēng)口沒有導(dǎo)風(fēng)板，在產(chǎn)品設(shè)計時需要同時考慮凝露和送風(fēng)距離問題，出風(fēng)口風(fēng)道合適的斜率才能保證送風(fēng)距離又能避免風(fēng)口出現(xiàn)大量的凝露水。

2.1 控制方程

按照空調(diào)器的氣流性質(zhì)，對天花式空調(diào)器的氣流仿真模型進行簡化：設(shè)定天花式空調(diào)器的結(jié)構(gòu)密封性能好，風(fēng)道各處沒有泄漏，其內(nèi)部空氣設(shè)定為不可壓縮，滿足Boussinesq假定條件；假設(shè)氣流一直位于穩(wěn)定狀態(tài)，其內(nèi)部氣流設(shè)定為完全的湍流運動，空調(diào)器與外界是絕熱的。

對不計重力的三維、定常、不可壓縮的氣體，在處于恒定角速度的相對直角坐標系下，流體控制方程如下：

式中：

φ—通用變量；

?！獙?yīng)于φ的廣義擴散系數(shù)；

S—對應(yīng)于φ的廣義源相。

2.2 計算模型

本文利用流體力學(xué)FLUENT分析軟件進行數(shù)值仿真離散化求解。在計算范圍解內(nèi)離心風(fēng)機旋轉(zhuǎn)形成流體流動，湍流模型采用k-ε，坐標使用多重考系，設(shè)定離心風(fēng)機內(nèi)流場為轉(zhuǎn)子區(qū)域，其余部分為定子區(qū)域。

假設(shè)邊界條件如下：

大氣壓力：1.013 5 MPa；

環(huán)境溫度：無；

出風(fēng)靜壓：0 pa；

房間尺寸：3×4×18（單位：m）。

2.3 仿真分析

輔助出風(fēng)口處泡沫與面板形成風(fēng)道，從經(jīng)濟上考慮，通過改變泡沫斜率來優(yōu)化風(fēng)道。對該處的泡沫設(shè)計斜率進行變化，如圖3所示，通過設(shè)置合理的參數(shù)仿真預(yù)測氣流方向來避免冷熱空氣交界面處于面板上。

圖3 輔助出風(fēng)口泡沫與面板風(fēng)道結(jié)構(gòu)（異形交錯的風(fēng)道結(jié)構(gòu)）

泡沫迎風(fēng)面夾角α表征泡沫風(fēng)道斜率，通過對該處α值的變化，輔助出風(fēng)口處的泡沫形成了凹面、凸面設(shè)計，其相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 輔助出風(fēng)口凹面泡沫風(fēng)道氣流仿真結(jié)果

圖5 輔助出風(fēng)口凸面泡沫風(fēng)道氣流仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果來看，圖4中從凹面泡沫吹出的氣流貼著天花板，能滿足遠距離送風(fēng)要求，但出風(fēng)口處的氣流距離面板上表面過近，容易在面板上產(chǎn)生凝露現(xiàn)象；圖5中從凸面泡沫吹出的氣流斜向下直吹，可以避免出風(fēng)口氣流在面板上產(chǎn)生冷熱交界面而造成風(fēng)口凝露，但無法滿足遠距離送風(fēng)要求。

對泡沫迎風(fēng)面夾角α繼續(xù)優(yōu)化參數(shù)，使出風(fēng)口泡沫面與面板接觸面形成一個異形相互交錯的風(fēng)道來控制氣流在風(fēng)道中間吹出從而將冷熱交界面移至到空氣中，避免在面板上產(chǎn)生凝露水，其輔助出風(fēng)口優(yōu)化后的泡沫與面板形成的風(fēng)道仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 輔助出風(fēng)口泡沫優(yōu)化仿真結(jié)果

從圖6中可以看出泡沫迎風(fēng)面夾角α優(yōu)化參數(shù)后，其氣流在輔助出風(fēng)口處沒有緊貼面板，氣流沿著泡沫與面板交錯的風(fēng)口中間吹出，避免了冷熱風(fēng)在面板上交界而凝露；同時氣流在遠離風(fēng)口位置后與天花平行送風(fēng)滿足了遠距離送風(fēng)要求。由此可以得出，通過優(yōu)化泡沫迎風(fēng)面夾角α參數(shù)得到與面板形成合理的風(fēng)道結(jié)構(gòu)可以保證送風(fēng)距離又能避免風(fēng)口出現(xiàn)大量的凝露水。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗方法

1）低溫凝露（最低風(fēng)檔）

在室內(nèi)側(cè)干球/濕球溫度為27 ℃ /24 ℃，室外側(cè)干球/濕球溫度為27 ℃ /24 ℃工況下，電源電壓為額定電壓，空調(diào)器開制冷最低風(fēng)檔連續(xù)運行4 h以后再轉(zhuǎn)最高風(fēng)檔運行10 min，觀察并記錄數(shù)據(jù)和凝露情況。

2）高溫凝露（最低風(fēng)檔）

在室內(nèi)側(cè)干球/濕球溫度為27 ℃ /24 ℃，室外側(cè)干球/濕球溫度為35 ℃ /-工況下，電源為額定電壓，空調(diào)器開制冷最低風(fēng)檔連續(xù)運行4 h以后，再轉(zhuǎn)最高風(fēng)檔運行10 min，觀察并記錄數(shù)據(jù)和凝露情況。

3.2 判定標準

在整個試驗過程中，空調(diào)機出風(fēng)口周圍及導(dǎo)風(fēng)板允許有凝露水珠但不允許滴落，室內(nèi)送風(fēng)不應(yīng)帶有水滴，轉(zhuǎn)高風(fēng)運行后，風(fēng)道內(nèi)壁（風(fēng)管內(nèi)機結(jié)構(gòu)測試完凝露拆開側(cè)板檢查風(fēng)道）上允許有少許水滴，但不允許有水滴吹出或出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

3.3 實驗結(jié)果及分析

實驗驗證了優(yōu)化泡沫迎風(fēng)面夾角α結(jié)構(gòu)與面板成異形交錯的風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖7所示，可使風(fēng)口出風(fēng)不再吹向面板，冷氣流在風(fēng)道中間吹出從而將冷熱交界面移至到空氣中，避免在面板上產(chǎn)生凝露水。實驗結(jié)果如圖7所示，風(fēng)口面板上方有少量分散的細小凝露水，滿足實驗標準要求，未出現(xiàn)凝露水滴落情況，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，表明優(yōu)化后的泡沫斜率參數(shù)滿足了八面出風(fēng)面板風(fēng)口設(shè)計要求。

圖7 輔助出風(fēng)口泡沫實驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對某款天花式空調(diào)器輔助出風(fēng)口存在風(fēng)口凝露現(xiàn)象，分析發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是面板形成溫度差導(dǎo)致凝露的主要原因。合理的風(fēng)道設(shè)計尤其是迎風(fēng)面夾角α的斜率是影響出風(fēng)均勻性的關(guān)鍵因素，通過優(yōu)化泡沫迎風(fēng)面夾角α，設(shè)計了泡沫迎風(fēng)面夾角α結(jié)構(gòu)與面板成異形交錯的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，并通過仿真和實驗驗證了優(yōu)化后的風(fēng)道結(jié)構(gòu)能改變風(fēng)口處冷熱空氣交界位置，從而避免了面板凝露問題同時滿足遠距離送風(fēng)要求。由于測量和檢測的誤差，仿真和實驗有一定的差距，但不影響迎風(fēng)面夾角α的斜率對凝露影響趨勢判斷，為空調(diào)器風(fēng)道設(shè)計提供一定參考指導(dǎo)。