自由与嵌装状态下冷凝器散热对冰箱性能的影响

刘建如 乔琳 黄东 刘煜森

1.海尔智家股份有限公司 山东青岛 266000；2.西安交通大学制冷与低温工程系 陕西西安 710049

1 引言

在我国高房价的影响下，房间面积的使用方法变得值得关注，因此嵌入式冰箱成为新趋势，市场增量巨大。嵌入式冰箱是指冰箱整体嵌入橱柜中，从而达到美观、占地面积小、一体化装修等效果。然而冰箱与橱柜内表面间隙小，空气流动阻力大，导致进入压缩机仓并对冷凝器和压缩机散热的风量减小，会导致冰箱压缩机仓散热恶化以及由此引起的冰箱工作能耗大幅上升，甚至危及其安全可靠性，也成为目前限制其发展的重要原因。

目前关于家用冰箱冷凝器散热性能问题，国内外已开展了一些相关研究，已有文献研究大多侧重自由非嵌入状态的冰箱，包括冰箱周围气流组织对散热的影响[1-3]、冷凝器结构及材质对散热的影响[4-6]等。但是目前关于嵌入安装下的冰箱冷凝器散热问题相关研究非常之少。Devle[7]等人通过数值模拟结果表明，嵌入安装风冷冰箱的散热效率低于自由状态下的散热效率，并且热空气的再循环和外界气流的减少是造成压缩机仓内冷凝器性能变化的两个主要因素。之后国内的学者[8-9]也有研究嵌入式冰箱的散热问题和噪音分布特点，发现其气流流动不通畅是造成散热恶化的主要原因，此外其声压和频率大小都和传统非嵌入式的冰箱有所区别。而对于嵌入式冰箱压缩机仓散热条件远比自由状态下恶劣，空气的流动与传热过程也会表现出独特的特征，但目前在公开发表的文献中几乎未有涉及。因此，本文针对某品牌风冷冰箱，对比研究了嵌装与自由状态下，压缩机仓内外空气流动与传热特征及冷凝器散热对冰箱性能的影响，为后续气流组织及散热优化提供理论指导。

2 数值模型的建立

2.1 物理模型

针对自由和嵌装两种状态，对冰箱分别建立压缩机仓流动与传热几何模型，并进行适当简化。自由状态下，冰箱几何模型主要包括后侧墙壁面、地面、冰箱壁面、压缩机仓壳体、进出风格栅、内部接水盘、冷凝器、风机以及压缩机，冰箱背面距离墙壁20 mm，顶面距离墙壁400 mm，侧面无墙壁，底部距地10 mm，如图1a）所示。嵌装状态是将冰箱不做任何改动直接嵌入橱柜中，几何模型中冰箱背面、侧面和顶面的距柜间隙均为5 mm，如图1b）所示。压缩机仓的几何模型放大图如图1c）所示，压缩机仓位于冰箱底部，压机仓后背板、左右侧板以及底前侧板均开设进出风格栅，其中压缩机仓体宽深高尺寸为830 mm×190 mm×200 mm，进风面积0.0186 m3，出风面积0.019 m3。外界空气在风机驱动下从进风格栅流入，先后与冷凝器、压缩机进行换热，最后从出风格栅流出。

图1 自由和嵌装冰箱几何模型示意图

2.2 数学模型

2.2.1 基本假设

（1）将空气视为不可压缩牛顿流体；

（2）空气符合Boussinesq假设，忽略黏性耗散项密度只随温度变化；

（3）空气流动使用k-ε湍流模型；

（4）忽略压机仓体内部及壁面之间的辐射换热；

（5）假设流体为干空气，忽略湿度变化。

2.2.2 控制方程

计算域内的流场和温度场需满足质量、动量以及能量守恒方程，将空气流场及温度场的求解简化为稳态问题，与时间项无关。

质量守恒：

动量守恒：

以X方向为例：

能量守恒：

k-ε方程：

其中：

式中，k为湍流动能，单位：J；ε为湍流耗散率；ρ为密度，单位：kg·m-3；T为温度，单位：K；η为粘性系数，单位：Pa·s，并且引入c1、c2、cμ三个系数以及σT、σk、σε三个常数，根据文献[10]，一般分别取经验值1.44、1.92、0.09、1.0、1.0、1.3。

2.2.3 边界条件

仿真计算的边界条件如表1所示，其中：

表1 数值仿真边界条件设置参数

（1）风扇边界根据轴流风机实际特征曲线查得；

（2）压缩机壳顶散热量QC的计算采用式（8）。

式中，hc为压缩机壳顶对流换热系数，约为35 W·m-2·K-1；A为压缩机壳顶表面积，约为0.045 m2；ty为压缩机壳顶温度，约为30℃；th为环境温度，约为43℃。由此计算得出，压缩机壳顶散热量约为20 W。

（3）微通道冷凝器散热量的计算，是根据冰箱冷冻运行阶段下，制冷循环计算得出。首先冰箱制冷剂R600a在冷凝温度44℃，过冷度2℃，蒸发温度-27℃的冷冻运行工况下，由制冷循环压焓图计算得出压缩机COP约为1.6。

式中，Q0为冷冻蒸发器制冷量，单位：W；N为压缩机功率，单位：W。因此根据冰箱稳定运行周期压缩机停机时刻功率60 W，计算得出冷冻蒸发器制冷量为96 W。因此冷凝器热负荷即Qk为：

由此计算得出冷凝器热负荷为136 W，本文认为其中压缩机仓的微通道冷凝器承担100 W散热量，冰箱的接水盘副冷凝器、内置冷凝器及防露管共同承担36 W散热量。

（4）散热空气与冰箱箱体壁面及橱柜壁面之间的散热量由等效换热系数及外部温度确定。冰箱箱体内和环境温度已知，等效换热系数由各个传热热阻确定，计算公式如下：

式中：hequ为等效换热系数，单位：W·m-2·K-1；henv为外界与壁面对流换热系数，单位：W·m-2·K-1；λwall为壁面材料导热系数，单位：W·m-1·K-1；δ为壁面厚度，单位：mm。

冰箱箱体壁面等效换热系数的确定：

橱柜及地面等效换热系数的确定：

（5）冰箱箱体壁面外部温度-20℃，为冷冻运行结束压缩机停机时刻，冷冻室壁面温度。

（6）进出口开边界P=0 Pa，其含义为散热空气的进出口边界设置为开放边界，即空气可自由进出，压力为0 Pa。

2.2.4 网格无关性验证

对上述模型多次划分网格进行计算，发现自由状态下模型网格在400万以上、嵌入式状态下模型网格在380万以上时，风机风量几乎不再发生变化，因此可以认为上述这两组网格数可以分别满足自由和嵌入式状态下模型计算精度要求。

2.3 模型可靠性验证

根据ISO 15502标准，嵌装前后的冰箱测试都在同一个气候控制室中进行。环境温度保持在（25.0±0.5）℃和50%的相对湿度，并且冰箱为空载状态。在进行嵌入状态实验时，将冰箱嵌入安装在木制橱柜内来模拟实际家庭嵌入式冰箱的安装情况。其中安装尺寸与数值仿真一致：冰箱后背及左右距离橱柜壁面均为5 mm。

数据采集系统在测试过程中自动连续采集和存储实验数据。数据记录仪提供25个数据通道，每15 s对所有数据通道进行连续扫描。在压缩机仓内放置9个温度传感器，以捕捉压缩机仓内制冷剂和空气的温度变化。功率计监测冰箱的输入功率。

其中压缩机仓内冷凝器中部、压缩机顶部及风机出口测点处的温度，如图2所示。将上述测点的模拟与实验值进行对比，如表2所示，误差均在±2.5℃以内，考虑到冰箱实际运行的周期性以及空气流动传热的不稳定性，上述误差在可接受范围内，从而验证了数值模拟的准确性。

图2 压缩机仓内部分测点位置示意图

表2 压缩机仓内温度模拟值与实验值对比

3 结果与讨论

3.1 嵌装前后气流组织对比

自由和嵌装状态下，冰箱背部及底部的速度流线对比如图3所示。空气在轴流风机驱动下，由背部、侧面及底部进风格栅进入压缩机仓，依次流经冷凝器、风机和压缩机，再从背部、侧面底部出风格栅流出。但两种状态下，气流主要流通路径存在差异：自由状态下，空气流动方向主要为侧进侧出，背部进出和底部进出较少；相比而言，嵌装状态下，空气流动方向主要为底进底出，而侧面进出和背部进出较少。

图3 嵌装前后冰箱背部及底部速度流线图

流通路径的差异是由于两种状态下，气流路径的阻力相对大小发生变化。自由状态下，冰箱除后背距墙20 mm外，侧面和背部均为开放空间，在轴流风机进、出风均沿轴向的模式下，空气由侧面格栅进出压缩机仓的阻力最低，因此气流以侧进侧出为主。而嵌入式状态下，冰箱侧面和背面的距柜间隙仅为5 mm，而底部距地面间隙为10 mm，因此空气由底部格栅进出压缩机仓的阻力最低，因此气流以底进底出为主。

根据数值仿真软件的风量统计得出，即平均风速与面积的乘积。经过风机表面的空气流量为总风量，开放边界上的空气流量为新风风量，两者数值相减即为短路风量。分别统计自由和嵌装状态下，各风量大小，如表3所示。一方面，与自由状态相比，嵌装状态下的总风量比自由状态下低28.6%，这是由于嵌入安装使得压缩机仓与外界的空气流动通道变得狭长，增大了空气流动阻力及风机工作风压，因此总风量减小。另一方面，自由状态下短路风量占比38.8%，而嵌装状态下高达71.0%，可见嵌装后压缩机仓的气流短路现象非常严重。

表3 嵌装前后压缩机仓风量结果汇总

嵌装状态下气流短路路径主要有两条：一是从压缩机侧后背出风格栅，沿冰箱与后背墙壁之间的缝隙，流入冷凝器侧后背进风格栅；二是从压缩机侧底部出风格栅，沿冰箱与地面之间的缝隙，流入冷凝器侧底部进风格栅。这是由于压缩机仓内风机提供压升的驱动作用，进风格栅口处为负压吸风，出风格栅口处为正压吹风，而外界环境为大气压，故部分从压缩机仓出风口流出的空气会流向压差更大、阻力更小且路程更短的进风格栅，而不是外界环境。

3.2 嵌装前后散热性能对比

自由和嵌装状态下，冰箱压缩机仓内温度分布分别如图4、图5所示，温度汇总如表4所示。相比于自由状态，嵌装状态下压缩机仓内温度明显升高，其中冷凝器表面平均温度高出13.86℃。前已述及，嵌装状态下短路风量增大30.68%，且总风量减小28.6%。一方面，短路热气流从压缩机仓出风格栅流出，尚未排到外界又直接流回压缩机仓，对压缩机仓几乎无散热作用，甚至会提高压缩机仓进风温度13.6℃。另一方面，冰箱在自由与嵌入式状态下，箱内设定温度不变，即制冷量不变，而冷凝器散热量为蒸发器制冷量和压缩机顶散热量的总和，因此可以认为冷凝器散热量在这两种状态下保持不变，嵌装状态下总风量降低，导致冷凝器表面与进风空气的换热温差增大。两方面共同作用，导致嵌装状态下冷凝器温度升高。

图4 自由状态模型冰箱压缩机仓温度分布图

图5 嵌装状态模型冰箱压缩机仓温度分布图

表4 嵌装前后压缩机仓测点温度结果汇总

相比于自由状态，嵌装状态下压缩机顶部平均温度也高出27.6℃。除了前文述及的总风量降低和短路风量增大的原因之外，系统高、低压侧压比升高也是重要原因。因冷凝器侧温度和压力均增大，而蒸发器侧温度受冷冻室-18℃箱温限制，蒸发器内制冷剂压力变化较小。因此压缩机压比增大，导致压缩机排气温度升高，并一步促进压缩机顶部壳体温度的上升。嵌装压缩机仓内部平均温度比自由状态高15.4℃，这与冷凝器和压缩机的散热恶化密不可分。

嵌装前后冰箱开机率及功率结果汇总如表5所示，相比于自由状态，嵌装冰箱的开机率和平均功率分别上升了8.09%和8.806 W，耗电量增大了13.66%。这是由于前文述及冷凝器散热恶化，抬高了压缩机压比，导致冰箱功率和耗电量的上升，严重影响了冰箱的工作性能。

表5 嵌装前后冰箱开机率及功率结果汇总

嵌装状态下冷凝器散热恶化降低了冰箱的工作性能，而散热恶化则是由压缩机仓与外界之间空气流动阻力增大、系统总风量降低以及气流短路现象严重所导致的。因此，后续对嵌入式冰箱压缩机仓气流组织进行优化，一方面要减小空气流通阻力，从而增大风机风量，另一方面也要减少气流短路现象，以增大新风比例，这是优化嵌入式冰箱散热性能的关键所在。

3.3 两种嵌装优化方案及其散热效果

根据上文提出的两个优化角度，减小空气强制对流的流通阻力和减弱严重的气流短路现象，提出降阻提风量嵌装优化方案1和降阻提风量+减弱短路嵌装优化方案2，如图6所示，具体结构参数如表6所示，并进行流场和温度场的数值仿真，最后压缩机仓的新风风量及短路风量统计结果见表7；压缩机仓测点温度结果汇总见表8。

图6 两种嵌装优化改进压缩机仓几何模型示意图

表6 四种压缩机仓几何模型区别

表8 压缩机仓测点温度结果汇总

项目 系统总风量（m3/s） 新风风量（m3/s） 短路风量（m3/s） 新风比例η自由 0.019103 0.011689 0.007414 61.19%原始嵌装 0.013649 0.003960 0.009689 29.01%降阻提风量嵌装 0.016051 0.005931 0.010120 36.95%降阻提风量+弱化短路嵌装 0.014606 0.012662 0.001944 86.69%

降阻提风量优化方案从减小强制对流的流通阻力角度考虑，通过抬高冰箱底部距地缝隙以及增大底板出风格栅面积的措施，与原始嵌装相比，系统总风量增大了17.6%，并且新风风量及新风比也有所上升，引起冷凝器表面和压缩机顶部温度分别降低了9.68℃和9.33℃，两者散热性能得到了改善。而弱化短路优化方案在降阻提风量优化方案的基础上，从减弱气流短路角度入手，通过在冰箱底部及压机仓背部中轴线处安装横梁以及堵塞冷凝器与风机之间前支撑板处的缝隙的措施，短路风量降低了80.8%，同时新风风量增大了113.5%，新风比达到了86.69%。最后有效降低了嵌入式冰箱压缩机仓内温度，其中冷凝器表面温度甚至低于自由未嵌装状态。

（5）优化嵌入式冰箱散热性能的关键在于：一方面要减小空气流通阻力，从而增大风机风量；另一方面也要减少气流短路现象，增大新风比例。

4 结论

（1）与自由状态相比，嵌装状态下压缩机仓内最小阻力路径发生变化，导致气流主要流通通道存在差异：从自由状态下主要从侧面进、出风格栅流入、流出压缩机仓，变为嵌装状态下主要从底部进、出风格栅流入、流出压缩机仓。

（2）与自由状态相比，嵌装状态下压缩机仓与外界空气流动阻力增大，导致总风量降低28.6%，而短路气流增大32.2%；气流短路通道主要包括两条：一是从后背出风格栅，沿着冰箱与后背墙壁缝隙，流入后背进风格栅；二是从底部出风格栅，沿着冰箱与地面缝隙，流入底部进风格栅。

（3）与自由状态相比，嵌装状态下总风量的减小和短路风量的增大，抬高了压缩机仓进风温度，使得冷凝器表面平均温度增加13.9℃，压缩机壳顶平均温度升高27.6℃。

（4）与自由状态相比，嵌装状态下冷凝器的散热恶化，增大了压缩机压比，导致冰箱稳态开机功率和日耗电量分别上升8.8056 W和13.66%，严重影响了冰箱的工作性能。