基于CFD仿真分析的空调凝露问题研究.pdf

2992023中国家电科技年会论文集0 引言空调已经成为每个家庭必备的电器，可以创造舒适的环境。随着人们对空调制冷需求的不断提高，高性能的空调器更受消费者青睐，随着性能需求的增加，空调凝露问题便成为设计者优先考虑解决的重点问题。空气调节器凝露性能的好坏直接影响到消费者对其品质的认可度和信任。吸风式美式风管机为满足多种安装环境，具有四个方向安装的设计，当倒立安装时，电器盒在箱体底部，这就要求风管机不可以有凝露水产生滴下，否则将会产生严重的安全事故。针对吸风式美式风管机在湿度较大的环境中制冷运行时，蜗壳表面容易出现凝露现象，曹勇研究发现凝露的主要原因是蒸发器由进口段到出口段，对湿空气的降温除湿效果不一致导致，通过调整蒸发器分流，降低蒸发器进出口段温差，解决蜗壳凝露的问题1；潘京大利用有限元分析的方法研究了换热器流场分布特作者简介：王秀瑞，硕士学位。研究方向：空调结构设计。地址：青岛市崂山区松岭路399号海信空调有限公司。E-mail：。基于CFD仿真分析的空调凝露问题研究王秀瑞 陈超 许纪刚 康钊海信空调有限公司 山东青岛 266100摘 要：倒立式风管机采用吸风式系统方案，箱体内部凝露问题成为空调设计中的重点问题。该研究对空调箱体内部凝露问题的产生原因和解决方案进行了分析。首先通过分析凝露发生位置及现象，确定形成凝露的主要机理；实验测试箱体内部的温度场，确定了换热器设计上存在分流不均的问题，导致换热不均，存在湿热空气，成为导致凝露的主要因素；然后结合CFD仿真技术模拟内部流场，确认了蜗壳底部存在涡流，湿热气体汇聚在蜗壳底部形成凝露；根据机器内流场制定导风板缓解换热器因分流和重力影响下换热不均导致的温场分层现象，并进一步通过实验验证了方案的可行性，最终解决箱体内部凝露的问题，并实际应用到产品上。关键词：凝露；蜗壳；CFD；立式风管机；露点温度Research on air conditioning condensation problem based on CFD simulation analysisWANG Xiurui CHEN Chao XU Jigang KANG ZhaoHisense Air Conditioning Co.,Ltd.Qingdao 266100Abstract:The inverted air duct machine adopts the suction system scheme.The condensation problem inside the box has become the key problem in the air conditioning design.The causes and solutions of condensation problems in the air conditioning box were analyzed.Firstly,the main mechanism of condensation formation was determined by analyzing the location and phenomenon of condensation.The temperature field inside the chamber was tested in the experiment,and it was determined that there was a problem of uneven shunt in the design of heat exchanger,which led to uneven heat transfer and the presence of hot and humid air,which became the main factor leading to condensation.Then the CFD simulation technology was used to simulate the internal flow field,and it was confirmed that there was eddy current at the bottom of the volute,and the hot and humid gas converged at the bottom of the volute to form condensation.According to the flow field in the machine,the air guide plate is formulated to alleviate the temperature field stratification phenomenon caused by the uneven heat transfer under the influence of shunt and gravity.The feasibility of the scheme is further verified through experiments,and the problem of condensation inside the box is finally solved,and it is applied to the product.Keywords:Condensation;Volute;CFD;Vertical air duct machine;Dew point temperature中图分类号：TB61 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.068300 2023中国家电科技年会论文集性，对换热器流路进行优化设计2；李彬针对壁挂机电加热上凝露问题，分析发现在蒸发器翅片与贯流风叶所夹三角形区域内空气湿度、流速和温度分布不均，湿热空气接触低温电加热，析出水分形成凝露，通过调整电加热位置，避开气流交汇处解决凝露问题3；谭成斌通过风速对比实验方法确定了空调凝露的两个主要因素：系统蒸发温度和换热器各支路过热度，当系统蒸发温度较低及各支路分流不均时，极易产生凝露，通过控制风挡风速，调整凝露情况4；朱水清综合湿空气动力学、工程热力学、流体力学、传热学、气流组织等多门学科的研究方法，通过研究控制空调器出风口的气流场特性，改善影响凝露效果的各种条件和因素，并提出运用潜热比衡量凝露效果的评价方法5；胡保国借助CFD工具模拟气流组织的速度矢量分布，锁定故障的主要原因，并通过仿真，优化设计增加密封仿真漏风，解决凝露问题6；柳烨通过调整压机频率，调整内外机转速，设计提出防凝露功能电控逻辑，并增加电加热结构以减小温差，从而有效防止凝露发生7；凝露的本质是因为水蒸气分散在空气中与冷的表面接触时释放能量，在气-固界面处形成液核，液核通过吸收空气中的水蒸气形成滴状冷凝和膜状冷凝水8。学者们针对吸风式空调器凝露的研究取得了很大的突破，然而针对具有四种安装方向的A形蒸发器美式风管机的凝露研究较少。本文针对吸风式美式风管机倒立安装方案凝露进行研究，主要通过借助CFD仿真技术，结合试验凝露发生现象，确定系统流场分布特性及蒸发器分流温度特性，分析凝露的产生机理，从空气流体力学方向提出改善方案，解决凝露问题。1 凝露的产生机理凝露过程产生机理是，饱和空气水分析出的过程9，总体可分为三类：a.湿热空气温度降低导致凝露10通过图1焓湿图可以看出，在保持空气含湿量不变的情况下，等压降低空气温度，当温度降低到一定值，空气中水蒸气达到饱和状态，相对应的温度既是露点温度，当温度再继续下降，空气中就会有水以凝露的方式析出；b.湿空气含湿量增加导致凝露 当温度不变，空气含湿量不断增加，空气中水蒸气达到过饱和状态，空气中就会有水以凝露的方式析出3；c.湿热空气温度和含湿量偶合作用导致凝露当湿热空气温度降低和含湿量增加同时发生时，将会加剧凝露水的析出。图1 焓湿图2 系统方案空气调节器又名立式风管机，主要针对北美市场，根据当地安装环境，为满足多方向的安装需求，整机设计方案除立式安装外，还考虑了左右卧室安装和倒立安装，如图2所示为倒立式安装，换热器在上方呈A字形，风机和电器盒在换热器下方，空气经过换热器降温除湿后，被风机吹出，为满足多方向安装，换热器的设计无法做到理想的分流均匀，导致经过换热器后的气体温差较大，未完全降温除湿的湿热气体在与低温物体接触时，达到露点温度极易形成凝露。图2 倒立式安装方案3 凝露位置及现象分析空气调节器采用吸风式气体循环方案，室内湿热空气经过A形换热器降温除湿后，得到16左右的低温气体，流经风机被吹出，风机蜗壳不断接触低温气体，温度不断降低，最终风机蜗壳温度达到16左右，与换热后的其他温度接近。3.1 内部温度场分析湿热空气未经过降温除湿进入箱体内部，存在两个因素：一是箱体未完全密封，导致外界气体未经过换热器降温除湿直接进入 3012023中国家电科技年会论文集箱体内部；二是换热器分流不均，导致换热不均3，经过换热器后的气体未完全降温除湿，还存在部分高温高湿气体。为排查产生湿热气体的主要因素，分别对测试箱体内部温度场，如图3所示，存在多个温度较高的区域；蜗壳表面温度17.8，与蜗壳底部气体温度21.5，存在近4的温差，较大温差则会存在凝露产生的风险，也验证了系统内部存在湿热气体。3.2 蜗壳凝露原因分析图4 蜗壳表面凝露现象根据凝露形成机理分析，可以确认主要原因是湿热气体在遇到低温物体时，温度降低导致凝露产生，即箱体内部存在湿热气体，在接触低温蜗壳后气体温度降低，如图4所示，在蜗壳表面形成大量凝露水。为了确认湿热气体的来源，对箱体进行了完全密封，蜗壳的凝露问题未得到改善，接合换热器及周边温度分布，可以确认主要的来源是由于换热器分流不均导致。由于立式风管机存在多种安装方式，并且受到制冷剂重力的影响，换热器无法做到理想的分流均匀。4 CFD仿真分析通过CFD的稳态仿真，分析局部风速分布和温差来预测是否达到露点温差的。既可以快速确认温度场分布情况，为解决因换热器分流不均导致的凝露问题，将首先借助CFD方法发现机器内部风场及温场分布情况，针对性地制定扰流方案，拟通过增加导风板的技术方案解决凝露问题。本次CFD仿真采用RANS雷诺时均稳态算法，物理模型选用K-Omega湍流来兼顾捕捉流体近壁面的过渡发展和远场的湍流涡分布情况，开启Boussinesq模型以便仿真机器内部因强对流换热引起的空气浮力变化现象。仿真计算模型高度还原机器内部重要部件结构，初始环温27。网格类型采用多面体结构，基础尺寸10 mm，旋转域局部加密至5 mm，风扇再次加密至1 mm，总网格数量约170万（见图5网格效果图）。图5 网格效果图相关边界条件见表2。如图6所示，风管机在倒装的安装方式下，正常运转时，顶部换热器因迎风面积小等因素致使换热不均导致顶部通过换热器进入风道的气流偏高，这股气流与下游较冷的气流混合后极易使得露点温度提高，从而加大凝露的可能性，进而导致下方蜗壳表面凝露严重的现象。经试验测试，换热器出现如图7所示的温度分层表1 倒立式风管机的测试数据温度点a1a2a3b1b2b3c1c2c3d1d2测试温度（）22.120.15.115.218.116.41516.415.921.122.4温度点d3e1e2e3f1f2f3ABCD测试温度（）2017.814.219.5.18.220.316.817.518.221.517.8图3 倒立式风管机的布点图302 2023中国家电科技年会论文集现象，序号处的温度约为21.5，序号处的温度约为19，序号处的温度约为16,整体呈现上热下冷的温度分层现象。在这种温差现象下，V型换热器围成的下方风道内也会出现温度的递减分层，在按照测试标准（干球温度27、湿球温度24）测试凝露时，相对湿度为78.2%，当经过换热器后，顶部温度为21.5在保证湿度不变的条件下，其露点温度是16.9，换热器下部气体将风机降温至16，21.5的气体在接触16的风机时变达到了露点温度，形成凝露。凝露产生后不仅影响换热能力，而且因没有对应的接水盘及时排出机器，久而久之就容易产生安全隐患。调整分流或者改风道等措施成本较高，考虑设计一种导风板使内部不同温度的气体混流解决温度分布不均，凝露严重的问题。5 整改方案验证根据仿真分析结果以及实验现象，初步确定凝露形成的主要原因是由于蜗壳底部涡流区湿热气体交汇在蜗壳上形成的，针对该问题将对风道进行优化，增加扰流板对涡流区域就行混流，消除温差大的问题。5.1 风道优化方案设计整改方案如图7所示，在倒立式换热器下方增加V型扰流板，当气体经过换热器换热，流经扰流板后，受到呈现V型角度的扰流板的导流作用，不同温度层的气流将在V型导风板的下方产生混流，上方的高温气流与中段的较低温气流将在位于末端的混流区域产生温度交换，从而缓解温度分层引起的温差过大导致凝露问题。5.2 仿真分析及实验验证为了验证该三角导风板的效果，首先通过CFD技术展开整机仿真，得到内部流场及温度场情况，为了具化温度值，创建如图8所示的6个探点提取温度值进行对比。表3 优化方案温度变化温度值()点1点2点3点4点5点6无挡风板18.417.320.220.421.121.1三角挡风板18.518.420.420.921.221.4由表3可知，在三角挡风板下的几个探点（点1至点4）的温度值较无挡风板时高，并且蜗壳两侧的探点温度值消除了温差（点1和点2），尤其在探点2处的温度值由17.3变为18.4，升高了1，说明蜗壳周围的温场变得均匀，无明显温差，与蜗壳上方的温度（点3）的温度约相差2。蜗壳周围因温度分布变得均匀，温差降低，凝露现象得以缓解。通过CFD仿真结果可以直观的观察到：因V型挡风板的存在，在挡风板下方较大区域内（如图9矢量图所示）产生混流区域，导致上方高温区下移至混流区，即在换热器的垂向中下位置处，上方未完全换热的温度较高的气体与下方换热叫充分的16左右的气体混合，温度得以中和（如图9温度分布图所示），从而在蜗壳上方温度分层现象得以缓解，极大缓解甚至消除凝露现象。为了验证增加V型挡风板实际的影响效果，实际测试凝露情况，如图10所示，实测4小时时未出现凝露现象，8小时出现凝露现象，对比优化前的现象，凝露问题得到了很大的改善，确定了该方案表2 边界条件条件进风温度（）出口温度（）初始温度（）环境温度271827蒸发器出风温度1（）区域出风温度2（）区域出风温度3（）区域设定温度21.51916图6 机器内温度分布图 图7 风道扰流板方案 图8 扰流板方案布点图 3032023中国家电科技年会论文集的可行性。6 总结本论文根据凝露形成的现象，借助CFD仿真工具，以及实验数据，研究形成凝露主要原因，并制定优化方案，得到以下结论：（1）根据凝露的产生机理和试验现象，确认形成凝露的主要图9 V型扰流板下机器内矢量和温度分布图图10 倒立安装实验对比因素是由于箱体内部存在未完全降温除湿的湿热气体，湿热气体在遇到低温物体后，气体温度下降，水蒸气达到过饱和状态，最终水蒸气不断析出形成水珠，以凝露水的形式附着在低温物体上。（2）吸风式循环系统，由于换热器分流不均导致温差大的凝露，可以采用在特定位置增加一定形状的扰流板的方案，改变气体流线，对温度分层气体进行混流，减小温差。本项目中研发的V型扰流板及应用于倒立式风管机内的位置方案，有效解决了倒立式风管机蜗壳底部大量凝露的问题。（3）本论文中运用的CFD仿真技术严谨高效，并且根据换热器换热不均的现象创新式的采用分段式出风温度赋值的方法，高精度的预测了机器内温场的分层发展现象，并准确预测了V型挡风板加设后可有效混流减小机器内部温差进而消除凝露的效果。有效帮助设计人员在开发过程中发现问题，针对性制定整改方案，大大提高分析效率，缩短试验时间。参考文献1 曹勇,陈华康,莫培山.吸风式风管机蜗壳表面凝露问题实验分析J.发电与空调,2012(05):49-52.2 潘京大,李学良,刘睿.基于轴流风扇风速非均匀分布的流路优化J.家电科技,2020(zk):67-69.3 李彬,左双全,卜康太,等.分体式壁挂机PTC防凝露优化设计研究J.家电科技,2015(06):47-49.4 谭成斌.送风量对空调器凝露影响的试验分析J.家电科技,2014(08):44-46.5 朱水清,赖润城.家用空调器凝露性能质量分析及评定方法J.制冷与空调,2004(01):86-88.6 胡保国.基于CFD分析分体式壁挂空调内机面板凝露问题的应用J.家电科技,2017(05):57-59.7 柳烨,周永志.方形落地式变频空气调节器凝露原因分析及改善J.日用电器,2018(04):75-77.8 ERB R A.Dropwise condensation on goldJ.Gold Bulletin,1973,6(01):2-6.9 毕增利,邓李娇.家用空调凝露分析及改善研究J.日用电器,2018(07):84-87.10 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