分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口流場(chǎng)及凝露機(jī)理研究與控制

施清清 楊為標(biāo) 眭 敏

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

隨著人民生活水平的提高，空調(diào)器作為調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的主要設(shè)備進(jìn)入千家萬(wàn)戶，成為家庭和辦公場(chǎng)所的必備電器之一[1]。其中分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)作為安放在用戶室內(nèi)的部件，在給人們工作生活帶來(lái)涼爽舒適體驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)凝露乃至漏水問(wèn)題的控制，也提出了很高要求[2-4]。通過(guò)對(duì)售后的調(diào)研分析，目前導(dǎo)風(fēng)板、導(dǎo)風(fēng)葉片與出風(fēng)口四周邊沿凝結(jié)水滴或滑落的凝露問(wèn)題，占漏水類投訴比例的80 %以上，已成為漏水售后投訴的突出故障。而凝露現(xiàn)象大多與室內(nèi)機(jī)尤其是出風(fēng)口位置的內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)有非常密切的關(guān)聯(lián)?？照{(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)主要由貫流風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器與導(dǎo)流流道組成，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與冷熱渦流的控制是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，其變化對(duì)空調(diào)凝露性能產(chǎn)生直接的影響。

目前制冷行業(yè)主要按照GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》規(guī)定進(jìn)行“凝露試驗(yàn)”。將空調(diào)器的溫度控制器、風(fēng)扇速度、風(fēng)門和導(dǎo)向格柵，在不違反制造廠規(guī)定下調(diào)到最易凝露狀態(tài)進(jìn)行制冷運(yùn)行，達(dá)到室內(nèi)27/24 ℃；室外27/24 ℃的凝露工況后，空調(diào)器連續(xù)運(yùn)行4 h，要求“空調(diào)器箱體外表面凝露不應(yīng)滴下，室內(nèi)送風(fēng)不應(yīng)帶有水滴”[5]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化因子進(jìn)行評(píng)估，勢(shì)必導(dǎo)致反復(fù)的迭代優(yōu)化、研發(fā)周期和費(fèi)用的增加。筆者結(jié)合數(shù)值模擬，研究分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)氣體流場(chǎng)與凝露的影響，并驗(yàn)證其制冷、制熱的舒適性體驗(yàn)，為分體空調(diào)器室內(nèi)機(jī)出風(fēng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 凝露產(chǎn)生原理

空氣中主要成分有氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、水蒸氣等組成，空氣里的水份含量（含濕量）與環(huán)境溫度成正比，即環(huán)境溫度越高，空氣里水分就越多。而所謂的露點(diǎn)溫度，是在空氣含濕量不變的情況下，通過(guò)冷卻降溫而達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)溫度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是空氣中水分凝結(jié)成水滴的溫度。環(huán)境或表面溫度越低，空氣流過(guò)或者匯聚越容易凝露。

目前掛壁式空調(diào)器的制冷模式普遍采用表冷除濕的同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷，通過(guò)降低室內(nèi)機(jī)換熱器表面溫度，到空氣的露點(diǎn)溫度以下實(shí)現(xiàn)制冷。當(dāng)空調(diào)器局部位置表面溫度比周圍空氣的露點(diǎn)溫度低的時(shí)候，空氣中析出的水分就會(huì)粘附在如注塑等結(jié)構(gòu)件表面形成凝露水。如果在空調(diào)出風(fēng)口處的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)發(fā)生熱氣流與冷氣流在此渦流混合，往往會(huì)導(dǎo)致在出風(fēng)口上、下沿等位置出現(xiàn)凝露、聚集現(xiàn)象，當(dāng)露珠增大到一定程度后會(huì)聚集滴落，引起凝露（圖1），進(jìn)一步發(fā)展就會(huì)發(fā)生漏水問(wèn)題，造成用戶投訴甚至財(cái)產(chǎn)、安全損失。

圖1 分體空調(diào)器室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口上、下沿凝露現(xiàn)象

本文采用有限元軟件對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)制冷工況下內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行仿真，同時(shí)對(duì)出風(fēng)框的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀等進(jìn)行調(diào)整，仿真計(jì)算不同方案下出風(fēng)口上、下沿的氣流速度場(chǎng)、矢量圖，有助于開(kāi)展制冷凝露問(wèn)題的特征研究，提高空調(diào)運(yùn)行質(zhì)量。

2 模型建立

以最具代表的1.5匹分體空調(diào)器室內(nèi)機(jī)建立模型進(jìn)行仿真計(jì)算，圖2所示為右視結(jié)構(gòu)剖視圖。外部熱空氣通過(guò)進(jìn)風(fēng)格柵進(jìn)入室內(nèi)機(jī)內(nèi)部蒸發(fā)器制冷的通道，熱空氣經(jīng)過(guò)換熱翅片與管內(nèi)制冷工質(zhì)發(fā)生熱交換溫度降低，冷空氣通過(guò)貫流風(fēng)葉、導(dǎo)流流道、出風(fēng)口（導(dǎo)風(fēng)板、導(dǎo)風(fēng)葉片）等排出[6]。

圖2 分體空調(diào)器室內(nèi)機(jī)右視結(jié)構(gòu)剖視圖

3 數(shù)學(xué)模型與邊界

空調(diào)室內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)由蒸發(fā)器、貫流風(fēng)葉和導(dǎo)流流道、出風(fēng)口（導(dǎo)風(fēng)板、導(dǎo)風(fēng)葉片）等組成。為簡(jiǎn)化仿真計(jì)算，將內(nèi)部流場(chǎng)視為不可壓縮的理想流體，以標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)作為非穩(wěn)態(tài)的初始流場(chǎng)，采用有限體積法的N－S方程的湍流模型，貫流風(fēng)葉進(jìn)出口設(shè)為大氣壓力邊界條件，采用四面體網(wǎng)格、網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，由于模型的貫流風(fēng)葉長(zhǎng)度與直徑之比超過(guò)3∶1，仿真流場(chǎng)可認(rèn)為二維模型，對(duì)風(fēng)葉和過(guò)渡局部進(jìn)行加密，劃分所得到的網(wǎng)格模型。

3.1 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

貫流風(fēng)葉進(jìn)、出口設(shè)為大氣壓力邊界條件，貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 270 r/min，室內(nèi)機(jī)內(nèi)部及出風(fēng)口流場(chǎng)風(fēng)速云圖與矢量圖如圖3、4所示。從圖3中可以看出，在貫流風(fēng)葉輪內(nèi)圓側(cè)靠近蝸舌位置存在偏心漩渦流動(dòng)，但該位置由于不存在冷熱空氣混合，難于發(fā)生凝露現(xiàn)象。在導(dǎo)風(fēng)板水平位置時(shí)冷空氣流過(guò)斜面，室內(nèi)機(jī)的左右兩端理論上可以帶動(dòng)外界空氣產(chǎn)生渦流，凝露隱患會(huì)顯著增加，不過(guò)由于對(duì)應(yīng)位置風(fēng)量衰減，實(shí)際凝露情況不明顯。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)出風(fēng)口上、下沿位置凝露顯著，從出風(fēng)口上沿位置的風(fēng)速矢量圖（圖5）可見(jiàn)，出風(fēng)框上沿位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)尖角流速和壓力損失較大情況下的漩渦流動(dòng)現(xiàn)象，遇到在重力作用下流的濕熱空氣，匯聚形成凝露水，聚集在出風(fēng)框上沿。且出風(fēng)口下沿位置的風(fēng)速矢量圖（圖6）可見(jiàn)，掃風(fēng)板下部冷風(fēng)向下，負(fù)壓帶動(dòng)熱空氣存在渦流區(qū)，導(dǎo)致出風(fēng)口下沿位置形成凝露水聚集。

圖3 流場(chǎng)風(fēng)速云圖

圖4 流場(chǎng)風(fēng)速矢量圖

圖5 出風(fēng)口上沿流場(chǎng)風(fēng)速矢量圖

圖6 出風(fēng)口下沿流場(chǎng)風(fēng)速矢量圖

為了改善冷熱空氣在出風(fēng)口上下沿的渦流匯聚[7]，通過(guò)增加過(guò)渡圓角及凸面的使用，利用康達(dá)效應(yīng)以提高界面流速，達(dá)到提高出風(fēng)口下沿過(guò)渡位置流速和壓力，達(dá)到改善空氣渦流效果。通過(guò)采取不同的風(fēng)口下沿的R角、凹凸面形狀方案，并建立數(shù)字模型與仿真，得到不同方案下的出風(fēng)口流場(chǎng)風(fēng)速與矢量圖，發(fā)現(xiàn)通過(guò)適當(dāng)?shù)脑黾舆^(guò)渡段R角長(zhǎng)度、增加過(guò)渡段高度并在過(guò)渡位置設(shè)置不同高度與形狀的梯形凹槽的方案，經(jīng)反復(fù)仿真計(jì)算對(duì)比與優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后方案，可以實(shí)現(xiàn)冷熱空氣混合位置壓力和風(fēng)速分布均衡，冷熱空氣均未出現(xiàn)空氣渦流與聚集情況。其中，圖7為對(duì)方案仿真對(duì)比后，得到的最優(yōu)流場(chǎng)風(fēng)速矢量圖，圖8、9為出風(fēng)口上、下沿位置的流場(chǎng)風(fēng)速矢量圖。

圖7 優(yōu)選方案后的流場(chǎng)風(fēng)速矢量圖

圖8 優(yōu)選方案后的出風(fēng)口上沿流場(chǎng)風(fēng)速矢量圖

圖9 優(yōu)選方案后的出風(fēng)口下沿流場(chǎng)風(fēng)速矢量圖

3.2 凝露工況驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化方案后，出風(fēng)框上、下沿的凝露性能，按照GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》規(guī)定開(kāi)展“凝露試驗(yàn)”驗(yàn)證。在超強(qiáng)檔開(kāi)機(jī)，貫流風(fēng)葉轉(zhuǎn)速1 270 r/min，達(dá)到室內(nèi)27/24 ℃；室外27/24 ℃的凝露工況后，調(diào)節(jié)溫度控制器、風(fēng)扇速度、風(fēng)門和導(dǎo)向格柵在不同檔位、狀態(tài)下，識(shí)別最易凝露位置，連續(xù)運(yùn)行制冷狀態(tài)4 h[5]。

試驗(yàn)現(xiàn)象：壓縮機(jī)運(yùn)行頻率70 Hz，出風(fēng)溫度：14.25 ℃，工況穩(wěn)定后，對(duì)比識(shí)別出導(dǎo)風(fēng)板、掃風(fēng)葉片、出風(fēng)框上下沿最易凝露位置。最高風(fēng)檔運(yùn)行時(shí)4 h，風(fēng)道內(nèi)無(wú)水滴吹出和漏水現(xiàn)象，出風(fēng)口上、下沿周圍、面板均沒(méi)有水珠凝露明顯聚集、無(wú)水珠滴落；接水部件接水良好，排水順暢，顯示器表面、內(nèi)部、控制面板上無(wú)凝露水。

試驗(yàn)結(jié)論：依據(jù)GB/T 7725-2004“凝露試驗(yàn)”要求，面板體、出風(fēng)框上、下邊沿?zé)o凝露水，試驗(yàn)合格。

3.3 舒適性驗(yàn)證

為避免調(diào)整出風(fēng)框結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)和流場(chǎng)，導(dǎo)致氣流組織不合理。如制熱時(shí)熱風(fēng)懸浮無(wú)法落地、制冷時(shí)冷風(fēng)下墜貼地走，導(dǎo)致客戶“頭熱腳冷”的舒適性問(wèn)題。特驗(yàn)證優(yōu)化方案對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)制冷、制熱舒適性影響，具體試驗(yàn)條件與過(guò)程如下：

房間面積3.3 m×5 m，安裝高度2.5 m，導(dǎo)風(fēng)角度采用45 °，室內(nèi)溫度 20 ℃，房間內(nèi)長(zhǎng)、寬、高度方向每 0.5 m 布置一個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)，測(cè)試各個(gè)風(fēng)速點(diǎn)的速度并尋找最大速度距離地面高度，繪制送風(fēng)軌跡圖（圖10～13）。

圖10 制冷試驗(yàn)送風(fēng)軌跡（第一格）

圖11 制冷試驗(yàn)送風(fēng)軌跡（第五格）

圖12 制熱試驗(yàn)送風(fēng)軌跡（高風(fēng)檔）

圖13 制熱試驗(yàn)送風(fēng)軌跡（超強(qiáng)檔）

其中，手板件為優(yōu)化后方案，原機(jī)為原方案。

通過(guò)對(duì)比運(yùn)行過(guò)程中不同樣機(jī)和工況的送風(fēng)軌跡分布。制冷工況結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整前、后，制冷第一格3 m內(nèi)送風(fēng)高度基本不變，3 m外送風(fēng)高度降低20 cm，制冷第五格送風(fēng)高度相當(dāng)，人身高和活動(dòng)區(qū)域制冷舒適性能夠得到保障。制熱工況結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整后，制熱高風(fēng)檔原機(jī)2 m處不落地，手板可以落地，制熱超強(qiáng)檔手板落地滾得更遠(yuǎn)，房間溫度比較均勻，氣流效果較好，制熱舒適性及實(shí)驗(yàn)員體感手板比原機(jī)稍理想。

3.4 其他測(cè)試

風(fēng)量合格；噪音測(cè)試合格，音質(zhì)評(píng)估可以接受。

3.5 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化

制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ/GD 13.00.070《分體機(jī)防凝露結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 ：對(duì)于普通單/雙導(dǎo)風(fēng)板機(jī)型（推出導(dǎo)風(fēng)板及L系列導(dǎo)風(fēng)板除外），面板體風(fēng)口下沿推薦設(shè)計(jì)一段垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)，尺寸A≥4mm，直邊設(shè)計(jì)凹槽結(jié)構(gòu)（圖14），避免冷熱空氣在面板體下沿拐角交匯而出現(xiàn)明顯凝露。

圖14 分體機(jī)出風(fēng)框上、下沿防凝露設(shè)計(jì)局部結(jié)構(gòu)規(guī)范

4 結(jié)論

對(duì)于掛壁式空調(diào)器的制冷模式出風(fēng)口上、下沿等位置出現(xiàn)凝露、聚集現(xiàn)象，通過(guò)建立模型并分析了出風(fēng)框不同結(jié)構(gòu)尺寸、導(dǎo)流流道方案對(duì)出風(fēng)流場(chǎng)與凝露的影響，結(jié)論如下：

1） 原結(jié)構(gòu)方案在出風(fēng)口上、下沿位置存在結(jié)構(gòu)尖角，出風(fēng)口冷空氣流速和壓力與環(huán)境的濕熱空氣存在明顯差異。且出風(fēng)口下沿位置掃風(fēng)板下部冷風(fēng)向下，負(fù)壓帶動(dòng)熱空氣存在渦流區(qū)，導(dǎo)致出風(fēng)口下沿位置形成凝露水聚集、滴落等問(wèn)題。

2）利用康達(dá)效應(yīng)以提高界面流速的原理，通過(guò)對(duì)出風(fēng)結(jié)構(gòu)上、下沿尖角增加過(guò)渡圓角凸面、凹面的組合使用，達(dá)到提高出風(fēng)口下沿過(guò)渡位置流速和壓力，達(dá)到改善空氣渦流效果。通過(guò)建立數(shù)字模型與仿真，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后方案可以實(shí)現(xiàn)冷熱空氣混合位置壓力和風(fēng)速分布均衡，避免冷熱空氣出現(xiàn)空氣渦流與聚集情況。

3）優(yōu)化后的方案，經(jīng)GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》 “凝露試驗(yàn)”驗(yàn)證在導(dǎo)風(fēng)板、掃風(fēng)葉片最易凝露位置，最高風(fēng)檔運(yùn)行4小時(shí)，出風(fēng)口周圍面板上、下沿沒(méi)有水珠凝露聚集，試驗(yàn)合格。經(jīng)舒適性試驗(yàn)驗(yàn)證，送風(fēng)軌跡高度分布理想，制熱、制不會(huì)導(dǎo)致客戶“頭熱腳冷”的舒適性問(wèn)題。

4）結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證情況，完善局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)室內(nèi)機(jī)風(fēng)口上、下沿垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，確保設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。