八面出风天花式空调器辅助出风口凝露优化设计

邓 勇 陈昌中

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

随着生活水平的提高，人们对空调器的外观和尺寸要求越来越高，天花式空调器出风面板厚度尺寸也越来越薄。天花式空调器由于空间限制，辅助出风口结构紧凑，如果风道设计不合理容易造成冷、热气流在天花机八面出风面板上产生交集，出现辅助出风口温度不均匀直接导致面板凝露[1]。本文针对某款天花式空调器辅助出风口存在的出风口凝露现象，利用ANSYS软件仿真技术结合试验方法，获取辅助出风口气流流动规律，通过优化风道参数，改变了风口处冷热空气交界位置，从而避免了面板凝露问题，为空调器风道设计提供一定参考指导。

1.1 凝露原理

空气在一定的大气压力下冷却出水时的饱和温度称作露点温度。用压力PV和温度t来描述潮湿空气的水蒸气的形态。如图1所示，在p-v示意图上点a为湿空气中水蒸气的形态。对于不饱和的湿空气，如果在水蒸气压力PV保持不变的状态下使之冷却，使不饱和空气的温度t下降，这时，即使湿空气中水蒸气的含量没有变化，但水蒸气的形态会沿着PV的定压线a-c方向变化，一直到点c位置达到饱和状态。这时的点c处温度td被定义为露点温度。如果对此点继续冷却，就会有水蒸气变为凝结水析出[2]。

图1 湿空气中水蒸气的p-v图

根据马格拉斯公式计算空气露点，其水或冰的饱和水蒸气压力计算公式如下[3]：

式中：

E0—空气在0 ℃时的饱和水蒸气压力，这里E0取值6.11 hPa；

t—空气温度（℃）；

a、b—定值常数，在水或冰面温度t＞0 ℃，a取值7.5，b取值237.3，在水或冰面温度t≤0 ℃，a取值9.5，b取值265.5。

当空气的相对湿度为φ时，这时的空气中水蒸气压力计算公式如下：

式中：

e—空气中水蒸气压力（hPa）；

φ—空气的相对湿度（%）。

由上可得出空气的露点（℃）计算公式如下：

1.2 辅助出风口凝露现象分析

空调器出风口凝露主要有两大原因：一是系统设计不合理导致分路不均匀，使空调器室内机蒸发器中各流路的制冷剂状态不一样，这时流过蒸发器不同地方时空气就会形成温度差，继而在空调器的风道内部各地方形成冷热空气相互混合的局面，当风道内的热空气的温度下降至露点温度以下时，就会有凝结水产生[4]；
二是结构设计不合理导致的漏风、风道流场紊流等问题，会造成风道在冷热空气交界面发生凝露[5]。

在本案例中图2中辅助出风口的凝露主要是结构设计不合理造成面板温差大而出现凝露水。

图2 辅助出风口凝露

该款天花机辅助出风口没有导风板，在产品设计时需要同时考虑凝露和送风距离问题，出风口风道合适的斜率才能保证送风距离又能避免风口出现大量的凝露水。

2.1 控制方程

按照空调器的气流性质，对天花式空调器的气流仿真模型进行简化：设定天花式空调器的结构密封性能好，风道各处没有泄漏，其内部空气设定为不可压缩，满足Boussinesq假定条件；
假设气流一直位于稳定状态，其内部气流设定为完全的湍流运动，空调器与外界是绝热的。

对不计重力的三维、定常、不可压缩的气体，在处于恒定角速度的相对直角坐标系下，流体控制方程如下：

式中：

φ—通用变量；

Γ—对应于φ的广义扩散系数；

S—对应于φ的广义源相。

2.2 计算模型

本文利用流体力学FLUENT分析软件进行数值仿真离散化求解。在计算范围解内离心风机旋转形成流体流动，湍流模型采用k-ε，坐标使用多重考系，设定离心风机内流场为转子区域，其余部分为定子区域。

假设边界条件如下：

大气压力：1.013 5 MPa；

环境温度：无；

出风静压：0 pa；

房间尺寸：3×4×18（单位：m）。

2.3 仿真分析

辅助出风口处泡沫与面板形成风道，从经济上考虑，通过改变泡沫斜率来优化风道。对该处的泡沫设计斜率进行变化，如图3所示，通过设置合理的参数仿真预测气流方向来避免冷热空气交界面处于面板上。

图3 辅助出风口泡沫与面板风道结构（异形交错的风道结构）

泡沫迎风面夹角α表征泡沫风道斜率，通过对该处α值的变化，辅助出风口处的泡沫形成了凹面、凸面设计，其相应的仿真结果如图4、图5所示。

图4 辅助出风口凹面泡沫风道气流仿真结果

图5 辅助出风口凸面泡沫风道气流仿真结果

从仿真结果来看，图4中从凹面泡沫吹出的气流贴着天花板，能满足远距离送风要求，但出风口处的气流距离面板上表面过近，容易在面板上产生凝露现象；
图5中从凸面泡沫吹出的气流斜向下直吹，可以避免出风口气流在面板上产生冷热交界面而造成风口凝露，但无法满足远距离送风要求。

对泡沫迎风面夹角α继续优化参数，使出风口泡沫面与面板接触面形成一个异形相互交错的风道来控制气流在风道中间吹出从而将冷热交界面移至到空气中，避免在面板上产生凝露水，其辅助出风口优化后的泡沫与面板形成的风道仿真结果如图6所示。

图6 辅助出风口泡沫优化仿真结果

从图6中可以看出泡沫迎风面夹角α优化参数后，其气流在辅助出风口处没有紧贴面板，气流沿着泡沫与面板交错的风口中间吹出，避免了冷热风在面板上交界而凝露；
同时气流在远离风口位置后与天花平行送风满足了远距离送风要求。由此可以得出，通过优化泡沫迎风面夹角α参数得到与面板形成合理的风道结构可以保证送风距离又能避免风口出现大量的凝露水。

3.1 实验方法

1）低温凝露（最低风档）

在室内侧干球/湿球温度为27 ℃ /24 ℃，室外侧干球/湿球温度为27 ℃ /24 ℃工况下，电源电压为额定电压，空调器开制冷最低风档连续运行4 h以后再转最高风档运行10 min，观察并记录数据和凝露情况。

2）高温凝露（最低风档）

在室内侧干球/湿球温度为27 ℃ /24 ℃，室外侧干球/湿球温度为35 ℃ /-工况下，电源为额定电压，空调器开制冷最低风档连续运行4 h以后，再转最高风档运行10 min，观察并记录数据和凝露情况。

3.2 判定标准

在整个试验过程中，空调机出风口周围及导风板允许有凝露水珠但不允许滴落，室内送风不应带有水滴，转高风运行后，风道内壁（风管内机结构测试完凝露拆开侧板检查风道）上允许有少许水滴，但不允许有水滴吹出或出现漏水现象。

3.3 实验结果及分析

实验验证了优化泡沫迎风面夹角α结构与面板成异形交错的风道结构如图7所示，可使风口出风不再吹向面板，冷气流在风道中间吹出从而将冷热交界面移至到空气中，避免在面板上产生凝露水。实验结果如图7所示，风口面板上方有少量分散的细小凝露水，满足实验标准要求，未出现凝露水滴落情况，实验结果与仿真结果吻合，表明优化后的泡沫斜率参数满足了八面出风面板风口设计要求。

图7 辅助出风口泡沫实验结果

本文针对某款天花式空调器辅助出风口存在风口凝露现象，分析发现出风口结构设计不合理是面板形成温度差导致凝露的主要原因。合理的风道设计尤其是迎风面夹角α的斜率是影响出风均匀性的关键因素，通过优化泡沫迎风面夹角α，设计了泡沫迎风面夹角α结构与面板成异形交错的风道结构，并通过仿真和实验验证了优化后的风道结构能改变风口处冷热空气交界位置，从而避免了面板凝露问题同时满足远距离送风要求。由于测量和检测的误差，仿真和实验有一定的差距，但不影响迎风面夹角α的斜率对凝露影响趋势判断，为空调器风道设计提供一定参考指导。