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基于贯流风机的风机盘管结构设计与优化

2024-08-26 137 上传者：管理员

摘要：针对风机盘管低成本、低噪声和高性能的市场需求，采用内部Coil-PC系统设计软件、ANSYS Fluent及Creo (PRO/E)等工具对FCU各个零部件进行参数化设计、气动性能优化、虚拟装配及样机搭建。最后对设计优化后的试验样机进行风量、振动、噪声及制冷量测试，验证了该FCU设计的可行性和可靠性，为后续FCU研发设计工作提供了重要的指导意义。

关键词：
FCU
建筑房间
空气调节系统
结构设计
贯流风机
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FCU(Fan Coil Unit)系统因为其灵活的布置方式、调节方便以及成本较低，被广泛应用于商场或建筑的空气调节系统中[1-3]。然而，随着人们对建筑环境的舒适体验度逐步增高，以及FCU市场竞争环境日趋激烈，对现有的FCU性能和成本有了更高的要求[4]。

FCU系统常通过调节风量、水量以及旁通风门等3种方法以满足建筑房间的负荷需求。其中，风量调节在实际生活中应用最为广泛，其原理是通过三速开关改变电机的输入电压，从而调节风机的转速、盘管的冷热量[5-6]。

通过对各大厂家现有FCU做市场调研，分析当前产品现状；对设计院、安装商、经销商及终端客户进行拜访，调研他们对现有产品的体验以及FCU的需求；组织研发、工厂、市场及销售等部门经理与同事开展技术探讨，用TRIZ指导大家提出创新想法。经过一系列的条件筛选，确定FCU的技术研发重点。

1、FCU的机械结构设计

图1 FCU的机械结构组成

FCU机械结构主要包括风机部、盘管部、回风箱以及集水盘等，结构见图1。现有FCU产品的风机通常采用离心风机。由于离心风机出口空间的限制，使得到盘管上的气流分布不均匀，结构较为复杂，且成本价格相对较高。与离心风机不同，贯流风机的转子较长，流量可以相对增加较大，从而避免了较大的风机直径及转速[7-9]。贯流风机比较适合应用在径向尺寸和噪声受限制的场合[10]。此外，贯流风机在家用内机市场占有率高，量产价格具有优势。

1.1贯流风机叶轮和蜗壳的结构设计

根据风量以及性能要求，设计出相应的贯流风机，并提供给供应商开模加工。根据已有的蜗壳设计经验，初步设计出与贯流风机相适应的蜗壳型线，再通过CFD数值评估，不断优化迭代，最终确定蜗壳型线。设计优化后的蜗壳，采用3D打印技术制作成测试样件。贯流风机叶轮和蜗壳型线如图2所示。

图2贯流风机叶轮和蜗壳型线

1.2翅片、盘管的结构设计

根据亲水铝箔传热特性，设计3种片型的翅片，分别为正弦波百叶窗翅片、平片百叶窗翅片以及波纹不开窗翅片，如图3所示。根据性能、供应商工艺水平以及成本考量，最终选用正弦波百叶窗翅片。

图3 3种翅片

盘管采用三排管设计，为了增大换热面积，采用与水平面斜置45度的方式放置，盘管如图4所示。

图4盘管

1.3 FCU数值计算

根据设计的贯流风机、蜗壳、翅片以及盘管，在Ansys Fluent中进行二维的数值模拟，计算参数见表1。

表1计算参数

压力分布和流线分布如图5所示。

图5压力分布和流线分布

从CFD数值计算结果可以清楚看到，在蜗壳的顶部与45度斜置盘管连接处会出现涡流，在盘管根部压力较高。

1.4 FCU试验样机搭建

根据蜗壳蜗舌的型线、盘管的穿管方式以及贯流风机形式，在Creo 4.0中分别建立其三维模型，定义各个部分之间的连接方式，虚拟装配成整机模型，并进行参数化设定，便于后续试验后完成结构的优化设计，从而节省研发时间，提高推进效率。三维模型虚拟装配完成之后，编制BOM,出具工程图纸，联系供应商加工或3D打印，完成各个零部件的生产。

图6试验样机

蜗壳与蜗舌通过3D打印成型，材料为PE。而电机和贯流风机则通过螺栓压紧方式连接。蜗壳蜗舌与贯流风机之间的连接通过POM轴承支撑，通过树脂进行润滑。盘管、集水盘等通过自攻螺钉安装在钣金上。选用带霍尔元件可调节转速的电机，通过螺栓固定在三合板上。试验样机如图6所示。

2、FCU的性能测试

搭建完成的试验样机，经过调试，可以满足实验测试需求。分别进行风量试验、振动测试、噪声测试以及制冷量测试，确认噪声振动水平以及风量和制冷量水平。

2.1风量测试

风量测试是在定出口静压值时贯流风机在不同转速下的风量。另外，为了检验FCU的稳定性，在定转速工况下，通过增加或减小风量，观察出口静压值是否能逐渐变化，不会发生明显的突跳。在定出口静压时，通过调节转速，可以发现风量和转速正相关，如图7所示。

图7 FCU转速与风量

在定转速下，风量与出口静压呈负相关。风量越大，出口静压相对越小，风量逐步变小，则出口静压逐渐上升，并在风量为935 m3/h时，出口静压可以稳定在18 Pa,如图8所示。稳定的18 Pa满足国家规定的12 Pa出口静压标准值，且风量大于初始设计值680 m3/h。另外，在出口静压和流量的变化过程中，没有出现明显的突跳。

图8出口静压与风量

2.2振动噪声测试

噪声振动是评价FCU产品性能优劣的另一个重要的参数值。其中，振动测试如图9所示。从图中可以看出，贯流风机在定转速1000 rpm工况下，在166 Hz处振动位移达到最大，为0.025 mm,在整个运行状态下无异常，满足性能需求。

图9 FCU频率变化

在噪声测试实验室，贯流风机转速与噪声声压级呈正相关，如图10所示，并在1000 rpm工况下，测量该试验样机的噪声声压级SPL,为42.6 dBA,比设计目标高大约3 dBA,略高于预期值。

图10噪声测试

分析原因，主要归纳两点：一是贯流风机的叶轮是从供应商处选取，没有做更多的优化，且3D打印的蜗壳和蜗舌，使用的是塑料件，打印件表面粗糙度较大；二是试验样机搭建不稳健，FCU各零部件定位和连接不合理，导致整机刚度较小，结构噪声增大。

2.3制冷量测试

在湿工况下，制冷量和水侧压降都随着出口静压的逐步增大而减小。在出口静压为6 Pa时，制冷量达到约4400 W,验证了翅片和盘管的设计方法，符合预期设计要求，如图11所示。

图11制冷量和水侧压降曲线

3、结构优化

尽管测试结果基本符合预期，但其结构设计存在一些问题，不容忽视，需要反复优化迭代，以期达到最优设计。优化结构如图12所示。

图12 FCU结构优化

其中，钣金装配件过多，通过合并蜗壳蜗舌两侧钣金，缩短集水盘进行优化。电机安装在三合板板上，虽然利于样机测试，却无法对其复现，考虑优化电机安装在钣金的侧面，不仅简单，同时节省空间。盘管翅片形状，起初设计为竖直盘管，直接斜置45度放置在集水盘上，不仅增加供应商的工艺难度，也不便于安装。经过优化，翅片直接优化为平行四边形，减小盘管的迎风角度，从而减小风侧盘管阻力。在市场竞争激烈的环境下，回风箱的成本也不能忽视。通过优化，蜗壳与回风箱设计为一体，可以减少成本。针对蜗壳顶部与45度斜置盘管连接处会出现的涡流，重新设计型线，消除涡流，如图13所示。

图13优化后的蜗壳型线

试验样机与结构优化后的对比结果见表2。

表2试验样机与结构优化后的对比

通过对蜗壳、回风箱、电机安装、钣金以及盘管等机械组成零部件的优化，与试验样机相比，结构更加紧凑，空间利用更为合理，成本优势得到进一步提升，经过重新测试，噪声振动水平进一步下降，制冷量得到提升。

4、结束语

本文用CFD方法对贯流风机的叶轮、蜗壳以及蜗舌进行了流场计算，可以清晰地观察到压力分布和流线分布等贯流风机的内部特性；根据传热特性，设计了正弦波百叶窗翅片；使用Creo虚拟装配了FCU各个零部件的定位与连接；搭建实验样机，完成风量、振动、噪声以及湿工况下制冷量的测试；根据实验中发现的问题以及研发过程中积累的经验，重新优化了FCU的结构。

针对FCU设计，客户主要关注低成本以及低噪声等产品参数。通过对FCU各个零部件的设计，一定程度上在特定工况下可以满足需求，且改善了FCU出风和进风的均匀性。同时，在低静压情况下，贯流式通风机的噪声比离心风扇要低。然而，对于商用FCU应用环境，客户都要求同一产品设计能够要覆盖更高出口静压(30 Pa, 50 Pa),这一点对于贯流式通风机比较难做到，是应用的一个缺陷。这也说明，对FCU研发仍存在诸多挑战，需要不断攻克，希望本文能对后续研发设计工作提供一些有意义的借鉴和指导。

参考文献:

[1]王海,碧海权,秦萍,等.高静压FCU系统阻力特性研究[J].制冷与空调,2015,29(3):337-340.

[2]邵霖,舒珺,程家胜,等.贯流风机不同湍流模型数值模拟时的应用效果分析[J].流体机械,2020,48(4):46-51.

[3]舒朝晖,张强,段亚雄.贯流风机叶轮参数的模拟研究[J].流体机械,2017,45(11):22-28.

[4]申栋,邓钢,李鑫,等.超高层建筑VRV､FCU和AHU联合使用的空调系统技术研究[J].住宅与房地产,2018(6):204.

[6]林立,陈启.VRF系统与FCU系统末端控制的比较[J].暖通空调,2008(3):89-91.

[7]刘飞,王嘉冰,胡亚涛,等.贯流风机涡结构与噪声特性的数值研究[J].工程热物理学报,2009,30(1):44-46.

[9]梅阳寒,张文龙,樊开夫,等.风机振动特性的模态试验与优化研究[J].机电工程,2019,36(11):1147-1152.

[10]舒朝晖,段亚雄,童泽昊,等.采用不同湍流模型计算贯流风机内流场的比较分析[J].流体机械,2018,46(2):19-23.

文章来源:李华南.基于贯流风机的风机盘管结构设计与优化[J].现代机械,2024,(04):36-40.

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期刊名称：现代机械

期刊人气：1078

期刊详情

主管单位：贵州科学院

主办单位：贵州省机电研究设计院,贵州省机械工程学会

出版地方：贵州

专业分类：机械

国际刊号：1002-6886

国内刊号：52-1046/TH

邮发代号：66-25

创刊时间：1974年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1-3个月

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