魯紅亮陶紅歌胡云鵬胡浩茫金聽祥陳煥新

(1華中科技大學 武漢 430074；2上海硅酸鹽研究所 上海 200050；3上海汽車集團股份有限公司 上海 201804； 4廣東志高空調有限公司 佛山 528244)

平行流換熱器的扁管一般有幾十根，通道數(shù)通常有幾百，同一流程內也有上百個通道，這些扁管并列的連接到兩端的集管上，制冷劑由集管分流進入各個通道，換熱后在另一端的集管合流進入下一個流程(見圖1、2)，以往的分析中，為了簡便一般認為制冷劑在諸多通道中的流量分配是均勻的。但實際并非如此，尤其是在兩相狀態(tài)下，各個通道中制冷劑流量的分配相差十分懸殊，以至于一部分通道中只有氣體，而另外一部分通道中則只有液體，這就嚴重削弱了平行流換熱器的換熱和流動性能，甚至成為限制平行流換熱器作為蒸發(fā)器使用的一個瓶頸。Choi[1]等人為了確定制冷劑和空氣的不均勻分布對換熱器性能衰減的幅度，對使用R22的3流程傳統(tǒng)翅片管式蒸發(fā)器進行了實驗研究，結果表明制冷劑不均導致蒸發(fā)器容量衰減了30%，而空氣分布不均則導致蒸發(fā)器容量衰減了8.7%。平行流冷凝器中制冷劑流量分配不均受集管和通道結構形式和尺寸、運行工況、制冷劑物態(tài)等因素影響，是一個異常復雜的問題，其作用機理和分配機制至今尚未被完全掌握。

由于帶有一定傾斜角度的百葉窗式翅片、多流程和多扁管并列的獨特結構，平行流換熱器兩側的制冷劑、空氣會產生更加嚴重的流體分布不均的問題，尤其是有相變的制冷劑流量在多個平行扁管中分配的均勻性變得異常重要，是影響換熱器性能的關鍵，因此如何改進結構以促進制冷劑、空氣更加低耗高效的換熱是現(xiàn)在國內外相關研究機構的研究熱點。

圖2 集管與扁管Fig.2 Flat tube and manifold

1 單相流體的均勻性

1.1 單相制冷劑分配的均勻性

單相流體分配是扁平結構的平行流換熱器內部流體的重要組成部分，也是研究兩相流體分配的基礎，但是目前針對單相液體的分配研究并不充分。HABIB等[2-3]對截面為矩形58.9mm×100mm集管中流量為12.27kg/s、粘度為2.32Pa.s的單相油在32根直徑為25.65mm間距為46.2mm的支管流量分配為對象，采用Fluent 6.1.22進行模擬，得到了各個支管中油流量分配呈W型分布的結果。據(jù)此分析了影響流量分配的因素:入口流速影響可忽略，輸送流體進入集管的導管直徑和數(shù)目影響大，導管從2增加到4根時以標準偏差衡量支管流量分配均勻性則減小62.5%。Sachiyo Horiki[4]對水平矩形5mm×10mm集管連接著4根豎直向上的Φ10mm圓支管的系統(tǒng)泵入水進行了多次流量分配實驗，結果表明:集管內水的雷諾數(shù)以6000為中心，向兩側方向偏離的越大，則4根分支管中流量分配越不均勻，層流時前部支管流量大而后部則接近于零，紊流時的趨勢則相反，但相差較小，層流時不均勻程度比紊流時嚴重。

圖3 干管Re為733時的流量分配Fig.3 Liquid distribution with manifold Re of 733

圖4 干管Re 為16319時的流量分配Fig.4 Liquid distribution with manifold Re of 16319

單相液體在普通尺寸支管中流量分配的CFD模擬結果通常認為是可以接受的，但是對于10mm以下尺度集管在多支管中流量分配的均勻性，CFD軟件是否適用是需要檢驗的。這里以Sachiyo Horiki提供的實驗數(shù)據(jù)為基準，分別選擇水平干管內的流體處于層流、紊流，即雷諾數(shù)為733、16319時使用CFD軟件進行模擬，采用穩(wěn)態(tài)隱式分離求解器進行求解，流體為水，層流、紊流時分別采用Laminar模型、k-epsilon模型，邊界條件則采用干管的入口為流速入口和四個支管的出口為壓力出口，其他則采用默認壁面。層流時整個流體區(qū)域分別為1.8萬、15萬、67萬和120萬網(wǎng)格的模擬結果與實驗結果對比見圖3，紊流時整個流體區(qū)域分別為1.8萬、67萬和120萬網(wǎng)格的模擬結果與實驗結果對比見圖4?？梢?，F(xiàn)LUENT軟件的數(shù)值模擬結果在層流、紊流時均存在較大的誤差，尤其紊流時是模擬結果出現(xiàn)了后部支管倒流的現(xiàn)象；網(wǎng)格密度對模擬結果的精度存在較大的影響，計算精度并非隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而提高:以矩形集管高度5mm為網(wǎng)格長度所得流量分配結果與實驗最為接近，而以集管高度的1/2、1/4和1/5為網(wǎng)格長度所得流量分配結果則與實驗相差越來越大，并出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象；對于層流、紊流均存在的流體系統(tǒng)，該軟件難以實現(xiàn)。

而對于可壓縮性的氣體在支管中的分配而言，是相對較容易處理的。J.M. Yin[5]將常溫下325kPa的氮氣以12g/s的流量充入單流程平行流換熱器入口集管，然后逐漸分流至41根扁管中，從出口集管合流最終流出，結果表明基于可壓縮氣體的扁管流量分析模型的預測值與實驗值比較符合，呈拋物線型分布，第41根扁管流量最大，達到了0.3493g/s，是平均值0.29242g/s的1.2倍，而接近于管網(wǎng)正中間的第21根扁管流量最小，為0.2636g/s，僅為最大值的75.5%。

1.2 空氣氣流分布的均勻性

風扇由于自身的結構特點旋轉起來所驅動的氣流，在換熱器表面處的流速是不一致的，空氣側的氣流分布不均會導致部分制冷劑回路大幅過熱，而另一部分則在出口處還保持兩相狀態(tài)，致使換熱器性能衰減。Kirby[6]實驗研究了干工況和濕工況下不均勻氣流對窗式空調器的蒸發(fā)器的影響，發(fā)現(xiàn)變化不均勻的迎面氣流僅導致蒸發(fā)器性能發(fā)生了小幅的變化。Liang[7]對在不均勻氣流下工作的蒸發(fā)器進行了數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器在容量不變的條件下制冷劑回路經(jīng)優(yōu)化后可以減少5%的換熱面積。Choi[1]進行了兩種氣流不均的實驗，一種空氣的體積流量恒定不變，另一種則是氣流的體積流量隨阻塞作用而減小。實驗發(fā)現(xiàn)氣流不均引起的蒸發(fā)器容量衰減最大為8.7%，而通過控制制冷劑回路出口溫度在5.6 oC則可以回收到4.0%的容量。Brix[8]基于現(xiàn)有換熱和壓降關聯(lián)式，建立了微通道蒸發(fā)器的仿真模型，仿真結果發(fā)現(xiàn):極端條件下氣流不均引起的蒸發(fā)器容量衰減最大為20%，而此種情況下整個制冷空調系統(tǒng)的COP則下降了僅僅4%左右，而對于氣流分布不均并不嚴重的工況，COP的變化則可以忽略不計。

H. Jama, S.[9]等使用了Lee和Hong[10]提出的氣流分布不均勻性指數(shù)(i)量化汽車散熱器的入口空氣均勻性，實驗發(fā)現(xiàn)相較于豎直、中心和側邊隔板，水平隔板布局產生了最均勻的氣流分布，并使得散熱量衰減最小。

2 氣液兩相制冷劑分配均勻性

與單相流體分配相比，兩相流體的自身特性使集管到扁管的流量分配大為復雜:氣相和液相的密度、摩擦系數(shù)、流速和動量都不相同，并且在重力作用下會發(fā)生分層，就導致了氣相、液相不同程度的分配不均，以至于現(xiàn)在仍然沒有一套理論可以預測集管到扁管的相分離和流量分配現(xiàn)象，相關研究也是以實驗研究為主，針對的是有水平集管和豎直扁管小通道的平行流小通道蒸發(fā)器。

2.1 兩相制冷劑流量分配不均對換熱器的影響

Beaver等人[11]使用水平分流管內制冷劑質量流量為100kg/(m2.s)的單流程微通道蒸發(fā)器進行了實驗，結果表明制冷劑流量分配不均導致蒸發(fā)器性能衰減了20%左右，當每個分流管的進口或出口增加2個時流量分配稍有改善，但蒸發(fā)器性能卻沒有提升。平行流冷凝器作為冷凝器時通常有兩個垂直的分流管以便于在各個流程各個扁管小通道內分配制冷劑流量，Hrnjak[12]討論了換熱器中單相、兩相條件下分流管到多個微通道的分配情況，認為現(xiàn)有兩相分配器的原理可以歸結為兩種:一種是混合兩相使之在空間上分布均勻，另外一種則是先分離各相然后分別分配入換熱器的通道中，這兩種技術手段對于數(shù)目不多的通道是有效的，但當通道數(shù)超過30時，制冷劑流量分配就會變得復雜，這兩種常規(guī)的分流手段難以實現(xiàn)均勻分配，從而影響了換熱器的性能。Kulkarni和Bullard[13]認為由于在大多數(shù)的分流管中制冷劑兩相的空泡系數(shù)要超過90%，數(shù)百個通道的制冷劑流量較易于實現(xiàn)近似均勻的分配；但平行流冷凝器作為蒸發(fā)器時，盡管使用了水平的分流管，制冷劑流量仍難以實現(xiàn)均勻分配，該分配不均問題使平行流冷凝器的應用僅限于冷凝器，已經(jīng)成為平行流冷凝器技術發(fā)展的瓶頸。Peng[14]則在高干度的入口流體條件下假設液相為連續(xù)相，選用Eulerian-Eulerian模型，使用Fluent軟件模擬分析了分流管對平行流冷凝器性能影響，模擬結果與相同的結構及運行參數(shù)下的實驗值比較一致，并指出Eulerian模型是模擬分流管內兩相制冷劑流體最為恰當?shù)哪Ｐ汀?/p>

2.2 兩相制冷劑流量分配的理論研究

由于涉及到兩相流動和復雜的集管扁管結構，兩相流量分配的理論預測與實驗相差較大，部分研究就兩相模型、相分離模型和局部壓降模型進行了嘗試。吳曉敏等[15]利用FLUENT軟件，對一水平矩形扁平多分支管內，氮氣和水為工質的氣液兩相流流量分配問題進行了模擬和實驗對比，發(fā)現(xiàn)計算結果與實驗數(shù)據(jù)有較大的差別。Watanabe,M.[16-17]以R11為工質，針對Φ20mm圓形水平集管及其上4根Φ6mm的上流平行支管進行了實驗，其中集管入口為40～120kg/(m2.s)，干度為0～0.4，根據(jù)相分離和流量分配的實驗結果提出了一個經(jīng)驗集管模型，支管氣相質量流速僅與集管氣相質量流速有關，而支管的液相質量流量則僅由集管氣相雷諾數(shù)來確定。經(jīng)過對平行流換熱器中流量分配情況的驗證，該模型僅對少數(shù)幾個支管的預測情況良好，而對于大于10根以上的支管則難以預測其流量分配情況。

Sang-Jin Tae[18]對S.T. Hwang的相分離模型加了角度和支管直徑小于主管直徑的修正項，使之可以適用豎直主管。和支管直徑小于主管直徑的兩相分離情況:C. Oliet等[19]基于Sang-Jin Tae的T型三通管模型建立了平行流蒸發(fā)器模型，研究了其中兩相制冷劑的流量分配情況，但其有效性有待進一步驗證。

對于集管到小通道和小通道至集管的局部阻力，J.W. Coleman[20]實驗測試了平行流換熱器中集管到小通道在兩相狀態(tài)下的壓降，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有兩相模型包括均相流模型、分相流模型和Chisholm模型均大大的低估了試驗值，認為J. Schmidt和L. Friedel基于動脈緊縮的關聯(lián)式與試驗值最為接近，兩相小通道突擴出口壓降模型采用F.F. Abdelall[21]推薦的公式。

Zhang，Webb[22]測試了R134a、R22和R410A在水平絕熱水力直徑為2.3mm的小通道兩相壓降，提出了適于在水力直徑1.0mm～7.0mm小管徑管段的壓降計算關聯(lián)式，Webb和Ermis[23]將該式的應用范圍擴展到了管道水力直徑為0.44mm～7mm。Cavallini[24]通過測試兩相R134a, R410A和R236ea通過1.4mm小通道的壓降，比較了8種常見的壓降模型，認為對于R410A，M. Zhang提出的關聯(lián)式精度最高，而對于R134a和R236ea，Mueller-Steinhagen and Heck關聯(lián)式精度最高。

3 平行流冷凝器中熱流體流量分配不均的影響因素

影響兩相制冷劑在扁管中流量分配的原因比較多，主要可以歸結為兩類:結構因素和運行工況，前者包括集管尺寸、集管入口位置、支管間距、支管數(shù)目、障礙物、支管插入集管的高度等，后者包括支管流體流動方向、集管流量、入口干度、支管的熱負荷、氣液兩相流流態(tài)等。這兩類因素對流體在支管中分配的影響是復雜的，也是不同的，這里基于前人所做實驗歸納其不同的影響。

集管尺寸:M. Ahmad[25]對Φ50mm、30mm和17.3mm的集管及8個支管進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)減小集管管徑會使流量分配更加不均。

集管入口位置:Yunho Hwang[26]發(fā)現(xiàn)，對于端入式的集管結構，分支扁管的氣相分配呈階梯狀。而對于側入式的集管結構，則沒有分流全是氣相的支管，且氣相在分支扁管中的分布是對稱的，入口附件扁管的入口干度為60%至70%，集管末端時扁管的的入口干度為20%左右。當集管入口位置從端入式變?yōu)閭热胧綍r，分支扁管液相的不均勻程度，即NSTD從0.088增加到了0.263，這說明集管入口位置對液相制冷劑流量分布影響很大，且側入式的集管結構比端入式結構的分流效果要好，宜采用進行。但是，Cho[27]以R22為工質在60kg/(m2.s)和0.1～0.3的干度范圍內，分別使用豎直集管、水平集管檢驗了圓形集管到15根支管的流量分配情況，測試發(fā)現(xiàn):與支管和集管均垂直的側入式集管入口對于豎直集管，與支管平行的側入式集管入口對于水平集管都有較好的相分離效果，并認為入口位置的影響太小而不足以改變流量的分配結果。S.Vist[28-29]則對比了50mm和250mm的集管入口長度下10根支管的流量，認為更短的集管入口強化了液相、氣相流體的分配的均勻性，這同時也說明集管入口處的兩相流型對支管流量分配的影響是比較大的。

支管間距:Yunho Hwang[30]在制冷劑R410A入口溫度為7.2 、干度為0.3、流量為55g/s的工況下，分別對扁管間距為8mm、10mm和12mm的換熱器進行了實驗對比，發(fā)現(xiàn)30根6孔扁管的氣相和液相分布的規(guī)范化標準偏差NSTD變化極小，表明支管間距不影響氣相和液相在扁管中的分配。

支管數(shù)目:Yunho Hwang[30]實測了55g/s制冷劑質量流量下分別裝有18，24，30根扁管的換熱器，發(fā)現(xiàn)側入式進口換熱器的不均勻程度比端入式進口換熱器都小，端入式的三種方案中30根扁管的結構不均勻程度最小，而側入式的三種方案中24根的結構不均勻程度最小，可見支管數(shù)目在不同的入口方式下是有不同的影響的。

阻礙物:為了改善兩相流體在支管分配的均勻性，R.L. Webb[31]等人在D型集管內安裝了不同的阻礙物，采用壓縮空氣和水作為工質，測試了20根分支管的流量，結果表明:最高的阻礙物使得流量嚴重地集中于第1根支管；阻礙物對流型沒有影響，僅僅影響了集管前液相的水平面；帶孔的入口擋板確保了高干度下分層流轉變?yōu)樯淞?，帶?.5mm小直徑孔的入口擋板能夠產生較為均勻的分配；延長液體入口的方法能夠使更多液體在集管中流得更遠，這種方法在低干度條件下分配更為均勻，在干度為0.3時，使用該措施比不使用該措施產生的流量分配均勻性提高了57%。

支管插入集管的高度:Lee J. K.[32]等人將支管在集管中插入高度分別設置為0mm、6mm和20mm，把壓縮空氣和水以54～134kg/(m2.s)的質量流速、干度為0.25～0.5流入24mm×24mm的方形透明集管及6根22mm×1.8mm的扁管，測試結果表明插入高度為6mm時各支管流量不均勻程度最?。籐ee J. K.[33]之后又對3mm的插入高度進行了測試，入口條件為70kg/(m2.s)和干度0.25，發(fā)現(xiàn)該條件下各個支管的流量非常接近于均勻分布。同樣采用壓縮空氣和水流入Φ5mm長80mm透明圓形集管和10根Φ1.5mm長850mm的集管，Kim[34]將支管插入集管的高度分別設為0mm、2.5mm和5mm，測試發(fā)現(xiàn)質量流速為50kg/(m2.s)、干度為0.1、支管突出高度為5mm時，支管中的液體流量分布最為均勻，該種結果被認為是水平集管間各通道壓差所致，集管中的高壓降能夠產生更均勻的流量分布。在連接有20根分支管的D型集管內，R.L. Webb[31]等人將支管在集管中插入高度分別設置為0mm、4mm、10mm、15mm和20mm，將壓縮空氣和水以80kg/m2.s的質量流速、干度為0.3和0.8時流入集管，結果表明:入口干度為0.3時，隨著插入高度的增加，支管流量的不均勻程度逐漸減小，而當入口干度為0.8時，總體上支管流量的不均勻程度逐漸減小。

支管流體流向:S. Vist通過一系列的實驗發(fā)現(xiàn):當支管中的兩相流體向上流動時，氣相較容易進入入口附近的支管中，液相則沿著集管流動更容易流入集管后端的支管中；當支管中的兩相流體向下流動時，液體最容易進入第1根扁管中，而氣相則沿著集管流動流入集管后端的支管中。N.-H.Kim[35]通過實驗發(fā)現(xiàn)，支管內的水向下流時，流量分配受支管插入集管的深度影響很大；支管內的水向上流時大部分的水流入集管后部的幾個支管中。

集管流量:Yunho Hwang發(fā)現(xiàn)，當集管的入口流量增大時，流量100%氣相的分支扁管數(shù)目會變大，這是因為流量增大使得流體動量增加，從而將氣液交界面移向集管末端，這也說明支管數(shù)目對液相制冷劑流量分布影響很大。S. Vist將流量分別為1.5kg/s、2.0kg/s和2.5kg/s的制冷劑流入Φ16mm的圓形水平集管及其上10根Φ4mm的平行支管，測試結果表明流量不同對支管流量的分配無明顯影響。

入口干度:S. Vist通過實驗發(fā)現(xiàn)增加集管入口兩相流體的空隙率，無論是支管內流體向上流還是向下流，在10根Φ4mm的平行支管都會產生較均勻的氣相分配，液相分配則與此相反，液相在空隙率較低時分配最均勻。M. Ahmad對于向下流動的支管在低干度5%～10%低流速50～150kg/(m2.s)、高干度35%～45%高流速150～250kg/(m2.s)進行了對比，發(fā)現(xiàn)入口干度增加，能使氣相、液相在支管中的分配都更加均勻。

氣液兩相流流態(tài):N.-H. Kim[35]研究了空氣和水在圓集管連接的10根扁管中的分布，認為集管中的氣液兩相為環(huán)狀流時流量分配更為均勻。

扁管熱負荷:S. Vist對Φ8mm、Φ16mm的圓形水平集管及其上10根Φ4mm的平行支管在不同的負荷下進行了測試，發(fā)現(xiàn)負荷對支管流量分配的影響很小。Yunho Hwang利用流動可視化技術，研究了蒸發(fā)器水平管和豎直管中的R410A分布，實驗表明，三個熱負荷的影響在測量誤差范圍內，無法判斷其對流量分配的影響。

4 平行流換熱器的優(yōu)化設計

平行流冷凝器的優(yōu)化主要分為兩個方面:空氣側氣流分布的均勻性和制冷劑側分流的均勻性。Chung等[36]分別在考慮和不考慮扁管結構尺寸的影響下建立了平行流冷凝器的仿真模型以研究其流動換熱，比較發(fā)現(xiàn)前者的精度和穩(wěn)定性比后者要好；Chung還分析了諸如分配器、出口和入口的位置以及通道的高寬比等設計參數(shù)對流體分布乃至換熱器性能的影響，使用ALM(Asset and Liability Management)方法優(yōu)化了流體的分布:優(yōu)化后換熱器的換熱系數(shù)提高了6.0%，而壓降則降低了0.4%，作者由此提出沿換熱器流向上流量分布的均勻性是非常必要的。Payne和Domanski[37]通過精確控制幾種翅片形式蒸發(fā)器每個流道制冷劑的過冷度，實現(xiàn)了不同流道內分布均勻的制冷劑，從而檢測了該均勻性對蒸發(fā)器性能所可能帶來的提升，作者還編寫了分別模擬蒸發(fā)器的制冷劑均勻性和空氣均勻性的仿真程序，結果表明在使用智能分配器實現(xiàn)制冷劑在各個流道內均勻分布的條件下，蒸發(fā)器體積可以減少40%。Kulkarni和Bullard[38]權衡了平行流冷凝器的分流管對流量分配和換熱性能的影響，指出靠改變扁管小孔管徑、分流管直徑和入口處制冷劑狀態(tài)并不能解決流量分配不均，進而提出了輻射狀分流管。Webb[39]認為解決蒸發(fā)器的兩相分流不均問題涉及到非常具體的分流管的形狀和尺寸。Hrnjak與Park[40-41]則認為根據(jù)換熱器的類型、使用用途如蒸發(fā)器或冷凝器和流路規(guī)劃不同，空氣和制冷劑的不均勻性對也是不同的，宜采用專用的分配器來保證制冷劑流量分配的均勻性。

5 平行流換熱器研究展望

綜上所述，兩側的制冷劑、空氣分布不均，尤其是有相變的制冷劑流量在多個平行扁管中分配不均嚴重影響平行流冷凝器性能，既降低了換熱效率，又制約了該高效換熱器更大范圍的應用，如目前僅用于單冷空調的冷凝器。發(fā)展至今，平行流換熱器中熱流體分布均勻性仍未被完全掌握，尚有以下機理、結構等需要進一步深入研究:

1) 優(yōu)化設計制冷劑側的扁管集管結構，空氣側風扇類型、結構、位置及換熱器、風道結構和形式等，改善換熱器熱流體分布的均勻性；

2) 發(fā)展基于多根并行管路的流量分配模型和算法，流體網(wǎng)絡理論是一個方向；

3) 豎直、水平集管中兩相制冷劑的流型圖及數(shù)學模型；

4) 集管中制冷劑與空氣的傳熱過程及每經(jīng)過一個支管后流通面積增大前、后熱力過程。

本文受廣東省教育部產學研結合項目(編號2007A 090302115)，粵港關鍵領域重點突破項目(佛山專項)(編號2007Z41)資助。(The project is supported by the cooperation project in industry, education and research of Guangdong province (Grant No.2007A090302115)and Ministry of Education of P. R. China (Grant No. 2007Z41).)

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