高揚(yáng)*，翁曉敏，丁國(guó)良，胡海濤，宋吉

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，上?！?00240；2-國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)，上?！?00020）

不同制冷工質(zhì)在分配器中的分配特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高揚(yáng)*1，翁曉敏1，丁國(guó)良1，胡海濤1，宋吉2

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，上海200240；2-國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)，上海200020）

本文采用CFD仿真研究了R22、R410A、R32、R290四種制冷劑下分配器特性在不同安裝角度工況下的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，對(duì)氣液相密度比大的制冷劑工質(zhì)（R32、R410A），在垂直安裝條件下，插孔式分配器分配效果最好；在傾斜安裝條件下，圓錐式分配器分配效果最好。對(duì)氣液相密度比小的制冷劑工質(zhì)（R22、R290），圓錐式分配器分配效果均為最好。結(jié)合理論分析和分配器特性的變化規(guī)律，提出實(shí)際安裝條件下適用于四種制冷劑的分配器結(jié)構(gòu)的通用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并與改進(jìn)前分配器性能進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)比結(jié)果表明，改進(jìn)后的分配器結(jié)構(gòu)能夠改善分配器的分配性能。

分配器；兩相流；CFD仿真；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；分配性能

0　引言

小管徑房間空調(diào)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制冷工質(zhì)充注量少的特點(diǎn)，不僅減少了材料使用、降低了成本，而且使得環(huán)保可燃的工質(zhì)（如R32、R290）得以應(yīng)用于空調(diào)器，擴(kuò)大了房間空調(diào)器使用制冷劑的范圍［1］。但是，小管徑銅管（管徑不大于5 mm）的采用導(dǎo)致了制冷工質(zhì)的壓降迅速增加，換熱器的性能也隨之急劇惡化。為了彌補(bǔ)小管徑房間空調(diào)器壓降過(guò)大造成的性能下降，需要采用多流路換熱器。同時(shí)，為了解決制冷劑分流不均，需要引入分配器［2］。

在家用房間空調(diào)器中，分配器的進(jìn)口連接毛細(xì)管出口，其出口一般分成2～8路，通過(guò)毛細(xì)管與房間空調(diào)器的蒸發(fā)器各流程相連。性能良好的分配器能通過(guò)分流，將制冷劑等量、均勻地分配給蒸發(fā)器的各個(gè)流路。分配器的分流性能較差時(shí)，各分路制冷劑分配并不均勻［3］。供液量偏少的分路內(nèi)，制冷劑快速蒸發(fā)成氣體，出口過(guò)熱度很大，換熱面積沒(méi)有有效地進(jìn)行利用；供液量偏大的分路內(nèi)，出口的過(guò)熱度很小，甚至可能有未蒸發(fā)的液體［4］，造成空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行性能惡化。所以分配器的流量分配性能對(duì)小管徑房間空調(diào)器的性能有重要影響。

翁曉敏等［5］和高晶丹等［6］采用空氣-水為流體對(duì)插孔式分配器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，得出了插孔式分配器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。翁曉敏等［7］對(duì)反射式分配器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明改進(jìn)結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的分配性能。上述研究大都采用空氣-水來(lái)模擬制冷劑的運(yùn)行工況。但是，不同制冷工質(zhì)，由于其物性的不同，導(dǎo)致具體工況如空泡系數(shù)、氣相和液相速度等的差異，這些差異都將直接影響到對(duì)應(yīng)的分配器設(shè)計(jì)。因此，已有針對(duì)空氣-水混合物的分配器優(yōu)化設(shè)計(jì)可能不能直接拓展到制冷劑。

本文對(duì)不同制冷工質(zhì)應(yīng)用下的分配器特性變化規(guī)律進(jìn)行研究，目的在于得出一種對(duì)不同制冷工質(zhì)通用的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

1　分配器形式和結(jié)構(gòu)調(diào)研及研究對(duì)象確定

調(diào)研針對(duì)的主體是國(guó)內(nèi)外大型的空調(diào)企業(yè)和分配器制造企業(yè)，通過(guò)調(diào)研，整理各個(gè)廠家使用的分配器結(jié)構(gòu)型式和工質(zhì)，為接下來(lái)研究做準(zhǔn)備。調(diào)研企業(yè)有空調(diào)制造企業(yè)D公司，F(xiàn)公司，K公司，以及分配器制造企業(yè)H公司。通過(guò)上述調(diào)研結(jié)果的反饋，確定了以下研究范圍。

1）研究的制冷工質(zhì)為已投入生產(chǎn)的R22/R410A/R32和有替代R22潛力的環(huán)保工質(zhì)R290。

2）研究的分配器類(lèi)型為4分路圓錐式、插孔式、反射式分配器，各分配器原型如圖1所示。分配器安裝傾角（相對(duì)于垂直方向）為0°、5°和10°（極限安裝傾角）。

圖1　三種分配器結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2　制冷劑對(duì)分配性能影響的理論分析

2.1兩相流動(dòng)模型

分配器中制冷劑介質(zhì)的兩相流理想流型為環(huán)狀流或者霧狀流，此種流型下空泡系數(shù)α相對(duì)較大（大于80%），適合用分相流動(dòng)模型進(jìn)行處理，即把兩相流看成是分開(kāi)的兩股流體，分別按單相流處理并計(jì)入相間作用［8］。

空泡系數(shù)α的計(jì)算公式［9］如下所示：

其中，無(wú)量綱數(shù)h和n的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下：

式中：

ρg——制冷劑氣相的密度，kg/m3；

ρl——制冷劑液相的密度，kg/m3。

氣相折算速度：

液相折算速度：

式中：

m ——工質(zhì)的總質(zhì)量流量，kg/s；

x ——干度；

A ——管道截面積，m2。

2.2制冷劑對(duì)分配性能影響分析

分配器在實(shí)際運(yùn)行中，分配性能與不同制冷介質(zhì)的運(yùn)行工況有直接關(guān)系，影響因素總結(jié)如下。1）氣液兩相的密度比

由空泡系數(shù)的計(jì)算公式可知，空泡系數(shù)α與干度、氣液兩相的密度比有關(guān)。分配器進(jìn)口干度在系統(tǒng)正常工作時(shí)穩(wěn)定在0.2左右［10］，但是對(duì)于不同的制冷工質(zhì)，其氣液兩相的密度比有一定差異，這會(huì)直接影響空泡系數(shù)。如表1所示為R22/R410A/R32/R290在10 ℃時(shí)的氣液相密度比。

表 1 各制冷劑工質(zhì)的氣液相密度比

在氣液兩相流動(dòng)中，由于存在著氣泡的分裂和聚集，氣泡的形狀和大小隨流動(dòng)狀態(tài)的變化而變化，所以氣、液相界面的形狀和分布在時(shí)間上和空間上均是隨機(jī)可變的。這是造成氣液兩相制冷工質(zhì)在結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的理想分配器（不考慮重力作用）中分配不能絕對(duì)均勻的原因。對(duì)不同制冷劑而言，氣相所占截面面積不同，導(dǎo)致不同制冷劑的空泡系數(shù)存在差異性。盡管氣相質(zhì)量百分比小，但是體積百分比大，所以容易擠占流道，間接影響液相的體積流量，從而造成制冷劑的流量降低［11］。

實(shí)際過(guò)程中，分配器的安裝還存在一定的傾斜角。由于密度不同，較輕的氣相組會(huì)涌向高處的出口支路，而液相組會(huì)涌向低處的出口支路，造成分配不均。對(duì)不同制冷工質(zhì)，氣液相密度差異很大，會(huì)影響到氣液相組的分配。

2）氣液兩相的流速

根據(jù)氣液相速度折算公式，不同制冷劑工質(zhì)氣液相速度存在差異，這將會(huì)影響到兩相流的流型。根據(jù)Weisman計(jì)算公式［12］，制冷劑的流速越高，液相質(zhì)量流率Gl越大，液膜就越薄，相應(yīng)散落在氣相中的液滴也就越多，流型也就更加接近彌散霧狀流，即液滴能均勻分布在氣相中進(jìn)行流動(dòng)的一種流型。當(dāng)流速較低時(shí)，較難形成霧狀流，從而達(dá)不到較好的分配效果。

3）壓力波動(dòng)

下游壓力波動(dòng)會(huì)抑制上游流量［13］。不同制冷工質(zhì)實(shí)際工作壓力不同，產(chǎn)生的壓力波動(dòng)也會(huì)有差異，從而造成分配效果的差別。

2.3分配器分配不均勻性評(píng)價(jià)

本文采用各分路質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量分流器的分流性能，標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下：）

式中：

S ——標(biāo)準(zhǔn)差，g/s；

n ——分路數(shù)；

mi——第i分路的出口質(zhì)量流量，g/s；

mave——各分路質(zhì)量流量之和的平均值，g/s。

3　不同制冷工質(zhì)在分配器中的分配特性CFD模擬

利用FLUENT軟件對(duì)分配器分流情況進(jìn)行模擬時(shí)，采用高質(zhì)量的四面體網(wǎng)格和分區(qū)劃分的網(wǎng)格劃分策略，使三種分配器的網(wǎng)格達(dá)到了較高的網(wǎng)格質(zhì)量［14］。

由于采用的數(shù)學(xué)模型為分相流動(dòng)的兩相模型，將生成的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)選擇Euler兩相流模型和k-ε湍流模型。k-ε模型的各常數(shù)取值如表2所示。

表2　k-ε模型的各類(lèi)常數(shù)取值

對(duì)不同的制冷劑，設(shè)定它們?cè)谀撤块g空調(diào)器以蒸發(fā)器額定制冷工況運(yùn)行（室內(nèi)側(cè)干濕球溫度維持在27℃/19℃，干度0.2），并控制各工質(zhì)過(guò)熱度和換熱量相同。假設(shè)分配器下游的蒸發(fā)盤(pán)管的幾何結(jié)構(gòu)尺寸和位置高度相同，并忽略?xún)烧哌B接管的沿程壓力損失。由公式（1）～（3），得到分配器中各工質(zhì)的入口邊界和出口邊界條件如表3所示。由公式（4）～（5）可知，對(duì)同種工質(zhì)，由于流經(jīng)的不同類(lèi)型分配器的管道截面積不同，它們的氣相入口速度和液相入口速度也各不相同，這里不再詳述。

本文采用已有文獻(xiàn)中的空氣-水分配特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［5］，對(duì)本文的CFD模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，本文建立的模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在15%以?xún)?nèi)。

表3　不同工質(zhì)下分配器CFD仿真邊界條件

4　模擬結(jié)果比較與分析

4.1R22下分配器結(jié)構(gòu)的分流特性變化規(guī)律

R22在三種類(lèi)型分配器中的仿真計(jì)算邊界條件如表3所示。仿真計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖2所示。

圖2　R22時(shí)插孔式、圓錐式、反射式分配器分流結(jié)果

從圖2的R22標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比圖可以看出，不論是垂直安裝時(shí)還是傾斜安裝時(shí)，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

這是因?yàn)橹评鋭㏑22氣液兩相密度比小，氣液兩相流速大，出口壓力小。流速的影響大于壓力波動(dòng)的影響，而圓錐式分配器混合腔的流速大于其他兩種分配器，更易形成霧狀流。因此在垂直和傾斜安裝時(shí)圓錐式分配器均有較好的分流效果。

4.2R410A下分配器結(jié)構(gòu)的分流特性變化規(guī)律

R410A在三種類(lèi)型分配器中的仿真計(jì)算邊界條件如表3所示。仿真計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖3所示。

從圖3的R410A標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比圖可以看出，垂直安裝時(shí)，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器次之，反射式分配器分配效果最差；傾斜安裝時(shí)，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

這是因?yàn)橹评鋭㏑410A氣液兩相密度比大，氣液兩相流速小，出口壓力大。插孔式分配器在垂直安裝時(shí)受壓力波動(dòng)影響較?。粌A斜安裝時(shí)，對(duì)傾斜安裝角敏感度大，因此其分配效果差；而圓錐式分配器的混合腔道相比于插孔式和反射式來(lái)說(shuō)最小，并且出口有一定的傾斜角度（30°），根據(jù)質(zhì)量守恒公式，兩相流經(jīng)過(guò)圓錐式分配器混合腔時(shí)的流速大于其他分配器，較易形成霧狀流。

圖3　R410A時(shí)插孔式、圓錐式、反射式分配器分流結(jié)果

4.3R32下分配器結(jié)構(gòu)的分流特性變化規(guī)律

R32在三種類(lèi)型分配器中的仿真計(jì)算邊界條件如表3所示。仿真計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖4所示。

圖4　R32時(shí)插孔式、圓錐式、反射式分配器分流結(jié)果

從圖4的R32標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比圖可以看出，垂直安裝時(shí)，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器次之，反射式分配器分配效果最差；傾斜安裝時(shí)，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。由于R32具有與R410A相似的物性，即氣液相密度大，氣液兩相流流速小，出口壓力大。因此其在分配器中的分配規(guī)律與R410A相似。

4.4R290下分配器結(jié)構(gòu)的分流特性變化規(guī)律

R290在三種類(lèi)型分配器中的仿真計(jì)算邊界條件如表3所示。仿真計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖5所示。

圖5　R290時(shí)插孔式、圓錐式、反射式分配器分流結(jié)果

從圖5的R290標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比圖可以看出，不論是垂直安裝時(shí)還是傾斜安裝時(shí)，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

R290物性與R22類(lèi)似，均具有氣液兩相密度比小，氣液兩相流速大，出口壓力小的特點(diǎn)。因此R290在分配器中的分配規(guī)律與R22相似。

5　分配器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1分配器優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研顯示，垂直安裝的理想情況很難實(shí)現(xiàn)，而更常見(jiàn)的是5°以?xún)?nèi)的安裝傾角，這里基于傾斜5°的條件來(lái)研究圓錐式分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。通過(guò)仿真研究三種類(lèi)型分配器的結(jié)構(gòu)因素對(duì)制冷劑氣液兩相分配的影響因素?？张萋史从沉肆鞯乐袣庀嗪鸵合嗟姆植记闆r，可作為衡量氣液相狀態(tài)和分配均勻性的一個(gè)標(biāo)志。圖6為R410A穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)三種分配器傾斜5°的縱向截面的第二相（氣相）空泡率圖。

圖6　三種分配器空泡率圖

經(jīng)過(guò)對(duì)三種分配器結(jié)構(gòu)型式的分析，總結(jié)出影響氣液相分布的結(jié)構(gòu)因素如下。

1）混合腔寬度。由圖6可知，由于混合腔太寬，其出口管兩側(cè)氣相不均勻分布比較明顯。所以混合腔寬度要盡可能的窄。

2）混合腔結(jié)構(gòu)型式。由圖6可知，出口管的傾斜形成了獨(dú)特的圓錐體型的出口混合腔結(jié)構(gòu)，混合腔截面積由低到高越來(lái)越小，較小的混合腔截面積保證了高流速，有利于霧狀流的形成。

3）混合腔和出口的連接。由圖6可知，由于混合腔和出口的連接管短且垂直，導(dǎo)致第二相在出口管處流路彎曲，并形成渦旋，阻礙了流體特別是液相的流出。所以混合腔和出口的連接管過(guò)渡要平緩。

基于以上的仿真計(jì)算結(jié)果和分析，圓錐式分配器的結(jié)構(gòu)型式分配效果對(duì)這四種制冷劑工質(zhì)而言都是最好的，具有普適性，應(yīng)該基于這種結(jié)構(gòu)型式的原型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圓錐式分配器原型及各改進(jìn)型如圖7所示。具體的改進(jìn)方向（虛線圈標(biāo)注）如下。

1）改進(jìn)一：將各支路向外平移，使圓錐體型混合腔內(nèi)移，變道口最接近分配器入口。

2）改進(jìn)二：保持變道口寬度不變，增大支路間夾角為50°。

3）改進(jìn)三：將進(jìn)口連接管寬度變成5 mm。

圖7　圓錐式分配器原型及各改進(jìn)型

5.2優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

以R410A為工質(zhì)，通過(guò)仿真計(jì)算其分流結(jié)果與理想情況下各分路平均質(zhì)量流量之比如圖8所示。

圖8　圓錐式分配器原型及其改進(jìn)型在安裝角度為5°各支路流量與平均流量之比

根據(jù)樣本方差值和分配器各出口流量與平均流量比值偏離1的程度，改進(jìn)一和改進(jìn)二都可以提高分配效果。

6　結(jié)論

通過(guò)研究R22/R410A/R32/R290在不同安裝傾角（0°/5°/10°）的插孔式/圓錐式/反射式三種分配器中分配特性，總結(jié)出如下結(jié)論。

1）對(duì)氣液相密度比大的制冷劑工質(zhì)（如R32，R410A），垂直安裝條件下插孔式分配器的分配效果最好；傾斜安裝（5°，10°）條件下圓錐式分配器的分流效果最好。對(duì)氣液相密度比小的制冷劑工質(zhì)（如R22，R290），圓錐式分配器的分流效果最好。

2）選擇圓錐式分配器進(jìn)行優(yōu)化，得到圓錐體型混合腔內(nèi)移和增大出口管支路間夾角到50°兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)，證明其具有更好的分配效果。

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Analysis of Distribution Characteristics and Design of Structure Optimization of Distributor for Different Refrigerants

GAO Yang*1，WENG Xiao-min1，DING Guo-liang1，HU Hai-tao1，SONG Ji2
（1-Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2-International Copper Association，Shanghai 200020，China）

The flow distribution characteristics of four types of refrigerants（R22，R410A，R32，R290）in distributors under the conditions of different angles were investigated by CFD simulation.The research result shows that，for the refrigerant which has a bigger density ratio of vapor and liquid（R32，R410A），jack-type distributor is proved to have a best distribution performance under the condition of vertical installation，while cone-type distributor is proved to have a best distribution performance under the condition of inclined installation.For the refrigerant which has a smaller density ratio of vapor and liquid（R22，R290），cone-type distributor becomes the best one.According to the theoretical analysis and flow distribution characteristics，the structure optimization of distributor for these four refrigerants was proposed and verified by comparing the performance of the optimized distributor with the original one.The result shows that the optimized structure of the distributor can improve distribution performance.

Distributor；Two phase flow；CFD simulation；Structure optimization；Distribution performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.107

*高揚(yáng)（1991-），男，碩士生。研究方向：制冷與低溫工程。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)，郵編：200240。聯(lián)系電話(huà)：021-34206865。E-mail：gao854188977@sjtu.edu.cn。