杜琳，管祥添，高如啟，唐黎明，陳琪

（浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江杭州 310000）

0 引言

微通道平行流換熱器由分流管、集流管、多孔扁管及翅片組成。其中多孔扁管由10～12 個微通道組成，水力直徑一般小于1 mm。與管翅式換熱器相比，微通道平行流換熱器具有換熱效率高等優(yōu)點。汪年結(jié)等[1]、葛方根等[2]和張蕾[3]對微通道換熱器替代現(xiàn)有換熱器的可行性進行實驗分析，發(fā)現(xiàn)微通道換熱器可以減少制冷劑充注量和提高換熱效率。但是，當不同通道內(nèi)的制冷劑分配不均勻時，會帶來換熱器換熱效率降低[4-5]和易結(jié)霜[6]等問題。近年來，大量文章對微通道換熱器的研究進展及應(yīng)用前景進行了概述，指出制冷劑分配不均問題是目前微通道換熱器亟待解決的問題之一[7-11]。

本文對近年來國內(nèi)外文獻中所涉及的改善微通道平行流換熱器內(nèi)流體分布均勻性的方式進行了綜述，分析了不同結(jié)構(gòu)及運行工況參數(shù)對制冷劑分流特性的影響，發(fā)現(xiàn)對于不同結(jié)構(gòu)的換熱器，同樣的改善方式會帶來不同的結(jié)果。下文所涉及的文獻中的換熱器結(jié)構(gòu)和實驗條件等參數(shù)如表1所示。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)及實驗條件

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

1.1 水平分流板

在微通道平行流換熱器的集管內(nèi)插入水平分流板，可使工作流體在分流板和扁管之間形成強烈的再循環(huán)，可對工作流體進行二次分配，有效改善流體在換熱器內(nèi)的分布情況。SHI 等[12]對7 種進出口分流板結(jié)構(gòu)進行實驗測試，實驗條件如表2所示，利用熱成像儀對蒸發(fā)器外溫度的分布情況進行測試。以制冷能力和溫度分布情況為衡量指標，得出通過合理布置分流板的方式，可以改善管內(nèi)流體分布均勻性進而提高制冷能力。KIM 等[13]和BYUN等[14]通過實驗研究了在入口分流管內(nèi)插入水平分流板對換熱器內(nèi)流體分布均勻性的影響。實驗結(jié)果顯示，在入口集流管內(nèi)插入圖1所示的多孔圓管，可以有效改善換熱器內(nèi)流體分布情況。

表2 進出口分流結(jié)構(gòu)影響的實驗工況[12]

圖1 多孔圓管結(jié)構(gòu)[13]

劉巍等[15]對出口集流管內(nèi)插入水平分流板的作用進行了實驗探究，出口集流管內(nèi)插入分流板對制冷劑分流特性沒有影響，且增大了流動阻力。因此，出口集流管內(nèi)不插入分流板時，換熱性能較好。

在圓孔分流板面積方面，劉巍等[16]對不同的分流板孔徑進行模擬和實驗探究，實驗條件如表3所示，得到最佳孔徑為4 mm，最佳孔徑開孔面積為150.7 mm2。在圓孔分流板結(jié)構(gòu)方面，吳學(xué)紅等[17]和劉巍[18]對孔徑均勻分布的分流板進行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)分流板孔數(shù)越多，流體分配越均勻。除均勻分布的多孔圓管之外，高志成[19]對圖2所示的孔徑非均勻分布的多孔圓管進行了模擬和實驗研究，發(fā)現(xiàn)分流板孔徑非均勻分布時，流體分配更均勻。

表3 分流板孔徑影響的實驗工況[16]

圖2 孔徑非均勻分布分流板結(jié)構(gòu)[19]

1.2 豎直分流板

在微通道換熱器的進出口集管或中間集管內(nèi)插入豎直帶孔分流板可以使得流體回流效果更明顯，便于流體的二次分配，從而改善流體在扁管內(nèi)的分布情況。在中間集管方面，SHI 等[12]發(fā)現(xiàn)在中間集管內(nèi)插入分流板可以改善流體在換熱器內(nèi)的分布情況。BYUN 等[20]通過實驗探究發(fā)現(xiàn)，中間集管內(nèi)插入圖3所示的分流板可以有效改善制冷劑分布均勻性，且最佳圓孔直徑為4 mm。在進口分流管和出口集流管方面，YU 等[21]發(fā)現(xiàn)在入口分流管及出口集流管內(nèi)均插入圖4所示的分流板，可以使傳熱效率提高67.93%[21]，實驗條件如表4所示。徐凱[22]通過實驗和模擬探究了豎直節(jié)流板的數(shù)量、位置、開孔面積及形狀對微通道平行流換熱器內(nèi)制冷劑的分布情況的影響。研究結(jié)果顯示，節(jié)流板孔徑過小或過大均不利于制冷劑的均勻分配。因此，根據(jù)工作條件，優(yōu)化節(jié)流孔面積十分有必要。

圖3 中間集管內(nèi)插入物結(jié)構(gòu)[20]

圖4 分流板結(jié)構(gòu)[21]

表4 實驗工況[21]

1.3 微通道水力直徑

通過減小微通道水力直徑的方式，在一定范圍內(nèi)可以使流體分布更加均勻，提高換熱效率，但是當水力直徑降低到一定數(shù)值后，會增大壓降，降低換熱能力。楊海江[4]和TUO 等[23]發(fā)現(xiàn)隨著微通道水力直徑的降低，流體分布更加均勻，這是由于微通道內(nèi)壓降增加，因此出口集流管壓降占總壓降比例下降，分布更加均勻。但是，當微通道水力直徑小于一定數(shù)值時，雖然流體在扁管內(nèi)的分布更加均勻，但是壓降會隨著水力直徑的減小而增大。由于蒸發(fā)器出口條件固定，因此隨著壓降增加，蒸發(fā)器入口壓力和溫度隨之增大，制冷劑與空氣之間的傳熱溫差減小，進而導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱能力下降。

1.4 扁管在分流管內(nèi)的突出深度

增加扁管在分流管內(nèi)的突出深度可以使得流體進入扁管后，撞擊扁管，在扁管入口處，一部分流體流入扁管，一部分流體向分流管后部流動，撞擊后部扁管，使得流體得到再分配，從而改善流體分布均勻性。當流體在扁管內(nèi)流動方向為豎直方向時，楊海江[4]、KIM 等[24-25]、張永鍇[26]和韓艷輝[27]對增加扁管突出深度對換熱器內(nèi)流體分布均勻性的影響進行了模擬和實驗探究，發(fā)現(xiàn)增加扁管突出深度使得更多的液體流到分流管后部，有效改善了流體分布均勻性。其中，文獻[24-25]和文獻[26]認為當扁管突出深度占分流管高度的50%時，分配最均勻。文獻[4]指出，扁管突出深度占分流管高度的31.6%或56.3%時，分流效果最好。而文獻[27]則認為，扁管突出深度占分流管高度的23.9%時，流量分配均勻性最佳。流體在扁管內(nèi)流動方向為水平方向時，LEE 等[28]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]通過實驗探究發(fā)現(xiàn)，增加扁管突出深度會降低集流管的水力直徑，增加流體的慣性，使得流體分布更均勻。

1.5 入口/出口集流管方向和位置

當流體在扁管內(nèi)流動方向為水平方向時，KIM等[31]和BYUN 等[32]通過實驗研究了進出口位置對兩流程微通道換熱器內(nèi)流體分布均勻性的影響。實驗結(jié)果顯示，頂部入口使第一流程內(nèi)流體分布更加均勻，壓降也更小。這是由于對于豎直結(jié)構(gòu)的集流管，受重力影響，制冷劑更容易流入下部扁管內(nèi)。而入口位置位于頂部時，可使得部分制冷劑流入上部扁管內(nèi)，得到流體均勻分配。底部或頂部出口對于第二流程內(nèi)流體分布均勻性的影響并無明顯差別，但是底部出口使得第一流程內(nèi)流體更多地流入上部集流管內(nèi)，因此，底部出口效果最佳。

當流體在扁管內(nèi)流動方向為豎直方向時，進口位置及方向同樣影響扁管內(nèi)流體分布均勻性。楊海江[4]和張永鍇[26]發(fā)現(xiàn)當入口位置位于分流管中間時，流體進入分流管后分別向左、右兩側(cè)形成均勻流動。而當入口位置向兩側(cè)偏移時，會在分流管內(nèi)形成兩個大小不一的空間，在較小空間內(nèi)，流體動量衰減快，導(dǎo)致流體的不均勻分配。KIM 等[33]和CHO 等[34]對圖5所示的不同入口方向進行了實驗研究，當流體在扁管內(nèi)的流動方向為從下向上時，流體更多地流入后部扁管內(nèi)，造成分配不均的現(xiàn)象。而豎直流入使得部分流體射流進入前部扁管內(nèi)，從而改善流體分配均勻性。

圖5 3 種不同入口方向[33]

1.6 集流管截面形狀

改變集流管截面形狀，可改變集流管內(nèi)的壓力分布，進而改善了流體在扁管內(nèi)的分布情況。KIM等[35]和池幫杰等[36]通過數(shù)值模擬的方式，研究了圖6所示的分流管和集流管截面形狀對流體分配均勻性的影響。模擬結(jié)果顯示，入口分流管橫截面積逐漸減小、出口集流管面積逐漸增加時，各扁管進出口壓差趨于一致，因此流體流量分配特性最佳。

圖6 4 種微通道換熱器結(jié)構(gòu)[36]

2 運行工況參數(shù)

2.1 質(zhì)量流量

KIM 等[13,31,37]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]實驗研究了質(zhì)量流量對換熱器內(nèi)流體分布均勻性的影響。實驗結(jié)果顯示，隨著質(zhì)量流量的增加，流體軸向動量增加，更多流向后部扁管內(nèi)，使流體分布更均勻。但是，徐凱[22]和張永鍇[26]的研究成果顯示，隨著質(zhì)量流量的增大，流速增大，壓力損失增大，動壓變大，靜壓變小?；亓鳜F(xiàn)象更加嚴重，使得流體分配不均勻度加劇。而LEE 等[28]、KIM 等[33]和MAHVI 等[38]的實驗結(jié)果顯示，增加質(zhì)量流量對改善流體分布均勻性效果不明顯。

質(zhì)量流量對流體分布均勻性的影響，與換熱器結(jié)構(gòu)、流體流動方向及干度有關(guān)。BYUN 等[14,20]對兩流程微通道平行流換熱器進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)增加質(zhì)量流量對第一流程流體分布沒有明顯影響，但是可以有效改善第二流程內(nèi)流體分布均勻性。筆者認為，當流體流出第一流程在中間集管匯合后，流體的軸向動量增加，使第二流程內(nèi)流體分布趨勢改變，流體更多流向后部扁管內(nèi)，改善了第二流程流體分布均勻性。KIM 等[39]實驗研究了不同流動方向下，質(zhì)量流量對流體分布均勻性的影響。實驗結(jié)果顯示，對于向下流，隨著質(zhì)量流量的增加，更多的液體流向集流管后部。而對于向上流，增加質(zhì)量流量對流體分布均勻性的效果并不明顯。ZOU等[40]認為干度不同時，增加質(zhì)量流量對流體分布均勻性的影響不同。實驗結(jié)果顯示，當流體入口干度小于0.6 時，隨著質(zhì)量流量的增加，流體分布更加均勻。而當流體入口干度大于0.8 時，隨著質(zhì)量流量的增加，流體分布趨于更不均勻。

2.2 干度

KIM 等[13,37]和MAHVI 等[38]的實驗結(jié)果顯示，隨著干度的增加，流體軸向動量增加，更多流向后部扁管內(nèi)，使得流體分布更佳均勻。但是，張永鍇[26]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]的研究成果指出，隨著干度增加，氣相增加，受扁管在集流管內(nèi)的突出深度影響，總流量分配不均勻度增加，流量分配更不均勻。而LEE 等[28]、KIM 等[33]和CHO 等[34]的實驗結(jié)果顯示，增加流體入口干度對改善流體分布均勻性的效果不明顯。

質(zhì)量流量對流體分布均勻性的影響，與換熱器結(jié)構(gòu)、流體流動方向等有關(guān)。BYUN 等[14]的實驗結(jié)果顯示，增加流體入口干度，對第一流程內(nèi)流體分配均勻性沒有明顯影響，但是使第二流程內(nèi)流體分布更均勻。KIM 等[39]通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)當流動方向為向下流時，隨著干度的增加，流體更多流入后部集流管內(nèi)，使得流體分布更加均勻。但當流動方向為向上流時，增加干度對流體分布均勻性的效果并不明顯。

3 結(jié)論

本文綜述了改善流量分配均勻性的兩種基本方式，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和運行工況參數(shù)，得出如下結(jié)論：

1）在改善結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)方面，插入水平分流板或豎直分流板、減小微通道水力直徑、增加扁管突出深度、改變進出口方向及位置和改變集管截面均可有效改善流體分配均勻性；

2）在改善運行工況參數(shù)方面，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量和干度等參數(shù)，也可以有效改善流體分配均勻性；

3）無論是對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)還是運行工況參數(shù)的優(yōu)化，均需要考慮換熱條件及換熱器結(jié)構(gòu)；目前，尚未存在一種改進方式對任意換熱條件或換熱器結(jié)構(gòu)均有效；管內(nèi)插入物的方式雖被大量研究，但是在集管內(nèi)插入分流結(jié)構(gòu)對于工藝性要求高，難以推廣；因此，找到一種有效改善制冷劑分配性能且工藝上可行的方式，是目前亟待解決的問題。