平行流换热器中热流体分布均匀性的研究进展

鲁红亮陶红歌胡云鹏胡浩茫金听祥陈焕新

(1华中科技大学 武汉 430074；2上海硅酸盐研究所 上海 200050；3上海汽车集团股份有限公司 上海 201804； 4广东志高空调有限公司 佛山 528244)

平行流换热器的扁管一般有几十根，通道数通常有几百，同一流程内也有上百个通道，这些扁管并列的连接到两端的集管上，制冷剂由集管分流进入各个通道，换热后在另一端的集管合流进入下一个流程(见图1、2)，以往的分析中，为了简便一般认为制冷剂在诸多通道中的流量分配是均匀的。但实际并非如此，尤其是在两相状态下，各个通道中制冷剂流量的分配相差十分悬殊，以至于一部分通道中只有气体，而另外一部分通道中则只有液体，这就严重削弱了平行流换热器的换热和流动性能，甚至成为限制平行流换热器作为蒸发器使用的一个瓶颈。Choi[1]等人为了确定制冷剂和空气的不均匀分布对换热器性能衰减的幅度，对使用R22的3流程传统翅片管式蒸发器进行了实验研究，结果表明制冷剂不均导致蒸发器容量衰减了30%，而空气分布不均则导致蒸发器容量衰减了8.7%。平行流冷凝器中制冷剂流量分配不均受集管和通道结构形式和尺寸、运行工况、制冷剂物态等因素影响，是一个异常复杂的问题，其作用机理和分配机制至今尚未被完全掌握。

由于带有一定倾斜角度的百叶窗式翅片、多流程和多扁管并列的独特结构，平行流换热器两侧的制冷剂、空气会产生更加严重的流体分布不均的问题，尤其是有相变的制冷剂流量在多个平行扁管中分配的均匀性变得异常重要，是影响换热器性能的关键，因此如何改进结构以促进制冷剂、空气更加低耗高效的换热是现在国内外相关研究机构的研究热点。

图2 集管与扁管Fig.2 Flat tube and manifold

1 单相流体的均匀性

1.1 单相制冷剂分配的均匀性

单相流体分配是扁平结构的平行流换热器内部流体的重要组成部分，也是研究两相流体分配的基础，但是目前针对单相液体的分配研究并不充分。HABIB等[2-3]对截面为矩形58.9mm×100mm集管中流量为12.27kg/s、粘度为2.32Pa.s的单相油在32根直径为25.65mm间距为46.2mm的支管流量分配为对象，采用Fluent 6.1.22进行模拟，得到了各个支管中油流量分配呈W型分布的结果。据此分析了影响流量分配的因素:入口流速影响可忽略，输送流体进入集管的导管直径和数目影响大，导管从2增加到4根时以标准偏差衡量支管流量分配均匀性则减小62.5%。Sachiyo Horiki[4]对水平矩形5mm×10mm集管连接着4根竖直向上的Φ10mm圆支管的系统泵入水进行了多次流量分配实验，结果表明:集管内水的雷诺数以6000为中心，向两侧方向偏离的越大，则4根分支管中流量分配越不均匀，层流时前部支管流量大而后部则接近于零，紊流时的趋势则相反，但相差较小，层流时不均匀程度比紊流时严重。

图3 干管Re为733时的流量分配Fig.3 Liquid distribution with manifold Re of 733

图4 干管Re 为16319时的流量分配Fig.4 Liquid distribution with manifold Re of 16319

单相液体在普通尺寸支管中流量分配的CFD模拟结果通常认为是可以接受的，但是对于10mm以下尺度集管在多支管中流量分配的均匀性，CFD软件是否适用是需要检验的。这里以Sachiyo Horiki提供的实验数据为基准，分别选择水平干管内的流体处于层流、紊流，即雷诺数为733、16319时使用CFD软件进行模拟，采用稳态隐式分离求解器进行求解，流体为水，层流、紊流时分别采用Laminar模型、k-epsilon模型，边界条件则采用干管的入口为流速入口和四个支管的出口为压力出口，其他则采用默认壁面。层流时整个流体区域分别为1.8万、15万、67万和120万网格的模拟结果与实验结果对比见图3，紊流时整个流体区域分别为1.8万、67万和120万网格的模拟结果与实验结果对比见图4。可见，FLUENT软件的数值模拟结果在层流、紊流时均存在较大的误差，尤其紊流时是模拟结果出现了后部支管倒流的现象；网格密度对模拟结果的精度存在较大的影响，计算精度并非随着网格数量的增加而提高:以矩形集管高度5mm为网格长度所得流量分配结果与实验最为接近，而以集管高度的1/2、1/4和1/5为网格长度所得流量分配结果则与实验相差越来越大，并出现了倒流现象；对于层流、紊流均存在的流体系统，该软件难以实现。

而对于可压缩性的气体在支管中的分配而言，是相对较容易处理的。J.M. Yin[5]将常温下325kPa的氮气以12g/s的流量充入单流程平行流换热器入口集管，然后逐渐分流至41根扁管中，从出口集管合流最终流出，结果表明基于可压缩气体的扁管流量分析模型的预测值与实验值比较符合，呈抛物线型分布，第41根扁管流量最大，达到了0.3493g/s，是平均值0.29242g/s的1.2倍，而接近于管网正中间的第21根扁管流量最小，为0.2636g/s，仅为最大值的75.5%。

1.2 空气气流分布的均匀性

风扇由于自身的结构特点旋转起来所驱动的气流，在换热器表面处的流速是不一致的，空气侧的气流分布不均会导致部分制冷剂回路大幅过热，而另一部分则在出口处还保持两相状态，致使换热器性能衰减。Kirby[6]实验研究了干工况和湿工况下不均匀气流对窗式空调器的蒸发器的影响，发现变化不均匀的迎面气流仅导致蒸发器性能发生了小幅的变化。Liang[7]对在不均匀气流下工作的蒸发器进行了数值仿真，发现蒸发器在容量不变的条件下制冷剂回路经优化后可以减少5%的换热面积。Choi[1]进行了两种气流不均的实验，一种空气的体积流量恒定不变，另一种则是气流的体积流量随阻塞作用而减小。实验发现气流不均引起的蒸发器容量衰减最大为8.7%，而通过控制制冷剂回路出口温度在5.6 ºC则可以回收到4.0%的容量。Brix[8]基于现有换热和压降关联式，建立了微通道蒸发器的仿真模型，仿真结果发现:极端条件下气流不均引起的蒸发器容量衰减最大为20%，而此种情况下整个制冷空调系统的COP则下降了仅仅4%左右，而对于气流分布不均并不严重的工况，COP的变化则可以忽略不计。

H. Jama, S.[9]等使用了Lee和Hong[10]提出的气流分布不均匀性指数(i)量化汽车散热器的入口空气均匀性，实验发现相较于竖直、中心和侧边隔板，水平隔板布局产生了最均匀的气流分布，并使得散热量衰减最小。

2 气液两相制冷剂分配均匀性

与单相流体分配相比，两相流体的自身特性使集管到扁管的流量分配大为复杂:气相和液相的密度、摩擦系数、流速和动量都不相同，并且在重力作用下会发生分层，就导致了气相、液相不同程度的分配不均，以至于现在仍然没有一套理论可以预测集管到扁管的相分离和流量分配现象，相关研究也是以实验研究为主，针对的是有水平集管和竖直扁管小通道的平行流小通道蒸发器。

2.1 两相制冷剂流量分配不均对换热器的影响

Beaver等人[11]使用水平分流管内制冷剂质量流量为100kg/(m2.s)的单流程微通道蒸发器进行了实验，结果表明制冷剂流量分配不均导致蒸发器性能衰减了20%左右，当每个分流管的进口或出口增加2个时流量分配稍有改善，但蒸发器性能却没有提升。平行流冷凝器作为冷凝器时通常有两个垂直的分流管以便于在各个流程各个扁管小通道内分配制冷剂流量，Hrnjak[12]讨论了换热器中单相、两相条件下分流管到多个微通道的分配情况，认为现有两相分配器的原理可以归结为两种:一种是混合两相使之在空间上分布均匀，另外一种则是先分离各相然后分别分配入换热器的通道中，这两种技术手段对于数目不多的通道是有效的，但当通道数超过30时，制冷剂流量分配就会变得复杂，这两种常规的分流手段难以实现均匀分配，从而影响了换热器的性能。Kulkarni和Bullard[13]认为由于在大多数的分流管中制冷剂两相的空泡系数要超过90%，数百个通道的制冷剂流量较易于实现近似均匀的分配；但平行流冷凝器作为蒸发器时，尽管使用了水平的分流管，制冷剂流量仍难以实现均匀分配，该分配不均问题使平行流冷凝器的应用仅限于冷凝器，已经成为平行流冷凝器技术发展的瓶颈。Peng[14]则在高干度的入口流体条件下假设液相为连续相，选用Eulerian-Eulerian模型，使用Fluent软件模拟分析了分流管对平行流冷凝器性能影响，模拟结果与相同的结构及运行参数下的实验值比较一致，并指出Eulerian模型是模拟分流管内两相制冷剂流体最为恰当的模型。

2.2 两相制冷剂流量分配的理论研究

由于涉及到两相流动和复杂的集管扁管结构，两相流量分配的理论预测与实验相差较大，部分研究就两相模型、相分离模型和局部压降模型进行了尝试。吴晓敏等[15]利用FLUENT软件，对一水平矩形扁平多分支管内，氮气和水为工质的气液两相流流量分配问题进行了模拟和实验对比，发现计算结果与实验数据有较大的差别。Watanabe,M.[16-17]以R11为工质，针对Φ20mm圆形水平集管及其上4根Φ6mm的上流平行支管进行了实验，其中集管入口为40～120kg/(m2.s)，干度为0～0.4，根据相分离和流量分配的实验结果提出了一个经验集管模型，支管气相质量流速仅与集管气相质量流速有关，而支管的液相质量流量则仅由集管气相雷诺数来确定。经过对平行流换热器中流量分配情况的验证，该模型仅对少数几个支管的预测情况良好，而对于大于10根以上的支管则难以预测其流量分配情况。

Sang-Jin Tae[18]对S.T. Hwang的相分离模型加了角度和支管直径小于主管直径的修正项，使之可以适用竖直主管。和支管直径小于主管直径的两相分离情况:C. Oliet等[19]基于Sang-Jin Tae的T型三通管模型建立了平行流蒸发器模型，研究了其中两相制冷剂的流量分配情况，但其有效性有待进一步验证。

对于集管到小通道和小通道至集管的局部阻力，J.W. Coleman[20]实验测试了平行流换热器中集管到小通道在两相状态下的压降，发现现有两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试验值，认为J. Schmidt和L. Friedel基于动脉紧缩的关联式与试验值最为接近，两相小通道突扩出口压降模型采用F.F. Abdelall[21]推荐的公式。

Zhang，Webb[22]测试了R134a、R22和R410A在水平绝热水力直径为2.3mm的小通道两相压降，提出了适于在水力直径1.0mm～7.0mm小管径管段的压降计算关联式，Webb和Ermis[23]将该式的应用范围扩展到了管道水力直径为0.44mm～7mm。Cavallini[24]通过测试两相R134a, R410A和R236ea通过1.4mm小通道的压降，比较了8种常见的压降模型，认为对于R410A，M. Zhang提出的关联式精度最高，而对于R134a和R236ea，Mueller-Steinhagen and Heck关联式精度最高。

3 平行流冷凝器中热流体流量分配不均的影响因素

影响两相制冷剂在扁管中流量分配的原因比较多，主要可以归结为两类:结构因素和运行工况，前者包括集管尺寸、集管入口位置、支管间距、支管数目、障碍物、支管插入集管的高度等，后者包括支管流体流动方向、集管流量、入口干度、支管的热负荷、气液两相流流态等。这两类因素对流体在支管中分配的影响是复杂的，也是不同的，这里基于前人所做实验归纳其不同的影响。

集管尺寸:M. Ahmad[25]对Φ50mm、30mm和17.3mm的集管及8个支管进行了实验研究，发现减小集管管径会使流量分配更加不均。

集管入口位置:Yunho Hwang[26]发现，对于端入式的集管结构，分支扁管的气相分配呈阶梯状。而对于侧入式的集管结构，则没有分流全是气相的支管，且气相在分支扁管中的分布是对称的，入口附件扁管的入口干度为60%至70%，集管末端时扁管的的入口干度为20%左右。当集管入口位置从端入式变为侧入式时，分支扁管液相的不均匀程度，即NSTD从0.088增加到了0.263，这说明集管入口位置对液相制冷剂流量分布影响很大，且侧入式的集管结构比端入式结构的分流效果要好，宜采用进行。但是，Cho[27]以R22为工质在60kg/(m2.s)和0.1～0.3的干度范围内，分别使用竖直集管、水平集管检验了圆形集管到15根支管的流量分配情况，测试发现:与支管和集管均垂直的侧入式集管入口对于竖直集管，与支管平行的侧入式集管入口对于水平集管都有较好的相分离效果，并认为入口位置的影响太小而不足以改变流量的分配结果。S.Vist[28-29]则对比了50mm和250mm的集管入口长度下10根支管的流量，认为更短的集管入口强化了液相、气相流体的分配的均匀性，这同时也说明集管入口处的两相流型对支管流量分配的影响是比较大的。

支管间距:Yunho Hwang[30]在制冷剂R410A入口温度为7.2 、干度为0.3、流量为55g/s的工况下，分别对扁管间距为8mm、10mm和12mm的换热器进行了实验对比，发现30根6孔扁管的气相和液相分布的规范化标准偏差NSTD变化极小，表明支管间距不影响气相和液相在扁管中的分配。

支管数目:Yunho Hwang[30]实测了55g/s制冷剂质量流量下分别装有18，24，30根扁管的换热器，发现侧入式进口换热器的不均匀程度比端入式进口换热器都小，端入式的三种方案中30根扁管的结构不均匀程度最小，而侧入式的三种方案中24根的结构不均匀程度最小，可见支管数目在不同的入口方式下是有不同的影响的。

阻碍物:为了改善两相流体在支管分配的均匀性，R.L. Webb[31]等人在D型集管内安装了不同的阻碍物，采用压缩空气和水作为工质，测试了20根分支管的流量，结果表明:最高的阻碍物使得流量严重地集中于第1根支管；阻碍物对流型没有影响，仅仅影响了集管前液相的水平面；带孔的入口挡板确保了高干度下分层流转变为射流，带有7.5mm小直径孔的入口挡板能够产生较为均匀的分配；延长液体入口的方法能够使更多液体在集管中流得更远，这种方法在低干度条件下分配更为均匀，在干度为0.3时，使用该措施比不使用该措施产生的流量分配均匀性提高了57%。

支管插入集管的高度:Lee J. K.[32]等人将支管在集管中插入高度分别设置为0mm、6mm和20mm，把压缩空气和水以54～134kg/(m2.s)的质量流速、干度为0.25～0.5流入24mm×24mm的方形透明集管及6根22mm×1.8mm的扁管，测试结果表明插入高度为6mm时各支管流量不均匀程度最小；Lee J. K.[33]之后又对3mm的插入高度进行了测试，入口条件为70kg/(m2.s)和干度0.25，发现该条件下各个支管的流量非常接近于均匀分布。同样采用压缩空气和水流入Φ5mm长80mm透明圆形集管和10根Φ1.5mm长850mm的集管，Kim[34]将支管插入集管的高度分别设为0mm、2.5mm和5mm，测试发现质量流速为50kg/(m2.s)、干度为0.1、支管突出高度为5mm时，支管中的液体流量分布最为均匀，该种结果被认为是水平集管间各通道压差所致，集管中的高压降能够产生更均匀的流量分布。在连接有20根分支管的D型集管内，R.L. Webb[31]等人将支管在集管中插入高度分别设置为0mm、4mm、10mm、15mm和20mm，将压缩空气和水以80kg/m2.s的质量流速、干度为0.3和0.8时流入集管，结果表明:入口干度为0.3时，随着插入高度的增加，支管流量的不均匀程度逐渐减小，而当入口干度为0.8时，总体上支管流量的不均匀程度逐渐减小。

支管流体流向:S. Vist通过一系列的实验发现:当支管中的两相流体向上流动时，气相较容易进入入口附近的支管中，液相则沿着集管流动更容易流入集管后端的支管中；当支管中的两相流体向下流动时，液体最容易进入第1根扁管中，而气相则沿着集管流动流入集管后端的支管中。N.-H.Kim[35]通过实验发现，支管内的水向下流时，流量分配受支管插入集管的深度影响很大；支管内的水向上流时大部分的水流入集管后部的几个支管中。

集管流量:Yunho Hwang发现，当集管的入口流量增大时，流量100%气相的分支扁管数目会变大，这是因为流量增大使得流体动量增加，从而将气液交界面移向集管末端，这也说明支管数目对液相制冷剂流量分布影响很大。S. Vist将流量分别为1.5kg/s、2.0kg/s和2.5kg/s的制冷剂流入Φ16mm的圆形水平集管及其上10根Φ4mm的平行支管，测试结果表明流量不同对支管流量的分配无明显影响。

入口干度:S. Vist通过实验发现增加集管入口两相流体的空隙率，无论是支管内流体向上流还是向下流，在10根Φ4mm的平行支管都会产生较均匀的气相分配，液相分配则与此相反，液相在空隙率较低时分配最均匀。M. Ahmad对于向下流动的支管在低干度5%～10%低流速50～150kg/(m2.s)、高干度35%～45%高流速150～250kg/(m2.s)进行了对比，发现入口干度增加，能使气相、液相在支管中的分配都更加均匀。

气液两相流流态:N.-H. Kim[35]研究了空气和水在圆集管连接的10根扁管中的分布，认为集管中的气液两相为环状流时流量分配更为均匀。

扁管热负荷:S. Vist对Φ8mm、Φ16mm的圆形水平集管及其上10根Φ4mm的平行支管在不同的负荷下进行了测试，发现负荷对支管流量分配的影响很小。Yunho Hwang利用流动可视化技术，研究了蒸发器水平管和竖直管中的R410A分布，实验表明，三个热负荷的影响在测量误差范围内，无法判断其对流量分配的影响。

4 平行流换热器的优化设计

平行流冷凝器的优化主要分为两个方面:空气侧气流分布的均匀性和制冷剂侧分流的均匀性。Chung等[36]分别在考虑和不考虑扁管结构尺寸的影响下建立了平行流冷凝器的仿真模型以研究其流动换热，比较发现前者的精度和稳定性比后者要好；Chung还分析了诸如分配器、出口和入口的位置以及通道的高宽比等设计参数对流体分布乃至换热器性能的影响，使用ALM(Asset and Liability Management)方法优化了流体的分布:优化后换热器的换热系数提高了6.0%，而压降则降低了0.4%，作者由此提出沿换热器流向上流量分布的均匀性是非常必要的。Payne和Domanski[37]通过精确控制几种翅片形式蒸发器每个流道制冷剂的过冷度，实现了不同流道内分布均匀的制冷剂，从而检测了该均匀性对蒸发器性能所可能带来的提升，作者还编写了分别模拟蒸发器的制冷剂均匀性和空气均匀性的仿真程序，结果表明在使用智能分配器实现制冷剂在各个流道内均匀分布的条件下，蒸发器体积可以减少40%。Kulkarni和Bullard[38]权衡了平行流冷凝器的分流管对流量分配和换热性能的影响，指出靠改变扁管小孔管径、分流管直径和入口处制冷剂状态并不能解决流量分配不均，进而提出了辐射状分流管。Webb[39]认为解决蒸发器的两相分流不均问题涉及到非常具体的分流管的形状和尺寸。Hrnjak与Park[40-41]则认为根据换热器的类型、使用用途如蒸发器或冷凝器和流路规划不同，空气和制冷剂的不均匀性对也是不同的，宜采用专用的分配器来保证制冷剂流量分配的均匀性。

5 平行流换热器研究展望

综上所述，两侧的制冷剂、空气分布不均，尤其是有相变的制冷剂流量在多个平行扁管中分配不均严重影响平行流冷凝器性能，既降低了换热效率，又制约了该高效换热器更大范围的应用，如目前仅用于单冷空调的冷凝器。发展至今，平行流换热器中热流体分布均匀性仍未被完全掌握，尚有以下机理、结构等需要进一步深入研究:

1) 优化设计制冷剂侧的扁管集管结构，空气侧风扇类型、结构、位置及换热器、风道结构和形式等，改善换热器热流体分布的均匀性；

2) 发展基于多根并行管路的流量分配模型和算法，流体网络理论是一个方向；

3) 竖直、水平集管中两相制冷剂的流型图及数学模型；

4) 集管中制冷剂与空气的传热过程及每经过一个支管后流通面积增大前、后热力过程。

本文受广东省教育部产学研结合项目(编号2007A 090302115)，粤港关键领域重点突破项目(佛山专项)(编号2007Z41)资助。(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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