全年能效消耗效率指标下的分配器分配特性分析及结构优化设计

高扬，翁晓敏，丁国良，胡海涛，高屹峰，宋吉

（1-上海交通大学制冷与低温研究所，上海200240；2-国际铜业协会，上海200020）

全年能效消耗效率指标下的分配器分配特性分析及结构优化设计

高扬*1，翁晓敏1，丁国良1，胡海涛1，高屹峰2，宋吉2

（1-上海交通大学制冷与低温研究所，上海200240；2-国际铜业协会，上海200020）

为了开发全年能效消耗效率APF（Annular Performance factor）指标下可使空调器具有良好性能的分配器，本文提出分配器分流性能的评价方法，对插孔式、圆锥式、反射式这三种分配器在不同安装倾角的流量分配规律进行了CFD仿真，并提出实际安装条件下适用于APF能效测试条件的分配器结构优化设计方案。研究结果表明，APF能效指标下，室内机在实际安装条件下，圆锥式分配器的分流效果最好，且将混合腔内移和适当增大分配器出口管夹角可以进一步改进分配效果；室外机在实际安装条件下，反射式分配器的分流效果最好，且适当增加进口管伸入长度和适当缩短混合腔和出口的连接管长度可以进一步改进分配效果。

APF；分配器；两相流；结构优化；分配性能

0　引言

小管径房间空调器采用小管径铜管技术（铜管管径不大于5 mm），在减少铜的使用、降低成本、促进环保工质使用的同时［1］，也会导致压降增加，从而引起换热器性能的恶化［2］。为了克服压降增加而引起的性能恶化问题，需要采取多流路布置；而为了使各流路的制冷剂合理分配，需要引入分配器进行流量分配［3］。

分配器对空调换热性能有重要的影响。分配器性能良好时，能通过分流，将制冷剂等量、均匀地分配给蒸发器的各流路；分配器性能较差时，制冷剂在各分路的分配并不均匀［4］。供液量偏少的分路内，制冷剂快速蒸发成气体，出口过热度很大，换热面积没有有效地进行利用；供液量偏大的分路内，出口的过热度很小，甚至可能有未蒸发的液体［5］，造成空调系统的运行性能恶化。为了保障小管径空调器性能，需要开发具有良好分配性能的分配器。

随着人们空调使用习惯的改变和节能减排理念的推广，变频空调器逐渐成为当今市场的主流［6］。2013年10月1日起，新能效标准GB 21455-2013 《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》正式实施，变频空调器正式使用全年能效消耗效率APF（Annular-performance factor）指标考核［7］，其测试工况包括额定制冷、中间制冷、额定制热、中间制热和低温制热这 5种［8］。秦存涛等［9］比较了 APF指标和原SEER指标的区别。相比SEER指标，APF指标加入了对制热能力的考量，并制定了3级能效标准，使得APF下的测试工况更为复杂。

已有的分配器特性研究均在额定工况下展开［10］，为了提供APF指标测试工况下合适的分配器，以满足小管径房间变频空调器在现有测试标准下的良好性能，需要对分配器特性变化规律开展进一步的研究，寻求最合适的分配器结构形式。

1　研究方法

1.1分配器型式

本文针对家用空调器中常用的4分路分配器开展研究，包括插孔式、圆锥式、反射式分配器，各分配器原理图如图1所示。分配器实际安装倾角一般在0°～10°之间（相对竖直方向），本文选取0°、5°、10°为典型安装角。

图1　三种分配器原理图

1.2APF指标下分配器分配特性的研究方法

APF标准测试工况如表1所示。在制冷（额定制冷、中间制冷）工况下，仅考虑室内机上游的分配器作用。在制热（额定制热、中间制热、低温制热）工况下，仅考虑室外机上游的分配器作用［11］。因此，APF指标下的室内机上游的分配器性能在额定制冷、中间制冷工况下进行研究，室外机上游的分配器性能在额定制热、中间制热、低温制热工况下进行研究。

表1　APF标准测试工况

由于两个位置的分配器有多个测试工况来考核，需要分析APF指标中这些测试工况的权重。 通过采用GB 21455-2013季节能效比计算软件计算出这五个测试工况的变量权重［12］见图2。

图2　APF下各测试工况所占权重

利用Fluent对分配器的分配特性进行CFD模拟，选择Euler两相流模型和k-ε湍流模型［13］。假定分配器下游的各分路的几何结构尺寸、位置高度相同，并且忽略两者连接管的沿程压力损失，得到分配器中R410A入口边界和出口边界条件如表2所示。

表2　APF指标下分配器CFD仿真边界条件

本文采用已有文献中的空气-水分配特性实验数据［14］，对本文的CFD模型的预测精度进行验证。验证结果表明，本文建立的模型与实验数据的误差在15%以内。

1.3APF指标下分配器分配性能评价

本文采用各分路质量流量的标准差来衡量单一工况下分配器的分流均匀性［15］，公式如下：

式中：

S ——标准差，g/s；

n ——分路数；

mi——第i分路的出口质量流量，g/s；

mave——各分路质量流量之和的平均值，g/s。

APF指标应用下的分配器分配性能评价不仅要考虑单一工况下的分流均匀度，还要考虑各测试工况所占权重（见表2）。

对室内机分配器，APF指标下测试工况为额定制冷和中间制冷工况，分流性能指数δc计算公式：

式中：

Sc，r（Sc，h）——额定制冷（中间制冷）工况下分配器各分路质量流量的标准差，g/s；

ωc，r（ωc，h）——额定制冷（中间制冷）工况权重。

对室外机分配器，APF指标下测试的工况包括额定制热、中间制热和低温制热工况，分流性能指数δh计算公式为：

式中：

Sh，r（Sh，i，Sh，l）——额定制热（中间制热，低温制热）工况下分配器各分路质量流量的标准差，g/s；

ωh，r（ωh，i，ωh，l）——额定制热（中间制热，低温制热）工况权重。

对低温制热工况，由于空调系统受到翅片结霜等的影响，不能稳定工作，并且该测试工况所占权重极小，因此公式（3）中低温制热项忽略不计。

2　分流特性模拟结果比较与分析

2.1室内机分配器分流特性变化规律

APF指标额定制冷工况下仿真计算后的标准差对比如图3所示。

从图3中额定制冷工况下分流均匀性对比图可以看出，垂直安装时，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圆锥式分配器和反射式分配器的分配效果次之；倾斜安装时，4分路圆锥式分配器的分流效果最好，反射式分配器和插孔式分配器的分配效果次之。插孔式分配器对倾斜安装角敏感度大，倾斜时分配效果差；而圆锥式分配器中两相流经过其混合腔时流速大于其他分配器，较易形成雾状流，具有良好的分配效果。

图3　APF额定制冷工况下各分配器分流均匀性

APF指标中间制冷工况下仿真计算后的标准差对比如图4所示。

从图4中间制冷工况下分流均匀性对比图可以看出，不论是垂直安装时还是倾斜安装时，4分路反射式分配器的分流效果最好，圆锥式分配器和插孔式分配器的分配效果次之。由于中间制冷工况下的制冷剂质量流量急剧减小（大约只有额定制冷工况下工质质量流量的1/2），气液相的进口速度也急剧减小。相较于高速的两相流，低速的两相流流型将会有一定区别。由于插孔式反射器和圆锥式反射器进口管直径大，气液相速度急剧减小，根据Weisman流型图判断［16］，其流型多为搅拌流；反射式进口管直径小，气液相速度减小缓慢，此时流型多为环状流。环状流型在反射式分配器中，经过反射沉孔的部分流体，与喷口喷射出的制冷剂碰撞后向四周扩散，较易过渡成雾状流。

图4　APF中间制冷工况下各分配器分流均匀性

根据公式（2），得出 APF能效指标下分配器的分流性能指数，如图5所示。

图5　室内机分配器分流性能指数

从图5中室内机分配器分流性能指数对比图可以得出，垂直安装和倾斜10°安装时，反射式分配器的分流效果最好，圆锥式分配器和插孔式分配器的分流效果次之；倾斜5°安装时，圆锥式分配器的分流效果最好，反射式和插孔式分配器的分流效果次之。

2.2室外机分配器分流特性变化规律

APF指标额定制热工况下仿真计算后的标准差对比如图6所示。

图6　APF额定制热工况下各分配器分流均匀性

额定制热工况下分流均匀性与额定制冷工况类似，垂直安装时，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圆锥式分配器和反射式分配器的分配效果次之；倾斜安装时，4分路圆锥式分配器的分流效果最好，反射式分配器和插孔式分配器的分配效果次之。

APF指标中间制热工况下仿真计算后的标准差对比如图7所示。

图7　APF中间制热工况下各分配器分流均匀性

中间制热工况下分流均匀性与中间制冷工况类似，不论是垂直安装时还是倾斜安装时，4分路反射式分配器的分流效果最好，圆锥式分配器和插孔式分配器的分配效果次之。

根据公式（3），得出 APF能效指标下分配器的分流性能指数，如图8所示。

图8　室外机分配器分流性能指数

从图8中室外机分配器分流性能指数对比图可以得出，垂直安装时，圆锥式分配器的分流效果最好，反射式分配器和插孔式分配器的分流效果次之；倾斜5°和倾斜10°安装时，反射式分配器的分流效果最好，圆锥式和插孔式分配器的分流效果次之。

3　分配器的优化设计

3.1分配器优化设计思路

根据市场调研显示，垂直安装的理想情况很难实现，而更常见的是5°以内的安装倾角，这里基于5°的倾斜安装角来研究分配器结构优化设计方向。通过研究APF不同工况下分流特性变化规律，可得出以下结论。

1）室内机分配器倾斜 5°安装时，圆锥式分流效果最好，反射式和插孔式分配效果次之。室内机的分配器基于圆锥式分配器进行优化设计。

2）室外机分配器倾斜 5°安装时，反射式分配器分流效果最好，圆锥式和插孔式分流效果次之。室外机的分配器基于反射式分配器进行优化设计。

3.2室内机分配器改进方向和仿真结果

室内机的分配器基于圆锥式分配器进行优化设计。图9为圆锥式分配器原型及各改进型的结构示意图。具体的改进方向（虚线圈标注）如下。

图9　圆锥式分配器原型及各改进型结构

1）改进一：将各支路向外平移，将圆锥体型混合腔内移，变道口最接近分配器入口。

2）改进二：保持变道口宽度不变，增加支路间夹角为50°。

3）改进三：将进口连接管宽度变为5 mm。

计算仿真结果各支路质量流量与理想情况下平均质量流量之比如图10所示。

图10　圆锥式分配器原型及其改进型在安装角度为5°时各支路流量与平均流量之比

根据分配器各支路出口流量与平均流量比值偏离1的程度，可得出：改进一“圆锥型分配器各支路向外平移，使变道口最接近分配器入口”和改进二“保持圆锥型分配器变道口宽度不变，增大支路间夹角为50°”都可以提高分配效果。

3.3室外机分配器改进方向和仿真结果

室外机的分配器基于反射式分配器进行优化设计。图 11所示为反射式分配器原型及各改进型的结构示意图，具体改进方向（圈内标注）如下。

1）改进一：进口管伸入3.7 mm。

2）改进二：混合腔和出口的连接管伸长到4 mm。

3）改进三：混合腔和出口的连接管缩短到1 mm。

计算仿真结果各支路质量流量与理想情况下平均质量流量之比如图12所示。

图11　反射式分配器原型及各改进型结构

图12　反射式分配器原型及其改进型在安装角度为5°时各支路流量与平均流量之比

根据分配器各支路出口流量与平均流量比值偏离 1的程度，可得出：改进一“进口管伸入3.7 mm”和改进二“混合腔和出口的连接管缩短到1 mm”都可以提高分配效果。

4　结论

通过研究APF指标下不同安装倾角（0°/5°/10°）的插孔式/圆锥式/反射式三种分配器中分流性能，得到如下结论。

1）对于室内机，垂直安装和10°倾斜角安装时，反射式分配器的分流效果最优；5°倾斜角安装时，圆锥式分配器的分流效果最优。选择圆锥式分配器进行优化，将混合腔内移和适当增大分配器出口管夹角都有利于改进小管径空调的流量分配效果。

2）对于室外机，垂直安装时，圆锥式分配器的分流效果最优；倾斜安装时，反射式分配器的分流效果最优。选择反射式分配器进行优化，适当增加进口管伸入长度和适当缩短混合腔和出口的连接管长度都有利于改进小管径空调的流量分配效果。

［1］ 楚银盾， 金听祥， 张卫士. R290 在房间空调器中的研究现状［J］. 制冷技术， 2013， 33（3）: 70-76.

［2］ 丁炜堃， 樊菊芳， 高屹峰， 等. 小管径家用空调研发:换热器流路计算软件开发［J］. 制冷技术， 2010， 30（2）: 15-18.

［3］ 梁俊杰， 庄嵘. 论两相流分流器性能评价体系［C］. 制冷空调学术年会论文集， 2005.

［4］ 黄晓清， 吴俊鸿， 杨杰， 等. 家用空调机组蒸发器优化设计［J］. 制冷技术， 2013， 33（2）: 66-69.

［5］ 高原， 田怀璋. 分液器的结构型式及其在制冷系统中的应用［J］. 低温与超导， 2001， 29（1）: 22-27.

［6］ 苏亮. 空调能效评价体系的变迁［J］. 家电科技， 2010（10）: 18-19.

［7］ GB 21455-2013，转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级［S］ .

［8］ 王硕渊. 中国与日本 APF 标准的差异［J］. 家电科技，2013（9）: 38-40.

［9］ 秦存涛， 祁影霞， 胡祥江， 等. 关于提高家用空调 APF能效的试验研究［C］. 2014年中国家用电器技术大会论文集， 2014.

［10］ 高晶丹， 丁国良， 胡海涛， 等. 不同结构分流器的分流性能比较［J］. 制冷技术， 2013， 33（3）: 24-26.

［11］ 王飞， 于鑫鹏. 小型家用空调低温制热效果的改善方法［J］. 电器， 2013（S1）: 280-284.

［12］ 黄剑云. 热泵型变频空调 APF 提升方法探讨［J］. 制冷与空调（北京）， 2014， 14（3）: 46-48.

［13］ 朱娟娟， 陈江平， 陈芝久， 等. 汽车空调双后风道结构数值优化分析［J］. 制冷技术， 2004， 24（3）: 8-10.

［14］ 翁晓敏， 高晶丹， 胡海涛， 等. 反射式分流器的分流性能研究及结构改进［J］. 制冷技术， 2013， 33（4）: 41-44.

［15］ 翁晓敏， 胡海涛， 丁国良， 等. 新型插孔式分流器的结构优化设计及实验验证［J］. 制冷技术， 2014， 34（5）: 25-30.

［16］ WEISMAN J， DUNCAN D， GIBSON J， et al. Effects of fluid properties and pipe diameter on two-phase flow patterns in horizontal lines［J］. International Journal of Multiphase Flow， 1979， 5（6）: 437-462.

Analysis of Distribution Characteristics and Structure Optimization Design of Distributor under Annular Performance Factor Index

GAO Yang*1， WENG Xiao-min1， DING Guo-liang1， HU Hai-tao1， Gao Yi-feng2， Song Ji2
（1-Institute of Refrigeration and Cryogenics， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China；2-International Copper Association Shanghai Office， Shanghai 200020， China）

In order to develop a distributor with excellent distribution performance under APF（Annular-performance factor）index， an assessment method of distribution performance has been proposed， and CFD simulations of flow distribution characteristic of three distributors， including jack-type， cone-type，reflective-type distributor in different installation angles have been carried out. Besides， the structure optimization of distributor under APF index is proposed under actual installation condition. The research result shows that，under APF index， the cone-type distributor is proved to have a best distribution performance for indoor unit， and the movement of chamber inside and the proper increase of angle between different branches could contribute to a more even better distribution； for outdoor unit， the reflective-type distributor is proved to have a best distribution performance， and the increased insertion length of inlet and the appropriate shortening length of connection tube between chamber and inlet could also contribute to a even better distribution.

APF； Distributor； Two-phase flow； Structure optimization； Distribution performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.105

*高扬（1991-），男，硕士生。研究方向：制冷与低温工程。联系地址：上海市闵行区东川路800号，邮编：200240。联系电话：021-34206865。E-mail：gao854188977@sjtu.edu.cn。