适合小管径空调器的分配器分流性能评价与结构优化

高 扬 翁晓敏 丁国良 胡海涛 宋 吉 高屹峰

(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)



适合小管径空调器的分配器分流性能评价与结构优化

高 扬1翁晓敏1丁国良1胡海涛1宋 吉2高屹峰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)

为了开发具有最佳流量分配性能的小管径空调分配器，本文采用数值仿真和空气-水实验相结合的方法评价了常用分配器的分流性能，提出分配器的结构优化方法，并利用空调整机实验验证了该结构优化方法的改进效果。对于三种比较适合于小管径空调器的分配器进行的实验和计算表明，插孔式分配器的分流性能最佳，在额定制冷和额定制热工况下流量分配不均匀度均小于6%；实验结果与仿真计算得出的分配器流量分配不均匀度结果吻合，计算结果与实验的偏差都在15%以内。利用验证过的仿真模型，对插孔式分配器进行结构优化，优化后的分配器应用于空调整机后，系统能效提高了2.2%～2.7%。

小管径空调；分配器；分配均匀度；结构优化

小管径空调技术的应用不仅降低了空调用铜量和材料成本[1]，而且减少了制冷剂的充注量，使环保新型工质(如R290、R32)应用于空调器成为可能[2]。

小管径空调(管径≤5 mm)通常采取多流路并联布置的换热器，从而避免压降过大造成性能下降[3]。但是，多流路布置会导致各路的制冷剂分配不均匀[4]。制冷剂液相分配偏少的支路内，工质很快全部蒸发成气体，换热面积未能有效利用；制冷剂液相分配偏大的支路内，工质出口过热度很小，甚至可能有未蒸发的液体，造成空调系统的换热能力恶化，从而降低了能效[5]。因此需要性能优异的分配器来保障制冷剂均匀分配给换热器的各个支路[6]。

当前，空调分配器的研究主要围绕流量分配性能的影响因素展开。韩清等[7]研究了分配器进口质量流量和干度对分配器流量分配影响。结果表明，进口干度越小，质量流量越大，越有利于流量分配均匀; 翁晓敏等[8]实验研究了不同安装倾角下的反射式分配器的分配性能，发现反射式分配器在倾斜安装时仍具有优良分配性能; 王志毅等[9]通过调整分配器混合腔内径发现，气液两相流达到雾状流时分配性能达到最佳; Liang F等[10-11]通过研究多分路叶轮式和旋流叶片式新型分配器不同流型下的分配性能，发现流型为环状流有利于各端分路流量的均匀分配。

目前分配性能的影响因素研究主要关注外部因素，如进口质量流量、干度、倾斜角度、两相流流型等，尚未对分配器种类和结构等内部因素影响下的流量分配规律，以及小管径空调分配器的结构优化方法进行研究。

因此，本文针对分配器类型和结构等内部因素对小管径空调分配器的影响，对小管径空调分配器进行了流量分配性能评价和结构优化，目的在于得到性能最优的分配器类型和分配器的结构优化方法。

1 研究技术路线

为了提供可快速批量生产的适用于小管径空调的分配器，本文选择现有的常用分配器进行研究。

本文首先采用仿真计算和实验方法， 对小管径空调常用分配器进行流量分配性能评价；然后选择其中最优的分配器型式，利用优化设计方法，得到进一步的优化结果；最后采用整机实验，验证优化方法的有效性。图1所示为研究技术路线图。

图 1 研究技术路线图Fig.1 Research roadmap

2 常用分配器流量分配性能评价

2.1 研究对象

国内外比较常见的空调分配器有Y型、T型、插孔式、圆锥式、反射式、节流短管组等类型。其中，插孔式、圆锥式、反射式分配器成本适中，也能一分多路，适合小管径空调器的大批量应用。本文以这三种常见分配器为对象进行研究。

插孔式分配器包括进口管和膨大的混合腔，两者之间由渐扩管连接，具体结构和实物图如图2所示。两相制冷工质进入后，速度降低，气相直接进入空腔内，而部分液相沿着管壁上流，最终两者在出口处混合均匀，流出出口管。

图2 插孔式分配器Fig.2 Jack-type distributor

圆锥式分配器出口管对称布置有较大倾角，混合腔和出口管部分重合，呈圆锥体型，具体结构和实物图如图3所示。由于混合腔截面积较小，两相制冷工质进入后速度加快，部分流体经过出口管汇合点时被打散，容易形成雾状流，从而实现均匀分配。

图3 圆锥式分配器Fig.3 Cone-type distributor

图4 反射式分配器Fig.4 Reflective-type distributor

反射式分配器进口管正对着反射沉孔，出口管以反射沉孔为中心对称布置，具体结构和实物图如图4所示。两相制冷剂从进口管喷射而出并射到反射沉孔上，反射沉孔将制冷剂发射并与喷口喷射出的制冷剂碰撞后向四周扩散，在反射空腔内进行气液的充分混合后从分流反射体的分流孔流出，实现均匀分流。

2.2 流量分配性能评价标准

各分路分配的制冷剂进入下游换热器，其质量流量为气相和液相的质量流量之和。相对于液相而言，换热器中各路气相制冷剂质量流量很小，对换热器换热能力的贡献可以忽略不计[5]。

因此，研究分配器的流量分配性能，本质上是研究各分路液相的质量流量分配不均匀度，即各分路液相质量流量与液相总质量流量平均值的偏差。各分路越接近等量的液相流量分配，分配不均匀度越小，分配性能越好。公式如下：

(1)

式中：S为分配不均匀度，g/s；n为分路数；mi为第i流路液相的质量流量, g/s；mave为液相总质量流量的平均值, g/s。

2.3 常用分配器性能评价的仿真研究

1)模拟对象

为了定量评价分配器的流量分配性能，本文建立了物理模型并进行仿真计算，计算两相流体在分流后各流路液相的质量流量，从而根据公式(1)计算出分配不均匀度。

本文中研究最常见的4分路的流量分配。对4分路分配器的模拟选取的计算区域为分配器流体流经的内部流道区域，对其进行网格划分，如图5所示。

图 5 计算区域网格Fig.5 Mesh in calculating zone

2)模型选择和边界条件

选择Fluent软件进行CFD计算，对于存在相分离的二相制冷剂下的分配器，不能忽略其相间曳力、表面升力和虚拟质量力等的影响，因此欧拉模型更适用于实际情况的两相流模拟[12]。

气液两相流的欧拉模型选用速度入口的边界条件作为输入，需要得到分配器入口气液相流速。通过空泡系数进行气液相流速的折算，如式(2)和式(3)所示。

气相折算速度：

(2)

液相折算速度：

(3)

式中：m为总质量流量，kg/s；x为干度；A为管道截面积，m2；ρg为气相制冷剂密度，kg/m3；ρl为液相制冷剂密度，kg/m3；α为空泡系数。

其中空泡系数由Cioncolini A等[13]总结出适用于相分离流动模型计算公式得出：

(4)

式中的无量纲数h和n的经验关系式为：

h=-2.129+3.129(ρgρl-1)-0.2186

(5)

n=0.3487+0.6513(ρgρl-1)0.5150

(6)

同时，应用k-ε湍流模型，各常数的取值如表1所示。

表1 k-ε湍流模型的各常数取值

以R410A为工质，计算各分配器竖直安装时在额定制冷工况和额定制热工况下的分配性能，表2所示为两种工况的标准测试条件。

由于空调分配器在实际安装时最常见的是下进上出的竖直形式，因此物理模型也选用竖直位置进行研究。

通过式(2)～式(6)计算出空泡系数和气液相折算速度，并将这些分相流动模型的主要参数作为边界条件输入进行仿真计算，得到各分路分配的液相质量流量，然后根据公式(1)计算流量分配不均匀度。其中，由于流量分配后的流路数为4路，mave=m/4。

表2 额定制冷和额定制热的测试条件

3)仿真结果及分析

如图6所示为额定制冷和额定制热工况下仿真计算后各型分配器流量分配的不均匀度。

图6 仿真计算下的分流不均匀性Fig.6 Distribution non-uniformity of simulation

从图中可以看出额定制冷和额定制热工况下插孔式分配器的分配效果最佳，流量分配不均匀度分别为5.4%和5.8%，圆锥式次之，反射式分配器的分配效果最差。

2.4 常用分配器性能评价的实验研究

1) 实验目的

实验目的为检验上述用于计算流量分配不均匀度的仿真模型是否正确。通过该结果和仿真模型结果的比较，验证前面仿真模型的正确性，并为不同分配器型式下的分流性能评价提供依据。

实验同样以上述三种常用的四分路分配器为对象，测量各流路液相分配的质量流量，进而根据公式(1)计算出分配不均匀度。

2) 实验原理

由于实际过程中流经分配器的为气液两相流，本实验也需要采用两相流体，测量流过分配器后在各分路的液相质量流量分配情况，将所计算出的流量分配不均匀度与仿真计算结果比较，检验仿真模型的正确性。

可选择的两相流体有三种：两相制冷剂、空气-水、氮气-水。两相制冷剂工质气液相状态难以控制，变化范围较窄，运行范围难以达到特定的工况， 因而易造成较大的波动误差。相反，氮气-水和空气-水两相流体的性质稳定，容易达到特定工况，与氮气-水，空气-水的气液相密度相比，更接近两相制冷剂工质，其模拟制冷剂下的流量分配准确性更高。

实验保持空气体积流量与制冷剂气相体积流量相同，水体积流量与制冷剂液相体积流量相同，并保持气相空泡系数不变，达到模拟制冷剂气液相流量分配的效果。

3) 实验装置

实验装置图如图7所示，包括水泵、空气泵、气体体积流量计、液体体积流量计、混合腔、分配器测试件、气液分离器、分析天平等部件。空气和水由泵送入，通过阀门和流量计进行流量控制，然后在混合腔混合均匀进入竖直安装的分配器，再分配给各个支路。出口位置经过气液分离留下液相的水，分析天平测量得到各分路液相的质量流量，通过公式(1)计算分配不均匀度。

1水泵 2空气泵 3阀门 4液体流量计 5气体流量计 6混合腔 7管道视镜 8分配器测试件 9多分阀 10气液分离器图 7 实验装置图Fig.7 Principle figure of experimentation

4) 实验精度分析

该实验的不确定度主要由测量仪表(流量计和分析天平)引起，流量计和分析天平的不确定度分别为±4%和±1%。由Moffat R J[14]的误差传递方法可知：

(7)

流量计测得的分配器进口质量流量的不确定度即为各分路液相质量流量之和的平均值误差，即δmave/mave=4%，分析天平测量的不确定度即为各分路出口液相质量流量误差，即δmi/mi=1%。因此，本实验测得的分配不均匀度S的精度为95%。

5) 实验结果和分析

经过多次重复性实验，得到插孔式、圆锥式、反射式分配器在额定制冷和额定制热工况下的不均匀度，如图8所示。

图8 空气-水实验下分流不均匀性Fig.8 Distribution non-uniformity of air-water experiment

对比三种分配器，插孔式分配器的分配效果最佳，其流量分配不均匀度在额定制冷和额定制热时分别为4.9%和5.9%， 圆锥式和反射式分配器的分配效果次之。由实测可知，相同工况下，插孔式分配器进出口压降小于其他分配器， 由此带来了分配均匀性的提升。

实验结果与仿真计算得出的分配器流量分配不均匀度结果吻合，各型分配器模拟计算结果与实验的偏差都在15%以内，流量分配的仿真模型预测精度满足要求。由仿真和实验结果可知，三种常用分配器结构型式中，插孔式分配器的流量分配最均匀，分配效果最好。

3 分配器结构优化

3.1 优化方法

基于仿真和实验验证结果，插孔式分配器具有最优的分配性能，应当在插孔式分配器基础上进行结构上的优化。

经过分析，影响分配器分配均匀性的结构因素有两种：

1) 分配器的流道，包括工质流经的从进口管到出口管的全部区域。一方面，流道越平滑，流体受到的流阻越小，分配性能越好；另一方面，进口管和出口管的位置也会影响分配性能。

对插孔式分配器的原型而言，其流道全部贯通，过渡较为平滑，进出口管竖直放置，且均未插入混合腔。翁晓敏等[15]对插孔式分配器的进出口管位置对流量分配性能的影响进行了理论分析，结果表明进出口管插入混合腔一定深度，出口管外倾一定角度都有利于分配均匀。

2) 分配器的混合腔。混合腔截面积大小要适中，若截面积过大，流体的流速会变慢，流型达不到理想的雾状流；若截面积过小，流体受到的压降变大，也会影响分配效果。

这里研究插孔式分配器混合腔的截面积对分配性能的影响。选取截面直径D=15 mm、20 mm、23 mm、25 mm、30 mm五组对照组，进行仿真研究，其中插孔式分配器原型的混合腔截面直径为23 mm。各对照组经仿真计算后流量分配的不均匀度如图9所示。

图9 插孔式不同混合腔截面直径下的分流不均匀度Fig.9 Distribution non-uniformity of jack-type distributor with different diameters of chamber

从图9可知，D=23 mm时，分流不均匀度最小。所以混合腔的截面直径为23 mm，即保持原型截面积不变为最理想的结构参数。

综上所述，有利于进一步改进流量分配性能的优化方法为：保持混合腔截面积不变，将进出口管插入混合腔一定深度，出口管向外倾斜一定角度。

3.2 优化设计实例

本文基于以上优化方向，对插孔式分配器原型进行具体的优化设计，优化设计因素有以下三项：(a)出口管插入深度A，(b)进口管插入深度B，(c)出口管相对竖直方向外倾斜角度γ。各项因素对应内部结构变化如图10所示。

图10 插孔式分配器内部优化因素Fig.10 Internal optimization parameter of jack-type

首先分别单独针对三个参数进行优化设计。选定出口管插入深度A=3、5、8 mm为方案1、2、3，选定进口管插入深度B=3、5、8 mm为方案4、5、6，选定出口管相对竖直方向外倾斜角度γ=20°、30°、40°为方案7、8、9。各方案在仿真计算后的流量分配不均匀度对比如图11所示。

图11 插孔式改进方案的分配不均匀度Fig.11 Distribution uniformity of jack-type improvement

结果表明：

1) 对出口管插入深度A，方案2：A=5 mm具有最好的分配效果。

2) 对进口管插入深度B，方案5：B=5 mm具有最好的分配效果。

3) 对出口管相对竖直方向外倾斜角度γ，方案8：γ=30°具有最好的分配效果。

下面基于单独对三种参数进行研究后选择出来的最佳参数，再针对三种参数的两两组合形式和全部组合形式进行研究。其中，方案10为“进出口管均插入混合腔5 mm”，方案11为“出口管插入混合腔5 mm且相对竖直方向向外倾斜30°”，方案12为“进口管插入混合腔5 mm且出口管相对竖直方向向外倾斜30°”，方案13为“进出口管均插入混合腔5 mm且出口管相对竖直方向向外倾斜30°”。图12列出了方案1到方案13在仿真计算后的流量分配不均匀度结果。

图12 插孔式所有改进方案的分配不均匀度Fig.12 Distribution uniformity of jack-type improvement

结果表明，三种参数两两组合和全部组合的方案的分配不均匀度进一步减小。其中，方案13的分配不均匀性最小，分配效果最好。

3.3 优化实例的应用效果

将插孔式分配器原型和计算得出的分配性能最优的方案13加工成样件，在焓差室进行空调整机实验，实验的目的是通过比较这两种样件对空调系统能效的影响，展示上面优化设计实例的效果，从而证明该结构优化方法的正确性。

图13 整机实验测试段示意图Fig.13 The figure of test module

将样件安装在空调整机实验系统的室内机上游作为测试段，实验原理图和测试段示意图如图13所示。采用空气焓值法进行实验[16]，在测试段部分设置了660 m3/h和1050 m3/h两种风量(由风洞静压控制，在标准制冷工况下，-4.9 Pa对应风量660 m3/h，-9.4 Pa对应风量1050 m3/h)，通过检测测试段蒸发器送风口和回风口的空气干湿球温度，求得空气的相对湿度，进而得到其热力状态和送、回风空气焓差。测得流经蒸发器的风量后，可得到室内机的换热量。

实验过程中为了保持系统一致性，只更换分配器，冷媒量、毛细管保持不变。测试的样件有如下两种：

1) 样件一：原插孔式分配器，如图14(a)所示。

2) 样件二：在原型基础上进出口管插入5 mm并相对竖直方向向外倾斜30°，如图14(b)所示。

图14 插孔式分配器优化组合方案Fig.14 Optimal combination of jack-type distributor

实验对竖直安装条件下分配器样件在大风量和小风量两种工况下分配性能进行了研究。

图15 样件一和样件二在不同风量下的换热能力比较Fig.15 Comparison of heat exchange capacity of test module one and test module two in different air flow rate

由图15可知，无论在小风量还是在大风量下，样件二(改进型)的换热量均最大。其中，小风量下样件二相比样件一(原型)的换热量提高了2.2%，大风量下样件二相比样件一的换热量提高了2.7%。在整机系统功耗相同的情况下，COP分别提高了2.2%和2.7%。

整机实验得出的结果表明，相比于原型，在空调系统上使用本文优化方法设计的分配器可以有效提高能效。

4 结论

本文首先对几种常见类型小管径空调分配器的分流性能进行评价，然后根据评价结果，针对分配性能好的分配器型式提出了结构优化改进方案，并对优化模型进行实验验证。研究表明：

1) 在常见的分配器类型中，插孔式分配器下的流量分配效果最好。

2) 保持混合腔截面积不变，调整进出口管插入混合腔深度和出口管向外倾斜角度，可以作为进一步改进流量分配性能的优化方法，根据此优化方法设计的分配器可以使流量分配更均匀，从而有效提高系统的能效。

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About the corresponding author

Ding Guoliang, male, Ph.D. /Professor, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34203278，E-mail：glding@sjtu.edu.cn. Research fields: simulation and optimization for refrigeration and air conditioning appliances as well as utilization of new refrigerants.

Distribution Performance Assessment and Structure Optimization of Distributor Applied in Small-diameter Air Conditioner

Gao Yang1Weng Xiaomin1Ding Guoliang1Hu Haitao1Song Ji2Gao Yifeng2

(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China;2. International Copper Association, Shanghai, 200020, China)

In order to develop a distributor for small-diameter air conditioner with a best distribution performance, a CFD model was established and experiments with air and water as working fluids were done to evaluate distribution performance of three types of commonly used distributors. The CFD model was validated by the experiments, the structure of the chosen distributor was optimized, and the optimized distributor was verified by its application in a room air conditioner. The results show that, the jack-type distributor has the best distribution performance, and its uneven index are less than 6% under rated cooling and rated heating conditions; the CFD model can predict the performance of distributors, with the deviation of uneven index less than 15%. The validated CFD model was used to optimize the structure of the jack-type distributor. Application of the optimized distributor shows that it can enhance the energy efficiency of room air conditioner by 2.2%-2.7%.

mall-diameter air conditioner；distributor; distribution uniformity; structure optimization

0253- 4339(2016) 02- 0093- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.093

2015年7月6日

TB657.2；TB657.5

A

简介

丁国良，男，教授，博士生导师，上海交通大学机械与动力工程学院，(021) 34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空调装置的仿真、优化与新工质应用。