采用环状流实现均匀分配的空调器分流器研究

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海200240； 2 国际铜业协会(中国) 上海200020； 3 空调设备及系统运行节能国家重点实验室 珠海519070)

多流路换热器具有压降小、传热系数大的优点，广泛用于空调器中以提升空调制冷和制热性能[1]。为保证多流路换热器具有良好的换热性能，两相制冷剂应当被均匀地分配到各流路。空调器常采用分流器进行制冷剂的分配[2-3]。

分流器应用于空调器中最常见的问题是制冷剂流量分配不均。部分流路的液态制冷剂流量较小并过早地蒸干[4-6]。蒸干区的传热系数远小于两相区，使得有效传热面积下降，造成换热器的换热能力下降约25%[7]。

目前分配均匀的分流器包括整流式分流器、离心式分流器和相分离式分离器。它们通过添加旋转叶片、离心加速器或气体分离器等结构，将不可控、不对称的流型转换为可控、对称的流型，从而使气液两相均匀分配。但这类复合式分流器体积大、结构复杂，主要用于大型石油化工设备，而不适用于安装空间有限的空调器[8]。

空调器普遍使用单体结构的分流器，如反射式分流器、插孔式分流器和圆锥式分流器[9]。这类分流器进口管的流通面积较大，使两相制冷剂的压力降低从而发生气液分离。气液分离形成的分层流或泡状流均为易受重力影响的不对称流型，使分流器的分配性能易受安装角度的影响。当分流器因安装空间受限而倾斜安装时，这类分流器无法均匀分配制冷剂。

实现制冷剂均匀分配的关键是采用简单的结构形成对称的两相流型。环状流由于具有对称的流型可用于分流器设计。环状流由环状液膜和中心气相组成，气液两相均关于进口管的中轴线对称[10]。当分流器的出口管关于进口管对称布置时，流型对称的制冷剂可被均匀地分配到各出口管。

本文提出一种通过形成环状流从而实现均匀分配的空调器分流器。

1 采用环状流实现均匀分配

设计分配均匀的分流器的方法是在分流器中构建环状流并均匀分配环状流。环状流具有对称的两相分布，其中液相均匀分布在进口管的管壁上，气相位于液相中心。当出口管也对称地布置在进口管的壁面上时，对称分布的制冷剂会均匀地分配到所有出口管内。因此分流器通过形成环状流可在任意安装角度下实现均匀分配。

图1 竖直和水平环状流的转化过程Fig.1 Transition of vertical and horizontal annular flow

环状流的构建可以通过两种环状流的转化机制实现。竖直环状流由泡状流和混状流转化而来，如图1(a)所示。水平环状流由分层流和间歇流转变而来，如图1(b)所示。由于竖直和水平环状流的转化机制不同，因此本文需要分别研究竖直环状流和水平环状流的形成条件，使设计的分流器在任意安装角度下均可形成环状流。

环状流的均匀分配可通过合理设计进出口管的连接形式来实现。传统圆锥式分流器的各出口管的连接处位于进口管的中心，导致制冷剂无法均匀的分配到出口管，如图2(a)、图2(b)所示。为实现均匀分配，新型分流器的出口管应垂直且对称地布置在进口管壁上，如图2(c)、图2(d)所示。

图2 分流器进出口管的不同连接形式Fig.2 Different connection types of inlet and outlet tubes in distributor

2 设计进口管构建环状流

形成环状流的方法是：首先确定进口管的结构参数与环状流的关系；然后分别推导竖直和水平管形成环状流的临界管径；最后根据推导的临界管径计算进口管的结构参数。

2.1 进口管的结构参数与环状流的关系

进口管形成环状流的关键参数包括内径d和管长L。d取形成竖直环状流的临界管径dV和形成水平环状流的临界管径dH中的较小值，以使分流器在任意安装角度下均能形成环状流，如式(1(a))所示。为了使气液两相充分发展进而形成稳定的环状流，应L≥20d，如式(1(b))[11]所示。

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2.2 竖直和水平环状流的形成条件

竖直管中环状流的转化条件是气相速度足够大从而使夹带液滴向上流动，如图3(a)所示。当最大夹带液滴所受的浮力和曳力之和与重力相等时，夹带液滴刚好能够保持向上运动的趋势从而维持竖直环状流的流型，如式(2)[12-13]所示。

水平管中环状流的转化条件是液相的Froude数足够大以使管内壁全部被液相浸湿。当液相的Froude数满足式(3)时，间歇流转化为环状流[14]，如图3(c)、图3(d)所示。

图3 竖直和水平环状流的转化机理Fig.3 Transition mechanism of vertical and horizontal annular flow

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2.3 形成环状流的进口管的结构参数

将式(2)～式(9)代入式(1)得到进口管中形成环状流所需的内径和管长的计算式，如式(10)所示。进口管的结构由8个输入参数决定，包括制冷量Q、空泡系数α、潜热Δhfg、气相密度ρG、液相密度ρL、表面张力系数σ、重力加速度g和曳力系数Cd。

(10)

实际进口管结构的计算以一款广泛使用的制冷量为3.50 kW的空调器为例，输入和输出参数如表1所示。制冷工况下分流器进口管中的制冷剂空泡系数约为0.60[15]。式(10)中的物性参数选取常用制冷剂的物性，如R410A、R32、R290和R141b。由于蒸发器的平均温度为10 ℃，故物性参数的取值为10 ℃时的制冷剂物性。

表1 分流器的进口管结构参数计算表Tab.1 Inlet tube structure parameters of distributor

3 设计进出口管连接方式实现环状流均匀分配

均匀分配环状流的实现方法是使进出口管采用新型T型连接代替传统圆锥式分流器的Y型连接。T型连接结构中的出口管对称地安装在进口管的壁面上，而Y型连接的出口管则安装在进口管中心。

传统圆锥式分流器的Y型连接结构如图4(a)所示。该结构的流体转向处易出现气液分离而造成制冷剂分配不均。气液分离的原因是气泡受到垂直于运动方向并指向管壁的升力Flift，朝管壁运动，如图4(b)所示。气泡所受升力Flift由其速度分量ut的旋度ω产生，如图4(c)所示。升力Flift的计算式如式(11)[16]所示。

图4 不同形式的连接结构处的制冷剂流动分析Fig.4 Analysis for refrigerant flow in different types of connection structures

(11)

图4(d)示出了能够使制冷剂均匀分配到各出口管的T型连接结构。该结构流体转向处的气泡所受的升力为0使气液两相充分混合，如图4(e)所示。液相速度没有引起旋度的速度分量ut，因此流体作无旋流动，如图4(f)所示。无旋流动的流体旋度为0，根据式(11(a))可知其气泡所受的升力为0。

4 均匀分流器性能验证

4.1 实验装置与样件

用于分流器的流型观测与性能测试的实验台如图5所示，主要包括储液罐、流体泵、电加热器、温度传感器T1和T2、调压器、实验样件、半导体制冷模块、4个流量计及阀门。实验样件包括一个传统圆锥式分流器和一个新型分流器，均采用透明材料(光敏树脂)制作以便观测内部的两相流型。温度传感器、体积流量计和调压器的精度分别为0.1%、2.5%和0.8%。考虑到分流器透明材料(光敏树脂)的强度，实验工质需要选择一种常压制冷剂，如R141b。

图5 分流器性能测试实验装置Fig.5 Experimental apparatus to test performance of distributor

实验工况包括安装方式和制冷剂质量流量。安装方式包括水平安装、倾斜安装和竖直安装。由于制冷量为3 500 W的空调器的制冷剂流量为15～20 g/s，因此在实际工况附近选取3种质量流量，分别为14、18、22 g/s。

本文采用质量流量不均匀度表示分流器各出口管的流量大小的差异性。质量流量不均匀度ε的定义式如式(12)所示。ε值越小，说明出口管的流量差异越小，即分流越均匀。

(12)

4.2 新型分流器流型观测

实验观测了传统圆锥式分流器与新型分流器采用竖直和水平安装方式时进口管中的流型。

传统圆锥式分流器在竖直安装时，进口管中的制冷剂呈泡状流，如图6(b)所示，而在水平安装时制冷剂的流型为分层流，如图6(d)所示。由于泡状流和分层流的气液分布不对称，导致进入出口管的气液两相的比例不同。新型分流器在竖直和水平安装时，进口管中的制冷剂均呈环状流，如图6(a)和图6(c)所示。环状流具有对称的流型，使气液两相均匀地进入所有出口管。

4.3 新型分流器的分配性能分析

图7 不同质量流量下的传统和新型分流器的分流性能Fig.7 Distribution performance of traditional and novel distributor at various mass flow rate

图7所示为不同质量流量下的传流和新型分流器的分流性能。由图7可知，在不同安装方式下，新型分流器的ε均小于传统分流器的ε，且二者的差值随着质量流量的增加而减小。水平安装时，新型分流器的ε较传统分流器下降10%～24%；倾斜安装时，新型分流器的ε较传统分流器下降14%～27%；竖直安装时，新型分流器的ε较传统分流器下降24%～47%。质量流量增大时，气相和液相的速度同时增大，使传统分流器进口管中的流型也逐渐向对称流型发展，因此与新型分流器的ε差值减小。

5 结论

本文提出了新型空调器分流器的设计方法，进行了样件在水平、倾斜和竖直安装时的可视化实验，并与传统分流器的分配性能进行对比。主要结论如下：

1)新型分流器通过设计进口管的结构形成环状流，并将出口管对称、垂直的设置在进口管的管壁面上，从而实现环状流的均匀分配。进口管的内径d取水平和竖直环状流的临界管径中的较小值，且管长不小于内径的20倍(L≥20d)。

2)将分流器进口管中的制冷剂整流成环状流能够显著改善分流器在各个安装角度下的均流性能。样件的性能测试实验表明，水平、倾斜和竖直安装时，新型分流器的ε比传统圆锥式分流器的ε分别下降10%～24%、14%～27%和24%～47%。

符号说明

Cd——曳力系数

Clift——升力系数

d——进口管内径，m

ddrop——液滴直径，m

F——力，N

Flift——升力，N

Fr——弗劳德数

G——质流密度，kg/(m2·s)

L——进口管长度，m

Q——制冷量，kW

u——速度，m/s

V——体积，m3

x——干度

α——空泡系数

ρ——密度，kg/m3

σ——表面张力系数，N/m

g——重力加速度，m/s2

π——圆周率

ε——质量流量不均匀度

下标

bubble——气泡

H——水平

L——液相

max——最大值

min——最小值

n——法向

t——切向

V——竖直