蒸发器入口结构流量分配特性及优化研究

王 珂，廖家干，王永庆，刘遵超

（1.郑州大学 力学与安全工程学院，郑州 450002；2.郑州大学 机械与动力工程学院，郑州 450002）

0 引言

干式管壳式蒸发器具有不易积油，充液量少，不易冻结等优点［1］。作为制冷4大件之一，干式管壳式蒸发器在中央空调系统中占有重要地位，它对于空调节能降耗起到关键作用［2］。蒸发器的换热效率极大的影响着空调系统的性能。影响蒸发器换热效率的因素有很多，比如蒸发温度不高、制冷剂分配不均匀、间隙泄漏等，分液不均是尤其重要的因素［3-6］。

对蒸发器流量分配特性的研究主要集中在两方面：（1）对进口或集箱（管箱）结构的优化；（2）研究几何参数的影响。Shi等［7］通过试验研究了加入不同形式的导流板对蒸发器制冷量和空气温度分布的影响，发现合理的设计可以提高蒸发器制冷量。Yuan等［8］提出了一种新型流量分配器，采用数值模拟方法将其用于板翅式换热器入口后各通道内气液两相分布更加均匀。袁培等［9］采用数值模拟的方法对平行流蒸发器中有无分流板境况下制冷剂分配均匀性进行了研究，发现加入分流板可以改善流量分配不均匀度。Wang等［10］利用试验和数值模拟的方法研究了分布器入口管长度、倾角、气流不均匀性等参数对多回路蒸发器流量分配的影响，发现较长的进气管和垂直安装将有助于提高分配器的性能。Shojaeefard等［11］运用数值模拟和有限元模型的混合方法，研究了平行流冷凝器中进气管位置、直径、管伸出深度等对流量分配均匀性的影响。Zhou等［12］采用数值模拟的方法，对中心式平行流换热器进口管直径、插入角等进行研究，发现改进后的模型可以降低流量分配不均。Byun等［13］通过对双列四通并联蒸发器进行实验研究，得出由于流量分布不均，其传热性能降低了13%～40%。Mancini等［14］研究了板式换热器入口流量分配对传热性能和热泵COP的影响，发现制冷剂丁烷对不均匀分布最敏感，其最大性能系数COP降低了5.9%。

Tang等［15］对新设计的直接膨胀式空调系统进行了试验测试和验证，由于制冷剂流量分布均匀，改进后的直接膨胀空调系统的制冷量和COP比原系统分别提高了10.5%和13.4%。因此，提高蒸发器中制冷剂在换热管分配均匀性具有重要意义。

目前，对于蒸发器中制冷剂流量分配均匀性的研究大多是针对平行流换热器，而对于干式管壳式蒸发器中制冷剂分配均匀性的研究很少。笔者从管箱结构入手，设计了等圆开孔和优化开孔两种新型分流板，将其安装在干式蒸发器管箱中，运用数值模拟的方法对无分流板、等圆开孔分流板、优化开孔分流板3种蒸发器制冷剂入口结构下流量分配情况进行对比研究。

1 干式管壳式蒸发器入口段结构

对于多管程蒸发器，制冷剂从蒸发器一侧的管箱进入U形管，经过多个流程蒸发吸热后从同一侧管箱流出，管箱中有隔板。本文只对蒸发器制冷剂进口段部分进行研究，三维模型如图1所示。

图1 入口段三维模型

2 计算模型与数值方法

2.1 分流板结构

等圆开孔分流板和优化开孔分流板的区别是等圆开孔分流板孔径都为3.5 mm，而优化开孔分流板有3种孔径，分别为2.8，3.5和4 mm。取入口制冷剂流动方向（Z轴）为正视方向，这2种分流板三视图除正视图不同外，左视图和俯视图相同，如图2所示。

图2 分流板三视图

2.2 计算区域

蒸发器入口段结构尺寸参数如下：进口接管直径16 mm，进口接管长度50 mm，管箱厚度14 mm，换热管长度80 mm，换热管直径10 mm，布管方式为正三角形，换热管间距10 mm。计算区域模型如图3所示。为了方便分析结果，对换热管进行编号，如图4所示。

图3 计算区域示意

图4 换热管编号

2.3 网格独立性验证

蒸发器入口段模型结构复杂，使用非结构化网格进行划分，非结构化网格局部加密比较容易，对不规则空间适应能力较强，易于显示流场的细微结构［16］。进行网格独立性验证，保证计算精度的准确性［17］。最终确定无分流板、等圆开孔分流板，优化开孔分流板3种结构网格数分别为210万、160万、175万，此时蒸发器标准偏差和压降的偏差均小于1%。以等圆开孔分流板结构为例，网格独立性检验结果见表1。

表1 网格独立性检验

2.4 边界条件设置

以水为工质，进口采用质量流量进口，出口采用压力出口。湍流模型采用Standardk-ε模型，采用增强壁面函数。压力和速度耦合方式选SIMPLE算法，动量、湍动能、湍流扩散率均采用二阶迎风格式。

3 计算结果分析

将标准偏差（Standard Deviation，STD）和均分率作为衡量制冷剂分配均匀性的评价标准［18］。定义如下：

式中n——换热管数量；

qi——第i根换热管的质量流量，kg/s；

qa——平均质量流量，kg/s；

ε'——均分率。

STD越小则制冷剂流量整体分配均匀性越好。均分率越接近1，则支管分流效果越好。

本文研究了入口制冷剂质量流量M在0.1～0.5 kg/s范围内，3种结构下制冷剂流量分配情况。

3.1 质量流量对标准偏差的影响

表2为不同结构下的标准偏差。由评价标准可知，STD越小则制冷剂流量整体分配均匀性越好。从图5中可以看出，当质量流量一定时，无分流板时蒸发器制冷剂入口结构下STD最大，等圆开孔分流板次之，优化开孔分流板最小，说明无分流板时换热管中制冷剂分配均匀性最差，优化开孔分流板结构下制冷剂分配均匀性最好。3种不同蒸发器制冷剂入口结构下STD都随着质量流量的增加而逐渐增加，无分流板时增加趋势较明显，等圆开孔分流板次之，优化开孔分流板结构下几乎不增加，说明优化开孔分流板结构下制冷剂分配均匀性受质量流量的影响较小且分流效果最好。当质量流量从0.4 kg/s增加到0.5 kg/s时，3种结构下STD几乎不变化，说明质量流量对制冷剂分配均匀性的影响很小。与等圆开孔分流板结构相比，优化开孔结构下制冷剂分配均匀性提高71.3%～74.2%。与无分流板结构相比，等圆开孔分流板结构的换热管内制冷剂流量的分配均匀性提高75.1%～79.8%，优化开孔分流板结构的换热管内制冷剂流量的分配均匀性提高93.5%～94.2%。

表2 不同结构下的标准偏差

图5 不同结构下标准偏差随质量流量变化曲线

3.2 各个换热管均分率对比分析

由图6中（a）可知，无分流板时，各个管子的均分率都和理想分流差距较大，尤其是B2，B3号换热管。由6（b）可知，当为等圆开孔分流板时，各个换热管的分流率相比于不加分流板更加接近于1，但管号为B2，B3的换热管分流率依然较高。由6（c）可知，当为优化开孔分流板时，折线波动不明显，各个换热管均分率比较接近理想分流，制冷剂分配不均匀性大幅度减小。说明加入分流板对分流板进行优化改变其开孔大小可以有效地降低各支管流量分配不均匀性。3种结构下管子的均分率基本满足随着质量流量的减少更加接近于1这个规律，尤其是B2，B3号管，说明质量流量大小会对支管流量分配均匀性产生影响，质量流量越大，分配越不均匀，这与分析整体的流量分配均匀性时结论一致。

图6 不同质量流量下换热管均分率对比

3.3 流场分析

由图7中（a）可知，无分流板时中心区域如管号为B2，B3的换热管制冷剂流速最大，管号为A2，C2的换热管次之，边缘区域的换热管如A1，A3，B1，B4，C1，C3 中制冷剂流速相对较小。原因是无分流板时，入口接管和B2，B3，A2，C2四根换热管相对，大部分制冷剂通过入口接管和管箱后直接流入到这几根换热管内。加入等圆开孔分流板后，管号为B2，B3，A2，C2的换热管内制冷剂流速减小，其余的换热管内制冷剂流速增加。

图7 不同结构下换热管出口处速度云图

与不加分流板相比，等圆开孔分流板结构制冷剂分配均匀性提高，由于分流板孔径相同，所以依然是中心区域的管子制冷剂流速大。加入优化开孔分流板后，所有换热管内制冷剂流速几乎相等，制冷剂流量几乎平均分配，这是因为优化开孔分流板中心区域开孔较小，边缘区域开孔大，所以避免了B2，B3号换热管内流入过多的制冷剂，降低了制冷剂流量分配不均匀性。

图8示出了质量流量为0.2 kg/s时ZX平面上的流线。

图8 不同结构下ZX平面上流线

由8（a）可知，无分流板时，中心区域B2，B3号换热管流线密集，流速较大，边缘区域B1，B4号换热管入口处存在涡流，这将限制流体流动。管箱和换热管中存在的涡流是导致蒸发器中制冷剂流量分配不均的一个重要原因。由8（b）（c）可知，加入等圆开孔分流板和优化开孔分流板后，管箱中和B1，B2号换热管中涡流减弱，流线更加均匀，流量分配均匀性提高。

3.4 压降分析

由图9可知，与无分流板结构相比，加入分流板后压降增大。这是因为无分流板时，管箱壁上的换热管相当于大孔径的分流板，制冷剂从入口进入管箱后直接冲击在换热管及管子入口附近的管箱壁上，这会导致正对着入口的换热管附近压力较大；而加入分流板后，由于分流板孔径比换热管孔径小很多，所以制冷剂通过分流板时受到的阻力增大，压力损失增大。分流板的加入大大降低了流量分配的不均匀性，但同时增加了压降，对此可以通过适当调整膨胀阀来保证工作压力，避免制冷系统能耗增加。

图9 不同结构下压降随质量流量的变化

4 结论

（1）无分流板结构下，管箱及换热管入口附近的涡流会降低制冷剂流量分配均匀性，加入分流板后，分流板起到二次分流作用，涡流减弱，可以使制冷剂流量分配更加均匀。

（2）3种不同蒸发器制冷剂入口结构与无分流板结构相比，等圆开孔分流板结构的换热管内制冷剂流量的分配均匀性提高75.1%～79.8%，优化开孔分流板结构的换热管内制冷剂流量的分配均匀性提高93.5%～94.2%。与等圆开孔分流板结构相比，优化开孔分流板制冷剂分配均匀性提高71.3%～74.2%。

（3）与无分流板结构相比，加入分流板后制冷剂流量分配不均匀性显著降低，但同时增大了压降，因此调整节流装置时还需要考虑工作压力。