管壳式蒸发器制冷剂均分性能影响因素研究

宋哲，许波，陈振乾

（东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096）

0 引言

管壳式换热器广泛应用于制冷等领域。制冷系统中，两相制冷剂被等量分配到各并联支路对换热器的效率有至关重要的影响。研究表明，蒸发器各管间制冷剂分配不均是制约其换热性能提升的主要原因，使换热器效率损失25%以上[1]。蒸发器内支管供液量偏小使制冷剂迅速蒸发，支管供液量偏大使压缩机吸气带液，两相制冷剂尤其是液相分配不均会导致制冷系统性能恶化[2-3]。国内外学者对蒸发器的流动分配均匀性进行研究，集中于蒸发器外侧分液器[4-5]和内侧分配结构[6]两个方面，后者具有可连支管多、结构简单等优点。

对于内侧分配结构，管箱结构、管径大小、支管数目等结构参数及流体入口参数均可影响流体分配。HWANG等[7]对平行流蒸发器进行流动实验，结果表明支管间距对分液均匀性的影响不大，而支管数的影响较大且存在最佳支管数。HABIB等[8]模拟研究换热器不同结构参数和入口流速对分液不均的影响，得出集管形状和支管数量是重要的影响因素。WANG等[9]实验研究换热器的并联集箱，得出减小支管截面积或增加集管进口长度可有效改善支管的流体分配，而重力的影响较小且随流速增大可以忽略。通过建立不均匀分布的数学模型，可以得出增大压降、减少入口速度或调整支管数的方法可减小流量分配不均[10]。

国内外针对蒸发器内分配结构优化的研究逐渐深入。SHI等[11]研究微通道蒸发器内流体均匀性，提出在集管内安装分流板进而改善流量分配均匀性。BAEK等[12]提出管程折弯处设置交叉流道的再分配装置，可缓解流量分配不均引起的传热性能下降。RAUL等[13]研究不同布置方式的双挡板集箱结构，通过改进档板结构均匀流量分布。王亚男等[14]、孙文卿等[15]通过模拟优化设计蒸发器内的锥形分液装置，由可视化实验和机组性能实测证明可提升均分性能和整机能效。王芳芳[16]模拟研究蒸发器入口分配结构并设计了分流板结构，得出对管箱和分流板的优化可提升传热性能。目前蒸发器均分特性的研究集中于平行流蒸发器、并联集箱等[17-18]，对管壳式蒸发器的研究较少，大部分数值模拟限于二维模型，且采用理想工质研究流量均分规律。

为了准确研究干式蒸发器内流量分配特性，本文建立具有对称进出口管箱的蒸发器三维模型，以两相制冷剂作为模拟工质，考虑出口管箱流体汇集和蒸发压力的影响。通过模拟探究结构参数、入口参数和入口管箱结构对制冷剂均分性能的影响规律，为管壳式蒸发器的设计优化提供一定的参考。

1 模型与研究方法

1.1 物理模型

为了研究管壳式蒸发器内的流量分配特性，对模型进行简化。图1所示为管壳式蒸发器基础模型，管箱为普通管板结构，重力沿z轴负方向，为减小计算量，本文采用以xoz为对称面的二分之一干式蒸发器模型，模型相关结构参数如表1所示，换热管排列方式为正三角形。

图1 管壳式蒸发器模型

表1 蒸发器模型结构参数

图2所示为基于普通管板改进的不同入口管箱结构模型，其余结构参数均保持不变。为简化问题对模型做以下假设：1）假设流体流动和传热过程均一、稳定；2）假定流体物性不随温度、时间等变化；3）流体为牛顿流体，不可压缩、各向同性且连续。

图2 不同入口管箱结构模型

1.2 边界条件与计算方法

使用Gambit建立模型并进行网格划分，利用ANSYS 15进行数值模拟，使用FLUENT 3D单精度求解器进行求解。

本研究以制冷剂R410A为工质，0 ℃时物性参数：液相密度1 169.98 kg/m3，比热容1 519 J/(kg·K)，黏度16.15×10-5Pa·s，气相密度30.02 kg/m3，比热容1 146 J/(kg·K)，黏度1.22×10-5Pa·s。开启能量方程，湍流模型选用标准k-ε模型，选择Mixture多相流模型。计算区域入口边界条件为速度入口，设定入口流速1.0 m/s，出口边界条件为压力出口，设置表压为0.7 MPa。制冷剂入口温度为273 K，换热管壁温为285 K，壁厚设定1.0 mm，勾选shell conduction选项。设xoz面为symmetry的对称边界条件，z方向重力取-9.8 m/s2。求解控制采用稳态数值计算，松弛因子设置为10-4，梯度分离格式为Green-Gauss，压力速度耦合相为SIMPLEC，各物理量的收敛标准为二阶迎风差分格式。

数值计算的准确度与网格数量有关，以普通管板模型为例，入口流速为1.0 m/s时，分别计算网格数为45.5万、60.8万、76.5万和98.4万4种条件下的相对标准方差，结果表明误差分别为2.6%、0.9%、0.2%和0%，综合考虑计算量和模拟结果的准确性，模型选用76.5万左右网格数进行计算。

1.3 评价方法

CHIN等[19]得出流量分配不均导致的换热器性能下降取决于平均值、标准差和偏差三个分布统计矩。为分析支管的流量分配特性，部分文献采用相对标准方差RSD[8]衡量不均匀度和单管均分率ε[20]衡量支管内制冷剂分配的均匀性，表达式如下：

式中，n为支管总数；qi为各支管内制冷剂的质量流量，kg/s；为各支管的平均质量流量，kg/s。

RSD表示各支管的流量与平均流量的离散程度，均分率ε表示单管流量与平均流量的比值。因此，RSD越小、ε越接近1，表明流量分配越均匀。

2 结果与分析

2.1 模型验证

图3所示为换热管编号，通过计算干式蒸发器各支管流量的相对标准方差，与文献[14]相关模拟结果进行对比。各支管的均分率和入口相对压力比较如图4所示，呈现中心处的支管流量偏大，周围支管流量偏小的特点，最大支管流量均分率超过2.3并达到最小支管均分率的3.76倍。支管入口处的相对压力和质量流量呈现相同的变化趋势，第1排支管均分率基本一致，第2～4排支管中心处支管的相对压力和均分率明显大于两边，具有一定的对称性，说明入口管箱内压力分布不均影响了各支管的流量分配。本文模型相比文献[14]模型的支管数增加了48%且部分结构参数不同，故部分模拟计算结果存在一定差异，但得出蒸发器内的分配规律和流场特征等均与文献一致，可以验证文献所述流体分配不均的原因。

图3 换热管编号示意图

图4 支管均分率和入口相对压力

2.2 结构参数对均分性能的影响

为研究蒸发器结构参数对制冷剂均分性能的影响，分别计算了不同管箱长度、支管数目、支管直径和支管间距时的相对标准方差，在研究中保持其他影响因素不变，结果如图5所示。

由图5可知，RSD随支管数量的增大而上升，支管数量为61时的不均匀度是19根支管时不均匀度的5.93倍。保持管箱结构不变且支管均匀排布时，支管数增多使中心位置的流通面积增大，扩大了压力不均导致流体分配均匀性恶化，而减少支管数量会导致换热面积减小和换热性能下降的问题。随着支管管径的增大，RSD呈抛物线上升趋势，其中管径为20 mm时的不均匀度达到12 mm时不均匀度的6.89倍，因为减小支管直径一方面可以避免中心处流体的直接冲击造成支管流量过大，另一方面能减弱管箱内涡流区对周围支管入口处制冷剂流体的挤压，从而显著提升制冷剂分配均匀性。

图5 RSD随不同结构参数的变化

随着管箱长度的增大，不均匀度先迅速下降，长度超过80 mm后逐渐平稳，最终RSD值稳定在0.51左右，为20 mm管箱长度时不均匀度的74.0%。增大管箱长度有利于高速流体向四周的扩散，可以降低管箱内的压力分布不均和纵向流速不均的影响，而管箱到达一定长度后再增大则对均分的提升效果不明显，说明管箱长度在一定范围内影响流场和压力分布。支管间距增大，RSD呈线性下降趋势，主要原因在于，支管排布方式固定时管间距的增大直接影响入口管箱的尺寸，入口管箱内径的增大有利于流体在管箱内充分扩展和降低压力分布不均，从而使制冷剂更均匀地流入各支管中。

总体而言，不均匀度受支管直径的影响最大，其次是支管数量和支管间距。结合支管数量和支管直径的影响规律可以得出，流量分配的不均匀度与流通总面积相关，入口参数相同时，流体流通总面积越小，流量偏差越小。

2.3 入口管箱结构对均分性能的影响

为研究入口管箱结构对均分性能的影响，分别计算了不同入口管箱结构在入口流速为0.5～2.5 m/s工况下制冷剂的质量流量标准方差RSD和相对压力标准方差RSDp，计算结果如表2所示。

由表2可知，相比普通管板入口结构，半喇叭形、喇叭形、外凸形和内锥形结构的RSD均值分别下降15.8%、31.8%、32.1%和36.5%，RSDp也呈现相同的变化规律，平均值相比普通管板分别下降12.8%、23.4%、23.9%和27.7%，通过比较可得不同管箱结构的均分性能由高到低依次为内锥形、外凸形、喇叭形、半喇叭形、普通管板。图6所示为0.8 MPa和入口流速为1.0 m/s工况下，不同管箱结构蒸发器支管的质量流量均分率。由图6可知，中心和周围支管流量的偏差导致不均匀度的产生。半喇叭形作为喇叭形结构的过渡，对流体均分性能的提升为后者的49.7%，而喇叭形入口管箱结构更加符合流场分布的特点，使流量分配和压力分布更为均衡；内锥形和外凸形在喇叭状外形的基础上对入口管板结构进行改进，能够进一步降低中心处支管的流量，提高边缘处支管流量，相比普通管板支管均分率ε的变化范围大幅缩小，其不均匀度相比喇叭形结构分别降低7.0%和0.5%，说明内锥形结构的均分效果更为显著。

表2 不同管箱结构的RSD平均值

图6 各支管的质量流量均分率

图7所示为入口流速1.0 m/s时不同入口管箱的对称面流场分布，观察入口管箱内的流场可知，涡流区的存在显著影响制冷剂流体分配均匀性，普通管板结构管箱内的上下涡流区较大，挤压支管入口的流体。喇叭形管箱结构可以缩小内部的涡流区范围，内锥形结构可以进一步降低涡流区对管箱内流道的扰动，有利于流体沿管板壁面向四周扩展，减小支管入口处压力不均的影响。外凸形结构适当延长了管箱内中间流道的长度并略微降低中心流速，但相比喇叭形结构没有显著影响涡流区和压力分布，均流效果并不明显。因此，符合流场分布特点的管箱结构能较好地提升制冷剂均分性能。

图7 不同入口管箱对称面流场分布

2.4 入口流体参数对均分性能的影响

为了研究入口流体参数对均分性能的影响，计算不同管箱结构在0.8 MPa和入口流速0.5～2.5 m/s工况下制冷剂的质量流量相对标准方差RSD，结果如图8所示。

图8 RSD随入口流速的变化

由图8可知，不同管箱结构条件下入口流速增大会对流量分配产生不利影响，2.5 m/s时的不均匀度相比0.5 m/s时增大了11.4～15.2%，且RSD随流速增加的增幅逐渐减小并达到稳定。不均匀度变化规律的主要原因在于，流速和质量流量的增大会使流体在惯性作用下聚集于中心流道，而入口管板经两相流冲击后压力分布不均加剧，扩大了中心处与周围支管流量的标准偏差，同时，入口管箱内平均流速的增大使得涡流区略微扩大并进一步挤压了周围支管前的流道，也在一定程度上恶化了流体的分配。此外，随着入口流速增大，外凸形和内锥形管箱结构的不均匀度增幅相比喇叭形等结构较低，说明适当改变入口管板的结构能够缓解质量流量增大引起流体的分配不均。因此，流体入口流速和质量流量可以在一定范围影响制冷剂的均分特性。

图9为入口流速1.0～2.5 m/s工况下RSD随制冷剂入口干度的变化，由图可知不均匀度随入口干度的增大略有降低然后逐渐达到稳定，干度从0提高到0.3时RSD的变化范围0.497～0.556，各工况下RSD的最大降幅不超过0.02即原不均匀度的4%。入口干度从0.1上升到0.3时，气相体积分数从81.3%增大到94.4%，入口管箱内制冷剂呈现较均衡的雾状流，入口干度增大可以略微降低液相的聚集程度，但没有明显影响涡流区的大小和压力不均，所以干度对质量流量分配的影响很小。此外，由图8～图9可知，在不同的分配结构和入口参数条件下，RSD随入口流速的增大逐渐上升且上升速率逐渐变缓，说明质量流量对两相制冷剂分配均匀性的影响较为有限。从总体上看，适当降低入口流速可以提高蒸发器的均分性能，而增大制冷剂干度并不能有效减小蒸发器内制冷剂的分配不均。

图9 RSD随入口干度的变化

3 结论

本文模拟并分析了蒸发器不同参数对流体均分特性的影响规律，得出如下结论：

1）结构参数对制冷剂均分特性有显著影响。在总体上，不均匀度受支管总流通面积的影响较大，受管箱尺寸的影响较为有限；

2）符合流场分布特点的入口管箱结构能有效提升制冷剂均分性能。不同入口结构可使不均匀度降低15.8%～36.5%，其中内锥形入口管箱结构提高流体分配均匀性的效果最佳；

3）不同入口流体参数对制冷剂均分特性影响不同，不均匀度随入口流速的增大而升高，随制冷剂入口干度的增大先略有降低再达到稳定，而且最大降幅不超过4%。