微通道平行流换热器制冷剂分配特性研究综述

杜琳，管祥添，高如启，唐黎明，陈琪

（浙江大学制冷与低温研究所，浙江杭州 310000）

0 引言

微通道平行流换热器由分流管、集流管、多孔扁管及翅片组成。其中多孔扁管由10～12 个微通道组成，水力直径一般小于1 mm。与管翅式换热器相比，微通道平行流换热器具有换热效率高等优点。汪年结等[1]、葛方根等[2]和张蕾[3]对微通道换热器替代现有换热器的可行性进行实验分析，发现微通道换热器可以减少制冷剂充注量和提高换热效率。但是，当不同通道内的制冷剂分配不均匀时，会带来换热器换热效率降低[4-5]和易结霜[6]等问题。近年来，大量文章对微通道换热器的研究进展及应用前景进行了概述，指出制冷剂分配不均问题是目前微通道换热器亟待解决的问题之一[7-11]。

本文对近年来国内外文献中所涉及的改善微通道平行流换热器内流体分布均匀性的方式进行了综述，分析了不同结构及运行工况参数对制冷剂分流特性的影响，发现对于不同结构的换热器，同样的改善方式会带来不同的结果。下文所涉及的文献中的换热器结构和实验条件等参数如表1所示。

表1 换热器结构及实验条件

1 结构设计参数

1.1 水平分流板

在微通道平行流换热器的集管内插入水平分流板，可使工作流体在分流板和扁管之间形成强烈的再循环，可对工作流体进行二次分配，有效改善流体在换热器内的分布情况。SHI 等[12]对7 种进出口分流板结构进行实验测试，实验条件如表2所示，利用热成像仪对蒸发器外温度的分布情况进行测试。以制冷能力和温度分布情况为衡量指标，得出通过合理布置分流板的方式，可以改善管内流体分布均匀性进而提高制冷能力。KIM 等[13]和BYUN等[14]通过实验研究了在入口分流管内插入水平分流板对换热器内流体分布均匀性的影响。实验结果显示，在入口集流管内插入图1所示的多孔圆管，可以有效改善换热器内流体分布情况。

表2 进出口分流结构影响的实验工况[12]

图1 多孔圆管结构[13]

刘巍等[15]对出口集流管内插入水平分流板的作用进行了实验探究，出口集流管内插入分流板对制冷剂分流特性没有影响，且增大了流动阻力。因此，出口集流管内不插入分流板时，换热性能较好。

在圆孔分流板面积方面，刘巍等[16]对不同的分流板孔径进行模拟和实验探究，实验条件如表3所示，得到最佳孔径为4 mm，最佳孔径开孔面积为150.7 mm2。在圆孔分流板结构方面，吴学红等[17]和刘巍[18]对孔径均匀分布的分流板进行了模拟研究，发现分流板孔数越多，流体分配越均匀。除均匀分布的多孔圆管之外，高志成[19]对图2所示的孔径非均匀分布的多孔圆管进行了模拟和实验研究，发现分流板孔径非均匀分布时，流体分配更均匀。

表3 分流板孔径影响的实验工况[16]

图2 孔径非均匀分布分流板结构[19]

1.2 竖直分流板

在微通道换热器的进出口集管或中间集管内插入竖直带孔分流板可以使得流体回流效果更明显，便于流体的二次分配，从而改善流体在扁管内的分布情况。在中间集管方面，SHI 等[12]发现在中间集管内插入分流板可以改善流体在换热器内的分布情况。BYUN 等[20]通过实验探究发现，中间集管内插入图3所示的分流板可以有效改善制冷剂分布均匀性，且最佳圆孔直径为4 mm。在进口分流管和出口集流管方面，YU 等[21]发现在入口分流管及出口集流管内均插入图4所示的分流板，可以使传热效率提高67.93%[21]，实验条件如表4所示。徐凯[22]通过实验和模拟探究了竖直节流板的数量、位置、开孔面积及形状对微通道平行流换热器内制冷剂的分布情况的影响。研究结果显示，节流板孔径过小或过大均不利于制冷剂的均匀分配。因此，根据工作条件，优化节流孔面积十分有必要。

图3 中间集管内插入物结构[20]

图4 分流板结构[21]

表4 实验工况[21]

1.3 微通道水力直径

通过减小微通道水力直径的方式，在一定范围内可以使流体分布更加均匀，提高换热效率，但是当水力直径降低到一定数值后，会增大压降，降低换热能力。杨海江[4]和TUO 等[23]发现随着微通道水力直径的降低，流体分布更加均匀，这是由于微通道内压降增加，因此出口集流管压降占总压降比例下降，分布更加均匀。但是，当微通道水力直径小于一定数值时，虽然流体在扁管内的分布更加均匀，但是压降会随着水力直径的减小而增大。由于蒸发器出口条件固定，因此随着压降增加，蒸发器入口压力和温度随之增大，制冷剂与空气之间的传热温差减小，进而导致换热器的换热能力下降。

1.4 扁管在分流管内的突出深度

增加扁管在分流管内的突出深度可以使得流体进入扁管后，撞击扁管，在扁管入口处，一部分流体流入扁管，一部分流体向分流管后部流动，撞击后部扁管，使得流体得到再分配，从而改善流体分布均匀性。当流体在扁管内流动方向为竖直方向时，杨海江[4]、KIM 等[24-25]、张永锴[26]和韩艳辉[27]对增加扁管突出深度对换热器内流体分布均匀性的影响进行了模拟和实验探究，发现增加扁管突出深度使得更多的液体流到分流管后部，有效改善了流体分布均匀性。其中，文献[24-25]和文献[26]认为当扁管突出深度占分流管高度的50%时，分配最均匀。文献[4]指出，扁管突出深度占分流管高度的31.6%或56.3%时，分流效果最好。而文献[27]则认为，扁管突出深度占分流管高度的23.9%时，流量分配均匀性最佳。流体在扁管内流动方向为水平方向时，LEE 等[28]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]通过实验探究发现，增加扁管突出深度会降低集流管的水力直径，增加流体的惯性，使得流体分布更均匀。

1.5 入口/出口集流管方向和位置

当流体在扁管内流动方向为水平方向时，KIM等[31]和BYUN 等[32]通过实验研究了进出口位置对两流程微通道换热器内流体分布均匀性的影响。实验结果显示，顶部入口使第一流程内流体分布更加均匀，压降也更小。这是由于对于竖直结构的集流管，受重力影响，制冷剂更容易流入下部扁管内。而入口位置位于顶部时，可使得部分制冷剂流入上部扁管内，得到流体均匀分配。底部或顶部出口对于第二流程内流体分布均匀性的影响并无明显差别，但是底部出口使得第一流程内流体更多地流入上部集流管内，因此，底部出口效果最佳。

当流体在扁管内流动方向为竖直方向时，进口位置及方向同样影响扁管内流体分布均匀性。杨海江[4]和张永锴[26]发现当入口位置位于分流管中间时，流体进入分流管后分别向左、右两侧形成均匀流动。而当入口位置向两侧偏移时，会在分流管内形成两个大小不一的空间，在较小空间内，流体动量衰减快，导致流体的不均匀分配。KIM 等[33]和CHO 等[34]对图5所示的不同入口方向进行了实验研究，当流体在扁管内的流动方向为从下向上时，流体更多地流入后部扁管内，造成分配不均的现象。而竖直流入使得部分流体射流进入前部扁管内，从而改善流体分配均匀性。

图5 3 种不同入口方向[33]

1.6 集流管截面形状

改变集流管截面形状，可改变集流管内的压力分布，进而改善了流体在扁管内的分布情况。KIM等[35]和池帮杰等[36]通过数值模拟的方式，研究了图6所示的分流管和集流管截面形状对流体分配均匀性的影响。模拟结果显示，入口分流管横截面积逐渐减小、出口集流管面积逐渐增加时，各扁管进出口压差趋于一致，因此流体流量分配特性最佳。

图6 4 种微通道换热器结构[36]

2 运行工况参数

2.1 质量流量

KIM 等[13,31,37]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]实验研究了质量流量对换热器内流体分布均匀性的影响。实验结果显示，随着质量流量的增加，流体轴向动量增加，更多流向后部扁管内，使流体分布更均匀。但是，徐凯[22]和张永锴[26]的研究成果显示，随着质量流量的增大，流速增大，压力损失增大，动压变大，静压变小。回流现象更加严重，使得流体分配不均匀度加剧。而LEE 等[28]、KIM 等[33]和MAHVI 等[38]的实验结果显示，增加质量流量对改善流体分布均匀性效果不明显。

质量流量对流体分布均匀性的影响，与换热器结构、流体流动方向及干度有关。BYUN 等[14,20]对两流程微通道平行流换热器进行了实验研究，发现增加质量流量对第一流程流体分布没有明显影响，但是可以有效改善第二流程内流体分布均匀性。笔者认为，当流体流出第一流程在中间集管汇合后，流体的轴向动量增加，使第二流程内流体分布趋势改变，流体更多流向后部扁管内，改善了第二流程流体分布均匀性。KIM 等[39]实验研究了不同流动方向下，质量流量对流体分布均匀性的影响。实验结果显示，对于向下流，随着质量流量的增加，更多的液体流向集流管后部。而对于向上流，增加质量流量对流体分布均匀性的效果并不明显。ZOU等[40]认为干度不同时，增加质量流量对流体分布均匀性的影响不同。实验结果显示，当流体入口干度小于0.6 时，随着质量流量的增加，流体分布更加均匀。而当流体入口干度大于0.8 时，随着质量流量的增加，流体分布趋于更不均匀。

2.2 干度

KIM 等[13,37]和MAHVI 等[38]的实验结果显示，随着干度的增加，流体轴向动量增加，更多流向后部扁管内，使得流体分布更佳均匀。但是，张永锴[26]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]的研究成果指出，随着干度增加，气相增加，受扁管在集流管内的突出深度影响，总流量分配不均匀度增加，流量分配更不均匀。而LEE 等[28]、KIM 等[33]和CHO 等[34]的实验结果显示，增加流体入口干度对改善流体分布均匀性的效果不明显。

质量流量对流体分布均匀性的影响，与换热器结构、流体流动方向等有关。BYUN 等[14]的实验结果显示，增加流体入口干度，对第一流程内流体分配均匀性没有明显影响，但是使第二流程内流体分布更均匀。KIM 等[39]通过实验研究，发现当流动方向为向下流时，随着干度的增加，流体更多流入后部集流管内，使得流体分布更加均匀。但当流动方向为向上流时，增加干度对流体分布均匀性的效果并不明显。

3 结论

本文综述了改善流量分配均匀性的两种基本方式，改善结构设计参数和运行工况参数，得出如下结论：

1）在改善结构设计参数方面，插入水平分流板或竖直分流板、减小微通道水力直径、增加扁管突出深度、改变进出口方向及位置和改变集管截面均可有效改善流体分配均匀性；

2）在改善运行工况参数方面，调节质量流量和干度等参数，也可以有效改善流体分配均匀性；

3）无论是对结构设计参数还是运行工况参数的优化，均需要考虑换热条件及换热器结构；目前，尚未存在一种改进方式对任意换热条件或换热器结构均有效；管内插入物的方式虽被大量研究，但是在集管内插入分流结构对于工艺性要求高，难以推广；因此，找到一种有效改善制冷剂分配性能且工艺上可行的方式，是目前亟待解决的问题。