適合小管徑空調(diào)器的分配器分流性能評價與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高 揚 翁曉敏 丁國良 胡海濤 宋 吉 高屹峰

(1上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所 上海 200240；2國際銅業(yè)協(xié)會 上海 200020)

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適合小管徑空調(diào)器的分配器分流性能評價與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高 揚1翁曉敏1丁國良1胡海濤1宋 吉2高屹峰2

(1上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所 上海 200240；2國際銅業(yè)協(xié)會 上海 200020)

為了開發(fā)具有最佳流量分配性能的小管徑空調(diào)分配器，本文采用數(shù)值仿真和空氣-水實驗相結(jié)合的方法評價了常用分配器的分流性能，提出分配器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，并利用空調(diào)整機實驗驗證了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的改進效果。對于三種比較適合于小管徑空調(diào)器的分配器進行的實驗和計算表明，插孔式分配器的分流性能最佳，在額定制冷和額定制熱工況下流量分配不均勻度均小于6%；實驗結(jié)果與仿真計算得出的分配器流量分配不均勻度結(jié)果吻合，計算結(jié)果與實驗的偏差都在15%以內(nèi)。利用驗證過的仿真模型，對插孔式分配器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的分配器應(yīng)用于空調(diào)整機后，系統(tǒng)能效提高了2.2%～2.7%。

小管徑空調(diào)；分配器；分配均勻度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

小管徑空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用不僅降低了空調(diào)用銅量和材料成本[1]，而且減少了制冷劑的充注量，使環(huán)保新型工質(zhì)(如R290、R32)應(yīng)用于空調(diào)器成為可能[2]。

小管徑空調(diào)(管徑≤5 mm)通常采取多流路并聯(lián)布置的換熱器，從而避免壓降過大造成性能下降[3]。但是，多流路布置會導(dǎo)致各路的制冷劑分配不均勻[4]。制冷劑液相分配偏少的支路內(nèi)，工質(zhì)很快全部蒸發(fā)成氣體，換熱面積未能有效利用；制冷劑液相分配偏大的支路內(nèi)，工質(zhì)出口過熱度很小，甚至可能有未蒸發(fā)的液體，造成空調(diào)系統(tǒng)的換熱能力惡化，從而降低了能效[5]。因此需要性能優(yōu)異的分配器來保障制冷劑均勻分配給換熱器的各個支路[6]。

當前，空調(diào)分配器的研究主要圍繞流量分配性能的影響因素展開。韓清等[7]研究了分配器進口質(zhì)量流量和干度對分配器流量分配影響。結(jié)果表明，進口干度越小，質(zhì)量流量越大，越有利于流量分配均勻; 翁曉敏等[8]實驗研究了不同安裝傾角下的反射式分配器的分配性能，發(fā)現(xiàn)反射式分配器在傾斜安裝時仍具有優(yōu)良分配性能; 王志毅等[9]通過調(diào)整分配器混合腔內(nèi)徑發(fā)現(xiàn)，氣液兩相流達到霧狀流時分配性能達到最佳; Liang F等[10-11]通過研究多分路葉輪式和旋流葉片式新型分配器不同流型下的分配性能，發(fā)現(xiàn)流型為環(huán)狀流有利于各端分路流量的均勻分配。

目前分配性能的影響因素研究主要關(guān)注外部因素，如進口質(zhì)量流量、干度、傾斜角度、兩相流流型等，尚未對分配器種類和結(jié)構(gòu)等內(nèi)部因素影響下的流量分配規(guī)律，以及小管徑空調(diào)分配器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法進行研究。

因此，本文針對分配器類型和結(jié)構(gòu)等內(nèi)部因素對小管徑空調(diào)分配器的影響，對小管徑空調(diào)分配器進行了流量分配性能評價和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，目的在于得到性能最優(yōu)的分配器類型和分配器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

1 研究技術(shù)路線

為了提供可快速批量生產(chǎn)的適用于小管徑空調(diào)的分配器，本文選擇現(xiàn)有的常用分配器進行研究。

本文首先采用仿真計算和實驗方法， 對小管徑空調(diào)常用分配器進行流量分配性能評價；然后選擇其中最優(yōu)的分配器型式，利用優(yōu)化設(shè)計方法，得到進一步的優(yōu)化結(jié)果；最后采用整機實驗，驗證優(yōu)化方法的有效性。圖1所示為研究技術(shù)路線圖。

圖 1 研究技術(shù)路線圖Fig.1 Research roadmap

2 常用分配器流量分配性能評價

2.1 研究對象

國內(nèi)外比較常見的空調(diào)分配器有Y型、T型、插孔式、圓錐式、反射式、節(jié)流短管組等類型。其中，插孔式、圓錐式、反射式分配器成本適中，也能一分多路，適合小管徑空調(diào)器的大批量應(yīng)用。本文以這三種常見分配器為對象進行研究。

插孔式分配器包括進口管和膨大的混合腔，兩者之間由漸擴管連接，具體結(jié)構(gòu)和實物圖如圖2所示。兩相制冷工質(zhì)進入后，速度降低，氣相直接進入空腔內(nèi)，而部分液相沿著管壁上流，最終兩者在出口處混合均勻，流出出口管。

圖2 插孔式分配器Fig.2 Jack-type distributor

圓錐式分配器出口管對稱布置有較大傾角，混合腔和出口管部分重合，呈圓錐體型，具體結(jié)構(gòu)和實物圖如圖3所示。由于混合腔截面積較小，兩相制冷工質(zhì)進入后速度加快，部分流體經(jīng)過出口管匯合點時被打散，容易形成霧狀流，從而實現(xiàn)均勻分配。

圖3 圓錐式分配器Fig.3 Cone-type distributor

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

反射式分配器進口管正對著反射沉孔，出口管以反射沉孔為中心對稱布置，具體結(jié)構(gòu)和實物圖如圖4所示。兩相制冷劑從進口管噴射而出并射到反射沉孔上，反射沉孔將制冷劑發(fā)射并與噴口噴射出的制冷劑碰撞后向四周擴散，在反射空腔內(nèi)進行氣液的充分混合后從分流反射體的分流孔流出，實現(xiàn)均勻分流。

2.2 流量分配性能評價標準

各分路分配的制冷劑進入下游換熱器，其質(zhì)量流量為氣相和液相的質(zhì)量流量之和。相對于液相而言，換熱器中各路氣相制冷劑質(zhì)量流量很小，對換熱器換熱能力的貢獻可以忽略不計[5]。

因此，研究分配器的流量分配性能，本質(zhì)上是研究各分路液相的質(zhì)量流量分配不均勻度，即各分路液相質(zhì)量流量與液相總質(zhì)量流量平均值的偏差。各分路越接近等量的液相流量分配，分配不均勻度越小，分配性能越好。公式如下：

(1)

式中：S為分配不均勻度，g/s；n為分路數(shù)；mi為第i流路液相的質(zhì)量流量, g/s；mave為液相總質(zhì)量流量的平均值, g/s。

2.3 常用分配器性能評價的仿真研究

1)模擬對象

為了定量評價分配器的流量分配性能，本文建立了物理模型并進行仿真計算，計算兩相流體在分流后各流路液相的質(zhì)量流量，從而根據(jù)公式(1)計算出分配不均勻度。

本文中研究最常見的4分路的流量分配。對4分路分配器的模擬選取的計算區(qū)域為分配器流體流經(jīng)的內(nèi)部流道區(qū)域，對其進行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖 5 計算區(qū)域網(wǎng)格Fig.5 Mesh in calculating zone

2)模型選擇和邊界條件

選擇Fluent軟件進行CFD計算，對于存在相分離的二相制冷劑下的分配器，不能忽略其相間曳力、表面升力和虛擬質(zhì)量力等的影響，因此歐拉模型更適用于實際情況的兩相流模擬[12]。

氣液兩相流的歐拉模型選用速度入口的邊界條件作為輸入，需要得到分配器入口氣液相流速。通過空泡系數(shù)進行氣液相流速的折算，如式(2)和式(3)所示。

氣相折算速度：

(2)

液相折算速度：

(3)

式中：m為總質(zhì)量流量，kg/s；x為干度；A為管道截面積，m2；ρg為氣相制冷劑密度，kg/m3；ρl為液相制冷劑密度，kg/m3；α為空泡系數(shù)。

其中空泡系數(shù)由Cioncolini A等[13]總結(jié)出適用于相分離流動模型計算公式得出：

(4)

式中的無量綱數(shù)h和n的經(jīng)驗關(guān)系式為：

h=-2.129+3.129(ρgρl-1)-0.2186

(5)

n=0.3487+0.6513(ρgρl-1)0.5150

(6)

同時，應(yīng)用k-ε湍流模型，各常數(shù)的取值如表1所示。

表1 k-ε湍流模型的各常數(shù)取值

以R410A為工質(zhì)，計算各分配器豎直安裝時在額定制冷工況和額定制熱工況下的分配性能，表2所示為兩種工況的標準測試條件。

由于空調(diào)分配器在實際安裝時最常見的是下進上出的豎直形式，因此物理模型也選用豎直位置進行研究。

通過式(2)～式(6)計算出空泡系數(shù)和氣液相折算速度，并將這些分相流動模型的主要參數(shù)作為邊界條件輸入進行仿真計算，得到各分路分配的液相質(zhì)量流量，然后根據(jù)公式(1)計算流量分配不均勻度。其中，由于流量分配后的流路數(shù)為4路，mave=m/4。

表2 額定制冷和額定制熱的測試條件

3)仿真結(jié)果及分析

如圖6所示為額定制冷和額定制熱工況下仿真計算后各型分配器流量分配的不均勻度。

圖6 仿真計算下的分流不均勻性Fig.6 Distribution non-uniformity of simulation

從圖中可以看出額定制冷和額定制熱工況下插孔式分配器的分配效果最佳，流量分配不均勻度分別為5.4%和5.8%，圓錐式次之，反射式分配器的分配效果最差。

2.4 常用分配器性能評價的實驗研究

1) 實驗?zāi)康?/p>

實驗?zāi)康臑闄z驗上述用于計算流量分配不均勻度的仿真模型是否正確。通過該結(jié)果和仿真模型結(jié)果的比較，驗證前面仿真模型的正確性，并為不同分配器型式下的分流性能評價提供依據(jù)。

實驗同樣以上述三種常用的四分路分配器為對象，測量各流路液相分配的質(zhì)量流量，進而根據(jù)公式(1)計算出分配不均勻度。

2) 實驗原理

由于實際過程中流經(jīng)分配器的為氣液兩相流，本實驗也需要采用兩相流體，測量流過分配器后在各分路的液相質(zhì)量流量分配情況，將所計算出的流量分配不均勻度與仿真計算結(jié)果比較，檢驗仿真模型的正確性。

可選擇的兩相流體有三種：兩相制冷劑、空氣-水、氮氣-水。兩相制冷劑工質(zhì)氣液相狀態(tài)難以控制，變化范圍較窄，運行范圍難以達到特定的工況， 因而易造成較大的波動誤差。相反，氮氣-水和空氣-水兩相流體的性質(zhì)穩(wěn)定，容易達到特定工況，與氮氣-水，空氣-水的氣液相密度相比，更接近兩相制冷劑工質(zhì)，其模擬制冷劑下的流量分配準確性更高。

實驗保持空氣體積流量與制冷劑氣相體積流量相同，水體積流量與制冷劑液相體積流量相同，并保持氣相空泡系數(shù)不變，達到模擬制冷劑氣液相流量分配的效果。

3) 實驗裝置

實驗裝置圖如圖7所示，包括水泵、空氣泵、氣體體積流量計、液體體積流量計、混合腔、分配器測試件、氣液分離器、分析天平等部件?？諝夂退杀盟腿?，通過閥門和流量計進行流量控制，然后在混合腔混合均勻進入豎直安裝的分配器，再分配給各個支路。出口位置經(jīng)過氣液分離留下液相的水，分析天平測量得到各分路液相的質(zhì)量流量，通過公式(1)計算分配不均勻度。

1水泵 2空氣泵 3閥門 4液體流量計 5氣體流量計 6混合腔 7管道視鏡 8分配器測試件 9多分閥 10氣液分離器圖 7 實驗裝置圖Fig.7 Principle figure of experimentation

4) 實驗精度分析

該實驗的不確定度主要由測量儀表(流量計和分析天平)引起，流量計和分析天平的不確定度分別為±4%和±1%。由Moffat R J[14]的誤差傳遞方法可知：

(7)

流量計測得的分配器進口質(zhì)量流量的不確定度即為各分路液相質(zhì)量流量之和的平均值誤差，即δmave/mave=4%，分析天平測量的不確定度即為各分路出口液相質(zhì)量流量誤差，即δmi/mi=1%。因此，本實驗測得的分配不均勻度S的精度為95%。

5) 實驗結(jié)果和分析

經(jīng)過多次重復(fù)性實驗，得到插孔式、圓錐式、反射式分配器在額定制冷和額定制熱工況下的不均勻度，如圖8所示。

圖8 空氣-水實驗下分流不均勻性Fig.8 Distribution non-uniformity of air-water experiment

對比三種分配器，插孔式分配器的分配效果最佳，其流量分配不均勻度在額定制冷和額定制熱時分別為4.9%和5.9%， 圓錐式和反射式分配器的分配效果次之。由實測可知，相同工況下，插孔式分配器進出口壓降小于其他分配器， 由此帶來了分配均勻性的提升。

實驗結(jié)果與仿真計算得出的分配器流量分配不均勻度結(jié)果吻合，各型分配器模擬計算結(jié)果與實驗的偏差都在15%以內(nèi)，流量分配的仿真模型預(yù)測精度滿足要求。由仿真和實驗結(jié)果可知，三種常用分配器結(jié)構(gòu)型式中，插孔式分配器的流量分配最均勻，分配效果最好。

3 分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

基于仿真和實驗驗證結(jié)果，插孔式分配器具有最優(yōu)的分配性能，應(yīng)當在插孔式分配器基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。

經(jīng)過分析，影響分配器分配均勻性的結(jié)構(gòu)因素有兩種：

1) 分配器的流道，包括工質(zhì)流經(jīng)的從進口管到出口管的全部區(qū)域。一方面，流道越平滑，流體受到的流阻越小，分配性能越好；另一方面，進口管和出口管的位置也會影響分配性能。

對插孔式分配器的原型而言，其流道全部貫通，過渡較為平滑，進出口管豎直放置，且均未插入混合腔。翁曉敏等[15]對插孔式分配器的進出口管位置對流量分配性能的影響進行了理論分析，結(jié)果表明進出口管插入混合腔一定深度，出口管外傾一定角度都有利于分配均勻。

2) 分配器的混合腔?；旌锨唤孛娣e大小要適中，若截面積過大，流體的流速會變慢，流型達不到理想的霧狀流；若截面積過小，流體受到的壓降變大，也會影響分配效果。

這里研究插孔式分配器混合腔的截面積對分配性能的影響。選取截面直徑D=15 mm、20 mm、23 mm、25 mm、30 mm五組對照組，進行仿真研究，其中插孔式分配器原型的混合腔截面直徑為23 mm。各對照組經(jīng)仿真計算后流量分配的不均勻度如圖9所示。

圖9 插孔式不同混合腔截面直徑下的分流不均勻度Fig.9 Distribution non-uniformity of jack-type distributor with different diameters of chamber

從圖9可知，D=23 mm時，分流不均勻度最小。所以混合腔的截面直徑為23 mm，即保持原型截面積不變?yōu)樽罾硐氲慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)。

綜上所述，有利于進一步改進流量分配性能的優(yōu)化方法為：保持混合腔截面積不變，將進出口管插入混合腔一定深度，出口管向外傾斜一定角度。

3.2 優(yōu)化設(shè)計實例

本文基于以上優(yōu)化方向，對插孔式分配器原型進行具體的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計因素有以下三項：(a)出口管插入深度A，(b)進口管插入深度B，(c)出口管相對豎直方向外傾斜角度γ。各項因素對應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化如圖10所示。

圖10 插孔式分配器內(nèi)部優(yōu)化因素Fig.10 Internal optimization parameter of jack-type

首先分別單獨針對三個參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。選定出口管插入深度A=3、5、8 mm為方案1、2、3，選定進口管插入深度B=3、5、8 mm為方案4、5、6，選定出口管相對豎直方向外傾斜角度γ=20°、30°、40°為方案7、8、9。各方案在仿真計算后的流量分配不均勻度對比如圖11所示。

圖11 插孔式改進方案的分配不均勻度Fig.11 Distribution uniformity of jack-type improvement

結(jié)果表明：

1) 對出口管插入深度A，方案2：A=5 mm具有最好的分配效果。

2) 對進口管插入深度B，方案5：B=5 mm具有最好的分配效果。

3) 對出口管相對豎直方向外傾斜角度γ，方案8：γ=30°具有最好的分配效果。

下面基于單獨對三種參數(shù)進行研究后選擇出來的最佳參數(shù)，再針對三種參數(shù)的兩兩組合形式和全部組合形式進行研究。其中，方案10為“進出口管均插入混合腔5 mm”，方案11為“出口管插入混合腔5 mm且相對豎直方向向外傾斜30°”，方案12為“進口管插入混合腔5 mm且出口管相對豎直方向向外傾斜30°”，方案13為“進出口管均插入混合腔5 mm且出口管相對豎直方向向外傾斜30°”。圖12列出了方案1到方案13在仿真計算后的流量分配不均勻度結(jié)果。

圖12 插孔式所有改進方案的分配不均勻度Fig.12 Distribution uniformity of jack-type improvement

結(jié)果表明，三種參數(shù)兩兩組合和全部組合的方案的分配不均勻度進一步減小。其中，方案13的分配不均勻性最小，分配效果最好。

3.3 優(yōu)化實例的應(yīng)用效果

將插孔式分配器原型和計算得出的分配性能最優(yōu)的方案13加工成樣件，在焓差室進行空調(diào)整機實驗，實驗的目的是通過比較這兩種樣件對空調(diào)系統(tǒng)能效的影響，展示上面優(yōu)化設(shè)計實例的效果，從而證明該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的正確性。

圖13 整機實驗測試段示意圖Fig.13 The figure of test module

將樣件安裝在空調(diào)整機實驗系統(tǒng)的室內(nèi)機上游作為測試段，實驗原理圖和測試段示意圖如圖13所示。采用空氣焓值法進行實驗[16]，在測試段部分設(shè)置了660 m3/h和1050 m3/h兩種風(fēng)量(由風(fēng)洞靜壓控制，在標準制冷工況下，-4.9 Pa對應(yīng)風(fēng)量660 m3/h，-9.4 Pa對應(yīng)風(fēng)量1050 m3/h)，通過檢測測試段蒸發(fā)器送風(fēng)口和回風(fēng)口的空氣干濕球溫度，求得空氣的相對濕度，進而得到其熱力狀態(tài)和送、回風(fēng)空氣焓差。測得流經(jīng)蒸發(fā)器的風(fēng)量后，可得到室內(nèi)機的換熱量。

實驗過程中為了保持系統(tǒng)一致性，只更換分配器，冷媒量、毛細管保持不變。測試的樣件有如下兩種：

1) 樣件一：原插孔式分配器，如圖14(a)所示。

2) 樣件二：在原型基礎(chǔ)上進出口管插入5 mm并相對豎直方向向外傾斜30°，如圖14(b)所示。

圖14 插孔式分配器優(yōu)化組合方案Fig.14 Optimal combination of jack-type distributor

實驗對豎直安裝條件下分配器樣件在大風(fēng)量和小風(fēng)量兩種工況下分配性能進行了研究。

圖15 樣件一和樣件二在不同風(fēng)量下的換熱能力比較Fig.15 Comparison of heat exchange capacity of test module one and test module two in different air flow rate

由圖15可知，無論在小風(fēng)量還是在大風(fēng)量下，樣件二(改進型)的換熱量均最大。其中，小風(fēng)量下樣件二相比樣件一(原型)的換熱量提高了2.2%，大風(fēng)量下樣件二相比樣件一的換熱量提高了2.7%。在整機系統(tǒng)功耗相同的情況下，COP分別提高了2.2%和2.7%。

整機實驗得出的結(jié)果表明，相比于原型，在空調(diào)系統(tǒng)上使用本文優(yōu)化方法設(shè)計的分配器可以有效提高能效。

4 結(jié)論

本文首先對幾種常見類型小管徑空調(diào)分配器的分流性能進行評價，然后根據(jù)評價結(jié)果，針對分配性能好的分配器型式提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案，并對優(yōu)化模型進行實驗驗證。研究表明：

1) 在常見的分配器類型中，插孔式分配器下的流量分配效果最好。

2) 保持混合腔截面積不變，調(diào)整進出口管插入混合腔深度和出口管向外傾斜角度，可以作為進一步改進流量分配性能的優(yōu)化方法，根據(jù)此優(yōu)化方法設(shè)計的分配器可以使流量分配更均勻，從而有效提高系統(tǒng)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

簡介

丁國良，男，教授，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，(021) 34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調(diào)裝置的仿真、優(yōu)化與新工質(zhì)應(yīng)用。