提高制冷劑分流均勻性的分配器連接管結構設計

劉 璐 劉艷濤 詹飛龍 丁國良 郜哲明 許學飛

(1 上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240；2 廣東美的制冷設備有限公司 順德 528311)

隨著小管徑技術的發展，制冷空調系統中的蒸發換熱器常采用多流路形式來減小制冷劑流動壓降并提升換熱性能[1-2]。為了使節流后的氣液兩相制冷劑能夠等量、均勻地分配到蒸發器各流路中，需要在蒸發器前引入分配器[3]。受空調器室內機的空間限制，分配器一般為傾斜安裝[4]，兩相制冷劑需從折彎型的連接管進入分配器中，分配器及其連接管的布置方式如圖1所示。

圖1 制冷空調系統中分配器及其連接管的布置方式

分配器在實際使用過程中存在分流不均勻的問題，使空調器性能下降[5-6]。分配器分流不均時，蒸發器部分流路中的制冷劑流量偏小，導致制冷劑過早蒸干并出現嚴重過熱；而另一些流路中的制冷劑流量偏大，導致制冷劑蒸發不充分[7]。為了提高空調系統性能，需要提高分配器的分流均勻性。

除了分配器本體的結構及安裝方式會影響分流均勻性外，分配器連接管的布置形式也會影響分流均勻性[8]。節流后的氣液兩相制冷劑進入到分配器連接管中時，由于氣相和液相流經折彎處時會受到不同大小的離心力作用，氣液兩相會發生分離，使進入到分配器本體的兩相制冷劑流型不對稱[9]。又由于分配器本體為傾斜安裝，入口流型不對稱的兩相制冷劑進入分配器本體時會由于重力影響而使各出口支路制冷劑流量不一致，從而進一步降低分流均勻性[10]。因此，提高分配器的分流均勻性需要從改進分配器本體結構和改進分配器連接管結構兩個方面來進行。

已有的分配器研究主要集中在分配器本體結構對分流均勻性的影響及優化上，缺乏對于分配器連接管的影響及優化的研究。高晶丹等[11-12]對比了插孔式分流器、圓錐式分流器、反射式分流器三種常見分配器的分流性能，發現圓錐式分配器和反射式分配器受安裝角度影響較小。翁曉敏等[13-14]研究了安裝角度對插孔式分流器和反射式分流器的影響，發現安裝角度對反射式分流器影響較小。趙定乾等[15]設計了一種通過構建環狀流實現均勻分配的新型分配器，實驗結果表明新型分配器性能優于目前最常用的圓錐式分配器。Yao Yufang等[16]通過可視化實驗研究了質量流量、干度和安裝角度對圓錐式分配器的影響，結果表明高速流動條件下安裝角度對分配器的性能影響可以忽略。

本文的目的是對分配器連接管的分流均勻性影響因素進行分析并提出新的分配器連接管結構形式，從而提高分配器在空調系統中的分流均勻性。

1 提高分流均勻性的研究思路

1.1 分配器連接管的優化思路

分配器連接管的優化思路如表1所示。制冷空調系統中的分配器連接管通常為只朝著一側方向進行折彎的結構形式，如表1中的原型分配器連接管所示。由于氣相制冷劑和液相制冷劑的密度差異較大，兩相制冷劑從連接管的垂直段進入到傾斜段時，液相受到的離心力顯著大于氣相受到的離心力，使氣液兩相發生分離；液相會被逐漸分離到折彎的外側管壁上，而氣相則會聚集在折彎的內側管壁上，導致進入到分配器本體的兩相制冷劑流型不對稱。

本文提出的分配器連接管結構改進的思路是，將原來的單一方向折彎改變為連續反方向折彎以降低氣液相分離程度。表1所示為一種具體的分配器連接管改進結構的效果圖，將原來的一次折彎更改為三次折彎。采用該折彎方式的理由是，若采用二次折彎，分配器出口管的朝向會發生顯著變化，可能會對分配器出口與換熱器之間的管路布置造成困難；而若采用三次折彎，分配器出口管的朝向基本不發生變化，則不會造成分配器出口與換熱器之間管路布置上的困難。

表1 分配器連接管的優化思路

對于改進的分配器連接管結構設計，兩相制冷劑進入到第一個折彎處時，由于液相所受到的慣性力大于氣相，液相將在折彎處外側聚集，而氣相則在折彎處內側匯合形成氣膜，此時氣液相分離程度較大。分離后的兩相制冷劑進入到第二個折彎朝向相反的折彎處時，液相在慣性力作用下壓迫氣膜，被擠壓出去的氣泡將重新與液相混合，此時折彎內側的氣膜變小。而制冷劑再次進入到第三個折彎朝向相反的折彎處時，液相在慣性力作用下繼續壓迫氣膜，使得折彎內側的氣膜進一步縮小，大量氣泡與液相混合，此時氣液相混合程度得到顯著提升，提高了出口的分流均勻性。

1.2 研究技術路線

分析上述優化思路可知，分配器連接管的折彎形式會對分流均勻性產生顯著影響。為了能夠得到最佳的分配器連接管改進結構，本文研究的技術路線如圖2所示，包括三個步驟。

圖2 設計最佳分配器連接管結構的技術路線

步驟一：分配器連接管中各結構參數對分流均勻性的影響分析。分配器連接管中影響分流均勻性的結構因素包括折彎角度θ(θ0、θ1、θ2、θ3)、折彎半徑R(R0、R1、R2、R3)和管路直徑D(D0、D1)。為了得到優化方案的最佳參數組合，需要分別研究這些結構參數對分流均勻性的影響。

步驟二：確定有利于提高分流均勻性的最佳結構參數組合形式。在上述因素分析的基礎上，綜合考慮空調室內機安裝空間、材料彎曲強度、流動壓降等限制因素，在加工工藝允許的范圍內，確定分配器連接管優化方案的最佳參數組合。

步驟三：分配器連接管優化方案的分流均勻性提升效果分析。仿真分析分配器連接管優化方案的分流均勻性，與原型結構的分流均勻性進行對比，并根據對比結果對方案進行改進。

2 各因素影響分流均勻性的模擬方法

2.1 模擬對象及條件設置

模擬對象選為空調器中常見的分配器及其連接管的結構型式。其中，折彎角度θ0的取值范圍為120°～160°，折彎半徑R0的取值范圍為12～24 mm，管路直徑D0的取值范圍為9～14 mm。

基于Fluent軟件對分配器及其連接管的分流特性進行CFD模擬。模擬計算中采用Euler兩相模型和k-ε湍流模型。其中，分配器連接管入口處定義為速度入口，出口處定義為自由出口。速度入口的形式為均相流入口，干度固定為0.2，相應的空泡系數為0.72。速度和壓力的耦合求解方式采用“PISO”算法，且壓力項采用“PRESTO!”格式進行離散。

模擬過程中的假設條件包括：1)流動不可壓縮；2)忽略傳熱過程，不考慮相變；3)制冷劑氣相和液相物性參數為常數。

模擬中用到的材料選擇為實際空調系統中采用的R32制冷劑，其物性參數如表2所示。

表2 模擬中所用R32制冷劑物性參數

2.2 分流均勻性評價方法

采用分配不均勻度ε評價分配器的分流效果[17]。不均勻度ε的計算式如式(1)所示。ε越小，各出口流路流量差異越小，分流性能越好。

(1)

2.3 網格獨立解分析

對模擬中的網格獨立解進行了分析。對于邊界層網格，取第一層邊界層網格大小為0.001 mm，網格層數為6層，網格生長率為1.2，可充分反映管壁上的流型變化。對于流場網格，依次選取6種不同流場網格大小來計算分配不均勻度。計算結果如圖3所示，當流場網格大小由0.2 mm減小為0.1 mm時，分配不均勻度的變化幅度小于1%，故選取流場網格大小為0.2 mm。

圖3 網格獨立解分析

3 各結構參數的分流均勻性影響

3.1 折彎角度對分流均勻性的影響

圖4所示為在分配器連接管中的折彎半徑R0為8 mm，管路直徑D0分別為9、12、15 mm條件下，不同折彎角度θ0對分配不均勻度的影響。由圖4可知，分配器連接管的折彎角度越大，分配不均勻度越大；折彎角度由70° 增至130° 時，分配不均勻度提高約1.1～12.5倍。

圖4 折彎角度對分配不均勻度的影響

在相同的折彎半徑和管路直徑下，折彎角度越大，兩相制冷劑在折彎處受到的離心力越大；且由于液相受到的離心力大于氣相受到的離心力，使液相更容易在折彎外側聚集，而氣相則在折彎內側聚集，導致分配不均勻度增大。此外，當管路直徑為9 mm或12 mm時，分配不均勻度隨著折彎角度的增大呈單調增大趨勢；而當管路直徑增大為15 mm時，隨著折彎角度的增大，分配不均勻度會逐漸達到一個最大值并保持穩定。

3.2 折彎半徑對分流均勻性的影響

圖5所示為在分配器連接管中的管路直徑D0為9 mm，折彎角度θ0分別為70°、90°、130°條件下，不同折彎半徑R0對分配不均勻度的影響。由圖5可知，分配器連接管的折彎半徑越大，分配不均勻度越大；折彎半徑由4 mm增至20 mm時，分配不均勻度提高約0.3～5.0倍。

圖5 折彎半徑對分配不均勻度的影響

在相同的管路直徑和折彎角度下，折彎半徑越大，折彎段的沿程長度越大，兩相制冷劑在折彎處受離心力作用而發生氣液分離的時間就越長，導致分配不均勻度越大。此外，當折彎角度為較大的90°或130°時，折彎半徑變化對分配不均勻度的影響會更加顯著。這是因為在大折彎角度條件下，隨著折彎半徑增加，兩相制冷劑流經折彎處的沿程長度就越長，導致氣液分離的作用時間越多。

3.3 管路直徑對分流均勻性的影響

圖6所示為在分配器連接管中的折彎半徑R0為8 mm，折彎角度θ0分別為70°、90°和130°條件下，不同管路直徑D0對分配不均勻度的影響。由圖6可知，分配器連接管的管路直徑越大，分配不均勻度越大；管路直徑由9 mm增至15 mm時，分配不均勻度提高約0.2～4.5倍。

圖6 管路直徑對分配不均勻度的影響

在相同的折彎半徑和折彎角度下，管路直徑越大，分配器連接管內的兩相制冷劑流速越小，兩相制冷劑受重力和離心力作用越顯著，使氣液分離現象更顯著，分配不均勻度增加。此外，當折彎角度較小時，分配不均勻度隨著管路直徑的增加而增大；當折彎角度較大時，隨著管路直徑的增大，分配不均勻度會達到一個穩定最大值。

3.4 各因素影響權重的DOE分析

采用DOE分析方法分析上述各因素對分配不均勻度的影響權重。DOE分析方法是通過將收集到的數據應用統計方法整理得到各影響因素的極差，并通過極差判斷各因素的影響程度。某個因素的極差越大，對分配器性能的影響越顯著。DOE分析結果如表3所示。其中，折彎角度的極差最大，為折彎半徑和輸入管組件管徑極差的約10倍，說明折彎角度是最主要的影響因素。因此對于分配器連接管的結構優化設計應首先保證折彎角度較小；若存在多個折彎，則需要保證合理設計折彎角度和折彎半徑，保證流體在流經分配器連接管時受到不同方向的離心力可以相互抵消，分配器入口處形成氣液兩相流型對稱。

表3 分配器連接管中各結構因素的影響權重

對于本文提出的連續三次反向折彎的改進型分配器連接管而言，由于前兩次折彎角相等，可以相互抵消氣液相分離的作用，故第三次折彎的結構將對分流的均勻性起到決定性作用。因此改進的重點是保證第三次折彎處的折彎角度盡可能小。

4 分配器連接管的優化結果

4.1 優化方案設計

通過上述各分配器連接管結構因素對分流均勻性的影響可知，較小的折彎角度、折彎半徑及管路直徑有利于提高分流均勻性。綜合考慮分配器安裝空間、分流均勻性以及壓降的影響，優化結構的具體參數取值為：折彎角度θ1=160°，θ2=160°，θ3=120°；折彎半徑R1=8 mm，R2=12 mm，R3=8 mm；管路直徑D1=9 mm。其中，前兩次折彎對流型的影響可以起到抵消作用；在安裝空間允許的范圍內增大R2至12 mm，可以在一定程度上抵消第三個折彎角對流型的干擾作用；第三個折彎角的θ3取最小值120°，減小制冷劑流經第三個折彎角受到的離心力作用范圍；在安裝空間允許的范圍內增大R2至12 mm，可以在一定程度上抵消第三個折彎角對流型的干擾。

4.2 優化方案的分流均勻性提升效果分析

圖7所示為兩相制冷劑流經原型分配器連接管和改進的分配器連接管時的氣液兩相分布情況，圖中淺色代表氣相，深色代表液相。

原型分配器連接管的流動過程如圖7(a)所示，入口兩相均勻分布的制冷劑流經折彎處時會出現氣液分離現象，液相集中分布在折彎的外側，而氣相聚積在折彎內側；制冷劑經折彎角進入直管段的流動過程中，氣液兩相不能重新混合均勻，分配器出口處氣液分層嚴重，各出口管制冷劑氣液兩相占比差異大，分配不均勻。

圖7 兩相制冷劑在分配器連接管中的流動過程

分配器在折彎角出現氣液分離的原因是液相制冷劑慣性作用大，會在折彎外側聚集，氣相慣性作用小，會在折彎的內側聚集。流經折彎角的制冷劑只經過短短的直管段后即進入分配器，導致上述的流場無法在足夠長的直管段內獲得充分的重新混合，分配器入口氣液分布不均，分配器性能惡化。

改進的分配器連接管的流動過程如圖7(b)所示，入口兩相均勻分布的制冷劑流經第一個折彎處時會出現氣液分離現象，液相集中分布在折彎的外側，而氣相聚積在折彎內側；經過第二個和第三個折彎后，兩相制冷劑受到不同方向的離心力作用，氣相和液相重新混合后進入分配器，相比于原型分配器，分配均勻性提升。

與原型結構相比，優化的分配器經3個折彎段，氣液兩相混合更均勻，經分配器完成分配后，進入各出口管的制冷劑氣液兩相占比的差異顯著減小，分配更均勻。計算得到的原型結構分配不均勻度為0.484，優化結構的分配不均勻度為0.174，降低約64.4%，效果顯著。

4.3 優化方案的加工可行性分析

空調用分配器連接管的材料通常為紫銅管，本身具有良好的拉制、彎曲以及機械變形工藝性能，可采用現有成熟的銅管彎管工藝來實現本文提出的連續折彎型分配器連接管的加工。

分配器連接管進行折彎時，外側管壁因受拉力作用會伸長減薄，外側管壁的壁厚減薄量不應過大。通過對本文提出的連續折彎型分配器連接管進行估算表明，外側管壁受拉力產生的壁厚減薄量低于原始壁厚的17%，滿足JB/T 7659.5—1995《氟利昂制冷裝置用翅片式換熱器》[18]的要求。

5 結論

本文分析了分配器連接管中折彎角度、折彎半徑和管路直徑等結構因素對分流均勻性的影響，并提出了優化的分配器連接管結構來提高分流均勻性，得到如下結論：

1)空調器用分配器連接管為折彎型結構，兩相制冷劑流經折彎管時會由于離心力作用而發生氣液相分離，使進入到分配器本體的兩相制冷劑流型不對稱，導致分流均勻性下降。

2)分配器連接管中的折彎角度是影響分流均勻性的最重要因素，且較小的折彎角度、折彎半徑及管路直徑有利于提高分流均勻性。

3)提出的將原有分配器連接管單一方向折彎改變為連續反方向折彎的結構優化思路可以降低氣液相分離程度，優化后的分配器連接管分流不均勻度降低64.4%，分流均勻性得到顯著改善。