空調用不同類型壓降式分配器分流均勻性的實驗對比

劉 璐 詹飛龍 丁國良 孟建軍 石麗華 王慶杰

（1 上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240；2 青島海信日立空調系統有限公司 青島 266400）

空調器通常采用多流路蒸發器來提高運行能效[1-2]，為使節流后的氣液兩相制冷劑能夠等量、均勻地分配至蒸發器各流路中，需在蒸發器前引入分配器[3-5]。分配器的分流性能直接影響進入蒸發器中每個流程的制冷劑流量，進而影響空調器能效[6]。若分配器在實際使用過程中各出口管兩相制冷劑質量流量分流不均勻，蒸發器的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[7-8]；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，不能保證出口的過熱度及制冷劑壓降，空調器性能下降[9-10]。為保證空調器的運行能效，必須提高分配器的分流均勻性。

現有的分配器按照兩相制冷劑的分流原理可分為壓降式分配器和非壓降式分配器兩大類。壓降式分配器的基本原理是通過對兩相制冷劑進行降壓提速使氣液兩相制冷劑充分混合，以達到均勻分配的效果[11-12]；基本結構特點是分配腔尺寸較小，適用于對安裝空間有限制要求的家用空調器。非壓降式分配器是通過引導氣液兩相制冷劑在較長的流程內依靠離心力或重力作用發生氣液相分離，從而實現液相制冷劑的均勻分配[13-14]；該類型分配器的尺寸通常較大，一般應用于大型化工領域，并不適合在空調器中使用。

空調行業內使用的壓降式分配器，根據其加速制冷劑流動的方式，可分為多種結構類型的壓降式分配器。為了能夠給空調器用分配器的設計和選型提供理論指導，有必要對這些類型分配器的分流特性進行對比和分析，篩選出分流均勻性較好的一種分配器類型。早期的壓降式分配器類型主要分為插孔式分配器、圓錐式分配器和反射式分配器，并對這3種分配器的分流均勻性進行了測試[15-16]。結果表明，反射式分配器在不同安裝角度和不同入口質量流量條件下的分流均勻性普遍優于插孔式分配器和圓錐式分配器。

除反射式分配器外，近年來空調行業還開發了射流環分配器、文丘里式分配器和帶過濾網分配器[17-19]等其他類型的壓降式分配器。但這些類型的分配器相較于反射式分配器對分流均勻性提升效果，目前還沒有相關的研究報道。

本文的目的是實驗對比反射式分配器、射流環分配器、文丘里式分配器和帶過濾網分配器這4種類型壓降式分配器的分流均勻性，篩選出在覆蓋空調器常見運行工況和分配器安裝角度條件下均具有較好分流均勻性的一種分配器類型。

1 分配器實驗樣件的制作

空調器中常見的壓降式分配器類型包括反射式分配器、射流環分配器、文丘里式分配器和帶過濾網分配器4種，如表1所示。

為觀察分配器內部的流型變化特點，采用透明聚酯纖維材料對繪制的測試樣件進行3D打印，透明測試樣件如表1所示。

反射式分配器入口管處為階梯型漸縮形式，空間較大的分配腔與入口管相連接。制冷劑從進口管流入后，首先進入空間較大的分配腔內，分配腔的通流面積遠大于進口管；分配腔后端存在一個反射錐結構，制冷劑沖擊到反射錐時發生反彈，使氣液兩相制冷劑在分配腔內得到一定程度的攪混，再從各出口管流出。反射式分配器采用兩段式焊接方式進行組裝，加工難度較低。

射流環分配器是圓錐式分配器的改進形式。相比于圓錐式分配器，射流環分配器在分配腔內增加射流環，射流環的通流面積小于入口管，制冷劑從射流環流出時，將會得到加速作用。由于射流環可以單獨加工后嵌入到分配器內，加工難度較低。

表1 分配器樣件的制作Tab.1 Production of distributor samples

文丘里式分配器分配腔空間較小，分配腔的結構型線為文丘里式型線，屬于平滑過渡的型線；兩相制冷劑流經文丘里式型線時的流速會提高。但文丘里式型線對于刀具加工的難度要求大。

帶過濾網分配器在入口段設置有過濾網，同時在過濾網下游的分配腔的形狀為收縮型。兩相制冷劑首先流經過濾網進行流型重整，然后在收縮型的分配腔內得到提速。但是帶濾網分配器屬于三段式拼裝，結構復雜，加工難度大。

2 分流均勻性的測試方法

2.1 實驗原理

本文設計的分配器分流均勻性檢測原理：通過實時監控分配器出口各分路制冷劑的體積流量來計算分流不均勻度。測量各出口的制冷劑體積流量的方式為：從分配器中流出的兩相制冷劑首先經制冷模塊冷卻后得到純液相制冷劑，然后純液相制冷劑通過各流路連接的體積流量計測得各出口的體積流量，再計算得到各出口體積流量相對于平均出口流量的偏差，最終計算分流不均勻度。圖1所示為分流均勻性測試裝置原理。

1變頻制冷劑泵；2視鏡；3過冷板換；4主流量計；5預熱段;6截止閥；7充注口；8測試樣件；9冷凝套管；10支路流量計;11儲液罐；12過濾器；13水泵；14針閥；15水箱；16冷水機組。圖1 分流均勻性檢測原理Fig.1 Experiment principle of distribution uniformity

分流均勻性測試裝置采用泵驅動實現制冷劑的封閉回路循環。制冷劑由儲液罐底部的變頻制冷劑泵抽出，經視鏡進入過冷板換并進行過冷，同時通過主流量計測量得到總體積流量；然后制冷劑進入預熱段調節至預定干度后，經截止閥進入測試樣件；分流后的各路兩相制冷劑采用冷凝套管進行過冷，并采用支路流量計分別測量各路過冷制冷劑的體積流量；最后各分路制冷劑匯合后返回儲液罐。

上述的過冷板換、冷凝套管的冷水由水箱和冷水機組提供，冷水的驅動與流量測量分別依靠水泵和體積流量計，冷水流量由針閥進行調節。

2.2 實驗工況

對分配器的分流均勻性進行測試的實驗工況需涵蓋空調器的常見運行工況范圍。以典型的采用R410A作為工質的多聯機空調為例，空調器實際運行過程中的制冷劑質量流量范圍在40～155 kg/h之間，對應的分配器入口兩相制冷劑干度一般為0.15～0.22；受安裝空間限制，空調器的安裝角度與豎直方向的偏斜角度在0°～90°之間變化。因此，本文選取3種典型的制冷劑質量流量及其對應的干度工況，且每個工況下的安裝角度選擇6個，分別與豎直方向偏0°、15°、30°、45°、60°和90°，安裝角度示意圖如圖2所示。

圖2 分配器安裝角度Fig.2 Installation angle of distributor

本文選取R141b作為實驗工質，原因是其工作壓力比 R410A合適。25 ℃工況下，R141b的飽和壓力為0.08 MPa，R410A為1.6 MPa，高達R141b的20倍。整個實驗溫度范圍內，R141b的壓力均較為接近一個大氣壓，適應透明分配器的低耐壓特性；而R410A則超過透明分配器的耐壓強度。采用R141b作為實驗工質時，需將R410A的質量流量范圍按照干度不變的原則轉化為R141b的體積流量范圍，轉化后的測試工況如表2所示。

表2 采用R141b進行實驗的測試工況Tab.2 Experimental conditions for R141b

2.3 分流均勻性的評價方式

分配器入口處的制冷劑體積流量、制冷劑干度及安裝角度均為分配器分流均勻性的影響因素。研究分配器的分流均勻性，本質上是研究各出口支路制冷劑的體積流量的不均勻度，即各出口支路制冷劑體積流量與所有出口支路的體積流量平均值之間的偏差。各出口支路的制冷劑體積流量越接近一致，分流均勻性越好。

采用分流不均勻度ε來表征分流均勻性，分流不均勻度越小則表示分流均勻性越好。ε的計算如式（1）所示：

（1）

3 實驗數據處理

3.1 入口干度的計算方法

制冷劑干度：

（2）

式中：x為制冷劑干度；P為預熱段的加熱功率，W；V為進入預熱段的制冷劑的總體積流量，L/h；hG、hL分別為預熱段入口處制冷劑飽和蒸氣、飽和液體的比焓，J/kg。

3.2 測量誤差

本實驗參數包括直接測量參數和間接計算參數，直接測量參數的誤差可通過實驗儀器精度得到；間接計算參數為分流不均勻度，可通過R. J. Moffat[20]方法計算得到，如表3所示。

表3 儀器測量精度及計算參數誤差分析Tab.3 Uncertainties of direct measurements and experimental parameters

4 實驗結果

4.1 兩相制冷劑分流過程分析

分配器的分流性能與其內部的流動特性有關，以流量32 L/h、安裝角度0°的工況為例，分析反射式分配器、射流環分配器、文丘里分配器和帶過濾網分配器的流動特點，如表4所示。

反射式分配器內的流動特點可總結為：1）制冷劑從進口管進入流道突擴的分配腔時，制冷劑核心氣柱直接沖向反射錐并發生反彈，氣柱四周的制冷劑則沖向出口管；2）由于分配腔的通流面積遠大于進口管，制冷劑進入到分配腔時的流速顯著下降，此時分流均勻性更易受到重力的影響。

表4 分配器的可視化流動過程圖Tab.4 Visualize flow process of distributors

射流環分配器內的流動特點可總結為：1）兩相制冷劑通過射流環后，會在射流環末端形成渦區，且上方的渦區更明顯，說明在重力作用下氣相更易在上方聚集、液相更易在下方聚集；2）兩相制冷劑在射流環內達到最大速度，而在靠近分液錐的位置處的制冷劑速度會降低并進入各出口管。

文丘里式分配器內的流動特點可總結為：1）制冷劑從進口管進入文丘里式分配腔時，首先在收縮段中得到加速，再經過平滑擴張段，對兩相制冷劑的流型破壞作用小；2）文丘里型線分配腔有利于引導對稱流型的制冷劑流向各個出口管；3）反射錐可將中心帶的制冷劑進行反彈并攪混。

帶過濾網的分配器內的流動特點可總結為：1）制冷劑從進口管進入分配腔時，首先會通過進口段的過濾網，起到一定的流型重整作用；2）再進入漸縮型分配腔時，制冷劑流速提升，氣液兩相混合程度進一步得到提升，形成均勻分布的霧狀流。

圖3 分流不均勻度隨制冷劑流量的變化Fig.3 Variation rule of distribution unevenness with refrigerant flow rate

4.2 制冷劑流量對分配器性能的影響

為定量分析制冷劑流量對各種分配器分流性能的影響規律，實驗測試了反射式分配器、射流環分配器、文丘里分配器和帶過濾網分配器在制冷劑體積流量分別為32、64、125 L/h時的分流不均勻度，且每個流量下的分配器安裝角度包括0°、15°、30°、45°、60°和90°，如圖3所示。

分配器豎直安裝時，反射式分配器和射流環分配器的分流不均勻度均隨制冷劑體積流量的增加而減小，且在小流量下影響更顯著；文丘里式分配器和帶過濾網分配器不均勻度隨制冷劑流量的增加先減小后增大，相較于反射式分配器和射流環分配器，文丘里式分配器和帶過濾網分配器分配性能受制冷劑流量的影響更小，分配性能更好。

分配器傾斜安裝時，以傾斜15°安裝為例，反射式分配器和射流環分配器的分流不均勻度均隨制冷劑體積流量的增加而減小，且在小流量下影響更顯著；文丘里式分配器和帶過濾網分配器的分流不均勻度與制冷劑體積流量之間無明確對應關系；相較于反射式分配器和射流環分配器，文丘里式分配器和帶過濾網分配器的分配性能受制冷劑流量的影響小，分配性能更優。在分配器傾斜30°、45°、60°安裝時，與分配器傾斜15°安裝的情況類似，反射式分配器和射流環分配器的分流不均勻度均隨制冷劑體積流量的增加而減小，文丘里式分配器和帶過濾網分配器的分流不均勻度與制冷劑體積流量之間無明確對應關系；文丘里式分配器和帶過濾網分配器的分配性能優于反射式分配器和射流環分配器。

分配器在水平安裝時，4種分配器的分流不均勻度均隨制冷劑體積流量的增加而減小。相較于反射式分配器、射流環分配器和文丘里分配器，帶過濾網分配器分配性能受制冷劑流量的影響最小。在不同制冷劑流量下，均為帶過濾網分配器的分配性能最好。

4.3 安裝角度對分配器性能的影響

為定量分析安裝角度對分流均勻性的影響規律，實驗測試了反射式分配器、射流環分配器、文丘里分配器以及帶過濾網分配器在安裝角度分別為0°、15°、30°、45°、60°和90°時的分流不均勻度，實驗結果如圖4所示。

圖4 分流不均勻度隨安裝角度的變化Fig.4 Variation rule of distribution unevenness with installation angle

在制冷劑體積流量為32 L/h時，射流環分配器、文丘里分配器及帶過濾網分配器的分流不均勻度隨安裝角度的增加呈上升趨勢，反射式分配器的分流不均勻度隨安裝角度的增加先增大后減小；帶過濾網分配器的分配性能最好，當安裝角度為15°時，分流不均勻度最小，為0.038。

在制冷劑體積流量為64 L/h時，反射式分配器、文丘里分配器及帶過濾網分配器的分流不均勻度隨安裝角度的增加呈上升趨勢，射流環分配器的分配性能與安裝角度之間無明顯規律；帶過濾網分配器的分配性能最好，當安裝角度為0°時，分流不均勻度最小，為0.028。

在制冷劑體積流量為125 L/h時，安裝角度對4種分配器的分配性能影響較小；文丘里式分配器和帶過濾網分配器的分配性能更優，在不同的安裝角度下，分流不均勻度均小于0.050。

4.4 分配器性能對比

綜上所述，大流量、垂直安裝更有利于分配器分流性能的提升；在4種分配器中，帶過濾網分配器的分配性能最優。

1）反射式分配器依靠反射錐結構反射制冷劑氣液兩相流，使制冷劑在分配腔中充分攪混，提高分流均勻性；反射式分配器的分流不均勻度隨制冷劑體積流量的增加而減小，并隨安裝角度的增加呈上升趨勢，適合大流量垂直安裝。

2）射流環分配器通過入口管內增加的射流環結構來減小流道面積，提高制冷劑流速，制冷劑氣液兩相流更易形成對稱分布的環狀流，從而提高分流均勻性。射流環分配器的分流不均勻度隨制冷劑體積流量的增加而減小，與安裝角度無明顯關系，適合大流量工況。

3）文丘里分配器在入口段設置漸縮漸擴的文丘里型線，制冷劑流速提高，氣液兩相進一步混合，提高分流性能；文丘里分配器的分流不均勻度基本隨制冷劑體積流量的增加而減小，并隨安裝角度的增加呈上升趨勢。在相同的工況條件下，文丘里分配器的性能優于反射式分配器和射流環分配器，適合小傾斜角安裝時的不同流量工況。

4）帶過濾網分配器在腔體內設置過濾網，兩相制冷劑流經過濾網，氣液兩相打散并充分混合，形成均勻分布的霧狀流，分配器分流性能提高。帶過濾網分配器受制冷劑體積流量和安裝角度的影響較小；相較于其他3種分配器，帶過濾網分配器在不同工況下基本可以保持分流不均勻度最小，適合任意安裝角度和不同的流量工況。

5 結論

本文設計并搭建分配器的分流均勻性測試實驗臺，并對現有反射式分配器、射流環分配器、文丘里式分配器和帶過濾網分配器4種壓降式分配器的分流特性進行測試，綜合對比了這些分配器的分流性能。得到結論如下：

1）制冷劑流量和分配器安裝角度是影響分流均勻性的主要因素，選擇合適分配器的關鍵是在空調器常見制冷劑流量范圍和分配器安裝角度范圍內分配器的分流不均勻度需要足夠小；在本文的制冷劑流量范圍32～125 L/h和分配器安裝角度范圍0°～90°的實驗工況下，建議分配器的分流不均勻度小于0.08時可認為分配器的分流均勻性較好。

2）小的制冷劑流量或大的分配器安裝角度會增大分流不均勻度。當制冷劑體積流量為32 L/h或64 L/h、安裝角度為0°～90°時，帶過濾網分配器的分流不均勻度最小，其次為文丘里式分配器、射流環分配器和反射式分配器；當制冷劑體積流量為125 L/h時，文丘里式分配器的分流不均勻度最小，帶過濾網分配器略大于文丘里式分配器，其次為射流環分配器和反射式分配器。

3）帶過濾網分配器在這4種壓降式分配器中的分流均勻性最好，分流不均勻度與反射式分配器、射流環分配器和文丘里式分配器相比，分別降低16.1%～61.9%、-1.0%～61.0%和-1.7%～37.4%。因此帶過濾網分配器適合應用在有較大制冷劑流量范圍或分配器安裝角度范圍要求的空調器中。