反射式分流器的分流性能研究及結(jié)構(gòu)改進

翁曉敏，高晶丹，胡海濤，丁國良，高屹峰，宋吉

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

0 引言

房間空調(diào)器的換熱器采用小管徑銅管（管徑小于等于5 mm）時，可以有效降低制冷劑充注量[1]，確保環(huán)保、可燃自然工質(zhì)（如R290）的安全使用[2]。如果小管徑換熱器直接用于房間空調(diào)器，會造成制冷劑壓降明顯增加，導致?lián)Q熱器性能惡化。為了保證小管徑換熱器具有良好的性能，需要增加制冷劑流路數(shù)。制冷劑流路數(shù)的增加，需要采用分流器對制冷劑流量進行分配。

分流器是連接在空調(diào)器毛細管后的一種裝置，其入口處焊有毛細管，使其與空調(diào)器中的蒸發(fā)器相連。其目的是使制冷劑通過分流器后，可均勻分配給蒸發(fā)器的每個流程，實現(xiàn)向蒸發(fā)器均勻、等量的供液[3]。分流器的分流性能直接影響了進入蒸發(fā)器每個流程的制冷劑流量[4]。若分流器的分流性能較差，將導致蒸發(fā)器中的一些流程制冷劑流量較小，造成該流程換熱器面積不能得到充分利用，使得該流程嚴重過熱；與此相反，另一些流程的制冷劑流量則會偏大，造成該流程的換熱面積不夠，使得制冷劑蒸發(fā)不充分，不能能保證出口的過熱度及制冷劑壓降[5]。因此，分流器的分流性能對空調(diào)系統(tǒng)的性能有很重要影響。具有優(yōu)良分流性能的分流器，可使蒸發(fā)器具有最佳換熱性能，從而提高空調(diào)器的整體性能。

反射式分流器由于反射腔的存在，使氣液兩相流體能夠充分混合，因而具有更好的分流性能。但是到目前為止，還沒有關(guān)于反射式分流器特性的研究報道。

本文通過實驗測量反射式分流器各出口的液體流量，得到兩相流體流量、安裝角度對其分流性能的影響。驗證了反射式分流器具有良好的分流特性，并結(jié)合理論分析和實驗結(jié)果，通過CFD模擬，對反射式分流器的結(jié)構(gòu)進行了改進，并對改進后的分流器進行實驗，與原分流器的性能進行對比。

1 實驗原理及工況

1.1 實驗系統(tǒng)及工作原理

實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。實驗臺為開式系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)氣液兩相流型、分流器結(jié)構(gòu)及安裝角度。實驗采用空氣/水混合物做為兩相流體，通過測量各分流液體的流量來評價分流器的性能。實驗對象為四分路反射式分流器，其結(jié)構(gòu)裝配和尺寸如圖2所示。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

圖2 反射式分流器示意圖

實驗流程如下：空氣和水分別由泵送入系統(tǒng)，經(jīng)混合室混合后送入分流器中，并被分配至各分流路；空氣經(jīng)氣液分離器離開，水留在氣液分離器中?？諝夂退牧髁坑尚龜Q閥控制，并由體積流量計測量。分流器進口處的空氣/水混合物的流型通過流型觀察窗觀測，各分路流型由分路中的可視段觀測。實驗中，通過測量氣液分離器中水的質(zhì)量來評價分流器性能。

實驗導出的主要參數(shù)是流量，流量導出誤差受到流量計及分析天平精度的影響。實驗中流量計的精度為±4%、分析天平的精度為0.1 g。

1.2 實驗工況

在實際安裝過程中，分流器受到換熱器空間的限制，通常不能垂直安裝，而是具有一定的傾斜度（如圖3所示）。因此實驗選取安裝角度包括0°、10°、15°、30°、60°、90°。

圖3 安裝角度示意圖

實驗過程中，采用空氣/水來模擬制冷劑在分流器中的流動。測試工況根據(jù)制冷劑實際運行工況來確定。本文中空氣/水流量的確定，以R290空調(diào)器的 26機型在額定制冷工況[6]（室內(nèi)溫度 27℃，室外溫度35℃，蒸發(fā)溫度取10℃）、額定制熱工況[7]（室內(nèi)溫度20℃，室外溫度7℃，蒸發(fā)溫度取2℃）下的R290流量為依據(jù)，通過空氣流速與R290氣相流速相等、水流速與R290液相流速相等、且空泡系數(shù)保持不變，最終得到空氣/水的流量，分別為8.7 L·min-1/0.73 L·min-1，8.7 L·min-1/0.93 L·min-1，13.1 L·min-1/1.1 L·min-1，13.1 L·min-1/1.4 L·min-1。

2 實驗結(jié)果及分析

本文采用總流量偏差率為不均勻度，來評價分流器分流性能。不均勻度計算公式如式(1)所示。

2.1 兩相流體流量對分流效果的影響

反射式分流器在不同的兩相流體流量下，不均勻度的趨勢如圖4所示。圖4(a)的曲線可以看出，對于不同的安裝角度，空氣/水流量13.1 L·min-1/1.1 L·min-1時的不均勻度小于空氣/水流量 8.7 L·min-1/0.73 L·min-1的不均勻度；由圖 4(b)可知：在不同的安裝角度下，空氣/水流量13.1 L·min-1/1.4 L·min-1時的不均勻度小于空氣/水流量 8.7 L·min-1/0.93 L·min-1的不均勻度。

反射式分流器在大流量時的不均勻度小，具有更好的分流性能，因此反射式分流器適用于大流量的空調(diào)器。

圖4 兩相流體流量對反射式分流器性能的影響

2.2 安裝角度對分流效果的影響

安裝角度對各分路反射式分流器在不同流量下的不均勻度曲線如圖5所示。

圖5 安裝角度對4分路反射式分流器性能的影響

由圖5可得出如下結(jié)論：

1) 反射式分流器的分流性能受安裝角度的影響小，這主要是因為反射式分流器的反射腔，使氣液兩相流體二次混合，從而使分流更加均勻。

2) 反射式分流器在垂直安裝時性能良好。隨著安裝角度的增大，反射式分流器的性能會隨著傾斜角度的增加而惡化，當角度在 60°～90°時，分流性能又隨著傾斜角度的增大而改善，這是由于反射腔的存在，使反射的氣液兩相的流體克服了由于大角度傾斜安裝而受到的重力的作用，使反射式分流器在大角度下也具有良好的分流性能。

3) 在實際應(yīng)用上，分流器受到安裝空間的限制，不可能采取大角度傾斜安裝。因此保證在一定傾斜角度（0°～30°）安裝時具有良好的分流性能是至關(guān)重要的，這也是改進的一個方向。

3 反射式分流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證

結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路，是根據(jù)上節(jié)中的實驗結(jié)果，分析可能的改進方案，并通過 CFD分析改進方案的效果；得出優(yōu)化的結(jié)構(gòu)后，通過實驗進行驗證。

根據(jù)上節(jié)中的實驗結(jié)果分析可知，反射式分流器的特性為：1）反射式分流器在安裝角度為0°～15°內(nèi)，受安裝角度的影響小；2）反射式分流器在大流量時的分流性能好。

在實際安裝中，由于空間的限制，反射式分流器的安裝角度可能會大于 15°，此時分流器的性能會惡化。因此，反射式分流器的結(jié)構(gòu)改進，可以保證其在較大安裝角度（安裝角度大于 15°）下也具有優(yōu)良的性能。

利用Fluent軟件，采用Euler兩相流模型和k-ε湍流模型，模擬原反射式分流器和兩種改進后的反射式分流器在安裝角度為30°下的分流情況。k-ε模型的各常數(shù)取值如表1所示。以R290空調(diào)器的26機型為依據(jù)，在蒸發(fā)器入口典型工況（蒸發(fā)溫度10℃，干度 0.2）下，分流器邊界條件設(shè)置為：在分流器入口處，氣相入口速度17.82 m/s，液相入口速度 8.58 m/s，液相空泡份額 0.1819，水利直徑3.56 mm，湍流強度10%；分流器壁面為絕熱。

表1 k-ε模型中的各常數(shù)取值

基于本文的實驗研究結(jié)果，確定可優(yōu)化的參數(shù)包括反射腔深度、插入混合腔的銅管長度和直徑、反射腔夾角、混合腔端面與垂直線的夾角。因此本文確定如下七種改進方案進行分析：

1) 方案一：反射腔深度變?yōu)? mm；

2) 方案二：反射腔的深度變?yōu)? mm；

3) 方案三：插入混合腔的銅管長度變?yōu)? mm；

4) 方案四：插入混合腔銅管長度變?yōu)?.7 mm;

5) 方案五：插入混合腔銅管直徑變?yōu)? mm;

6) 方案六：反射腔夾角變?yōu)?00°；

7) 方案七：混合腔端面與垂直線夾角變?yōu)?5°。

改進方案中的改進參數(shù)示意圖如圖6所示。通過 CFD對上述可能的改進方案進行分析，得出各改進方案分流器的出口液相流量的不均勻程度（如表 2所示）。對比分析可知，方案四的分流性能最好。因此建議采用方案四，即將插入混合腔銅管加長至3.7 mm，如圖7所示。

圖6 反射式分流器改進方案示意圖

表2 反射式分流器在安裝角度為0°、15°和90°的模擬結(jié)果

圖7 改進的反射式分流器截面示意圖（單位：mm）

通過實驗對改進的方案進行效果驗證，得到改進后的反射式分流器在不同工況下的分流效果。為除去樣件加工的誤差，用不同安裝角度時的不均勻度與垂直安裝時的不均勻度的比值來分析安裝角度對分流器性能的影響。改進后的分流器和原分流器性能對比如圖8所示。

由圖8可知：原反射式分流器安裝角為0°～15°時，分流效果受安裝角度影響??；安裝角為15°～90°時，分流效果先變差后變好；改進的4分路反射式分流器在 0°～30°時，分流效果變好；安裝角為30°～90°時，隨著角度增加，分流效果變差?？傮w上講，改進后的分流器受角度的影響小，傾斜安裝時也具有良好的分流性能。因此改進的結(jié)構(gòu)是可取的。

圖8 改進反射式分流器的分流性能與安裝角度的關(guān)系

4 總結(jié)

本文通過實驗，研究了反射式分流器的性能，并在此基礎(chǔ)上進行了結(jié)構(gòu)改進；對改進結(jié)構(gòu)進行實驗驗證，并對比改進前后分流器的性能。得到以下結(jié)論：

1) 原反射式分流器在安裝角度為 0°～15°時，分流性能受安裝角度的影響小，在安裝角度為15°～30°時，分流性能惡化；

2) 原反射式分流器在大流量下的分流性能比在低流量下的分流性能好，因此原分流器更適用于大流量的空調(diào)器；

3) 加長反射式分流器插入混合腔的銅管的長度，可使分流器在各個安裝角度下的分流都比較均勻，分流性能受安裝角度的影響小；與原分流器相比，在較大安裝角度 (15°～30°) 下，仍具有優(yōu)良性能。

[1] WU W, DING G L, ZHENG Y X, et al. Principle of designing fin-and-tube heat exchanger with smaller tube for air conditioner[C]// 14thInternational Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, July 16-19,2012, West Lafayette, Indiana, USA.

[2] DING G L, REN T, WU W, et al. Developing low charge R290 room air conditioner by using smaller diameter copper tubes[C]// 10thIIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants, 2012, Delft, The Netherlands.

[3] 李澤芳, 蘇慶勇. 單元式空調(diào)機節(jié)流毛細管分液頭的改進與實驗[J]. 裝備制造技術(shù), 2008(3): 18-19.

[4] 董續(xù)君, 黃輝, 張?zhí)? 等. 空調(diào)器中制冷分流器及其組件的性能研究[C]// 制冷空調(diào)新技術(shù)進展——第三屆制冷空調(diào)新技術(shù)研討會論文集, 2005.

[5] 周翔, 黃東, 董玉軍, 等. 風量及制冷劑流量對翅片管式蒸發(fā)器性能的影響[J]. 制冷與空調(diào), 2004, 4(6): 66-68.

[6] GB/T 7725-2004. 房間空氣調(diào)節(jié)器[S].

[7] 高晶丹, 丁國良, 陳國勝, 等. 插孔式分流器分流性能的實驗研究[J]. 制冷技術(shù), 2013, 33(2): 6-9.