采用環(huán)狀流實現(xiàn)均勻分配的空調(diào)器分流器研究

(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海200240； 2 國際銅業(yè)協(xié)會(中國) 上海200020； 3 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室 珠海519070)

多流路換熱器具有壓降小、傳熱系數(shù)大的優(yōu)點，廣泛用于空調(diào)器中以提升空調(diào)制冷和制熱性能[1]。為保證多流路換熱器具有良好的換熱性能，兩相制冷劑應(yīng)當(dāng)被均勻地分配到各流路?？照{(diào)器常采用分流器進行制冷劑的分配[2-3]。

分流器應(yīng)用于空調(diào)器中最常見的問題是制冷劑流量分配不均。部分流路的液態(tài)制冷劑流量較小并過早地蒸干[4-6]。蒸干區(qū)的傳熱系數(shù)遠小于兩相區(qū)，使得有效傳熱面積下降，造成換熱器的換熱能力下降約25%[7]。

目前分配均勻的分流器包括整流式分流器、離心式分流器和相分離式分離器。它們通過添加旋轉(zhuǎn)葉片、離心加速器或氣體分離器等結(jié)構(gòu)，將不可控、不對稱的流型轉(zhuǎn)換為可控、對稱的流型，從而使氣液兩相均勻分配。但這類復(fù)合式分流器體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要用于大型石油化工設(shè)備，而不適用于安裝空間有限的空調(diào)器[8]。

空調(diào)器普遍使用單體結(jié)構(gòu)的分流器，如反射式分流器、插孔式分流器和圓錐式分流器[9]。這類分流器進口管的流通面積較大，使兩相制冷劑的壓力降低從而發(fā)生氣液分離。氣液分離形成的分層流或泡狀流均為易受重力影響的不對稱流型，使分流器的分配性能易受安裝角度的影響。當(dāng)分流器因安裝空間受限而傾斜安裝時，這類分流器無法均勻分配制冷劑。

實現(xiàn)制冷劑均勻分配的關(guān)鍵是采用簡單的結(jié)構(gòu)形成對稱的兩相流型。環(huán)狀流由于具有對稱的流型可用于分流器設(shè)計。環(huán)狀流由環(huán)狀液膜和中心氣相組成，氣液兩相均關(guān)于進口管的中軸線對稱[10]。當(dāng)分流器的出口管關(guān)于進口管對稱布置時，流型對稱的制冷劑可被均勻地分配到各出口管。

本文提出一種通過形成環(huán)狀流從而實現(xiàn)均勻分配的空調(diào)器分流器。

1 采用環(huán)狀流實現(xiàn)均勻分配

設(shè)計分配均勻的分流器的方法是在分流器中構(gòu)建環(huán)狀流并均勻分配環(huán)狀流。環(huán)狀流具有對稱的兩相分布，其中液相均勻分布在進口管的管壁上，氣相位于液相中心。當(dāng)出口管也對稱地布置在進口管的壁面上時，對稱分布的制冷劑會均勻地分配到所有出口管內(nèi)。因此分流器通過形成環(huán)狀流可在任意安裝角度下實現(xiàn)均勻分配。

圖1 豎直和水平環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化過程Fig.1 Transition of vertical and horizontal annular flow

環(huán)狀流的構(gòu)建可以通過兩種環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化機制實現(xiàn)。豎直環(huán)狀流由泡狀流和混狀流轉(zhuǎn)化而來，如圖1(a)所示。水平環(huán)狀流由分層流和間歇流轉(zhuǎn)變而來，如圖1(b)所示。由于豎直和水平環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化機制不同，因此本文需要分別研究豎直環(huán)狀流和水平環(huán)狀流的形成條件，使設(shè)計的分流器在任意安裝角度下均可形成環(huán)狀流。

環(huán)狀流的均勻分配可通過合理設(shè)計進出口管的連接形式來實現(xiàn)。傳統(tǒng)圓錐式分流器的各出口管的連接處位于進口管的中心，導(dǎo)致制冷劑無法均勻的分配到出口管，如圖2(a)、圖2(b)所示。為實現(xiàn)均勻分配，新型分流器的出口管應(yīng)垂直且對稱地布置在進口管壁上，如圖2(c)、圖2(d)所示。

圖2 分流器進出口管的不同連接形式Fig.2 Different connection types of inlet and outlet tubes in distributor

2 設(shè)計進口管構(gòu)建環(huán)狀流

形成環(huán)狀流的方法是：首先確定進口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)狀流的關(guān)系；然后分別推導(dǎo)豎直和水平管形成環(huán)狀流的臨界管徑；最后根據(jù)推導(dǎo)的臨界管徑計算進口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 進口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)狀流的關(guān)系

進口管形成環(huán)狀流的關(guān)鍵參數(shù)包括內(nèi)徑d和管長L。d取形成豎直環(huán)狀流的臨界管徑dV和形成水平環(huán)狀流的臨界管徑dH中的較小值，以使分流器在任意安裝角度下均能形成環(huán)狀流，如式(1(a))所示。為了使氣液兩相充分發(fā)展進而形成穩(wěn)定的環(huán)狀流，應(yīng)L≥20d，如式(1(b))[11]所示。

(1)

2.2 豎直和水平環(huán)狀流的形成條件

豎直管中環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化條件是氣相速度足夠大從而使夾帶液滴向上流動，如圖3(a)所示。當(dāng)最大夾帶液滴所受的浮力和曳力之和與重力相等時，夾帶液滴剛好能夠保持向上運動的趨勢從而維持豎直環(huán)狀流的流型，如式(2)[12-13]所示。

水平管中環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化條件是液相的Froude數(shù)足夠大以使管內(nèi)壁全部被液相浸濕。當(dāng)液相的Froude數(shù)滿足式(3)時，間歇流轉(zhuǎn)化為環(huán)狀流[14]，如圖3(c)、圖3(d)所示。

圖3 豎直和水平環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化機理Fig.3 Transition mechanism of vertical and horizontal annular flow

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2.3 形成環(huán)狀流的進口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)

將式(2)～式(9)代入式(1)得到進口管中形成環(huán)狀流所需的內(nèi)徑和管長的計算式，如式(10)所示。進口管的結(jié)構(gòu)由8個輸入?yún)?shù)決定，包括制冷量Q、空泡系數(shù)α、潛熱Δhfg、氣相密度ρG、液相密度ρL、表面張力系數(shù)σ、重力加速度g和曳力系數(shù)Cd。

(10)

實際進口管結(jié)構(gòu)的計算以一款廣泛使用的制冷量為3.50 kW的空調(diào)器為例，輸入和輸出參數(shù)如表1所示。制冷工況下分流器進口管中的制冷劑空泡系數(shù)約為0.60[15]。式(10)中的物性參數(shù)選取常用制冷劑的物性，如R410A、R32、R290和R141b。由于蒸發(fā)器的平均溫度為10 ℃，故物性參數(shù)的取值為10 ℃時的制冷劑物性。

表1 分流器的進口管結(jié)構(gòu)參數(shù)計算表Tab.1 Inlet tube structure parameters of distributor

3 設(shè)計進出口管連接方式實現(xiàn)環(huán)狀流均勻分配

均勻分配環(huán)狀流的實現(xiàn)方法是使進出口管采用新型T型連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)圓錐式分流器的Y型連接。T型連接結(jié)構(gòu)中的出口管對稱地安裝在進口管的壁面上，而Y型連接的出口管則安裝在進口管中心。

傳統(tǒng)圓錐式分流器的Y型連接結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。該結(jié)構(gòu)的流體轉(zhuǎn)向處易出現(xiàn)氣液分離而造成制冷劑分配不均。氣液分離的原因是氣泡受到垂直于運動方向并指向管壁的升力Flift，朝管壁運動，如圖4(b)所示。氣泡所受升力Flift由其速度分量ut的旋度ω產(chǎn)生，如圖4(c)所示。升力Flift的計算式如式(11)[16]所示。

圖4 不同形式的連接結(jié)構(gòu)處的制冷劑流動分析Fig.4 Analysis for refrigerant flow in different types of connection structures

(11)

圖4(d)示出了能夠使制冷劑均勻分配到各出口管的T型連接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)流體轉(zhuǎn)向處的氣泡所受的升力為0使氣液兩相充分混合，如圖4(e)所示。液相速度沒有引起旋度的速度分量ut，因此流體作無旋流動，如圖4(f)所示。無旋流動的流體旋度為0，根據(jù)式(11(a))可知其氣泡所受的升力為0。

4 均勻分流器性能驗證

4.1 實驗裝置與樣件

用于分流器的流型觀測與性能測試的實驗臺如圖5所示，主要包括儲液罐、流體泵、電加熱器、溫度傳感器T1和T2、調(diào)壓器、實驗樣件、半導(dǎo)體制冷模塊、4個流量計及閥門。實驗樣件包括一個傳統(tǒng)圓錐式分流器和一個新型分流器，均采用透明材料(光敏樹脂)制作以便觀測內(nèi)部的兩相流型。溫度傳感器、體積流量計和調(diào)壓器的精度分別為0.1%、2.5%和0.8%?？紤]到分流器透明材料(光敏樹脂)的強度，實驗工質(zhì)需要選擇一種常壓制冷劑，如R141b。

圖5 分流器性能測試實驗裝置Fig.5 Experimental apparatus to test performance of distributor

實驗工況包括安裝方式和制冷劑質(zhì)量流量。安裝方式包括水平安裝、傾斜安裝和豎直安裝。由于制冷量為3 500 W的空調(diào)器的制冷劑流量為15～20 g/s，因此在實際工況附近選取3種質(zhì)量流量，分別為14、18、22 g/s。

本文采用質(zhì)量流量不均勻度表示分流器各出口管的流量大小的差異性。質(zhì)量流量不均勻度ε的定義式如式(12)所示。ε值越小，說明出口管的流量差異越小，即分流越均勻。

(12)

4.2 新型分流器流型觀測

實驗觀測了傳統(tǒng)圓錐式分流器與新型分流器采用豎直和水平安裝方式時進口管中的流型。

傳統(tǒng)圓錐式分流器在豎直安裝時，進口管中的制冷劑呈泡狀流，如圖6(b)所示，而在水平安裝時制冷劑的流型為分層流，如圖6(d)所示。由于泡狀流和分層流的氣液分布不對稱，導(dǎo)致進入出口管的氣液兩相的比例不同。新型分流器在豎直和水平安裝時，進口管中的制冷劑均呈環(huán)狀流，如圖6(a)和圖6(c)所示。環(huán)狀流具有對稱的流型，使氣液兩相均勻地進入所有出口管。

4.3 新型分流器的分配性能分析

圖7 不同質(zhì)量流量下的傳統(tǒng)和新型分流器的分流性能Fig.7 Distribution performance of traditional and novel distributor at various mass flow rate

圖7所示為不同質(zhì)量流量下的傳流和新型分流器的分流性能。由圖7可知，在不同安裝方式下，新型分流器的ε均小于傳統(tǒng)分流器的ε，且二者的差值隨著質(zhì)量流量的增加而減小。水平安裝時，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降10%～24%；傾斜安裝時，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降14%～27%；豎直安裝時，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降24%～47%。質(zhì)量流量增大時，氣相和液相的速度同時增大，使傳統(tǒng)分流器進口管中的流型也逐漸向?qū)ΨQ流型發(fā)展，因此與新型分流器的ε差值減小。

5 結(jié)論

本文提出了新型空調(diào)器分流器的設(shè)計方法，進行了樣件在水平、傾斜和豎直安裝時的可視化實驗，并與傳統(tǒng)分流器的分配性能進行對比。主要結(jié)論如下：

1)新型分流器通過設(shè)計進口管的結(jié)構(gòu)形成環(huán)狀流，并將出口管對稱、垂直的設(shè)置在進口管的管壁面上，從而實現(xiàn)環(huán)狀流的均勻分配。進口管的內(nèi)徑d取水平和豎直環(huán)狀流的臨界管徑中的較小值，且管長不小于內(nèi)徑的20倍(L≥20d)。

2)將分流器進口管中的制冷劑整流成環(huán)狀流能夠顯著改善分流器在各個安裝角度下的均流性能。樣件的性能測試實驗表明，水平、傾斜和豎直安裝時，新型分流器的ε比傳統(tǒng)圓錐式分流器的ε分別下降10%～24%、14%～27%和24%～47%。

符號說明

Cd——曳力系數(shù)

Clift——升力系數(shù)

d——進口管內(nèi)徑，m

ddrop——液滴直徑，m

F——力，N

Flift——升力，N

Fr——弗勞德數(shù)

G——質(zhì)流密度，kg/(m2·s)

L——進口管長度，m

Q——制冷量，kW

u——速度，m/s

V——體積，m3

x——干度

α——空泡系數(shù)

ρ——密度，kg/m3

σ——表面張力系數(shù)，N/m

g——重力加速度，m/s2

π——圓周率

ε——質(zhì)量流量不均勻度

下標(biāo)

bubble——氣泡

H——水平

L——液相

max——最大值

min——最小值

n——法向

t——切向

V——豎直