蒸發(fā)器入口結(jié)構(gòu)流量分配特性及優(yōu)化研究

王 珂，廖家干，王永慶，劉遵超

（1.鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，鄭州 450002；2.鄭州大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

干式管殼式蒸發(fā)器具有不易積油，充液量少，不易凍結(jié)等優(yōu)點(diǎn)［1］。作為制冷4大件之一，干式管殼式蒸發(fā)器在中央空調(diào)系統(tǒng)中占有重要地位，它對于空調(diào)節(jié)能降耗起到關(guān)鍵作用［2］。蒸發(fā)器的換熱效率極大的影響著空調(diào)系統(tǒng)的性能。影響蒸發(fā)器換熱效率的因素有很多，比如蒸發(fā)溫度不高、制冷劑分配不均勻、間隙泄漏等，分液不均是尤其重要的因素［3-6］。

對蒸發(fā)器流量分配特性的研究主要集中在兩方面：（1）對進(jìn)口或集箱（管箱）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；（2）研究幾何參數(shù)的影響。Shi等［7］通過試驗(yàn)研究了加入不同形式的導(dǎo)流板對蒸發(fā)器制冷量和空氣溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)合理的設(shè)計(jì)可以提高蒸發(fā)器制冷量。Yuan等［8］提出了一種新型流量分配器，采用數(shù)值模擬方法將其用于板翅式換熱器入口后各通道內(nèi)氣液兩相分布更加均勻。袁培等［9］采用數(shù)值模擬的方法對平行流蒸發(fā)器中有無分流板境況下制冷劑分配均勻性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)加入分流板可以改善流量分配不均勻度。Wang等［10］利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了分布器入口管長度、傾角、氣流不均勻性等參數(shù)對多回路蒸發(fā)器流量分配的影響，發(fā)現(xiàn)較長的進(jìn)氣管和垂直安裝將有助于提高分配器的性能。Shojaeefard等［11］運(yùn)用數(shù)值模擬和有限元模型的混合方法，研究了平行流冷凝器中進(jìn)氣管位置、直徑、管伸出深度等對流量分配均勻性的影響。Zhou等［12］采用數(shù)值模擬的方法，對中心式平行流換熱器進(jìn)口管直徑、插入角等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的模型可以降低流量分配不均。Byun等［13］通過對雙列四通并聯(lián)蒸發(fā)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出由于流量分布不均，其傳熱性能降低了13%～40%。Mancini等［14］研究了板式換熱器入口流量分配對傳熱性能和熱泵COP的影響，發(fā)現(xiàn)制冷劑丁烷對不均勻分布最敏感，其最大性能系數(shù)COP降低了5.9%。

Tang等［15］對新設(shè)計(jì)的直接膨脹式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測試和驗(yàn)證，由于制冷劑流量分布均勻，改進(jìn)后的直接膨脹空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP比原系統(tǒng)分別提高了10.5%和13.4%。因此，提高蒸發(fā)器中制冷劑在換熱管分配均勻性具有重要意義。

目前，對于蒸發(fā)器中制冷劑流量分配均勻性的研究大多是針對平行流換熱器，而對于干式管殼式蒸發(fā)器中制冷劑分配均勻性的研究很少。筆者從管箱結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)了等圓開孔和優(yōu)化開孔兩種新型分流板，將其安裝在干式蒸發(fā)器管箱中，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對無分流板、等圓開孔分流板、優(yōu)化開孔分流板3種蒸發(fā)器制冷劑入口結(jié)構(gòu)下流量分配情況進(jìn)行對比研究。

1 干式管殼式蒸發(fā)器入口段結(jié)構(gòu)

對于多管程蒸發(fā)器，制冷劑從蒸發(fā)器一側(cè)的管箱進(jìn)入U形管，經(jīng)過多個流程蒸發(fā)吸熱后從同一側(cè)管箱流出，管箱中有隔板。本文只對蒸發(fā)器制冷劑進(jìn)口段部分進(jìn)行研究，三維模型如圖1所示。

圖1 入口段三維模型

2 計(jì)算模型與數(shù)值方法

2.1 分流板結(jié)構(gòu)

等圓開孔分流板和優(yōu)化開孔分流板的區(qū)別是等圓開孔分流板孔徑都為3.5 mm，而優(yōu)化開孔分流板有3種孔徑，分別為2.8，3.5和4 mm。取入口制冷劑流動方向（Z軸）為正視方向，這2種分流板三視圖除正視圖不同外，左視圖和俯視圖相同，如圖2所示。

圖2 分流板三視圖

2.2 計(jì)算區(qū)域

蒸發(fā)器入口段結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如下：進(jìn)口接管直徑16 mm，進(jìn)口接管長度50 mm，管箱厚度14 mm，換熱管長度80 mm，換熱管直徑10 mm，布管方式為正三角形，換熱管間距10 mm。計(jì)算區(qū)域模型如圖3所示。為了方便分析結(jié)果，對換熱管進(jìn)行編號，如圖4所示。

圖3 計(jì)算區(qū)域示意

圖4 換熱管編號

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

蒸發(fā)器入口段模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格局部加密比較容易，對不規(guī)則空間適應(yīng)能力較強(qiáng)，易于顯示流場的細(xì)微結(jié)構(gòu)［16］。進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，保證計(jì)算精度的準(zhǔn)確性［17］。最終確定無分流板、等圓開孔分流板，優(yōu)化開孔分流板3種結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)分別為210萬、160萬、175萬，此時蒸發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)偏差和壓降的偏差均小于1%。以等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)為例，網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

2.4 邊界條件設(shè)置

以水為工質(zhì)，進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口采用壓力出口。湍流模型采用Standardk-ε模型，采用增強(qiáng)壁面函數(shù)。壓力和速度耦合方式選SIMPLE算法，動量、湍動能、湍流擴(kuò)散率均采用二階迎風(fēng)格式。

3 計(jì)算結(jié)果分析

將標(biāo)準(zhǔn)偏差（Standard Deviation，STD）和均分率作為衡量制冷劑分配均勻性的評價標(biāo)準(zhǔn)［18］。定義如下：

式中n——換熱管數(shù)量；

qi——第i根換熱管的質(zhì)量流量，kg/s；

qa——平均質(zhì)量流量，kg/s；

ε'——均分率。

STD越小則制冷劑流量整體分配均勻性越好。均分率越接近1，則支管分流效果越好。

本文研究了入口制冷劑質(zhì)量流量M在0.1～0.5 kg/s范圍內(nèi)，3種結(jié)構(gòu)下制冷劑流量分配情況。

3.1 質(zhì)量流量對標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響

表2為不同結(jié)構(gòu)下的標(biāo)準(zhǔn)偏差。由評價標(biāo)準(zhǔn)可知，STD越小則制冷劑流量整體分配均勻性越好。從圖5中可以看出，當(dāng)質(zhì)量流量一定時，無分流板時蒸發(fā)器制冷劑入口結(jié)構(gòu)下STD最大，等圓開孔分流板次之，優(yōu)化開孔分流板最小，說明無分流板時換熱管中制冷劑分配均勻性最差，優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)下制冷劑分配均勻性最好。3種不同蒸發(fā)器制冷劑入口結(jié)構(gòu)下STD都隨著質(zhì)量流量的增加而逐漸增加，無分流板時增加趨勢較明顯，等圓開孔分流板次之，優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)下幾乎不增加，說明優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)下制冷劑分配均勻性受質(zhì)量流量的影響較小且分流效果最好。當(dāng)質(zhì)量流量從0.4 kg/s增加到0.5 kg/s時，3種結(jié)構(gòu)下STD幾乎不變化，說明質(zhì)量流量對制冷劑分配均勻性的影響很小。與等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化開孔結(jié)構(gòu)下制冷劑分配均勻性提高71.3%～74.2%。與無分流板結(jié)構(gòu)相比，等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)的換熱管內(nèi)制冷劑流量的分配均勻性提高75.1%～79.8%，優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)的換熱管內(nèi)制冷劑流量的分配均勻性提高93.5%～94.2%。

表2 不同結(jié)構(gòu)下的標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖5 不同結(jié)構(gòu)下標(biāo)準(zhǔn)偏差隨質(zhì)量流量變化曲線

3.2 各個換熱管均分率對比分析

由圖6中（a）可知，無分流板時，各個管子的均分率都和理想分流差距較大，尤其是B2，B3號換熱管。由6（b）可知，當(dāng)為等圓開孔分流板時，各個換熱管的分流率相比于不加分流板更加接近于1，但管號為B2，B3的換熱管分流率依然較高。由6（c）可知，當(dāng)為優(yōu)化開孔分流板時，折線波動不明顯，各個換熱管均分率比較接近理想分流，制冷劑分配不均勻性大幅度減小。說明加入分流板對分流板進(jìn)行優(yōu)化改變其開孔大小可以有效地降低各支管流量分配不均勻性。3種結(jié)構(gòu)下管子的均分率基本滿足隨著質(zhì)量流量的減少更加接近于1這個規(guī)律，尤其是B2，B3號管，說明質(zhì)量流量大小會對支管流量分配均勻性產(chǎn)生影響，質(zhì)量流量越大，分配越不均勻，這與分析整體的流量分配均勻性時結(jié)論一致。

圖6 不同質(zhì)量流量下?lián)Q熱管均分率對比

3.3 流場分析

由圖7中（a）可知，無分流板時中心區(qū)域如管號為B2，B3的換熱管制冷劑流速最大，管號為A2，C2的換熱管次之，邊緣區(qū)域的換熱管如A1，A3，B1，B4，C1，C3 中制冷劑流速相對較小。原因是無分流板時，入口接管和B2，B3，A2，C2四根換熱管相對，大部分制冷劑通過入口接管和管箱后直接流入到這幾根換熱管內(nèi)。加入等圓開孔分流板后，管號為B2，B3，A2，C2的換熱管內(nèi)制冷劑流速減小，其余的換熱管內(nèi)制冷劑流速增加。

圖7 不同結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱管出口處速度云圖

與不加分流板相比，等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)制冷劑分配均勻性提高，由于分流板孔徑相同，所以依然是中心區(qū)域的管子制冷劑流速大。加入優(yōu)化開孔分流板后，所有換熱管內(nèi)制冷劑流速幾乎相等，制冷劑流量幾乎平均分配，這是因?yàn)閮?yōu)化開孔分流板中心區(qū)域開孔較小，邊緣區(qū)域開孔大，所以避免了B2，B3號換熱管內(nèi)流入過多的制冷劑，降低了制冷劑流量分配不均勻性。

圖8示出了質(zhì)量流量為0.2 kg/s時ZX平面上的流線。

圖8 不同結(jié)構(gòu)下ZX平面上流線

由8（a）可知，無分流板時，中心區(qū)域B2，B3號換熱管流線密集，流速較大，邊緣區(qū)域B1，B4號換熱管入口處存在渦流，這將限制流體流動。管箱和換熱管中存在的渦流是導(dǎo)致蒸發(fā)器中制冷劑流量分配不均的一個重要原因。由8（b）（c）可知，加入等圓開孔分流板和優(yōu)化開孔分流板后，管箱中和B1，B2號換熱管中渦流減弱，流線更加均勻，流量分配均勻性提高。

3.4 壓降分析

由圖9可知，與無分流板結(jié)構(gòu)相比，加入分流板后壓降增大。這是因?yàn)闊o分流板時，管箱壁上的換熱管相當(dāng)于大孔徑的分流板，制冷劑從入口進(jìn)入管箱后直接沖擊在換熱管及管子入口附近的管箱壁上，這會導(dǎo)致正對著入口的換熱管附近壓力較大；而加入分流板后，由于分流板孔徑比換熱管孔徑小很多，所以制冷劑通過分流板時受到的阻力增大，壓力損失增大。分流板的加入大大降低了流量分配的不均勻性，但同時增加了壓降，對此可以通過適當(dāng)調(diào)整膨脹閥來保證工作壓力，避免制冷系統(tǒng)能耗增加。

圖9 不同結(jié)構(gòu)下壓降隨質(zhì)量流量的變化

4 結(jié)論

（1）無分流板結(jié)構(gòu)下，管箱及換熱管入口附近的渦流會降低制冷劑流量分配均勻性，加入分流板后，分流板起到二次分流作用，渦流減弱，可以使制冷劑流量分配更加均勻。

（2）3種不同蒸發(fā)器制冷劑入口結(jié)構(gòu)與無分流板結(jié)構(gòu)相比，等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)的換熱管內(nèi)制冷劑流量的分配均勻性提高75.1%～79.8%，優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)的換熱管內(nèi)制冷劑流量的分配均勻性提高93.5%～94.2%。與等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化開孔分流板制冷劑分配均勻性提高71.3%～74.2%。

（3）與無分流板結(jié)構(gòu)相比，加入分流板后制冷劑流量分配不均勻性顯著降低，但同時增大了壓降，因此調(diào)整節(jié)流裝置時還需要考慮工作壓力。