微通道換熱器兩相流分布研究現(xiàn)狀與展望

熊 通 晏 剛 樊超超 魚劍琳

(西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

微通道換熱器是由多根微通道扁管與兩根集液管平行連接，兩相流通過集液管分配至各個微通道扁管。在兩相流中，質(zhì)量流量的分布不均會顯著降低微通道換熱器的效率，出現(xiàn)“干蒸”與“供液過多”的現(xiàn)象。兩相流的分配不均對微通道換熱器的換熱性能影響很大。T. Kulkarni等[1]研究發(fā)現(xiàn)，微通道換熱器內(nèi)制冷劑分配不均問題可使其換熱能力下降約20%。W. Brix等[2]仿真研究了R134a在微通道蒸發(fā)器中分配不均的情況，由于制冷劑的分配不均導致制冷量下降約23%。Zou Yang等[3]研究表明，R410A和R134a在微通道換熱器中的不均勻分布造成系統(tǒng)制熱量分別下降約30%和5%。兩相流在微通道換熱器中分布不均會嚴重降低微通道換熱器的性能，從而降低系統(tǒng)的性能。

微通道換熱器作為蒸發(fā)器時，兩相流在微通道換熱器中容易造成分布不均，如何提高微通道換熱器兩相流分布均勻性，是提高其性能必須解決的問題。本文主要對微通道換熱器用于蒸發(fā)器時兩相流分布不均的現(xiàn)象進行研究，歸納了近年來國內(nèi)外學者對微通道換熱器兩相流分布的研究，總結(jié)了相分離技術(shù)在微通道換熱器中的應(yīng)用，最后對微通道換熱器兩相流分布特性的優(yōu)化研究進行總結(jié)與展望。

1 影響兩相流在微通道換熱器中分布的因素

影響微通道換熱器制冷劑分布的因素較多，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、制冷劑入口位置和狀態(tài)、制冷劑物性、重力以及空氣側(cè)換熱均會影響微通道換熱器中兩相流分配的均勻性。為了更好的總結(jié)歸納影響微通道換熱器兩相流分布的因素，將影響因素歸類為：微通道換熱器結(jié)構(gòu)、兩相流特性及工作條件兩個方面。

1.1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)對兩相流分布的影響

1.1.1 扁管插入深度對兩相流體分布的影響

圖2 扁管插入深度對集流管內(nèi)兩相流的影響情況[6]

圖1 不同插入深度對兩相流分布的影響[4]

J. K. Lee等[4]以空氣-水為工質(zhì)，實驗研究了集液管內(nèi)的扁管插入深度對流量分配的影響，如圖1所示，通過調(diào)整扁管插入深度可以使兩相流分布均勻， 扁管插入深度比h/D=0.25(h為扁管插入深度；D為集液管直徑或?qū)挾?時兩相流分布均勻最好。C. D. Bowers等[5]研究了扁管的插入深度和集流管入口段長度對流量分配的影響，入口段長度為89 mm時，液體分布相對較為均勻，而入口段長度為267 mm時，均勻性隨著質(zhì)量流量和插入深度的增加而提高。N. H. Kim等[6]研究了扁管插入集管的深度對微通道換熱器分流均勻性的影響，如圖2所示，兩相流向下流動時，液體的分布明顯受到扁管插入深度的影響，當扁管插入深度比h/D=0，大部分液體聚集在集流管前端，隨著扁管插入深度的增加，更多的液體流到集液管的后端，兩相流分布得到改善，而兩相流向上流動時，大部分液體聚集在集流管的后端，隨著扁管插入深度的增加，液體向集液管后端移動。S. Koyama等[7]指出通過改變集液管內(nèi)不同位置扁管插入深度，可以顯著改善兩相流分布均勻性。A. Marchitto等[8]研究了扁管變插入深度對兩相流的分布影響，研究指出，在高流速(液相流速Vl=0.45 m/s, 氣相流速Vg=5.25 ～9.0 m/s)情況下，扁管插入深度對兩相流分布影響較小，在集液管中最前端的兩根扁管和最后端的兩根扁管h/D=0.75，中間扁管h/D=0.90時，如圖3所示，能夠得到最好的分配效果。 A. T. Wijayanta等[9-10]研究了扁管插入深度、可變扁管插入深度、集液管內(nèi)導流板結(jié)構(gòu)對兩相流分布的影響，結(jié)果表明，兩相流的分布主要取決于流體的動量和集液管的幾何形狀，不同的扁管插入深度和集液管里的導流板能有效提高兩相流的分布。M. A. Redo等[11]增大了兩相流體的流量，更接近家用空調(diào)器的實際情況，研究了垂直集液管中扁管插入深度對兩相制冷劑分布的影響，研究表明，當扁管h/D=0.50時，能產(chǎn)生更大的慣性力推動液體向集液管頂端移動，兩相流的分布效果更好。N. H. Kim等[12-15]對比研究了水平集液管中扁管h/D=0和h/D=0.50對兩相流分布的影響，當兩相流向下流動時，扁管h/D=0.50時能改善兩相流的分布，這是因為插入扁管能使液體到達集液管后端，而對于兩相流向上流動時，扁管h/D=0.50反而使兩相流分布變差，這是因為插入扁管阻礙了液體在集液管前段和中部的擴散。袁培等[16]理論研究了微通道換熱器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對兩相制冷劑分布均勻性的影響，相關(guān)因素涉及扁管的長、寬尺寸，插入集液管的深度等。入口流速一定的條件下，微通道換熱器扁管的寬度、插入集液管的深度、長度對流體分布均勻性的影響作用權(quán)重依次增大。

通過對上述學者研究的分析，可以得出如下規(guī)律：對于集液管水平布置，兩相流向下流動的情況下，液體主要集聚在集液管前段，通過改變扁管插入深度，可以使液體流到集液管后端，從而改善分布均勻性；對于集液管水平布置，兩相流向上流動的情況，液體會先集聚在集液管后端，然后向前端擴散，扁管的插入會改變流體在集液管里的流動和分布，分布效果會因流體的速度和干度不同而產(chǎn)生不同的分配效果；對于集液管垂直布置，兩相流受重力的影響較大，液體會集聚在集液管下端，扁管的插入能加強兩相流的擾動，從而使兩相流分布更好。

圖3 變扁管插入深度結(jié)構(gòu)[8]

1.1.2 進口結(jié)構(gòu)和集液管結(jié)構(gòu)對兩相流體分布的影響

進口結(jié)構(gòu)是兩相流進入集液管的通道結(jié)構(gòu)，進口結(jié)構(gòu)的不同使兩相流進入集液管后的流動和分布也會不同，對兩相流的分布有較大影響，同時不同集液管結(jié)構(gòu)也會改變兩相流在集液管里的流動和分布，兩相流的分布也會受到較大影響，相關(guān)學者對進口結(jié)構(gòu)和集液管結(jié)構(gòu)進行了研究。

H. Cho等[17]研究了水平和垂直的集液管和兩相流進入集液管的方向(垂直、常規(guī)、平行)，對于垂直集液管，更多的液體在集液管的下端，兩相流進入集液管的方向影響較??；對于水平集液管，兩相流進入集液管的方向?qū)上嗔鞣峙溆绊懞艽?，垂直的和一般的入流方向能獲得更好的分配。N. H. Kim等[12-15]采用集液管水平布置，10根微通道扁管垂直布置的實驗樣件來模仿微通道換熱器，兩相流的進口結(jié)構(gòu)采用3種形式(水平、常規(guī)、垂直)，如圖4所示，分別對兩相流向下、向上流動，扁管插入集液管深度比分別為h/D=0、0.50，4種工作情況進行了研究，研究結(jié)果表明：1)在兩相流向下流動且h/D=0的情況下，常規(guī)進口結(jié)構(gòu)和垂直進口結(jié)構(gòu)兩相流分布相似且優(yōu)于水平進口結(jié)構(gòu)，隨著質(zhì)量流量的增加，三種進口結(jié)構(gòu)的兩相流分布均勻性均會改善。2)在兩相流向下流動且h/D=0.5的情況下，在低質(zhì)量流速或低干度時(G=70 kg/(m2·s)，x=0.2)，垂直入口結(jié)構(gòu)的兩相流分布最好，當質(zhì)量流量或干度增加時，正常進口結(jié)構(gòu)兩相流分布最好，總體而言，正常進口結(jié)構(gòu)能使兩相流分布最好。與h/D=0的結(jié)構(gòu)相比，扁管凸出的結(jié)構(gòu)能增加兩相流的擾動，使兩相流分布更加均勻。3)在兩相流向上流動且h/D=0的情況下，垂直進口結(jié)構(gòu)的兩相流分布效果最好，兩相流質(zhì)量流量或干度對其分布的影響不顯著，這是因為重力影響占據(jù)了較大的作用，同時，作者指出，兩相流流動方向?qū)ζ浞植加休^大影響，向上流動的分布均勻性優(yōu)于向下流動的分布。4)在兩相流向上流動且h/D=0.50的情況下，垂直進口結(jié)構(gòu)的兩相流分布效果最好，并與h/D=0的結(jié)構(gòu)進行對比，發(fā)現(xiàn)扁管插入到中心位置會使兩相流的分布變差，這是由于插入扁管阻礙了液體向集液管前段擴散，導致中部和前部扁管液相較少。Dong Z. G. 等[18]對單進、雙進、分散三種不同進口結(jié)構(gòu)的分流特性進行了實驗和仿真分析，結(jié)構(gòu)如圖5所示，研究表明分散進液時的分流均勻性最好，且雙進結(jié)構(gòu)的分流均勻性優(yōu)于單進結(jié)構(gòu)。

A. J. Mahvi等[19]研究了矩形和三角形集液管對兩相流體分布的影響，結(jié)構(gòu)如圖6所示，研究發(fā)現(xiàn)，與矩形集液管相比，三角形集液管通常能夠改善兩相流分布，使液體平均標準偏差降低0.06，氣體平均標準偏差降低0.04。三角形集液管改善兩相流分配的機理在于改善了兩相流在集液管里的相速度：對于矩形集液管，一部分兩相流從前段的扁管流出后，導致集液管里的相速度逐漸減小，氣液兩相逐漸分層，兩相流分配均勻性變差，而三角形集液管的流通面積是逐漸減小的，當兩相流從前段的扁管流出后，仍然能保持集液管后半段的相速度在較高的水平，使氣液相充分混合，改善兩相流分布均勻性。M. Ahmad等[20]研究了集液管直徑對于兩相流分配的影響，研究指出，減小集液管的直徑，分布均勻性會變差，這是由于集液管直徑較小，兩相流引射的長度變短，液體主要分布在集液管前段，分布均勻性變差。

圖4 三種兩相流進口方式[12-15]

圖5 三種不同進口結(jié)構(gòu)[18]

圖6 不同結(jié)構(gòu)集液管[19]

1.1.3 多流程對兩相流體分布的影響

前文所述的微通道換熱器只有一個流程，對于多流程的微通道換熱器，集液管中的兩相流分布也有所不同。H. W. Byun等[21]研究了兩流程的微通道換熱器集液管中兩相流的分布情況，并且在進口集液管內(nèi)部插入了流量分配裝置，中間集液管的作用是收集從第一個流程過來的兩相流，混合后再流入第二個流程，隨著兩相流質(zhì)量流量或干度的增加，中間集液管中的液相向集液管后端移動從而產(chǎn)生更好的分配效果。流量分配裝置對第一個流程的兩相流分配效果較好，對第二個流程的兩相制冷劑分配影響較小。H. W. Byun等[22-23]對兩排四流程微通道換熱器進行了研究，如圖7所示，對于進口集液管，兩相流的分布取決于兩相流的流動方向，兩相流向上流動時，更多的液體集聚在集液管后端，兩相流向下流動時，更多的液體集聚在集液管前端，隨著兩相流質(zhì)量流量或干度的增加，兩種情況下液體均向集液管后端集聚；對于中間集液管，兩相流分布取決于兩相流流向下一個流程的流動方向，其分布特性和進口集液管相似；對于跨排集液管，兩相流分布情況取決于跨排集液管在頂部還是底部，底部的跨排集液管有較好的分配效果。嚴瑞東等[24]研究了流程數(shù)對兩相流分布的影響，當流程數(shù)增大時，每流程扁管數(shù)減小，兩相流速度增大，使氣液兩相充分混合，兩相流分布均勻性得到提升。

圖7 兩排四流程示意圖[22-23]

1.2 兩相流流動特性及工作條件對其分布的影響

兩相流的流動特性、流體性質(zhì)等均會對其分布產(chǎn)生影響，前文所述微通道換熱器結(jié)構(gòu)對兩相流體分布的影響中，學者均對兩相流體進入集液管的流量和干度對其分布的影響進行了研究，這里不再重復(fù)敘述，主要歸納學者對兩相流流動特性及工作條件對其分布的影響。

P. Fei等[25]通過在集液管水平布置兩相流體向下流動的實驗裝置研究了不同流動形態(tài)對兩相流體分布的影響，圖8所示為相同總質(zhì)量流量，不同干度和流速下的流動分布情況。當干度較低，流速較小時，液體主要在集液管前段，分布均勻性較差，隨著流速的增加，會產(chǎn)生噴射效果，流速在0.5～4.0 m/s范圍時，液體噴射到集液管后端，后端扁管液體量增加，但集液管前段液體較少，當流體速度進一步增大u>4 m/s，液體噴射效果變得更明顯，兩相流干度x在10%～30%之間集液管前端還會產(chǎn)生較多液體，在此條件下，兩相流的分布得到了明顯改善，當干度x>30%，流速u<4 m/s時就會產(chǎn)生霧狀流，此時氣液兩相混合均勻，兩相流的分布均勻性最好。

圖8 進入集液管不同流型[25]

M. Ahmad等[20]也進行了相似的實驗，用8個通道的緊湊式換熱器作為實驗件，研究了兩相流的含氣率、液體流速、集液管直徑、膨脹裝置等對兩相流分配的影響，對于豎直向下流的通道，流體流量增加，兩相流分布均勻性變好，對于豎直向上流的通道，即使增大質(zhì)量流量，流量分配的效果依然不好，這是由于重力對其分布造成了較大的影響；在集液管進口處安裝膨脹裝置，能使兩相流體產(chǎn)生高速射流，利于兩相流分布均勻，研究指出兩相流的流量分布均勻性與流體的流速和集液管的結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。A. Marchitto等[26]通過實驗證實了在給定的工作條件下，可以實現(xiàn)復(fù)雜兩相流的流量均勻分配。氣液兩相流的流速和干度對兩相流分配的均勻性影響很大，在集流管入口處設(shè)置噴嘴，使流體形成射流，在空氣流速較高的條件下，能使水的流量分配更加均勻，但在空氣流速較低的條件下，水的流量分布均勻性取決于噴嘴直徑和水的流速。A. J. Mahvi等[27-28]指出兩相流的分布均勻性很大程度上取決于兩相流在集液管內(nèi)的流動形態(tài)，并將兩相流在水平集液管里的流動分為分層平滑流、分層波動流、平滑膜流、波動膜流、攪拌湍流，如圖9所示，當兩相速度較低時(Vl<0.05 m/s，Vg<4.5 m/s),氣體和液體分離，形成分層平滑流，此時液體主要從集液管前段的扁管流出，因為液體動量和氣體剪切應(yīng)力不足以攜帶液體到達集液管后端；當增大質(zhì)量流量(0.050.1 m/s，Vg>4.0 m/s)兩相流流形為攪拌湍流，氣液混合較好，兩相流分布更均勻。

圖9 水平集液管中5種流型[27-28]

Zou Yang等[29-30]利用可視化技術(shù)對垂直集液管中的兩相流分布進行了研究，工作流體分別為R134a、R410A，研究得出了相似的結(jié)果：兩相流在高質(zhì)量流量和低干度(m=6.25～12.5 g/s，x=0～0.2)時分布均勻性較好，并且揭示了兩相流流形對其分布的影響：在低干度和高質(zhì)量流量條件下形成攪拌流，使兩相流有更好的混合均勻性并且液體有較高的動量到達集液管的頂部出口管，使兩相流分布更加均勻；在高干度條件(x=0.8)下容易形成分離流，此時氣體占據(jù)了較大空間，液體在壁面形成液膜，液膜在氣體的作用下沿著壁面向上流動，當達到一定高度時液體脫離壁面進入扁管，為了避免氣體速度過大導致液體繞過下部第一根扁管，氣流流速必須小于20 kg/(m2·s)，分離流的產(chǎn)生導致液體分布不均勻。

通過上述研究[27-30]可以得出，由于集液管的布置形式不同，導致受到的重力影響不同，流動形態(tài)也不同，但增加氣液兩相的混合均勻性均可改善兩相流的分布。

Zou Yang等[31]利用可視化技術(shù)研究了垂直集液管中的兩相流流體物性對其分布的影響，分別對比了R245fa、R134a、R410A和R32兩相流的分布情況，研究表明R245fa的分布最好，其次是R134a、R410A和R32，這是因為R245fa具有更低的氣體密度和更高的液體密度，導致其攪拌流區(qū)間在集液管中最大，兩相流混合均勻性更好，使其分布更均勻。實驗還得出對于R245fa和R134a，只需增加集液管內(nèi)的質(zhì)量流量即可改善其分布，對于R410A和R32，只有提高集液管頂部的質(zhì)量流量，避免集液管底部的半環(huán)形流動，才能改善分布。Zou Yang等[32]研究了潤滑油對兩相流分布的影響，實驗對比了潤滑油和R134a、純R134a在垂直集液管中的分布情況，結(jié)果表明：在潤滑油含量較低時，純R134a的分布較優(yōu)，在潤滑油含量較高時，潤滑油和R134a的混合物的分布較好，這是因為較多的潤滑油可以產(chǎn)生大量泡沫，使集液管中的液面上升，更多的液體能夠進入上部扁管。Z. M. Razlan等[33]對比研究了R134a、空氣-水兩種兩相流在集液管中的分布情況，結(jié)果表明，在相同的工作條件下，這兩種兩相流體具有相似的分布特性。

微通道換熱器扁管換熱也會對兩相流的分布產(chǎn)生影響。A. T. Wijayanta等[34]研究了加熱扁管對兩相流分布的影響，結(jié)果表明，扁管的熱負荷不是影響兩相流分布的主要因素，該結(jié)論也在M. A. Redo等[11]的研究中得到了證實。

2 改善兩相流在微通道換熱器中分布的方案

通過對兩相流在集液管中的分布特性研究，有學者提出改善兩相流分布的方案。N. H. Kim等[35]通過在集液管中加入分配裝置來改善兩相制冷劑的分配效果，實驗對比研究了鋼絲網(wǎng)、穿孔板、穿孔管三種分配裝置對兩相流分布的影響，結(jié)果表明穿孔管具有更好的分配裝置，并且指出最佳分配效果的穿孔管的開孔尺寸和兩相流的流動方向有關(guān)。N. H. Kim等[36]延續(xù)了之前的研究，對穿孔管的形式進行各種組合，分別研究了穿孔管、帶穿孔板的穿孔管、孔板穿孔管、同心穿孔管的分配裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖10所示，實驗結(jié)果表明，同心穿孔管具有更好的分配效果，最佳分配效果的同心穿孔管開孔數(shù)取決于兩相流流量的大小。劉巍等[37]研究了分流板開孔面積對兩相流分配的影響，當Re<2 500 時，開孔面積對分流板的分布均勻性有明顯影響，Re>2 500 時，開孔面積和Re的變化對分流效果的影響很小。A. Marchitto等[38-39]在集液管內(nèi)插入分配管，并對分配管上的開孔位置、開孔方向、開孔數(shù)量進行了研究，結(jié)果表明：在集液管里加入分配管能有效改善兩相流分配效果，并且當分配管上的開孔方向與兩相流在扁管中流動方向相反時，分配效果最好，使用分配管后端8個開孔時，分配效果也可以得到提升。A. Marchitto等[40]延續(xù)了之前的研究，提出了一種新的雙腔分配器，如圖11所示，與單腔分配器相比具有更好的分配效果，與沒有插入分配管的相比，兩相流分配效果能明顯提升。Shi Junye等[41]通過優(yōu)化集液管中隔板的方式改變集液管中的壓降和兩相流分布，從而使微通道換熱器的性能明顯提升。Wu Xuehong等[42]研究了變孔徑的導流板結(jié)構(gòu)對兩相流的分配影響，研究表明，通過調(diào)整導流板上的開孔大小，可以提高兩相流的分布均勻性。M. A. Redo等[43]利用分流板將垂直的集液管分成兩個間室，分流板上開了孔，雙室集液管能夠有效改善兩相制冷劑的分布，并且雙室集液管能夠產(chǎn)生更高的液體雷諾數(shù)，使液體能夠到達頂端的扁管，特別是在低質(zhì)量流量時效果更加明顯。M. Ahmad等[20]提出一種膨脹裝置，該膨脹裝置安裝在集液管的進口處，兩相流通過膨脹裝置后就會產(chǎn)生引射或霧化，使氣液兩相混合更好，提高分布均勻性。

圖10 不同結(jié)構(gòu)分配管[36](單位：mm)

圖11 雙腔分配器[40]

3 微通道換熱器兩相流體分布關(guān)聯(lián)式和數(shù)值仿真研究

微通道換熱器集液管內(nèi)的兩相流分布受多種參數(shù)的影響，如結(jié)構(gòu)特征、傳熱、工作條件和工作流體的熱力學性質(zhì)。由于兩相流在集液管內(nèi)分布的復(fù)雜性，目前對兩相流在集液管內(nèi)分布研究較多是基于實驗結(jié)果建立經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，這些經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式通?？梢灶A(yù)測進入每根扁管的流體比率，如表1所示。M. Watanabe等[44]首先提出了一種流體進入扁管比率的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，該經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式影響因數(shù)只有集液管里的氣體雷諾數(shù)。N. H. Kim等[12-15]、H. W. Byun等[22-23]采用M. Watanabe等[44]提出的方法，針對扁管插入深度、集液管兩相流體進入方式、不同流程等條件下的兩相流分布提出了經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，但這些關(guān)聯(lián)式也只考慮了集液管中氣體雷諾數(shù)的影響。Zou Yang等[29-30]對集液管垂直布置的兩相流分配也提出了經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式考慮了兩相流的進口干度和集液管中的氣體雷諾數(shù)。以上關(guān)聯(lián)式可以很好地預(yù)測其數(shù)據(jù)，但不包括可能影響分布的變量，包括慣性、重力、表面張力和幾何形狀的影響。這些關(guān)聯(lián)式均是在特定的研究中提出，所以不能很好的相互驗證。A. T. Wijayanta等[10]提出了一種預(yù)測進入每根扁管的液體比率的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，該經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式考慮了更多的影響因數(shù)，把弗勞德數(shù)和韋伯數(shù)整合到模型中，該關(guān)聯(lián)式可能更適用于不同的流體和集液管的幾何形狀，因為考慮了更多影響分布的參數(shù)，包括慣性、重力和表面張力。M. A. Redo等[11]也提出了一種經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，該經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式考慮了重力、干度、慣性、表面張力的影響，對于實驗結(jié)果有較好的驗證，整體誤差在±25%以內(nèi)。A. J. Mahvi等[45]提出了一種新的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，該模型考慮了兩相流在集液管的流動模型和集液管、扁管的壓降，該模型可以預(yù)測各扁管內(nèi)液體流量的變化趨勢和變化幅度，較其他經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀辛溯^大的提高。同時對于計算方式，也有了較為先進的研究。W. Lee等[46]提出了一種數(shù)值算法來研究兩相流在微通道換熱器中的分布，該方法是將控制單元的守恒方程線性化，利用矩陣來求解，大大提高了計算速度。N. Giannetti等[47]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算方式，表明該方法和傳統(tǒng)的計算方式相比有著更高的精度，隨著訓練數(shù)據(jù)數(shù)量的增加，訓練和測試的準確性也會提高，而且沒有明顯的過擬合。

4 微通道換熱器相分離技術(shù)研究

相分離式換熱器，即在換熱器進口或換熱器中部布置氣液分離裝置，將氣相或液相制冷劑分離旁通，從而降低制冷劑側(cè)阻力損失，提高制冷劑側(cè)平均傳熱系數(shù)，進而提高系統(tǒng)性能，對于微通道換熱器，還可以改善其布液均勻性。針對微通道冷凝器，在換熱器流程中不斷將液相制冷劑分離，使得氣相制冷劑充分與通道內(nèi)壁接觸，增強換熱；另一方面，將液相制冷劑分離后，制冷劑的平均流速降低，則制冷劑側(cè)的阻力損失會下降，這種技術(shù)被稱為分液冷凝技術(shù)[48]。分液冷凝技術(shù)主要利用孔板聯(lián)箱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，即利用孔板在換熱器流程中進行氣液分離，液相制冷劑受重力作用穿管小孔被分離，并形成液膜阻隔氣體通過，分液式微通道冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖12所示[49]。對于微通道蒸發(fā)器，目前的相分離研究主要是在蒸發(fā)器入口前進行相分離，使液相制冷劑進入蒸發(fā)器，實現(xiàn)更好的布液均勻性。

表1 微通道換熱器兩相流經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

圖12 分液式微通道冷凝器結(jié)構(gòu)[50]

4.1 微通道冷凝器相分離技術(shù)

Zhong Tianming等[50]對比研究了分液式微通道冷凝器和常規(guī)微通道冷凝器，結(jié)果表明，當制冷劑質(zhì)量流速大于570 kg/(m2·s)或微通道換熱器平均干度大于0.57時，分液式微通道冷凝器的平均傳熱系數(shù)要大于常規(guī)微通道冷凝器，同時壓降降低了30.5%～52.6%。Zhong Tianming等[51]對比研究了雙排分液式微通道冷凝器和雙排微通道冷凝器，結(jié)果表明，在入口質(zhì)量流速為585～874 kg/(m2·s)時，雙排分液式微通道冷凝器的平均傳熱系數(shù)較雙排微通道冷凝器高3.3%～14.4%，且雙排分液式微通道冷凝器的壓降僅為雙排微通道冷凝器的43.4%和52.1%。陳穎等[52]闡述了微通道冷凝器中，微通道分液冷凝技術(shù)強化冷凝傳熱的原理，并通過實驗進行驗證，結(jié)果表明：當微通道冷凝器入口制冷劑質(zhì)量流速達到一定值時，分液冷凝技術(shù)器能同時實現(xiàn)強化傳熱和降低流阻，具有良好的綜合熱力性能。鐘天明等[53]研究了多管程布置微通道分液冷凝器的熱力性能，結(jié)果表明：管程數(shù)和每管程換熱管數(shù)對微通道冷凝器的熱力性能均有顯著影響，而傳熱系數(shù)和壓降在不同的每管程換熱管數(shù)變化較小，同時也指出實現(xiàn)完全分離的分液式微通道冷凝器比部分分離的分液式微通道冷凝器綜合熱力性能更好。鄭文賢[54]實驗研究了微通道分液冷凝汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明，相同運行工況下，相比于常規(guī)系統(tǒng)，分液冷凝系統(tǒng)的制冷量提升了5%，COP提升了6%，表明分液冷凝技術(shù)在汽車空調(diào)系統(tǒng)中具有一定應(yīng)用潛力。Li Jun等[55-56]通過實驗和仿真的方法對比研究了微通道分液冷凝器和常規(guī)微通道冷凝器的性能，如圖13所示(圖中數(shù)字表示每個流程的扁管數(shù)量)。對微通道分液冷凝器和常規(guī)微通道冷凝器換熱性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)在空氣進、出口溫度均相同的條件下，微通道分液冷凝器比常規(guī)微通道冷凝器的凝結(jié)水流量增加1.6%～7.4%，同時對比了微通道分液冷凝器系統(tǒng)和常規(guī)微通道冷凝器系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明：在相同過熱度、過冷度和制冷量下，微通道分液冷凝器系統(tǒng)比常規(guī)微通道冷凝器系統(tǒng)的COP高6.6%；通過仿真的方法對比研究了微通道分液冷凝器和常規(guī)微通道冷凝器的性能，仿真結(jié)果表明，在相同的質(zhì)量流量下且壓降保持在2%以內(nèi)，微通道分液冷凝器出口溫度比常規(guī)微通道冷凝器低1.3 K，同時微通道分液冷凝器的凝結(jié)水流量將增加6.1%。Li Jun等[57]延續(xù)了之前的工作，利用可視化技術(shù)定量研究了微通道分液冷凝器在入口制冷劑低干度(5%～25%)情況下的分離效率，研究顯示：在制冷劑質(zhì)量流速為90 kg/(m2·s)時集液管有最好的氣液分離效果，并指出影響集液管分離效率的兩個因素：1)集液管中向上流動的氣體；2)集液管進口的液體量。通過減小液體向上的動量或減小向上流動的氣體，并減小氣體和液體的相互作用可以提升集液管的分液效率。Luo Xianglong等[58]建立了分液式微通道冷凝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學模型，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標函數(shù)是最小年度總成本，與基準的分液式微通道換熱器相比，總成本最優(yōu)的分液式微通道冷凝器在蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中能減小45.2%，在有機朗肯循環(huán)中能減小34.9%。

圖13 兩種微通道冷凝器[55-56]

4.2 微通道蒸發(fā)器相分離技術(shù)

對于微通道蒸發(fā)器而言，可在換熱器進口或中部將氣相制冷劑分離旁通，從而保證液相制冷劑充分與通道內(nèi)壁接觸，增強換熱；同時降低制冷劑平均流速，減小制冷劑側(cè)壓降，提升換熱器綜合性能。對于氣液分離式微通道蒸發(fā)器，目前的研究主要是在蒸發(fā)器入口處加裝氣液分離裝置，將氣相制冷劑旁通至壓縮機吸氣口，液相制冷劑進入集流管，研究表明該方法可以顯著改善微通道內(nèi)制冷劑分布均勻性，并顯著降低制冷劑側(cè)壓降。Tuo Hanfei等[59]在汽車空調(diào)的微通道蒸發(fā)器前加裝了T型管進行氣液分離，氣相制冷劑直接進入壓縮機吸氣口，液相制冷劑進入蒸發(fā)器進行換熱，降低了蒸發(fā)器入口干度，改善了布液均勻性，實驗系統(tǒng)如圖14所示。實驗發(fā)現(xiàn)在壓縮機頻率不變的情況下，系統(tǒng)制冷量提升了13%～18%，能效提升了4%～7%。此外，Tuo Hanfei等[60-61]利用可視化技術(shù)詳細研究了在氣液分離前后，微通道蒸發(fā)器內(nèi)部兩相制冷劑分布特性的變化情況，在進行氣體旁通后，通道內(nèi)制冷劑分布均勻性得到大幅改善。圖15所示為氣體旁通前后，微通道換熱器集流管內(nèi)兩相制冷劑分布情況。由圖15可知，氣體旁通后，兩相制冷劑更均勻的進入扁管，使微通道換熱器換熱性能增強?；诖耍瑢W者繼續(xù)研究了不同T型管結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣液分離效果的影響，并針對汽車空調(diào)系統(tǒng)，提出了針對性的T型管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案[62]。

圖14 氣體旁通空調(diào)系統(tǒng)流程圖[60]

圖15 氣體旁通前后集流管內(nèi)制冷劑分布 [60-61]

5 總結(jié)與展望

在微通道換熱器中兩相流容易分布不均，顯著降低微通道換熱器的性能，本文歸納總結(jié)了現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻對微通道換熱器兩相流分布、相分離技術(shù)的研究，得到如下結(jié)論：

1)影響微通道換熱器兩相流分布的因素可以歸類為微通道換熱器結(jié)構(gòu)和兩相流特性及工作條件兩個方向，兩相流的流量、干度和微通道換熱器的結(jié)構(gòu)共同決定了集液管中的流動形態(tài)，均會對兩相流分布產(chǎn)生較大影響。

2)改善微通道換熱器兩相流分布均勻性主要是在集液管中加入分配裝置來改善兩相流分布均勻性，且有較好的效果。

3)相分離技術(shù)通過分離微通道換熱器中的兩相流的氣體或液體，能有效提高微通道換熱器的換熱能力。

盡管微通道換熱器的兩相流分布特性和相分離技術(shù)已經(jīng)取得了初步的研究成果，并且一些改善方案得到了一定的應(yīng)用，但仍存在一些問題值得進一步研究：

1)對于兩相流在微通道換熱器的分布均勻性的研究，目前的文獻多數(shù)沒有考慮實際的扁管換熱對兩相流分布的影響，對于實際情況的微通道換熱器兩相流分布還需進一步開展。

2)在集液管中插入分配裝置，能有效提高兩相流的分布均勻性，但加入分配裝置必定帶來較大的壓降，相關(guān)的實驗和理論研究還有待進一步開展。

3)對于相分離技術(shù)在微通道換熱器作為冷凝器時的研究較多，但作為蒸發(fā)器時相關(guān)的研究較少，且主要集中在換熱器前實現(xiàn)相分離，對于在換熱器中實現(xiàn)相分離的研究較少，同時關(guān)于相分離蒸發(fā)器的流程優(yōu)化及與相關(guān)系統(tǒng)的匹配特性還有待進一步研究。