提高制冷劑分流均勻性的分配器連接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 璐 劉艷濤 詹飛龍 丁國良 郜哲明 許學(xué)飛

(1 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240；2 廣東美的制冷設(shè)備有限公司 順德 528311)

隨著小管徑技術(shù)的發(fā)展，制冷空調(diào)系統(tǒng)中的蒸發(fā)換熱器常采用多流路形式來減小制冷劑流動(dòng)壓降并提升換熱性能[1-2]。為了使節(jié)流后的氣液兩相制冷劑能夠等量、均勻地分配到蒸發(fā)器各流路中，需要在蒸發(fā)器前引入分配器[3]。受空調(diào)器室內(nèi)機(jī)的空間限制，分配器一般為傾斜安裝[4]，兩相制冷劑需從折彎型的連接管進(jìn)入分配器中，分配器及其連接管的布置方式如圖1所示。

圖1 制冷空調(diào)系統(tǒng)中分配器及其連接管的布置方式

分配器在實(shí)際使用過程中存在分流不均勻的問題，使空調(diào)器性能下降[5-6]。分配器分流不均時(shí)，蒸發(fā)器部分流路中的制冷劑流量偏小，導(dǎo)致制冷劑過早蒸干并出現(xiàn)嚴(yán)重過熱；而另一些流路中的制冷劑流量偏大，導(dǎo)致制冷劑蒸發(fā)不充分[7]。為了提高空調(diào)系統(tǒng)性能，需要提高分配器的分流均勻性。

除了分配器本體的結(jié)構(gòu)及安裝方式會(huì)影響分流均勻性外，分配器連接管的布置形式也會(huì)影響分流均勻性[8]。節(jié)流后的氣液兩相制冷劑進(jìn)入到分配器連接管中時(shí)，由于氣相和液相流經(jīng)折彎處時(shí)會(huì)受到不同大小的離心力作用，氣液兩相會(huì)發(fā)生分離，使進(jìn)入到分配器本體的兩相制冷劑流型不對稱[9]。又由于分配器本體為傾斜安裝，入口流型不對稱的兩相制冷劑進(jìn)入分配器本體時(shí)會(huì)由于重力影響而使各出口支路制冷劑流量不一致，從而進(jìn)一步降低分流均勻性[10]。因此，提高分配器的分流均勻性需要從改進(jìn)分配器本體結(jié)構(gòu)和改進(jìn)分配器連接管結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面來進(jìn)行。

已有的分配器研究主要集中在分配器本體結(jié)構(gòu)對分流均勻性的影響及優(yōu)化上，缺乏對于分配器連接管的影響及優(yōu)化的研究。高晶丹等[11-12]對比了插孔式分流器、圓錐式分流器、反射式分流器三種常見分配器的分流性能，發(fā)現(xiàn)圓錐式分配器和反射式分配器受安裝角度影響較小。翁曉敏等[13-14]研究了安裝角度對插孔式分流器和反射式分流器的影響，發(fā)現(xiàn)安裝角度對反射式分流器影響較小。趙定乾等[15]設(shè)計(jì)了一種通過構(gòu)建環(huán)狀流實(shí)現(xiàn)均勻分配的新型分配器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型分配器性能優(yōu)于目前最常用的圓錐式分配器。Yao Yufang等[16]通過可視化實(shí)驗(yàn)研究了質(zhì)量流量、干度和安裝角度對圓錐式分配器的影響，結(jié)果表明高速流動(dòng)條件下安裝角度對分配器的性能影響可以忽略。

本文的目的是對分配器連接管的分流均勻性影響因素進(jìn)行分析并提出新的分配器連接管結(jié)構(gòu)形式，從而提高分配器在空調(diào)系統(tǒng)中的分流均勻性。

1 提高分流均勻性的研究思路

1.1 分配器連接管的優(yōu)化思路

分配器連接管的優(yōu)化思路如表1所示。制冷空調(diào)系統(tǒng)中的分配器連接管通常為只朝著一側(cè)方向進(jìn)行折彎的結(jié)構(gòu)形式，如表1中的原型分配器連接管所示。由于氣相制冷劑和液相制冷劑的密度差異較大，兩相制冷劑從連接管的垂直段進(jìn)入到傾斜段時(shí)，液相受到的離心力顯著大于氣相受到的離心力，使氣液兩相發(fā)生分離；液相會(huì)被逐漸分離到折彎的外側(cè)管壁上，而氣相則會(huì)聚集在折彎的內(nèi)側(cè)管壁上，導(dǎo)致進(jìn)入到分配器本體的兩相制冷劑流型不對稱。

本文提出的分配器連接管結(jié)構(gòu)改進(jìn)的思路是，將原來的單一方向折彎改變?yōu)檫B續(xù)反方向折彎以降低氣液相分離程度。表1所示為一種具體的分配器連接管改進(jìn)結(jié)構(gòu)的效果圖，將原來的一次折彎更改為三次折彎。采用該折彎方式的理由是，若采用二次折彎，分配器出口管的朝向會(huì)發(fā)生顯著變化，可能會(huì)對分配器出口與換熱器之間的管路布置造成困難；而若采用三次折彎，分配器出口管的朝向基本不發(fā)生變化，則不會(huì)造成分配器出口與換熱器之間管路布置上的困難。

表1 分配器連接管的優(yōu)化思路

對于改進(jìn)的分配器連接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩相制冷劑進(jìn)入到第一個(gè)折彎處時(shí)，由于液相所受到的慣性力大于氣相，液相將在折彎處外側(cè)聚集，而氣相則在折彎處內(nèi)側(cè)匯合形成氣膜，此時(shí)氣液相分離程度較大。分離后的兩相制冷劑進(jìn)入到第二個(gè)折彎朝向相反的折彎處時(shí)，液相在慣性力作用下壓迫氣膜，被擠壓出去的氣泡將重新與液相混合，此時(shí)折彎內(nèi)側(cè)的氣膜變小。而制冷劑再次進(jìn)入到第三個(gè)折彎朝向相反的折彎處時(shí)，液相在慣性力作用下繼續(xù)壓迫氣膜，使得折彎內(nèi)側(cè)的氣膜進(jìn)一步縮小，大量氣泡與液相混合，此時(shí)氣液相混合程度得到顯著提升，提高了出口的分流均勻性。

1.2 研究技術(shù)路線

分析上述優(yōu)化思路可知，分配器連接管的折彎形式會(huì)對分流均勻性產(chǎn)生顯著影響。為了能夠得到最佳的分配器連接管改進(jìn)結(jié)構(gòu)，本文研究的技術(shù)路線如圖2所示，包括三個(gè)步驟。

圖2 設(shè)計(jì)最佳分配器連接管結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線

步驟一：分配器連接管中各結(jié)構(gòu)參數(shù)對分流均勻性的影響分析。分配器連接管中影響分流均勻性的結(jié)構(gòu)因素包括折彎角度θ(θ0、θ1、θ2、θ3)、折彎半徑R(R0、R1、R2、R3)和管路直徑D(D0、D1)。為了得到優(yōu)化方案的最佳參數(shù)組合，需要分別研究這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對分流均勻性的影響。

步驟二：確定有利于提高分流均勻性的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合形式。在上述因素分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮空調(diào)室內(nèi)機(jī)安裝空間、材料彎曲強(qiáng)度、流動(dòng)壓降等限制因素，在加工工藝允許的范圍內(nèi)，確定分配器連接管優(yōu)化方案的最佳參數(shù)組合。

步驟三：分配器連接管優(yōu)化方案的分流均勻性提升效果分析。仿真分析分配器連接管優(yōu)化方案的分流均勻性，與原型結(jié)構(gòu)的分流均勻性進(jìn)行對比，并根據(jù)對比結(jié)果對方案進(jìn)行改進(jìn)。

2 各因素影響分流均勻性的模擬方法

2.1 模擬對象及條件設(shè)置

模擬對象選為空調(diào)器中常見的分配器及其連接管的結(jié)構(gòu)型式。其中，折彎角度θ0的取值范圍為120°～160°，折彎半徑R0的取值范圍為12～24 mm，管路直徑D0的取值范圍為9～14 mm。

基于Fluent軟件對分配器及其連接管的分流特性進(jìn)行CFD模擬。模擬計(jì)算中采用Euler兩相模型和k-ε湍流模型。其中，分配器連接管入口處定義為速度入口，出口處定義為自由出口。速度入口的形式為均相流入口，干度固定為0.2，相應(yīng)的空泡系數(shù)為0.72。速度和壓力的耦合求解方式采用“PISO”算法，且壓力項(xiàng)采用“PRESTO!”格式進(jìn)行離散。

模擬過程中的假設(shè)條件包括：1)流動(dòng)不可壓縮；2)忽略傳熱過程，不考慮相變；3)制冷劑氣相和液相物性參數(shù)為常數(shù)。

模擬中用到的材料選擇為實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)中采用的R32制冷劑，其物性參數(shù)如表2所示。

表2 模擬中所用R32制冷劑物性參數(shù)

2.2 分流均勻性評價(jià)方法

采用分配不均勻度ε評價(jià)分配器的分流效果[17]。不均勻度ε的計(jì)算式如式(1)所示。ε越小，各出口流路流量差異越小，分流性能越好。

(1)

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立解分析

對模擬中的網(wǎng)格獨(dú)立解進(jìn)行了分析。對于邊界層網(wǎng)格，取第一層邊界層網(wǎng)格大小為0.001 mm，網(wǎng)格層數(shù)為6層，網(wǎng)格生長率為1.2，可充分反映管壁上的流型變化。對于流場網(wǎng)格，依次選取6種不同流場網(wǎng)格大小來計(jì)算分配不均勻度。計(jì)算結(jié)果如圖3所示，當(dāng)流場網(wǎng)格大小由0.2 mm減小為0.1 mm時(shí)，分配不均勻度的變化幅度小于1%，故選取流場網(wǎng)格大小為0.2 mm。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立解分析

3 各結(jié)構(gòu)參數(shù)的分流均勻性影響

3.1 折彎角度對分流均勻性的影響

圖4所示為在分配器連接管中的折彎半徑R0為8 mm，管路直徑D0分別為9、12、15 mm條件下，不同折彎角度θ0對分配不均勻度的影響。由圖4可知，分配器連接管的折彎角度越大，分配不均勻度越大；折彎角度由70° 增至130° 時(shí)，分配不均勻度提高約1.1～12.5倍。

圖4 折彎角度對分配不均勻度的影響

在相同的折彎半徑和管路直徑下，折彎角度越大，兩相制冷劑在折彎處受到的離心力越大；且由于液相受到的離心力大于氣相受到的離心力，使液相更容易在折彎外側(cè)聚集，而氣相則在折彎內(nèi)側(cè)聚集，導(dǎo)致分配不均勻度增大。此外，當(dāng)管路直徑為9 mm或12 mm時(shí)，分配不均勻度隨著折彎角度的增大呈單調(diào)增大趨勢；而當(dāng)管路直徑增大為15 mm時(shí)，隨著折彎角度的增大，分配不均勻度會(huì)逐漸達(dá)到一個(gè)最大值并保持穩(wěn)定。

3.2 折彎半徑對分流均勻性的影響

圖5所示為在分配器連接管中的管路直徑D0為9 mm，折彎角度θ0分別為70°、90°、130°條件下，不同折彎半徑R0對分配不均勻度的影響。由圖5可知，分配器連接管的折彎半徑越大，分配不均勻度越大；折彎半徑由4 mm增至20 mm時(shí)，分配不均勻度提高約0.3～5.0倍。

圖5 折彎半徑對分配不均勻度的影響

在相同的管路直徑和折彎角度下，折彎半徑越大，折彎段的沿程長度越大，兩相制冷劑在折彎處受離心力作用而發(fā)生氣液分離的時(shí)間就越長，導(dǎo)致分配不均勻度越大。此外，當(dāng)折彎角度為較大的90°或130°時(shí)，折彎半徑變化對分配不均勻度的影響會(huì)更加顯著。這是因?yàn)樵诖笳蹚澖嵌葪l件下，隨著折彎半徑增加，兩相制冷劑流經(jīng)折彎處的沿程長度就越長，導(dǎo)致氣液分離的作用時(shí)間越多。

3.3 管路直徑對分流均勻性的影響

圖6所示為在分配器連接管中的折彎半徑R0為8 mm，折彎角度θ0分別為70°、90°和130°條件下，不同管路直徑D0對分配不均勻度的影響。由圖6可知，分配器連接管的管路直徑越大，分配不均勻度越大；管路直徑由9 mm增至15 mm時(shí)，分配不均勻度提高約0.2～4.5倍。

圖6 管路直徑對分配不均勻度的影響

在相同的折彎半徑和折彎角度下，管路直徑越大，分配器連接管內(nèi)的兩相制冷劑流速越小，兩相制冷劑受重力和離心力作用越顯著，使氣液分離現(xiàn)象更顯著，分配不均勻度增加。此外，當(dāng)折彎角度較小時(shí)，分配不均勻度隨著管路直徑的增加而增大；當(dāng)折彎角度較大時(shí)，隨著管路直徑的增大，分配不均勻度會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定最大值。

3.4 各因素影響權(quán)重的DOE分析

采用DOE分析方法分析上述各因素對分配不均勻度的影響權(quán)重。DOE分析方法是通過將收集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法整理得到各影響因素的極差，并通過極差判斷各因素的影響程度。某個(gè)因素的極差越大，對分配器性能的影響越顯著。DOE分析結(jié)果如表3所示。其中，折彎角度的極差最大，為折彎半徑和輸入管組件管徑極差的約10倍，說明折彎角度是最主要的影響因素。因此對于分配器連接管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)首先保證折彎角度較??；若存在多個(gè)折彎，則需要保證合理設(shè)計(jì)折彎角度和折彎半徑，保證流體在流經(jīng)分配器連接管時(shí)受到不同方向的離心力可以相互抵消，分配器入口處形成氣液兩相流型對稱。

表3 分配器連接管中各結(jié)構(gòu)因素的影響權(quán)重

對于本文提出的連續(xù)三次反向折彎的改進(jìn)型分配器連接管而言，由于前兩次折彎角相等，可以相互抵消氣液相分離的作用，故第三次折彎的結(jié)構(gòu)將對分流的均勻性起到?jīng)Q定性作用。因此改進(jìn)的重點(diǎn)是保證第三次折彎處的折彎角度盡可能小。

4 分配器連接管的優(yōu)化結(jié)果

4.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

通過上述各分配器連接管結(jié)構(gòu)因素對分流均勻性的影響可知，較小的折彎角度、折彎半徑及管路直徑有利于提高分流均勻性。綜合考慮分配器安裝空間、分流均勻性以及壓降的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)取值為：折彎角度θ1=160°，θ2=160°，θ3=120°；折彎半徑R1=8 mm，R2=12 mm，R3=8 mm；管路直徑D1=9 mm。其中，前兩次折彎對流型的影響可以起到抵消作用；在安裝空間允許的范圍內(nèi)增大R2至12 mm，可以在一定程度上抵消第三個(gè)折彎角對流型的干擾作用；第三個(gè)折彎角的θ3取最小值120°，減小制冷劑流經(jīng)第三個(gè)折彎角受到的離心力作用范圍；在安裝空間允許的范圍內(nèi)增大R2至12 mm，可以在一定程度上抵消第三個(gè)折彎角對流型的干擾。

4.2 優(yōu)化方案的分流均勻性提升效果分析

圖7所示為兩相制冷劑流經(jīng)原型分配器連接管和改進(jìn)的分配器連接管時(shí)的氣液兩相分布情況，圖中淺色代表氣相，深色代表液相。

原型分配器連接管的流動(dòng)過程如圖7(a)所示，入口兩相均勻分布的制冷劑流經(jīng)折彎處時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣液分離現(xiàn)象，液相集中分布在折彎的外側(cè)，而氣相聚積在折彎內(nèi)側(cè)；制冷劑經(jīng)折彎角進(jìn)入直管段的流動(dòng)過程中，氣液兩相不能重新混合均勻，分配器出口處氣液分層嚴(yán)重，各出口管制冷劑氣液兩相占比差異大，分配不均勻。

圖7 兩相制冷劑在分配器連接管中的流動(dòng)過程

分配器在折彎角出現(xiàn)氣液分離的原因是液相制冷劑慣性作用大，會(huì)在折彎外側(cè)聚集，氣相慣性作用小，會(huì)在折彎的內(nèi)側(cè)聚集。流經(jīng)折彎角的制冷劑只經(jīng)過短短的直管段后即進(jìn)入分配器，導(dǎo)致上述的流場無法在足夠長的直管段內(nèi)獲得充分的重新混合，分配器入口氣液分布不均，分配器性能惡化。

改進(jìn)的分配器連接管的流動(dòng)過程如圖7(b)所示，入口兩相均勻分布的制冷劑流經(jīng)第一個(gè)折彎處時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣液分離現(xiàn)象，液相集中分布在折彎的外側(cè)，而氣相聚積在折彎內(nèi)側(cè)；經(jīng)過第二個(gè)和第三個(gè)折彎后，兩相制冷劑受到不同方向的離心力作用，氣相和液相重新混合后進(jìn)入分配器，相比于原型分配器，分配均勻性提升。

與原型結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化的分配器經(jīng)3個(gè)折彎段，氣液兩相混合更均勻，經(jīng)分配器完成分配后，進(jìn)入各出口管的制冷劑氣液兩相占比的差異顯著減小，分配更均勻。計(jì)算得到的原型結(jié)構(gòu)分配不均勻度為0.484，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的分配不均勻度為0.174，降低約64.4%，效果顯著。

4.3 優(yōu)化方案的加工可行性分析

空調(diào)用分配器連接管的材料通常為紫銅管，本身具有良好的拉制、彎曲以及機(jī)械變形工藝性能，可采用現(xiàn)有成熟的銅管彎管工藝來實(shí)現(xiàn)本文提出的連續(xù)折彎型分配器連接管的加工。

分配器連接管進(jìn)行折彎時(shí)，外側(cè)管壁因受拉力作用會(huì)伸長減薄，外側(cè)管壁的壁厚減薄量不應(yīng)過大。通過對本文提出的連續(xù)折彎型分配器連接管進(jìn)行估算表明，外側(cè)管壁受拉力產(chǎn)生的壁厚減薄量低于原始壁厚的17%，滿足JB/T 7659.5—1995《氟利昂制冷裝置用翅片式換熱器》[18]的要求。

5 結(jié)論

本文分析了分配器連接管中折彎角度、折彎半徑和管路直徑等結(jié)構(gòu)因素對分流均勻性的影響，并提出了優(yōu)化的分配器連接管結(jié)構(gòu)來提高分流均勻性，得到如下結(jié)論：

1)空調(diào)器用分配器連接管為折彎型結(jié)構(gòu)，兩相制冷劑流經(jīng)折彎管時(shí)會(huì)由于離心力作用而發(fā)生氣液相分離，使進(jìn)入到分配器本體的兩相制冷劑流型不對稱，導(dǎo)致分流均勻性下降。

2)分配器連接管中的折彎角度是影響分流均勻性的最重要因素，且較小的折彎角度、折彎半徑及管路直徑有利于提高分流均勻性。

3)提出的將原有分配器連接管單一方向折彎改變?yōu)檫B續(xù)反方向折彎的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路可以降低氣液相分離程度，優(yōu)化后的分配器連接管分流不均勻度降低64.4%，分流均勻性得到顯著改善。