不同制冷工質在分配器中的分配特性分析及結構優化設計

高揚*，翁曉敏，丁國良，胡海濤，宋吉

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

不同制冷工質在分配器中的分配特性分析及結構優化設計

高揚*1，翁曉敏1，丁國良1，胡海濤1，宋吉2

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

本文采用CFD仿真研究了R22、R410A、R32、R290四種制冷劑下分配器特性在不同安裝角度工況下的變化規律。研究結果表明，對氣液相密度比大的制冷劑工質（R32、R410A），在垂直安裝條件下，插孔式分配器分配效果最好；在傾斜安裝條件下，圓錐式分配器分配效果最好。對氣液相密度比小的制冷劑工質（R22、R290），圓錐式分配器分配效果均為最好。結合理論分析和分配器特性的變化規律，提出實際安裝條件下適用于四種制冷劑的分配器結構的通用優化設計方案，并與改進前分配器性能進行對比驗證。對比結果表明，改進后的分配器結構能夠改善分配器的分配性能。

分配器；兩相流；CFD仿真；結構優化；分配性能

0　引言

小管徑房間空調器具有結構緊湊、制冷工質充注量少的特點，不僅減少了材料使用、降低了成本，而且使得環保可燃的工質（如R32、R290）得以應用于空調器，擴大了房間空調器使用制冷劑的范圍［1］。但是，小管徑銅管（管徑不大于5 mm）的采用導致了制冷工質的壓降迅速增加，換熱器的性能也隨之急劇惡化。為了彌補小管徑房間空調器壓降過大造成的性能下降，需要采用多流路換熱器。同時，為了解決制冷劑分流不均，需要引入分配器［2］。

在家用房間空調器中，分配器的進口連接毛細管出口，其出口一般分成2～8路，通過毛細管與房間空調器的蒸發器各流程相連。性能良好的分配器能通過分流，將制冷劑等量、均勻地分配給蒸發器的各個流路。分配器的分流性能較差時，各分路制冷劑分配并不均勻［3］。供液量偏少的分路內，制冷劑快速蒸發成氣體，出口過熱度很大，換熱面積沒有有效地進行利用；供液量偏大的分路內，出口的過熱度很小，甚至可能有未蒸發的液體［4］，造成空調系統的運行性能惡化。所以分配器的流量分配性能對小管徑房間空調器的性能有重要影響。

翁曉敏等［5］和高晶丹等［6］采用空氣-水為流體對插孔式分配器進行了理論和實驗研究，得出了插孔式分配器的優化結構。翁曉敏等［7］對反射式分配器進行了結構優化設計和實驗驗證，證明改進結構具有更優異的分配性能。上述研究大都采用空氣-水來模擬制冷劑的運行工況。但是，不同制冷工質，由于其物性的不同，導致具體工況如空泡系數、氣相和液相速度等的差異，這些差異都將直接影響到對應的分配器設計。因此，已有針對空氣-水混合物的分配器優化設計可能不能直接拓展到制冷劑。

本文對不同制冷工質應用下的分配器特性變化規律進行研究，目的在于得出一種對不同制冷工質通用的優化設計結構。

1　分配器形式和結構調研及研究對象確定

調研針對的主體是國內外大型的空調企業和分配器制造企業，通過調研，整理各個廠家使用的分配器結構型式和工質，為接下來研究做準備。調研企業有空調制造企業D公司，F公司，K公司，以及分配器制造企業H公司。通過上述調研結果的反饋，確定了以下研究范圍。

1）研究的制冷工質為已投入生產的R22/R410A/R32和有替代R22潛力的環保工質R290。

2）研究的分配器類型為4分路圓錐式、插孔式、反射式分配器，各分配器原型如圖1所示。分配器安裝傾角（相對于垂直方向）為0°、5°和10°（極限安裝傾角）。

圖1　三種分配器結構示意圖（單位：mm）

2　制冷劑對分配性能影響的理論分析

2.1兩相流動模型

分配器中制冷劑介質的兩相流理想流型為環狀流或者霧狀流，此種流型下空泡系數α相對較大（大于80%），適合用分相流動模型進行處理，即把兩相流看成是分開的兩股流體，分別按單相流處理并計入相間作用［8］。

空泡系數α的計算公式［9］如下所示：

其中，無量綱數h和n的經驗關系式如下：

式中：

ρg——制冷劑氣相的密度，kg/m3；

ρl——制冷劑液相的密度，kg/m3。

氣相折算速度：

液相折算速度：

式中：

m ——工質的總質量流量，kg/s；

x ——干度；

A ——管道截面積，m2。

2.2制冷劑對分配性能影響分析

分配器在實際運行中，分配性能與不同制冷介質的運行工況有直接關系，影響因素總結如下。1）氣液兩相的密度比

由空泡系數的計算公式可知，空泡系數α與干度、氣液兩相的密度比有關。分配器進口干度在系統正常工作時穩定在0.2左右［10］，但是對于不同的制冷工質，其氣液兩相的密度比有一定差異，這會直接影響空泡系數。如表1所示為R22/R410A/R32/R290在10 ℃時的氣液相密度比。

表 1 各制冷劑工質的氣液相密度比

在氣液兩相流動中，由于存在著氣泡的分裂和聚集，氣泡的形狀和大小隨流動狀態的變化而變化，所以氣、液相界面的形狀和分布在時間上和空間上均是隨機可變的。這是造成氣液兩相制冷工質在結構對稱的理想分配器（不考慮重力作用）中分配不能絕對均勻的原因。對不同制冷劑而言，氣相所占截面面積不同，導致不同制冷劑的空泡系數存在差異性。盡管氣相質量百分比小，但是體積百分比大，所以容易擠占流道，間接影響液相的體積流量，從而造成制冷劑的流量降低［11］。

實際過程中，分配器的安裝還存在一定的傾斜角。由于密度不同，較輕的氣相組會涌向高處的出口支路，而液相組會涌向低處的出口支路，造成分配不均。對不同制冷工質，氣液相密度差異很大，會影響到氣液相組的分配。

2）氣液兩相的流速

根據氣液相速度折算公式，不同制冷劑工質氣液相速度存在差異，這將會影響到兩相流的流型。根據Weisman計算公式［12］，制冷劑的流速越高，液相質量流率Gl越大，液膜就越薄，相應散落在氣相中的液滴也就越多，流型也就更加接近彌散霧狀流，即液滴能均勻分布在氣相中進行流動的一種流型。當流速較低時，較難形成霧狀流，從而達不到較好的分配效果。

3）壓力波動

下游壓力波動會抑制上游流量［13］。不同制冷工質實際工作壓力不同，產生的壓力波動也會有差異，從而造成分配效果的差別。

2.3分配器分配不均勻性評價

本文采用各分路質量流量的標準差來衡量分流器的分流性能，標準差計算公式如下：）

式中：

S ——標準差，g/s；

n ——分路數；

mi——第i分路的出口質量流量，g/s；

mave——各分路質量流量之和的平均值，g/s。

3　不同制冷工質在分配器中的分配特性CFD模擬

利用FLUENT軟件對分配器分流情況進行模擬時，采用高質量的四面體網格和分區劃分的網格劃分策略，使三種分配器的網格達到了較高的網格質量［14］。

由于采用的數學模型為分相流動的兩相模型，將生成的網格導入FLUENT軟件進行模擬計算時選擇Euler兩相流模型和k-ε湍流模型。k-ε模型的各常數取值如表2所示。

表2　k-ε模型的各類常數取值

對不同的制冷劑，設定它們在某房間空調器以蒸發器額定制冷工況運行（室內側干濕球溫度維持在27℃/19℃，干度0.2），并控制各工質過熱度和換熱量相同。假設分配器下游的蒸發盤管的幾何結構尺寸和位置高度相同，并忽略兩者連接管的沿程壓力損失。由公式（1）～（3），得到分配器中各工質的入口邊界和出口邊界條件如表3所示。由公式（4）～（5）可知，對同種工質，由于流經的不同類型分配器的管道截面積不同，它們的氣相入口速度和液相入口速度也各不相同，這里不再詳述。

本文采用已有文獻中的空氣-水分配特性實驗數據［5］，對本文的CFD模型的預測精度進行驗證。驗證結果表明，本文建立的模型與實驗數據的誤差在15%以內。

表3　不同工質下分配器CFD仿真邊界條件

4　模擬結果比較與分析

4.1R22下分配器結構的分流特性變化規律

R22在三種類型分配器中的仿真計算邊界條件如表3所示。仿真計算后的標準差對比如圖2所示。

圖2　R22時插孔式、圓錐式、反射式分配器分流結果

從圖2的R22標準差對比圖可以看出，不論是垂直安裝時還是傾斜安裝時，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

這是因為制冷劑R22氣液兩相密度比小，氣液兩相流速大，出口壓力小。流速的影響大于壓力波動的影響，而圓錐式分配器混合腔的流速大于其他兩種分配器，更易形成霧狀流。因此在垂直和傾斜安裝時圓錐式分配器均有較好的分流效果。

4.2R410A下分配器結構的分流特性變化規律

R410A在三種類型分配器中的仿真計算邊界條件如表3所示。仿真計算后的標準差對比如圖3所示。

從圖3的R410A標準差對比圖可以看出，垂直安裝時，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器次之，反射式分配器分配效果最差；傾斜安裝時，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

這是因為制冷劑R410A氣液兩相密度比大，氣液兩相流速小，出口壓力大。插孔式分配器在垂直安裝時受壓力波動影響較小；傾斜安裝時，對傾斜安裝角敏感度大，因此其分配效果差；而圓錐式分配器的混合腔道相比于插孔式和反射式來說最小，并且出口有一定的傾斜角度（30°），根據質量守恒公式，兩相流經過圓錐式分配器混合腔時的流速大于其他分配器，較易形成霧狀流。

圖3　R410A時插孔式、圓錐式、反射式分配器分流結果

4.3R32下分配器結構的分流特性變化規律

R32在三種類型分配器中的仿真計算邊界條件如表3所示。仿真計算后的標準差對比如圖4所示。

圖4　R32時插孔式、圓錐式、反射式分配器分流結果

從圖4的R32標準差對比圖可以看出，垂直安裝時，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器次之，反射式分配器分配效果最差；傾斜安裝時，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。由于R32具有與R410A相似的物性，即氣液相密度大，氣液兩相流流速小，出口壓力大。因此其在分配器中的分配規律與R410A相似。

4.4R290下分配器結構的分流特性變化規律

R290在三種類型分配器中的仿真計算邊界條件如表3所示。仿真計算后的標準差對比如圖5所示。

圖5　R290時插孔式、圓錐式、反射式分配器分流結果

從圖5的R290標準差對比圖可以看出，不論是垂直安裝時還是傾斜安裝時，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

R290物性與R22類似，均具有氣液兩相密度比小，氣液兩相流速大，出口壓力小的特點。因此R290在分配器中的分配規律與R22相似。

5　分配器的優化設計

5.1分配器優化設計思路

根據市場調研顯示，垂直安裝的理想情況很難實現，而更常見的是5°以內的安裝傾角，這里基于傾斜5°的條件來研究圓錐式分配器結構優化設計方向。通過仿真研究三種類型分配器的結構因素對制冷劑氣液兩相分配的影響因素。空泡率反映了流道中氣相和液相的分布情況，可作為衡量氣液相狀態和分配均勻性的一個標志。圖6為R410A穩定流動時三種分配器傾斜5°的縱向截面的第二相（氣相）空泡率圖。

圖6　三種分配器空泡率圖

經過對三種分配器結構型式的分析，總結出影響氣液相分布的結構因素如下。

1）混合腔寬度。由圖6可知，由于混合腔太寬，其出口管兩側氣相不均勻分布比較明顯。所以混合腔寬度要盡可能的窄。

2）混合腔結構型式。由圖6可知，出口管的傾斜形成了獨特的圓錐體型的出口混合腔結構，混合腔截面積由低到高越來越小，較小的混合腔截面積保證了高流速，有利于霧狀流的形成。

3）混合腔和出口的連接。由圖6可知，由于混合腔和出口的連接管短且垂直，導致第二相在出口管處流路彎曲，并形成渦旋，阻礙了流體特別是液相的流出。所以混合腔和出口的連接管過渡要平緩。

基于以上的仿真計算結果和分析，圓錐式分配器的結構型式分配效果對這四種制冷劑工質而言都是最好的，具有普適性，應該基于這種結構型式的原型進行優化設計。

圓錐式分配器原型及各改進型如圖7所示。具體的改進方向（虛線圈標注）如下。

1）改進一：將各支路向外平移，使圓錐體型混合腔內移，變道口最接近分配器入口。

2）改進二：保持變道口寬度不變，增大支路間夾角為50°。

3）改進三：將進口連接管寬度變成5 mm。

圖7　圓錐式分配器原型及各改進型

5.2優化設計仿真結果

以R410A為工質，通過仿真計算其分流結果與理想情況下各分路平均質量流量之比如圖8所示。

圖8　圓錐式分配器原型及其改進型在安裝角度為5°各支路流量與平均流量之比

根據樣本方差值和分配器各出口流量與平均流量比值偏離1的程度，改進一和改進二都可以提高分配效果。

6　結論

通過研究R22/R410A/R32/R290在不同安裝傾角（0°/5°/10°）的插孔式/圓錐式/反射式三種分配器中分配特性，總結出如下結論。

1）對氣液相密度比大的制冷劑工質（如R32，R410A），垂直安裝條件下插孔式分配器的分配效果最好；傾斜安裝（5°，10°）條件下圓錐式分配器的分流效果最好。對氣液相密度比小的制冷劑工質（如R22，R290），圓錐式分配器的分流效果最好。

2）選擇圓錐式分配器進行優化，得到圓錐體型混合腔內移和增大出口管支路間夾角到50°兩種優化結構，證明其具有更好的分配效果。

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Analysis of Distribution Characteristics and Design of Structure Optimization of Distributor for Different Refrigerants

GAO Yang*1，WENG Xiao-min1，DING Guo-liang1，HU Hai-tao1，SONG Ji2
（1-Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2-International Copper Association，Shanghai 200020，China）

The flow distribution characteristics of four types of refrigerants（R22，R410A，R32，R290）in distributors under the conditions of different angles were investigated by CFD simulation.The research result shows that，for the refrigerant which has a bigger density ratio of vapor and liquid（R32，R410A），jack-type distributor is proved to have a best distribution performance under the condition of vertical installation，while cone-type distributor is proved to have a best distribution performance under the condition of inclined installation.For the refrigerant which has a smaller density ratio of vapor and liquid（R22，R290），cone-type distributor becomes the best one.According to the theoretical analysis and flow distribution characteristics，the structure optimization of distributor for these four refrigerants was proposed and verified by comparing the performance of the optimized distributor with the original one.The result shows that the optimized structure of the distributor can improve distribution performance.

Distributor；Two phase flow；CFD simulation；Structure optimization；Distribution performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.107

*高揚（1991-），男，碩士生。研究方向：制冷與低溫工程。聯系地址：上海市閔行區東川路800號，郵編：200240。聯系電話：021-34206865。E-mail：gao854188977@sjtu.edu.cn。