氣液分離器異音消除結構優化研究

馬煥橋+顏利波

摘 要：對于氣液分離器的使用，特別是在比較復雜的空調系統中，不但其分離效果影響整個空調系統的性能、安全性、穩定性，其結構的優化對運行過程中冷媒流動產生的異音消除效果也非常明顯。采用仿真軟件對不同結構的氣液分離器進行建模和數值模擬計算，分析了氣液分離器的結構進行優化設計的方向。

關鍵詞：氣液分離器；湍流模型；仿真研究；熱回收技術

中圖分類號：TE93 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.007

在空調行業，特別是在一些較復雜的系統應用中，常常會用到氣液分離器。氣液分離器一般結構比較簡單、緊湊。其分離效果影響了整個空調系統的性能、安全性、穩定性，其結構的優化對運行過程中冷媒流動產生的異音消除也有非常明顯。因此，對氣液分離器的結構進行優化研究具有重要的實際意義。

1 空調系統中的氣液分離器

隨著人們環保意識的增強，熱回收空調越來越受青睞。熱回收技術能實現同一套空調系統的同時制冷制熱，可以把一部分房間的冷負荷或熱負荷供給另外一部分需要的房間，減少從外部環境獲得的冷負荷或熱負荷，也同樣減少了向外部環境排放的冷負荷或熱負荷。這樣不僅可減少系統設計容量、降低系統能耗、提升能效、更加節能，還可減少對外部環境的碳排放，緩解居住環境熱島效應，更加環保。兩管式熱回收系統是目前市場上主流熱回收空調系統中的一種。美的兩管式熱回收空調系統主要包括室外機、冷媒換向及氣液分離裝置和室內機。對于不同區域制熱或制冷需求，由分流裝置分配不同的氣液態冷媒到所在區域的室內機。目前，市場上的氣液分離器在液面波動時容易出現抽吸異響。我們針對抽吸異響的產生對分離器進行了剖析。

對于美的空調熱回收空調系統里的氣液分離器，高溫高壓氣液混合物從圖1中分離器的左邊入口進入罐子，入口管斜插進分離器中部，待分離的兩相混合液以一定壓力進入分離器內部。由于制冷劑的液態顆粒與氣態顆粒的比例不同，其受到的離心力、向心浮力等均不同，從而產生離心沉降作用。大部分液態顆粒終要沉在底部及壁面，然后從底處流出，而氣態顆粒則從頂部的氣流出口溢出。分離器頂部設置有一擋板，擋板在起到阻擋液相顆粒高速旋轉流動作用的同時，使得部分液體顆粒與壁面碰撞后向上流動。

2 構建氣液分離器仿真模型

2.1 氣液分離器熱回收系統湍流數學模型

流體力學中關于湍流數學模型主要有標準RNG k-ε模型、k-ε模型、雷諾應力（RSM）模型。RNG k-ε是在標準k-ε模型上把重整化群方法引入到湍流計算中，而標準k-ε模型是一個半經驗公式，它假定流場完全為湍流，分子間的黏性可忽略不計。

RSM模型則完全忽略了基于各向同性、渦粘性的假設，主要側重于考慮流體流線行渦旋、旋轉、彎曲和張力快速變化。這種模型對于流動復雜性有著更高精度預測的潛力，因此，很多時候能得出優于各種k-ε模型計算的結果。

按照強旋流范圍的概念，氣液分離器內部流體在湍流流動是有曲率的，因此具有很大的切向速度。相關文獻表明，采用k-ε方程對該強旋流動模型進行仿真計算存在嚴重的缺陷，仿真與真實實驗結果存在著嚴重不符的情況。

本文所用的美的自制研發的氣液分離器內部結構與其他廠家的區別在于增加了出口和入口管道以及擋板。由于存在不同的壁面條件，造成了不同的湍流動能。因此，氣液分離器的內部流場不能用雷諾應力各項同性的假設來準確反映。

2.2 罐子內部兩相流場涉及到的數學模型

拉格朗日法和歐拉法普遍被用于模擬分散相。拉格朗日法是通過計算得到每個顆粒運動軌跡，從而模擬容器內部兩相流的流動情況；歐拉法是將分散相等同對待為連續相等相處理，從而得到每相的局部體積分率。

拉格朗日模型主要被用于模擬模型低體積濃度的情況；歐拉法中每相都有1組傳輸方程，以此來描述和模擬計算相與相之間運動的相互作用及影響。本文采用歐拉模型來模擬兩相流，這是因為所用的氣液分離器模型中氣相與液相相互作用，且兩相濃度會隨工況的變化而變化。

2.3 模型的網格劃分及邊界條件

本文所涉及的空調系統采用環保的R410A制冷劑，從實驗測試數據結果得到的下出口和入口的邊界條件如表1所示。

2.4 關于網格無關性的驗證

本文采用自適應六面體非結構性網格對氣液分離器進行不同的數量網格劃分，從55萬和169萬這2種網格模型的計算結果對比發現，2種網格計算的結果雖然差異不大，但計算時間長的網格計算是短的網格的3.5倍以上，因此，本次計算采用小網格。

3 仿真模型計算結果及結構優化

3.1 干度條件不同情況下計算結果分析

在結構相同的情況下，由于制冷劑的干度不同，氣液分離效果也不同，從實驗計算的結果可知，入口氣相所占比例越小，入口干度越小，氣液分離器的效果越好。由于空調系統在實際運行過程中無法對氣液分離器入口制冷劑干度的大小進行控制，所以，我們主要對氣液分離器的結構進行優化。

3.2 改進結構計算結果分析

在不同結構下，通過軟件計算得到影響氣液分離異音的主要因素是液體出管位置、入口管彎角度數及位置。計算得出，液側出口管吸口位置越低，雖能更好地阻止氣體從液側出口流出，但由于出口管過低會增加加工難度，超過一定位置極限值時還會使液體無法從液側出口流出。通過計算結果表明，罐子頂部擋板過低，不但阻擋不了液體，反而會從氣側流出；但是擋板過高時，氣體又無法順利從氣側出口流出。結果表明，擋板下傾較小角度時，氣體可以順利流出，還大大降低了液體的干度，進而提升了氣液分離的效果；擋板向上傾斜可保證液體無法從氣側出口流出，但氣體也無法從氣側出口順利流出，氣液分離效果變差。在加工工藝允許的情況下，為了利于氣體從氣側出口流出，氣側出口管越高越好。

綜合分析分離效果的影響因素，美的制作出了液側出口管從罐子底部中央流出，擋板和入口管口上移10 mm的氣液分離器。仿真結果表明，結構優化后的罐子氣液分層效果提升明顯，尤其是干度越大，旋流效果和氣液分離效果就越明顯。同時，氣液出口流量分配更加合理，因為提高了氣側出口干度后，液側出口干度明顯下降。氣液分離器結構優化含氣率分布情況如圖1所示。

4 結論

本文采用歐拉兩相流模型以及雷諾應力RSM湍流模型，利用仿真軟件計算對比相同干度、不同結構下的氣液分離器分離效果，得到的結論有以下2點：①對于優化后的氣液分離器，位置不同的液側出管和氣側出管對氣液分離器分離效果有較大的影響。根據仿真計算得出的結果，液側出口管中間流速較快，形成了漩渦，使得氣體中管子中間流出，液體沿管壁流出，因此，不易出現抽吸異響。②對于改進后的結構，即使液位波動，液出口也不易出現氣液交替從液出口流出的情況。擋板和入口管上移液出口干度略有下降，氣出口干度上升，效果略有提升。

參考文獻

[1]張慢來，馮進.基于CFD的離心式氣液分離器結構設計及仿真優化[J].石油礦場機械，2008，37（51）.

[2]彭維明，張文秀.分離器中內部流場對分離性能的影響[J].石油學報，2001，22（06）.

[3]趙磊.基于Fluent的旋流分離器內氣液兩相流數值模擬[J].測控技術，2013（12）.

[4]呂家明，葉奇防，陳江平.基于計算流體力學模型的旋流分離器的優化設計[J].制冷學報，2010，31（03）.

[5]周華，夏南.油氣分離器內氣液兩相流的數值模擬[J].計算力學學報，2006，23（06）.

作者簡介：馬煥橋（1983—），男，工程師學位，研究方向為暖通空調。

〔編輯：張思楠〕