采用環(huán)狀流實(shí)現(xiàn)均勻分配的空調(diào)器分流器研究

(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海200240； 2 國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)(中國(guó)) 上海200020； 3 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海519070)

多流路換熱器具有壓降小、傳熱系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于空調(diào)器中以提升空調(diào)制冷和制熱性能[1]。為保證多流路換熱器具有良好的換熱性能，兩相制冷劑應(yīng)當(dāng)被均勻地分配到各流路。空調(diào)器常采用分流器進(jìn)行制冷劑的分配[2-3]。

分流器應(yīng)用于空調(diào)器中最常見的問題是制冷劑流量分配不均。部分流路的液態(tài)制冷劑流量較小并過早地蒸干[4-6]。蒸干區(qū)的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于兩相區(qū)，使得有效傳熱面積下降，造成換熱器的換熱能力下降約25%[7]。

目前分配均勻的分流器包括整流式分流器、離心式分流器和相分離式分離器。它們通過添加旋轉(zhuǎn)葉片、離心加速器或氣體分離器等結(jié)構(gòu)，將不可控、不對(duì)稱的流型轉(zhuǎn)換為可控、對(duì)稱的流型，從而使氣液兩相均勻分配。但這類復(fù)合式分流器體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要用于大型石油化工設(shè)備，而不適用于安裝空間有限的空調(diào)器[8]。

空調(diào)器普遍使用單體結(jié)構(gòu)的分流器，如反射式分流器、插孔式分流器和圓錐式分流器[9]。這類分流器進(jìn)口管的流通面積較大，使兩相制冷劑的壓力降低從而發(fā)生氣液分離。氣液分離形成的分層流或泡狀流均為易受重力影響的不對(duì)稱流型，使分流器的分配性能易受安裝角度的影響。當(dāng)分流器因安裝空間受限而傾斜安裝時(shí)，這類分流器無法均勻分配制冷劑。

實(shí)現(xiàn)制冷劑均勻分配的關(guān)鍵是采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形成對(duì)稱的兩相流型。環(huán)狀流由于具有對(duì)稱的流型可用于分流器設(shè)計(jì)。環(huán)狀流由環(huán)狀液膜和中心氣相組成，氣液兩相均關(guān)于進(jìn)口管的中軸線對(duì)稱[10]。當(dāng)分流器的出口管關(guān)于進(jìn)口管對(duì)稱布置時(shí)，流型對(duì)稱的制冷劑可被均勻地分配到各出口管。

本文提出一種通過形成環(huán)狀流從而實(shí)現(xiàn)均勻分配的空調(diào)器分流器。

1 采用環(huán)狀流實(shí)現(xiàn)均勻分配

設(shè)計(jì)分配均勻的分流器的方法是在分流器中構(gòu)建環(huán)狀流并均勻分配環(huán)狀流。環(huán)狀流具有對(duì)稱的兩相分布，其中液相均勻分布在進(jìn)口管的管壁上，氣相位于液相中心。當(dāng)出口管也對(duì)稱地布置在進(jìn)口管的壁面上時(shí)，對(duì)稱分布的制冷劑會(huì)均勻地分配到所有出口管內(nèi)。因此分流器通過形成環(huán)狀流可在任意安裝角度下實(shí)現(xiàn)均勻分配。

圖1 豎直和水平環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化過程Fig.1 Transition of vertical and horizontal annular flow

環(huán)狀流的構(gòu)建可以通過兩種環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)。豎直環(huán)狀流由泡狀流和混狀流轉(zhuǎn)化而來，如圖1(a)所示。水平環(huán)狀流由分層流和間歇流轉(zhuǎn)變而來，如圖1(b)所示。由于豎直和水平環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化機(jī)制不同，因此本文需要分別研究豎直環(huán)狀流和水平環(huán)狀流的形成條件，使設(shè)計(jì)的分流器在任意安裝角度下均可形成環(huán)狀流。

環(huán)狀流的均勻分配可通過合理設(shè)計(jì)進(jìn)出口管的連接形式來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)圓錐式分流器的各出口管的連接處位于進(jìn)口管的中心，導(dǎo)致制冷劑無法均勻的分配到出口管，如圖2(a)、圖2(b)所示。為實(shí)現(xiàn)均勻分配，新型分流器的出口管應(yīng)垂直且對(duì)稱地布置在進(jìn)口管壁上，如圖2(c)、圖2(d)所示。

圖2 分流器進(jìn)出口管的不同連接形式Fig.2 Different connection types of inlet and outlet tubes in distributor

2 設(shè)計(jì)進(jìn)口管構(gòu)建環(huán)狀流

形成環(huán)狀流的方法是：首先確定進(jìn)口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)狀流的關(guān)系；然后分別推導(dǎo)豎直和水平管形成環(huán)狀流的臨界管徑；最后根據(jù)推導(dǎo)的臨界管徑計(jì)算進(jìn)口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 進(jìn)口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)狀流的關(guān)系

進(jìn)口管形成環(huán)狀流的關(guān)鍵參數(shù)包括內(nèi)徑d和管長(zhǎng)L。d取形成豎直環(huán)狀流的臨界管徑dV和形成水平環(huán)狀流的臨界管徑dH中的較小值，以使分流器在任意安裝角度下均能形成環(huán)狀流，如式(1(a))所示。為了使氣液兩相充分發(fā)展進(jìn)而形成穩(wěn)定的環(huán)狀流，應(yīng)L≥20d，如式(1(b))[11]所示。

(1)

2.2 豎直和水平環(huán)狀流的形成條件

豎直管中環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化條件是氣相速度足夠大從而使夾帶液滴向上流動(dòng)，如圖3(a)所示。當(dāng)最大夾帶液滴所受的浮力和曳力之和與重力相等時(shí)，夾帶液滴剛好能夠保持向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)從而維持豎直環(huán)狀流的流型，如式(2)[12-13]所示。

水平管中環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化條件是液相的Froude數(shù)足夠大以使管內(nèi)壁全部被液相浸濕。當(dāng)液相的Froude數(shù)滿足式(3)時(shí)，間歇流轉(zhuǎn)化為環(huán)狀流[14]，如圖3(c)、圖3(d)所示。

圖3 豎直和水平環(huán)狀流的轉(zhuǎn)化機(jī)理Fig.3 Transition mechanism of vertical and horizontal annular flow

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2.3 形成環(huán)狀流的進(jìn)口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)

將式(2)～式(9)代入式(1)得到進(jìn)口管中形成環(huán)狀流所需的內(nèi)徑和管長(zhǎng)的計(jì)算式，如式(10)所示。進(jìn)口管的結(jié)構(gòu)由8個(gè)輸入?yún)?shù)決定，包括制冷量Q、空泡系數(shù)α、潛熱Δhfg、氣相密度ρG、液相密度ρL、表面張力系數(shù)σ、重力加速度g和曳力系數(shù)Cd。

(10)

實(shí)際進(jìn)口管結(jié)構(gòu)的計(jì)算以一款廣泛使用的制冷量為3.50 kW的空調(diào)器為例，輸入和輸出參數(shù)如表1所示。制冷工況下分流器進(jìn)口管中的制冷劑空泡系數(shù)約為0.60[15]。式(10)中的物性參數(shù)選取常用制冷劑的物性，如R410A、R32、R290和R141b。由于蒸發(fā)器的平均溫度為10 ℃，故物性參數(shù)的取值為10 ℃時(shí)的制冷劑物性。

表1 分流器的進(jìn)口管結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算表Tab.1 Inlet tube structure parameters of distributor

3 設(shè)計(jì)進(jìn)出口管連接方式實(shí)現(xiàn)環(huán)狀流均勻分配

均勻分配環(huán)狀流的實(shí)現(xiàn)方法是使進(jìn)出口管采用新型T型連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)圓錐式分流器的Y型連接。T型連接結(jié)構(gòu)中的出口管對(duì)稱地安裝在進(jìn)口管的壁面上，而Y型連接的出口管則安裝在進(jìn)口管中心。

傳統(tǒng)圓錐式分流器的Y型連接結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。該結(jié)構(gòu)的流體轉(zhuǎn)向處易出現(xiàn)氣液分離而造成制冷劑分配不均。氣液分離的原因是氣泡受到垂直于運(yùn)動(dòng)方向并指向管壁的升力Flift，朝管壁運(yùn)動(dòng)，如圖4(b)所示。氣泡所受升力Flift由其速度分量ut的旋度ω產(chǎn)生，如圖4(c)所示。升力Flift的計(jì)算式如式(11)[16]所示。

圖4 不同形式的連接結(jié)構(gòu)處的制冷劑流動(dòng)分析Fig.4 Analysis for refrigerant flow in different types of connection structures

(11)

圖4(d)示出了能夠使制冷劑均勻分配到各出口管的T型連接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)流體轉(zhuǎn)向處的氣泡所受的升力為0使氣液兩相充分混合，如圖4(e)所示。液相速度沒有引起旋度的速度分量ut，因此流體作無旋流動(dòng)，如圖4(f)所示。無旋流動(dòng)的流體旋度為0，根據(jù)式(11(a))可知其氣泡所受的升力為0。

4 均勻分流器性能驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置與樣件

用于分流器的流型觀測(cè)與性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，主要包括儲(chǔ)液罐、流體泵、電加熱器、溫度傳感器T1和T2、調(diào)壓器、實(shí)驗(yàn)樣件、半導(dǎo)體制冷模塊、4個(gè)流量計(jì)及閥門。實(shí)驗(yàn)樣件包括一個(gè)傳統(tǒng)圓錐式分流器和一個(gè)新型分流器，均采用透明材料(光敏樹脂)制作以便觀測(cè)內(nèi)部的兩相流型。溫度傳感器、體積流量計(jì)和調(diào)壓器的精度分別為0.1%、2.5%和0.8%。考慮到分流器透明材料(光敏樹脂)的強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)需要選擇一種常壓制冷劑，如R141b。

圖5 分流器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental apparatus to test performance of distributor

實(shí)驗(yàn)工況包括安裝方式和制冷劑質(zhì)量流量。安裝方式包括水平安裝、傾斜安裝和豎直安裝。由于制冷量為3 500 W的空調(diào)器的制冷劑流量為15～20 g/s，因此在實(shí)際工況附近選取3種質(zhì)量流量，分別為14、18、22 g/s。

本文采用質(zhì)量流量不均勻度表示分流器各出口管的流量大小的差異性。質(zhì)量流量不均勻度ε的定義式如式(12)所示。ε值越小，說明出口管的流量差異越小，即分流越均勻。

(12)

4.2 新型分流器流型觀測(cè)

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了傳統(tǒng)圓錐式分流器與新型分流器采用豎直和水平安裝方式時(shí)進(jìn)口管中的流型。

傳統(tǒng)圓錐式分流器在豎直安裝時(shí)，進(jìn)口管中的制冷劑呈泡狀流，如圖6(b)所示，而在水平安裝時(shí)制冷劑的流型為分層流，如圖6(d)所示。由于泡狀流和分層流的氣液分布不對(duì)稱，導(dǎo)致進(jìn)入出口管的氣液兩相的比例不同。新型分流器在豎直和水平安裝時(shí)，進(jìn)口管中的制冷劑均呈環(huán)狀流，如圖6(a)和圖6(c)所示。環(huán)狀流具有對(duì)稱的流型，使氣液兩相均勻地進(jìn)入所有出口管。

4.3 新型分流器的分配性能分析

圖7 不同質(zhì)量流量下的傳統(tǒng)和新型分流器的分流性能Fig.7 Distribution performance of traditional and novel distributor at various mass flow rate

圖7所示為不同質(zhì)量流量下的傳流和新型分流器的分流性能。由圖7可知，在不同安裝方式下，新型分流器的ε均小于傳統(tǒng)分流器的ε，且二者的差值隨著質(zhì)量流量的增加而減小。水平安裝時(shí)，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降10%～24%；傾斜安裝時(shí)，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降14%～27%；豎直安裝時(shí)，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降24%～47%。質(zhì)量流量增大時(shí)，氣相和液相的速度同時(shí)增大，使傳統(tǒng)分流器進(jìn)口管中的流型也逐漸向?qū)ΨQ流型發(fā)展，因此與新型分流器的ε差值減小。

5 結(jié)論

本文提出了新型空調(diào)器分流器的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了樣件在水平、傾斜和豎直安裝時(shí)的可視化實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)分流器的分配性能進(jìn)行對(duì)比。主要結(jié)論如下：

1)新型分流器通過設(shè)計(jì)進(jìn)口管的結(jié)構(gòu)形成環(huán)狀流，并將出口管對(duì)稱、垂直的設(shè)置在進(jìn)口管的管壁面上，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)狀流的均勻分配。進(jìn)口管的內(nèi)徑d取水平和豎直環(huán)狀流的臨界管徑中的較小值，且管長(zhǎng)不小于內(nèi)徑的20倍(L≥20d)。

2)將分流器進(jìn)口管中的制冷劑整流成環(huán)狀流能夠顯著改善分流器在各個(gè)安裝角度下的均流性能。樣件的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，水平、傾斜和豎直安裝時(shí)，新型分流器的ε比傳統(tǒng)圓錐式分流器的ε分別下降10%～24%、14%～27%和24%～47%。

符號(hào)說明

Cd——曳力系數(shù)

Clift——升力系數(shù)

d——進(jìn)口管內(nèi)徑，m

ddrop——液滴直徑，m

F——力，N

Flift——升力，N

Fr——弗勞德數(shù)

G——質(zhì)流密度，kg/(m2·s)

L——進(jìn)口管長(zhǎng)度，m

Q——制冷量，kW

u——速度，m/s

V——體積，m3

x——干度

α——空泡系數(shù)

ρ——密度，kg/m3

σ——表面張力系數(shù)，N/m

g——重力加速度，m/s2

π——圓周率

ε——質(zhì)量流量不均勻度

下標(biāo)

bubble——?dú)馀?/p>

H——水平

L——液相

max——最大值

min——最小值

n——法向

t——切向

V——豎直