管殼式蒸發器制冷劑均分性能影響因素研究

宋哲，許波，陳振乾

（東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096）

0 引言

管殼式換熱器廣泛應用于制冷等領域。制冷系統中，兩相制冷劑被等量分配到各并聯支路對換熱器的效率有至關重要的影響。研究表明，蒸發器各管間制冷劑分配不均是制約其換熱性能提升的主要原因，使換熱器效率損失25%以上[1]。蒸發器內支管供液量偏小使制冷劑迅速蒸發，支管供液量偏大使壓縮機吸氣帶液，兩相制冷劑尤其是液相分配不均會導致制冷系統性能惡化[2-3]。國內外學者對蒸發器的流動分配均勻性進行研究，集中于蒸發器外側分液器[4-5]和內側分配結構[6]兩個方面，后者具有可連支管多、結構簡單等優點。

對于內側分配結構，管箱結構、管徑大小、支管數目等結構參數及流體入口參數均可影響流體分配。HWANG等[7]對平行流蒸發器進行流動實驗，結果表明支管間距對分液均勻性的影響不大，而支管數的影響較大且存在最佳支管數。HABIB等[8]模擬研究換熱器不同結構參數和入口流速對分液不均的影響，得出集管形狀和支管數量是重要的影響因素。WANG等[9]實驗研究換熱器的并聯集箱，得出減小支管截面積或增加集管進口長度可有效改善支管的流體分配，而重力的影響較小且隨流速增大可以忽略。通過建立不均勻分布的數學模型，可以得出增大壓降、減少入口速度或調整支管數的方法可減小流量分配不均[10]。

國內外針對蒸發器內分配結構優化的研究逐漸深入。SHI等[11]研究微通道蒸發器內流體均勻性，提出在集管內安裝分流板進而改善流量分配均勻性。BAEK等[12]提出管程折彎處設置交叉流道的再分配裝置，可緩解流量分配不均引起的傳熱性能下降。RAUL等[13]研究不同布置方式的雙擋板集箱結構，通過改進檔板結構均勻流量分布。王亞男等[14]、孫文卿等[15]通過模擬優化設計蒸發器內的錐形分液裝置，由可視化實驗和機組性能實測證明可提升均分性能和整機能效。王芳芳[16]模擬研究蒸發器入口分配結構并設計了分流板結構，得出對管箱和分流板的優化可提升傳熱性能。目前蒸發器均分特性的研究集中于平行流蒸發器、并聯集箱等[17-18]，對管殼式蒸發器的研究較少，大部分數值模擬限于二維模型，且采用理想工質研究流量均分規律。

為了準確研究干式蒸發器內流量分配特性，本文建立具有對稱進出口管箱的蒸發器三維模型，以兩相制冷劑作為模擬工質，考慮出口管箱流體匯集和蒸發壓力的影響。通過模擬探究結構參數、入口參數和入口管箱結構對制冷劑均分性能的影響規律，為管殼式蒸發器的設計優化提供一定的參考。

1 模型與研究方法

1.1 物理模型

為了研究管殼式蒸發器內的流量分配特性，對模型進行簡化。圖1所示為管殼式蒸發器基礎模型，管箱為普通管板結構，重力沿z軸負方向，為減小計算量，本文采用以xoz為對稱面的二分之一干式蒸發器模型，模型相關結構參數如表1所示，換熱管排列方式為正三角形。

圖1 管殼式蒸發器模型

表1 蒸發器模型結構參數

圖2所示為基于普通管板改進的不同入口管箱結構模型，其余結構參數均保持不變。為簡化問題對模型做以下假設：1）假設流體流動和傳熱過程均一、穩定；2）假定流體物性不隨溫度、時間等變化；3）流體為牛頓流體，不可壓縮、各向同性且連續。

圖2 不同入口管箱結構模型

1.2 邊界條件與計算方法

使用Gambit建立模型并進行網格劃分，利用ANSYS 15進行數值模擬，使用FLUENT 3D單精度求解器進行求解。

本研究以制冷劑R410A為工質，0 ℃時物性參數：液相密度1 169.98 kg/m3，比熱容1 519 J/(kg·K)，黏度16.15×10-5Pa·s，氣相密度30.02 kg/m3，比熱容1 146 J/(kg·K)，黏度1.22×10-5Pa·s。開啟能量方程，湍流模型選用標準k-ε模型，選擇Mixture多相流模型。計算區域入口邊界條件為速度入口，設定入口流速1.0 m/s，出口邊界條件為壓力出口，設置表壓為0.7 MPa。制冷劑入口溫度為273 K，換熱管壁溫為285 K，壁厚設定1.0 mm，勾選shell conduction選項。設xoz面為symmetry的對稱邊界條件，z方向重力取-9.8 m/s2。求解控制采用穩態數值計算，松弛因子設置為10-4，梯度分離格式為Green-Gauss，壓力速度耦合相為SIMPLEC，各物理量的收斂標準為二階迎風差分格式。

數值計算的準確度與網格數量有關，以普通管板模型為例，入口流速為1.0 m/s時，分別計算網格數為45.5萬、60.8萬、76.5萬和98.4萬4種條件下的相對標準方差，結果表明誤差分別為2.6%、0.9%、0.2%和0%，綜合考慮計算量和模擬結果的準確性，模型選用76.5萬左右網格數進行計算。

1.3 評價方法

CHIN等[19]得出流量分配不均導致的換熱器性能下降取決于平均值、標準差和偏差三個分布統計矩。為分析支管的流量分配特性，部分文獻采用相對標準方差RSD[8]衡量不均勻度和單管均分率ε[20]衡量支管內制冷劑分配的均勻性，表達式如下：

式中，n為支管總數；qi為各支管內制冷劑的質量流量，kg/s；為各支管的平均質量流量，kg/s。

RSD表示各支管的流量與平均流量的離散程度，均分率ε表示單管流量與平均流量的比值。因此，RSD越小、ε越接近1，表明流量分配越均勻。

2 結果與分析

2.1 模型驗證

圖3所示為換熱管編號，通過計算干式蒸發器各支管流量的相對標準方差，與文獻[14]相關模擬結果進行對比。各支管的均分率和入口相對壓力比較如圖4所示，呈現中心處的支管流量偏大，周圍支管流量偏小的特點，最大支管流量均分率超過2.3并達到最小支管均分率的3.76倍。支管入口處的相對壓力和質量流量呈現相同的變化趨勢，第1排支管均分率基本一致，第2～4排支管中心處支管的相對壓力和均分率明顯大于兩邊，具有一定的對稱性，說明入口管箱內壓力分布不均影響了各支管的流量分配。本文模型相比文獻[14]模型的支管數增加了48%且部分結構參數不同，故部分模擬計算結果存在一定差異，但得出蒸發器內的分配規律和流場特征等均與文獻一致，可以驗證文獻所述流體分配不均的原因。

圖3 換熱管編號示意圖

圖4 支管均分率和入口相對壓力

2.2 結構參數對均分性能的影響

為研究蒸發器結構參數對制冷劑均分性能的影響，分別計算了不同管箱長度、支管數目、支管直徑和支管間距時的相對標準方差，在研究中保持其他影響因素不變，結果如圖5所示。

由圖5可知，RSD隨支管數量的增大而上升，支管數量為61時的不均勻度是19根支管時不均勻度的5.93倍。保持管箱結構不變且支管均勻排布時，支管數增多使中心位置的流通面積增大，擴大了壓力不均導致流體分配均勻性惡化，而減少支管數量會導致換熱面積減小和換熱性能下降的問題。隨著支管管徑的增大，RSD呈拋物線上升趨勢，其中管徑為20 mm時的不均勻度達到12 mm時不均勻度的6.89倍，因為減小支管直徑一方面可以避免中心處流體的直接沖擊造成支管流量過大，另一方面能減弱管箱內渦流區對周圍支管入口處制冷劑流體的擠壓，從而顯著提升制冷劑分配均勻性。

圖5 RSD隨不同結構參數的變化

隨著管箱長度的增大，不均勻度先迅速下降，長度超過80 mm后逐漸平穩，最終RSD值穩定在0.51左右，為20 mm管箱長度時不均勻度的74.0%。增大管箱長度有利于高速流體向四周的擴散，可以降低管箱內的壓力分布不均和縱向流速不均的影響，而管箱到達一定長度后再增大則對均分的提升效果不明顯，說明管箱長度在一定范圍內影響流場和壓力分布。支管間距增大，RSD呈線性下降趨勢，主要原因在于，支管排布方式固定時管間距的增大直接影響入口管箱的尺寸，入口管箱內徑的增大有利于流體在管箱內充分擴展和降低壓力分布不均，從而使制冷劑更均勻地流入各支管中。

總體而言，不均勻度受支管直徑的影響最大，其次是支管數量和支管間距。結合支管數量和支管直徑的影響規律可以得出，流量分配的不均勻度與流通總面積相關，入口參數相同時，流體流通總面積越小，流量偏差越小。

2.3 入口管箱結構對均分性能的影響

為研究入口管箱結構對均分性能的影響，分別計算了不同入口管箱結構在入口流速為0.5～2.5 m/s工況下制冷劑的質量流量標準方差RSD和相對壓力標準方差RSDp，計算結果如表2所示。

由表2可知，相比普通管板入口結構，半喇叭形、喇叭形、外凸形和內錐形結構的RSD均值分別下降15.8%、31.8%、32.1%和36.5%，RSDp也呈現相同的變化規律，平均值相比普通管板分別下降12.8%、23.4%、23.9%和27.7%，通過比較可得不同管箱結構的均分性能由高到低依次為內錐形、外凸形、喇叭形、半喇叭形、普通管板。圖6所示為0.8 MPa和入口流速為1.0 m/s工況下，不同管箱結構蒸發器支管的質量流量均分率。由圖6可知，中心和周圍支管流量的偏差導致不均勻度的產生。半喇叭形作為喇叭形結構的過渡，對流體均分性能的提升為后者的49.7%，而喇叭形入口管箱結構更加符合流場分布的特點，使流量分配和壓力分布更為均衡；內錐形和外凸形在喇叭狀外形的基礎上對入口管板結構進行改進，能夠進一步降低中心處支管的流量，提高邊緣處支管流量，相比普通管板支管均分率ε的變化范圍大幅縮小，其不均勻度相比喇叭形結構分別降低7.0%和0.5%，說明內錐形結構的均分效果更為顯著。

表2 不同管箱結構的RSD平均值

圖6 各支管的質量流量均分率

圖7所示為入口流速1.0 m/s時不同入口管箱的對稱面流場分布，觀察入口管箱內的流場可知，渦流區的存在顯著影響制冷劑流體分配均勻性，普通管板結構管箱內的上下渦流區較大，擠壓支管入口的流體。喇叭形管箱結構可以縮小內部的渦流區范圍，內錐形結構可以進一步降低渦流區對管箱內流道的擾動，有利于流體沿管板壁面向四周擴展，減小支管入口處壓力不均的影響。外凸形結構適當延長了管箱內中間流道的長度并略微降低中心流速，但相比喇叭形結構沒有顯著影響渦流區和壓力分布，均流效果并不明顯。因此，符合流場分布特點的管箱結構能較好地提升制冷劑均分性能。

圖7 不同入口管箱對稱面流場分布

2.4 入口流體參數對均分性能的影響

為了研究入口流體參數對均分性能的影響，計算不同管箱結構在0.8 MPa和入口流速0.5～2.5 m/s工況下制冷劑的質量流量相對標準方差RSD，結果如圖8所示。

圖8 RSD隨入口流速的變化

由圖8可知，不同管箱結構條件下入口流速增大會對流量分配產生不利影響，2.5 m/s時的不均勻度相比0.5 m/s時增大了11.4～15.2%，且RSD隨流速增加的增幅逐漸減小并達到穩定。不均勻度變化規律的主要原因在于，流速和質量流量的增大會使流體在慣性作用下聚集于中心流道，而入口管板經兩相流沖擊后壓力分布不均加劇，擴大了中心處與周圍支管流量的標準偏差，同時，入口管箱內平均流速的增大使得渦流區略微擴大并進一步擠壓了周圍支管前的流道，也在一定程度上惡化了流體的分配。此外，隨著入口流速增大，外凸形和內錐形管箱結構的不均勻度增幅相比喇叭形等結構較低，說明適當改變入口管板的結構能夠緩解質量流量增大引起流體的分配不均。因此，流體入口流速和質量流量可以在一定范圍影響制冷劑的均分特性。

圖9為入口流速1.0～2.5 m/s工況下RSD隨制冷劑入口干度的變化，由圖可知不均勻度隨入口干度的增大略有降低然后逐漸達到穩定，干度從0提高到0.3時RSD的變化范圍0.497～0.556，各工況下RSD的最大降幅不超過0.02即原不均勻度的4%。入口干度從0.1上升到0.3時，氣相體積分數從81.3%增大到94.4%，入口管箱內制冷劑呈現較均衡的霧狀流，入口干度增大可以略微降低液相的聚集程度，但沒有明顯影響渦流區的大小和壓力不均，所以干度對質量流量分配的影響很小。此外，由圖8～圖9可知，在不同的分配結構和入口參數條件下，RSD隨入口流速的增大逐漸上升且上升速率逐漸變緩，說明質量流量對兩相制冷劑分配均勻性的影響較為有限。從總體上看，適當降低入口流速可以提高蒸發器的均分性能，而增大制冷劑干度并不能有效減小蒸發器內制冷劑的分配不均。

圖9 RSD隨入口干度的變化

3 結論

本文模擬并分析了蒸發器不同參數對流體均分特性的影響規律，得出如下結論：

1）結構參數對制冷劑均分特性有顯著影響。在總體上，不均勻度受支管總流通面積的影響較大，受管箱尺寸的影響較為有限；

2）符合流場分布特點的入口管箱結構能有效提升制冷劑均分性能。不同入口結構可使不均勻度降低15.8%～36.5%，其中內錐形入口管箱結構提高流體分配均勻性的效果最佳；

3）不同入口流體參數對制冷劑均分特性影響不同，不均勻度隨入口流速的增大而升高，隨制冷劑入口干度的增大先略有降低再達到穩定，而且最大降幅不超過4%。