微通道平行流換熱器制冷劑分配特性研究綜述

杜琳，管祥添，高如啟，唐黎明，陳琪

（浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江杭州 310000）

0 引言

微通道平行流換熱器由分流管、集流管、多孔扁管及翅片組成。其中多孔扁管由10～12 個(gè)微通道組成，水力直徑一般小于1 mm。與管翅式換熱器相比，微通道平行流換熱器具有換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。汪年結(jié)等[1]、葛方根等[2]和張蕾[3]對微通道換熱器替代現(xiàn)有換熱器的可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)微通道換熱器可以減少制冷劑充注量和提高換熱效率。但是，當(dāng)不同通道內(nèi)的制冷劑分配不均勻時(shí)，會(huì)帶來換熱器換熱效率降低[4-5]和易結(jié)霜[6]等問題。近年來，大量文章對微通道換熱器的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景進(jìn)行了概述，指出制冷劑分配不均問題是目前微通道換熱器亟待解決的問題之一[7-11]。

本文對近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)中所涉及的改善微通道平行流換熱器內(nèi)流體分布均勻性的方式進(jìn)行了綜述，分析了不同結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況參數(shù)對制冷劑分流特性的影響，發(fā)現(xiàn)對于不同結(jié)構(gòu)的換熱器，同樣的改善方式會(huì)帶來不同的結(jié)果。下文所涉及的文獻(xiàn)中的換熱器結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)條件等參數(shù)如表1所示。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)條件

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 水平分流板

在微通道平行流換熱器的集管內(nèi)插入水平分流板，可使工作流體在分流板和扁管之間形成強(qiáng)烈的再循環(huán)，可對工作流體進(jìn)行二次分配，有效改善流體在換熱器內(nèi)的分布情況。SHI 等[12]對7 種進(jìn)出口分流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)條件如表2所示，利用熱成像儀對蒸發(fā)器外溫度的分布情況進(jìn)行測試。以制冷能力和溫度分布情況為衡量指標(biāo)，得出通過合理布置分流板的方式，可以改善管內(nèi)流體分布均勻性進(jìn)而提高制冷能力。KIM 等[13]和BYUN等[14]通過實(shí)驗(yàn)研究了在入口分流管內(nèi)插入水平分流板對換熱器內(nèi)流體分布均勻性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在入口集流管內(nèi)插入圖1所示的多孔圓管，可以有效改善換熱器內(nèi)流體分布情況。

表2 進(jìn)出口分流結(jié)構(gòu)影響的實(shí)驗(yàn)工況[12]

圖1 多孔圓管結(jié)構(gòu)[13]

劉巍等[15]對出口集流管內(nèi)插入水平分流板的作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，出口集流管內(nèi)插入分流板對制冷劑分流特性沒有影響，且增大了流動(dòng)阻力。因此，出口集流管內(nèi)不插入分流板時(shí)，換熱性能較好。

在圓孔分流板面積方面，劉巍等[16]對不同的分流板孔徑進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)條件如表3所示，得到最佳孔徑為4 mm，最佳孔徑開孔面積為150.7 mm2。在圓孔分流板結(jié)構(gòu)方面，吳學(xué)紅等[17]和劉巍[18]對孔徑均勻分布的分流板進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)分流板孔數(shù)越多，流體分配越均勻。除均勻分布的多孔圓管之外，高志成[19]對圖2所示的孔徑非均勻分布的多孔圓管進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)分流板孔徑非均勻分布時(shí)，流體分配更均勻。

表3 分流板孔徑影響的實(shí)驗(yàn)工況[16]

圖2 孔徑非均勻分布分流板結(jié)構(gòu)[19]

1.2 豎直分流板

在微通道換熱器的進(jìn)出口集管或中間集管內(nèi)插入豎直帶孔分流板可以使得流體回流效果更明顯，便于流體的二次分配，從而改善流體在扁管內(nèi)的分布情況。在中間集管方面，SHI 等[12]發(fā)現(xiàn)在中間集管內(nèi)插入分流板可以改善流體在換熱器內(nèi)的分布情況。BYUN 等[20]通過實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，中間集管內(nèi)插入圖3所示的分流板可以有效改善制冷劑分布均勻性，且最佳圓孔直徑為4 mm。在進(jìn)口分流管和出口集流管方面，YU 等[21]發(fā)現(xiàn)在入口分流管及出口集流管內(nèi)均插入圖4所示的分流板，可以使傳熱效率提高67.93%[21]，實(shí)驗(yàn)條件如表4所示。徐凱[22]通過實(shí)驗(yàn)和模擬探究了豎直節(jié)流板的數(shù)量、位置、開孔面積及形狀對微通道平行流換熱器內(nèi)制冷劑的分布情況的影響。研究結(jié)果顯示，節(jié)流板孔徑過小或過大均不利于制冷劑的均勻分配。因此，根據(jù)工作條件，優(yōu)化節(jié)流孔面積十分有必要。

圖3 中間集管內(nèi)插入物結(jié)構(gòu)[20]

圖4 分流板結(jié)構(gòu)[21]

表4 實(shí)驗(yàn)工況[21]

1.3 微通道水力直徑

通過減小微通道水力直徑的方式，在一定范圍內(nèi)可以使流體分布更加均勻，提高換熱效率，但是當(dāng)水力直徑降低到一定數(shù)值后，會(huì)增大壓降，降低換熱能力。楊海江[4]和TUO 等[23]發(fā)現(xiàn)隨著微通道水力直徑的降低，流體分布更加均勻，這是由于微通道內(nèi)壓降增加，因此出口集流管壓降占總壓降比例下降，分布更加均勻。但是，當(dāng)微通道水力直徑小于一定數(shù)值時(shí)，雖然流體在扁管內(nèi)的分布更加均勻，但是壓降會(huì)隨著水力直徑的減小而增大。由于蒸發(fā)器出口條件固定，因此隨著壓降增加，蒸發(fā)器入口壓力和溫度隨之增大，制冷劑與空氣之間的傳熱溫差減小，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱能力下降。

1.4 扁管在分流管內(nèi)的突出深度

增加扁管在分流管內(nèi)的突出深度可以使得流體進(jìn)入扁管后，撞擊扁管，在扁管入口處，一部分流體流入扁管，一部分流體向分流管后部流動(dòng)，撞擊后部扁管，使得流體得到再分配，從而改善流體分布均勻性。當(dāng)流體在扁管內(nèi)流動(dòng)方向?yàn)樨Q直方向時(shí)，楊海江[4]、KIM 等[24-25]、張永鍇[26]和韓艷輝[27]對增加扁管突出深度對換熱器內(nèi)流體分布均勻性的影響進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)增加扁管突出深度使得更多的液體流到分流管后部，有效改善了流體分布均勻性。其中，文獻(xiàn)[24-25]和文獻(xiàn)[26]認(rèn)為當(dāng)扁管突出深度占分流管高度的50%時(shí)，分配最均勻。文獻(xiàn)[4]指出，扁管突出深度占分流管高度的31.6%或56.3%時(shí)，分流效果最好。而文獻(xiàn)[27]則認(rèn)為，扁管突出深度占分流管高度的23.9%時(shí)，流量分配均勻性最佳。流體在扁管內(nèi)流動(dòng)方向?yàn)樗椒较驎r(shí)，LEE 等[28]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]通過實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，增加扁管突出深度會(huì)降低集流管的水力直徑，增加流體的慣性，使得流體分布更均勻。

1.5 入口/出口集流管方向和位置

當(dāng)流體在扁管內(nèi)流動(dòng)方向?yàn)樗椒较驎r(shí)，KIM等[31]和BYUN 等[32]通過實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)出口位置對兩流程微通道換熱器內(nèi)流體分布均勻性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，頂部入口使第一流程內(nèi)流體分布更加均勻，壓降也更小。這是由于對于豎直結(jié)構(gòu)的集流管，受重力影響，制冷劑更容易流入下部扁管內(nèi)。而入口位置位于頂部時(shí)，可使得部分制冷劑流入上部扁管內(nèi)，得到流體均勻分配。底部或頂部出口對于第二流程內(nèi)流體分布均勻性的影響并無明顯差別，但是底部出口使得第一流程內(nèi)流體更多地流入上部集流管內(nèi)，因此，底部出口效果最佳。

當(dāng)流體在扁管內(nèi)流動(dòng)方向?yàn)樨Q直方向時(shí)，進(jìn)口位置及方向同樣影響扁管內(nèi)流體分布均勻性。楊海江[4]和張永鍇[26]發(fā)現(xiàn)當(dāng)入口位置位于分流管中間時(shí)，流體進(jìn)入分流管后分別向左、右兩側(cè)形成均勻流動(dòng)。而當(dāng)入口位置向兩側(cè)偏移時(shí)，會(huì)在分流管內(nèi)形成兩個(gè)大小不一的空間，在較小空間內(nèi)，流體動(dòng)量衰減快，導(dǎo)致流體的不均勻分配。KIM 等[33]和CHO 等[34]對圖5所示的不同入口方向進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)流體在扁管內(nèi)的流動(dòng)方向?yàn)閺南孪蛏蠒r(shí)，流體更多地流入后部扁管內(nèi)，造成分配不均的現(xiàn)象。而豎直流入使得部分流體射流進(jìn)入前部扁管內(nèi)，從而改善流體分配均勻性。

圖5 3 種不同入口方向[33]

1.6 集流管截面形狀

改變集流管截面形狀，可改變集流管內(nèi)的壓力分布，進(jìn)而改善了流體在扁管內(nèi)的分布情況。KIM等[35]和池幫杰等[36]通過數(shù)值模擬的方式，研究了圖6所示的分流管和集流管截面形狀對流體分配均勻性的影響。模擬結(jié)果顯示，入口分流管橫截面積逐漸減小、出口集流管面積逐漸增加時(shí)，各扁管進(jìn)出口壓差趨于一致，因此流體流量分配特性最佳。

圖6 4 種微通道換熱器結(jié)構(gòu)[36]

2 運(yùn)行工況參數(shù)

2.1 質(zhì)量流量

KIM 等[13,31,37]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]實(shí)驗(yàn)研究了質(zhì)量流量對換熱器內(nèi)流體分布均勻性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著質(zhì)量流量的增加，流體軸向動(dòng)量增加，更多流向后部扁管內(nèi)，使流體分布更均勻。但是，徐凱[22]和張永鍇[26]的研究成果顯示，隨著質(zhì)量流量的增大，流速增大，壓力損失增大，動(dòng)壓變大，靜壓變小。回流現(xiàn)象更加嚴(yán)重，使得流體分配不均勻度加劇。而LEE 等[28]、KIM 等[33]和MAHVI 等[38]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，增加質(zhì)量流量對改善流體分布均勻性效果不明顯。

質(zhì)量流量對流體分布均勻性的影響，與換熱器結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)方向及干度有關(guān)。BYUN 等[14,20]對兩流程微通道平行流換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)增加質(zhì)量流量對第一流程流體分布沒有明顯影響，但是可以有效改善第二流程內(nèi)流體分布均勻性。筆者認(rèn)為，當(dāng)流體流出第一流程在中間集管匯合后，流體的軸向動(dòng)量增加，使第二流程內(nèi)流體分布趨勢改變，流體更多流向后部扁管內(nèi)，改善了第二流程流體分布均勻性。KIM 等[39]實(shí)驗(yàn)研究了不同流動(dòng)方向下，質(zhì)量流量對流體分布均勻性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對于向下流，隨著質(zhì)量流量的增加，更多的液體流向集流管后部。而對于向上流，增加質(zhì)量流量對流體分布均勻性的效果并不明顯。ZOU等[40]認(rèn)為干度不同時(shí)，增加質(zhì)量流量對流體分布均勻性的影響不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)流體入口干度小于0.6 時(shí)，隨著質(zhì)量流量的增加，流體分布更加均勻。而當(dāng)流體入口干度大于0.8 時(shí)，隨著質(zhì)量流量的增加，流體分布趨于更不均勻。

2.2 干度

KIM 等[13,37]和MAHVI 等[38]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著干度的增加，流體軸向動(dòng)量增加，更多流向后部扁管內(nèi)，使得流體分布更佳均勻。但是，張永鍇[26]、ZOU 等[29]和REDO 等[30]的研究成果指出，隨著干度增加，氣相增加，受扁管在集流管內(nèi)的突出深度影響，總流量分配不均勻度增加，流量分配更不均勻。而LEE 等[28]、KIM 等[33]和CHO 等[34]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，增加流體入口干度對改善流體分布均勻性的效果不明顯。

質(zhì)量流量對流體分布均勻性的影響，與換熱器結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)方向等有關(guān)。BYUN 等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，增加流體入口干度，對第一流程內(nèi)流體分配均勻性沒有明顯影響，但是使第二流程內(nèi)流體分布更均勻。KIM 等[39]通過實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流動(dòng)方向?yàn)橄蛳铝鲿r(shí)，隨著干度的增加，流體更多流入后部集流管內(nèi)，使得流體分布更加均勻。但當(dāng)流動(dòng)方向?yàn)橄蛏狭鲿r(shí)，增加干度對流體分布均勻性的效果并不明顯。

3 結(jié)論

本文綜述了改善流量分配均勻性的兩種基本方式，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行工況參數(shù)，得出如下結(jié)論：

1）在改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)方面，插入水平分流板或豎直分流板、減小微通道水力直徑、增加扁管突出深度、改變進(jìn)出口方向及位置和改變集管截面均可有效改善流體分配均勻性；

2）在改善運(yùn)行工況參數(shù)方面，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量和干度等參數(shù)，也可以有效改善流體分配均勻性；

3）無論是對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)還是運(yùn)行工況參數(shù)的優(yōu)化，均需要考慮換熱條件及換熱器結(jié)構(gòu)；目前，尚未存在一種改進(jìn)方式對任意換熱條件或換熱器結(jié)構(gòu)均有效；管內(nèi)插入物的方式雖被大量研究，但是在集管內(nèi)插入分流結(jié)構(gòu)對于工藝性要求高，難以推廣；因此，找到一種有效改善制冷劑分配性能且工藝上可行的方式，是目前亟待解決的問題。