分配器分流一致性研究

趙 強

（廣東美的制冷設備有限公司，廣東 佛山 528311）

1 分配器介紹

在小管直徑技術發展的今天，在冷卻過程中，一般采用多流通道的方式來減少制冷劑的流量損耗并改善傳熱效果。在節流后，為了使液-氣兩相制冷劑均勻分配，需要在汽化器的前端安裝一個分配裝置。由于空調室內設備的空間較小，分配裝置通常呈傾斜狀，兩相制冷劑均從彎曲的管路中流出，進入分配器。因此，兩相制冷劑必須由傾斜連接管流經分配器，空調在這種安裝方式下運行，會影響分配器分流的均勻性，降低空調系統的運行效率。在分配不均的情況下，蒸發器流道內的冷卻液流量較少，使制冷劑提前蒸發，形成較大的過熱；另外，冷卻介質流動過大導致冷卻介質的蒸發不完全。分流器的主體結構、安裝方式和分流器連接管的排列方式都對分流器的分流均勻性有較大影響。 節流后的氣液兩相制冷劑在流經分流管時，在不同的離心力作用下，造成了兩相制冷劑的非均勻性。再加上重力因素的影響，在分支處的制冷劑產生的流量并不均勻，降低了分配器分流的均勻性。改善分配裝置的分流均勻度是改善空調系統性能的必要條件，要提高分配器的分流均勻性，必須改造其結構。

2 改善分配器分流均勻度的思考

2.1 分配器連接管的最佳設計思想

在空調制冷系統中，分流管的安裝一般都是單向的。液相和氣相的差異很大，當兩相制冷劑由連接管垂直方向進入傾斜段時，液相受到的離心力要大于氣相的離心力，使兩相分離；當氣相在彎曲的內壁上聚集時，液相會緩慢地向外管壁上擴散，而氣體相會聚集在彎曲的內壁上，造成兩相制冷劑的流動形式不均勻。改進分配器連接管聯軸器的結構，將原有的單向彎曲改為連續反向彎曲，從而減少了氣液相的分離。圖1顯示了一種特殊的變送器連接管的改進結構，它把最初的一次彎曲改為三次彎曲。其原因在于，使用二次彎曲會較大地改變分配器排氣管的方向，從而給排氣管出口和換熱器的管線布局帶來一定難度；三個折彎后，分配器的排氣方向基本上沒有變化，不會對排氣管及換熱器的管路分布產生任何影響。當通過改進后的連桿機構時，在進入管道彎曲轉角時，兩相制冷劑的液相慣性大于氣相，而液相則在轉角的外側處聚集，同時，氣相會在轉角內側積聚，形成一層氣膜，產生的氣液兩相分離現象更加明顯。當兩相制冷劑在下一次轉彎時，由于慣性的原因，液相被擠壓到氣膜上，被擠出來的氣泡又會和液相混合，這時，在彎曲處的氣膜就會收縮。當制冷劑進入管道轉彎處時，液體會不斷地對氣膜進行擠壓，使轉彎處的氣膜變薄，產生大量的氣泡和液相，這時，氣相液相的混合程度和出口的分流均勻性都得到明顯改善。

圖1 變送器連接管的改進結構

2.2 技術研究方向

通過對以上優化方案的分析可以看出，連接管的彎曲形狀對分流均勻度有很大的影響。為了實現分配器連接管的優化設計方案，該文的設計思路分為3個階段：1）分析分配器連接管中不同結構參數對分布均勻度的影響。在連接管中，對分流均勻度的影響主要有彎曲角度、彎曲半徑、管道直徑等。為了獲得最優的設計方案，必須分析不同的結構參數對分流均勻度的影響。2）優化結構參數組合，提高分流均勻性。綜合上述影響因素和室內機安裝空間、材料彎曲強度、流動壓力降等因素，得出合理的設計參數。3）分配器連接管的優化設計對提高分流均勻性的影響。通過仿真模擬計算和分析，比較分配器聯管在改造前后的均勻性，并根據模擬計算結果改進分配器連接管的設計。

該文研究的技術路線如圖2所示，包括三個步驟。

圖2 最佳分配器連接管結構的技術路線

3 不同因素對分流均勻性的影響

3.1 模擬對象及條件設置

選擇了常用的空氣分配器和連接管的構造形式。其中，彎曲角度為120°～160°，彎曲半徑為12mm～24mm，管道直徑為9mm～14mm。采用CFD方法，用數值模擬方法研究了分配器和連接管的分流特性，并采用了歐拉兩相模式。

仿真的前提是流體不可壓縮、不計換熱、不計相變化以及制冷劑的氣相、液相的物理參數是不變的。

3.2 不同結構參數對分流均勻性的影響

圖3顯示了在分布管中的彎曲半徑為8毫米，管道直徑為9毫米、12毫米和15毫米的情況下，不同彎曲角對分布不均勻性的影響。從圖3可以看出，隨著彎頭角度的增大，分布不均勻性也隨之增大；當彎曲角從70°～130°時，分布不均勻性增加了1～12.5。

圖3 折彎彎曲角度對分流均勻度的影響

在彎曲管路半徑等于管路直徑的情況下，隨著彎頭角度的增大，當兩相制冷劑進入彎管時受到的離心力也隨之增大；另外，因為液相的離心力比氣相的離心力大，所以液相會更多地聚集在彎頭的外緣處，而氣相中的氣體會集中在彎頭的內壁上，導致了非均勻性的分布。另外，在直徑為9mm～12 mm的情況下，其分布不均勻性隨彎頭角度的增加而增加；當直徑增大至15 mm時，隨著彎頭角度的增大，其分布非均勻性增大，并且趨于平穩。

圖4顯示了當分布管中的管道直徑為9毫米，彎曲角為70°、90°和130°時，不同彎曲半徑對分布非均勻性的影響。從圖4可以看出，隨著彎曲半徑的增大，分布不均勻性也隨之增大；當彎曲半徑從4mm增加到20mm時，分布不均勻性增加了0.3倍～5倍。

圖4 折彎彎曲半徑對分流均勻度的影響

當管道直徑和彎折角相同時，彎曲半徑增大，彎曲段沿程長度增加，同時由于離心力的作用，使兩相制冷劑在彎曲處產生較長時間的氣液分離，因此導致更嚴重的分布不均勻性。另外，在彎曲角大于90°、130°的情況下，彎曲半徑的改變對分布不均勻性的影響更明顯。這是由于在較大彎曲角的情況下，當彎曲半徑增大時，兩相制冷劑沿彎曲方向流動的長度會增大，因此導致氣液分離的持續時間延長。

圖5顯示了在分配器連接管中彎曲半徑為8毫米、彎曲角為70°、90°和130°時，管道直徑對分布不均勻性的影響。從圖5可以看出，分布不均勻性隨著管道直徑的增大而增大；當管道直徑從9mm增加到15mm時，分布不均勻性增加了0.2～4.5倍。

圖5 管道直徑對分流均勻度的影響

在分器配連接管內，隨著彎頭半徑和彎曲角的增加，管徑逐漸增加，而兩相制冷劑的流量也隨之降低；由于重力和離心力的影響，兩相制冷劑的氣液分離現象更顯著，因此導致更嚴重的分布不均。另外，彎曲角越小，管道直徑越大，分布不均勻性越大；在彎頭較大時，管道直徑越大，分布非均勻性越高。

4 分流均勻度優化方案的效果分析

在原分配管路內，當制冷劑在入口兩側均勻地流經彎管時，會產生氣液分離，在彎頭的外部，液相主要集中在彎頭的外側，氣相聚集在彎頭內部；當制冷劑通過彎道進入直管時，氣液兩相無法再充分混合，分配器出口處的氣液分離嚴重，氣液兩相比例相差較大，分布不均衡。因為液相制冷劑有很強的慣性，所以會積累在彎道的外側，而氣體之間的慣性效應比較弱，會在彎道的內側形成。通過彎頭的冷卻劑僅通過短的直管部分就會流入分配器，使其在較長的直管中不能得到充分的再混合，降低了分配系統的效率。

改進后的分配器連接管使冷卻液在進氣管的兩邊均勻分布，經過第一個彎道后，液相集中于彎曲管道的外部，而氣相在彎道內聚集。當經過二次彎曲和三次彎曲處時，兩相制冷劑受到來自不同方向離心力的作用，再一次將兩相的液相和氣相混合，然后進入分配器。與初始安裝結構相比，提高了其分布均勻度。經過三個彎曲段的優化設計，氣液兩相的混合更加均勻，通過分流器的分配，使各出口管道中的氣液兩相比例的差別明顯減少，分布更加均勻。結果表明，該模型的分布不均勻度為0.484，最優結構的分布不均勻性為0.174，下降了64.4%，取得了明顯的效果。

5 結語

通過對分配器連接管的折彎角、彎半徑、管道直徑等結構參數進行分析，提出了經過改進的分配器接頭結構來提高分流的均勻性，具體總結為以下3點：1）空調分配器的連接管道是一種彎曲的構造，當兩相制冷劑通過彎管時，兩相制冷劑受到離心力作用的影響在分配器中不均勻地流動，導致空調分配器的不均勻分流。2）管道的彎曲角度對管道的分流均勻性有較大的影響，而彎曲角度、半徑、管道直徑等因素對分流均勻性的影響較大。3）將原來的單向彎曲改為連續反向彎曲，降低氣液分離度，使分配器聯管的分流不均勻度降低了64.4%，明顯提高了其均勻性。