(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海200240； 2 國際銅業(yè)協(xié)會(中國) 上海200020； 3 空調設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室 珠海519070)

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

分流器應用于空調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)的傳熱系數遠小于兩相區(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。它們通過添加旋轉葉片、離心加速器或氣體分離器等結構，將不可控、不對稱的流型轉換為可控、對稱的流型，從而使氣液兩相均勻分配。但這類復合式分流器體積大、結構復雜，主要用于大型石油化工設備，而不適用于安裝空間有限的空調器[8]。

空調器普遍使用單體結構的分流器，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稱流型，使分流器的分配性能易受安裝角度的影響。當分流器因安裝空間受限而傾斜安裝時，這類分流器無法均勻分配制冷劑。

實現(xiàn)制冷劑均勻分配的關鍵是采用簡單的結構形成對稱的兩相流型。環(huán)狀流由于具有對稱的流型可用于分流器設計。環(huán)狀流由環(huán)狀液膜和中心氣相組成，氣液兩相均關于進口管的中軸線對稱[10]。當分流器的出口管關于進口管對稱布置時，流型對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)狀流從而實現(xiàn)均勻分配的空調器分流器。

1 采用環(huán)狀流實現(xiàn)均勻分配

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

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

環(huán)狀流的構建可以通過兩種環(huán)狀流的轉化機制實現(xiàn)。豎直環(huán)狀流由泡狀流和混狀流轉化而來，如圖1(a)所示。水平環(huán)狀流由分層流和間歇流轉變而來，如圖1(b)所示。由于豎直和水平環(huán)狀流的轉化機制不同，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，使設計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計進出口管的連接形式來實現(xiàn)。傳統(tǒng)圓錐式分流器的各出口管的連接處位于進口管的中心，導致制冷劑無法均勻的分配到出口管，如圖2(a)、圖2(b)所示。為實現(xiàn)均勻分配，新型分流器的出口管應垂直且對稱地布置在進口管壁上，如圖2(c)、圖2(d)所示。

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

2 設計進口管構建環(huán)狀流

形成環(huán)狀流的方法是：首先確定進口管的結構參數與環(huán)狀流的關系；然后分別推導豎直和水平管形成環(huán)狀流的臨界管徑；最后根據推導的臨界管徑計算進口管的結構參數。

2.1 進口管的結構參數與環(huán)狀流的關系

進口管形成環(huán)狀流的關鍵參數包括內徑d和管長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)展進而形成穩(wěn)定的環(huán)狀流，應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)狀流的轉化條件是氣相速度足夠大從而使夾帶液滴向上流動，如圖3(a)所示。當最大夾帶液滴所受的浮力和曳力之和與重力相等時，夾帶液滴剛好能夠保持向上運動的趨勢從而維持豎直環(huán)狀流的流型，如式(2)[12-13]所示。

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

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

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2.3 形成環(huán)狀流的進口管的結構參數

將式(2)～式(9)代入式(1)得到進口管中形成環(huán)狀流所需的內徑和管長的計算式，如式(10)所示。進口管的結構由8個輸入參數決定，包括制冷量Q、空泡系數α、潛熱Δhfg、氣相密度ρG、液相密度ρL、表面張力系數σ、重力加速度g和曳力系數Cd。

(10)

實際進口管結構的計算以一款廣泛使用的制冷量為3.50 kW的空調器為例，輸入和輸出參數如表1所示。制冷工況下分流器進口管中的制冷劑空泡系數約為0.60[15]。式(10)中的物性參數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 ℃，故物性參數的取值為10 ℃時的制冷劑物性。

表1 分流器的進口管結構參數計算表Tab.1 Inlet tube structure parameters of distributor

3 設計進出口管連接方式實現(xiàn)環(huán)狀流均勻分配

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

傳統(tǒng)圓錐式分流器的Y型連接結構如圖4(a)所示。該結構的流體轉向處易出現(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動方向并指向管壁的升力Flift，朝管壁運動，如圖4(b)所示。氣泡所受升力Flift由其速度分量ut的旋度ω產生，如圖4(c)所示。升力Flift的計算式如式(11)[16]所示。

圖4 不同形式的連接結構處的制冷劑流動分析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型連接結構。該結構流體轉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，如圖4(f)所示。無旋流動的流體旋度為0，根據式(11(a))可知其氣泡所受的升力為0。

4 均勻分流器性能驗證

4.1 實驗裝置與樣件

用于分流器的流型觀測與性能測試的實驗臺如圖5所示，主要包括儲液罐、流體泵、電加熱器、溫度傳感器T1和T2、調壓器、實驗樣件、半導體制冷模塊、4個流量計及閥門。實驗樣件包括一個傳統(tǒng)圓錐式分流器和一個新型分流器，均采用透明材料(光敏樹脂)制作以便觀測內部的兩相流型。溫度傳感器、體積流量計和調壓器的精度分別為0.1%、2.5%和0.8%?？紤]到分流器透明材料(光敏樹脂)的強度，實驗工質需要選擇一種常壓制冷劑，如R141b。

圖5 分流器性能測試實驗裝置Fig.5 Experimental apparatus to test performance of distributor

實驗工況包括安裝方式和制冷劑質量流量。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的空調器的制冷劑流量為15～20 g/s，因此在實際工況附近選取3種質量流量，分別為14、18、22 g/s。

本文采用質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

實驗觀測了傳統(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進口管中的流型。

傳統(tǒng)圓錐式分流器在豎直安裝時，進口管中的制冷劑呈泡狀流，如圖6(b)所示，而在水平安裝時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稱，導致進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，進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)狀流具有對稱的流型，使氣液兩相均勻地進入所有出口管。

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量流量的增加而減小。水平安裝時，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降10%～24%；傾斜安裝時，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降14%～27%；豎直安裝時，新型分流器的ε較傳統(tǒng)分流器下降24%～47%。質量流量增大時，氣相和液相的速度同時增大，使傳統(tǒng)分流器進口管中的流型也逐漸向對稱流型發(fā)展，因此與新型分流器的ε差值減小。

5 結論

本文提出了新型空調器分流器的設計方法，進行了樣件在水平、傾斜和豎直安裝時的可視化實驗，并與傳統(tǒng)分流器的分配性能進行對比。主要結論如下：

1)新型分流器通過設計進口管的結構形成環(huán)狀流，并將出口管對稱、垂直的設置在進口管的管壁面上，從而實現(xiàn)環(huán)狀流的均勻分配。進口管的內徑d取水平和豎直環(huán)狀流的臨界管徑中的較小值，且管長不小于內徑的20倍(L≥20d)。

2)將分流器進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安裝角度下的均流性能。樣件的性能測試實驗表明，水平、傾斜和豎直安裝時，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%。

符號說明

Cd——曳力系數

Clift——升力系數

d——進口管內徑，m

ddrop——液滴直徑，m

F——力，N

Flift——升力，N

Fr——弗勞德數

G——質流密度，kg/(m2·s)

L——進口管長度，m

Q——制冷量，kW

u——速度，m/s

V——體積，m3

x——干度

α——空泡系數

ρ——密度，kg/m3

σ——表面張力系數，N/m

g——重力加速度，m/s2

π——圓周率

ε——質量流量不均勻度

下標

bubble——氣泡

H——水平

L——液相

max——最大值

min——最小值

n——法向

t——切向

V——豎直