王 珂，廖家干，王永慶，劉遵超

（1.鄭州大學 力學與安全工程學院，鄭州 450002；2.鄭州大學 機械與動力工程學院，鄭州 450002）

0 引言

干式管殼式蒸發(fā)器具有不易積油，充液量少，不易凍結(jié)等優(yōu)點［1］。作為制冷4大件之一，干式管殼式蒸發(fā)器在中央空調(diào)系統(tǒng)中占有重要地位，它對于空調(diào)節(jié)能降耗起到關(guān)鍵作用［2］。蒸發(fā)器的換熱效率極大的影響著空調(diào)系統(tǒng)的性能。影響蒸發(fā)器換熱效率的因素有很多，比如蒸發(fā)溫度不高、制冷劑分配不均勻、間隙泄漏等，分液不均是尤其重要的因素［3-6］。

對蒸發(fā)器流量分配特性的研究主要集中在兩方面：（1）對進口或集箱（管箱）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；（2）研究幾何參數(shù)的影響。Shi等［7］通過試驗研究了加入不同形式的導(dǎo)流板對蒸發(fā)器制冷量和空氣溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)合理的設(shè)計可以提高蒸發(fā)器制冷量。Yuan等［8］提出了一種新型流量分配器，采用數(shù)值模擬方法將其用于板翅式換熱器入口后各通道內(nèi)氣液兩相分布更加均勻。袁培等［9］采用數(shù)值模擬的方法對平行流蒸發(fā)器中有無分流板境況下制冷劑分配均勻性進行了研究，發(fā)現(xiàn)加入分流板可以改善流量分配不均勻度。Wang等［10］利用試驗和數(shù)值模擬的方法研究了分布器入口管長度、傾角、氣流不均勻性等參數(shù)對多回路蒸發(fā)器流量分配的影響，發(fā)現(xiàn)較長的進氣管和垂直安裝將有助于提高分配器的性能。Shojaeefard等［11］運用數(shù)值模擬和有限元模型的混合方法，研究了平行流冷凝器中進氣管位置、直徑、管伸出深度等對流量分配均勻性的影響。Zhou等［12］采用數(shù)值模擬的方法，對中心式平行流換熱器進口管直徑、插入角等進行研究，發(fā)現(xiàn)改進后的模型可以降低流量分配不均。Byun等［13］通過對雙列四通并聯(lián)蒸發(fā)器進行實驗研究，得出由于流量分布不均，其傳熱性能降低了13%～40%。Mancini等［14］研究了板式換熱器入口流量分配對傳熱性能和熱泵COP的影響，發(fā)現(xiàn)制冷劑丁烷對不均勻分布最敏感，其最大性能系數(shù)COP降低了5.9%。

Tang等［15］對新設(shè)計的直接膨脹式空調(diào)系統(tǒng)進行了試驗測試和驗證，由于制冷劑流量分布均勻，改進后的直接膨脹空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP比原系統(tǒng)分別提高了10.5%和13.4%。因此，提高蒸發(fā)器中制冷劑在換熱管分配均勻性具有重要意義。

目前，對于蒸發(fā)器中制冷劑流量分配均勻性的研究大多是針對平行流換熱器，而對于干式管殼式蒸發(fā)器中制冷劑分配均勻性的研究很少。筆者從管箱結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計了等圓開孔和優(yōu)化開孔兩種新型分流板，將其安裝在干式蒸發(fā)器管箱中，運用數(shù)值模擬的方法對無分流板、等圓開孔分流板、優(yōu)化開孔分流板3種蒸發(fā)器制冷劑入口結(jié)構(gòu)下流量分配情況進行對比研究。

1 干式管殼式蒸發(fā)器入口段結(jié)構(gòu)

對于多管程蒸發(fā)器，制冷劑從蒸發(fā)器一側(cè)的管箱進入U形管，經(jīng)過多個流程蒸發(fā)吸熱后從同一側(cè)管箱流出，管箱中有隔板。本文只對蒸發(fā)器制冷劑進口段部分進行研究，三維模型如圖1所示。

圖1 入口段三維模型

2 計算模型與數(shù)值方法

2.1 分流板結(jié)構(gòu)

等圓開孔分流板和優(yōu)化開孔分流板的區(qū)別是等圓開孔分流板孔徑都為3.5 mm，而優(yōu)化開孔分流板有3種孔徑，分別為2.8，3.5和4 mm。取入口制冷劑流動方向（Z軸）為正視方向，這2種分流板三視圖除正視圖不同外，左視圖和俯視圖相同，如圖2所示。

圖2 分流板三視圖

2.2 計算區(qū)域

蒸發(fā)器入口段結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如下：進口接管直徑16 mm，進口接管長度50 mm，管箱厚度14 mm，換熱管長度80 mm，換熱管直徑10 mm，布管方式為正三角形，換熱管間距10 mm。計算區(qū)域模型如圖3所示。為了方便分析結(jié)果，對換熱管進行編號，如圖4所示。

圖3 計算區(qū)域示意

圖4 換熱管編號

2.3 網(wǎng)格獨立性驗證

蒸發(fā)器入口段模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格局部加密比較容易，對不規(guī)則空間適應(yīng)能力較強，易于顯示流場的細微結(jié)構(gòu)［16］。進行網(wǎng)格獨立性驗證，保證計算精度的準確性［17］。最終確定無分流板、等圓開孔分流板，優(yōu)化開孔分流板3種結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)分別為210萬、160萬、175萬，此時蒸發(fā)器標準偏差和壓降的偏差均小于1%。以等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)為例，網(wǎng)格獨立性檢驗結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)格獨立性檢驗

2.4 邊界條件設(shè)置

以水為工質(zhì)，進口采用質(zhì)量流量進口，出口采用壓力出口。湍流模型采用Standardk-ε模型，采用增強壁面函數(shù)。壓力和速度耦合方式選SIMPLE算法，動量、湍動能、湍流擴散率均采用二階迎風格式。

3 計算結(jié)果分析

將標準偏差（Standard Deviation，STD）和均分率作為衡量制冷劑分配均勻性的評價標準［18］。定義如下：

式中n——換熱管數(shù)量；

qi——第i根換熱管的質(zhì)量流量，kg/s；

qa——平均質(zhì)量流量，kg/s；

ε'——均分率。

STD越小則制冷劑流量整體分配均勻性越好。均分率越接近1，則支管分流效果越好。

本文研究了入口制冷劑質(zhì)量流量M在0.1～0.5 kg/s范圍內(nèi)，3種結(jié)構(gòu)下制冷劑流量分配情況。

3.1 質(zhì)量流量對標準偏差的影響

表2為不同結(jié)構(gòu)下的標準偏差。由評價標準可知，STD越小則制冷劑流量整體分配均勻性越好。從圖5中可以看出，當質(zhì)量流量一定時，無分流板時蒸發(fā)器制冷劑入口結(jié)構(gòu)下STD最大，等圓開孔分流板次之，優(yōu)化開孔分流板最小，說明無分流板時換熱管中制冷劑分配均勻性最差，優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)下制冷劑分配均勻性最好。3種不同蒸發(fā)器制冷劑入口結(jié)構(gòu)下STD都隨著質(zhì)量流量的增加而逐漸增加，無分流板時增加趨勢較明顯，等圓開孔分流板次之，優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)下幾乎不增加，說明優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)下制冷劑分配均勻性受質(zhì)量流量的影響較小且分流效果最好。當質(zhì)量流量從0.4 kg/s增加到0.5 kg/s時，3種結(jié)構(gòu)下STD幾乎不變化，說明質(zhì)量流量對制冷劑分配均勻性的影響很小。與等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化開孔結(jié)構(gòu)下制冷劑分配均勻性提高71.3%～74.2%。與無分流板結(jié)構(gòu)相比，等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)的換熱管內(nèi)制冷劑流量的分配均勻性提高75.1%～79.8%，優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)的換熱管內(nèi)制冷劑流量的分配均勻性提高93.5%～94.2%。

表2 不同結(jié)構(gòu)下的標準偏差

圖5 不同結(jié)構(gòu)下標準偏差隨質(zhì)量流量變化曲線

3.2 各個換熱管均分率對比分析

由圖6中（a）可知，無分流板時，各個管子的均分率都和理想分流差距較大，尤其是B2，B3號換熱管。由6（b）可知，當為等圓開孔分流板時，各個換熱管的分流率相比于不加分流板更加接近于1，但管號為B2，B3的換熱管分流率依然較高。由6（c）可知，當為優(yōu)化開孔分流板時，折線波動不明顯，各個換熱管均分率比較接近理想分流，制冷劑分配不均勻性大幅度減小。說明加入分流板對分流板進行優(yōu)化改變其開孔大小可以有效地降低各支管流量分配不均勻性。3種結(jié)構(gòu)下管子的均分率基本滿足隨著質(zhì)量流量的減少更加接近于1這個規(guī)律，尤其是B2，B3號管，說明質(zhì)量流量大小會對支管流量分配均勻性產(chǎn)生影響，質(zhì)量流量越大，分配越不均勻，這與分析整體的流量分配均勻性時結(jié)論一致。

圖6 不同質(zhì)量流量下?lián)Q熱管均分率對比

3.3 流場分析

由圖7中（a）可知，無分流板時中心區(qū)域如管號為B2，B3的換熱管制冷劑流速最大，管號為A2，C2的換熱管次之，邊緣區(qū)域的換熱管如A1，A3，B1，B4，C1，C3 中制冷劑流速相對較小。原因是無分流板時，入口接管和B2，B3，A2，C2四根換熱管相對，大部分制冷劑通過入口接管和管箱后直接流入到這幾根換熱管內(nèi)。加入等圓開孔分流板后，管號為B2，B3，A2，C2的換熱管內(nèi)制冷劑流速減小，其余的換熱管內(nèi)制冷劑流速增加。

圖7 不同結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱管出口處速度云圖

與不加分流板相比，等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)制冷劑分配均勻性提高，由于分流板孔徑相同，所以依然是中心區(qū)域的管子制冷劑流速大。加入優(yōu)化開孔分流板后，所有換熱管內(nèi)制冷劑流速幾乎相等，制冷劑流量幾乎平均分配，這是因為優(yōu)化開孔分流板中心區(qū)域開孔較小，邊緣區(qū)域開孔大，所以避免了B2，B3號換熱管內(nèi)流入過多的制冷劑，降低了制冷劑流量分配不均勻性。

圖8示出了質(zhì)量流量為0.2 kg/s時ZX平面上的流線。

圖8 不同結(jié)構(gòu)下ZX平面上流線

由8（a）可知，無分流板時，中心區(qū)域B2，B3號換熱管流線密集，流速較大，邊緣區(qū)域B1，B4號換熱管入口處存在渦流，這將限制流體流動。管箱和換熱管中存在的渦流是導(dǎo)致蒸發(fā)器中制冷劑流量分配不均的一個重要原因。由8（b）（c）可知，加入等圓開孔分流板和優(yōu)化開孔分流板后，管箱中和B1，B2號換熱管中渦流減弱，流線更加均勻，流量分配均勻性提高。

3.4 壓降分析

由圖9可知，與無分流板結(jié)構(gòu)相比，加入分流板后壓降增大。這是因為無分流板時，管箱壁上的換熱管相當于大孔徑的分流板，制冷劑從入口進入管箱后直接沖擊在換熱管及管子入口附近的管箱壁上，這會導(dǎo)致正對著入口的換熱管附近壓力較大；而加入分流板后，由于分流板孔徑比換熱管孔徑小很多，所以制冷劑通過分流板時受到的阻力增大，壓力損失增大。分流板的加入大大降低了流量分配的不均勻性，但同時增加了壓降，對此可以通過適當調(diào)整膨脹閥來保證工作壓力，避免制冷系統(tǒng)能耗增加。

圖9 不同結(jié)構(gòu)下壓降隨質(zhì)量流量的變化

4 結(jié)論

（1）無分流板結(jié)構(gòu)下，管箱及換熱管入口附近的渦流會降低制冷劑流量分配均勻性，加入分流板后，分流板起到二次分流作用，渦流減弱，可以使制冷劑流量分配更加均勻。

（2）3種不同蒸發(fā)器制冷劑入口結(jié)構(gòu)與無分流板結(jié)構(gòu)相比，等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)的換熱管內(nèi)制冷劑流量的分配均勻性提高75.1%～79.8%，優(yōu)化開孔分流板結(jié)構(gòu)的換熱管內(nèi)制冷劑流量的分配均勻性提高93.5%～94.2%。與等圓開孔分流板結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化開孔分流板制冷劑分配均勻性提高71.3%～74.2%。

（3）與無分流板結(jié)構(gòu)相比，加入分流板后制冷劑流量分配不均勻性顯著降低，但同時增大了壓降，因此調(diào)整節(jié)流裝置時還需要考慮工作壓力。