不同制冷工质在分配器中的分配特性分析及结构优化设计

高扬*，翁晓敏，丁国良，胡海涛，宋吉

（1-上海交通大学制冷与低温研究所，上海　200240；2-国际铜业协会，上海　200020）

不同制冷工质在分配器中的分配特性分析及结构优化设计

高扬*1，翁晓敏1，丁国良1，胡海涛1，宋吉2

（1-上海交通大学制冷与低温研究所，上海200240；2-国际铜业协会，上海200020）

本文采用CFD仿真研究了R22、R410A、R32、R290四种制冷剂下分配器特性在不同安装角度工况下的变化规律。研究结果表明，对气液相密度比大的制冷剂工质（R32、R410A），在垂直安装条件下，插孔式分配器分配效果最好；在倾斜安装条件下，圆锥式分配器分配效果最好。对气液相密度比小的制冷剂工质（R22、R290），圆锥式分配器分配效果均为最好。结合理论分析和分配器特性的变化规律，提出实际安装条件下适用于四种制冷剂的分配器结构的通用优化设计方案，并与改进前分配器性能进行对比验证。对比结果表明，改进后的分配器结构能够改善分配器的分配性能。

分配器；两相流；CFD仿真；结构优化；分配性能

0　引言

小管径房间空调器具有结构紧凑、制冷工质充注量少的特点，不仅减少了材料使用、降低了成本，而且使得环保可燃的工质（如R32、R290）得以应用于空调器，扩大了房间空调器使用制冷剂的范围［1］。但是，小管径铜管（管径不大于5 mm）的采用导致了制冷工质的压降迅速增加，换热器的性能也随之急剧恶化。为了弥补小管径房间空调器压降过大造成的性能下降，需要采用多流路换热器。同时，为了解决制冷剂分流不均，需要引入分配器［2］。

在家用房间空调器中，分配器的进口连接毛细管出口，其出口一般分成2～8路，通过毛细管与房间空调器的蒸发器各流程相连。性能良好的分配器能通过分流，将制冷剂等量、均匀地分配给蒸发器的各个流路。分配器的分流性能较差时，各分路制冷剂分配并不均匀［3］。供液量偏少的分路内，制冷剂快速蒸发成气体，出口过热度很大，换热面积没有有效地进行利用；供液量偏大的分路内，出口的过热度很小，甚至可能有未蒸发的液体［4］，造成空调系统的运行性能恶化。所以分配器的流量分配性能对小管径房间空调器的性能有重要影响。

翁晓敏等［5］和高晶丹等［6］采用空气-水为流体对插孔式分配器进行了理论和实验研究，得出了插孔式分配器的优化结构。翁晓敏等［7］对反射式分配器进行了结构优化设计和实验验证，证明改进结构具有更优异的分配性能。上述研究大都采用空气-水来模拟制冷剂的运行工况。但是，不同制冷工质，由于其物性的不同，导致具体工况如空泡系数、气相和液相速度等的差异，这些差异都将直接影响到对应的分配器设计。因此，已有针对空气-水混合物的分配器优化设计可能不能直接拓展到制冷剂。

本文对不同制冷工质应用下的分配器特性变化规律进行研究，目的在于得出一种对不同制冷工质通用的优化设计结构。

1　分配器形式和结构调研及研究对象确定

调研针对的主体是国内外大型的空调企业和分配器制造企业，通过调研，整理各个厂家使用的分配器结构型式和工质，为接下来研究做准备。调研企业有空调制造企业D公司，F公司，K公司，以及分配器制造企业H公司。通过上述调研结果的反馈，确定了以下研究范围。

1）研究的制冷工质为已投入生产的R22/R410A/R32和有替代R22潜力的环保工质R290。

2）研究的分配器类型为4分路圆锥式、插孔式、反射式分配器，各分配器原型如图1所示。分配器安装倾角（相对于垂直方向）为0°、5°和10°（极限安装倾角）。

图1　三种分配器结构示意图（单位：mm）

2　制冷剂对分配性能影响的理论分析

2.1两相流动模型

分配器中制冷剂介质的两相流理想流型为环状流或者雾状流，此种流型下空泡系数α相对较大（大于80%），适合用分相流动模型进行处理，即把两相流看成是分开的两股流体，分别按单相流处理并计入相间作用［8］。

空泡系数α的计算公式［9］如下所示：

其中，无量纲数h和n的经验关系式如下：

式中：

ρg——制冷剂气相的密度，kg/m3；

ρl——制冷剂液相的密度，kg/m3。

气相折算速度：

液相折算速度：

式中：

m ——工质的总质量流量，kg/s；

x ——干度；

A ——管道截面积，m2。

2.2制冷剂对分配性能影响分析

分配器在实际运行中，分配性能与不同制冷介质的运行工况有直接关系，影响因素总结如下。1）气液两相的密度比

由空泡系数的计算公式可知，空泡系数α与干度、气液两相的密度比有关。分配器进口干度在系统正常工作时稳定在0.2左右［10］，但是对于不同的制冷工质，其气液两相的密度比有一定差异，这会直接影响空泡系数。如表1所示为R22/R410A/R32/R290在10 ℃时的气液相密度比。

表 1 各制冷剂工质的气液相密度比

在气液两相流动中，由于存在着气泡的分裂和聚集，气泡的形状和大小随流动状态的变化而变化，所以气、液相界面的形状和分布在时间上和空间上均是随机可变的。这是造成气液两相制冷工质在结构对称的理想分配器（不考虑重力作用）中分配不能绝对均匀的原因。对不同制冷剂而言，气相所占截面面积不同，导致不同制冷剂的空泡系数存在差异性。尽管气相质量百分比小，但是体积百分比大，所以容易挤占流道，间接影响液相的体积流量，从而造成制冷剂的流量降低［11］。

实际过程中，分配器的安装还存在一定的倾斜角。由于密度不同，较轻的气相组会涌向高处的出口支路，而液相组会涌向低处的出口支路，造成分配不均。对不同制冷工质，气液相密度差异很大，会影响到气液相组的分配。

2）气液两相的流速

根据气液相速度折算公式，不同制冷剂工质气液相速度存在差异，这将会影响到两相流的流型。根据Weisman计算公式［12］，制冷剂的流速越高，液相质量流率Gl越大，液膜就越薄，相应散落在气相中的液滴也就越多，流型也就更加接近弥散雾状流，即液滴能均匀分布在气相中进行流动的一种流型。当流速较低时，较难形成雾状流，从而达不到较好的分配效果。

3）压力波动

下游压力波动会抑制上游流量［13］。不同制冷工质实际工作压力不同，产生的压力波动也会有差异，从而造成分配效果的差别。

2.3分配器分配不均匀性评价

本文采用各分路质量流量的标准差来衡量分流器的分流性能，标准差计算公式如下：）

式中：

S ——标准差，g/s；

n ——分路数；

mi——第i分路的出口质量流量，g/s；

mave——各分路质量流量之和的平均值，g/s。

3　不同制冷工质在分配器中的分配特性CFD模拟

利用FLUENT软件对分配器分流情况进行模拟时，采用高质量的四面体网格和分区划分的网格划分策略，使三种分配器的网格达到了较高的网格质量［14］。

由于采用的数学模型为分相流动的两相模型，将生成的网格导入FLUENT软件进行模拟计算时选择Euler两相流模型和k-ε湍流模型。k-ε模型的各常数取值如表2所示。

表2　k-ε模型的各类常数取值

对不同的制冷剂，设定它们在某房间空调器以蒸发器额定制冷工况运行（室内侧干湿球温度维持在27℃/19℃，干度0.2），并控制各工质过热度和换热量相同。假设分配器下游的蒸发盘管的几何结构尺寸和位置高度相同，并忽略两者连接管的沿程压力损失。由公式（1）～（3），得到分配器中各工质的入口边界和出口边界条件如表3所示。由公式（4）～（5）可知，对同种工质，由于流经的不同类型分配器的管道截面积不同，它们的气相入口速度和液相入口速度也各不相同，这里不再详述。

本文采用已有文献中的空气-水分配特性实验数据［5］，对本文的CFD模型的预测精度进行验证。验证结果表明，本文建立的模型与实验数据的误差在15%以内。

表3　不同工质下分配器CFD仿真边界条件

4　模拟结果比较与分析

4.1R22下分配器结构的分流特性变化规律

R22在三种类型分配器中的仿真计算边界条件如表3所示。仿真计算后的标准差对比如图2所示。

图2　R22时插孔式、圆锥式、反射式分配器分流结果

从图2的R22标准差对比图可以看出，不论是垂直安装时还是倾斜安装时，4分路圆锥式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

这是因为制冷剂R22气液两相密度比小，气液两相流速大，出口压力小。流速的影响大于压力波动的影响，而圆锥式分配器混合腔的流速大于其他两种分配器，更易形成雾状流。因此在垂直和倾斜安装时圆锥式分配器均有较好的分流效果。

4.2R410A下分配器结构的分流特性变化规律

R410A在三种类型分配器中的仿真计算边界条件如表3所示。仿真计算后的标准差对比如图3所示。

从图3的R410A标准差对比图可以看出，垂直安装时，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圆锥式分配器次之，反射式分配器分配效果最差；倾斜安装时，4分路圆锥式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

这是因为制冷剂R410A气液两相密度比大，气液两相流速小，出口压力大。插孔式分配器在垂直安装时受压力波动影响较小；倾斜安装时，对倾斜安装角敏感度大，因此其分配效果差；而圆锥式分配器的混合腔道相比于插孔式和反射式来说最小，并且出口有一定的倾斜角度（30°），根据质量守恒公式，两相流经过圆锥式分配器混合腔时的流速大于其他分配器，较易形成雾状流。

图3　R410A时插孔式、圆锥式、反射式分配器分流结果

4.3R32下分配器结构的分流特性变化规律

R32在三种类型分配器中的仿真计算边界条件如表3所示。仿真计算后的标准差对比如图4所示。

图4　R32时插孔式、圆锥式、反射式分配器分流结果

从图4的R32标准差对比图可以看出，垂直安装时，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圆锥式分配器次之，反射式分配器分配效果最差；倾斜安装时，4分路圆锥式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。由于R32具有与R410A相似的物性，即气液相密度大，气液两相流流速小，出口压力大。因此其在分配器中的分配规律与R410A相似。

4.4R290下分配器结构的分流特性变化规律

R290在三种类型分配器中的仿真计算边界条件如表3所示。仿真计算后的标准差对比如图5所示。

图5　R290时插孔式、圆锥式、反射式分配器分流结果

从图5的R290标准差对比图可以看出，不论是垂直安装时还是倾斜安装时，4分路圆锥式分配器的分流效果最好，反射式分配器次之，插孔式分配器分配效果最差。

R290物性与R22类似，均具有气液两相密度比小，气液两相流速大，出口压力小的特点。因此R290在分配器中的分配规律与R22相似。

5　分配器的优化设计

5.1分配器优化设计思路

根据市场调研显示，垂直安装的理想情况很难实现，而更常见的是5°以内的安装倾角，这里基于倾斜5°的条件来研究圆锥式分配器结构优化设计方向。通过仿真研究三种类型分配器的结构因素对制冷剂气液两相分配的影响因素。空泡率反映了流道中气相和液相的分布情况，可作为衡量气液相状态和分配均匀性的一个标志。图6为R410A稳定流动时三种分配器倾斜5°的纵向截面的第二相（气相）空泡率图。

图6　三种分配器空泡率图

经过对三种分配器结构型式的分析，总结出影响气液相分布的结构因素如下。

1）混合腔宽度。由图6可知，由于混合腔太宽，其出口管两侧气相不均匀分布比较明显。所以混合腔宽度要尽可能的窄。

2）混合腔结构型式。由图6可知，出口管的倾斜形成了独特的圆锥体型的出口混合腔结构，混合腔截面积由低到高越来越小，较小的混合腔截面积保证了高流速，有利于雾状流的形成。

3）混合腔和出口的连接。由图6可知，由于混合腔和出口的连接管短且垂直，导致第二相在出口管处流路弯曲，并形成涡旋，阻碍了流体特别是液相的流出。所以混合腔和出口的连接管过渡要平缓。

基于以上的仿真计算结果和分析，圆锥式分配器的结构型式分配效果对这四种制冷剂工质而言都是最好的，具有普适性，应该基于这种结构型式的原型进行优化设计。

圆锥式分配器原型及各改进型如图7所示。具体的改进方向（虚线圈标注）如下。

1）改进一：将各支路向外平移，使圆锥体型混合腔内移，变道口最接近分配器入口。

2）改进二：保持变道口宽度不变，增大支路间夹角为50°。

3）改进三：将进口连接管宽度变成5 mm。

图7　圆锥式分配器原型及各改进型

5.2优化设计仿真结果

以R410A为工质，通过仿真计算其分流结果与理想情况下各分路平均质量流量之比如图8所示。

图8　圆锥式分配器原型及其改进型在安装角度为5°各支路流量与平均流量之比

根据样本方差值和分配器各出口流量与平均流量比值偏离1的程度，改进一和改进二都可以提高分配效果。

6　结论

通过研究R22/R410A/R32/R290在不同安装倾角（0°/5°/10°）的插孔式/圆锥式/反射式三种分配器中分配特性，总结出如下结论。

1）对气液相密度比大的制冷剂工质（如R32，R410A），垂直安装条件下插孔式分配器的分配效果最好；倾斜安装（5°，10°）条件下圆锥式分配器的分流效果最好。对气液相密度比小的制冷剂工质（如R22，R290），圆锥式分配器的分流效果最好。

2）选择圆锥式分配器进行优化，得到圆锥体型混合腔内移和增大出口管支路间夹角到50°两种优化结构，证明其具有更好的分配效果。

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Analysis of Distribution Characteristics and Design of Structure Optimization of Distributor for Different Refrigerants

GAO Yang*1，WENG Xiao-min1，DING Guo-liang1，HU Hai-tao1，SONG Ji2
（1-Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2-International Copper Association，Shanghai 200020，China）

The flow distribution characteristics of four types of refrigerants（R22，R410A，R32，R290）in distributors under the conditions of different angles were investigated by CFD simulation.The research result shows that，for the refrigerant which has a bigger density ratio of vapor and liquid（R32，R410A），jack-type distributor is proved to have a best distribution performance under the condition of vertical installation，while cone-type distributor is proved to have a best distribution performance under the condition of inclined installation.For the refrigerant which has a smaller density ratio of vapor and liquid（R22，R290），cone-type distributor becomes the best one.According to the theoretical analysis and flow distribution characteristics，the structure optimization of distributor for these four refrigerants was proposed and verified by comparing the performance of the optimized distributor with the original one.The result shows that the optimized structure of the distributor can improve distribution performance.

Distributor；Two phase flow；CFD simulation；Structure optimization；Distribution performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.107

*高扬（1991-），男，硕士生。研究方向：制冷与低温工程。联系地址：上海市闵行区东川路800号，邮编：200240。联系电话：021-34206865。E-mail：gao854188977@sjtu.edu.cn。