平行流换热器流量分配均匀性研究

吴学红，孟浩，丁昌，龚毅，吕彦力

(郑州轻工业学院 能源与动力工程学院,河南 郑州 450002)

摘要：单相流体的流动分配均匀性是影响平行流换热器性能的重要因素，也是两相流换热器研究的基础.提出一种16孔分流板结构，以水为工质，研究该分流板对流量分配均匀性的影响，并与无分流板换热器和12孔分流板换热器进行性能对比分析.结果表明:16孔分流板换热器的总流量分配不均匀度最小，流动分配均匀性达到最佳.16孔分流板换热器的总流量分配不均匀度分别比无分流板换热器和12孔分流板换热器减小76%～87.8%和10%～60%.当制冷剂流量为45～220 kg/h时，12孔分流板换热器的进出口压降比无分流板换热器增加8.3%～34.2%；而16孔分流板换热器的压降则只增加2.8%～12.4%.因此，16孔分流板的综合性能更好.

关键词：平行流换热器；分流板；流量分配；单相

收稿日期:2015-04-20；

修订日期：2015-06-29

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51476148)；河南省杰出青年基金项目；郑州领军人才资助项目(131PLJRC640)

作者简介:吴学红(1979—)，男，河南固始人，郑州轻工业学院副教授，博士，主要从事制冷与低温设备节能技术和能源利用与环境控制方面的研究,E-mail:wuxh1212@163.com.

文章编号:1671-6833(2015)05-0053-05

中图分类号：TB657

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.012

Abstract:The distribution uniformity of single-phase fluid is an important factor that affects the performance of parallel-flow heat exchanger, which is also the basis of investigating two-phase flow heat exchanger. A 16-hole deflector is proposed in this paper to study the influence of the 16-hole deflector on the distribution uniformity with the cryogen of water. The performance of heat exchanger of the 16-hole deflector is compared with that of no deflector and the 12-hole deflector. The results show that the total flow maldistribution S of parallel-flow heat exchanger of the 16-hole deflector is the minimum, and the distribution uniformity is the best. S of parallel-flow heat exchanger with the 16-hole deflector decreases 76%-87.8% and 10%-60% compared with that of no deflector and 12-hole deflector, respectively. When the flow rates are between 45kg/h and 220kg/h, the pressure drop of heat exchanger of 12-hole deflector increases 8.3%-34.2% than that of no deflector, however, the pressure drop of heat exchanger of 16-hole deflector increases only 2.8%-12.4%. In conclusion, the comprehensive performance of the heat exchanger of 16-hole deflector in the three models is better.

0引言

换热器作为通用设备，广泛应用于制冷空调、能源动力等众多行业.其中，平行流换热器由于结构紧凑、重量轻、体积小和单位体积内换热面积大等优点而备受关注.研究发现，平行流换热器的制冷剂流量分配不均可导致换热器性能下降20%[1].在两相流状态下，扁管各通道中制冷剂流量的分配不均匀性更差，时常出现“干蒸”和“供液过多”问题，严重影响了换热性能.制冷剂流量分配不均匀已经成为降低平行流换热器实际性能和制约其发展的一个重要因素[2].国内外众多学者对此展开了大量的实验和模拟研究.

Shi等[3]提出在封头中安装分流板，对制冷剂流量进行二次分配，以提高平行流换热器内流量分配的均匀性，并以R134A为工质，对两流程24排扁管的平行流换热器进行实验研究.结果表明，合理布置分流板结构能有效提高蒸发器流体分配均匀性，从而提高制冷量.刘巍和朱春玲[4-5]在平行流蒸发器进口集流管中安装分流板，并对分流板上的开孔数量、位置及开孔面积进行研究.研究结果表明：分流板上的开孔数量和位置对蒸发器的流动与换热性能影响很大，且分流板的开孔孔径存在一个最佳值，使蒸发器阻力损失和制冷剂流量分配均匀性的匹配性最好. Kim等[6-7]以R134A为制冷剂，实验研究了3种不同的流动入口结构对平行流换热器中流动分布均匀性的影响.研究表明：垂直式和竖直式入口结构生成的流动分布比较相似，平行式入口的流体流动分布均匀性最差. Bowers等[8]以 R134A为制冷剂实验研究了扁管插入集流管高度和入口长度的影响.陆平等[9]采用计算流体力学(CFD)方法对微通道平行流气冷器内流量分配性能进行计算研究，分析进出口集流管与扁管间多种不同组合尺寸、扁管长度等参数对流量分配、压降特性的影响.张丽娜等[10]对微通道平行流气冷器中扁管与集流管的组合结构进行了一系列优化设计，对产品的工程应用具有一定的指导意义.

目前，国内外学者对平行流换热器流动分配均匀性的研究多集中在集流管尺寸、集流管入口位置、扁管插入集流管高度、流体流动方向等方面，而对分流板的研究相对较少.因此，笔者以汽车空调系统中常见的24通道两流程结构形式的平行流换热器为例，提出一种16孔新型分流板结构，并对平行流换热器流体分配特性进行数值模拟，从而提高换热器的流量分配均匀性.平行流冷凝器中，压缩机排出的高温高压制冷剂以过热蒸汽状态流经进口集流管进入换热器各扁管中.分配过程中，由于入口管中流体的射流及重力等的影响，存在单相流体分配不均匀的现象，导致换热器整体性能下降.笔者针对平行流换热器中单相流体的流动分配问题进行研究，以水作为模拟工质，廉价易得，亦方便与后续以水为工质的流量分配实验研究进行对比.

1研究对象

笔者主要研究无分流板换热器、12孔分流板换热器和16孔分流板换热器的流动特性.

1.1实物模型

笔者所研究的平行流换热器由扁管、百叶窗翅片、集流管及分流板构成，如图1.换热器分两流程，每个流程有24排扁管.流程图如图2.从图2可以看出，分流板安装在平行流换热器第1流程的进口集流管中.分流板的安插方向与扁管的安插方向垂直，且平行于流体沿集流管的入流方向.平行流换热器结构尺寸及零部件参数如表1所示.图3为扁管与集流管的截面示意图.

图2　工作流程图

参数数值芯体尺寸/mm215.5×240.0×40.0扁管尺寸/mm200×16×2扁管数量24×2扁管间距/mm9.4分流板尺寸/mm240×18

图3　集流管结构图

1.2计算模型

1.2.1分流板结构

分流板是调节平行流换热器中制冷剂流量分配的关键部件.分流板上的开孔相当于流体流量的二次分配入口，通过改变开孔的尺寸、数量和位置，可以直接影响制冷剂流量分配的均匀性.图4所示为前人提出的12孔分流板.图5为笔者提出的16孔分流板.16孔分流板是根据无分流板换热器与12孔分流板换热器中制冷剂流动分布情况以及集流管中的压力分布优化提出的.

图4　12孔分流板结构图

图5　16孔分流板结构图

1.2.2计算区域

将进口集流管、分流板及扁管作为计算区域，如图6.集流管长度为240 mm，直径20 mm. 扁管间距9.4 mm.扁管插入集流管的深度为4.5 mm，扁管入口端面距离分流板1 mm.将多孔扁管简化为具有一个通道且流通面积相同的矩形扁管，流体流动通道的形状、大小及总流通面积不变，对流动分布特性没有影响.

1.2.3边界条件及计算方法

由于笔者只考虑换热器内流体流动分配性能，因此，并未考虑温度边界条件.计算区域入口为速度入口边界条件；出口为压力出口边界条件，共24个出口.采用双精度计算，并根据流速选择层流模型和湍流模型.采用稳态计算求解，近壁处节点采用标准壁面函数法处理，湍流模型选用标准k-ε，压力速度耦合采用SIMPLE算法，动量方程的离散采用二阶迎风格式，其余物理量采用一阶迎风格式[11].迭代运算过程中，计算收敛判断依据为各项残差下降到10-5以下.

图6　计算区域

用Gambit软件对模型进行网格划分.扁管采用结构化网格划分，入口集流管采用非结构化网格划分.以16孔分流板换热器为例，网格独立性验证如表2所示.本次计算采用的网格数为35.2万.

表2　网格独立性验证表

2计算结果与分析

在0～220 kg/h范围内从小到大依次选取45、90、110、130、170和220 kg/h这6个不同的流量值，对比不同入口流量条件下3个计算模型中流体分配均匀性.

为评估计算区域中24根扁管内的流量分配特性，沿集流管中流体的入口流向，从上至下对扁管依次编号，并定义扁管流量分配不平衡度Ei和总流量分配不均匀度S[12]两个参数.这两个参数的定义式为

(1)

(2)

式中：mi为第i根扁管内流体流量，kg/s；ma为平均单根扁管内流体流量，kg/s；n为扁管总数.

图7所示为不同Re数下无分流板换热器各扁管中流量分布情况.该现象与文献[10]中所列情况相一致，由此证明模拟的正确性.从中可以看出，无分流板换热器的流量分配不均现象比较严重，流量分配均匀性随Re数的变化而变化，稳定性较差.因此，换热器的理论设计与实际性能偏差较大.其中，1号扁管中流体流量最小.这是由于1号扁管与进口集流管连接处的流通面积减小，该处流速大大提高，动压变大，静压减小，从而1号扁管的流体流量始终比其它扁管的流量小.

图7　无分流板换热器各扁管的 Ei值

图8为12孔分流板换热器在不同Re数下各扁管的流量分布规律.对比图7和图8可以看出，与无分流板换热器相比，12孔分流板换热器各扁管中流量分配不均衡度Ei有所改善，流体分配均匀性增加.其Ei值缩小到±0.002之间.但当Re数大于3 320时，各扁管中流量分配不均现象开始明显增加，此时曲线震荡较为严重.

图8　12孔分流板换热器各扁管的 Ei值

图9为笔者提出的16孔分流板换热器中扁管流量分配不均衡度Ei图.对比图7和图9可以明显看出，16孔分流板换热器的流体流量分配均匀性比无分流板换热器好.其Ei值范围与12孔分流板换热器的基本相同，均在±0.002之间.当Re数小于3 320时，各扁管的Ei曲线更加收敛，接近于0.与12孔分流板换热器相比，当Re数大于3 320时，16孔分流板换热器明显改善了3号、6号、23号扁管之外的其它各扁管中流量分配均匀性.

图9　16孔分流板换热器各扁管的 Ei值

3个计算模型的总流量分配不均匀度S如图10.总流量分配不均匀度的物理意义为各扁管中流体流量与换热器平均流量的离散程度.S值越小，表明流量分配越均匀.从图10可以看出，不同流量下16孔分流板换热器的S值均最小.随着入口流量的增加，3个计算模型中总流量分配不均衡度S变大.其中，12孔和16孔分流板换热器的S值变化较小；无分流板换热器的S值变化较大，稳定性较差.16孔分流板换热器的S值比无分流板换热器和12孔分流板换热器分别减小76%～87.8%和10%～60%.流量为45～170 kg/h时，16孔分流板换热器的流动分配更加均匀；当流量大于170 kg/h时，16孔分流板与12孔分流板的性能相差较小，为10%.因此，不同流量下，16孔分流板换热器的流体流动分配均匀性最好.

表3所示为不同入口流量下，3种计算模型的流体进出口压降.从中可以看出，无分流板换热器的流体进出口压降最小.12孔分流板换热器和16孔分流板换热器的进出口压降分别比无分流板换热器增加8.3%～34.2%和2.8%～12.4%.通常情况下，微通道蒸发器内制冷剂的质量流量约为120 kg/h，此时，12孔分流板换热器和16孔分流板换热器的压降分别比无分流板换热器增加18.3%和4.5%.可以看出，与12孔分流板换热器相比，16孔分流板换热器的压降增加幅度更小.

图10　不同流量下3种模型的 S值

流量/(kg·h-1)进出口压降ΔP/Pa无分流板换热器12孔分流板换热器16孔分流板换热器4554.559.056.090118.3135.3122.6110153.5179.7160.0130191.0228.3200.0170295.2378.2324.2220386.3518.3434.2

3结论

以水为工质，针对平行流换热器提出16孔分流板结构，并与无分流板换热器和12孔分流板换热器对比，进行流量分配特性的数值研究.

(1)无分流板时，平行流换热器中流体流量分配均匀性较差，1号扁管中流量最小.

(2)12孔分流板平行流换热器的流量分配均匀性较无分流板换热器有很大提高，其总流量分配不均匀度S比无分流板换热器降低了64.2%～77.4%.当制冷剂流量在45～220 kg/h之间时，12孔分流板换热器的进出口压降比无分流板换热器增加8.3%～34.2%.

(3)16孔分流板换热器的总流量分配不均匀度S最小，流量分配均匀性达到最佳.16孔分流板换热器的S值分别比无分流板换热器和12孔分流板换热器减小76%～87.8%和10%～60%.当制冷剂流量在45～220 kg/h之间时，16孔分流板换热器的进出口压降仅比无分流板换热器增加2.8%～12.4%.

因此，本次研究的16孔分流板在总流量分配不均衡度和流体进出口压降上均能达到较好的效果.而它在改善换热器内流体分配均匀性的同时，对提高传热性能所带来的具体影响，仍需在后续工作中进一步研究.

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Study on the Uniformity of Flow Distribution of the Parallel-flow Heat Exchanger

WU Xue-hong, MENG Hao, DING Chang, GONG Yi, LU Yan-li

(School of Energy and Power Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

Key words: parallel-flow heat exchanger; deflector; flow distribution; single-phase