刘 璐 刘艳涛 詹飞龙 丁国良 郜哲明 许学飞

(1 上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240；2 广东美的制冷设备有限公司 顺德 528311)

随着小管径技术的发展，制冷空调系统中的蒸发换热器常采用多流路形式来减小制冷剂流动压降并提升换热性能[1-2]。为了使节流后的气液两相制冷剂能够等量、均匀地分配到蒸发器各流路中，需要在蒸发器前引入分配器[3]。受空调器室内机的空间限制，分配器一般为倾斜安装[4]，两相制冷剂需从折弯型的连接管进入分配器中，分配器及其连接管的布置方式如图1所示。

图1 制冷空调系统中分配器及其连接管的布置方式

分配器在实际使用过程中存在分流不均匀的问题，使空调器性能下降[5-6]。分配器分流不均时，蒸发器部分流路中的制冷剂流量偏小，导致制冷剂过早蒸干并出现严重过热；而另一些流路中的制冷剂流量偏大，导致制冷剂蒸发不充分[7]。为了提高空调系统性能，需要提高分配器的分流均匀性。

除了分配器本体的结构及安装方式会影响分流均匀性外，分配器连接管的布置形式也会影响分流均匀性[8]。节流后的气液两相制冷剂进入到分配器连接管中时，由于气相和液相流经折弯处时会受到不同大小的离心力作用，气液两相会发生分离，使进入到分配器本体的两相制冷剂流型不对称[9]。又由于分配器本体为倾斜安装，入口流型不对称的两相制冷剂进入分配器本体时会由于重力影响而使各出口支路制冷剂流量不一致，从而进一步降低分流均匀性[10]。因此，提高分配器的分流均匀性需要从改进分配器本体结构和改进分配器连接管结构两个方面来进行。

已有的分配器研究主要集中在分配器本体结构对分流均匀性的影响及优化上，缺乏对于分配器连接管的影响及优化的研究。高晶丹等[11-12]对比了插孔式分流器、圆锥式分流器、反射式分流器三种常见分配器的分流性能，发现圆锥式分配器和反射式分配器受安装角度影响较小。翁晓敏等[13-14]研究了安装角度对插孔式分流器和反射式分流器的影响，发现安装角度对反射式分流器影响较小。赵定乾等[15]设计了一种通过构建环状流实现均匀分配的新型分配器，实验结果表明新型分配器性能优于目前最常用的圆锥式分配器。Yao Yufang等[16]通过可视化实验研究了质量流量、干度和安装角度对圆锥式分配器的影响，结果表明高速流动条件下安装角度对分配器的性能影响可以忽略。

本文的目的是对分配器连接管的分流均匀性影响因素进行分析并提出新的分配器连接管结构形式，从而提高分配器在空调系统中的分流均匀性。

1 提高分流均匀性的研究思路

1.1 分配器连接管的优化思路

分配器连接管的优化思路如表1所示。制冷空调系统中的分配器连接管通常为只朝着一侧方向进行折弯的结构形式，如表1中的原型分配器连接管所示。由于气相制冷剂和液相制冷剂的密度差异较大，两相制冷剂从连接管的垂直段进入到倾斜段时，液相受到的离心力显著大于气相受到的离心力，使气液两相发生分离；液相会被逐渐分离到折弯的外侧管壁上，而气相则会聚集在折弯的内侧管壁上，导致进入到分配器本体的两相制冷剂流型不对称。

本文提出的分配器连接管结构改进的思路是，将原来的单一方向折弯改变为连续反方向折弯以降低气液相分离程度。表1所示为一种具体的分配器连接管改进结构的效果图，将原来的一次折弯更改为三次折弯。采用该折弯方式的理由是，若采用二次折弯，分配器出口管的朝向会发生显著变化，可能会对分配器出口与换热器之间的管路布置造成困难；而若采用三次折弯，分配器出口管的朝向基本不发生变化，则不会造成分配器出口与换热器之间管路布置上的困难。

表1 分配器连接管的优化思路

对于改进的分配器连接管结构设计，两相制冷剂进入到第一个折弯处时，由于液相所受到的惯性力大于气相，液相将在折弯处外侧聚集，而气相则在折弯处内侧汇合形成气膜，此时气液相分离程度较大。分离后的两相制冷剂进入到第二个折弯朝向相反的折弯处时，液相在惯性力作用下压迫气膜，被挤压出去的气泡将重新与液相混合，此时折弯内侧的气膜变小。而制冷剂再次进入到第三个折弯朝向相反的折弯处时，液相在惯性力作用下继续压迫气膜，使得折弯内侧的气膜进一步缩小，大量气泡与液相混合，此时气液相混合程度得到显著提升，提高了出口的分流均匀性。

1.2 研究技术路线

分析上述优化思路可知，分配器连接管的折弯形式会对分流均匀性产生显著影响。为了能够得到最佳的分配器连接管改进结构，本文研究的技术路线如图2所示，包括三个步骤。

图2 设计最佳分配器连接管结构的技术路线

步骤一：分配器连接管中各结构参数对分流均匀性的影响分析。分配器连接管中影响分流均匀性的结构因素包括折弯角度θ(θ0、θ1、θ2、θ3)、折弯半径R(R0、R1、R2、R3)和管路直径D(D0、D1)。为了得到优化方案的最佳参数组合，需要分别研究这些结构参数对分流均匀性的影响。

步骤二：确定有利于提高分流均匀性的最佳结构参数组合形式。在上述因素分析的基础上，综合考虑空调室内机安装空间、材料弯曲强度、流动压降等限制因素，在加工工艺允许的范围内，确定分配器连接管优化方案的最佳参数组合。

步骤三：分配器连接管优化方案的分流均匀性提升效果分析。仿真分析分配器连接管优化方案的分流均匀性，与原型结构的分流均匀性进行对比，并根据对比结果对方案进行改进。

2 各因素影响分流均匀性的模拟方法

2.1 模拟对象及条件设置

模拟对象选为空调器中常见的分配器及其连接管的结构型式。其中，折弯角度θ0的取值范围为120°～160°，折弯半径R0的取值范围为12～24 mm，管路直径D0的取值范围为9～14 mm。

基于Fluent软件对分配器及其连接管的分流特性进行CFD模拟。模拟计算中采用Euler两相模型和k-ε湍流模型。其中，分配器连接管入口处定义为速度入口，出口处定义为自由出口。速度入口的形式为均相流入口，干度固定为0.2，相应的空泡系数为0.72。速度和压力的耦合求解方式采用“PISO”算法，且压力项采用“PRESTO!”格式进行离散。

模拟过程中的假设条件包括：1)流动不可压缩；2)忽略传热过程，不考虑相变；3)制冷剂气相和液相物性参数为常数。

模拟中用到的材料选择为实际空调系统中采用的R32制冷剂，其物性参数如表2所示。

表2 模拟中所用R32制冷剂物性参数

2.2 分流均匀性评价方法

采用分配不均匀度ε评价分配器的分流效果[17]。不均匀度ε的计算式如式(1)所示。ε越小，各出口流路流量差异越小，分流性能越好。

(1)

2.3 网格独立解分析

对模拟中的网格独立解进行了分析。对于边界层网格，取第一层边界层网格大小为0.001 mm，网格层数为6层，网格生长率为1.2，可充分反映管壁上的流型变化。对于流场网格，依次选取6种不同流场网格大小来计算分配不均匀度。计算结果如图3所示，当流场网格大小由0.2 mm减小为0.1 mm时，分配不均匀度的变化幅度小于1%，故选取流场网格大小为0.2 mm。

图3 网格独立解分析

3 各结构参数的分流均匀性影响

3.1 折弯角度对分流均匀性的影响

图4所示为在分配器连接管中的折弯半径R0为8 mm，管路直径D0分别为9、12、15 mm条件下，不同折弯角度θ0对分配不均匀度的影响。由图4可知，分配器连接管的折弯角度越大，分配不均匀度越大；折弯角度由70° 增至130° 时，分配不均匀度提高约1.1～12.5倍。

图4 折弯角度对分配不均匀度的影响

在相同的折弯半径和管路直径下，折弯角度越大，两相制冷剂在折弯处受到的离心力越大；且由于液相受到的离心力大于气相受到的离心力，使液相更容易在折弯外侧聚集，而气相则在折弯内侧聚集，导致分配不均匀度增大。此外，当管路直径为9 mm或12 mm时，分配不均匀度随着折弯角度的增大呈单调增大趋势；而当管路直径增大为15 mm时，随着折弯角度的增大，分配不均匀度会逐渐达到一个最大值并保持稳定。

3.2 折弯半径对分流均匀性的影响

图5所示为在分配器连接管中的管路直径D0为9 mm，折弯角度θ0分别为70°、90°、130°条件下，不同折弯半径R0对分配不均匀度的影响。由图5可知，分配器连接管的折弯半径越大，分配不均匀度越大；折弯半径由4 mm增至20 mm时，分配不均匀度提高约0.3～5.0倍。

图5 折弯半径对分配不均匀度的影响

在相同的管路直径和折弯角度下，折弯半径越大，折弯段的沿程长度越大，两相制冷剂在折弯处受离心力作用而发生气液分离的时间就越长，导致分配不均匀度越大。此外，当折弯角度为较大的90°或130°时，折弯半径变化对分配不均匀度的影响会更加显著。这是因为在大折弯角度条件下，随着折弯半径增加，两相制冷剂流经折弯处的沿程长度就越长，导致气液分离的作用时间越多。

3.3 管路直径对分流均匀性的影响

图6所示为在分配器连接管中的折弯半径R0为8 mm，折弯角度θ0分别为70°、90°和130°条件下，不同管路直径D0对分配不均匀度的影响。由图6可知，分配器连接管的管路直径越大，分配不均匀度越大；管路直径由9 mm增至15 mm时，分配不均匀度提高约0.2～4.5倍。

图6 管路直径对分配不均匀度的影响

在相同的折弯半径和折弯角度下，管路直径越大，分配器连接管内的两相制冷剂流速越小，两相制冷剂受重力和离心力作用越显著，使气液分离现象更显著，分配不均匀度增加。此外，当折弯角度较小时，分配不均匀度随着管路直径的增加而增大；当折弯角度较大时，随着管路直径的增大，分配不均匀度会达到一个稳定最大值。

3.4 各因素影响权重的DOE分析

采用DOE分析方法分析上述各因素对分配不均匀度的影响权重。DOE分析方法是通过将收集到的数据应用统计方法整理得到各影响因素的极差，并通过极差判断各因素的影响程度。某个因素的极差越大，对分配器性能的影响越显著。DOE分析结果如表3所示。其中，折弯角度的极差最大，为折弯半径和输入管组件管径极差的约10倍，说明折弯角度是最主要的影响因素。因此对于分配器连接管的结构优化设计应首先保证折弯角度较小；若存在多个折弯，则需要保证合理设计折弯角度和折弯半径，保证流体在流经分配器连接管时受到不同方向的离心力可以相互抵消，分配器入口处形成气液两相流型对称。

表3 分配器连接管中各结构因素的影响权重

对于本文提出的连续三次反向折弯的改进型分配器连接管而言，由于前两次折弯角相等，可以相互抵消气液相分离的作用，故第三次折弯的结构将对分流的均匀性起到决定性作用。因此改进的重点是保证第三次折弯处的折弯角度尽可能小。

4 分配器连接管的优化结果

4.1 优化方案设计

通过上述各分配器连接管结构因素对分流均匀性的影响可知，较小的折弯角度、折弯半径及管路直径有利于提高分流均匀性。综合考虑分配器安装空间、分流均匀性以及压降的影响，优化结构的具体参数取值为：折弯角度θ1=160°，θ2=160°，θ3=120°；折弯半径R1=8 mm，R2=12 mm，R3=8 mm；管路直径D1=9 mm。其中，前两次折弯对流型的影响可以起到抵消作用；在安装空间允许的范围内增大R2至12 mm，可以在一定程度上抵消第三个折弯角对流型的干扰作用；第三个折弯角的θ3取最小值120°，减小制冷剂流经第三个折弯角受到的离心力作用范围；在安装空间允许的范围内增大R2至12 mm，可以在一定程度上抵消第三个折弯角对流型的干扰。

4.2 优化方案的分流均匀性提升效果分析

图7所示为两相制冷剂流经原型分配器连接管和改进的分配器连接管时的气液两相分布情况，图中浅色代表气相，深色代表液相。

原型分配器连接管的流动过程如图7(a)所示，入口两相均匀分布的制冷剂流经折弯处时会出现气液分离现象，液相集中分布在折弯的外侧，而气相聚积在折弯内侧；制冷剂经折弯角进入直管段的流动过程中，气液两相不能重新混合均匀，分配器出口处气液分层严重，各出口管制冷剂气液两相占比差异大，分配不均匀。

图7 两相制冷剂在分配器连接管中的流动过程

分配器在折弯角出现气液分离的原因是液相制冷剂惯性作用大，会在折弯外侧聚集，气相惯性作用小，会在折弯的内侧聚集。流经折弯角的制冷剂只经过短短的直管段后即进入分配器，导致上述的流场无法在足够长的直管段内获得充分的重新混合，分配器入口气液分布不均，分配器性能恶化。

改进的分配器连接管的流动过程如图7(b)所示，入口两相均匀分布的制冷剂流经第一个折弯处时会出现气液分离现象，液相集中分布在折弯的外侧，而气相聚积在折弯内侧；经过第二个和第三个折弯后，两相制冷剂受到不同方向的离心力作用，气相和液相重新混合后进入分配器，相比于原型分配器，分配均匀性提升。

与原型结构相比，优化的分配器经3个折弯段，气液两相混合更均匀，经分配器完成分配后，进入各出口管的制冷剂气液两相占比的差异显著减小，分配更均匀。计算得到的原型结构分配不均匀度为0.484，优化结构的分配不均匀度为0.174，降低约64.4%，效果显著。

4.3 优化方案的加工可行性分析

空调用分配器连接管的材料通常为紫铜管，本身具有良好的拉制、弯曲以及机械变形工艺性能，可采用现有成熟的铜管弯管工艺来实现本文提出的连续折弯型分配器连接管的加工。

分配器连接管进行折弯时，外侧管壁因受拉力作用会伸长减薄，外侧管壁的壁厚减薄量不应过大。通过对本文提出的连续折弯型分配器连接管进行估算表明，外侧管壁受拉力产生的壁厚减薄量低于原始壁厚的17%，满足JB/T 7659.5—1995《氟利昂制冷装置用翅片式换热器》[18]的要求。

5 结论

本文分析了分配器连接管中折弯角度、折弯半径和管路直径等结构因素对分流均匀性的影响，并提出了优化的分配器连接管结构来提高分流均匀性，得到如下结论：

1)空调器用分配器连接管为折弯型结构，两相制冷剂流经折弯管时会由于离心力作用而发生气液相分离，使进入到分配器本体的两相制冷剂流型不对称，导致分流均匀性下降。

2)分配器连接管中的折弯角度是影响分流均匀性的最重要因素，且较小的折弯角度、折弯半径及管路直径有利于提高分流均匀性。

3)提出的将原有分配器连接管单一方向折弯改变为连续反方向折弯的结构优化思路可以降低气液相分离程度，优化后的分配器连接管分流不均匀度降低64.4%，分流均匀性得到显著改善。