反射式分流器的分流性能研究及结构改进

翁晓敏，高晶丹，胡海涛，丁国良，高屹峰，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）

0 引言

房间空调器的换热器采用小管径铜管（管径小于等于5 mm）时，可以有效降低制冷剂充注量[1]，确保环保、可燃自然工质（如R290）的安全使用[2]。如果小管径换热器直接用于房间空调器，会造成制冷剂压降明显增加，导致换热器性能恶化。为了保证小管径换热器具有良好的性能，需要增加制冷剂流路数。制冷剂流路数的增加，需要采用分流器对制冷剂流量进行分配。

分流器是连接在空调器毛细管后的一种装置，其入口处焊有毛细管，使其与空调器中的蒸发器相连。其目的是使制冷剂通过分流器后，可均匀分配给蒸发器的每个流程，实现向蒸发器均匀、等量的供液[3]。分流器的分流性能直接影响了进入蒸发器每个流程的制冷剂流量[4]。若分流器的分流性能较差，将导致蒸发器中的一些流程制冷剂流量较小，造成该流程换热器面积不能得到充分利用，使得该流程严重过热；与此相反，另一些流程的制冷剂流量则会偏大，造成该流程的换热面积不够，使得制冷剂蒸发不充分，不能能保证出口的过热度及制冷剂压降[5]。因此，分流器的分流性能对空调系统的性能有很重要影响。具有优良分流性能的分流器，可使蒸发器具有最佳换热性能，从而提高空调器的整体性能。

反射式分流器由于反射腔的存在，使气液两相流体能够充分混合，因而具有更好的分流性能。但是到目前为止，还没有关于反射式分流器特性的研究报道。

本文通过实验测量反射式分流器各出口的液体流量，得到两相流体流量、安装角度对其分流性能的影响。验证了反射式分流器具有良好的分流特性，并结合理论分析和实验结果，通过CFD模拟，对反射式分流器的结构进行了改进，并对改进后的分流器进行实验，与原分流器的性能进行对比。

1 实验原理及工况

1.1 实验系统及工作原理

实验系统原理如图1所示。实验台为开式系统，可调节气液两相流型、分流器结构及安装角度。实验采用空气/水混合物做为两相流体，通过测量各分流液体的流量来评价分流器的性能。实验对象为四分路反射式分流器，其结构装配和尺寸如图2所示。

图1 实验系统示意图

图2 反射式分流器示意图

实验流程如下：空气和水分别由泵送入系统，经混合室混合后送入分流器中，并被分配至各分流路；空气经气液分离器离开，水留在气液分离器中。空气和水的流量由旋拧阀控制，并由体积流量计测量。分流器进口处的空气/水混合物的流型通过流型观察窗观测，各分路流型由分路中的可视段观测。实验中，通过测量气液分离器中水的质量来评价分流器性能。

实验导出的主要参数是流量，流量导出误差受到流量计及分析天平精度的影响。实验中流量计的精度为±4%、分析天平的精度为0.1 g。

1.2 实验工况

在实际安装过程中，分流器受到换热器空间的限制，通常不能垂直安装，而是具有一定的倾斜度（如图3所示）。因此实验选取安装角度包括0°、10°、15°、30°、60°、90°。

图3 安装角度示意图

实验过程中，采用空气/水来模拟制冷剂在分流器中的流动。测试工况根据制冷剂实际运行工况来确定。本文中空气/水流量的确定，以R290空调器的 26机型在额定制冷工况[6]（室内温度 27℃，室外温度35℃，蒸发温度取10℃）、额定制热工况[7]（室内温度20℃，室外温度7℃，蒸发温度取2℃）下的R290流量为依据，通过空气流速与R290气相流速相等、水流速与R290液相流速相等、且空泡系数保持不变，最终得到空气/水的流量，分别为8.7 L·min-1/0.73 L·min-1，8.7 L·min-1/0.93 L·min-1，13.1 L·min-1/1.1 L·min-1，13.1 L·min-1/1.4 L·min-1。

2 实验结果及分析

本文采用总流量偏差率为不均匀度，来评价分流器分流性能。不均匀度计算公式如式(1)所示。

2.1 两相流体流量对分流效果的影响

反射式分流器在不同的两相流体流量下，不均匀度的趋势如图4所示。图4(a)的曲线可以看出，对于不同的安装角度，空气/水流量13.1 L·min-1/1.1 L·min-1时的不均匀度小于空气/水流量 8.7 L·min-1/0.73 L·min-1的不均匀度；由图 4(b)可知：在不同的安装角度下，空气/水流量13.1 L·min-1/1.4 L·min-1时的不均匀度小于空气/水流量 8.7 L·min-1/0.93 L·min-1的不均匀度。

反射式分流器在大流量时的不均匀度小，具有更好的分流性能，因此反射式分流器适用于大流量的空调器。

图4 两相流体流量对反射式分流器性能的影响

2.2 安装角度对分流效果的影响

安装角度对各分路反射式分流器在不同流量下的不均匀度曲线如图5所示。

图5 安装角度对4分路反射式分流器性能的影响

由图5可得出如下结论：

1) 反射式分流器的分流性能受安装角度的影响小，这主要是因为反射式分流器的反射腔，使气液两相流体二次混合，从而使分流更加均匀。

2) 反射式分流器在垂直安装时性能良好。随着安装角度的增大，反射式分流器的性能会随着倾斜角度的增加而恶化，当角度在 60°～90°时，分流性能又随着倾斜角度的增大而改善，这是由于反射腔的存在，使反射的气液两相的流体克服了由于大角度倾斜安装而受到的重力的作用，使反射式分流器在大角度下也具有良好的分流性能。

3) 在实际应用上，分流器受到安装空间的限制，不可能采取大角度倾斜安装。因此保证在一定倾斜角度（0°～30°）安装时具有良好的分流性能是至关重要的，这也是改进的一个方向。

3 反射式分流器的结构优化及验证

结构优化思路，是根据上节中的实验结果，分析可能的改进方案，并通过 CFD分析改进方案的效果；得出优化的结构后，通过实验进行验证。

根据上节中的实验结果分析可知，反射式分流器的特性为：1）反射式分流器在安装角度为0°～15°内，受安装角度的影响小；2）反射式分流器在大流量时的分流性能好。

在实际安装中，由于空间的限制，反射式分流器的安装角度可能会大于 15°，此时分流器的性能会恶化。因此，反射式分流器的结构改进，可以保证其在较大安装角度（安装角度大于 15°）下也具有优良的性能。

利用Fluent软件，采用Euler两相流模型和k-ε湍流模型，模拟原反射式分流器和两种改进后的反射式分流器在安装角度为30°下的分流情况。k-ε模型的各常数取值如表1所示。以R290空调器的26机型为依据，在蒸发器入口典型工况（蒸发温度10℃，干度 0.2）下，分流器边界条件设置为：在分流器入口处，气相入口速度17.82 m/s，液相入口速度 8.58 m/s，液相空泡份额 0.1819，水利直径3.56 mm，湍流强度10%；分流器壁面为绝热。

表1 k-ε模型中的各常数取值

基于本文的实验研究结果，确定可优化的参数包括反射腔深度、插入混合腔的铜管长度和直径、反射腔夹角、混合腔端面与垂直线的夹角。因此本文确定如下七种改进方案进行分析：

1) 方案一：反射腔深度变为1 mm；

2) 方案二：反射腔的深度变为2 mm；

3) 方案三：插入混合腔的铜管长度变为3 mm；

4) 方案四：插入混合腔铜管长度变为3.7 mm;

5) 方案五：插入混合腔铜管直径变为7 mm;

6) 方案六：反射腔夹角变为100°；

7) 方案七：混合腔端面与垂直线夹角变为45°。

改进方案中的改进参数示意图如图6所示。通过 CFD对上述可能的改进方案进行分析，得出各改进方案分流器的出口液相流量的不均匀程度（如表 2所示）。对比分析可知，方案四的分流性能最好。因此建议采用方案四，即将插入混合腔铜管加长至3.7 mm，如图7所示。

图6 反射式分流器改进方案示意图

表2 反射式分流器在安装角度为0°、15°和90°的模拟结果

图7 改进的反射式分流器截面示意图（单位：mm）

通过实验对改进的方案进行效果验证，得到改进后的反射式分流器在不同工况下的分流效果。为除去样件加工的误差，用不同安装角度时的不均匀度与垂直安装时的不均匀度的比值来分析安装角度对分流器性能的影响。改进后的分流器和原分流器性能对比如图8所示。

由图8可知：原反射式分流器安装角为0°～15°时，分流效果受安装角度影响小；安装角为15°～90°时，分流效果先变差后变好；改进的4分路反射式分流器在 0°～30°时，分流效果变好；安装角为30°～90°时，随着角度增加，分流效果变差。总体上讲，改进后的分流器受角度的影响小，倾斜安装时也具有良好的分流性能。因此改进的结构是可取的。

图8 改进反射式分流器的分流性能与安装角度的关系

4 总结

本文通过实验，研究了反射式分流器的性能，并在此基础上进行了结构改进；对改进结构进行实验验证，并对比改进前后分流器的性能。得到以下结论：

1) 原反射式分流器在安装角度为 0°～15°时，分流性能受安装角度的影响小，在安装角度为15°～30°时，分流性能恶化；

2) 原反射式分流器在大流量下的分流性能比在低流量下的分流性能好，因此原分流器更适用于大流量的空调器；

3) 加长反射式分流器插入混合腔的铜管的长度，可使分流器在各个安装角度下的分流都比较均匀，分流性能受安装角度的影响小；与原分流器相比，在较大安装角度 (15°～30°) 下，仍具有优良性能。

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[2] DING G L, REN T, WU W, et al. Developing low charge R290 room air conditioner by using smaller diameter copper tubes[C]// 10thIIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants, 2012, Delft, The Netherlands.

[3] 李泽芳, 苏庆勇. 单元式空调机节流毛细管分液头的改进与实验[J]. 装备制造技术, 2008(3): 18-19.

[4] 董续君, 黄辉, 张桃, 等. 空调器中制冷分流器及其组件的性能研究[C]// 制冷空调新技术进展——第三届制冷空调新技术研讨会论文集, 2005.

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