D型集流管式微通道气冷器流量分配性能数值模拟

曹 侃 张蒙蒙 刘敏珊 张丽娜 刘遵超

(1郑州大学化工与能源学院河南省过程传热与节能重点实验室 郑州 450002)

(2郑州航空工业管理学院机电工程学院 郑州 450002)

1 引言

微通道气冷器结构紧凑、耐压性好，在小型CO2制冷装置中，采用微通道气冷器具有不可比拟的优势。这主要是由于CO2换热系数高、流动性能好以及其他物性特点所决定的［1］。近年来，随着汽车工业的迅猛发展，汽车空调制冷系统中微通道气冷器的流动与换热特性的研究愈来愈受到各国研究人员的青睐［2-4］。然而微通道气冷器的设计往往都是以气冷器各扁管内流量均匀分配这个假设为前提的，但是在实际情况中，这种假设几乎是无法达到的。而换热器内部流量分配的均匀性则直接影响着其换热性能好坏，因此研究气冷器内部流量分配性能是十分有必要的。

Sa等［5］通过实验研究了不同制冷工质组的流量分布情况，结果发现，工质R22及R134a组的换热性能在很大程度上受到其换热管中的流量分配不均匀性的制约。Lalot等［6］研究换热器内部流量分配不均匀度后发现，对于逆流形式的换热器，流动不均匀度导致换热器效能下降7%左右，而对于交叉流换热器，流动不均匀度则导致换热器效能下降最高达25%。这一切都表明，换热器内部流量分布均匀度的好坏对换热器的性能有着十分重要的影响。目前，大部分气冷器集管截面设计成圆形，而其他型式的集流管则少见报道。D型管结构紧凑，并且有良好的耐压性，因此本文提出了一种新型的D型集流管式微通道气冷器，利用CFD软件ANSYS15.0对其进行模拟研究，并比较分析了D型集流管与双圆筒、单圆筒集流管三种不同型式集流管对微通道气冷器的流量分配的影响，同时还分析了D型集流管当量直径、CO2进口质量流量和CO2进口压力等参数对微通道气冷器流量分配性能的影响，并通过实验对数值模拟计算的可靠性进行了验证。这为设计和优化微通道气冷器提供了参考依据。

2 计算模型和数值分析方法

2.1 计算模型及边界条件

图1所示为D型集流管微通道气冷器的结构模型，其由D型集流管和中间的扁管组成，进口为超临界二氧化碳流体，流体工质流入进口集流管，在其中流动后分配到每一根扁管，从扁管流出后汇于集流管出口后流出。由于在微通道气冷器中，气冷器中第一流程换热的好坏直接决定着整个气冷器性能的好坏［7］，故本文主要研究微通道气冷器第一流程中流量分配不均匀度对换热器性能的影响。

图1 D型集流管微通道气冷器结构示意Fig.1 Schematic diagram of micro-channel gas cooler with D-type header

本文模拟中超临界二氧化碳各项物性采用变物性软件REFPROP7.0，物性输入采用piecewise-liner，湍流模型采用 RNG k-ε模型，压力速度耦合采用SIMPLIC算法，二氧化碳侧质量流量进口，进口质量流量 mi=0.028 kg/s，进口温度 Ti=358 K，进口压力Pi=10 MPa，压力出口;扁管壁面则采用恒壁温Tw=308 K，为了保证数值计算的精度，采用双精度求解器，动量、能量以及湍动变量的的离散均采用二阶迎风格式。

为了评价每排扁管内流量的分配特性，从上到下依次对扁管进行编号，定义两个无量纲考察参数:扁管流量分配不均匀度ηi和总的流量分配不均匀度S。

扁管流量分配不均匀度ηi:

式中mi为第i排扁管内二氧化碳的流量，kg/s，i:1¯N为平均每根扁管内二氧化碳的流量，kg/s。

总的流量分配不均匀度S描述不同参数下气冷器内部分配不均匀的程度，S越小，其流量分配越均匀，反之，流量分配越不均匀。公式如下:

其中N为扁管排数，i:1¯N。

2.2 网格划分及独立性检查

文中对同一D型集流管式微通道气冷器选取了3种不同的网格考察网格尺寸对微通道气冷器各排扁管的流量分配性能的影响，计算结果如图2所示。结果表明网格数达到205万时，再增大网格数对微通道气冷器的各排扁管的流量分布影响已经很小，各排扁管流量的平均偏差均小于，因此可以认为此时网格已获得独立解。

图2 网格数对气冷器内部流量分配的影响Fig.2 Effect of grid number on flow distribution characteristics of gas cooler

3 结果分析

3.1 不同型式集流管对流量分配性能的影响

模拟考察的参数为:组合深度0.4，扁管长度200 mm，扁管排数8，扁管间距9.0 mm，微通道孔径0.6 mm，二氧化碳进口压力10 MPa，进口温度358 K，进口质量流量0.028 Kg/s，扁管温度设为308 K，集流管当量直径均为10.6 mm。分别对双筒型集流管、单圆筒集流管、D型集流管3种不同型式的微通道气冷器流量分配性能进行考察。

图3所示为不同集流管型式对微通道气冷器中流量分配不均度的影响。从图中可以看出，不同型式集流管对流量分配不均度的影响较为明显，且曲线越接近于0基准线，说明流量分配就越均匀。三者的流量分配不均度均在±0.025之内，且通过第1排扁管流量最少，其管内质量流量小于平均质量流量，这主要是因为流体从进口处流经到第1排扁管处，流动面积突然减小，大部分流体从扁管与集流管间隙间绕流而过造成的;其中双筒集流管变化幅度最大，D型集流管与单筒集流管曲线较接近，变化趋势也较为一致，而从图中也明显可以看出，D型集流管曲线更接近于0基准线，其分配不均匀度最小。另外，经计算可以得到三种型式集流管气冷器总的分配不均匀度S:D型为0.001 0;单筒型为0.002 1;双筒型为0.003 2，即D型集流管在这几种型式中扁管流量分配最均匀，总的不均匀度最小。由上述分析可以得出，采用D型集流管可以提高气冷器流量分配性能。

图3 集流管型式对流量分配不均匀度的影响Fig.3 Effect of header types on flow maldistribution

3.2 集流管当量直径对气冷器流量分配性能的影响

模拟考察参数为:组合深度0.4，扁管长度200 mm，扁管排数8，扁管间距9.0 mm，微通道孔径0.6 mm，二氧化碳进口压力10 MPa，进口温度358 K，进口质量流量0.028 kg/s，扁管温度308 K，分别对 D型集流管当量直径为 10.6、11.9、13.3、14.6、15.9 mm时的流量分配性能进行考察。

图4所示为D型集流管当量直径对流量分配不均匀度的影响。从图中可以看出，当量直径不同时，各扁管间流量的分配不均度随扁管排数的变化趋势大体一致。第1排扁管流量不均匀度均小于0，第3¯5排扁管内扁管流量不均匀度接近0，并且由于重力及惯性力的影响，大部分二氧化碳流体向下流动，在碰到入口集流管底部后，二氧化碳只能从扁管内流动，所以，下面几排扁管的流量相对较大，越接近进口扁管下壁面，扁管内二氧化碳质量流量越大，流量分配越不均匀。从图中也可以看出，总的流量分配不均度随着D型集流管当量直径的增加先减小后增加，当当量直径de为13.3 mm时，不均匀度曲线更接近0基准线，总的流量分配不均匀度最低。从而也说明，在所考察的当量直径范围内，de为13.3 mm时气冷器流量分配性能相对较好。

3.3 二氧化碳进口质量流量对气冷器流量分配性能的影响

图5所示为不同二氧化碳进口质量流量对D型集流管式微通道气冷器流量分配的影响。模拟考察的参数如下:组合深度0.4，扁管长度200 mm，扁管排数8，扁管间距9.0 mm，微通道孔径0.6 mm，进口温度 358 K，进口压力为 10 MPa，扁管温度308 K，当量直径为13.3 mm，二氧化碳进口质量流量分别为 0.014、0.028、0.056、0.084和 0.140 kg/s。

图4 当量直径de对流量不均匀度的影响Fig.4 Effect of equivalent diameter on flow maldistribution

图5 二氧化碳进口质量流量对流量不均匀度的影响Fig.5 Effect of inlet mass flow of carbon dioxide on flow maldistribution

从图中可以看出，进口质量流量不同时，扁管间流量分配不均匀度随扁管排数的变化趋势基本一致，第一排扁管流量最小，第四排流量最接近平均值，最后几排流量相对较多，整体保持上升趋势。并且从图中可以看出，总的流量不均度S随着二氧化碳进口质量流量的增大，有逐渐增大的趋势，但是这种增大的幅度是逐渐减小的。经计算，二氧化碳进口质量流量从0.014 kg/s到 0.14 kg/s，总的流量不均度 S 的增长幅度从刚开始的5%下降到1.059%。

3.4 二氧化碳进口压力对气冷器流量分配性能的影响

图6所示为不同二氧化碳进口压力对微通道气冷器流量分配的影响。模拟考察的参数为:组合深度0.4，扁管长度 200 mm，扁管排数 8，扁管间距 9.0 mm，微通道孔径0.6 mm，进口温度358 K，进口质量流量0.028 kg/s，扁管温度 308 K，当量直径为 13.3 mm，分别对进口压力为8、9、10和11 MPa时的微通道气冷器进行模拟，来分析其流量分配性能。

图6 二氧化碳进口压力对流量不均匀度的影响Fig.6 Effect of inlet pressure of carbon dioxide on flow maldistribution

从图中可以看出，二氧化碳进口压力不同时，扁管流量分配不均匀度随扁管排数的变化趋势基本一致，第一排扁管流量最小，第四排流量最接近平均值，最后几排流量相对较多，整体保持上升趋势。并且从总的流量分配不均匀度来看，不同的进口压力对其影响较小，总的流量分配不均度均在0.001上下浮动，因此可以认为二氧化碳进口压力对流量分配性能的影响可以忽略不计。

4 实验验证

为了验证数值模拟的可靠性，设计制作了扁管排数为10，边长为3 mm的方形通道的模型进行实验，模型材质为有机玻璃，由于本实验只考虑流体流动问题，故选用常温下的水作为流动的介质以替代超临界二氧化碳流体，通过实验和模拟的对比来验证每排微通道内流量的分配情况。在进口流量分别为18、28和38 L/h的情况下进行实验，且每个流量下测量3组各排微通道的体积流量，最后取平均值，将所得实验值与模拟值进行比较，对比结果如图7所示。

从图中可以看出，在相同的流量下，模拟值与实验值曲线变化趋势基本一致，都是第一排流量最少，而后逐渐增大，最后一排流量最大。两者相对误差最大为10.1%，不超过15%，这是在工程允许范围内的，由此可见，数值模拟的计算结果与实验最终的测量结果吻合较好，由此可以证明本文的数值模拟具有较高的准确度和可靠性。

图7 模拟值与实验值比较Fig.7 Comparison between numerical and experimentalresults

5 结论

本文提出了一种新型微通道气冷器¯D型集流管式微通道气冷器，并将其与传统的微通道气冷器进行模拟对比，分析了集流管当量直径、二氧化碳进口质量流量、二氧化碳进口压力等参数对气冷器流量分配性能的影响，并通过实验对数值模拟计算结果进行了验证。结果表明:

(1)双筒型、单筒型、D型3种不同型式的集流管对流量分配不均度的影响较为明显，其中双筒集流管变化幅度最大，单筒集流管次之，D型集流管与0基准线最为接近，流量分配不均匀度最小，因此采用D型集流管可以提高气冷器流量分配性能。

(2)集流管当量直径的变化对气冷器流量分配不均匀度影响较大，随着当量直径的增加，总的流量分配不均度先减小后增加，当当量直径为13.3 mm时，总的流量分配不均度是最低的，其流量分配性能比较好。

(3)二氧化碳不同进口质量流量下，各排扁管流量分配不均度变化趋势大体相同，总的流量不均度S随着二氧化碳进口质量流量的增大，有逐渐增大的趋势，但是这种增大的幅度是逐渐减小的。

(4)二氧化碳进口压力对气冷器流量分配不均度的影响非常小，几乎可以忽略不计。

(5)实验测量结果与数值模拟计算结果变化趋势吻合较好，两者相对误差最大为10.1%，在工程允许的范围内，由此验证了数值模拟计算的可靠性。

1 丁国良，黄冬平.二氧化碳制冷技术［M］.北京:化学工业出版社，2007.Ding Guoliang，Huang Dongping.Refrigerationtechnology of carbon dioxide［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2007.

2 Yun R，Kim Y C，Kim M S.Convective boiling heat transfer characteristics of CO2 in micro-channels［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48:235-242.

3 曹 侃，董其伍，刘敏珊，等.超临界CO2冷却换热特性数值模拟［J］.低温工程，2012(1):56-60.Cao Kan，Dong Qiwu，Liu Minsan，et al.Numerical study of cooling convection heat transfer of supercritical CO2［J］.Cryogenics，2012(1):56-60.

4 Pettersen J，Hafner A，Skaugen G.Development of compact heat exchangers for CO2 air conditioning systems［J］.International Journal of Refrigeration，1998，21(3):180-193.

5 Sa Y C，Jang DY，Ko Oh SK.Flow maldistribution of flat tube evaporator［C］.The 4 international Symposium on HVAC.Beijing，2003.

6 Lalot S，Florent P，Lang S K，et al.Flow Maldistribution in Heat Exchangers［J］.Applied Thermal Engineering，1999，19(8):847-863.

7 Bullard C W，Yin JM，Hrnjak PS.Compact counter flow gas cooler for R744 ［J］.ASHRAE Transactions，2002，108(1):487-491.