微通道换热器中制冷剂分流均匀性的研究进展

杨葛东，王　磊，汪俊勇，何国军

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070 )

微通道换热器中制冷剂分流均匀性的研究进展

杨葛东，王磊，汪俊勇，何国军

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070 )

[摘要]全铝微通道换热器因其高效、低成本等优势而逐渐应用到制冷空调产品上，目前常采用集管竖直扁管水平和集管水平扁管竖直两种布置形式，不同布置形式的换热器中制冷剂分流现象有所不同，各影响因素对分流均匀性的影响程度也有所变化。本文对近年来国内外关于微通道换热器中制冷剂分流均匀性的研究文献进行总结，概述了集管竖直扁管水平和集管水平扁管竖直两种不同布置形式时的制冷剂分流特点及各影响因素对分流均匀性影响。本文能够为微通道换热器的分流优化提供设计参考，有助于分流不均问题的解决并进一步提高换热性能。

[关键词]换热器；微通道；分流

收稿日期：2015-2-28；修回日期：2015-4-5

作者简介：杨葛东(1991- )，男，助理工程师，研究方向：微通道换热器优化设计。Email：287439086@qq.com

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-029-07

[中图分类号]TK172[文献标示码]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.006

Abstract：With the advantage of lower cost and higher efficiency，aluminum microchannel heat exchanger has gradually been exploited in refrigeration air conditioner products.Nowadays，there are two ways to lay exchangers--vertical headers and horizontal flat tubes，horizontal headers and vertical flat tubes，which bring about different refrigerant distribution phenomenon in heat exchangers，and every factor exerts different influence on refrigerant uniform distribution.This paper summarizes the research progress of refrigerant uniform distribution in microchannel heat exchanger at home and abroad，outlines the features of refrigerant distribution and influence every factor has on uniform distribution when the heat exchangers are laid in different ways.In addition to this，this paper could provide references to distribution optimization of microchannel heat exchangers，facilitate to solve the problem of maldistribution and enhance the capability of heat exchanger.

Research Progress of Refrigerant Uniform Distribution in

Microchannel Heat Exchanger

YANG Gedong，WANG Lei，WANG Junyong，HE Guojun

(Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai，Zhuhai 519070,China)

Key words:Heat exchanger；Microchannel；Distribution

1引言

全铝微通道换热器具有高效、紧凑、成本低等特点，已广泛应用于汽车空调，其在家用和商用空调上的应用也在逐步扩大，但推广进度相对缓慢。同翅片管式换热器相比，微通道换热器特殊的扁管平行结构使得管外冷凝水排除困难[1]，易结霜不易化霜[2]，且容易积尘[3]，这些问题都限制了其在空调领域的应用范围。而微通道换热器还存在管内制冷剂分流不均的问题，尤其在大尺寸换热器中，扁管数量较多，分流不均更加严重。研究发现[4-7]，分流不均不仅会造成微通道换热器的性能大幅衰减，低温工况下还会出现结霜不均匀，影响化霜效果。如果因制冷剂蒸发不完全导致液态制冷剂进入压缩机，则会加剧压缩机的内部磨损，降低系统可靠性和使用寿命，故分流不均也成为制约微通道换热器推广的重要因素，有必要对分流均匀性问题进行深入研究。

目前，微通道换热器多用于单冷空调室外机的冷凝器，如图1中的(a)图所示，常见的布置形式为集管竖直扁管水平。但这种布置形式的微通道换热器应用于室内机的蒸发器或热泵空调室外机的冷凝器(制热时作为蒸发器)时，会出现排水不畅、除霜困难等问题，故需将换热器倾斜一定的角度以利于排水，或采用图1中(b)图所示的集管水平扁管竖直的布置形式。由于换热器内的制冷剂为气液两相状态，受重力、摩擦阻力、流速等的影响，制冷剂在两种不同布置形式换热器中的分流现象将有所不同，各影响因素对分流均匀性的影响程度有所差异，即使是同一换热器，扁管水平放置和竖直放置时的分流情况也会发生变化。

图2　微通道换热器和进液集管中的制冷剂分流情况

图1　微通道换热器常见的布置形式

因此，本文基于微通道换热器应用于空调时的两种不同布置形式进行分类，对近年来国内外关于微通道换热器中制冷剂分流均匀性的研究文献进行总结概述，分析不同布置形式时的制冷剂分流特点及各影响因素对分流均匀性的影响。旨在为微通道换热器的分流优化提供设计参考，推动分流不均问题的解决。

2集管水平扁管竖直布置形式

图3　工质在集管中的流型

微通道换热器采用图1(b)所示的集管水平扁管竖直布置形式时，根据扁管内制冷剂的流动方向，又可以分为向下流动和向上流动两种情况，这两种情况下的分流现象也有所不同，Bowers[8]等对此进行了理论分析和实验研究。他们将不同制冷剂(R410a)流向的微通道换热器分别作为10kW分体变频空调机的蒸发器，通过红外摄像仪检测制冷剂分流情况，并对进液集管的分流特点进行了可视化研究。结果如图2，制冷剂下进上出时，进口处换热器扁管中的液态制冷剂流量极少，过热度较大，换热能力降低，这主要是因为两相制冷剂进入集管后马上出现气液分层，而在距离进口1/3以后的位置积聚了大量液态制冷剂。制冷剂上进下出时，进口处换热器扁管的液态制冷剂较多，且这部分的流量分配较为均匀，但距离进口最远处扁管中的液态制冷剂极少，很快出现过热，这是因为两相制冷剂进入集管后混合较为均匀，在远离进口2/3处才出现气液分层。从图中还可以看出，尽管这两种情况下的分流现象有所不同，但都约有1/3面积的换热器没有得到有效利用。

换热器结构、制冷剂状态等参数都会对制冷剂的分流均匀性产生影响。Kim等[9]研究了质量流量、干度变化时，扁管插入集管的深度对分流均匀性的影响，换热器采用水平集管、10根竖直扁管，工质为水-空气，结果如图3所示，工质在集管进口呈环状流，工质向下流动时((a)图)，水的分流明显受到扁管插入深度的影响，如果扁管插入深度与集管内壁平齐(h/D=0.0)，大部分水将聚集在集管进口段，随着扁管插入深度的增加(h/D增大)，更多的水流到集管的另一端，质量流量和干度的影响亦是如此。而工质向上流动时，大部分的水都流到集管的另一端，扁管插入深度的影响同工质向下流动一致，但质量流量和干度的影响成反向变化。将该结果同Kim等[10]采用30根扁管时的分流情况进行对比发现，10根扁管时的分流均匀性更好。

图4　进液集管结构

Koyama等[11]也通过实验研究了扁管插入深度对分流均匀性的影响，实验装置为水平集管、6根竖直扁管，工质为R134a且向下流动，图4为三种不同的进液集管结构，各集管中的6根扁管的插入深度不同。实验发现，靠近进液口的第一根扁管最容易分配到液体，气体则往往直接流到集管的另一端(最后一根扁管处)，进口干度会影响气液分配的均匀性，干度增大，气相的分流将更加均匀。改善集管中的扁管插入深度可以提高分流均匀性，集管D-1中的气液分层现象较为严重，扁管中的分流不均匀，集管D-3中的气液分离现象改善最为明显，扁管中的分流均匀性相对较好。Bowers等[12]则研究了1/4、1/2、3/4等深，渐升，渐降五种扁管插入深度对分流均匀性的影响，实验装置为水平集管、15根竖直扁管，制冷剂为R134a且向下流动，质量流量为15～35g/s，干度为0～35%。研究发现，随着质量流量和插入深度的增加，制冷剂分流更加均匀。入口长度较短时，1/2插入深度的分流最为均匀，入口长度较长时，3/4插入深度的分流最为均匀。

图5　集管进液方式

Kim等[13]通过实验研究了平行、常规和竖直三种集管进液方式(见图5)对制冷剂分流的影响，微通道换热器采用水平集管、10根竖直扁管，制冷剂为R134a且向下流动，进口的质量流量为70～130kg/(m2·s)，干度为0.2～0.6。结果表明，常规和竖直进口的制冷剂分流均匀性较为一致且优于平行进口，三种进液方式的分流均匀性都随着质量流量的增加而改善，受质量流量影响最大的是常规进口，而干度对三种进液方式气液分流的影响程度不同。Kim等[14]还对相同实验条件下，制冷剂向上流动时平行、常规和竖直三种集管进口结构对分流均匀性的影响进行了研究，结果发现，竖直进口的分流均匀性最好，质量流量和干度对制冷剂分流的影响并不明显。而对比以上两种不同的制冷剂流向时的分流均匀性发现，制冷剂下进上出时的分流均匀性明显优于上进下出时。Cho等[15]同样验证了集管水平时进口方位会对制冷剂的分流均匀性产生较大影响。

Tompkins等[16]通过实验研究了质量流量和干度对分流均匀性的影响，微通道换热器采用水平集管、15根竖直扁管，工质为水-空气且向下流动，但实验结果同上述Kim等的并不一致。他们发现，当质量流量较低时，集管中呈分层的波状流，换热器扁管中的分流较为均匀，而随着质量流量和干度的增大，集管中形成环状流，液膜的分布引起换热器扁管中的气液分配不均，质量流量一定时，干度对分流的影响较小。此外，还有很多学者[17-20]都对将制冷剂的质量流量、干度等参数作为变量进行了相关研究。

Hwang等[21]对R410a在集管水平扁管竖直的微通道换热器中向上流动时的分流均匀性进行了可视化实验研究。研究认为，重力和动量差异使得水平集管中的气液两相出现相分离，上层低动量的气体很容易进入靠近进液口的扁管中，而下层高动量的液体可以流动到集管的另一端。制冷剂分流主要受集管进液位置和质量流量的影响，端部进液时，各扁管进口干度呈现阶梯式曲线分布，侧面进液时则呈现对称曲线分布，此时气液混合较为均匀，其分流均匀性要优于端部进液。有关学者[22-23]也在研究中发现制冷剂在集管中出现分层或环状流，气液混合不均会恶化分流均匀性。

3集管竖直扁管水平布置形式

微通道换热器采用图1(a)所示的集管竖直扁管水平布置形式时，尽管存在排水、化霜等问题，但由于管路安装与当前空调结构较为匹配，其仍常用于室外机的冷凝器，而制热存在分流不均这一难题[24-25]，故很多学者都对这种形式的分流情况进行了研究。Bowers[8]等通过红外摄像仪对制冷剂R410a在集管竖直扁管水平微通道换热器中的分流情况进行了实验研究，如图6所示，制冷剂下进上出时，靠近顶部的换热器扁管中的液态制冷剂极少，过热度较大，换热器中部的液态制冷剂较多，而底部进口处几根扁管中的液态制冷剂也较少。尽管这种布置形式仍存在明显的制冷剂分布不均，但同前面集管水平扁管竖直时相比，其换热性能较优。

图6　制冷剂分流情况

图7　液态制冷剂高度随质量流量的变化

换热器结构、制冷剂状态等参数同样会对该布置形式下制冷剂的分流均匀性产生影响。Zou等[26]也对R410a在集管竖直扁管水平微通道换热器中的分流情况进行了可视化研究，扁管插入集管的深度为1/2，干度为0.2～0.8，每根扁管的质量流量为1.5～4.5kg/h。研究发现，质量流量较高而干度较低时的分流均匀性较好，质量流量一定时，干度越大，分流越差，如图7所示，随着质量流量的增大，液态制冷剂可以获得更大的动量到达集管顶部，更多扁管的分流得到改善。同分层流动相比，制冷剂呈搅拌流时的两相混合更加均匀，分流效果更好，质量流量和干度影响流型的变化，随着质量流量和干度的增大，搅拌流将变为层状流，制冷剂在集管中的轴向动量是影响分流的重要因素。

Lee等[27]研究了三种不同扁管插入深度对竖直集管分流均匀性的影响，扁管插入集管的深度分别为0、6、12mm，工质为水-空气，质量流量为54～134kg/(m2·s)，干度为0.2～0.5，结果如图8所示，插入深度为0mm时，只有少量的液体流入上部的扁管中，而随着插入深度的增加，趋势正好相反，伸出的扁管阻碍了液体流入底端的扁管中，通过调整扁管的插入深度可以提高分流均匀性，他们得出插入深度为3mm时的分流均匀性最高。

图8　插入深度对分流的影响

图9　集管进液方向

Cho等[28]通过实验研究了R22制冷剂在两种不同进液方式(见图9)下的分流情况，换热器为竖直集管、15根水平扁管，质量流量为60kg/m2·s，干度为0.1、0.2、0.3。研究表明，竖直进液时的制冷剂分流均匀性优于平行进液方式，在两种不同进液方式下，底部第一根扁管的流量最高，而干度对分流的影响不明显，竖直进液时的相分离程度低于水平进液方式，随着干度的增大，相分离程度减小。Byun等[29]对带有竖直集管和两流道结构的平行流换热器中R410a制冷剂的分流情况进行了实验研究，进口干度为0.3，质量流量为50～70kg/(m2·s)。结果表明，在下部流路，大部分液体流经底部扁管，在上部流路，顶部扁管只有少量供液，随着质量流量的增加，更多的液体反而会流向顶部扁管。他们还研究了制冷剂进出口位置对分流均匀性的影响，对于进口位置，上部进液时的分流均匀性优于中间进液，对于出口位置，上部或下部出液的分流均匀性优于中间出液，选择合适的进出口位置可以使热损失降低几个百分点。

Dong等[30]对单进、双进、分散等三种不同进口结构的分流特性进行了实验和仿真分析，制冷剂为R134a，结果如图10所示，分散进液时的分流均匀性最好，而双进结构的分流均匀性要优于单进结构。

图10　制冷剂流速云图

Zou等[31]研究了制冷剂性质对微通道换热器分流的影响，换热器为竖直集管、水平扁管，制冷剂分别采用R410a和R134a，研究表明，R410a的惯性要高于R134a，干度较低时，流体呈搅拌流，R410a的分流均匀性要优于R134a，但并不明显，干度较高时，流体呈不完全的环状流，R134a的均匀性反而要优于R410a。

4总结

通过对国内外关于微通道换热器集管竖直扁管水平和集管水平扁管竖直两种不同布置形式时制冷剂分流均匀性的研究成果进行分析总结可以看出：

(1)集管进口结构、进出液方式、扁管插入深度、扁管数目等换热器结构参数，质量流量、干度等制冷剂状态参数及工质种类都会对两种不同布置形式的分流产生影响，相同参数对两种不同布置形式的分流产生的影响会有所不同。

(2)换热器结构和制冷剂状态会影响进液集管中的流型，而流型直接影响扁管的分流均匀性，气液混合均匀的流型会使分流更加均匀，气液分层往往会加剧分流不均，两种不同布置形式均符合该规律。

(3)单纯基于集管分流的研究较多，其实验装置多为集管-扁管结构(无翅片)，考虑管外热交换及风量分布对分流均匀性影响的研究较少，为更加贴近实际，还应对热交换及风量分布进行相关研究。

(4)在利用常规实验、可视化、红外成像等技术手段进行分流研究的同时，还可基于仿真工具进行模拟分析。此外，为对分流设计提供指导，如何建立分流均匀性的评价方法也成为一个重要的研究课题。

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