分配器分流一致性研究

赵 强

（广东美的制冷设备有限公司，广东 佛山 528311）

1 分配器介绍

在小管直径技术发展的今天，在冷却过程中，一般采用多流通道的方式来减少制冷剂的流量损耗并改善传热效果。在节流后，为了使液-气两相制冷剂均匀分配，需要在汽化器的前端安装一个分配装置。由于空调室内设备的空间较小，分配装置通常呈倾斜状，两相制冷剂均从弯曲的管路中流出，进入分配器。因此，两相制冷剂必须由倾斜连接管流经分配器，空调在这种安装方式下运行，会影响分配器分流的均匀性，降低空调系统的运行效率。在分配不均的情况下，蒸发器流道内的冷却液流量较少，使制冷剂提前蒸发，形成较大的过热；另外，冷却介质流动过大导致冷却介质的蒸发不完全。分流器的主体结构、安装方式和分流器连接管的排列方式都对分流器的分流均匀性有较大影响。 节流后的气液两相制冷剂在流经分流管时，在不同的离心力作用下，造成了两相制冷剂的非均匀性。再加上重力因素的影响，在分支处的制冷剂产生的流量并不均匀，降低了分配器分流的均匀性。改善分配装置的分流均匀度是改善空调系统性能的必要条件，要提高分配器的分流均匀性，必须改造其结构。

2 改善分配器分流均匀度的思考

2.1 分配器连接管的最佳设计思想

在空调制冷系统中，分流管的安装一般都是单向的。液相和气相的差异很大，当两相制冷剂由连接管垂直方向进入倾斜段时，液相受到的离心力要大于气相的离心力，使两相分离；当气相在弯曲的内壁上聚集时，液相会缓慢地向外管壁上扩散，而气体相会聚集在弯曲的内壁上，造成两相制冷剂的流动形式不均匀。改进分配器连接管联轴器的结构，将原有的单向弯曲改为连续反向弯曲，从而减少了气液相的分离。图1显示了一种特殊的变送器连接管的改进结构，它把最初的一次弯曲改为三次弯曲。其原因在于，使用二次弯曲会较大地改变分配器排气管的方向，从而给排气管出口和换热器的管线布局带来一定难度；三个折弯后，分配器的排气方向基本上没有变化，不会对排气管及换热器的管路分布产生任何影响。当通过改进后的连杆机构时，在进入管道弯曲转角时，两相制冷剂的液相惯性大于气相，而液相则在转角的外侧处聚集，同时，气相会在转角内侧积聚，形成一层气膜，产生的气液两相分离现象更加明显。当两相制冷剂在下一次转弯时，由于惯性的原因，液相被挤压到气膜上，被挤出来的气泡又会和液相混合，这时，在弯曲处的气膜就会收缩。当制冷剂进入管道转弯处时，液体会不断地对气膜进行挤压，使转弯处的气膜变薄，产生大量的气泡和液相，这时，气相液相的混合程度和出口的分流均匀性都得到明显改善。

图1 变送器连接管的改进结构

2.2 技术研究方向

通过对以上优化方案的分析可以看出，连接管的弯曲形状对分流均匀度有很大的影响。为了实现分配器连接管的优化设计方案，该文的设计思路分为3个阶段：1）分析分配器连接管中不同结构参数对分布均匀度的影响。在连接管中，对分流均匀度的影响主要有弯曲角度、弯曲半径、管道直径等。为了获得最优的设计方案，必须分析不同的结构参数对分流均匀度的影响。2）优化结构参数组合，提高分流均匀性。综合上述影响因素和室内机安装空间、材料弯曲强度、流动压力降等因素，得出合理的设计参数。3）分配器连接管的优化设计对提高分流均匀性的影响。通过仿真模拟计算和分析，比较分配器联管在改造前后的均匀性，并根据模拟计算结果改进分配器连接管的设计。

该文研究的技术路线如图2所示，包括三个步骤。

图2 最佳分配器连接管结构的技术路线

3 不同因素对分流均匀性的影响

3.1 模拟对象及条件设置

选择了常用的空气分配器和连接管的构造形式。其中，弯曲角度为120°～160°，弯曲半径为12mm～24mm，管道直径为9mm～14mm。采用CFD方法，用数值模拟方法研究了分配器和连接管的分流特性，并采用了欧拉两相模式。

仿真的前提是流体不可压缩、不计换热、不计相变化以及制冷剂的气相、液相的物理参数是不变的。

3.2 不同结构参数对分流均匀性的影响

图3显示了在分布管中的弯曲半径为8毫米，管道直径为9毫米、12毫米和15毫米的情况下，不同弯曲角对分布不均匀性的影响。从图3可以看出，随着弯头角度的增大，分布不均匀性也随之增大；当弯曲角从70°～130°时，分布不均匀性增加了1～12.5。

图3 折弯弯曲角度对分流均匀度的影响

在弯曲管路半径等于管路直径的情况下，随着弯头角度的增大，当两相制冷剂进入弯管时受到的离心力也随之增大；另外，因为液相的离心力比气相的离心力大，所以液相会更多地聚集在弯头的外缘处，而气相中的气体会集中在弯头的内壁上，导致了非均匀性的分布。另外，在直径为9mm～12 mm的情况下，其分布不均匀性随弯头角度的增加而增加；当直径增大至15 mm时，随着弯头角度的增大，其分布非均匀性增大，并且趋于平稳。

图4显示了当分布管中的管道直径为9毫米，弯曲角为70°、90°和130°时，不同弯曲半径对分布非均匀性的影响。从图4可以看出，随着弯曲半径的增大，分布不均匀性也随之增大；当弯曲半径从4mm增加到20mm时，分布不均匀性增加了0.3倍～5倍。

图4 折弯弯曲半径对分流均匀度的影响

当管道直径和弯折角相同时，弯曲半径增大，弯曲段沿程长度增加，同时由于离心力的作用，使两相制冷剂在弯曲处产生较长时间的气液分离，因此导致更严重的分布不均匀性。另外，在弯曲角大于90°、130°的情况下，弯曲半径的改变对分布不均匀性的影响更明显。这是由于在较大弯曲角的情况下，当弯曲半径增大时，两相制冷剂沿弯曲方向流动的长度会增大，因此导致气液分离的持续时间延长。

图5显示了在分配器连接管中弯曲半径为8毫米、弯曲角为70°、90°和130°时，管道直径对分布不均匀性的影响。从图5可以看出，分布不均匀性随着管道直径的增大而增大；当管道直径从9mm增加到15mm时，分布不均匀性增加了0.2～4.5倍。

图5 管道直径对分流均匀度的影响

在分器配连接管内，随着弯头半径和弯曲角的增加，管径逐渐增加，而两相制冷剂的流量也随之降低；由于重力和离心力的影响，两相制冷剂的气液分离现象更显著，因此导致更严重的分布不均。另外，弯曲角越小，管道直径越大，分布不均匀性越大；在弯头较大时，管道直径越大，分布非均匀性越高。

4 分流均匀度优化方案的效果分析

在原分配管路内，当制冷剂在入口两侧均匀地流经弯管时，会产生气液分离，在弯头的外部，液相主要集中在弯头的外侧，气相聚集在弯头内部；当制冷剂通过弯道进入直管时，气液两相无法再充分混合，分配器出口处的气液分离严重，气液两相比例相差较大，分布不均衡。因为液相制冷剂有很强的惯性，所以会积累在弯道的外侧，而气体之间的惯性效应比较弱，会在弯道的内侧形成。通过弯头的冷却剂仅通过短的直管部分就会流入分配器，使其在较长的直管中不能得到充分的再混合，降低了分配系统的效率。

改进后的分配器连接管使冷却液在进气管的两边均匀分布，经过第一个弯道后，液相集中于弯曲管道的外部，而气相在弯道内聚集。当经过二次弯曲和三次弯曲处时，两相制冷剂受到来自不同方向离心力的作用，再一次将两相的液相和气相混合，然后进入分配器。与初始安装结构相比，提高了其分布均匀度。经过三个弯曲段的优化设计，气液两相的混合更加均匀，通过分流器的分配，使各出口管道中的气液两相比例的差别明显减少，分布更加均匀。结果表明，该模型的分布不均匀度为0.484，最优结构的分布不均匀性为0.174，下降了64.4%，取得了明显的效果。

5 结语

通过对分配器连接管的折弯角、弯半径、管道直径等结构参数进行分析，提出了经过改进的分配器接头结构来提高分流的均匀性，具体总结为以下3点：1）空调分配器的连接管道是一种弯曲的构造，当两相制冷剂通过弯管时，两相制冷剂受到离心力作用的影响在分配器中不均匀地流动，导致空调分配器的不均匀分流。2）管道的弯曲角度对管道的分流均匀性有较大的影响，而弯曲角度、半径、管道直径等因素对分流均匀性的影响较大。3）将原来的单向弯曲改为连续反向弯曲，降低气液分离度，使分配器联管的分流不均匀度降低了64.4%，明显提高了其均匀性。