空调用不同类型压降式分配器分流均匀性的实验对比

刘 璐 詹飞龙 丁国良 孟建军 石丽华 王庆杰

（1 上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240；2 青岛海信日立空调系统有限公司 青岛 266400）

空调器通常采用多流路蒸发器来提高运行能效[1-2]，为使节流后的气液两相制冷剂能够等量、均匀地分配至蒸发器各流路中，需在蒸发器前引入分配器[3-5]。分配器的分流性能直接影响进入蒸发器中每个流程的制冷剂流量，进而影响空调器能效[6]。若分配器在实际使用过程中各出口管两相制冷剂质量流量分流不均匀，蒸发器的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[7-8]；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，不能保证出口的过热度及制冷剂压降，空调器性能下降[9-10]。为保证空调器的运行能效，必须提高分配器的分流均匀性。

现有的分配器按照两相制冷剂的分流原理可分为压降式分配器和非压降式分配器两大类。压降式分配器的基本原理是通过对两相制冷剂进行降压提速使气液两相制冷剂充分混合，以达到均匀分配的效果[11-12]；基本结构特点是分配腔尺寸较小，适用于对安装空间有限制要求的家用空调器。非压降式分配器是通过引导气液两相制冷剂在较长的流程内依靠离心力或重力作用发生气液相分离，从而实现液相制冷剂的均匀分配[13-14]；该类型分配器的尺寸通常较大，一般应用于大型化工领域，并不适合在空调器中使用。

空调行业内使用的压降式分配器，根据其加速制冷剂流动的方式，可分为多种结构类型的压降式分配器。为了能够给空调器用分配器的设计和选型提供理论指导，有必要对这些类型分配器的分流特性进行对比和分析，筛选出分流均匀性较好的一种分配器类型。早期的压降式分配器类型主要分为插孔式分配器、圆锥式分配器和反射式分配器，并对这3种分配器的分流均匀性进行了测试[15-16]。结果表明，反射式分配器在不同安装角度和不同入口质量流量条件下的分流均匀性普遍优于插孔式分配器和圆锥式分配器。

除反射式分配器外，近年来空调行业还开发了射流环分配器、文丘里式分配器和带过滤网分配器[17-19]等其他类型的压降式分配器。但这些类型的分配器相较于反射式分配器对分流均匀性提升效果，目前还没有相关的研究报道。

本文的目的是实验对比反射式分配器、射流环分配器、文丘里式分配器和带过滤网分配器这4种类型压降式分配器的分流均匀性，筛选出在覆盖空调器常见运行工况和分配器安装角度条件下均具有较好分流均匀性的一种分配器类型。

1 分配器实验样件的制作

空调器中常见的压降式分配器类型包括反射式分配器、射流环分配器、文丘里式分配器和带过滤网分配器4种，如表1所示。

为观察分配器内部的流型变化特点，采用透明聚酯纤维材料对绘制的测试样件进行3D打印，透明测试样件如表1所示。

反射式分配器入口管处为阶梯型渐缩形式，空间较大的分配腔与入口管相连接。制冷剂从进口管流入后，首先进入空间较大的分配腔内，分配腔的通流面积远大于进口管；分配腔后端存在一个反射锥结构，制冷剂冲击到反射锥时发生反弹，使气液两相制冷剂在分配腔内得到一定程度的搅混，再从各出口管流出。反射式分配器采用两段式焊接方式进行组装，加工难度较低。

射流环分配器是圆锥式分配器的改进形式。相比于圆锥式分配器，射流环分配器在分配腔内增加射流环，射流环的通流面积小于入口管，制冷剂从射流环流出时，将会得到加速作用。由于射流环可以单独加工后嵌入到分配器内，加工难度较低。

表1 分配器样件的制作Tab.1 Production of distributor samples

文丘里式分配器分配腔空间较小，分配腔的结构型线为文丘里式型线，属于平滑过渡的型线；两相制冷剂流经文丘里式型线时的流速会提高。但文丘里式型线对于刀具加工的难度要求大。

带过滤网分配器在入口段设置有过滤网，同时在过滤网下游的分配腔的形状为收缩型。两相制冷剂首先流经过滤网进行流型重整，然后在收缩型的分配腔内得到提速。但是带滤网分配器属于三段式拼装，结构复杂，加工难度大。

2 分流均匀性的测试方法

2.1 实验原理

本文设计的分配器分流均匀性检测原理：通过实时监控分配器出口各分路制冷剂的体积流量来计算分流不均匀度。测量各出口的制冷剂体积流量的方式为：从分配器中流出的两相制冷剂首先经制冷模块冷却后得到纯液相制冷剂，然后纯液相制冷剂通过各流路连接的体积流量计测得各出口的体积流量，再计算得到各出口体积流量相对于平均出口流量的偏差，最终计算分流不均匀度。图1所示为分流均匀性测试装置原理。

1变频制冷剂泵；2视镜；3过冷板换；4主流量计；5预热段;6截止阀；7充注口；8测试样件；9冷凝套管；10支路流量计;11储液罐；12过滤器；13水泵；14针阀；15水箱；16冷水机组。图1 分流均匀性检测原理Fig.1 Experiment principle of distribution uniformity

分流均匀性测试装置采用泵驱动实现制冷剂的封闭回路循环。制冷剂由储液罐底部的变频制冷剂泵抽出，经视镜进入过冷板换并进行过冷，同时通过主流量计测量得到总体积流量；然后制冷剂进入预热段调节至预定干度后，经截止阀进入测试样件；分流后的各路两相制冷剂采用冷凝套管进行过冷，并采用支路流量计分别测量各路过冷制冷剂的体积流量；最后各分路制冷剂汇合后返回储液罐。

上述的过冷板换、冷凝套管的冷水由水箱和冷水机组提供，冷水的驱动与流量测量分别依靠水泵和体积流量计，冷水流量由针阀进行调节。

2.2 实验工况

对分配器的分流均匀性进行测试的实验工况需涵盖空调器的常见运行工况范围。以典型的采用R410A作为工质的多联机空调为例，空调器实际运行过程中的制冷剂质量流量范围在40～155 kg/h之间，对应的分配器入口两相制冷剂干度一般为0.15～0.22；受安装空间限制，空调器的安装角度与竖直方向的偏斜角度在0°～90°之间变化。因此，本文选取3种典型的制冷剂质量流量及其对应的干度工况，且每个工况下的安装角度选择6个，分别与竖直方向偏0°、15°、30°、45°、60°和90°，安装角度示意图如图2所示。

图2 分配器安装角度Fig.2 Installation angle of distributor

本文选取R141b作为实验工质，原因是其工作压力比 R410A合适。25 ℃工况下，R141b的饱和压力为0.08 MPa，R410A为1.6 MPa，高达R141b的20倍。整个实验温度范围内，R141b的压力均较为接近一个大气压，适应透明分配器的低耐压特性；而R410A则超过透明分配器的耐压强度。采用R141b作为实验工质时，需将R410A的质量流量范围按照干度不变的原则转化为R141b的体积流量范围，转化后的测试工况如表2所示。

表2 采用R141b进行实验的测试工况Tab.2 Experimental conditions for R141b

2.3 分流均匀性的评价方式

分配器入口处的制冷剂体积流量、制冷剂干度及安装角度均为分配器分流均匀性的影响因素。研究分配器的分流均匀性，本质上是研究各出口支路制冷剂的体积流量的不均匀度，即各出口支路制冷剂体积流量与所有出口支路的体积流量平均值之间的偏差。各出口支路的制冷剂体积流量越接近一致，分流均匀性越好。

采用分流不均匀度ε来表征分流均匀性，分流不均匀度越小则表示分流均匀性越好。ε的计算如式（1）所示：

（1）

3 实验数据处理

3.1 入口干度的计算方法

制冷剂干度：

（2）

式中：x为制冷剂干度；P为预热段的加热功率，W；V为进入预热段的制冷剂的总体积流量，L/h；hG、hL分别为预热段入口处制冷剂饱和蒸气、饱和液体的比焓，J/kg。

3.2 测量误差

本实验参数包括直接测量参数和间接计算参数，直接测量参数的误差可通过实验仪器精度得到；间接计算参数为分流不均匀度，可通过R. J. Moffat[20]方法计算得到，如表3所示。

表3 仪器测量精度及计算参数误差分析Tab.3 Uncertainties of direct measurements and experimental parameters

4 实验结果

4.1 两相制冷剂分流过程分析

分配器的分流性能与其内部的流动特性有关，以流量32 L/h、安装角度0°的工况为例，分析反射式分配器、射流环分配器、文丘里分配器和带过滤网分配器的流动特点，如表4所示。

反射式分配器内的流动特点可总结为：1）制冷剂从进口管进入流道突扩的分配腔时，制冷剂核心气柱直接冲向反射锥并发生反弹，气柱四周的制冷剂则冲向出口管；2）由于分配腔的通流面积远大于进口管，制冷剂进入到分配腔时的流速显著下降，此时分流均匀性更易受到重力的影响。

表4 分配器的可视化流动过程图Tab.4 Visualize flow process of distributors

射流环分配器内的流动特点可总结为：1）两相制冷剂通过射流环后，会在射流环末端形成涡区，且上方的涡区更明显，说明在重力作用下气相更易在上方聚集、液相更易在下方聚集；2）两相制冷剂在射流环内达到最大速度，而在靠近分液锥的位置处的制冷剂速度会降低并进入各出口管。

文丘里式分配器内的流动特点可总结为：1）制冷剂从进口管进入文丘里式分配腔时，首先在收缩段中得到加速，再经过平滑扩张段，对两相制冷剂的流型破坏作用小；2）文丘里型线分配腔有利于引导对称流型的制冷剂流向各个出口管；3）反射锥可将中心带的制冷剂进行反弹并搅混。

带过滤网的分配器内的流动特点可总结为：1）制冷剂从进口管进入分配腔时，首先会通过进口段的过滤网，起到一定的流型重整作用；2）再进入渐缩型分配腔时，制冷剂流速提升，气液两相混合程度进一步得到提升，形成均匀分布的雾状流。

图3 分流不均匀度随制冷剂流量的变化Fig.3 Variation rule of distribution unevenness with refrigerant flow rate

4.2 制冷剂流量对分配器性能的影响

为定量分析制冷剂流量对各种分配器分流性能的影响规律，实验测试了反射式分配器、射流环分配器、文丘里分配器和带过滤网分配器在制冷剂体积流量分别为32、64、125 L/h时的分流不均匀度，且每个流量下的分配器安装角度包括0°、15°、30°、45°、60°和90°，如图3所示。

分配器竖直安装时，反射式分配器和射流环分配器的分流不均匀度均随制冷剂体积流量的增加而减小，且在小流量下影响更显著；文丘里式分配器和带过滤网分配器不均匀度随制冷剂流量的增加先减小后增大，相较于反射式分配器和射流环分配器，文丘里式分配器和带过滤网分配器分配性能受制冷剂流量的影响更小，分配性能更好。

分配器倾斜安装时，以倾斜15°安装为例，反射式分配器和射流环分配器的分流不均匀度均随制冷剂体积流量的增加而减小，且在小流量下影响更显著；文丘里式分配器和带过滤网分配器的分流不均匀度与制冷剂体积流量之间无明确对应关系；相较于反射式分配器和射流环分配器，文丘里式分配器和带过滤网分配器的分配性能受制冷剂流量的影响小，分配性能更优。在分配器倾斜30°、45°、60°安装时，与分配器倾斜15°安装的情况类似，反射式分配器和射流环分配器的分流不均匀度均随制冷剂体积流量的增加而减小，文丘里式分配器和带过滤网分配器的分流不均匀度与制冷剂体积流量之间无明确对应关系；文丘里式分配器和带过滤网分配器的分配性能优于反射式分配器和射流环分配器。

分配器在水平安装时，4种分配器的分流不均匀度均随制冷剂体积流量的增加而减小。相较于反射式分配器、射流环分配器和文丘里分配器，带过滤网分配器分配性能受制冷剂流量的影响最小。在不同制冷剂流量下，均为带过滤网分配器的分配性能最好。

4.3 安装角度对分配器性能的影响

为定量分析安装角度对分流均匀性的影响规律，实验测试了反射式分配器、射流环分配器、文丘里分配器以及带过滤网分配器在安装角度分别为0°、15°、30°、45°、60°和90°时的分流不均匀度，实验结果如图4所示。

图4 分流不均匀度随安装角度的变化Fig.4 Variation rule of distribution unevenness with installation angle

在制冷剂体积流量为32 L/h时，射流环分配器、文丘里分配器及带过滤网分配器的分流不均匀度随安装角度的增加呈上升趋势，反射式分配器的分流不均匀度随安装角度的增加先增大后减小；带过滤网分配器的分配性能最好，当安装角度为15°时，分流不均匀度最小，为0.038。

在制冷剂体积流量为64 L/h时，反射式分配器、文丘里分配器及带过滤网分配器的分流不均匀度随安装角度的增加呈上升趋势，射流环分配器的分配性能与安装角度之间无明显规律；带过滤网分配器的分配性能最好，当安装角度为0°时，分流不均匀度最小，为0.028。

在制冷剂体积流量为125 L/h时，安装角度对4种分配器的分配性能影响较小；文丘里式分配器和带过滤网分配器的分配性能更优，在不同的安装角度下，分流不均匀度均小于0.050。

4.4 分配器性能对比

综上所述，大流量、垂直安装更有利于分配器分流性能的提升；在4种分配器中，带过滤网分配器的分配性能最优。

1）反射式分配器依靠反射锥结构反射制冷剂气液两相流，使制冷剂在分配腔中充分搅混，提高分流均匀性；反射式分配器的分流不均匀度随制冷剂体积流量的增加而减小，并随安装角度的增加呈上升趋势，适合大流量垂直安装。

2）射流环分配器通过入口管内增加的射流环结构来减小流道面积，提高制冷剂流速，制冷剂气液两相流更易形成对称分布的环状流，从而提高分流均匀性。射流环分配器的分流不均匀度随制冷剂体积流量的增加而减小，与安装角度无明显关系，适合大流量工况。

3）文丘里分配器在入口段设置渐缩渐扩的文丘里型线，制冷剂流速提高，气液两相进一步混合，提高分流性能；文丘里分配器的分流不均匀度基本随制冷剂体积流量的增加而减小，并随安装角度的增加呈上升趋势。在相同的工况条件下，文丘里分配器的性能优于反射式分配器和射流环分配器，适合小倾斜角安装时的不同流量工况。

4）带过滤网分配器在腔体内设置过滤网，两相制冷剂流经过滤网，气液两相打散并充分混合，形成均匀分布的雾状流，分配器分流性能提高。带过滤网分配器受制冷剂体积流量和安装角度的影响较小；相较于其他3种分配器，带过滤网分配器在不同工况下基本可以保持分流不均匀度最小，适合任意安装角度和不同的流量工况。

5 结论

本文设计并搭建分配器的分流均匀性测试实验台，并对现有反射式分配器、射流环分配器、文丘里式分配器和带过滤网分配器4种压降式分配器的分流特性进行测试，综合对比了这些分配器的分流性能。得到结论如下：

1）制冷剂流量和分配器安装角度是影响分流均匀性的主要因素，选择合适分配器的关键是在空调器常见制冷剂流量范围和分配器安装角度范围内分配器的分流不均匀度需要足够小；在本文的制冷剂流量范围32～125 L/h和分配器安装角度范围0°～90°的实验工况下，建议分配器的分流不均匀度小于0.08时可认为分配器的分流均匀性较好。

2）小的制冷剂流量或大的分配器安装角度会增大分流不均匀度。当制冷剂体积流量为32 L/h或64 L/h、安装角度为0°～90°时，带过滤网分配器的分流不均匀度最小，其次为文丘里式分配器、射流环分配器和反射式分配器；当制冷剂体积流量为125 L/h时，文丘里式分配器的分流不均匀度最小，带过滤网分配器略大于文丘里式分配器，其次为射流环分配器和反射式分配器。

3）带过滤网分配器在这4种压降式分配器中的分流均匀性最好，分流不均匀度与反射式分配器、射流环分配器和文丘里式分配器相比，分别降低16.1%～61.9%、-1.0%～61.0%和-1.7%～37.4%。因此带过滤网分配器适合应用在有较大制冷剂流量范围或分配器安装角度范围要求的空调器中。