不同制冷工质在分配器中的分配特性分析及结构优化设计

Analysis of Distribution Characteristics and Design of Structure Optimization of Distributor for Different Refrigerants
GAO Yang*1, WENG Xiao-min1, DING Guo-liang1, HU Hai-tao1, SONG Ji2
vg
(1)
mx
g A
m(1 x) l (1 ) A
(4)
α
hx n 1 (h 1) x n
液相折算速度：
其中，无量纲数 h 和 n 的经验关系式如下：
vl
(5)
29
第35卷第3期 2015年6月
制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
[7] [5] [6] [3]
本文对不同制冷工质应用下的分配器特性变 化规律进行研究，目的在于得出一种对不同制冷工 质通用的优化设计结构。
1 分配器形式和结构调研及研究对象 确定
调研针对的主体是国内外大型的空调企业和 分配器制造企业，通过调研，整理各个厂家使用的 分配器结构型式和工质，为接下来研究做准备。调 研企业有空调制造企业 D 公司，F 公司，K 公司， 以及分配器制造企业 H 公司。 通过上述调研结果的 反馈，确定了以下研究范围。 1) 研 究 的 制 冷 工 质 为 已 投 入 生 产 的 R22/ R410A/R32 和有替代 R22 潜力的环保工质 R290。 2) 研究的分配器类型为 4 分路圆锥式、插孔 式、反射式分配器，各分配器原型如图 1 所示。分 配器安装倾角(相对于垂直方向)为 0°、 5°和 10° （极 限安装倾角） 。
g/1
3 不同制冷工质在分配器中的分配特 性CFD模拟
利用 FLUENT 软件对分配器分流情况进行模 拟时，采用高质量的四面体网格和分区划分的网格 划分策略，使三种分配器的网格达到了较高的网格 质量[14]。 由于采用的数学模型为分相流动的两相模型， 将生成的网格导入 FLUENT 软件进行模拟计算时 选择 Euler 两相流模型和 k-ε 湍流模型。k-ε 模型的 各常数取值如表 2 所示。
第35卷第3期 2015年6月
制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.107
不同制冷工质在分配器中的分配特性分析及结构优化设计
高扬*1，翁晓敏 1，丁国良 1，胡海涛 1，宋吉 2
（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） [摘 要] 本文采用 CFD 仿真研究了 R22、R410A、R32、R290 四种制冷剂下分配器特性在不同安装角度
工况下的变化规律。研究结果表明，对气液相密度比大的制冷剂工质（R32、R410A） ，在垂直安装条件下， 插孔式分配器分配效果最好；在倾斜安装条件下，圆锥式分配器分配效果最好。对气液相密度比小的制冷 剂工质（R22、R290） ，圆锥式分配器分配效果均为最好。结合理论分析和分配器特性的变化规律，提出实 际安装条件下适用于四种制冷剂的分配器结构的通用优化设计方案，并与改进前分配器性能进行对比验 证。对比结果表明，改进后的分配器结构能够改善分配器的分配性能。 [关键词] 分配器；两相流；CFD 仿真；结构优化；分配性能
(6)
式中：
S ——标准差，g/s； n ——分路数； mi ——第 i 分路的出口质量流量，g/s； mave ——各分路质量流量之和的平均值，g/s。
R32/R290 在 10 ℃时的气液相密度比。
表 1 各制冷剂工质的气液相密度比 工质 R22 1/43 R410A 1/27 R32 1/34 R290 1/37
S 1 n (mi mave )2 n i 1
1) 气液两相的密度比
由空泡系数的计算公式可知，空泡系数 α 与干 度、气液两相的密度比有关。分配器进口干度在系 统正常工作时稳定在 0.2 左右[10]，但是对于不同的 制冷工质，其气液两相的密度比有一定差异，这会 直接影响空泡系数。如表 1 所示为 R22/R410A/
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2-International Copper Association, Shanghai 200020, China)
30°
12 5
∅ 4.8 ∅ 3.7
1.
∅ 7.1
(a) 插孔式分配器
(b) 圆锥式分配器
图1 三种分配器结构示意图（单位：mm）
(c) 反射式分配器
2 制冷剂对分配性能影响的理论分析
2.1 两相流动模型 分配器中制冷剂介质的两相流理想流型为环 状流或者雾状流，此种流型下空泡系数 α 相对较大 （大于 80%） ，适合用分相流动模型进行处理，即 把两相流看成是分开的两股流体，分别按单相流处 理并计入相间作用 。 空泡系数 α 的计算公式 如下所示：
0 引言
小管径房间空调器具有结构紧凑、制冷工质充 注量少的特点， 不仅减少了材料使用、 降低了成本， 而且使得环保可燃的工质（如 R32、R290）得以应 用于空调器，扩大了房间空调器使用制冷剂的范 围 [1]。但是，小管径铜管（管径不大于 5 mm）的采
用导致了制冷工质的压降迅速增加，换热器的性能 也随之急剧恶化。为了弥补小管径房间空调器压降 过大造成的性能下降，需要采用多流路换热器。同 时，为了解决制冷剂分流不均，需要引入分配器[2]。 在家用房间空调器中，分配器的进口连接毛细 管出口，其出口一般分成 2~8 路，通过毛细管与房 间空调器的蒸发器各流程相连。性能良好的分配器
Vol.35, No.3 Jun. 2015
能通过分流，将制冷剂等量、均匀地分配给蒸发器 的各个流路。分配器的分流性能较差时，各分路制 冷剂分配并不均匀 。供液量偏少的分路内，制冷 剂快速蒸发成气体，出口过热度很大，换热面积没 有有效地进行利用；供液量偏大的分路内，出口的 过热度很小，甚至可能有未蒸发的液体[4]，造成空 调系统的运行性能恶化。所以分配器的流量分配性 能对小管径房间空调器的性能有重要影响。 翁晓敏等 和高晶丹等 采用空气-水为流体对 插孔式分配器进行了理论和实验研究，得出了插孔 式分配器的优化结构。翁晓敏等 对反射式分配器 进行了结构优化设计和实验验证，证明改进结构具 有更优异的分配性能。 上述研究大都采用空气-水来 模拟制冷剂的运行工况。但是，不同制冷工质，由 于其物性的不同，导致具体工况如空泡系数、气相 和液相速度等的差异，这些差异都将直接影响到对 应的分配器设计。因此，已有针对空气-水混合物的 分配器优化设计可能不能直接拓展到制冷剂。
*高扬（1991-），男，硕士生。研究方向：制冷与低温工程。联系地址：上海市闵行区东川路 800 号，邮编：200240。联系
电话：021-34206865。E‐mail：gao854188977@。
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高扬等：不同制冷工质在分配器中的分配特性分析及结构优化设计
[Abstract] The flow distribution characteristics of four types of refrigerants (R22, R410A, R32, R290) in distributors under the conditions of different angles were investigated by CFD simulation. The research result shows that, for the refrigerant which has a bigger density ratio of vapor and liquid (R32, R410A), jack-type distributor is proved to have a best distribution performance under the condition of vertical installation, while cone-type distributor is proved to have a best distribution performance under the condition of inclined installation. For the refrigerant which has a smaller density ratio of vapor and liquid (R22, R290), cone-type distributor becomes the best one. According to the theoretical analysis and flow distribution characteristics, the structure optimization of distributor for these four refrigerants was proposed and verified by comparing the performance of the optimized distributor with the original one. The result shows that the optimized structure of the distributor can improve distribution performance. [Keywords] Distributor; Two phase flow; CFD simulation; Structure optimization; Distribution performance