小管径分配器（插孔式）流量分配有什么规律？

      制冷剂气体-液体实验下分配器的流量分配规律，即两相制冷剂在多流路中的分配均匀性规律，它是我们明确实际工况中干度、质量流量、安装倾斜角度、进口流型对分配器分流性能的影响所必须了解的知识。今天我们就来看一看，两相制冷剂在多流路中的分配均匀性规律到底是怎样的？（今天来看插孔式分配器规律）。 

要实现测试制冷剂在小管径空调分配器中分配特性规律的目的，首先要根据试验台设计原则确定工作原理和装置，设计和搭建制冷剂下小管径空调分配器分配特性实验台、设计测试工况和实验步骤，并确定数据处理和误差分析方法；随后针对确定的主要影响因素分别研究流量分配特性，分析相关规律。

 

制冷剂气体-液体实验分配规律与分配器在空气-水实验下的分配规律并不等同：

制冷剂气体-液体实验中： 制冷剂工质物性（密度、动力粘度和运动粘度）与实际空调工况保持一致，从而能够精确地模拟实际两相流流场下的制冷剂分配效果；

空气-水实验中： 空气/水的物性与实际应用中制冷剂物性存在巨大差异，会造成两相流的流动状态、流型等的差异，从而导致较大的实验误差。

 

 

实验准备和简介

为了找出规律，我们通过实验测试来进行分析。

实验台：R410A 两相制冷剂相变特性测试台；

实验对象：四分路插孔式、圆锥式、反射式分配器；

实验对象制冷剂：R410A；

实验安装倾斜角：范围为 0°~60°；

详细工况：如下表；

实验准备阶段步骤：

1)  管路系统的保温。

2)  试压。

3)  抽真空。

实验测试阶段步骤：

1)  抽真空操作。

2)  开机与测试操作。

3)  每一个工况结束后，再调节压力和流量到指定值，重新调节和测试。

4)  关机操作。

 

（备注：具体实验装置、实验步骤、数据导出的方法、以及实验误差分析和重复性分析在这里不做详细讲述）

 

 

 进口干度对分流不均匀度的影响

图 2-10 显示的是插孔式分配器在不同安装倾角下进口干度对分流不均匀度的影响；其中，分配器相对于竖直方向的安装倾角根据分配器在实际空调系统中安装情况选取为 0°~10°。通过图 2-10 可以看出，插孔式分配器分流不均匀度总体上随着进口干度的增加逐渐增大，进口干度的增大不利于制冷剂的流量分配。同时，在不同的安装倾角下，干度对分配不均匀度的影响相对都较小。

 

例如，竖直安装下 m=18kg/h 时，在干度范围 0.17-0.30 内分配不均匀度从 6.90%到 8.14%变化，变化率为 18%；竖直安装下m=29kg/h 时，在干度范围 0.17-0.30 内分配不均匀度从 5.39%到 6.13%变化，变化率为14%。倾斜 5 度安装下 m=18kg/h 时，在干度范围 0.17-0.30 内分配不均匀度从15.52%到 16.83%变化，变化率为 8%； 竖直安装下 m=29kg/h 时，在干度范围 0.17-0.30 内分配不均匀度从 11.37%到 11.93%变化，变化率为 5%。

 

干度对流量分配的影响主要跟各流路气相所占的体积有关。 在 0.17-0.3 的低干度范围内，两相工质中气相所占的质量分数较小，但所占的体积分数较大，例如对干度 0.2 质量流量为 36kg/h 的两相制冷剂 R410A,其气相所占的质量分数为 20%，而所占的体积分数达到 79%。由于各流道总体积相同，气相的分配不均匀性也会带来液相的分配不均匀性。气泡运动的随机性使其在腔体和流道中很难分配均匀：当气泡所占体积较小时，其带来的分配不均匀性并不明显；但随着干度增加，气泡所占体积分数迅速增大，较多的气泡会占据各出口流道绝大部分体积，从而带来较大的分配不均匀度。

 

但是， 干度对插孔式分配器分配性能的影响较小，这主要与分配器膨大的混合腔结构有关。 制冷剂进入插孔式分配器混合腔后，气液相会发生相分离：气相分离后会沿着流动方向流出出口管；液相分离后不会立即流出出口管，而是沿着管壁回流到混合腔底部，成为均质流体，并随着液位的上升流出出口管。因此，气相体积分数的变化对液相的流量分配影响并不大。

 

 质量流量对分流不均匀度的影响 

图 2-11 所示为插孔式分配器在不同安装倾角下对分流不均匀度的影响；其中，分配器相对于竖直方向的安装倾角仍然选取为 0°~10°。通过图 2-11 可以看出，干度一定时，插孔式分配器分流不均匀度总体随着质量的增加逐渐减小，质量流量的增加有利于制冷剂的流量分配。不论是分配器竖直安装还是倾斜安装，质量流量对分流不均匀度的影响均很明显。 分配器安装倾角越大，质量流量对分配不均匀度的影响范围越大。

 

例如，对竖直安装的分配器且干度 x=0.2，m=18kg/h 增大到 m=50kg/h 时，分配不均匀度从 7.1%降低到 4.0%，变化率为44%;对倾斜 5 度安装的分配器且干度 x=0.2，m=18kg/h 增大到 m=50kg/h 时，分配不均匀度从 15.7%下降到 9.3%，变化率为41%；对倾斜 10 度安装的分配器且干度 x=0.2，m=18kg/h 增大到 m=50kg/h 时，分配不均匀度从 18.8%下降到 10.5%，变化率为44%。

 

由此可知，质量流量越大，气液相流速越大，气液相在插孔式分配器混合腔中与管壁的碰撞会越剧烈，从而更易打散流体，增进液相在腔体内部的分布均匀性。

 

倾斜角度对分流不均匀度的影响

 

图 2-12 所示为在一定的质量流量和干度下，插孔式分配器安装倾角对分流不均匀性的影响；其中，根据分配器在实际空调系统中安装情况选取典型工况干度 x=0.2，选取质量流量 m=36kg/h 和 50kg/h，分配器相对于竖直方向的安装倾角选取为 0°~60°。

 

通过图 2-12 可知，插孔式分配器的分流不均匀性总体上随安装倾角的增大而增大，安装倾角从竖直增加到 5°，分配不均匀性分别从 4.0%和5.0%增加到 9.3%和11.2%,变化率最快；在安装倾角从 10°增加 60°时，分配不均匀性大幅增加，直至增大到 28.1%和 35.7%。 随着安装倾角的增加，两相流体在插孔式分配器混合腔中的相分离会加剧，液相回流后贮积于腔体底部，由于重力因素的影响，位于低液位一侧的液相分布量多于高液位一侧，从而造成液相的分布不均，各出口分路液相分配的差异也进一步增加。

 

进口流型对分流不均匀度的影响

进口两相流流型直接关系到进口气液相的相对位置和分布，而进口管的气液相分布是否对称是影响气液相均匀分配的重要因素。对于两相流体在向上直管（无变管径）中的流动，目前成熟的流型识别研究有 Gould 流型图、Hewitt-Roberts 流型图、Taitel-Dukler 图、Weisman 图等，其中 Weisman 立式上升流型图适用于空气-水、制冷剂等的流型识别，符合本文的纯制冷剂在向上直管中的流型研究, 而对于相对于竖直方向倾斜 5°，10°的直管中的流型，其流型变化接近垂直流道结果。

 

图 2-13 所示为基于Weisman 流型图和 R410A 的物性，对插孔式分配器试验结果的气相表观质量流率 G g 和液相表观质量流率 G l 进行了修正后得到流型匹配图，其中小圆圈表示位于环状流区域的工况，小三角形表示位于过渡流区域的工况。

 

表2-4 所示为插孔式分配器进口工况流型转换表，表中分隔后左方区域为间歇流，右方区域为环状流。由图 2-13 和表 2-4 可知，对于较高质量流量、较大干度下的两相流体，其流型为环状流，环状流流动状态稳定，液相大部分以液滴的形式均匀分布在管内侧的气相中，并随之高速向前运动，剩余小部分以液膜的形式环绕着气相向前运动，该流型下气液相的管内分布对称，有利于气液相的均匀分配；对于低质量流量、小干度下的两相流体，由于其流型为间歇流，该流型下流动状态不稳定且管内分布不对称，不利于气液相的均匀分配。

 

通过前面的研究可以得知，插孔式分配器竖直安装或小倾角安装（5°，10°）时，高质量流量、大干度下的进口流型有利于气液相的均匀分配，占比约为所有工况范围的60%，这与环状流气液相分布对称有关；低质量流量、小干度下的进口流型不利于气液相均匀分配，占比约为所有工况范围的 40%，这与间歇流气液相分布不对称有关。