小管径空调的分配器结构如何优化？

     

       基于全年能效指标的分配器分流性能评价表明：不论室外机还是室内机的分配器，垂直安装时，插孔式分配器具有最优的分配性能；小角度安装时，圆锥式分配器具有最优的分配性能。

      不同制冷工质下分配器分流性能评价表明：插孔式分配器和圆锥式分配器在不同制冷剂类型下具有较好的分配效果。以下分别在插孔式分配器和圆锥式分配器的基础上进行结构上的优化。

 

不同类型分配器  

 

 1、结构影响因素

通过仿真研究三种类型分配器的结构因素对制冷剂气液两相分配的影响因素。空泡率反映了流道中气相和液相的分布情况，可作为衡量气液相状态和分配均匀性的一个标志。图 5-1 为 R410A 稳定流动时三种分配器倾斜 5°时纵向截面的气相空泡率云图和液相速度云图。

 

经过对三种分配器结构型式的分析，总结出影响气液相分配的结构因素如下：

1)  混合腔截面积。

由图 5-1 可知，插孔式分配器混合腔截面积偏大，流体的液相流速变慢，流型达不到理想的雾状流，导致出口管两侧气相不均匀分布比较明显。但是，混合腔截面积太小，流体也会受到较大压降，从而影响分配效果。因此混合腔截面积大小要适中。

2)  混合腔内部反射结构。

由图 5-1 可知，圆锥式分配器出口管向外延伸形成倒圆锥型反射头，反射式分配器正对进口管布置一个反射腔。这些结构都有利于两相制冷剂的碰撞，形成雾状流，因而圆锥式混合腔内部气相体积分数较高，气相速度较大。

3)  出口管向外倾斜角度。

由图 5-1 可知，圆锥式分配器出口管倾斜一定角度有利于抵消倾斜角造成的气液相分配不均。

4)  分配器混合腔和出口的连接管。

由图 5-1 可知，反射式分配器混合腔和出口的连接管短且垂直，导致第二相在出口管处流路弯曲，并形成涡旋，阻碍了流体特别是液相的流出，因此混合腔和出口的连接管过渡要平缓。

 

 2、插孔式分配器的结构优化设计方法

插孔式分配器的结构型式最适于垂直安装下的流量分配。为了进一步增加制冷剂的流量分配均匀度，对插孔式分配器的原型进行进一步的结构改进。基于影响气液相分配的结构影响因素，把插孔式分配器分配均匀性的影响因素归纳为三种：

1)  混合腔内部反射结构。

插孔式分配器进出口管插入混合腔一定深度有利于增加制冷剂在混合腔内部的碰撞，有利于雾状流的形成。有理论分析结果表明进出口管插入混合腔一定深度有利于分配均匀。

2)  出口管向外倾斜角度。

插孔式分配器对倾斜角度的敏感程度大，安装倾角越大，插孔式分配器的分配均匀性越差。有分析结果表明出口管外倾一定角度有利于分配均匀。

3)  混合腔截面积。

插孔式分配器截面积适当减小有利于增加制冷剂气液相流体流速，增大气相的体积分数，促进雾状流的形成。同时，混合腔截面积也不能太小，否则制冷剂压降过大，分配效果会受到影响。

 

下面对插孔式的混合腔截面积造成的影响进行仿真分析。插孔式分配器原型的混合腔截面直径D=23mm，保持插孔式其他尺寸不变，只改变混合腔截面直径建立新的CFD模型，并与原型进行比较。这里选取的5组实验组分别是：D=15mm，20mm，23mm，25mm，30mm，均为向上竖直安装，并分别研究额定制冷/制热，中间制冷/制热工况。各组经CFD 仿真计算的流量分配不均匀度结果如图 5-2 所示。

 

从图 5-2 可知，截面直径为23mm 时，分流不均匀性度最小。所以混合腔的截面积为 23mm，即保持原型截面积不变为最理想的结构参数。由此可总结得出，有利于进一步改进插孔式分配器流量分配性能的优化方法为：保持混合腔截面积不变，将进出口管插入混合腔一定深度，出口管向外倾斜一定角度。

3、插孔式分配器优化设计实例

本文基于以上优化方向，对插孔式分配器原型进行具体的优化设计，优化设计因素有以下三项：a—出口管插入深度 A，b—进口管插入深度 B，c—出口管相对竖直方向外倾斜角度 γ。各项因素对应内部结构变化如图 5-3 所示。

 

首先分别单独针对三个参数进行优化设计。选定出口管插入深度 A=3、5、8mm 为方案 1、2、3，选定进口管插入深度 B=3、5、8mm 为方案 4、5、6，选定出口管相对竖直方向外倾斜角度γ=20°、30°、40°为方案 7、8、9，选定额定制冷/制热工况和中间制冷/制热工况进行研究，各方案均为向上竖直安装。各方案在仿真计算后的流量分配不均匀度对比如图 5-4 所示。

 

结果表明：

1)  对出口管插入深度 A，方案 2：A=5mm 具有最好的分配效果。 

2)  对进口管插入深度 B，方案 5：B=5mm 具有最好的分配效果。

3)  对出口管相对竖直方向外倾斜角度 γ，方案 8：γ=30°具有最好的分配效果。下面基于对三种参数进行单独研究后选择出来的最佳参数，再针对三种参数的两两组合形式和全部组合形式进行研究。其中，方案 10 为“进出口管均插入混合腔5mm”，方案11 为“出口管插入混合腔 5mm 且相对竖直方向向外倾斜 30°”，方案 12为“进口管插入混合腔 5mm 且出口管相对竖直方向向外倾斜 30°”，方案 13 为“进出口管均插入混合腔 5mm且出口管相对竖直方向向外倾斜 30°”，选定额定制冷/制热工况和中间制冷/制热工况进行研究，各方案均为向上竖直安装。图 5-5 列出了方案1 到方案 13 在仿真计算后的流量分配不均匀度结果。

 

结果表明，三种参数两两组合和全部组合的方案的分配不均匀度进一步减小。其中，方案 13 的分配不均匀性最小，分配效果最好。原型和方案 13 的结构参数如图5-6 所示。

4、圆锥式分配器的结构优化设计方法

圆锥式分配器的结构型式最适于小角度倾斜安装下的流量分配。为了进一步增加制冷剂的流量分配均匀度，对圆锥式分配器的原型进行进一步的结构改进。基于影响气液相分配的结构影响因素，把圆锥式分配器分配均匀性的影响因素归纳为三种：

 1)  混合腔内部反射结构。

圆锥式分配器具有倒圆锥型反射头，与进口管相对。反射头越靠近进口管，所接触的制冷剂速度越大，碰撞效果越好。

2)  出口管向外倾斜角度。

出口管外倾一定角度抵消安装倾角的影响，利于分配均匀。对于小角度倾倾斜安装的分配器，需要进一步探讨最适合出口管外倾角度，以便于抵消小角度安装倾角的影响。

3)  混合腔截面积。

圆锥式分配器截面积适当减小有利于增加制冷剂气液相流体流速，增大气相的体积分数，促进雾状流的形成。同时，混合腔截面积也不能太小，否则制冷剂压降过大，分配效果会受到影响。

由此可总结得出，有利于进一步改进圆锥式分配器流量分配性能的优化方法为：将混合腔截面积适当减小，混合腔反射结构内移一定深度，出口管向外倾斜一定角度。

 

5、圆锥式分配器优化设计实例

基于以上优化方向，对圆锥式分配器原型进行具体的优化设计，优化设计因素有以下三项： a—截面直径 C，b—反射头与进口管距离 D，c—出口管相对竖直方向外倾斜角度β。 各项因素对应内部结构变化如图 5-7 所示。

 

首先分别单独针对三个参数进行优化设计。选定混合腔截面直径 C= 5、7.1、9mm 为方案 1、2、3，选定反射头与进口管距离 D= 4、6、8mm 为方案 4、5、6，选定出口管相对竖直方向外倾斜角度β=35°、40°、50°为方案 7、8、9，选定额定制冷/制热工况和中间制冷/制热工况进行研究，各方案均为倾斜 5°安装。各方案在仿真计算后的流量分配不均匀度对比如图 5-8 所示。

 

结果表明：

1)  对混合腔截面直径 C，方案 2：C=7.1mm 具有最好的分配效果。

2)  对反射头与进口管距离 D，方案 5：D=6mm 具有最好的分配效果。

3)  对出口管相对竖直方向外倾斜角度β，方案 9：γ=50°具有最好的分配效果。下面基于对三种参数进行单独研究后选择出来的最佳参数，再针对三种参数的两两组合形式和全部组合形式进行研究。

 

其中，方案 10 为“混合腔截面直径 7.1mm 且反射头与进口管距离 6mm”，方案 11 为“混合腔截面直径 7.1mm 且出口管相对竖直方向外倾斜角度 50°”，方案 12 为“反射头与进口管距离 6mm 且出口管相对竖直方向外倾斜角度 50°”，方案 13 为“混合腔截面直径 7.1mm，反射头与进口管距离 6mm 且出口管相对竖直方向外倾斜角度 50°”。选定额定制冷/制热工况和中间制冷/制热工况进行研究，各方案均为倾斜 5°安装。图 5-9 列出了方案 1 到方案 13 在仿真计算后的流量分配不均匀度结果。

 

结果表明：

三种参数两两组合和全部组合的方案的分配不均匀度进一步减小。其中，方案 13 的分配不均匀性最小，分配效果最好。原型和方案 13 的结构参数如图5-10 所示。

 

 6、优化实例的应用效果

在分配器实际安装角度满足竖直安装的条件下，优先选择插孔式分配器改进型进行应用效果验证。将插孔式分配器原型和计算得出的分配性能最优的方案 13 加工成样件，在焓差室进行空调整机实验，实验的目的是通过比较这两种样件对空调系统能效的影响，展示上面优化设计实例的效果，从而间接证明该结构优化方法的正确性。

 

整机实验根据国家标准 GB/T7725 的要求在焓差室进行，焓差室由室内侧和室外侧两个房间组成，每一个房间各安装一套空调机组，目的是控制该房间的空气状态。室内侧房间的风洞可测量风量和出口焓值，用于计算被测空调系统的制冷或制热能力，其原理图如图 5-11 所示。

 

将样件安装在空调整机实验系统的室内机上游作为测试段，实验原理图和测试段示意图如图5-12 所示。采用空气焓值法进行实验，在测试段部分设置了 660 m3/h 和 1050 m3/h 两种风量（由风洞静压控制，在额定制冷工况下，-4.9 Pa对应风量660m3/h，-9.4Pa 对应风量 1050 m3/h），通过检测测试段蒸发器送风口和回风口的空气干湿球温度，求得空气的相对湿度，进而得到其热力状态和送、回风空气焓差。在测得流经蒸发器的风量后，可得到室内机的换热量。

 

实验过程中为了保持系统一致性，只更换分配器，冷媒量、毛细管保持不变。 测试的样件有如下两种：

1)  样件一：原插孔式分配器，样件实物图如图 5-13（a）所示；

2)  样件二：在原型基础上进出口管插入 5mm 并相对竖直方向向外倾斜 30°，如图 5-13（b）所示；

 

实验对竖直安装条件下分配器样件在大风量和小风量两种工况下换热性能进行了研究，其中换热能力越大，系统能效越高，制冷剂流量分配性能越好。空调系统换热能力的实验结果如图 5-14 所示。

 

由图 5-14 可知，不论是在小风量还是在大风量下，样件二（改进型）的换热量都是最大。其中，小风量下样件二相比样件一（原型）的换热量提高了 2.2%，大风量下样件二相比样件一的换热量提高了 2.7%。在整机系统功耗相同的情况下，COP 分别提高了 2.2%和 2.7%。整机实验得出的结果表明，相比于原型，在空调系统上使用本文优化方法设计的分配器可以有效提高能效。