技术：制冷系统分液器的设计与优化

在蒸气压缩式制冷系统中 , 制冷剂在蒸发器内吸热汽化做功后 , 通常夹带大量液滴进入压缩机 , 这些液滴不仅降低了压缩机的容积效率 , 还易引起气阀损坏、液击等故障 , 严重时甚至导致压缩机烧毁 [1] 。为避免上述问题 , 制冷系统普遍采用分液器 ( 也称集液器、汽液分离器 ) 来分离蒸发器出口的气液混合物 , 确保进入压缩机的过热蒸汽不含液滴。

分液器的气液分离性能直接关系到制冷系统的运行安全和能效水平。据统计 , 压缩机故障有 30% 是由液体吸入导致的 [2], 而蒸发器热力性能每下降 10%, 制冷系统 COP 就降低 7.5% 左右 [3] 。可见 , 设计高效的分液器对制冷系统的可靠运行和节能增效具有重要意义。

长期以来 , 国内外学者针对分液器开展了大量研究。张华等 [4-5] 系统总结了分液器气液两相分离的机理 , 提出了分离效率、液位波动等关键性能指标和评价方法。刘阳等 [6] 针对离心式分液器 , 建立了液滴运动和聚并的数学模型 , 并通过 PIV 实验揭示了速度场和浓度场的分布规律。岳良等 [7] 针对螺旋式分液器 , 研究了旋流器结构参数对分离效果的影响 , 优化出最佳的锥角、导流板数等参数。王莉娟等 [8] 提出了一种新型矩形螺旋式分液器 , 通过合理布置导流板 , 显著强化了旋流分离作用。李雪涛等 [9] 系统研究了翅片管式分液器的传热传质特性 , 揭示了液滴夹带系数与气相雷诺数、撞击参数的定量关系。      

(1) 初始分离 :

气液混合物在分液器入口处瞬间膨胀 , 形成高速射流。射流在分液器内强烈扩张 , 引起速度骤降、压力回升 , 液滴在惯性作用下被甩向器壁。      

(2) 重力沉降 :

在射流区的边缘和尾迹区 , 液滴在重力作用下沿器壁流淌 , 并逐渐汇集在器底。受界面张力影响 , 器底形成液位线 , 气液实现初步分离。      

(3) 旋流分离 :

为进一步去除气相中夹带的细小液滴 , 分液器通常设置旋流装置。含液气体通过旋流器高速旋转 , 在离心力作用下 , 液滴被甩向器壁并沿壁面流下 , 最终实现深度气液分离。

(1) 汇液作用 :

分液器位于蒸发器出口 , 可有效收集蒸发器及其入口管路中残留的液态制冷剂 , 避免其进入压缩机。      

(2) 分离作用 :

分液器利用重力、惯性等效应 , 将蒸发器出口气液混合物分离为饱和液体和干饱和蒸汽 , 确保进入压缩机的蒸汽不夹带液滴。      

(3) 调节作用 :

蒸发器出口过热度的大小直接影响制冷系统的性能系数。分液器可通过调节液位高度 , 改变蒸发器的有效换热面积 , 进而调节出口过热度。      

(4) 保护作用 :

分液器可有效阻止蒸发器出口夹带的液滴、杂质进入压缩机 , 减少对气阀、缸体等部件的冲蚀磨损 , 延长压缩机使用寿命。      

(1) 液击 :

分液器截留液体不足 , 大量液滴被吸入压缩机缸体 , 与气阀撞击 , 导致气阀板裂纹、断裂等机械损伤 , 甚至引发压缩机烧毁。      

(2) 气蚀 :

分液器液位过高 , 气体出口被淹没 , 气泡夹带进入蒸发器 , 破坏了蒸发传热的均匀性 , 引起局部气蚀 , 导致制冷量下降。      

(3) 油困 :

分液器内油液聚集 , 形成大量油泡沫 , 堵塞气液出口 , 造成压缩机缺油 , 引起轴承或缸体烧融。      

(4) 返液 :

分液器应对负荷变化不灵敏 , 系统停机时分液器内液体倒流 , 经蒸发器进入压缩机 , 再次启动时易发生液击。

分液器结构形式较多 , 通常可分为立式和卧式两大类 , 而立式又包括圆筒型、锥形、多级串联型等 , 卧式主要为螺旋型。不同形式分液器的分离机理不尽相同 , 在设计时需统筹考虑进口速度、液位高度、内件布置等因素。      

依据气液两相流 Stokes 数 (St) 准则 , 可建立分液器气液分离模型 [12]:      

St=ρlud/18μgD      

式中 ,ρl 为液相密度 ,u 为气相速度 ,d 为液滴直径 ,μg 为气相动力粘度 ,D 为分液器直径。

该模型表明 ,St 数越大 , 惯性力越强 , 液滴轨迹偏离气流越大 , 沉降分离效果越好。为使大部分液滴能有效分离 , 宜取临界 Stokes 数 Stk=0.4~0.8[13] 。

据此 , 分液器进口直径 Di 可按下式确定 :      

Di=(4Qg/πu)0.5      

式中 ,Qg 为进气量 ,u 为气相临界速度 , 可由 Stk 值迭代计算得到。

液位高度设计需兼顾集液容积和气液界面扰动两个方面。就集液容积而言 , 日本 JEMA 标准规定分液器容积宜为系统制冷剂充注量的 1.5~2 倍 [14] 。因此 , 集液段高度 H1 可按下式估算 :      

H1=1.5~2Gπ(D/2)2/ρl      

式中 ,G 为系统制冷剂充注量。

就气液界面扰动而言 , 根据界面稳定性准则 , 临界扰动波长 λc 与液位高度 H2 的关系为 [15]:      

λc=(2πσ/(ρl-ρg))0.5/g0.25      

H2≥5~10λc      

式中 ,σ 为表面张力 ,ρl 、 ρg 分别为液相密度和气相密度 ,g 为重力加速度。      

液位高度 H 宜取 H1 和 H2 中的较大值 , 以平衡集液能力和气液分离效果。在实际设计中 , 还应在分液器壁面开设液位计 , 实现液位的实时监测。

矩形截面分液器采用长方体壳体 , 内部设置多片纵向折流板。含液气体沿折流板旋转下降 , 液滴在离心力作用下被甩向器壁并沉积 , 而净化后的气体则在折流板的导向作用下螺旋上升 , 最终从顶部流出。与圆形截面相比 , 矩形截面具有以下优势 :

(1) 旋流流场稳定 :

折流板形成封闭的矩形通道 , 气流呈螺旋状流动 , 旋流流场更加稳定 , 有利于形成离心分离效应。      

(2) 液滴沉降距离短 :

矩形截面的当量直径小于圆形截面 , 液滴沉降所需的径向位移更短 , 有利于快速捕集液滴。      

(3) 壁面附着效果好 :

矩形壳体的内表面积大于圆筒型 , 利于液滴在壁面的充分铺展和附着 , 减少液滴飞溅脱落。      

(4) 设计灵活性高 :

折流板的数量、倾角、间距等参数可灵活设计 , 易于适应不同工况 , 优化分离效果。

在矩形截面分液器设计中 , 折流板倾角 α 、折流板数目 n 和缠绕圈数 N 是最关键的几何参数 , 对分离效率 η 的影响规律为 [17]:      

η=-0.03α2+2.52α+20.17      

η=4.7n+69.8      

η=6.22N+78.64

上述规律表明 , 存在最佳折流板倾角 , 通常取 50°~60°; 折流板数目越多、缠绕圈数越大 , 分离效率越高 , 但受加工工艺限制 , 折流板数目一般不超过 8 片 , 缠绕圈数不超过 2 圈。此外 , 折流板宽度应与壳体宽度匹配 , 间距应大于液滴直径的 1.5 倍 , 以免堵塞。      

(1)   旋流器        

旋流器可显著强化旋流分离效应。在进气口处设置旋流器 , 可使进气高速旋转 , 在离心力作用下 , 液滴被快速甩向器壁 , 实现初级分离。旋流器主要包括轴流式和离心式两种 , 轴流式旋流器结构简单 , 轴向尺寸小 , 适用于立式分液器 ; 离心式旋流器切向进气 , 可获得较大的离心力 , 但径向尺寸大 , 适用于卧式分液器。      

旋流器设计的关键是合理选择旋流强度。旋流强度通常用切向速度与轴向速度之比 Rt 来衡量 ,Rt 值越大 , 旋流越强。研究表明 , 存在最佳 Rt 值 , 一般取 5[18] 。同时 , 旋流器进口面积 Ain 应与分液器截面面积 Ac 匹配 , 以降低进气速度 , 通常取 Ain/Ac=0.25 [19] 。

(2)   多级装置        

对于含液量大、液滴粒径分布宽的工况 , 采用多级分离可显著提高总分离效率。多级分离主要包括串联和并联两种方式。串联方式将若干分离单元前后连接 , 气液混合物依次通过各级分离 , 每级负责一定粒径范围内的液滴分离 ; 并联方式将进气均分成若干支路 , 每支气流通过一个分离器 , 实现粗、中、细分离。      

多级装置的设计需合理确定级数和各级截面尺寸。对于串联方式 , 各级直径递减 , 宜按下式设计 [20]:      

D1:D2:…:Dn=1:k:…:kn-1      

式中 , Dn 为各级直径 ,k 为级间直径比 , 取 0.65 。      

对于并联方式 , 支路数一般为 2~4, 各支管直径相同。总的分离效率 ηt 可按下式计算 :      

ηt=1-(1-η1)(1-η2)…(1-ηn)      

式中 ,η1~ηn 为各支路分离效率。

(3) 除沫板      

为去除气相中残留的细小液滴 , 分液器出口段宜设置除沫装置。常用的除沫装置有丝网式、波纹板式、折流板式等。除沫装置的作用是通过液滴与金属丝或板的碰撞 , 实现液滴的捕集与聚并。      

除沫板的分离效率主要取决于液滴直径与孔径的相对大小。对于丝网式除沫器 , 临界直径 dc 与丝网孔径 dh 的关系为 [21]:      

dc=0.32dh      

可见 , 除沫器孔径应小于被分离液滴直径的 1/3 。同时 , 除沫板的安装高度应高于最大液位 , 以免浸液。在除沫板前 , 还应设置滴落管 , 引导冷凝的液滴回流至集液空间。      

分液器采用圆筒型壳体 , 直径 D=400mm, 长度 L=1200mm 。进气口切向设置 , 直径 Di=50mm, 临界进气速度 u=12m/s, 对应 Stk≈0.8 。内部设有 4 片螺旋折流板 , 板宽 100mm, 板间距 80mm, 缠绕 1.5 圈 , 倾角 60°, 预期分离效率 85% 以上。出气口设有 304 不锈钢丝网 , 网孔直径 dh=150μm, 可捕集粒径大于 50μm 的液滴 , 分离效率可达 90% 以上。集液空间高度按 1.5 倍制冷剂充注量设计 , 并设多个液位计 , 实现液位的实时监控和自动控制。      

经测试 , 该分液器在设计工况下运行平稳 , 进气含液率降至 1% 以下 , 与理论预期吻合。分液器投用后 , 冷库蒸发器无结霜现象 , 制冷系统 COP 提高 8%, 压缩机使用寿命延长 20% 以上 , 节能增效效果显著。      

2. 空调机组用高效矩形分液器设计
   某空调机组采用 R410A 制冷剂 , 额定制冷量 500kW, 蒸发温度 5℃, 冷凝温度 50℃ 。经计算 , 蒸发器出口含液率高达 25%, 液滴粒度分布广 , 难以采用常规圆筒型分液器有效分离。为此 , 设计了一种矩形截面螺旋分液器。

分液器采用 900mm×600mm×1500mm 的不锈钢矩形壳体 , 内部装有 6 片折流板 , 板宽 150mm, 倾角 55°, 缠绕 2 圈 , 分离效率可达 90% 以上。进气口径 Di=100mm, 临界速度 u=15m/s,Stk≈0.6, 可有效分离粒径大于 20μm 的液滴。出口装有 316L 不锈钢丝网 , 孔径 dh=100μm, 对粒径大于 30μm 的液滴 , 分离效率可达 95% 。      

该分液器在机组运行中表现出色 , 进气含液率降至 2% 以下 , 显著提高了蒸发器换热效率。投用后 , 空调机组制冷量提高 6%, 能效比 (EER) 提高 5%, 压缩机维修频次降低 50%, 运行安全可靠。该分液器设计已申请国家发明专利 , 并在多个系列机组中推广应用。      

分液器作为制冷系统的 " 净化器 ", 在确保压缩机安全和提升蒸发器效率方面发挥着不可替代的作用。本文在系统总结分液器气液分离机理的基础上 , 重点探讨了进口速度、液位高度、截面形状、内件布置等因素对分离效果的影响规律 , 提出了相应的设计准则和优化策略 , 并用工程实例予以验证 , 主要结论如下 :      

(1) 分液器的工作原理是利用重力、惯性和离心力实现气液分离 , 并通过调节液位高度优化蒸发器出口过热度 , 进而影响制冷系统性能。      

(2) 进口速度宜通过 Stokes 数准则优选 , 以获得良好的初始分离效果 ; 液位高度应兼顾集液容积和界面稳定性要求 , 并配备在线监测装置。      

(3) 采用矩形截面设计 , 通过合理布置折流板 , 可显著强化旋流分离效应 , 提高气液分离度。折流板倾角以 50°~60° 为宜 , 缠绕不宜超过 2 圈。      

(4) 分液器内可设置旋流器、多级装置、除沫板等强化气液传质的内件 , 并匹配最佳的结构参数 , 以进一步提高分离效率和适用性。      

(5) 通过实例表明 , 采用文中所述设计方法 , 可使分液器进口含液率降至 2% 以下 , 有效避免了压缩机液击、蒸发器结霜等故障 , 显著提高了制冷系统的能效水平和运行可靠性。      

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