空调用套管式分流器结构设计及分流效果验证

doi:10.11949/0438-1157.20241155

摘要/Abstract

摘要：

为了提高系统运行能效，制冷空调系统中采用分流器实现多路翅片管换热器内两相制冷剂的均匀分流。目前空调系统中采用的文丘里式分流器具有复杂的流道结构且需要多根毛细管作为配件，使得其成本均较高。提出一种新型套管式分流器，通过离散泡状流实现各流路干度的均匀分流，通过均压掺混和循环流动实现各流路流量的均匀分流。提出设计公式与模型对套管式分流器的关键结构参数进行设计，并通过实验验证了套管式分流器的分流效果。与传统文丘里式分流器相比，套管式分流器分流不均匀度降低18%，生产成本降低30%。

关键词: 流动, 气液两相流, 分流器, 翅片管换热器, 优化设计, 实验验证

Abstract:

In order to improve the energy efficiency of the system operation, air-conditioning systems use a distributor to achieve a uniform distribution of the two-phase refrigerant in the multi-channel fin-and-tube heat exchanger. The venturi-type distributor used in air-conditioning systems has a complex flow channel structure and requires multiple capillary tubes as fittings, which makes its cost high. In this paper, a new type of casing-type distributor is proposed to achieve uniform distribution of quality in each flow path by dispersed bubble flow, and to achieve uniform distribution of flow rate in each flow path by equal-pressure mixing and circulating. The design formula and model for the key structural parameters of the casing-type distributor are proposed and the distribution effect of the casing-type distributor is verified by experiments. Compared with the traditional venturi-type distributor, the unevenness of the casing-type distributor is reduced by 18%, and the production cost of the casing-type distributor is reduced by 30%.

Key words: flow, gas-liquid two-phase flow, distributor, fin-and-tube heat exchanger, optimal design, experimental validation

中图分类号:

TB 61⁺1

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图/表 9

图1 套管式分流器示意图

Fig.1 Schematic diagram of casing-type distributor

表1 套管式分流器的工况和结构要求

Table 1 Requirements of working conditions and structure for casing-type distributor

工况和结构参数	设计要求
制冷剂类型	R410A
入口压力/kPa	900
入口质量流量/(g·s^-1)	3.0~10.0
入口干度	0.24
内管管径和壁厚/mm	6.35×0.7
外管管径和壁厚/mm	15.88×1.0

图2 套管式分流器设计技术路线

Fig.2 Designing technical route of casing-type distributor

图3 套管式分流器控制单元划分

Fig.3 Control volume division of casing-type distributor

表2 内管喷射和循环流动数学模型

Table 2 Mathematical modelling of inner pipe injection and circulation flow

控制单元类型	流动过程	控制方程
下部循环孔控制单元		连续性方程： $G r i n + G r c y c = G r m i d (1)$ (6a) $x i n G r i n + x c y c G r c y c = x m i d (1) G r m i d (1)$ (6b) 动量守恒方程： $P i n + G r i n 2 2 A t u b e 2 ρ i n = P m i d (1) + G r m i d (1) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (1) + Δ P f r i c t i o n, i n + Δ P l o c a l, c o n$ (6c) $P c y c + G r c y c 2 2 A h o l e, c y c, d o w n 2 ρ c y c = P m i d (1) + G r m i d (1) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (1) + Δ P l o c a l, c y c$ (6d)
射流孔控制单元		连续性方程： $G r m i d (i) = G r m i d (i + 1) + G r o u t (i) (i = 1,2, ⋯, N)$ (7a) $x m i d (i) G r m i d (i) = x m i d (i + 1) G r m i d (i + 1) + x o u t (i) G r o u t (i) (i = 1,2, ⋯, N)$ (7b) 动量守恒方程： $P m i d (i) + G r m i d (i) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (i) = P o u t (i) + G r o u t (i) 2 2 A h o l e, o u t (i) 2 ρ o u t (i) + Δ P f r i c t i o n, m i d (i) + Δ P l o c a l, m i d (i) - o u t (i)$ (7c) $P m i d (i) + G r m i d (i) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (i) = P m i d (i + 1) + G r m i d (i + 1) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (i + 1) + Δ P f r i c t i o n, m i d (i) + Δ P l o c a l, m i d (i) - m i d (i + 1)$ (7d)
上部循环孔控制单元		连续性方程： $G r m i d (N + 1) = G r c y c$ (8a) $x m i d (N + 1) G r m i d (N + 1) = x c y c G r c y c$ (8b) 动量守恒方程： $P m i d (N + 1) + G r m i d (N + 1) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (N + 1) = P c y c + G r o u t (i) 2 2 A h o l e, c y c, o n 2 ρ o u t (i) + Δ P f r i c t i o n, m i d (N + 1) + Δ P l o c a l, m i d (N + 1) - c y c$ (8c)
变量描述	式中，Gr为质量流量，P为压力，x为干度，A为流通面积，ρ为密度。下角标in、out、mid、cyc、hole、on、down分别表示入口、出口、中间、循环、循环孔、上部、下部。其中，入口段摩擦压降ΔP_friction,in和中间段摩擦压降ΔP_{friction,mid(}_i₎采用Müller-Steinhagen等提出的关联式^[12]计算，入口段缩口局部阻力压降ΔP_local,con和上循环段突缩局部阻力压降ΔP_local,mid(_N_+1)-cyc采用Schmidt等提出的关联式^[13]计算，中间段分流局部阻力压降ΔP_local,mid(_i_)-out(_i₎和ΔP_local,mid(_i_)-mid(_i₊₁₎ 采用Chisholm提出的关联式^[14]计算

表2 内管喷射和循环流动数学模型

Table 2 Mathematical modelling of inner pipe injection and circulation flow

控制单元类型	流动过程	控制方程
下部循环孔控制单元		连续性方程： $G r i n + G r c y c = G r m i d (1)$ (6a) $x i n G r i n + x c y c G r c y c = x m i d (1) G r m i d (1)$ (6b) 动量守恒方程： $P i n + G r i n 2 2 A t u b e 2 ρ i n = P m i d (1) + G r m i d (1) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (1) + Δ P f r i c t i o n, i n + Δ P l o c a l, c o n$ (6c) $P c y c + G r c y c 2 2 A h o l e, c y c, d o w n 2 ρ c y c = P m i d (1) + G r m i d (1) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (1) + Δ P l o c a l, c y c$ (6d)
射流孔控制单元		连续性方程： $G r m i d (i) = G r m i d (i + 1) + G r o u t (i) (i = 1,2, ⋯, N)$ (7a) $x m i d (i) G r m i d (i) = x m i d (i + 1) G r m i d (i + 1) + x o u t (i) G r o u t (i) (i = 1,2, ⋯, N)$ (7b) 动量守恒方程： $P m i d (i) + G r m i d (i) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (i) = P o u t (i) + G r o u t (i) 2 2 A h o l e, o u t (i) 2 ρ o u t (i) + Δ P f r i c t i o n, m i d (i) + Δ P l o c a l, m i d (i) - o u t (i)$ (7c) $P m i d (i) + G r m i d (i) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (i) = P m i d (i + 1) + G r m i d (i + 1) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (i + 1) + Δ P f r i c t i o n, m i d (i) + Δ P l o c a l, m i d (i) - m i d (i + 1)$ (7d)
上部循环孔控制单元		连续性方程： $G r m i d (N + 1) = G r c y c$ (8a) $x m i d (N + 1) G r m i d (N + 1) = x c y c G r c y c$ (8b) 动量守恒方程： $P m i d (N + 1) + G r m i d (N + 1) 2 2 A t u b e 2 ρ m i d (N + 1) = P c y c + G r o u t (i) 2 2 A h o l e, c y c, o n 2 ρ o u t (i) + Δ P f r i c t i o n, m i d (N + 1) + Δ P l o c a l, m i d (N + 1) - c y c$ (8c)
变量描述	式中，Gr为质量流量，P为压力，x为干度，A为流通面积，ρ为密度。下角标in、out、mid、cyc、hole、on、down分别表示入口、出口、中间、循环、循环孔、上部、下部。其中，入口段摩擦压降ΔP_friction,in和中间段摩擦压降ΔP_{friction,mid(}_i₎采用Müller-Steinhagen等提出的关联式^[12]计算，入口段缩口局部阻力压降ΔP_local,con和上循环段突缩局部阻力压降ΔP_local,mid(_N_+1)-cyc采用Schmidt等提出的关联式^[13]计算，中间段分流局部阻力压降ΔP_local,mid(_i_)-out(_i₎和ΔP_local,mid(_i_)-mid(_i₊₁₎ 采用Chisholm提出的关联式^[14]计算

表3 内管射流孔和循环孔设计方案

Table 3 Design scheme of inner pipe injection and circulation flow

参数	方案1	方案2	方案3	方案4
内管缩口直径/mm	4	4	4	4
内管下循环孔直径/mm	1.0	1.0	1.5	2.0
内管上循环孔直径/mm	1.0	1.5	2.0	2.5
各个内管射流孔直径（由下到上）/mm	2.2/2.5/2.8/3.0/3.5	2.0/2.2/2.5/2.8/3.2	1.8/2.2/2.5/2.8/3.0	1.5/2.0/2.2/2.5/2.8
各个内管射流孔间距（由下到上）/mm	17/15/13/10	18/14/12/11	19/15/12/9	20/15/12/8
循环流路流量占总流量的比例/%	5.0	10.0	15.0	20.0

图4 分流器性能试验装置1—变频制冷剂泵;2—视镜;3—冷凝板换热器;4—主路流量计;5—热电偶;6—压力变送器;7—电加热器;8—截止阀;9—分流器样件;10—冷凝套管;11—分路流量计;12—储液罐;13—调节阀;14—水泵;15—水箱;16—冷水机组

Fig.4 Diagram of distributor performance test system

表4 实验工况范围

Table 4 Experimental working condition range

工况参数	范围
制冷剂类型	R141b
入口压力/ kPa	100
入口质量流量/(g·s^-1)	3.0~10.0
入口干度	0.24
入口体积流量/(L·min^-1)	9.1~30.4

图5 不同体积流量下的传统分流器和新型分流器的分流性能

Fig.5 Distribution performance of traditional and novel distributor in different flow rate

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