摘要：换热器内制冷剂分配不均对换热器的整体性能有着重要影响。本文通过对一台翅片管式换热器制冷剂分配不均的原因分析，对该冷剂分配器分配性能改善提出3种方案，并进行试验验证。结果表明，前2种方案可以改善蒸发器的制冷剂分配均匀性，但添加筛片在此机组中无明显改善效果。
关键词：分配器；筛片；性能；影响
引言
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，又称热交换器，目前在动力、化工、空调工程和制冷工程等领域得到了较为广泛的应用。有研究表明，制约换热器性能提升的一个重要原因在于各管间的制冷剂分配不均匀。基于此，本文分析了换热器内制冷剂分配不均的原因，提出了3种改善方案并验证，可为换热器制冷剂分配器分配性能的改善提供一定的参考依据。
1.换热器制冷剂分配不均的原因
测试一台双系统风冷型空气调节机组（也叫做屋顶机），在在AHＲI340/360（I-P）-2015 Commercial and Industrial Unitary Air-Conditioningand H-eat Pump Equipment的环境下额定制冷工况情况，在这样的情况下还要将室外环境温度调控在34.5℃左右，并将室内的干/湿球温度分别调控在27.1℃/20．2℃左右，并通过具体的测试得到系统目标和性能之间还是存在一定的差距。
屋顶使用的蒸发器通常都是翅片管式换热器，这样节流以后翅片管式换热器就会被两相制冷剂均匀的分配，一般的情况下制冷剂通过分配器进行调节。要想强化翅片管式换热器首先可以通过增加传热面积，还可以提升制冷剂侧传热温差，还可以通过增大空气侧热温差等多种的方式实现，换热器的效率在很大的程度上会受到制冷剂分配器的分配效果决定[1]。通常时候蒸发器的换热情况都是可以用出口的热度表示。蒸发器制冷剂的热度一定要得到保证，这样才能使压缩机的回液风险降到最低：当过热度低于9℃以下时，蒸发器的出口就会出现换热器不充分的问题，可能出现液相或者气液两相的问题，这样对于就会增加压缩机吸气带液风险，对换热性能造成影响；当过热度高于27℃时，这样蒸发器的换热面积没有起到真正的作用，会影响压缩机的吸气温度，当压缩机的温度过高时效率就会降低很多。本文中以9℃、27℃当作标准经验值，但不同产品在具体设计机组的时候应根据实际的情况进行调整。
在系统1、2中分别有13和9个回路，将两个系统的蒸发器以交叉的形式进行排列。蒸发器在测试时，需要在每个回路口设置温度测点，并且还要在总管的出口上设置测压和测温点（这样就可以通过实际的压力得到蒸发的饱和度），这样就能够得到各个回路口的制冷剂过热度（如1图），同时还能够获得总管出口的制冷剂过热度（如2图）。通过分析1、2图能够发现，在换热器的众多回路中制冷剂的过热度都是不一样的，这样也就充分地表明了蒸发器内部没有实现均匀分配；仔细观察系统1可以发现蒸发器总回路出口的过热度较为平稳，但是系统2蒸发器总回路口过热度确是变大较大，这样就会出现分配不均匀的情况出现，使出口的制冷剂呈现出气液混合的形态，这里面已经排除因为机组或排风场等其它问题导致的换热不均匀现象。下文重点分析影响制冷剂分配不均匀的分配器进行详细的分析和研究。
（1图）蒸发器系统1、2回路口过热度曲线图
（2图）蒸发器系统1、2出口总回路过热度曲线图
2.分析分配器结构并制定相关的改进方案
2.1制冷剂分配器的结构
常见的制冷剂形式主要有三种，即：孔板式和离心式以及文丘里式[2]。孔板式要比离心式和文丘里式分配器的加工精确度要低一些，但是孔板式制冷剂分配器在互换性方面却要好一些。所以，孔板式制冷剂分配器是翅片管式换热器的最好选择（具体示意图如3图）。
（3图）分配器组件及剖面示意图
2.2孔板式制冷剂分配器
在分配器入口处装入孔板（喷嘴），这样上游进入的气体（压力p1）在经过孔板（压力p2）后，就在极短的时间内产生压力降（Δp=p1－p2）。在分配器狭窄截面中膨胀阀节流产生气液混合物节流后出现了2次节流，其中的动能就是由流体的压力形成的，明显的提升了流体紊流作用，在D处经过混合以后，制冷剂会均匀的被分配到相连的每一个分液管（E）内，当进入翅片管式换热器里面以后在发挥吸热功能以后蒸发。在整个整个制冷剂分配过程中，所产生的总压力为Δp=p1－p3，将回路入口压力设为p3。4图为孔板式分配器工作原理示意图。
（4图）孔板式制冷剂分配器工作原理示意图
2.3改善制冷剂分配器分配的办法
针对分配器分配不均的情况，本文设计制定了三种改善制冷剂分配器分配的办法：第一种，对分配管路长度进行有效的调整。因为制冷剂分配不均匀就会出现一部分回路中制冷剂过多的问题，在回路的出口位置就会出现气液混合态和液态，遇到这样问题的时候就可以适当的加长回路的长度，这样就可以在一定的程度上提升管路阻力，这样就有足够的阻力将制冷剂分配到小回路中，这样就能够有效的提升制冷剂分配的均匀性。第二种，对节流孔板尺寸进行科学合理调整。首先对节流孔板的其他型号进行尝试，对节流孔板的尺寸进行合理的调整后分配器的节流阻力就会有所变化，流体的动能就是通过流体的压力而产生的，这样也使得流体的紊流作用在最大的程度上得到了提升，这样也就有效的改善了制冷剂分配法人均匀性。第三种，适当合理的添加筛片。要想有效的改善制冷剂的分配均匀性，还可以通过在分配器入口位置添加筛片，制冷剂因为受到筛片的影响，在管内形成了扰流这样也就导致了紊流效果。
3.分配器性能评价的指标
要想更好地对分配器的分配均匀性进行详细的研究，本文将SH设置为蒸发器出口平均过热度，将Di设置为分配不均匀度，将STD作为过热度标准方差。通常的情况下分配不均匀度也就是蒸发器回路的出口过热度与平均过热度出现了一定程度的偏差，经过计算如果其中的绝对值越小，那么，分配器分配性就会越好，然后如果绝对值越大，则说明分配器分配的越不均匀[3]。
在公式1中可以发现，蒸发器第i个回路出口过热度（℃）设为Shi；其出口平均过热度（℃）设为SH，SH也就是出口总管上不一样时间的过热度平均值，这个平均值也充分的说明了出口制冷剂的具体情况。
将STD设为过热度标准方差，这样就可以非常方便的观察出在不一样的办法下分配器呈现的不同分配的均匀性，这样在不同的办法下制冷剂整体分配均匀性都能够具有可比性，当分配越均匀时数值就会呈现的越小，那么，如果当数值越大时，这就表示分配均匀性越不好。详见公式2。
4.方法试验验证
4.1验证分配管路长度的影响
将分配器的管长均设置为737mm，如1图所示，通过观察就会发觉系统2中分配不均匀的问题比较明显。为了验证分配器长度的影响，现在将系统2中的回路2管路增长457mm，由于回路阻力的增加，制冷剂在这个回路中会分流道其他的回路，这样就会提升各回路换热均匀性。
4.2筛片的影响
为了研究筛片对于分配的影响。可以制作不一样的2种筛片，筛片除了在流通的面积上以外，其他的地方均相同，筛片A大于筛片B的流通面积，在两个分配器的入口分别装入筛片A、B，并与不加筛片的相互进行比较，详情见表1.
表1筛片A、B对分配均匀性对比
观察上表可知，在增加筛片A、B后分配均匀性未有所提升，并且机组的性能也有所下降。
一般的情况下，增加筛片在分配器的入口处，会对管内的流体产生扰流作用，会明显提升分配均匀性。在本次的验证中虽然效果不佳，但是同样的方法已经在其他机组中应用，所以这种方法可以作为改善分配不均性的办法之一。
4.3节流孔板尺寸的影响
表2节流孔板对分配均匀性的对比
在本次试验中选择两种尺寸的节流孔板，方案X的孔板尺寸大于方案M。详细分析图5可知，在使用了方案M后，分配均匀性已经有了显著的提升，并且明显可见Mi管路绝对值变小。分析表2可知，方案M的分配均匀性明显好于方案X。由此可见，节流孔板是导致分配均匀性不好的原因之一。
5.结论
综上所述，制冷剂的分配不均对换热器的换热性能会产生重大影响，因而改善分配器的分配效果尤为关键。本文针对制冷剂分配器分配性能改善提出了调整分配管路长度、调整节流孔板尺寸以及添加筛片的3种方案，试验研究表明：前2种方案可以改善制冷剂分配均匀性，提升机组性能，第三种方案在此机组中没有明显改善，但已有实际应用，因此需要进一步地研究与探索。
参考文献：
[1] 屈静.干式壳管式换热器内制冷剂的均分特性研究[D].南京师范大学，2016.
[2] 袁培，孙冰，郝亚萍，等.分液器制冷剂均匀分配性能研究[C]// 高等教育学会工程热物理专业委员会全国学术会议.2015.
[3] 孙文卿.一种平行流换热器内制冷剂的均分特性研究[D].南京师范大学，2017.
论文作者:骆毅
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：制冷剂论文; 分配器论文; 分配论文; 换热器论文; 回路论文; 蒸发器论文; 均匀论文; 《基层建设》2018年第30期论文;