魯紅亮陶紅歌胡云鵬胡浩茫金聽祥陳煥新

(1華中科技大學(xué) 武漢 430074；2上海硅酸鹽研究所 上海 200050；3上海汽車集團(tuán)股份有限公司 上海 201804； 4廣東志高空調(diào)有限公司 佛山 528244)

平行流換熱器的扁管一般有幾十根，通道數(shù)通常有幾百，同一流程內(nèi)也有上百個(gè)通道，這些扁管并列的連接到兩端的集管上，制冷劑由集管分流進(jìn)入各個(gè)通道，換熱后在另一端的集管合流進(jìn)入下一個(gè)流程(見圖1、2)，以往的分析中，為了簡(jiǎn)便一般認(rèn)為制冷劑在諸多通道中的流量分配是均勻的。但實(shí)際并非如此，尤其是在兩相狀態(tài)下，各個(gè)通道中制冷劑流量的分配相差十分懸殊，以至于一部分通道中只有氣體，而另外一部分通道中則只有液體，這就嚴(yán)重削弱了平行流換熱器的換熱和流動(dòng)性能，甚至成為限制平行流換熱器作為蒸發(fā)器使用的一個(gè)瓶頸。Choi[1]等人為了確定制冷劑和空氣的不均勻分布對(duì)換熱器性能衰減的幅度，對(duì)使用R22的3流程傳統(tǒng)翅片管式蒸發(fā)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明制冷劑不均導(dǎo)致蒸發(fā)器容量衰減了30%，而空氣分布不均則導(dǎo)致蒸發(fā)器容量衰減了8.7%。平行流冷凝器中制冷劑流量分配不均受集管和通道結(jié)構(gòu)形式和尺寸、運(yùn)行工況、制冷劑物態(tài)等因素影響，是一個(gè)異常復(fù)雜的問題，其作用機(jī)理和分配機(jī)制至今尚未被完全掌握。

由于帶有一定傾斜角度的百葉窗式翅片、多流程和多扁管并列的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，平行流換熱器兩側(cè)的制冷劑、空氣會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的流體分布不均的問題，尤其是有相變的制冷劑流量在多個(gè)平行扁管中分配的均勻性變得異常重要，是影響換熱器性能的關(guān)鍵，因此如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)以促進(jìn)制冷劑、空氣更加低耗高效的換熱是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。

圖2 集管與扁管Fig.2 Flat tube and manifold

1 單相流體的均勻性

1.1 單相制冷劑分配的均勻性

單相流體分配是扁平結(jié)構(gòu)的平行流換熱器內(nèi)部流體的重要組成部分，也是研究?jī)上嗔黧w分配的基礎(chǔ)，但是目前針對(duì)單相液體的分配研究并不充分。HABIB等[2-3]對(duì)截面為矩形58.9mm×100mm集管中流量為12.27kg/s、粘度為2.32Pa.s的單相油在32根直徑為25.65mm間距為46.2mm的支管流量分配為對(duì)象，采用Fluent 6.1.22進(jìn)行模擬，得到了各個(gè)支管中油流量分配呈W型分布的結(jié)果。據(jù)此分析了影響流量分配的因素:入口流速影響可忽略，輸送流體進(jìn)入集管的導(dǎo)管直徑和數(shù)目影響大，導(dǎo)管從2增加到4根時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)偏差衡量支管流量分配均勻性則減小62.5%。Sachiyo Horiki[4]對(duì)水平矩形5mm×10mm集管連接著4根豎直向上的Φ10mm圓支管的系統(tǒng)泵入水進(jìn)行了多次流量分配實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:集管內(nèi)水的雷諾數(shù)以6000為中心，向兩側(cè)方向偏離的越大，則4根分支管中流量分配越不均勻，層流時(shí)前部支管流量大而后部則接近于零，紊流時(shí)的趨勢(shì)則相反，但相差較小，層流時(shí)不均勻程度比紊流時(shí)嚴(yán)重。

圖3 干管Re為733時(shí)的流量分配Fig.3 Liquid distribution with manifold Re of 733

圖4 干管Re 為16319時(shí)的流量分配Fig.4 Liquid distribution with manifold Re of 16319

單相液體在普通尺寸支管中流量分配的CFD模擬結(jié)果通常認(rèn)為是可以接受的，但是對(duì)于10mm以下尺度集管在多支管中流量分配的均勻性，CFD軟件是否適用是需要檢驗(yàn)的。這里以Sachiyo Horiki提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分別選擇水平干管內(nèi)的流體處于層流、紊流，即雷諾數(shù)為733、16319時(shí)使用CFD軟件進(jìn)行模擬，采用穩(wěn)態(tài)隱式分離求解器進(jìn)行求解，流體為水，層流、紊流時(shí)分別采用Laminar模型、k-epsilon模型，邊界條件則采用干管的入口為流速入口和四個(gè)支管的出口為壓力出口，其他則采用默認(rèn)壁面。層流時(shí)整個(gè)流體區(qū)域分別為1.8萬、15萬、67萬和120萬網(wǎng)格的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖3，紊流時(shí)整個(gè)流體區(qū)域分別為1.8萬、67萬和120萬網(wǎng)格的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖4?？梢?，F(xiàn)LUENT軟件的數(shù)值模擬結(jié)果在層流、紊流時(shí)均存在較大的誤差，尤其紊流時(shí)是模擬結(jié)果出現(xiàn)了后部支管倒流的現(xiàn)象；網(wǎng)格密度對(duì)模擬結(jié)果的精度存在較大的影響，計(jì)算精度并非隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而提高:以矩形集管高度5mm為網(wǎng)格長(zhǎng)度所得流量分配結(jié)果與實(shí)驗(yàn)最為接近，而以集管高度的1/2、1/4和1/5為網(wǎng)格長(zhǎng)度所得流量分配結(jié)果則與實(shí)驗(yàn)相差越來越大，并出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象；對(duì)于層流、紊流均存在的流體系統(tǒng)，該軟件難以實(shí)現(xiàn)。

而對(duì)于可壓縮性的氣體在支管中的分配而言，是相對(duì)較容易處理的。J.M. Yin[5]將常溫下325kPa的氮?dú)庖?2g/s的流量充入單流程平行流換熱器入口集管，然后逐漸分流至41根扁管中，從出口集管合流最終流出，結(jié)果表明基于可壓縮氣體的扁管流量分析模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值比較符合，呈拋物線型分布，第41根扁管流量最大，達(dá)到了0.3493g/s，是平均值0.29242g/s的1.2倍，而接近于管網(wǎng)正中間的第21根扁管流量最小，為0.2636g/s，僅為最大值的75.5%。

1.2 空氣氣流分布的均勻性

風(fēng)扇由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)起來所驅(qū)動(dòng)的氣流，在換熱器表面處的流速是不一致的，空氣側(cè)的氣流分布不均會(huì)導(dǎo)致部分制冷劑回路大幅過熱，而另一部分則在出口處還保持兩相狀態(tài)，致使換熱器性能衰減。Kirby[6]實(shí)驗(yàn)研究了干工況和濕工況下不均勻氣流對(duì)窗式空調(diào)器的蒸發(fā)器的影響，發(fā)現(xiàn)變化不均勻的迎面氣流僅導(dǎo)致蒸發(fā)器性能發(fā)生了小幅的變化。Liang[7]對(duì)在不均勻氣流下工作的蒸發(fā)器進(jìn)行了數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器在容量不變的條件下制冷劑回路經(jīng)優(yōu)化后可以減少5%的換熱面積。Choi[1]進(jìn)行了兩種氣流不均的實(shí)驗(yàn)，一種空氣的體積流量恒定不變，另一種則是氣流的體積流量隨阻塞作用而減小。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣流不均引起的蒸發(fā)器容量衰減最大為8.7%，而通過控制制冷劑回路出口溫度在5.6 oC則可以回收到4.0%的容量。Brix[8]基于現(xiàn)有換熱和壓降關(guān)聯(lián)式，建立了微通道蒸發(fā)器的仿真模型，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn):極端條件下氣流不均引起的蒸發(fā)器容量衰減最大為20%，而此種情況下整個(gè)制冷空調(diào)系統(tǒng)的COP則下降了僅僅4%左右，而對(duì)于氣流分布不均并不嚴(yán)重的工況，COP的變化則可以忽略不計(jì)。

H. Jama, S.[9]等使用了Lee和Hong[10]提出的氣流分布不均勻性指數(shù)(i)量化汽車散熱器的入口空氣均勻性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相較于豎直、中心和側(cè)邊隔板，水平隔板布局產(chǎn)生了最均勻的氣流分布，并使得散熱量衰減最小。

2 氣液兩相制冷劑分配均勻性

與單相流體分配相比，兩相流體的自身特性使集管到扁管的流量分配大為復(fù)雜:氣相和液相的密度、摩擦系數(shù)、流速和動(dòng)量都不相同，并且在重力作用下會(huì)發(fā)生分層，就導(dǎo)致了氣相、液相不同程度的分配不均，以至于現(xiàn)在仍然沒有一套理論可以預(yù)測(cè)集管到扁管的相分離和流量分配現(xiàn)象，相關(guān)研究也是以實(shí)驗(yàn)研究為主，針對(duì)的是有水平集管和豎直扁管小通道的平行流小通道蒸發(fā)器。

2.1 兩相制冷劑流量分配不均對(duì)換熱器的影響

Beaver等人[11]使用水平分流管內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量為100kg/(m2.s)的單流程微通道蒸發(fā)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明制冷劑流量分配不均導(dǎo)致蒸發(fā)器性能衰減了20%左右，當(dāng)每個(gè)分流管的進(jìn)口或出口增加2個(gè)時(shí)流量分配稍有改善，但蒸發(fā)器性能卻沒有提升。平行流冷凝器作為冷凝器時(shí)通常有兩個(gè)垂直的分流管以便于在各個(gè)流程各個(gè)扁管小通道內(nèi)分配制冷劑流量，Hrnjak[12]討論了換熱器中單相、兩相條件下分流管到多個(gè)微通道的分配情況，認(rèn)為現(xiàn)有兩相分配器的原理可以歸結(jié)為兩種:一種是混合兩相使之在空間上分布均勻，另外一種則是先分離各相然后分別分配入換熱器的通道中，這兩種技術(shù)手段對(duì)于數(shù)目不多的通道是有效的，但當(dāng)通道數(shù)超過30時(shí)，制冷劑流量分配就會(huì)變得復(fù)雜，這兩種常規(guī)的分流手段難以實(shí)現(xiàn)均勻分配，從而影響了換熱器的性能。Kulkarni和Bullard[13]認(rèn)為由于在大多數(shù)的分流管中制冷劑兩相的空泡系數(shù)要超過90%，數(shù)百個(gè)通道的制冷劑流量較易于實(shí)現(xiàn)近似均勻的分配；但平行流冷凝器作為蒸發(fā)器時(shí)，盡管使用了水平的分流管，制冷劑流量仍難以實(shí)現(xiàn)均勻分配，該分配不均問題使平行流冷凝器的應(yīng)用僅限于冷凝器，已經(jīng)成為平行流冷凝器技術(shù)發(fā)展的瓶頸。Peng[14]則在高干度的入口流體條件下假設(shè)液相為連續(xù)相，選用Eulerian-Eulerian模型，使用Fluent軟件模擬分析了分流管對(duì)平行流冷凝器性能影響，模擬結(jié)果與相同的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)值比較一致，并指出Eulerian模型是模擬分流管內(nèi)兩相制冷劑流體最為恰當(dāng)?shù)哪Ｐ汀?/p>

2.2 兩相制冷劑流量分配的理論研究

由于涉及到兩相流動(dòng)和復(fù)雜的集管扁管結(jié)構(gòu)，兩相流量分配的理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)相差較大，部分研究就兩相模型、相分離模型和局部壓降模型進(jìn)行了嘗試。吳曉敏等[15]利用FLUENT軟件，對(duì)一水平矩形扁平多分支管內(nèi)，氮?dú)夂退疄楣べ|(zhì)的氣液兩相流流量分配問題進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大的差別。Watanabe,M.[16-17]以R11為工質(zhì)，針對(duì)Φ20mm圓形水平集管及其上4根Φ6mm的上流平行支管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中集管入口為40～120kg/(m2.s)，干度為0～0.4，根據(jù)相分離和流量分配的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)集管模型，支管氣相質(zhì)量流速僅與集管氣相質(zhì)量流速有關(guān)，而支管的液相質(zhì)量流量則僅由集管氣相雷諾數(shù)來確定。經(jīng)過對(duì)平行流換熱器中流量分配情況的驗(yàn)證，該模型僅對(duì)少數(shù)幾個(gè)支管的預(yù)測(cè)情況良好，而對(duì)于大于10根以上的支管則難以預(yù)測(cè)其流量分配情況。

Sang-Jin Tae[18]對(duì)S.T. Hwang的相分離模型加了角度和支管直徑小于主管直徑的修正項(xiàng)，使之可以適用豎直主管。和支管直徑小于主管直徑的兩相分離情況:C. Oliet等[19]基于Sang-Jin Tae的T型三通管模型建立了平行流蒸發(fā)器模型，研究了其中兩相制冷劑的流量分配情況，但其有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

對(duì)于集管到小通道和小通道至集管的局部阻力，J.W. Coleman[20]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了平行流換熱器中集管到小通道在兩相狀態(tài)下的壓降，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有兩相模型包括均相流模型、分相流模型和Chisholm模型均大大的低估了試驗(yàn)值，認(rèn)為J. Schmidt和L. Friedel基于動(dòng)脈緊縮的關(guān)聯(lián)式與試驗(yàn)值最為接近，兩相小通道突擴(kuò)出口壓降模型采用F.F. Abdelall[21]推薦的公式。

Zhang，Webb[22]測(cè)試了R134a、R22和R410A在水平絕熱水力直徑為2.3mm的小通道兩相壓降，提出了適于在水力直徑1.0mm～7.0mm小管徑管段的壓降計(jì)算關(guān)聯(lián)式，Webb和Ermis[23]將該式的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了管道水力直徑為0.44mm～7mm。Cavallini[24]通過測(cè)試兩相R134a, R410A和R236ea通過1.4mm小通道的壓降，比較了8種常見的壓降模型，認(rèn)為對(duì)于R410A，M. Zhang提出的關(guān)聯(lián)式精度最高，而對(duì)于R134a和R236ea，Mueller-Steinhagen and Heck關(guān)聯(lián)式精度最高。

3 平行流冷凝器中熱流體流量分配不均的影響因素

影響兩相制冷劑在扁管中流量分配的原因比較多，主要可以歸結(jié)為兩類:結(jié)構(gòu)因素和運(yùn)行工況，前者包括集管尺寸、集管入口位置、支管間距、支管數(shù)目、障礙物、支管插入集管的高度等，后者包括支管流體流動(dòng)方向、集管流量、入口干度、支管的熱負(fù)荷、氣液兩相流流態(tài)等。這兩類因素對(duì)流體在支管中分配的影響是復(fù)雜的，也是不同的，這里基于前人所做實(shí)驗(yàn)歸納其不同的影響。

集管尺寸:M. Ahmad[25]對(duì)Φ50mm、30mm和17.3mm的集管及8個(gè)支管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)減小集管管徑會(huì)使流量分配更加不均。

集管入口位置:Yunho Hwang[26]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于端入式的集管結(jié)構(gòu)，分支扁管的氣相分配呈階梯狀。而對(duì)于側(cè)入式的集管結(jié)構(gòu)，則沒有分流全是氣相的支管，且氣相在分支扁管中的分布是對(duì)稱的，入口附件扁管的入口干度為60%至70%，集管末端時(shí)扁管的的入口干度為20%左右。當(dāng)集管入口位置從端入式變?yōu)閭?cè)入式時(shí)，分支扁管液相的不均勻程度，即NSTD從0.088增加到了0.263，這說明集管入口位置對(duì)液相制冷劑流量分布影響很大，且側(cè)入式的集管結(jié)構(gòu)比端入式結(jié)構(gòu)的分流效果要好，宜采用進(jìn)行。但是，Cho[27]以R22為工質(zhì)在60kg/(m2.s)和0.1～0.3的干度范圍內(nèi)，分別使用豎直集管、水平集管檢驗(yàn)了圓形集管到15根支管的流量分配情況，測(cè)試發(fā)現(xiàn):與支管和集管均垂直的側(cè)入式集管入口對(duì)于豎直集管，與支管平行的側(cè)入式集管入口對(duì)于水平集管都有較好的相分離效果，并認(rèn)為入口位置的影響太小而不足以改變流量的分配結(jié)果。S.Vist[28-29]則對(duì)比了50mm和250mm的集管入口長(zhǎng)度下10根支管的流量，認(rèn)為更短的集管入口強(qiáng)化了液相、氣相流體的分配的均勻性，這同時(shí)也說明集管入口處的兩相流型對(duì)支管流量分配的影響是比較大的。

支管間距:Yunho Hwang[30]在制冷劑R410A入口溫度為7.2 、干度為0.3、流量為55g/s的工況下，分別對(duì)扁管間距為8mm、10mm和12mm的換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)30根6孔扁管的氣相和液相分布的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)偏差NSTD變化極小，表明支管間距不影響氣相和液相在扁管中的分配。

支管數(shù)目:Yunho Hwang[30]實(shí)測(cè)了55g/s制冷劑質(zhì)量流量下分別裝有18，24，30根扁管的換熱器，發(fā)現(xiàn)側(cè)入式進(jìn)口換熱器的不均勻程度比端入式進(jìn)口換熱器都小，端入式的三種方案中30根扁管的結(jié)構(gòu)不均勻程度最小，而側(cè)入式的三種方案中24根的結(jié)構(gòu)不均勻程度最小，可見支管數(shù)目在不同的入口方式下是有不同的影響的。

阻礙物:為了改善兩相流體在支管分配的均勻性，R.L. Webb[31]等人在D型集管內(nèi)安裝了不同的阻礙物，采用壓縮空氣和水作為工質(zhì)，測(cè)試了20根分支管的流量，結(jié)果表明:最高的阻礙物使得流量嚴(yán)重地集中于第1根支管；阻礙物對(duì)流型沒有影響，僅僅影響了集管前液相的水平面；帶孔的入口擋板確保了高干度下分層流轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鳎瑤в?.5mm小直徑孔的入口擋板能夠產(chǎn)生較為均勻的分配；延長(zhǎng)液體入口的方法能夠使更多液體在集管中流得更遠(yuǎn)，這種方法在低干度條件下分配更為均勻，在干度為0.3時(shí)，使用該措施比不使用該措施產(chǎn)生的流量分配均勻性提高了57%。

支管插入集管的高度:Lee J. K.[32]等人將支管在集管中插入高度分別設(shè)置為0mm、6mm和20mm，把壓縮空氣和水以54～134kg/(m2.s)的質(zhì)量流速、干度為0.25～0.5流入24mm×24mm的方形透明集管及6根22mm×1.8mm的扁管，測(cè)試結(jié)果表明插入高度為6mm時(shí)各支管流量不均勻程度最?。籐ee J. K.[33]之后又對(duì)3mm的插入高度進(jìn)行了測(cè)試，入口條件為70kg/(m2.s)和干度0.25，發(fā)現(xiàn)該條件下各個(gè)支管的流量非常接近于均勻分布。同樣采用壓縮空氣和水流入Φ5mm長(zhǎng)80mm透明圓形集管和10根Φ1.5mm長(zhǎng)850mm的集管，Kim[34]將支管插入集管的高度分別設(shè)為0mm、2.5mm和5mm，測(cè)試發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流速為50kg/(m2.s)、干度為0.1、支管突出高度為5mm時(shí)，支管中的液體流量分布最為均勻，該種結(jié)果被認(rèn)為是水平集管間各通道壓差所致，集管中的高壓降能夠產(chǎn)生更均勻的流量分布。在連接有20根分支管的D型集管內(nèi)，R.L. Webb[31]等人將支管在集管中插入高度分別設(shè)置為0mm、4mm、10mm、15mm和20mm，將壓縮空氣和水以80kg/m2.s的質(zhì)量流速、干度為0.3和0.8時(shí)流入集管，結(jié)果表明:入口干度為0.3時(shí)，隨著插入高度的增加，支管流量的不均勻程度逐漸減小，而當(dāng)入口干度為0.8時(shí)，總體上支管流量的不均勻程度逐漸減小。

支管流體流向:S. Vist通過一系列的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)支管中的兩相流體向上流動(dòng)時(shí)，氣相較容易進(jìn)入入口附近的支管中，液相則沿著集管流動(dòng)更容易流入集管后端的支管中；當(dāng)支管中的兩相流體向下流動(dòng)時(shí)，液體最容易進(jìn)入第1根扁管中，而氣相則沿著集管流動(dòng)流入集管后端的支管中。N.-H.Kim[35]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，支管內(nèi)的水向下流時(shí)，流量分配受支管插入集管的深度影響很大；支管內(nèi)的水向上流時(shí)大部分的水流入集管后部的幾個(gè)支管中。

集管流量:Yunho Hwang發(fā)現(xiàn)，當(dāng)集管的入口流量增大時(shí)，流量100%氣相的分支扁管數(shù)目會(huì)變大，這是因?yàn)榱髁吭龃笫沟昧黧w動(dòng)量增加，從而將氣液交界面移向集管末端，這也說明支管數(shù)目對(duì)液相制冷劑流量分布影響很大。S. Vist將流量分別為1.5kg/s、2.0kg/s和2.5kg/s的制冷劑流入Φ16mm的圓形水平集管及其上10根Φ4mm的平行支管，測(cè)試結(jié)果表明流量不同對(duì)支管流量的分配無明顯影響。

入口干度:S. Vist通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增加集管入口兩相流體的空隙率，無論是支管內(nèi)流體向上流還是向下流，在10根Φ4mm的平行支管都會(huì)產(chǎn)生較均勻的氣相分配，液相分配則與此相反，液相在空隙率較低時(shí)分配最均勻。M. Ahmad對(duì)于向下流動(dòng)的支管在低干度5%～10%低流速50～150kg/(m2.s)、高干度35%～45%高流速150～250kg/(m2.s)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)入口干度增加，能使氣相、液相在支管中的分配都更加均勻。

氣液兩相流流態(tài):N.-H. Kim[35]研究了空氣和水在圓集管連接的10根扁管中的分布，認(rèn)為集管中的氣液兩相為環(huán)狀流時(shí)流量分配更為均勻。

扁管熱負(fù)荷:S. Vist對(duì)Φ8mm、Φ16mm的圓形水平集管及其上10根Φ4mm的平行支管在不同的負(fù)荷下進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷對(duì)支管流量分配的影響很小。Yunho Hwang利用流動(dòng)可視化技術(shù)，研究了蒸發(fā)器水平管和豎直管中的R410A分布，實(shí)驗(yàn)表明，三個(gè)熱負(fù)荷的影響在測(cè)量誤差范圍內(nèi)，無法判斷其對(duì)流量分配的影響。

4 平行流換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

平行流冷凝器的優(yōu)化主要分為兩個(gè)方面:空氣側(cè)氣流分布的均勻性和制冷劑側(cè)分流的均勻性。Chung等[36]分別在考慮和不考慮扁管結(jié)構(gòu)尺寸的影響下建立了平行流冷凝器的仿真模型以研究其流動(dòng)換熱，比較發(fā)現(xiàn)前者的精度和穩(wěn)定性比后者要好；Chung還分析了諸如分配器、出口和入口的位置以及通道的高寬比等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)流體分布乃至換熱器性能的影響，使用ALM(Asset and Liability Management)方法優(yōu)化了流體的分布:優(yōu)化后換熱器的換熱系數(shù)提高了6.0%，而壓降則降低了0.4%，作者由此提出沿?fù)Q熱器流向上流量分布的均勻性是非常必要的。Payne和Domanski[37]通過精確控制幾種翅片形式蒸發(fā)器每個(gè)流道制冷劑的過冷度，實(shí)現(xiàn)了不同流道內(nèi)分布均勻的制冷劑，從而檢測(cè)了該均勻性對(duì)蒸發(fā)器性能所可能帶來的提升，作者還編寫了分別模擬蒸發(fā)器的制冷劑均勻性和空氣均勻性的仿真程序，結(jié)果表明在使用智能分配器實(shí)現(xiàn)制冷劑在各個(gè)流道內(nèi)均勻分布的條件下，蒸發(fā)器體積可以減少40%。Kulkarni和Bullard[38]權(quán)衡了平行流冷凝器的分流管對(duì)流量分配和換熱性能的影響，指出靠改變扁管小孔管徑、分流管直徑和入口處制冷劑狀態(tài)并不能解決流量分配不均，進(jìn)而提出了輻射狀分流管。Webb[39]認(rèn)為解決蒸發(fā)器的兩相分流不均問題涉及到非常具體的分流管的形狀和尺寸。Hrnjak與Park[40-41]則認(rèn)為根據(jù)換熱器的類型、使用用途如蒸發(fā)器或冷凝器和流路規(guī)劃不同，空氣和制冷劑的不均勻性對(duì)也是不同的，宜采用專用的分配器來保證制冷劑流量分配的均勻性。

5 平行流換熱器研究展望

綜上所述，兩側(cè)的制冷劑、空氣分布不均，尤其是有相變的制冷劑流量在多個(gè)平行扁管中分配不均嚴(yán)重影響平行流冷凝器性能，既降低了換熱效率，又制約了該高效換熱器更大范圍的應(yīng)用，如目前僅用于單冷空調(diào)的冷凝器。發(fā)展至今，平行流換熱器中熱流體分布均勻性仍未被完全掌握，尚有以下機(jī)理、結(jié)構(gòu)等需要進(jìn)一步深入研究:

1) 優(yōu)化設(shè)計(jì)制冷劑側(cè)的扁管集管結(jié)構(gòu)，空氣側(cè)風(fēng)扇類型、結(jié)構(gòu)、位置及換熱器、風(fēng)道結(jié)構(gòu)和形式等，改善換熱器熱流體分布的均勻性；

2) 發(fā)展基于多根并行管路的流量分配模型和算法，流體網(wǎng)絡(luò)理論是一個(gè)方向；

3) 豎直、水平集管中兩相制冷劑的流型圖及數(shù)學(xué)模型；

4) 集管中制冷劑與空氣的傳熱過程及每經(jīng)過一個(gè)支管后流通面積增大前、后熱力過程。

本文受廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(編號(hào)2007A 090302115)，粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(佛山專項(xiàng))(編號(hào)2007Z41)資助。(The project is supported by the cooperation project in industry, education and research of Guangdong province (Grant No.2007A090302115)and Ministry of Education of P. R. China (Grant No. 2007Z41).)

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