全年能效消耗效率指標(biāo)下的分配器分配特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高揚(yáng)，翁曉敏，丁國良，胡海濤，高屹峰，宋吉

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，上海200240；2-國際銅業(yè)協(xié)會(huì)，上海200020）

全年能效消耗效率指標(biāo)下的分配器分配特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高揚(yáng)*1，翁曉敏1，丁國良1，胡海濤1，高屹峰2，宋吉2

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，上海200240；2-國際銅業(yè)協(xié)會(huì)，上海200020）

為了開發(fā)全年能效消耗效率APF（Annular Performance factor）指標(biāo)下可使空調(diào)器具有良好性能的分配器，本文提出分配器分流性能的評(píng)價(jià)方法，對(duì)插孔式、圓錐式、反射式這三種分配器在不同安裝傾角的流量分配規(guī)律進(jìn)行了CFD仿真，并提出實(shí)際安裝條件下適用于APF能效測(cè)試條件的分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明，APF能效指標(biāo)下，室內(nèi)機(jī)在實(shí)際安裝條件下，圓錐式分配器的分流效果最好，且將混合腔內(nèi)移和適當(dāng)增大分配器出口管夾角可以進(jìn)一步改進(jìn)分配效果；室外機(jī)在實(shí)際安裝條件下，反射式分配器的分流效果最好，且適當(dāng)增加進(jìn)口管伸入長度和適當(dāng)縮短混合腔和出口的連接管長度可以進(jìn)一步改進(jìn)分配效果。

APF；分配器；兩相流；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；分配性能

0　引言

小管徑房間空調(diào)器采用小管徑銅管技術(shù)（銅管管徑不大于5 mm），在減少銅的使用、降低成本、促進(jìn)環(huán)保工質(zhì)使用的同時(shí)［1］，也會(huì)導(dǎo)致壓降增加，從而引起換熱器性能的惡化［2］。為了克服壓降增加而引起的性能惡化問題，需要采取多流路布置；而為了使各流路的制冷劑合理分配，需要引入分配器進(jìn)行流量分配［3］。

分配器對(duì)空調(diào)換熱性能有重要的影響。分配器性能良好時(shí)，能通過分流，將制冷劑等量、均勻地分配給蒸發(fā)器的各流路；分配器性能較差時(shí)，制冷劑在各分路的分配并不均勻［4］。供液量偏少的分路內(nèi)，制冷劑快速蒸發(fā)成氣體，出口過熱度很大，換熱面積沒有有效地進(jìn)行利用；供液量偏大的分路內(nèi)，出口的過熱度很小，甚至可能有未蒸發(fā)的液體［5］，造成空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行性能惡化。為了保障小管徑空調(diào)器性能，需要開發(fā)具有良好分配性能的分配器。

隨著人們空調(diào)使用習(xí)慣的改變和節(jié)能減排理念的推廣，變頻空調(diào)器逐漸成為當(dāng)今市場(chǎng)的主流［6］。2013年10月1日起，新能效標(biāo)準(zhǔn)GB 21455-2013 《轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》正式實(shí)施，變頻空調(diào)器正式使用全年能效消耗效率APF（Annular-performance factor）指標(biāo)考核［7］，其測(cè)試工況包括額定制冷、中間制冷、額定制熱、中間制熱和低溫制熱這 5種［8］。秦存濤等［9］比較了 APF指標(biāo)和原SEER指標(biāo)的區(qū)別。相比SEER指標(biāo)，APF指標(biāo)加入了對(duì)制熱能力的考量，并制定了3級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，使得APF下的測(cè)試工況更為復(fù)雜。

已有的分配器特性研究均在額定工況下展開［10］，為了提供APF指標(biāo)測(cè)試工況下合適的分配器，以滿足小管徑房間變頻空調(diào)器在現(xiàn)有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下的良好性能，需要對(duì)分配器特性變化規(guī)律開展進(jìn)一步的研究，尋求最合適的分配器結(jié)構(gòu)形式。

1　研究方法

1.1分配器型式

本文針對(duì)家用空調(diào)器中常用的4分路分配器開展研究，包括插孔式、圓錐式、反射式分配器，各分配器原理圖如圖1所示。分配器實(shí)際安裝傾角一般在0°～10°之間（相對(duì)豎直方向），本文選取0°、5°、10°為典型安裝角。

圖1　三種分配器原理圖

1.2APF指標(biāo)下分配器分配特性的研究方法

APF標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況如表1所示。在制冷（額定制冷、中間制冷）工況下，僅考慮室內(nèi)機(jī)上游的分配器作用。在制熱（額定制熱、中間制熱、低溫制熱）工況下，僅考慮室外機(jī)上游的分配器作用［11］。因此，APF指標(biāo)下的室內(nèi)機(jī)上游的分配器性能在額定制冷、中間制冷工況下進(jìn)行研究，室外機(jī)上游的分配器性能在額定制熱、中間制熱、低溫制熱工況下進(jìn)行研究。

表1　APF標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況

由于兩個(gè)位置的分配器有多個(gè)測(cè)試工況來考核，需要分析APF指標(biāo)中這些測(cè)試工況的權(quán)重。 通過采用GB 21455-2013季節(jié)能效比計(jì)算軟件計(jì)算出這五個(gè)測(cè)試工況的變量權(quán)重［12］見圖2。

圖2　APF下各測(cè)試工況所占權(quán)重

利用Fluent對(duì)分配器的分配特性進(jìn)行CFD模擬，選擇Euler兩相流模型和k-ε湍流模型［13］。假定分配器下游的各分路的幾何結(jié)構(gòu)尺寸、位置高度相同，并且忽略兩者連接管的沿程壓力損失，得到分配器中R410A入口邊界和出口邊界條件如表2所示。

表2　APF指標(biāo)下分配器CFD仿真邊界條件

本文采用已有文獻(xiàn)中的空氣-水分配特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［14］，對(duì)本文的CFD模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，本文建立的模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在15%以內(nèi)。

1.3APF指標(biāo)下分配器分配性能評(píng)價(jià)

本文采用各分路質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)差來衡量單一工況下分配器的分流均勻性［15］，公式如下：

式中：

S ——標(biāo)準(zhǔn)差，g/s；

n ——分路數(shù)；

mi——第i分路的出口質(zhì)量流量，g/s；

mave——各分路質(zhì)量流量之和的平均值，g/s。

APF指標(biāo)應(yīng)用下的分配器分配性能評(píng)價(jià)不僅要考慮單一工況下的分流均勻度，還要考慮各測(cè)試工況所占權(quán)重（見表2）。

對(duì)室內(nèi)機(jī)分配器，APF指標(biāo)下測(cè)試工況為額定制冷和中間制冷工況，分流性能指數(shù)δc計(jì)算公式：

式中：

Sc，r（Sc，h）——額定制冷（中間制冷）工況下分配器各分路質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)差，g/s；

ωc，r（ωc，h）——額定制冷（中間制冷）工況權(quán)重。

對(duì)室外機(jī)分配器，APF指標(biāo)下測(cè)試的工況包括額定制熱、中間制熱和低溫制熱工況，分流性能指數(shù)δh計(jì)算公式為：

式中：

Sh，r（Sh，i，Sh，l）——額定制熱（中間制熱，低溫制熱）工況下分配器各分路質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)差，g/s；

ωh，r（ωh，i，ωh，l）——額定制熱（中間制熱，低溫制熱）工況權(quán)重。

對(duì)低溫制熱工況，由于空調(diào)系統(tǒng)受到翅片結(jié)霜等的影響，不能穩(wěn)定工作，并且該測(cè)試工況所占權(quán)重極小，因此公式（3）中低溫制熱項(xiàng)忽略不計(jì)。

2　分流特性模擬結(jié)果比較與分析

2.1室內(nèi)機(jī)分配器分流特性變化規(guī)律

APF指標(biāo)額定制冷工況下仿真計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖3所示。

從圖3中額定制冷工況下分流均勻性對(duì)比圖可以看出，垂直安裝時(shí)，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器和反射式分配器的分配效果次之；傾斜安裝時(shí)，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器和插孔式分配器的分配效果次之。插孔式分配器對(duì)傾斜安裝角敏感度大，傾斜時(shí)分配效果差；而圓錐式分配器中兩相流經(jīng)過其混合腔時(shí)流速大于其他分配器，較易形成霧狀流，具有良好的分配效果。

圖3　APF額定制冷工況下各分配器分流均勻性

APF指標(biāo)中間制冷工況下仿真計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖4所示。

從圖4中間制冷工況下分流均勻性對(duì)比圖可以看出，不論是垂直安裝時(shí)還是傾斜安裝時(shí)，4分路反射式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器和插孔式分配器的分配效果次之。由于中間制冷工況下的制冷劑質(zhì)量流量急劇減?。ù蠹s只有額定制冷工況下工質(zhì)質(zhì)量流量的1/2），氣液相的進(jìn)口速度也急劇減小。相較于高速的兩相流，低速的兩相流流型將會(huì)有一定區(qū)別。由于插孔式反射器和圓錐式反射器進(jìn)口管直徑大，氣液相速度急劇減小，根據(jù)Weisman流型圖判斷［16］，其流型多為攪拌流；反射式進(jìn)口管直徑小，氣液相速度減小緩慢，此時(shí)流型多為環(huán)狀流。環(huán)狀流型在反射式分配器中，經(jīng)過反射沉孔的部分流體，與噴口噴射出的制冷劑碰撞后向四周擴(kuò)散，較易過渡成霧狀流。

圖4　APF中間制冷工況下各分配器分流均勻性

根據(jù)公式（2），得出 APF能效指標(biāo)下分配器的分流性能指數(shù)，如圖5所示。

圖5　室內(nèi)機(jī)分配器分流性能指數(shù)

從圖5中室內(nèi)機(jī)分配器分流性能指數(shù)對(duì)比圖可以得出，垂直安裝和傾斜10°安裝時(shí)，反射式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器和插孔式分配器的分流效果次之；傾斜5°安裝時(shí)，圓錐式分配器的分流效果最好，反射式和插孔式分配器的分流效果次之。

2.2室外機(jī)分配器分流特性變化規(guī)律

APF指標(biāo)額定制熱工況下仿真計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖6所示。

圖6　APF額定制熱工況下各分配器分流均勻性

額定制熱工況下分流均勻性與額定制冷工況類似，垂直安裝時(shí)，4分路插孔式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器和反射式分配器的分配效果次之；傾斜安裝時(shí)，4分路圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器和插孔式分配器的分配效果次之。

APF指標(biāo)中間制熱工況下仿真計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖7所示。

圖7　APF中間制熱工況下各分配器分流均勻性

中間制熱工況下分流均勻性與中間制冷工況類似，不論是垂直安裝時(shí)還是傾斜安裝時(shí)，4分路反射式分配器的分流效果最好，圓錐式分配器和插孔式分配器的分配效果次之。

根據(jù)公式（3），得出 APF能效指標(biāo)下分配器的分流性能指數(shù)，如圖8所示。

圖8　室外機(jī)分配器分流性能指數(shù)

從圖8中室外機(jī)分配器分流性能指數(shù)對(duì)比圖可以得出，垂直安裝時(shí)，圓錐式分配器的分流效果最好，反射式分配器和插孔式分配器的分流效果次之；傾斜5°和傾斜10°安裝時(shí)，反射式分配器的分流效果最好，圓錐式和插孔式分配器的分流效果次之。

3　分配器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1分配器優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研顯示，垂直安裝的理想情況很難實(shí)現(xiàn)，而更常見的是5°以內(nèi)的安裝傾角，這里基于5°的傾斜安裝角來研究分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。通過研究APF不同工況下分流特性變化規(guī)律，可得出以下結(jié)論。

1）室內(nèi)機(jī)分配器傾斜 5°安裝時(shí)，圓錐式分流效果最好，反射式和插孔式分配效果次之。室內(nèi)機(jī)的分配器基于圓錐式分配器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）室外機(jī)分配器傾斜 5°安裝時(shí)，反射式分配器分流效果最好，圓錐式和插孔式分流效果次之。室外機(jī)的分配器基于反射式分配器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2室內(nèi)機(jī)分配器改進(jìn)方向和仿真結(jié)果

室內(nèi)機(jī)的分配器基于圓錐式分配器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖9為圓錐式分配器原型及各改進(jìn)型的結(jié)構(gòu)示意圖。具體的改進(jìn)方向（虛線圈標(biāo)注）如下。

圖9　圓錐式分配器原型及各改進(jìn)型結(jié)構(gòu)

1）改進(jìn)一：將各支路向外平移，將圓錐體型混合腔內(nèi)移，變道口最接近分配器入口。

2）改進(jìn)二：保持變道口寬度不變，增加支路間夾角為50°。

3）改進(jìn)三：將進(jìn)口連接管寬度變?yōu)? mm。

計(jì)算仿真結(jié)果各支路質(zhì)量流量與理想情況下平均質(zhì)量流量之比如圖10所示。

圖10　圓錐式分配器原型及其改進(jìn)型在安裝角度為5°時(shí)各支路流量與平均流量之比

根據(jù)分配器各支路出口流量與平均流量比值偏離1的程度，可得出：改進(jìn)一“圓錐型分配器各支路向外平移，使變道口最接近分配器入口”和改進(jìn)二“保持圓錐型分配器變道口寬度不變，增大支路間夾角為50°”都可以提高分配效果。

3.3室外機(jī)分配器改進(jìn)方向和仿真結(jié)果

室外機(jī)的分配器基于反射式分配器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖 11所示為反射式分配器原型及各改進(jìn)型的結(jié)構(gòu)示意圖，具體改進(jìn)方向（圈內(nèi)標(biāo)注）如下。

1）改進(jìn)一：進(jìn)口管伸入3.7 mm。

2）改進(jìn)二：混合腔和出口的連接管伸長到4 mm。

3）改進(jìn)三：混合腔和出口的連接管縮短到1 mm。

計(jì)算仿真結(jié)果各支路質(zhì)量流量與理想情況下平均質(zhì)量流量之比如圖12所示。

圖11　反射式分配器原型及各改進(jìn)型結(jié)構(gòu)

圖12　反射式分配器原型及其改進(jìn)型在安裝角度為5°時(shí)各支路流量與平均流量之比

根據(jù)分配器各支路出口流量與平均流量比值偏離 1的程度，可得出：改進(jìn)一“進(jìn)口管伸入3.7 mm”和改進(jìn)二“混合腔和出口的連接管縮短到1 mm”都可以提高分配效果。

4　結(jié)論

通過研究APF指標(biāo)下不同安裝傾角（0°/5°/10°）的插孔式/圓錐式/反射式三種分配器中分流性能，得到如下結(jié)論。

1）對(duì)于室內(nèi)機(jī)，垂直安裝和10°傾斜角安裝時(shí)，反射式分配器的分流效果最優(yōu)；5°傾斜角安裝時(shí)，圓錐式分配器的分流效果最優(yōu)。選擇圓錐式分配器進(jìn)行優(yōu)化，將混合腔內(nèi)移和適當(dāng)增大分配器出口管夾角都有利于改進(jìn)小管徑空調(diào)的流量分配效果。

2）對(duì)于室外機(jī)，垂直安裝時(shí)，圓錐式分配器的分流效果最優(yōu)；傾斜安裝時(shí)，反射式分配器的分流效果最優(yōu)。選擇反射式分配器進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)增加進(jìn)口管伸入長度和適當(dāng)縮短混合腔和出口的連接管長度都有利于改進(jìn)小管徑空調(diào)的流量分配效果。

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Analysis of Distribution Characteristics and Structure Optimization Design of Distributor under Annular Performance Factor Index

GAO Yang*1， WENG Xiao-min1， DING Guo-liang1， HU Hai-tao1， Gao Yi-feng2， Song Ji2
（1-Institute of Refrigeration and Cryogenics， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China；2-International Copper Association Shanghai Office， Shanghai 200020， China）

In order to develop a distributor with excellent distribution performance under APF（Annular-performance factor）index， an assessment method of distribution performance has been proposed， and CFD simulations of flow distribution characteristic of three distributors， including jack-type， cone-type，reflective-type distributor in different installation angles have been carried out. Besides， the structure optimization of distributor under APF index is proposed under actual installation condition. The research result shows that，under APF index， the cone-type distributor is proved to have a best distribution performance for indoor unit， and the movement of chamber inside and the proper increase of angle between different branches could contribute to a more even better distribution； for outdoor unit， the reflective-type distributor is proved to have a best distribution performance， and the increased insertion length of inlet and the appropriate shortening length of connection tube between chamber and inlet could also contribute to a even better distribution.

APF； Distributor； Two-phase flow； Structure optimization； Distribution performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.105

*高揚(yáng)（1991-），男，碩士生。研究方向：制冷與低溫工程。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206865。E-mail：gao854188977@sjtu.edu.cn。