馬煥橋+顏利波

摘 要：對(duì)于氣液分離器的使用，特別是在比較復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)中，不但其分離效果影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能、安全性、穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)運(yùn)行過程中冷媒流動(dòng)產(chǎn)生的異音消除效果也非常明顯。采用仿真軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的氣液分離器進(jìn)行建模和數(shù)值模擬計(jì)算，分析了氣液分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。

關(guān)鍵詞：氣液分離器；湍流模型；仿真研究；熱回收技術(shù)

中圖分類號(hào)：TE93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.007

在空調(diào)行業(yè)，特別是在一些較復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用中，常常會(huì)用到氣液分離器。氣液分離器一般結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊。其分離效果影響了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能、安全性、穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)運(yùn)行過程中冷媒流動(dòng)產(chǎn)生的異音消除也有非常明顯。因此，對(duì)氣液分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要的實(shí)際意義。

1 空調(diào)系統(tǒng)中的氣液分離器

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，熱回收空調(diào)越來越受青睞。熱回收技術(shù)能實(shí)現(xiàn)同一套空調(diào)系統(tǒng)的同時(shí)制冷制熱，可以把一部分房間的冷負(fù)荷或熱負(fù)荷供給另外一部分需要的房間，減少?gòu)耐獠凯h(huán)境獲得的冷負(fù)荷或熱負(fù)荷，也同樣減少了向外部環(huán)境排放的冷負(fù)荷或熱負(fù)荷。這樣不僅可減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量、降低系統(tǒng)能耗、提升能效、更加節(jié)能，還可減少對(duì)外部環(huán)境的碳排放，緩解居住環(huán)境熱島效應(yīng)，更加環(huán)保。兩管式熱回收系統(tǒng)是目前市場(chǎng)上主流熱回收空調(diào)系統(tǒng)中的一種。美的兩管式熱回收空調(diào)系統(tǒng)主要包括室外機(jī)、冷媒換向及氣液分離裝置和室內(nèi)機(jī)。對(duì)于不同區(qū)域制熱或制冷需求，由分流裝置分配不同的氣液態(tài)冷媒到所在區(qū)域的室內(nèi)機(jī)。目前，市場(chǎng)上的氣液分離器在液面波動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)抽吸異響。我們針對(duì)抽吸異響的產(chǎn)生對(duì)分離器進(jìn)行了剖析。

對(duì)于美的空調(diào)熱回收空調(diào)系統(tǒng)里的氣液分離器，高溫高壓氣液混合物從圖1中分離器的左邊入口進(jìn)入罐子，入口管斜插進(jìn)分離器中部，待分離的兩相混合液以一定壓力進(jìn)入分離器內(nèi)部。由于制冷劑的液態(tài)顆粒與氣態(tài)顆粒的比例不同，其受到的離心力、向心浮力等均不同，從而產(chǎn)生離心沉降作用。大部分液態(tài)顆粒終要沉在底部及壁面，然后從底處流出，而氣態(tài)顆粒則從頂部的氣流出口溢出。分離器頂部設(shè)置有一擋板，擋板在起到阻擋液相顆粒高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)作用的同時(shí)，使得部分液體顆粒與壁面碰撞后向上流動(dòng)。

2 構(gòu)建氣液分離器仿真模型

2.1 氣液分離器熱回收系統(tǒng)湍流數(shù)學(xué)模型

流體力學(xué)中關(guān)于湍流數(shù)學(xué)模型主要有標(biāo)準(zhǔn)RNG k-ε模型、k-ε模型、雷諾應(yīng)力（RSM）模型。RNG k-ε是在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型上把重整化群方法引入到湍流計(jì)算中，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，它假定流場(chǎng)完全為湍流，分子間的黏性可忽略不計(jì)。

RSM模型則完全忽略了基于各向同性、渦粘性的假設(shè)，主要側(cè)重于考慮流體流線行渦旋、旋轉(zhuǎn)、彎曲和張力快速變化。這種模型對(duì)于流動(dòng)復(fù)雜性有著更高精度預(yù)測(cè)的潛力，因此，很多時(shí)候能得出優(yōu)于各種k-ε模型計(jì)算的結(jié)果。

按照強(qiáng)旋流范圍的概念，氣液分離器內(nèi)部流體在湍流流動(dòng)是有曲率的，因此具有很大的切向速度。相關(guān)文獻(xiàn)表明，采用k-ε方程對(duì)該強(qiáng)旋流動(dòng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算存在嚴(yán)重的缺陷，仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在著嚴(yán)重不符的情況。

本文所用的美的自制研發(fā)的氣液分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其他廠家的區(qū)別在于增加了出口和入口管道以及擋板。由于存在不同的壁面條件，造成了不同的湍流動(dòng)能。因此，氣液分離器的內(nèi)部流場(chǎng)不能用雷諾應(yīng)力各項(xiàng)同性的假設(shè)來準(zhǔn)確反映。

2.2 罐子內(nèi)部?jī)上嗔鲌?chǎng)涉及到的數(shù)學(xué)模型

拉格朗日法和歐拉法普遍被用于模擬分散相。拉格朗日法是通過計(jì)算得到每個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，從而模擬容器內(nèi)部?jī)上嗔鞯牧鲃?dòng)情況；歐拉法是將分散相等同對(duì)待為連續(xù)相等相處理，從而得到每相的局部體積分率。

拉格朗日模型主要被用于模擬模型低體積濃度的情況；歐拉法中每相都有1組傳輸方程，以此來描述和模擬計(jì)算相與相之間運(yùn)動(dòng)的相互作用及影響。本文采用歐拉模型來模擬兩相流，這是因?yàn)樗玫臍庖悍蛛x器模型中氣相與液相相互作用，且兩相濃度會(huì)隨工況的變化而變化。

2.3 模型的網(wǎng)格劃分及邊界條件

本文所涉及的空調(diào)系統(tǒng)采用環(huán)保的R410A制冷劑，從實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果得到的下出口和入口的邊界條件如表1所示。

2.4 關(guān)于網(wǎng)格無關(guān)性的驗(yàn)證

本文采用自適應(yīng)六面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)氣液分離器進(jìn)行不同的數(shù)量網(wǎng)格劃分，從55萬和169萬這2種網(wǎng)格模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2種網(wǎng)格計(jì)算的結(jié)果雖然差異不大，但計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的網(wǎng)格計(jì)算是短的網(wǎng)格的3.5倍以上，因此，本次計(jì)算采用小網(wǎng)格。

3 仿真模型計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 干度條件不同情況下計(jì)算結(jié)果分析

在結(jié)構(gòu)相同的情況下，由于制冷劑的干度不同，氣液分離效果也不同，從實(shí)驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果可知，入口氣相所占比例越小，入口干度越小，氣液分離器的效果越好。由于空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中無法對(duì)氣液分離器入口制冷劑干度的大小進(jìn)行控制，所以，我們主要對(duì)氣液分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

在不同結(jié)構(gòu)下，通過軟件計(jì)算得到影響氣液分離異音的主要因素是液體出管位置、入口管彎角度數(shù)及位置。計(jì)算得出，液側(cè)出口管吸口位置越低，雖能更好地阻止氣體從液側(cè)出口流出，但由于出口管過低會(huì)增加加工難度，超過一定位置極限值時(shí)還會(huì)使液體無法從液側(cè)出口流出。通過計(jì)算結(jié)果表明，罐子頂部擋板過低，不但阻擋不了液體，反而會(huì)從氣側(cè)流出；但是擋板過高時(shí)，氣體又無法順利從氣側(cè)出口流出。結(jié)果表明，擋板下傾較小角度時(shí)，氣體可以順利流出，還大大降低了液體的干度，進(jìn)而提升了氣液分離的效果；擋板向上傾斜可保證液體無法從氣側(cè)出口流出，但氣體也無法從氣側(cè)出口順利流出，氣液分離效果變差。在加工工藝允許的情況下，為了利于氣體從氣側(cè)出口流出，氣側(cè)出口管越高越好。

綜合分析分離效果的影響因素，美的制作出了液側(cè)出口管從罐子底部中央流出，擋板和入口管口上移10 mm的氣液分離器。仿真結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的罐子氣液分層效果提升明顯，尤其是干度越大，旋流效果和氣液分離效果就越明顯。同時(shí)，氣液出口流量分配更加合理，因?yàn)樘岣吡藲鈧?cè)出口干度后，液側(cè)出口干度明顯下降。氣液分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化含氣率分布情況如圖1所示。

4 結(jié)論

本文采用歐拉兩相流模型以及雷諾應(yīng)力RSM湍流模型，利用仿真軟件計(jì)算對(duì)比相同干度、不同結(jié)構(gòu)下的氣液分離器分離效果，得到的結(jié)論有以下2點(diǎn)：①對(duì)于優(yōu)化后的氣液分離器，位置不同的液側(cè)出管和氣側(cè)出管對(duì)氣液分離器分離效果有較大的影響。根據(jù)仿真計(jì)算得出的結(jié)果，液側(cè)出口管中間流速較快，形成了漩渦，使得氣體中管子中間流出，液體沿管壁流出，因此，不易出現(xiàn)抽吸異響。②對(duì)于改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，即使液位波動(dòng)，液出口也不易出現(xiàn)氣液交替從液出口流出的情況。擋板和入口管上移液出口干度略有下降，氣出口干度上升，效果略有提升。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：馬煥橋（1983—），男，工程師學(xué)位，研究方向?yàn)榕照{(diào)。

〔編輯：張思楠〕