熊 通 晏 剛 樊超超 魚劍琳

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049)

微通道換熱器是由多根微通道扁管與兩根集液管平行連接，兩相流通過集液管分配至各個(gè)微通道扁管。在兩相流中，質(zhì)量流量的分布不均會(huì)顯著降低微通道換熱器的效率，出現(xiàn)“干蒸”與“供液過多”的現(xiàn)象。兩相流的分配不均對(duì)微通道換熱器的換熱性能影響很大。T. Kulkarni等[1]研究發(fā)現(xiàn)，微通道換熱器內(nèi)制冷劑分配不均問題可使其換熱能力下降約20%。W. Brix等[2]仿真研究了R134a在微通道蒸發(fā)器中分配不均的情況，由于制冷劑的分配不均導(dǎo)致制冷量下降約23%。Zou Yang等[3]研究表明，R410A和R134a在微通道換熱器中的不均勻分布造成系統(tǒng)制熱量分別下降約30%和5%。兩相流在微通道換熱器中分布不均會(huì)嚴(yán)重降低微通道換熱器的性能，從而降低系統(tǒng)的性能。

微通道換熱器作為蒸發(fā)器時(shí)，兩相流在微通道換熱器中容易造成分布不均，如何提高微通道換熱器兩相流分布均勻性，是提高其性能必須解決的問題。本文主要對(duì)微通道換熱器用于蒸發(fā)器時(shí)兩相流分布不均的現(xiàn)象進(jìn)行研究，歸納了近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微通道換熱器兩相流分布的研究，總結(jié)了相分離技術(shù)在微通道換熱器中的應(yīng)用，最后對(duì)微通道換熱器兩相流分布特性的優(yōu)化研究進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 影響兩相流在微通道換熱器中分布的因素

影響微通道換熱器制冷劑分布的因素較多，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、制冷劑入口位置和狀態(tài)、制冷劑物性、重力以及空氣側(cè)換熱均會(huì)影響微通道換熱器中兩相流分配的均勻性。為了更好的總結(jié)歸納影響微通道換熱器兩相流分布的因素，將影響因素歸類為：微通道換熱器結(jié)構(gòu)、兩相流特性及工作條件兩個(gè)方面。

1.1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)兩相流分布的影響

1.1.1 扁管插入深度對(duì)兩相流體分布的影響

圖2 扁管插入深度對(duì)集流管內(nèi)兩相流的影響情況[6]

圖1 不同插入深度對(duì)兩相流分布的影響[4]

J. K. Lee等[4]以空氣-水為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究了集液管內(nèi)的扁管插入深度對(duì)流量分配的影響，如圖1所示，通過調(diào)整扁管插入深度可以使兩相流分布均勻， 扁管插入深度比h/D=0.25(h為扁管插入深度；D為集液管直徑或?qū)挾?時(shí)兩相流分布均勻最好。C. D. Bowers等[5]研究了扁管的插入深度和集流管入口段長度對(duì)流量分配的影響，入口段長度為89 mm時(shí)，液體分布相對(duì)較為均勻，而入口段長度為267 mm時(shí)，均勻性隨著質(zhì)量流量和插入深度的增加而提高。N. H. Kim等[6]研究了扁管插入集管的深度對(duì)微通道換熱器分流均勻性的影響，如圖2所示，兩相流向下流動(dòng)時(shí)，液體的分布明顯受到扁管插入深度的影響，當(dāng)扁管插入深度比h/D=0，大部分液體聚集在集流管前端，隨著扁管插入深度的增加，更多的液體流到集液管的后端，兩相流分布得到改善，而兩相流向上流動(dòng)時(shí)，大部分液體聚集在集流管的后端，隨著扁管插入深度的增加，液體向集液管后端移動(dòng)。S. Koyama等[7]指出通過改變集液管內(nèi)不同位置扁管插入深度，可以顯著改善兩相流分布均勻性。A. Marchitto等[8]研究了扁管變插入深度對(duì)兩相流的分布影響，研究指出，在高流速(液相流速Vl=0.45 m/s, 氣相流速Vg=5.25 ～9.0 m/s)情況下，扁管插入深度對(duì)兩相流分布影響較小，在集液管中最前端的兩根扁管和最后端的兩根扁管h/D=0.75，中間扁管h/D=0.90時(shí)，如圖3所示，能夠得到最好的分配效果。 A. T. Wijayanta等[9-10]研究了扁管插入深度、可變扁管插入深度、集液管內(nèi)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對(duì)兩相流分布的影響，結(jié)果表明，兩相流的分布主要取決于流體的動(dòng)量和集液管的幾何形狀，不同的扁管插入深度和集液管里的導(dǎo)流板能有效提高兩相流的分布。M. A. Redo等[11]增大了兩相流體的流量，更接近家用空調(diào)器的實(shí)際情況，研究了垂直集液管中扁管插入深度對(duì)兩相制冷劑分布的影響，研究表明，當(dāng)扁管h/D=0.50時(shí)，能產(chǎn)生更大的慣性力推動(dòng)液體向集液管頂端移動(dòng)，兩相流的分布效果更好。N. H. Kim等[12-15]對(duì)比研究了水平集液管中扁管h/D=0和h/D=0.50對(duì)兩相流分布的影響，當(dāng)兩相流向下流動(dòng)時(shí)，扁管h/D=0.50時(shí)能改善兩相流的分布，這是因?yàn)椴迦氡夤苣苁挂后w到達(dá)集液管后端，而對(duì)于兩相流向上流動(dòng)時(shí)，扁管h/D=0.50反而使兩相流分布變差，這是因?yàn)椴迦氡夤茏璧K了液體在集液管前段和中部的擴(kuò)散。袁培等[16]理論研究了微通道換熱器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)兩相制冷劑分布均勻性的影響，相關(guān)因素涉及扁管的長、寬尺寸，插入集液管的深度等。入口流速一定的條件下，微通道換熱器扁管的寬度、插入集液管的深度、長度對(duì)流體分布均勻性的影響作用權(quán)重依次增大。

通過對(duì)上述學(xué)者研究的分析，可以得出如下規(guī)律：對(duì)于集液管水平布置，兩相流向下流動(dòng)的情況下，液體主要集聚在集液管前段，通過改變扁管插入深度，可以使液體流到集液管后端，從而改善分布均勻性；對(duì)于集液管水平布置，兩相流向上流動(dòng)的情況，液體會(huì)先集聚在集液管后端，然后向前端擴(kuò)散，扁管的插入會(huì)改變流體在集液管里的流動(dòng)和分布，分布效果會(huì)因流體的速度和干度不同而產(chǎn)生不同的分配效果；對(duì)于集液管垂直布置，兩相流受重力的影響較大，液體會(huì)集聚在集液管下端，扁管的插入能加強(qiáng)兩相流的擾動(dòng)，從而使兩相流分布更好。

圖3 變扁管插入深度結(jié)構(gòu)[8]

1.1.2 進(jìn)口結(jié)構(gòu)和集液管結(jié)構(gòu)對(duì)兩相流體分布的影響

進(jìn)口結(jié)構(gòu)是兩相流進(jìn)入集液管的通道結(jié)構(gòu)，進(jìn)口結(jié)構(gòu)的不同使兩相流進(jìn)入集液管后的流動(dòng)和分布也會(huì)不同，對(duì)兩相流的分布有較大影響，同時(shí)不同集液管結(jié)構(gòu)也會(huì)改變兩相流在集液管里的流動(dòng)和分布，兩相流的分布也會(huì)受到較大影響，相關(guān)學(xué)者對(duì)進(jìn)口結(jié)構(gòu)和集液管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

H. Cho等[17]研究了水平和垂直的集液管和兩相流進(jìn)入集液管的方向(垂直、常規(guī)、平行)，對(duì)于垂直集液管，更多的液體在集液管的下端，兩相流進(jìn)入集液管的方向影響較?。粚?duì)于水平集液管，兩相流進(jìn)入集液管的方向?qū)上嗔鞣峙溆绊懞艽?，垂直的和一般的入流方向能獲得更好的分配。N. H. Kim等[12-15]采用集液管水平布置，10根微通道扁管垂直布置的實(shí)驗(yàn)樣件來模仿微通道換熱器，兩相流的進(jìn)口結(jié)構(gòu)采用3種形式(水平、常規(guī)、垂直)，如圖4所示，分別對(duì)兩相流向下、向上流動(dòng)，扁管插入集液管深度比分別為h/D=0、0.50，4種工作情況進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：1)在兩相流向下流動(dòng)且h/D=0的情況下，常規(guī)進(jìn)口結(jié)構(gòu)和垂直進(jìn)口結(jié)構(gòu)兩相流分布相似且優(yōu)于水平進(jìn)口結(jié)構(gòu)，隨著質(zhì)量流量的增加，三種進(jìn)口結(jié)構(gòu)的兩相流分布均勻性均會(huì)改善。2)在兩相流向下流動(dòng)且h/D=0.5的情況下，在低質(zhì)量流速或低干度時(shí)(G=70 kg/(m2·s)，x=0.2)，垂直入口結(jié)構(gòu)的兩相流分布最好，當(dāng)質(zhì)量流量或干度增加時(shí)，正常進(jìn)口結(jié)構(gòu)兩相流分布最好，總體而言，正常進(jìn)口結(jié)構(gòu)能使兩相流分布最好。與h/D=0的結(jié)構(gòu)相比，扁管凸出的結(jié)構(gòu)能增加兩相流的擾動(dòng)，使兩相流分布更加均勻。3)在兩相流向上流動(dòng)且h/D=0的情況下，垂直進(jìn)口結(jié)構(gòu)的兩相流分布效果最好，兩相流質(zhì)量流量或干度對(duì)其分布的影響不顯著，這是因?yàn)橹亓τ绊懻紦?jù)了較大的作用，同時(shí)，作者指出，兩相流流動(dòng)方向?qū)ζ浞植加休^大影響，向上流動(dòng)的分布均勻性優(yōu)于向下流動(dòng)的分布。4)在兩相流向上流動(dòng)且h/D=0.50的情況下，垂直進(jìn)口結(jié)構(gòu)的兩相流分布效果最好，并與h/D=0的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)扁管插入到中心位置會(huì)使兩相流的分布變差，這是由于插入扁管阻礙了液體向集液管前段擴(kuò)散，導(dǎo)致中部和前部扁管液相較少。Dong Z. G. 等[18]對(duì)單進(jìn)、雙進(jìn)、分散三種不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的分流特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真分析，結(jié)構(gòu)如圖5所示，研究表明分散進(jìn)液時(shí)的分流均勻性最好，且雙進(jìn)結(jié)構(gòu)的分流均勻性優(yōu)于單進(jìn)結(jié)構(gòu)。

A. J. Mahvi等[19]研究了矩形和三角形集液管對(duì)兩相流體分布的影響，結(jié)構(gòu)如圖6所示，研究發(fā)現(xiàn)，與矩形集液管相比，三角形集液管通常能夠改善兩相流分布，使液體平均標(biāo)準(zhǔn)偏差降低0.06，氣體平均標(biāo)準(zhǔn)偏差降低0.04。三角形集液管改善兩相流分配的機(jī)理在于改善了兩相流在集液管里的相速度：對(duì)于矩形集液管，一部分兩相流從前段的扁管流出后，導(dǎo)致集液管里的相速度逐漸減小，氣液兩相逐漸分層，兩相流分配均勻性變差，而三角形集液管的流通面積是逐漸減小的，當(dāng)兩相流從前段的扁管流出后，仍然能保持集液管后半段的相速度在較高的水平，使氣液相充分混合，改善兩相流分布均勻性。M. Ahmad等[20]研究了集液管直徑對(duì)于兩相流分配的影響，研究指出，減小集液管的直徑，分布均勻性會(huì)變差，這是由于集液管直徑較小，兩相流引射的長度變短，液體主要分布在集液管前段，分布均勻性變差。

圖4 三種兩相流進(jìn)口方式[12-15]

圖5 三種不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)[18]

圖6 不同結(jié)構(gòu)集液管[19]

1.1.3 多流程對(duì)兩相流體分布的影響

前文所述的微通道換熱器只有一個(gè)流程，對(duì)于多流程的微通道換熱器，集液管中的兩相流分布也有所不同。H. W. Byun等[21]研究了兩流程的微通道換熱器集液管中兩相流的分布情況，并且在進(jìn)口集液管內(nèi)部插入了流量分配裝置，中間集液管的作用是收集從第一個(gè)流程過來的兩相流，混合后再流入第二個(gè)流程，隨著兩相流質(zhì)量流量或干度的增加，中間集液管中的液相向集液管后端移動(dòng)從而產(chǎn)生更好的分配效果。流量分配裝置對(duì)第一個(gè)流程的兩相流分配效果較好，對(duì)第二個(gè)流程的兩相制冷劑分配影響較小。H. W. Byun等[22-23]對(duì)兩排四流程微通道換熱器進(jìn)行了研究，如圖7所示，對(duì)于進(jìn)口集液管，兩相流的分布取決于兩相流的流動(dòng)方向，兩相流向上流動(dòng)時(shí)，更多的液體集聚在集液管后端，兩相流向下流動(dòng)時(shí)，更多的液體集聚在集液管前端，隨著兩相流質(zhì)量流量或干度的增加，兩種情況下液體均向集液管后端集聚；對(duì)于中間集液管，兩相流分布取決于兩相流流向下一個(gè)流程的流動(dòng)方向，其分布特性和進(jìn)口集液管相似；對(duì)于跨排集液管，兩相流分布情況取決于跨排集液管在頂部還是底部，底部的跨排集液管有較好的分配效果。嚴(yán)瑞東等[24]研究了流程數(shù)對(duì)兩相流分布的影響，當(dāng)流程數(shù)增大時(shí)，每流程扁管數(shù)減小，兩相流速度增大，使氣液兩相充分混合，兩相流分布均勻性得到提升。

圖7 兩排四流程示意圖[22-23]

1.2 兩相流流動(dòng)特性及工作條件對(duì)其分布的影響

兩相流的流動(dòng)特性、流體性質(zhì)等均會(huì)對(duì)其分布產(chǎn)生影響，前文所述微通道換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)兩相流體分布的影響中，學(xué)者均對(duì)兩相流體進(jìn)入集液管的流量和干度對(duì)其分布的影響進(jìn)行了研究，這里不再重復(fù)敘述，主要?dú)w納學(xué)者對(duì)兩相流流動(dòng)特性及工作條件對(duì)其分布的影響。

P. Fei等[25]通過在集液管水平布置兩相流體向下流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置研究了不同流動(dòng)形態(tài)對(duì)兩相流體分布的影響，圖8所示為相同總質(zhì)量流量，不同干度和流速下的流動(dòng)分布情況。當(dāng)干度較低，流速較小時(shí)，液體主要在集液管前段，分布均勻性較差，隨著流速的增加，會(huì)產(chǎn)生噴射效果，流速在0.5～4.0 m/s范圍時(shí)，液體噴射到集液管后端，后端扁管液體量增加，但集液管前段液體較少，當(dāng)流體速度進(jìn)一步增大u>4 m/s，液體噴射效果變得更明顯，兩相流干度x在10%～30%之間集液管前端還會(huì)產(chǎn)生較多液體，在此條件下，兩相流的分布得到了明顯改善，當(dāng)干度x>30%，流速u<4 m/s時(shí)就會(huì)產(chǎn)生霧狀流，此時(shí)氣液兩相混合均勻，兩相流的分布均勻性最好。

圖8 進(jìn)入集液管不同流型[25]

M. Ahmad等[20]也進(jìn)行了相似的實(shí)驗(yàn)，用8個(gè)通道的緊湊式換熱器作為實(shí)驗(yàn)件，研究了兩相流的含氣率、液體流速、集液管直徑、膨脹裝置等對(duì)兩相流分配的影響，對(duì)于豎直向下流的通道，流體流量增加，兩相流分布均勻性變好，對(duì)于豎直向上流的通道，即使增大質(zhì)量流量，流量分配的效果依然不好，這是由于重力對(duì)其分布造成了較大的影響；在集液管進(jìn)口處安裝膨脹裝置，能使兩相流體產(chǎn)生高速射流，利于兩相流分布均勻，研究指出兩相流的流量分布均勻性與流體的流速和集液管的結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。A. Marchitto等[26]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在給定的工作條件下，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜兩相流的流量均勻分配。氣液兩相流的流速和干度對(duì)兩相流分配的均勻性影響很大，在集流管入口處設(shè)置噴嘴，使流體形成射流，在空氣流速較高的條件下，能使水的流量分配更加均勻，但在空氣流速較低的條件下，水的流量分布均勻性取決于噴嘴直徑和水的流速。A. J. Mahvi等[27-28]指出兩相流的分布均勻性很大程度上取決于兩相流在集液管內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)，并將兩相流在水平集液管里的流動(dòng)分為分層平滑流、分層波動(dòng)流、平滑膜流、波動(dòng)膜流、攪拌湍流，如圖9所示，當(dāng)兩相速度較低時(shí)(Vl<0.05 m/s，Vg<4.5 m/s),氣體和液體分離，形成分層平滑流，此時(shí)液體主要從集液管前段的扁管流出，因?yàn)橐后w動(dòng)量和氣體剪切應(yīng)力不足以攜帶液體到達(dá)集液管后端；當(dāng)增大質(zhì)量流量(0.050.1 m/s，Vg>4.0 m/s)兩相流流形為攪拌湍流，氣液混合較好，兩相流分布更均勻。

圖9 水平集液管中5種流型[27-28]

Zou Yang等[29-30]利用可視化技術(shù)對(duì)垂直集液管中的兩相流分布進(jìn)行了研究，工作流體分別為R134a、R410A，研究得出了相似的結(jié)果：兩相流在高質(zhì)量流量和低干度(m=6.25～12.5 g/s，x=0～0.2)時(shí)分布均勻性較好，并且揭示了兩相流流形對(duì)其分布的影響：在低干度和高質(zhì)量流量條件下形成攪拌流，使兩相流有更好的混合均勻性并且液體有較高的動(dòng)量到達(dá)集液管的頂部出口管，使兩相流分布更加均勻；在高干度條件(x=0.8)下容易形成分離流，此時(shí)氣體占據(jù)了較大空間，液體在壁面形成液膜，液膜在氣體的作用下沿著壁面向上流動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)液體脫離壁面進(jìn)入扁管，為了避免氣體速度過大導(dǎo)致液體繞過下部第一根扁管，氣流流速必須小于20 kg/(m2·s)，分離流的產(chǎn)生導(dǎo)致液體分布不均勻。

通過上述研究[27-30]可以得出，由于集液管的布置形式不同，導(dǎo)致受到的重力影響不同，流動(dòng)形態(tài)也不同，但增加氣液兩相的混合均勻性均可改善兩相流的分布。

Zou Yang等[31]利用可視化技術(shù)研究了垂直集液管中的兩相流流體物性對(duì)其分布的影響，分別對(duì)比了R245fa、R134a、R410A和R32兩相流的分布情況，研究表明R245fa的分布最好，其次是R134a、R410A和R32，這是因?yàn)镽245fa具有更低的氣體密度和更高的液體密度，導(dǎo)致其攪拌流區(qū)間在集液管中最大，兩相流混合均勻性更好，使其分布更均勻。實(shí)驗(yàn)還得出對(duì)于R245fa和R134a，只需增加集液管內(nèi)的質(zhì)量流量即可改善其分布，對(duì)于R410A和R32，只有提高集液管頂部的質(zhì)量流量，避免集液管底部的半環(huán)形流動(dòng)，才能改善分布。Zou Yang等[32]研究了潤滑油對(duì)兩相流分布的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了潤滑油和R134a、純R134a在垂直集液管中的分布情況，結(jié)果表明：在潤滑油含量較低時(shí)，純R134a的分布較優(yōu)，在潤滑油含量較高時(shí)，潤滑油和R134a的混合物的分布較好，這是因?yàn)檩^多的潤滑油可以產(chǎn)生大量泡沫，使集液管中的液面上升，更多的液體能夠進(jìn)入上部扁管。Z. M. Razlan等[33]對(duì)比研究了R134a、空氣-水兩種兩相流在集液管中的分布情況，結(jié)果表明，在相同的工作條件下，這兩種兩相流體具有相似的分布特性。

微通道換熱器扁管換熱也會(huì)對(duì)兩相流的分布產(chǎn)生影響。A. T. Wijayanta等[34]研究了加熱扁管對(duì)兩相流分布的影響，結(jié)果表明，扁管的熱負(fù)荷不是影響兩相流分布的主要因素，該結(jié)論也在M. A. Redo等[11]的研究中得到了證實(shí)。

2 改善兩相流在微通道換熱器中分布的方案

通過對(duì)兩相流在集液管中的分布特性研究，有學(xué)者提出改善兩相流分布的方案。N. H. Kim等[35]通過在集液管中加入分配裝置來改善兩相制冷劑的分配效果，實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了鋼絲網(wǎng)、穿孔板、穿孔管三種分配裝置對(duì)兩相流分布的影響，結(jié)果表明穿孔管具有更好的分配裝置，并且指出最佳分配效果的穿孔管的開孔尺寸和兩相流的流動(dòng)方向有關(guān)。N. H. Kim等[36]延續(xù)了之前的研究，對(duì)穿孔管的形式進(jìn)行各種組合，分別研究了穿孔管、帶穿孔板的穿孔管、孔板穿孔管、同心穿孔管的分配裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖10所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同心穿孔管具有更好的分配效果，最佳分配效果的同心穿孔管開孔數(shù)取決于兩相流流量的大小。劉巍等[37]研究了分流板開孔面積對(duì)兩相流分配的影響，當(dāng)Re<2 500 時(shí)，開孔面積對(duì)分流板的分布均勻性有明顯影響，Re>2 500 時(shí)，開孔面積和Re的變化對(duì)分流效果的影響很小。A. Marchitto等[38-39]在集液管內(nèi)插入分配管，并對(duì)分配管上的開孔位置、開孔方向、開孔數(shù)量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在集液管里加入分配管能有效改善兩相流分配效果，并且當(dāng)分配管上的開孔方向與兩相流在扁管中流動(dòng)方向相反時(shí)，分配效果最好，使用分配管后端8個(gè)開孔時(shí)，分配效果也可以得到提升。A. Marchitto等[40]延續(xù)了之前的研究，提出了一種新的雙腔分配器，如圖11所示，與單腔分配器相比具有更好的分配效果，與沒有插入分配管的相比，兩相流分配效果能明顯提升。Shi Junye等[41]通過優(yōu)化集液管中隔板的方式改變集液管中的壓降和兩相流分布，從而使微通道換熱器的性能明顯提升。Wu Xuehong等[42]研究了變孔徑的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對(duì)兩相流的分配影響，研究表明，通過調(diào)整導(dǎo)流板上的開孔大小，可以提高兩相流的分布均勻性。M. A. Redo等[43]利用分流板將垂直的集液管分成兩個(gè)間室，分流板上開了孔，雙室集液管能夠有效改善兩相制冷劑的分布，并且雙室集液管能夠產(chǎn)生更高的液體雷諾數(shù)，使液體能夠到達(dá)頂端的扁管，特別是在低質(zhì)量流量時(shí)效果更加明顯。M. Ahmad等[20]提出一種膨脹裝置，該膨脹裝置安裝在集液管的進(jìn)口處，兩相流通過膨脹裝置后就會(huì)產(chǎn)生引射或霧化，使氣液兩相混合更好，提高分布均勻性。

圖10 不同結(jié)構(gòu)分配管[36](單位：mm)

圖11 雙腔分配器[40]

3 微通道換熱器兩相流體分布關(guān)聯(lián)式和數(shù)值仿真研究

微通道換熱器集液管內(nèi)的兩相流分布受多種參數(shù)的影響，如結(jié)構(gòu)特征、傳熱、工作條件和工作流體的熱力學(xué)性質(zhì)。由于兩相流在集液管內(nèi)分布的復(fù)雜性，目前對(duì)兩相流在集液管內(nèi)分布研究較多是基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式通?？梢灶A(yù)測(cè)進(jìn)入每根扁管的流體比率，如表1所示。M. Watanabe等[44]首先提出了一種流體進(jìn)入扁管比率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，該經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式影響因數(shù)只有集液管里的氣體雷諾數(shù)。N. H. Kim等[12-15]、H. W. Byun等[22-23]采用M. Watanabe等[44]提出的方法，針對(duì)扁管插入深度、集液管兩相流體進(jìn)入方式、不同流程等條件下的兩相流分布提出了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，但這些關(guān)聯(lián)式也只考慮了集液管中氣體雷諾數(shù)的影響。Zou Yang等[29-30]對(duì)集液管垂直布置的兩相流分配也提出了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式考慮了兩相流的進(jìn)口干度和集液管中的氣體雷諾數(shù)。以上關(guān)聯(lián)式可以很好地預(yù)測(cè)其數(shù)據(jù)，但不包括可能影響分布的變量，包括慣性、重力、表面張力和幾何形狀的影響。這些關(guān)聯(lián)式均是在特定的研究中提出，所以不能很好的相互驗(yàn)證。A. T. Wijayanta等[10]提出了一種預(yù)測(cè)進(jìn)入每根扁管的液體比率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，該經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式考慮了更多的影響因數(shù)，把弗勞德數(shù)和韋伯?dāng)?shù)整合到模型中，該關(guān)聯(lián)式可能更適用于不同的流體和集液管的幾何形狀，因?yàn)榭紤]了更多影響分布的參數(shù)，包括慣性、重力和表面張力。M. A. Redo等[11]也提出了一種經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，該經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式考慮了重力、干度、慣性、表面張力的影響，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的驗(yàn)證，整體誤差在±25%以內(nèi)。A. J. Mahvi等[45]提出了一種新的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，該模型考慮了兩相流在集液管的流動(dòng)模型和集液管、扁管的壓降，該模型可以預(yù)測(cè)各扁管內(nèi)液體流量的變化趨勢(shì)和變化幅度，較其他經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀辛溯^大的提高。同時(shí)對(duì)于計(jì)算方式，也有了較為先進(jìn)的研究。W. Lee等[46]提出了一種數(shù)值算法來研究兩相流在微通道換熱器中的分布，該方法是將控制單元的守恒方程線性化，利用矩陣來求解，大大提高了計(jì)算速度。N. Giannetti等[47]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方式，表明該方法和傳統(tǒng)的計(jì)算方式相比有著更高的精度，隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)數(shù)量的增加，訓(xùn)練和測(cè)試的準(zhǔn)確性也會(huì)提高，而且沒有明顯的過擬合。

4 微通道換熱器相分離技術(shù)研究

相分離式換熱器，即在換熱器進(jìn)口或換熱器中部布置氣液分離裝置，將氣相或液相制冷劑分離旁通，從而降低制冷劑側(cè)阻力損失，提高制冷劑側(cè)平均傳熱系數(shù)，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能，對(duì)于微通道換熱器，還可以改善其布液均勻性。針對(duì)微通道冷凝器，在換熱器流程中不斷將液相制冷劑分離，使得氣相制冷劑充分與通道內(nèi)壁接觸，增強(qiáng)換熱；另一方面，將液相制冷劑分離后，制冷劑的平均流速降低，則制冷劑側(cè)的阻力損失會(huì)下降，這種技術(shù)被稱為分液冷凝技術(shù)[48]。分液冷凝技術(shù)主要利用孔板聯(lián)箱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，即利用孔板在換熱器流程中進(jìn)行氣液分離，液相制冷劑受重力作用穿管小孔被分離，并形成液膜阻隔氣體通過，分液式微通道冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖12所示[49]。對(duì)于微通道蒸發(fā)器，目前的相分離研究主要是在蒸發(fā)器入口前進(jìn)行相分離，使液相制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)更好的布液均勻性。

表1 微通道換熱器兩相流經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

圖12 分液式微通道冷凝器結(jié)構(gòu)[50]

4.1 微通道冷凝器相分離技術(shù)

Zhong Tianming等[50]對(duì)比研究了分液式微通道冷凝器和常規(guī)微通道冷凝器，結(jié)果表明，當(dāng)制冷劑質(zhì)量流速大于570 kg/(m2·s)或微通道換熱器平均干度大于0.57時(shí)，分液式微通道冷凝器的平均傳熱系數(shù)要大于常規(guī)微通道冷凝器，同時(shí)壓降降低了30.5%～52.6%。Zhong Tianming等[51]對(duì)比研究了雙排分液式微通道冷凝器和雙排微通道冷凝器，結(jié)果表明，在入口質(zhì)量流速為585～874 kg/(m2·s)時(shí)，雙排分液式微通道冷凝器的平均傳熱系數(shù)較雙排微通道冷凝器高3.3%～14.4%，且雙排分液式微通道冷凝器的壓降僅為雙排微通道冷凝器的43.4%和52.1%。陳穎等[52]闡述了微通道冷凝器中，微通道分液冷凝技術(shù)強(qiáng)化冷凝傳熱的原理，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：當(dāng)微通道冷凝器入口制冷劑質(zhì)量流速達(dá)到一定值時(shí)，分液冷凝技術(shù)器能同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱和降低流阻，具有良好的綜合熱力性能。鐘天明等[53]研究了多管程布置微通道分液冷凝器的熱力性能，結(jié)果表明：管程數(shù)和每管程換熱管數(shù)對(duì)微通道冷凝器的熱力性能均有顯著影響，而傳熱系數(shù)和壓降在不同的每管程換熱管數(shù)變化較小，同時(shí)也指出實(shí)現(xiàn)完全分離的分液式微通道冷凝器比部分分離的分液式微通道冷凝器綜合熱力性能更好。鄭文賢[54]實(shí)驗(yàn)研究了微通道分液冷凝汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明，相同運(yùn)行工況下，相比于常規(guī)系統(tǒng)，分液冷凝系統(tǒng)的制冷量提升了5%，COP提升了6%，表明分液冷凝技術(shù)在汽車空調(diào)系統(tǒng)中具有一定應(yīng)用潛力。Li Jun等[55-56]通過實(shí)驗(yàn)和仿真的方法對(duì)比研究了微通道分液冷凝器和常規(guī)微通道冷凝器的性能，如圖13所示(圖中數(shù)字表示每個(gè)流程的扁管數(shù)量)。對(duì)微通道分液冷凝器和常規(guī)微通道冷凝器換熱性能進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在空氣進(jìn)、出口溫度均相同的條件下，微通道分液冷凝器比常規(guī)微通道冷凝器的凝結(jié)水流量增加1.6%～7.4%，同時(shí)對(duì)比了微通道分液冷凝器系統(tǒng)和常規(guī)微通道冷凝器系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明：在相同過熱度、過冷度和制冷量下，微通道分液冷凝器系統(tǒng)比常規(guī)微通道冷凝器系統(tǒng)的COP高6.6%；通過仿真的方法對(duì)比研究了微通道分液冷凝器和常規(guī)微通道冷凝器的性能，仿真結(jié)果表明，在相同的質(zhì)量流量下且壓降保持在2%以內(nèi)，微通道分液冷凝器出口溫度比常規(guī)微通道冷凝器低1.3 K，同時(shí)微通道分液冷凝器的凝結(jié)水流量將增加6.1%。Li Jun等[57]延續(xù)了之前的工作，利用可視化技術(shù)定量研究了微通道分液冷凝器在入口制冷劑低干度(5%～25%)情況下的分離效率，研究顯示：在制冷劑質(zhì)量流速為90 kg/(m2·s)時(shí)集液管有最好的氣液分離效果，并指出影響集液管分離效率的兩個(gè)因素：1)集液管中向上流動(dòng)的氣體；2)集液管進(jìn)口的液體量。通過減小液體向上的動(dòng)量或減小向上流動(dòng)的氣體，并減小氣體和液體的相互作用可以提升集液管的分液效率。Luo Xianglong等[58]建立了分液式微通道冷凝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是最小年度總成本，與基準(zhǔn)的分液式微通道換熱器相比，總成本最優(yōu)的分液式微通道冷凝器在蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中能減小45.2%，在有機(jī)朗肯循環(huán)中能減小34.9%。

圖13 兩種微通道冷凝器[55-56]

4.2 微通道蒸發(fā)器相分離技術(shù)

對(duì)于微通道蒸發(fā)器而言，可在換熱器進(jìn)口或中部將氣相制冷劑分離旁通，從而保證液相制冷劑充分與通道內(nèi)壁接觸，增強(qiáng)換熱；同時(shí)降低制冷劑平均流速，減小制冷劑側(cè)壓降，提升換熱器綜合性能。對(duì)于氣液分離式微通道蒸發(fā)器，目前的研究主要是在蒸發(fā)器入口處加裝氣液分離裝置，將氣相制冷劑旁通至壓縮機(jī)吸氣口，液相制冷劑進(jìn)入集流管，研究表明該方法可以顯著改善微通道內(nèi)制冷劑分布均勻性，并顯著降低制冷劑側(cè)壓降。Tuo Hanfei等[59]在汽車空調(diào)的微通道蒸發(fā)器前加裝了T型管進(jìn)行氣液分離，氣相制冷劑直接進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口，液相制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行換熱，降低了蒸發(fā)器入口干度，改善了布液均勻性，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖14所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在壓縮機(jī)頻率不變的情況下，系統(tǒng)制冷量提升了13%～18%，能效提升了4%～7%。此外，Tuo Hanfei等[60-61]利用可視化技術(shù)詳細(xì)研究了在氣液分離前后，微通道蒸發(fā)器內(nèi)部兩相制冷劑分布特性的變化情況，在進(jìn)行氣體旁通后，通道內(nèi)制冷劑分布均勻性得到大幅改善。圖15所示為氣體旁通前后，微通道換熱器集流管內(nèi)兩相制冷劑分布情況。由圖15可知，氣體旁通后，兩相制冷劑更均勻的進(jìn)入扁管，使微通道換熱器換熱性能增強(qiáng)?；诖耍瑢W(xué)者繼續(xù)研究了不同T型管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣液分離效果的影響，并針對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)，提出了針對(duì)性的T型管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案[62]。

圖14 氣體旁通空調(diào)系統(tǒng)流程圖[60]

圖15 氣體旁通前后集流管內(nèi)制冷劑分布 [60-61]

5 總結(jié)與展望

在微通道換熱器中兩相流容易分布不均，顯著降低微通道換熱器的性能，本文歸納總結(jié)了現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)微通道換熱器兩相流分布、相分離技術(shù)的研究，得到如下結(jié)論：

1)影響微通道換熱器兩相流分布的因素可以歸類為微通道換熱器結(jié)構(gòu)和兩相流特性及工作條件兩個(gè)方向，兩相流的流量、干度和微通道換熱器的結(jié)構(gòu)共同決定了集液管中的流動(dòng)形態(tài)，均會(huì)對(duì)兩相流分布產(chǎn)生較大影響。

2)改善微通道換熱器兩相流分布均勻性主要是在集液管中加入分配裝置來改善兩相流分布均勻性，且有較好的效果。

3)相分離技術(shù)通過分離微通道換熱器中的兩相流的氣體或液體，能有效提高微通道換熱器的換熱能力。

盡管微通道換熱器的兩相流分布特性和相分離技術(shù)已經(jīng)取得了初步的研究成果，并且一些改善方案得到了一定的應(yīng)用，但仍存在一些問題值得進(jìn)一步研究：

1)對(duì)于兩相流在微通道換熱器的分布均勻性的研究，目前的文獻(xiàn)多數(shù)沒有考慮實(shí)際的扁管換熱對(duì)兩相流分布的影響，對(duì)于實(shí)際情況的微通道換熱器兩相流分布還需進(jìn)一步開展。

2)在集液管中插入分配裝置，能有效提高兩相流的分布均勻性，但加入分配裝置必定帶來較大的壓降，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究還有待進(jìn)一步開展。

3)對(duì)于相分離技術(shù)在微通道換熱器作為冷凝器時(shí)的研究較多，但作為蒸發(fā)器時(shí)相關(guān)的研究較少，且主要集中在換熱器前實(shí)現(xiàn)相分離，對(duì)于在換熱器中實(shí)現(xiàn)相分離的研究較少，同時(shí)關(guān)于相分離蒸發(fā)器的流程優(yōu)化及與相關(guān)系統(tǒng)的匹配特性還有待進(jìn)一步研究。