技术：适用于细径化换热器的高效翅片和分配器！
本文我们将来探讨学习两方面内容：一个是适用于细径化换热器的高效翅片；另一个是适用于细径化换热器的高效翅片分配器。
换热器的细径化减小了单根铜管的管内换热面积，需要与换热性能更高的翅片配合使用。提升翅片的换热性能的方法主要是优化翅片表面的结构参数，包括换热翅片的孔间距，换热翅片的强化结构。目前适用于细管径的翅片的孔间距已经经过了充分的优化，而且多种孔间距结构已经被开发和量产使用，如表1所示。但是目前量产使用的翅片的强化结构类型依然只有传统的桥缝和百叶窗缝这两种。公开的文献中正在研究的新型强化类型主要有镂空翅片和纵向涡翅片。
新型镂空翅片主要用于热泵型空调器的室外机中。热泵型空调器室外机使用小管径铜管面临的主要问题是：低温制热工况下小管径室外机容易被霜层堵塞。为了克服小管径室外机的霜堵问题，一种新型的翅片——镂空翅片被应用到空调室外机中[11]，用于替代传统的波纹翅片，如图2所示。
图2 新型镂空翅片替代波纹翅片示意图
新型镂空翅片不仅能够提高非结霜工况下的空气侧换热系数，而且在结霜工况下能够避免水桥积聚和霜层堵塞，能够提高房间空调器的全年性能系数（APF）。在非结霜工况下，优化后的镂空翅片的换热量比波纹翅片高7.5%；在结霜工况下，优化后的镂空翅片的换热量比波纹翅片高3.4%。使用新型镂空翅片的空调器APF比波纹翅片的空调器APF高4%，比条缝翅片的空调器APF高2.1%[12]。
纵向涡发生器能够在较大幅度提升换热器换热能力的同时，较小幅度地增加其流动阻力，是一种强化翅片形式[13]。纵向涡发生器可以采用不同的几何结构，如图3所示。纵向涡发生器的攻角、数目、摆放位置均会对其传热性能产生明显的影响，需要进行优化。结果表明：纵向涡发生器的攻角为15°，采用3对矩形小翼时，管翅式换热器的空气侧换热能力的提升幅度超过了其流动阻力增加的幅度，与未采用强化措施的换热器相比，其空气侧传热系数提升了71.3%～87.6%，相应的流动阻力增加了54.4%～72%；空气侧的换热能力随着纵向涡发生器数目的增加而逐渐变大，但空气侧的局部换热能力在第5根换热管之后几乎不受涡发生器数目的影响；与纵向涡发生器的顺排布置相比，纵向涡发生器以交错叉排的方式布置时，可以在保证强化换热水平的同时，进一步减小换热器流道内的流动阻力。
图3 四种不同类型的纵向涡发生器
现有公开的文献通过试验验证了纵向涡发生器在翅片管式换热器中的应用。Wang提出了一种开设矩形翼和二级梯形翼的新型纵向涡翅片[14]，如图4（a）所示。仿真结果表明，新型纵向涡翅片能够使换热性能提升1.8%～24.2%，同时使得空气阻力提升1.3%～29.1%。新型翅片性能通过试验进行了验证，并和仿真结果相吻合。Lin提出一种在铜管后缘开设弧形三角翼的纵向涡翅片[15]，如图4（b）所示。当Re在1100～3000范围内变化，新型纵向涡翅片Nu比平翅片高16.1%～28.7%，阻力因子f比平翅片高7.6%～15.2%。
图4 新型纵向涡翅片示意图
换热器使用小管径铜管以后，管内流动阻力增大，使得换热器需要更多的流路数目。
这就带来了一个新的问题：蒸发器前制冷剂多路分配均匀性难以保证。为此需要有性能良好的分配器。目前提升分配器性能的方法主要有两种：（1）试验研究空调常用分配器的分配性能的影响因素，使分配器工作在最佳运行条件下；（2）设计新类型的分配器结构，实现均匀对称的两相流型，从而保证分配的均匀性。
空调器中常用的分配器形式包括圆锥式分配器、插孔式分配器和反射式分配器，如图5所示。影响空调器常用的分配器性能的因素主要有两个：冷媒的物性和安装的角度。
图5 目前主流分配器中可优化的结构参数
对气液相密度比大的制冷剂工质（R32、R410A），在垂直安装条件下，插孔式分配器分配效果最好，在倾斜安装条件下，圆锥式分配器分配效果最好[16]。气液两相密度比增大会使得气液两相流速减小以及出口压力增大。插孔式分配器在垂直安装时受压力波动影响较小；倾斜安装时，对倾斜安装角敏感度大，因此其分配效果差；而圆锥式分配器的混合腔道相比于插孔式和反射式来说最小，并且出口有一定的倾斜角度（30°），根据质量守恒公式，两相流经过圆锥式分配器混合腔时的流速大于其他分配器，较易形成雾状流。对气液相密度比小的制冷剂工质（R22、R290），圆锥式分配器分配效果均为最好。气液两相密度比减小会导致气液两相流速增大以及出口压力减小。流速的影响大于压力波动的影响，而圆锥式分配器混合腔的流速大于其他两种分配器，更易形成雾状流。因此在垂直和倾斜安装时圆锥式分配器均有较好的分流效果。
在垂直安装时，插孔式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下，随着流量的增加，性能均变差[17]。圆锥式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下，随着流量的增加，性能均变好。反射式分配器在额定制冷工况下，随着流量的增加，性能变差；在额定制热工况下，随着流量的增加，性能变好。在倾斜15°安装时，插孔式分配器在额定制冷工况下，随着流量的增加，性能变好；在额定制热工况下，随着流量的增加，性能变差。圆锥式分配器在额定制冷和额定制热工况下，随着流量的增加，性能均变好；反射式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下下，随着流量的增加，性能均变差。插孔式分配器的不均匀度随着安装角度的增加而大幅增加；圆锥式分配器的不均匀随着安装角度的增加先减小后增加，在安装角度为30°时，不均匀度最小；反射式分配器的不均匀度随着安装角度的增加平缓地增加。
图6示出了一种新型的分配器结构，能够在分配器内部实现稳定对称的环状流，具有更高的分配均匀性[18]。这种新型分配器在任意安装角下均具有良好的分配性能。新型分配器的设计思路是在分配器的进口管中构建环状流并通过出口管实现均匀的分配环状流。在传统圆锥式分配器中，分配器的进口管内是不规则的泡状流，导致一部分出口管中液体很多，另一部分出口管中气体很多，如图7（a）、7（b）所示。在新型的分配器中，分配器的进口管内是对称分布的环状流，其中液相均匀地分布在进口管的管壁上，气相位于液相中心，如图7（c）所示。当出口管也对称地布置在进口管的壁面上时，对称分布的制冷剂会均匀地分配到所有的出口管内，如图7（d）所示。因此新型分配器通过形成环状流可在任意安装角度下实现均匀分配。
图6 基于环状流流型整流的新型分配器
图7 分配器进出口管的不同连接形式对比
均匀分配环状流的实现方法是使进出口管采用新型的T型连接代替传统圆锥式分配器的Y型连接。T型连接结构中的出口管对称地安装在进口管的壁面上；而Y型连接的出口管则安装在进口管中心。在T型连接结构中，分配器的出口管对称地布置在进口管壁上，保证了每个出口管的进口状态都是相同的。
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