原标题：【2021年第9期】管壳式蒸发器内分流板均分性能的研究
管壳式蒸发器内分流板均分性能的研究
宋哲 许波陈振乾
（东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096）
DOI：10.11949/0438-1157.20210247
摘 要蒸发器换热管间制冷剂的分配不均会导致其制冷能力的下降。建立了管壳式蒸发器和分流板三维模型，模拟研究了分流板的位置、开孔大小、开孔数量和开孔结构对R410A均分性能的影响。模拟结果表明，分流板各参数对制冷剂均流效果有显著影响。在不同入口流速工况下，不均匀度随分流板向蒸发器入口端的移动而下降且降幅逐渐变缓；不均匀度随开孔直径的增大而上升，随开孔数量的增大而下降并达到稳定；经优化分流板开孔结构，上下小孔结构的均分性能相比等圆孔结构可提高21.4%。搭建了蒸发器流量分配实验台，通过实验验证了模拟得出的流量分配规律以及分流板对流体均分性能的提升，说明根据流量分布特点优化分流板开孔结构能有效提升制冷剂的均流效果。
关键词流动；数值模拟；实验验证；不均匀度；分流板
引言
管壳式换热器应用广泛，在制冷系统中，两相制冷剂被等量分配到并联支路对蒸发器的效率十分关键。国内外研究表明，蒸发器各管间制冷剂分配不均是制约其换热性能提升的主要原因，使换热器效率损失25%以上 [ 1-3]，而两相流分布不均导致蒸发器的传热性能降幅远高于冷凝器 [ 4]。蒸发器内支管供液量偏小使得制冷剂迅速蒸发，无法充分利用换热面积，支管供液量偏高会使压缩机吸气带液，两相制冷剂尤其是液相分配不均会导致制冷系统性能恶化 [ 5-6]。因此，国内外学者对蒸发器内的流动分配均匀性进行研究。
目前，换热器流体分配均匀性的研究较多关注于分流器 [ 7-8]和入口分配结构 [ 9-13]，蒸发器内制冷剂分配的主要影响因素包括入口结构、支管参数、支管数量、入口工况等，同时发现在集流管等分配结构内侧设多孔挡板可提高支管流量的分配效果。Shi等 [ 14]提出在集管内安装分流板的方法改善微通道蒸发器内的流量分配均匀性，实验结果表明分流板可提高蒸发器的换热效率。Wang等 [ 15]研究得出多孔挡板可改善管壳式换热器管程流动分布的均匀性，通过数值方法提出了最佳挡板形状和挡板孔的最佳分布。Raul等 [ 16]研究板翅式换热器入口集箱内的流动分配不均，提出了不同布置方式的双挡板集箱结构以提高均匀度。刘巍等 [ 17-18]以制冷剂R134a为工质，实验研究分流板对平行流蒸发器的均分性能的影响，认为内部阻力随分流板开孔面积增加而减小同时提高制冷量，随后阻力系数的减小速度变缓而不均匀度增大，得出分流板开孔面积存在最佳值。王芳芳 [ 19]针对轴向入口干式蒸发器提出了十字小孔和中心小孔的分流板结构，模拟得出喇叭形管箱结合中心小孔分流板的结构可提高制冷剂均分性能。王珂等 [ 20]通过模拟研究了等圆孔和优化开孔的方形分流板对制冷剂均配的影响。袁培等 [ 21]在平行流换热器内部设计了分流板结构，结果表明分流板可使通道流量分布的均匀性能提高4%~20%。高志成等 [ 22-23]研究不同孔径分流板结构对平行流蒸发器流体分配的影响，得出各分流板结构比无分流板换热器的不均匀度降低50%以上，其中变孔径对称分流板的效果最好且压降的增幅最大；结合模拟和实验研究了不同分流板结构对空气-水两相流分配的影响，确定了分流板的最佳开孔结构和总开孔面积。Wu等 [ 24]针对微通道换热器提出了新型嵌入式隔板分配器，实验得出垂直、倾斜和水平安装时的不均匀度比传统的圆筒形分流管降低40%以上。此外，Shao等 [ 25]、赵兰萍等 [ 26]提出在换热器分配结构中加入分流管并优化开孔结构，从而确定最佳的分流管开孔形式和开孔率。
管壳式蒸发器内分流板均分性能的研究
宋哲 许波陈振乾
（东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096）
DOI：10.11949/0438-1157.20210247
摘 要蒸发器换热管间制冷剂的分配不均会导致其制冷能力的下降。建立了管壳式蒸发器和分流板三维模型，模拟研究了分流板的位置、开孔大小、开孔数量和开孔结构对R410A均分性能的影响。模拟结果表明，分流板各参数对制冷剂均流效果有显著影响。在不同入口流速工况下，不均匀度随分流板向蒸发器入口端的移动而下降且降幅逐渐变缓；不均匀度随开孔直径的增大而上升，随开孔数量的增大而下降并达到稳定；经优化分流板开孔结构，上下小孔结构的均分性能相比等圆孔结构可提高21.4%。搭建了蒸发器流量分配实验台，通过实验验证了模拟得出的流量分配规律以及分流板对流体均分性能的提升，说明根据流量分布特点优化分流板开孔结构能有效提升制冷剂的均流效果。
关键词流动；数值模拟；实验验证；不均匀度；分流板
引言
管壳式换热器应用广泛，在制冷系统中，两相制冷剂被等量分配到并联支路对蒸发器的效率十分关键。国内外研究表明，蒸发器各管间制冷剂分配不均是制约其换热性能提升的主要原因，使换热器效率损失25%以上 [ 1-3]，而两相流分布不均导致蒸发器的传热性能降幅远高于冷凝器 [ 4]。蒸发器内支管供液量偏小使得制冷剂迅速蒸发，无法充分利用换热面积，支管供液量偏高会使压缩机吸气带液，两相制冷剂尤其是液相分配不均会导致制冷系统性能恶化 [ 5-6]。因此，国内外学者对蒸发器内的流动分配均匀性进行研究。
目前，换热器流体分配均匀性的研究较多关注于分流器 [ 7-8]和入口分配结构 [ 9-13]，蒸发器内制冷剂分配的主要影响因素包括入口结构、支管参数、支管数量、入口工况等，同时发现在集流管等分配结构内侧设多孔挡板可提高支管流量的分配效果。Shi等 [ 14]提出在集管内安装分流板的方法改善微通道蒸发器内的流量分配均匀性，实验结果表明分流板可提高蒸发器的换热效率。Wang等 [ 15]研究得出多孔挡板可改善管壳式换热器管程流动分布的均匀性，通过数值方法提出了最佳挡板形状和挡板孔的最佳分布。Raul等 [ 16]研究板翅式换热器入口集箱内的流动分配不均，提出了不同布置方式的双挡板集箱结构以提高均匀度。刘巍等 [ 17-18]以制冷剂R134a为工质，实验研究分流板对平行流蒸发器的均分性能的影响，认为内部阻力随分流板开孔面积增加而减小同时提高制冷量，随后阻力系数的减小速度变缓而不均匀度增大，得出分流板开孔面积存在最佳值。王芳芳 [ 19]针对轴向入口干式蒸发器提出了十字小孔和中心小孔的分流板结构，模拟得出喇叭形管箱结合中心小孔分流板的结构可提高制冷剂均分性能。王珂等 [ 20]通过模拟研究了等圆孔和优化开孔的方形分流板对制冷剂均配的影响。袁培等 [ 21]在平行流换热器内部设计了分流板结构，结果表明分流板可使通道流量分布的均匀性能提高4%~20%。高志成等 [ 22-23]研究不同孔径分流板结构对平行流蒸发器流体分配的影响，得出各分流板结构比无分流板换热器的不均匀度降低50%以上，其中变孔径对称分流板的效果最好且压降的增幅最大；结合模拟和实验研究了不同分流板结构对空气-水两相流分配的影响，确定了分流板的最佳开孔结构和总开孔面积。Wu等 [ 24]针对微通道换热器提出了新型嵌入式隔板分配器，实验得出垂直、倾斜和水平安装时的不均匀度比传统的圆筒形分流管降低40%以上。此外，Shao等 [ 25]、赵兰萍等 [ 26]提出在换热器分配结构中加入分流管并优化开孔结构，从而确定最佳的分流管开孔形式和开孔率。
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