室外换热器分液装置的实验研究

陈含冰 李万勇 陈超华 陈涛 施骏业 刘雨声 陈江平

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240；2 江苏中关村科技产业园节能环保研究有限公司 常州 213399)

热泵空调系统具有能效高的特点，被广泛认为可替代汽车空调中的低效电加热器[1]。热泵空调系统室外换热器的性能直接影响热泵空调系统整体性能。微通道换热器相比于传统管翅式换热器，用作室外换热器时体积减少了57.6%[2]，相同换热面积下能够使热泵型空调器的制冷EER 和制热COP 提高20%以上[3]，微通道换热器具有轻量化、紧凑化的特点，在室外换热器领域有较大的应用前景。

微通道换热器在用作蒸发器或冷凝器时，存在较为严重的制冷剂分配不均现象。C.D.Bowers 等[4]对R410A 微通道蒸发器在3 种不同管道设置下进行了实验，当集管水平扁管竖直放置时，都有近1/3 面积的换热器没有得到利用。此外，制冷剂分配不均的影响更多作用于空调整体性能。巫江虹等[5]研究发现，对于同一结构换热器，风侧风量分布均匀前提下，换热器温度间接反映制冷剂分配均匀情况，蒸发器和冷凝器工况下表面温度分布对于系统性能影响权重分别为34.97%和43.90%。W.Brix 等[6]建立了制冷剂R134a 在微通道管内蒸发的一维稳态模型，制冷剂分配不均导致制冷量的损失最多为23%。当用以量化流动不均匀程度的变异系数CV 值较大时，热交换效率会降低[7]。文献[8]的实验表明:微通道换热器内的制冷剂分布是影响微通道热泵霜冻期性能的关键因素。俞登佳[9]研究发现，制冷剂分配不均引起表面温度分布不均，从而导致整体还未达到结霜工况条件时换热器部分提前结霜。包佳倩等[10]研究发现，室外换热器结霜导致系统制热量降低25.8%，进而导致压缩机单位功耗增加32.0%，系统运行稳定性下降。

国内外学者针对微通道换热器制冷剂分配不均进行了许多研究，已经探索出一些改进方法。Shi Junye 等[11]提出在进出口通道设置带节流孔的导流板，通过实验比较了8 种样品蒸发器工况下的制冷性能，得出制冷量较高、出口温度分布更为均匀的位置设计。俞登佳[9]采用CFD 数值模拟手段，针对集管水平扁管竖直的换热器，研究集管中放置水平隔板、竖直隔板与集管大小对于改善制冷剂流动分配的效果。V.Stevanovic 等[12]提出在蒸发器出口通道引入翅片改善从顶部到出口通道的液相和气相分布均匀性。K.Panda 等[13]采用多项CFD 模型，进一步研究插管深度和进口质量流量对制冷剂流动特性的影响。Zou Yang 等[14]研究了多通道换热器垂直集管中R410A 分布，发现增加质量通量有助于液体均匀分布。T.Kulkarni 等[15－16]提出了一种创新的径向集管设计并进行分析，成功实现流量分布不均的最小化。周国梁等[17]从改变工况的角度出发，提出适当增加流经蒸发器的制冷剂质量流量，有利于制冷剂的均匀分配。

上述研究主要针对微通道换热器用作蒸发器时的制冷剂分配不均现象进行了改进，本文在前人研究的基础上，设计了两种隔板形式，在用作蒸发器的6种工况与用作冷凝器的4 种工况下，分别进行实验研究，分析隔板形式、位置、数量以及换热器进出口位置对于制冷剂分配及换热器性能的影响。本文所涉及的换热器均为室外微通道换热器，为叙述方便，在下文中皆由“换热器”进行代指。

1 实验装置和方法

如图1所示，实验采用换热器为竖直集管水平扁管布置，共有43 根水平扁管，分为冷凝模式与蒸发模式两流程，流程走向在图中用蓝色箭头标出。换热器的具体结构参数如表1所示。

图1 换热器流程走向Fig.1 Heat exchanger circuit trend

表1 实验样件结构参数Tab.1 Structural dimensions of experimental sample

实验在汽车空调焓差室中进行，焓差室由内外侧两个环境室组成。图2所示的实验系统包括室外换热器、室内换热器、压缩机组、环境机组等，制冷剂为R134a。环境机组控制系统的环境温度与湿度；压缩机、室外换热器与室内换热器的进出口处均布置有Pt100 铂电阻温度传感器和压力传感器，测量各处的压力与温度；风量由风机控制并借助风洞内的喷嘴进行测量；制冷剂流量使用科里奥利流量计进行测量。测量参数如表2所示。

图2 实验系统Fig.2 The experimental system

表2 实验测试参数Tab.2 Experimental test parameters

本实验在换热器用作蒸发器时设置了6 种测试工况，用作冷凝器时设置了4 种测试工况，测试不同布置形式在各工况下的制冷剂分配情况，测试工况如表3、表4所示。

表3 蒸发器模式测试工况Tab.3 Test conditions of evaporator mode

表4 冷凝器模式测试工况Tab.4 Test conditions of condenser mode

为探究在换热器集管中放置隔板对于制冷剂分配的影响，本实验设计两种隔板形式如图3所示(其中隔板B 中间圆孔的直径在具体实验中有所调整)。隔板形式设计的主要依据是集管内制冷剂的形态，但由于其无法预测，本实验中仅假设两种可能的制冷剂形态，其一为液态制冷剂集中分布在中间部分，因此隔板A 设计3 个孔用作分流；其二假设液态制冷剂主要分布于两侧，因此隔板B 设计中间一圆孔进行集中。样件具体布置参数如表5所示，其中进出口位置与流程布置均采用水平扁管从上至下的编号，流程布置依据图1 中流程走向共分为上下两个流程，将43 根水平扁管划分为两部分，例如“22-21”即表示第一流程有22 根扁管，第二流程有21 根扁管。

图3 实验样件隔板形式Fig.3 Baffle forms

2 实验结果及分析

2.1 蒸发器工况下制冷剂分配情况及换热性能

换热器用作蒸发器时设计了6 种测试工况，分别记为工况1～6，如表3所示。原样件与7 种实验样件在工况6 时的实验红外温度如表6所示，由于制冷剂在换热器管道内的分布会带来温度分布的差异，因此通过红外温度图可较为直观判断换热器内制冷剂分配情况。表6 中红外温度图的右侧显示该图的温标范围，并在图中标有最高温度处的具体温度。

原样件的红外温度图显示，在第一流程中扁管利用率不到20%，第二流程中不到10%，且制冷剂较为集中地分布在第一流程入口下方扁管处(即图示第一流程左下部分区域)。由于表6 中各红外温度图的温标范围不尽相同，因此相互之间的比较存在困难。与原样件(无隔板设置)的换热器红外温度图相比，加入隔板后，换热器内的制冷剂分配不均情况均得到改善。以样件A4 为例，红外温度图显示，第一流程中扁管利用率较高，基本所有扁管都有参与，第二流程中扁管的利用率同样有所提升。因此加入隔板对于制冷剂的分配均匀具有极大作用。

由于本实验中的换热器采用两流程结构，而对所得红外温度图的量化[18]在多流程的换热器中适应性较差，同时现实实验条件下无法满足两相区域末端所有液体都变成蒸汽的前提，因此量化红外温度图较为困难，本文仅将以上红外温度图作为观测制冷剂分配情况的直接依据之一。此外，换热器的整体性能是换热器设计的最大关注点，本实验选取了两个关键性能指标(KPI):制冷量与制冷剂侧压降。在相同的进、出口条件下，制冷量越高，换热器的性能越好，同时制冷剂侧压降的提高会增加压缩机功率，从而降低系统COP，换热器性能下降，因此制冷量与制冷剂侧压降可以作为换热器性能的KPI。本实验选取这两个KPI 评价换热器性能，分别探究用作蒸发器时，不同

换热器进出口位置、隔板数量以及隔板形式对换热器性能的影响。同时本实验选择在工况6 条件下加入与原样件的对比，使得结论更加完善。

表5 实验样件布置参数Tab.5 Layout parameters of experimental samples

表6 蒸发器工况下实验红外温度Tab.6 Experimental infrared temperature map under evaporator operating condition

1)不同进口位置对换热器性能影响差异

实验换热器为左上方进、左下方出的形式，因此做合理推测，一部分制冷剂在进口处由于重力影响，无法进入上方扁管，当进口位置有所上升时，可以避免该情况发生，从而改善第一流程中制冷剂分配不均现象，提高换热器性能。针对不同进口位置，样件A2与A3、B2 与B3 分别构成两个对比组，每组中两个样件的隔板数量、隔板位置以及出口位置均保持一致，A2、B2 进口位置为6-8，A3、B3 进口位置上升为3-5。

不同工况下A2 与A3、B2 与B3 制冷量以及制冷剂侧压降对比如图4 和图5所示。

图4 不同进口位置样件制冷量对比(蒸发器模式)Fig.4 Comparison of refrigerating capacity at different inlet positions(evaporator mode)

图5 不同进口位置样件制冷剂侧压降对比(蒸发器模式)Fig.5 Comparison of refrigerant side pressure drop at different inlet positions(evaporator mode)

与原样件无隔板的情况进行对比，在工况6 下，4种样件在换热器性能方面均有较大改善，在制冷量方面，A2、 A3、 B2、 B3 较原样件分别有 78.11%、57.01%、78.01%和72.22%的大幅度提升，而在制冷剂侧压降方面，A2、A3、B2、B3 较原样件分别有11.76%、17.65%、35.29%和41.18%的减少，换热器性能均有提升。

在工况4、5 条件下，实验结果与推测相反，进口位置下移使换热器有更好的换热性能。样件间制冷量的差别较小，均在5%以内。工况4 时，A2 制冷剂侧压降较A3 有45.45%的减少，B2 压降较B3 有11.11%的减少；工况5 时，A2 压降较A3 有15%的减少，B2 压降较B3 有36.36%的减少。

在其余工况下，实验结果与推测部分一致，进口位置向上有利于隔板A 压降的减少，而进口位置向下反而有利于隔板B 压降的减少。制冷量方面，A2与A3、B2 与B3 之间的差别都保持在10%以内；制冷剂侧压降方面，在工况1 下，A3 较A2 最多减少了55.56%，在工况3 下，B2 较B3 最多减少了130%。

2)不同出口位置对换热器性能影响差异

实验前做出推测:出口位置的上升对于换热器第二流程内的制冷剂分布均匀有积极作用，并能提高换热性能。针对不同出口位置，样件A3 与A4 构成一对比组，保持隔板数量、隔板位置与换热器进口位置一致，A3 出口位置为39-42，A4 出口位置上升为30-32。

不同工况下A3 与A4 制冷量以及制冷剂侧压降对比如图6所示。

图6 不同出口位置样件制冷量及制冷剂侧压降对比(蒸发器模式)Fig.6 Comparison of refrigerating capacity and refrigerant side pressure drop at different outlet positions(evaporator mode)

与原样件无隔板的情况进行对比，在工况6 下，两种样件在换热器性能方面均有较大改善，在制冷量方面，A3、A4 较原样件分别有57.01%和77.13%的大幅度提升，而在制冷剂侧压降方面，A3、A4 较原样件分别有17.65%和23.53%的减少，换热器性能均有提升。

可见实验结果与预测情况相符合，出口位置的上升使换热器的换热性能更好。在6 种工况下样件A4的制冷量均高于A3，在工况1 下，A3 达到最大制冷量1 755.8 W，A4 达到最大制冷量1 881.4 W。在工况6 下，A3 制冷量为1 460.2 W，A4 制冷量为1 647.3 W，制冷量最多提高了12.81%。在压降方面，工况3 下，A3 压降15 kPa，A4 压降12 kPa，A4 较A3最多减小了20%。综合考虑制冷量与制冷剂侧压降，出口位置有所上升的A4 换热性能优于A3。

3)不同隔板数量对换热器性能影响差异

由前述实验及红外温度图，已知隔板的加入有利于制冷剂分配不均的改善，因此实验前做合理推测，隔板数量的增多在一定程度上会提升制冷剂的分配均匀程度以及制冷量，同时隔板数量的增多很可能会导致压降的上升。针对不同隔板数量，样件A1 与A2、B1 与B2 分别构成两对比组，每组中两个样件的进出口位置均保持一致，A1 设置4 个隔板，A2 设置6个隔板，B1 设置6 个隔板，B2 设置8 个隔板，其中A2与B2 增加的隔板均设置在换热器的第二流程。

不同工况下A1 与A2、B1 与B2 制冷量以及制冷剂侧压降对比如图7、8所示。

图7 不同隔板数量样件制冷量对比(蒸发器模式)Fig.7 Comparison of refrigerating capacity with different number of baffles(evaporator mode)

图8 不同隔板数量样件制冷剂侧压降对比(蒸发器模式)Fig.8 Comparison of refrigerant side pressure drop with different number of baffles(evaporator mode)

与原样件无隔板的情况进行对比，在工况6 下，4种样件在换热性能方面均有较大改善，在制冷量方面，A1、 A2、 B1、 B2 较原样件分别有 67.44%、78.11%、64.46%和78.01%的大幅度提升，而在制冷剂侧压降方面，A1 与原样件保持一致，A2、B1、B2 较原样件分别有11.76%、11.76%和35.29%的减少。

由此可见实验结果与预测情况部分相符，隔板数量的增加使换热器制冷量提高，与预测相反的是隔板数量的增加反而使换热器制冷剂侧压降减少，综合考虑两者，隔板数量的增加使换热器性能提高。在各工况下，A2 与B2 的制冷量均高于A1 与B1，工况1 下，A1、A2、B1、B2 的制冷量均达到了最大值，分别为1 810.3 W、1 915.9 W、1 981.9 W、2 035.9 W。其中在工况4 下隔板A 制冷量最大提高了15.28%，在工况2 下隔板B 制冷量最大提高了10.87%。与预测的压降增加结果相反，在各工况下，隔板数较多样件的制冷剂侧压降基本低于隔板数较少的样件。工况5 下，A2 压降较A1 最多下降了26.07%，B2 压降较B1 最多下降了58.82%。

综合考虑制冷量与制冷剂侧压降，隔板数量的增加使样件的换热性能提升。同时可以看出，在大多数工况下隔板B 的换热效果优于隔板A。

2.2 冷凝器工况下制冷剂分配情况及换热性能

换热器用作冷凝器时设计了4 种测试工况，分别记为工况1～4，如表4所示。采用换热量以及制冷剂侧压降作为换热器性能的两个关键性指标(KPI)，分别探究用作冷凝器时，不同换热器进出口位置、隔板数量以及隔板形式对换热器性能的影响。

1)不同进口位置对换热器性能影响差异

参照蒸发器工况，同样在实验前进行预测:换热器进口位置的上升有利于制冷剂的分配均匀以及换热器性能的提升。

不同工况下A2 与A3、B2 与B3 换热量以及制冷剂侧压降对比如图9、10所示。

图9 不同进口位置样件换热量对比(冷凝器模式)Fig.9 Comparison of heat transfer capacity at different inlet positions(condenser mode)

图10 不同进口位置样件制冷剂侧压降对比(冷凝器模式)Fig.10 Comparison of refrigerant side pressure drop at different inlet positions(condenser mode)

实验结果与预测基本一致，换热器进口位置的上升使换热器性能提高。换热量方面，在工况4 下A2、A3、B2、B3 均达到了最大值，分别为18 300.4 W、18 455.6 W、18 608.4 W 和18 594.5 W，各工况下，A、B 对比组换热量的差别最多为1.23%和3.9%。压降方面与预测一致，在大多数工况下，隔板A 与隔板B 在进口位置上升后，压降均有一定程度的减少，在工况1 下，A3 较A2 最多下降了16.67%，B3 较B2最多下降了27.03%。因此，换热器进口位置的上升对于压降的减少有利。

2)不同出口位置对换热器性能影响差异

实验前做推测:出口位置的上升对于第二流程内的制冷剂分布有积极作用，能够提高换热性能。不同工况下A3 与A4 换热量以及制冷剂侧压降对比如图11所示。

图11 不同出口位置样件换热量及制冷剂侧压降对比(冷凝器模式)Fig.11 Comparison of heat transfer capacity and refrigerant side pressure drop at different outlet positions(condenser mode)

由图可见实验结果与预测一致，出口位置的上升使换热器换热性能提高。在工况4 下，出口位置较高的A4 比A3 换热量提高了4.72%，并减少了3.76%的制冷剂侧压降，综合换热性能优于A3。在其他工况下，虽然A4 的换热量较A3 稍有下降，但都维持在5%以内，A4 制冷剂侧压降普遍低于A3 对应压降，在工况1 下A4 最大减少了23.33%的压降。综合考虑，出口位置的上升使A4 的换热性能优于A3。

3)不同隔板数量对换热器性能影响差异

实验前预测隔板数量的增多可以改善换热器制冷剂分配情况、增加换热量，但是制冷剂侧压降预计也会有显著上升。不同工况下A1 与A2、B1 与B2 换热量以及制冷剂侧压降对比如图12、13所示。

图12 不同隔板数量样件换热量对比(冷凝器模式)Fig.12 Comparison of heat transfer capacity with different number of baffles(condenser mode)

图13 不同隔板数量样件制冷剂侧压降对比(冷凝器模式)Fig.13 Comparison of refrigerant side pressure drop with different number of baffles(condenser mode)

实验结果与预测基本符合，隔板数量增加小幅度增加了换热量，但带来制冷剂侧压降的较大幅度提升。在换热量方面，A1、A2、B1、B2 均在工况4 下达到最大值，分别为 17 529.5 W、 18 300.4 W、19 459.0 W和18 608.4 W，各工况下，A、B 对比组换热量的差别都在5%以内。压降方面，在大多数工况之下，隔板A 与隔板B 在隔板数量增加后，压降均有一定程度的提升，在工况1 下，A2 较A1 最多提升了16.13%的，B2 较B1 最多提升了23.33%。

3 结论

本文通过在汽车空调焓差室中设置换热器用作蒸发器时的6 种工况以及用作冷凝器时的4 种工况，分别进行实验探究隔板形式、位置、数量以及换热器进出口位置对于制冷剂分配及换热器性能的影响，得出结论如下:

1)实验设计的两种隔板均有助于改善换热器中制冷剂分配不均的现象，在蒸发器工况下换热性能得到显著提升，制冷量最多提升了78.11%，制冷剂侧压降最多减少了41.18%。

2)蒸发器工况下，换热器出口位置的上升、隔板数量的增加有利于换热性能的提高，进口位置的上升有利于隔板A 换热性能的提高，进口位置的下移有利于隔板B 换热性能的提高。换热器出口位置的上升最大提高了12.81%的制冷量，减少了20%的制冷剂侧压降。隔板数量的增加最大提升了15.28%的制冷量，减少了58.82%的制冷剂侧压降。进口位置的上升最大减少了55.56%的制冷剂侧压降，进口位置的下移最大减少了130%的压降。

3)冷凝器工况下，换热器进、出口位置的上升使换热器性能提高，而隔板数量的增加使换热性能有所下降。各工况下，换热器换热量的差别均在5%内，进出口位置的上升最大减少了27.03%的制冷剂侧压降，隔板数量的增加则最大增加了23.33%的压降。