一种基于环状流整流实现均匀稳定分流的分流器的制作方法

本发明涉及气液两相流分配技术领域，具体是一种基于环状流整流实现均匀稳定分流的分流器。

背景技术：

空调器蒸发器是多流路换热器，需要通过分流器将两相流动的制冷剂等量、均匀地分成多个支路。目前空调器中使用的分流器由于安装空间有限无法保证竖直安装，使得两相制冷剂受重力影响呈现分布不均的流型，从而无法保证流到出口管处的两相制冷剂中气液比的一致性，导致从分流器各出口管流入换热器支路的制冷剂流量相差较大。流量小的支路较早过热导致换热系数骤降，从而造成制冷系统的换热性能恶化。流量大的支路在出口含有未完全蒸发的液滴，使得蒸发器出口感温包测量到不稳定的温度信号，从而引起膨胀阀阀芯的震荡。

目前分配性能较好的分流器包括旋叶式分流器、离心式分流器和相分离式分流器。它们通过添加旋转叶片、离心加速器或气体分离器等结构，将不可控、不对称的流型转换为可控、对称的流型。中国专利cn205965133u公开了一种旋流式气液同轴两相流等干度分配装置，利用旋流器将两相流整流为环状流。它包括主管内部的缓冲过渡管路、气液旋流器、气液两相流整流管段、管内流体分隔装置、等分通道。其中旋流器由4-8片旋流叶片组成。其缺点是结构复杂、加工难度大、使用寿命短、制造和维护成本高。空调由于安装空间有限，无法使用上述复杂的分流器。

目前空调器制造中，偏向于应用结构尽可能简单的小型分流器，但却导致制冷剂分配性能的不理想。中国专利cn202281428u提出了一种新型空调用分流器，利用与出液管相连的蜂巢状导流体使制冷剂沿导流槽流入各分流管内。这种分流器的进液管的内径较大，使得两相流的流速降低、压力减小从而易发生气液分离。气液分离形成的分层流或泡状流均为易受重力影响的不对称流型，使得分流器的分配性能易受安装角度的影响。由于缺乏整流结构，当分流器倾斜或水平安装时，气相由于密度小于液相，向分配腔的上部偏移，使得位于上方的分流管中的流量显著小于位于下方的分流管的流量，从而导致分配不均。

适用于空调器的理想分流器，既要能够对于制冷剂进行稳定的分配，同时又要结构简单；而现有的方案难以同时满足这些要求，因此亟需开发一种新的分流器。

技术实现要素：

本发明的原理是：通过分流器的合理设计，将进来的任意流型的两相流整流成稳定的环状流，并使得该环状流均匀的分配到各个出口管。环状流具有对称的结构，其中液相制冷剂均匀地分布在进口管的内壁面上形成环形液膜，气相集中在环形液膜的中心。当分流器的出口管对称地设置在进口管的壁面上，对称的环状流制冷剂会流向对称分布的出口管，从而使得制冷剂被均匀的分配到各个出口管。

本发明提供了一种基于环状流整流的分流器，包括：一个进口管和n个出口管，其中n≥2，所述进口管的内径d由拟合曲线和关联式确定其区间，所述进口管的长度l不小于15d，所述出口管等距地布置在进口管截面圆周上，并且出口管与进口管的中轴线的夹角为90°±5°。

所述进口管的内径d的计算方法为：通过数据拟合，得到形成稳定环状流的最优管径x与气液两相的质量流量m之间的关系式。d的取值范围是：0.9x≤d≤1.1x，其中：x为形成环状流的最优管径(单位：mm)，其计算式为x＝a1*m²+a2*m+a3，其中：m为气液两相流的质量流量(单位：g/s)，m的取值范围为10～32g/s，a1、a2、a3为待定系数。

所述关联式中的待定系数a1、a2、a3由制冷剂类型决定：当制冷剂为r32时，a1、a2、a3依次为-0.00176、0.21386、2.00469；当制冷剂为r410a时，a1、a2、a3依次为-0.00163、0.1984、1.86052；当制冷剂为r290时，a1、a2、a3依次为-0.00232、0.28179、2.64141。

所述的拟合曲线的波动区间为±10％。

所述的数据拟合所采用的算法是最小二乘法。

技术效果

与现有技术相比，1)本发明能够使两相流在进口管中充分发展形成稳定的环状流，并使出口管内的气泡均匀的分散在液相中，从而在任意安装角度下实现气液两相流的均匀分配；2)本发明不含附加结构、体积小、易加工、使用寿命长、维护方便。

附图说明

图1为本发明中的分流器示意图。其中，(a)为三维结构图，(b)为正视图。

图中：1是进口管、2是出口管。

图2表示用于r32空调系统的分流器的进口管内径d的范围。

图3表示用于r410a空调系统的分流器的进口管内径d的范围。

图4表示用于r290空调系统的分流器的进口管内径d的范围。

图5为一款传统圆锥式分流器的结构示意图。

图6为不同安装方式下的传统圆锥式分流器和本发明实施例的流型观测图。

图7为本发明实施例和传统圆锥式分流器中的流型对分配性能的影响对比图。

图8为本发明实施例和传统圆锥式分流器的流量不均匀度对照图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种基于环状流整流实现均匀稳定分流的分流器，包括一个进口管1和四个出口管2，所述进口管1的内径d满足形成稳定环状流的约束方程，所述进口管1的长度l不小于15d，所述出口管2等距地布置在进口管1的截面圆周上，所述出口管2与进口管1的中轴线的夹角为90°。

所述进口管1的内径d的计算方法为：通过数据拟合，得到形成稳定环状流的最优管径x与气液两相的质量流量m之间的关系式。d的取值范围是：0.9x≤d≤1.1x，其中：x为形成环状流的最优管径(单位：mm)，其计算式为x＝a1*m²+a2*m+a3，其中：m为气液两相流的质量流量(单位：g/s)，a1、a2、a3为待定系数。m的取值范围为10～32g/s。

所述关联式中的待定系数a1、a2、a3由制冷剂类型决定。当制冷剂为r32时，a1、a2、a3依次为：-0.00176、0.21386、2.00469；当制冷剂为r410a时，a1、a2、a3依次为：-0.00163、0.1984、1.86052；当制冷剂为r290时，a1、a2、a3依次为-0.00232、0.28179、2.64141。

所述的拟合曲线的波动区间为±10％。

所述的数据拟合所采用的算法是最小二乘法。

将制冷剂流量为18g/s代入上述计算式，并采用r32对应的待定系数，a1、a2、a3分别取-0.00176、0.21386、2.00469，得到进口管内径的取值区间为4.9～6.0mm。d取为5.5mm。

优选地，进口管1的长度l取85mm。

选择与本发明实施例相似的一款传统圆锥式分流器进行均流性能比较。图5是传统圆锥式分流器的结构示意图。制冷剂的质量流量为18g/s。

图6是实验观测的不同安装方式下的本发明实施例和传统圆锥式分流器的流型图。竖直安装时，传统圆锥式分流器的进口管内径较大，使得两相流速度降低，从而易发生气液分离并形成不稳定的泡状流，如图6(a)所示。倾斜和水平安装时，传统圆锥式分流器无整流，气泡由于重力较小聚集在进口管的上侧，从而使得流型呈分层流，如图6(c)、(e)所示。在相同的进口状态下，制冷剂在本发明实施例的进口管中通过加速整流为稳定的环状流，如图6(b)、(d)、(f)所示。

图7为实验中的本发明实施例和传统圆锥式分流器的流型对分配性能的影响对比图。无整流的传统圆锥式分流器在进口中形成不对称的泡状流，导致进入各出口管的气液两相制冷剂的比例不同，如图7(a)-(c)所示；本发明实施例在进口管中将两相流整流为稳定的环状流，其中液相制冷剂均匀的分布在进口管的内壁面上形成等厚度的环形液膜，气相制冷剂集中在环形液膜的中心，使得气液两相关于进口管的中轴线对称分布，从而等量地进入各个出口管，如图7(d)-(f)所示。

采用各个出口管质量流量不均匀度表征分流器的分配性能。质量流量不均匀度的定义式为：ε值越小，说明出口管的流量差异越小，即分流器分流越均匀。式中：mi表示第i个出口管的质量流量，为各出口管的平均质量流量。

实验测量了质量流量为18g/s时，传统圆锥式分流器和本发明实施例在水平、倾斜和竖直安装时的均流性能，如表1所示，可见本发明实施例在不同安装方式下的均流性能都优于无整流的传统圆锥式分流器。

表1质量流量不均匀度ε对比

图8显示了质量流量为18g/s时，本发明实施例和传统圆锥式分流器在不同安装方式下的质量流量不均匀度；可以看到，在水平、倾斜、垂直这三种，发本明实例的不均匀度均明显好于传统圆锥式分流器。