林雄炜
杭州迪卡能源技术有限公司 浙江杭州市 310008
摘要：进入微通道换热器的两相流容易出现不均匀分布，这大大降低了微通道换热器的性能。本文对微通道换热器两相流分布的研究趋势进行了总结和分析，包括微通道换热器两相流分布特性的影响因素、提高微通道换热器两相流分布均匀性的技术方案、微通道换热器两相流分布特性的模拟研究以及相分离技术在微通道换热器中的应用。讨论了微通道换热器中两相流的研究现状和发展方向。
关键词：微通道换热器；两相流分布特性；提升分布均匀性；关联式；相分离
1两相流流动特性及工作条件对其分布的影响
M．Ahmad等人[1]也进行了类似的实验，使用具有八个通道的紧凑型换热器作为实验件，研究了气含率、液体速度、集管直径和膨胀装置对两相流分布的影响。对于垂直向下的通道，流体流量增加，两相流分布均匀性变好。对于垂直向上的通道，即使质量流量增加，流量分配效果仍然不好，这是由于重力的作用。安装在集箱入口处的膨胀装置可以使两相流体产生高速射流，有利于两相流的均匀分配。指出两相流的流量分配均匀性与流体速度和集箱结构密切相关。A．Marchitto等人[4]通过实验证明，在给定的工况下，可以均匀地实现复杂两相流的流量分配。气液两相流的流量和干燥度对两相流分布的均匀性有很大影响。在歧管入口处设置喷嘴使流体形成射流，在高空气流量的情况下可以使水流分布更加均匀，但在低空气流量的情况下，水流分布的均匀性取决于喷嘴直径和水流量。A. J. Mahvi等人[5-6]指出，两相流的分布均匀性很大程度上取决于联箱内两相流的流态，并将水平联箱内的两相流分为分层平滑流、分层脉动流、平滑膜流、脉动膜流和搅拌湍流。当两相速度较低时(VL < 0.05米/秒，VG < 4.5米/秒)当质量流量增大时(0.05 < VL < 0.1米/秒，VG < 4.5米/秒)，气液界面呈波浪形，歧管呈分层脉动流，液体向集箱后端移动，分布得到改善；在较低的液体速度(VL < 0.1m/s)和较高的气体速度(4m/s < VG < 10m/s，10m/s < VG < 30m/s)下，分别形成了平滑的膜流和波动的膜流。这种情况下，气体动压明显高于液体动压，液体在集管后壁形成液膜，提高了液体分布的均匀性。当气液两相速度较高(VL > 0.1m/s，VG > 4.0m/s)时，两相流歧管湍流，气液混合更好，两相流分布更均匀。
ZouYang等人[2]利用可视化技术研究了垂直集箱中两相流的分布。工作流体分别为R134a和R410A，结果相似:高质量流量和低干度(m = 6.3 ~ 12.5 g/s，x = 0 ~ 0.2)时两相流的分布均匀性较好，揭示了两相流歧管与之相反，在高干度(x=0.8)条件下，容易形成分离流，此时气体占据较大空间，液体在壁面形成液膜，液膜在作用下沿壁面向上流动当达到一定高度时，液体脱离壁面，进入扁管。为了防止液体因气体流速过大而绕过下部的第一根扁管，气体流速必须小于1k g/(m2·s)，导致液体分布不均匀。
通过以上研究[5-7]，可以得出结论:由于集箱的布置形式不同，重力的影响和流型也不同，但增加气液两相的混合均匀性可以改善两相流的分布。
ZouYang等人[8]利用可视化技术研究了垂直集箱内两相流的物理性质对其分布的影响，并分别比较了R3FA、R134a、R410A和R32的分布。研究表明，R3FA的分布最好，其次是R134a、R410A和R32，因为R3FA的气体密度较低，液体密度较高，导致集箱内的搅拌流间隔最高。实验还表明，对于R3fa和R134a，只有增加集管内的质量流量才能改善分布，对于R410A和R32，只有增加集管顶部的质量流量，避免集管底部的半环形流动，才能改善分布。ZouYang等人[6]研究了润滑油对两相流分布的影响，并比较了润滑油、R134a和纯R134a在垂直集管中的分布。结果表明，润滑油含量低时，纯R134a的分布较好，润滑油含量高时，润滑油和R134a的混合物的分布较好，因为更多的润滑油会产生大量的泡沫，使集箱内的液位上升，更多的液体会进入上平。Z．M．Ｒazlan等人[5]对比研究了R134a和气水两相流在集箱中的分布，结果表明，在相同工况下，两相流具有相似的分布特征。
微通道换热器的扁管传热也会影响两相流的分布。A. T. Wijayanta等人[4]研究了加热扁管对两相流分布的影响，结果表明扁管的热负荷不是影响两相流分布的主要因素，M. A. Redo等人[1]的研究也证实了这一点。
2改善微通道换热器中两相流的分布
通过对集箱内两相流分布特性的研究，一些学者提出了改善两相流分布的方案。N．H．Kim等人[2]通过在集管中增加分配装置，改善了两相制冷剂的分配效果。实验研究了钢网、穿孔板和穿孔管三种分配装置对两相流分配的影响。结果表明多孔管具有较好的分配装置，并指出分配效果最好的多孔管开口尺寸与两相流的流向有关。N. H. Kim等人[6]继续前人的研究，对多孔管进行了各种组合，分别研究了多孔管、多孔板多孔管、多孔板多孔管和同心多孔管的分配装置。实验结果表明，同心多孔管具有较好的分配效果，分配效果最好的同心多孔管的孔数取决于两相流的大小。刘巍等[3]研究了分流板开口面积对两相流分布的影响。Re < 2 500时，开口面积对分流板分布均匀性影响明显，Re > 2 500时，开口面积和Re的变化对分流效果影响不大。A. Marchitto等人[7]将分配管插入集管，并研究了分配管上开口的位置、方向和数量。结果表明，在集箱中增加分配管可以有效改善两相流的分配效果，当分配管上的开口方向与扁管中两相流的流向相反时，分配效果最好，在分配管后端使用8个开口可以提高分配效果。A. Marchitto等人[4]延续了前人的研究，提出了一种新型的双室分布器，比单室分布器具有更好的分布效果，两相流的分布效果比不插入分布管时能明显提高。
3总结与展望
在微通道换热器中，两相流容易分布不均匀，这大大降低了微通道换热器的性能。本文总结了国内外现有文献对微通道换热器两相流分布和相分离技术的研究，并得出以下结论:
1)影响微通道换热器内两相流分布的因素可分为两个方向:微通道换热器的结构、两相流的特性和工况。集箱内的流型由流量、干燥度和微通道换热器的结构决定，对两相流的分布有很大影响。
2)为了提高微通道换热器中两相流的分布均匀性，在集箱中增加了分配装置，以提高两相流的分布均匀性，效果良好。
3)相分离技术通过分离微通道换热器中两相流的气体或液体，可以有效提高微通道换热器的换热能力。
虽然微通道换热器的两相流分布特性和相分离技术已经取得了初步的研究成果，并在一定程度上应用了一些改进方案，但仍存在一些值得进一步研究的问题:
1)对于微通道换热器内两相流分布均匀性的研究，目前的文献大多没有考虑实际扁管传热对两相流分布的影响，微通道换热器内两相流分布有待进一步发展。
2)在集液管中插入分配装置可以有效提高两相流的分配均匀性，但分配装置的加入肯定会带来较大的压降，相关的实验和理论研究有待进一步发展。
3)微通道换热器作为冷凝器时的相分离技术研究较多，作为蒸发器时的相关研究较少，主要集中在换热器前实现相分离，在换热器中实现相分离的研究较少。同时，相分
离蒸发器的工艺优化及其与相关系统的匹配特性需要进一步研究。
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