全年能效消耗效率指标下的分配器分配特性分析及结构优化设计

，对本文的 CFD 模型的预测精度进行验证。
验证结果表明，本文建立的模型与实验数据的误差 在 15%以内。
表 2 APF 指标下分配器 CFD 仿真边界条件 工 况 额定制冷 中间制冷 额定制热 中间制热 分配器进口 空泡系数 0.838 0.774 0.850 0.838 分配器出口 压力/kPa 1,101 1,291 734 865 壁面 绝热 绝热 绝热 绝热
中间制热 26.3% 低温制热 0.7% 额定制冷 18.8%
额定制热 19.3%
中间制冷 34.9%
图 2 APF 下各测试工况所占权重
利用 Fluent 对分配器的分配特性进行 CFD 模拟， 选择 Euler 两相流模型和 k-ε 湍流模型[13]。假定分配 器下游的各分路的几何结构尺寸、位置高度相同，并 且忽略两者连接管的沿程压力损失，得到分配器中
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第35卷第4期 2015年8月
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制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.4 Aug. 2015
R410A 入口边界和出口边界条件如表 2 所示。 本文采用已有文献中的空气 - 水分配特性实验 数据
[14]
ωh,r (ωh,i，ωh,l)——额定制热（中间制热，低温 制热）工况权重。 对低温制热工况，由于空调系统受到翅片结霜 等的影响，不能稳定工作，并且该测试工况所占权 重极小，因此公式(3)中低温制热项忽略不计。
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制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.4 Aug. 2015
doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.105
全年能效消耗效率指标下的分配器分配特性分析及 结构优化设计
表 1 APF 标准测试工况 测试工况 额定制冷 中间制冷 额定制热 中间制热 低温制热 室外干球/湿球温度 /℃ 35/24 35/24 7/6 7/6 2/1 室内干球/湿球温度 /℃ 27/19 27/19 20/15(max) 20/15(max) 20/15(max)
由于两个位置的分配器有多个测试工况来考 核， 需要分析 APF 指标中这些测试工况的权重。 通 过采用 GB 21455-2013 季节能效比计算软件计算出 这五个测试工况的变量权重[12]见图 2。
S 1 n (mi mave )2 n i 1
式中： S ——标准差，g/s； n ——分路数； mi ——第 i 分路的出口质量流量，g/s； mave ——各分路质量流量之和的平均值，g/s。 APF 指标应用下的分配器分配性能评价不仅 要考虑单一工况下的分流均匀度，还要考虑各测试 工况所占权重（见表 2） 。 对室内机分配器，APF 指标下测试工况为额定 制冷和中间制冷工况，分流性能指数 δc 计算公式：
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2-International Copper Association Shanghai Office, Shanghai 200020, China)
1.2 APF 指标下分配器分配特性的研究方法 APF 标准测试工况如表 1 所示。在制冷（额定 制冷、中间制冷）工况下，仅考虑室内机上游的分 配器作用。在制热（额定制热、中间制热、低温制 热）工况下，仅考虑室外机上游的分配器作用[11]。 因此，APF 指标下的室内机上游的分配器性能在额 定制冷、中间制冷工况下进行研究，室外机上游的 分配器性能在额定制热、中间制热、低温制热工况 下进行研究。
1 研究方法
1.1 分配器型式 本文针对家用空调器中常用的 4 分路分配器开 展研究，包括插孔式、圆锥式、反射式分配器，各 分配器原理图如图 1 所示。分配器实际安装倾角一 般在 0°~10°之间 （相对竖直方向） ， 本文选取 0°、 5°、 10°为典型安装角。
(a) 插孔式分配器 (b) 圆锥式分配器 图 1 三种分配器原理图 (c) 反射式分配器
0 引言
小管径房间空调器采用小管径铜管技术（铜管 管径不大于 5 mm） ，在减少铜的使用、降低成本、 促进环保工质使用的同时[1]，也会导致压降增加， 从而引起换热器性能的恶化[2]。为了克服压降增加
而引起的性能恶化问题，需要采取多流路布置；而 为了使各流路的制冷剂合理分配，需要引入分配器 进行流量分配[3]。 分配器对空调换热性能有重要的影响。分配器 性能良好时，能通过分流，将制冷剂等量、均匀地
2 分流特性模拟结果比较与分析
2.1 室内机分配器分流特性变化规律 APF 指标额定制冷工况下仿真计算后的标准 差对比如图 3 所示。 从图 3 中额定制冷工况下分流均匀性对比图可 以看出，垂直安装时，4 分路插孔式分配器的分流 效果最好，圆锥式分配器和反射式分配器的分配效 果次之；倾斜安装时，4 分路圆锥式分配器的分流 效果最好，反射式分配器和插孔式分配器的分配效 (1) 果次之。插孔式分配器对倾斜安装角敏感度大，倾 斜时分配效果差；而圆锥式分配器中两相流经过其 混合腔时流速大于其他分配器，较易形成雾状流， 具有良好的分配效果。
0.14 各分路质量流量的标准差 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 5 10 分配器类型及安装角度（相对竖直方向）/° 插孔式 圆锥式 反射式
1.3 APF 指标下分配器分配性能评价 本文采用各分路质量流量的标准差来衡量单 一工况下分配器的分流均匀性[15]，公式如下：
Analysis of Distribution Characteristics and Structure Optimization Design of Distributor under Annular Performance Factor Index
GAO Yang*1, WENG Xiao-min1, DING Guo-liang1, HU Hai-tao1, Gao Yi-feng2, Song Ji2
高扬*1，翁晓敏 1，丁国良 1，胡海涛 1，高屹峰 2，宋吉 2
（1‐上海交通大学制冷与低温研究所，上海 200240；2‐国际铜业协会，上海 200020） [摘 要] 为了开发全年能效消耗效率 APF（Annular Performance factor）指标下可使空调器具有良好性能
的分配器，本文提出分配器分流性能的评价方法，对插孔式、圆锥式、反射式这三种分配器在不同安装倾 角的流量分配规律进行了 CFD 仿真，并提出实际安装条件下适用于 APF 能效测试条件的分配器结构优化 设计方案。研究结果表明，APF 能效指标下，室内机在实际安装条件下，圆锥式分配器的分流效果最好， 且将混合腔内移和适当增大分配器出口管夹角可以进一步改进分配效果；室外机在实际安装条件下，反射 式分配器的分流效果最好，且适当增加进口管伸入长度和适当缩短混合腔和出口的连接管长度可以进一步 改进分配效果。 [关键词] APF；分配器；两相流；结构优化；分配性能
[Abstract] In order to develop a distributor with excellent distribution performance under APF (Annular-performance factor) index, an assessment method of distribution performance has been proposed, and CFD simulations of flow distribution characteristic of three distributors, including jack-type, cone-type, reflective-type distributor in different installation angles have been carried out. Besides, the structure optimization of distributor under APF index is proposed under actual installation condition. The research result shows that, under APF index, the cone-type distributor is proved to have a best distribution performance for indoor unit, and the movement of chamber inside and the proper increase of angle between different branches could contribute to a more even better distribution; for outdoor unit, the reflective-type distributor is proved to have a best distribution performance, and the increased insertion length of inlet and the appropriate shortening length of connection tube between chamber and inlet could also contribute to a even better distribution. [Keywords] APF; Distributor; Two-phase flow; Structure optimization; Distribution performance
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高扬等：全年能效消耗效率指标下的分配器分配特性分析及结构优化设计
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剂在各分路的分配并不均匀[4]。供液量偏少的分路 内，制冷剂快速蒸发成气体，出口过热度很大，换 热面积没有有效地进行利用；供液量偏大的分路内， 出口的过热度很小， 甚至可能有未蒸发的液体 ， 造 成空调系统的运行性能恶化。为了保障小管径空调 器性能，需要开发具有良好分配性能的分配器。 随着人们空调使用习惯的改变和节能减排理念 的推广，变频空调器逐渐成为当今市场的主流 。 2013 年 10 月 1 日起， 新能效标准 GB 21455-2013 《转 速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》 正式实施，变频空调器正式使用全年能效消耗效率 APF（Annular-performance factor）指标考核 ，其测 试工况包括额定制冷、中间制冷、额定制热、中间 制热和低温制热这 5 种 。秦存涛等 比较了 APF 指标和原 SEER 指标的区别。 相比 SEER 指标， APF
[8] [9] [7] [6] [5]
指标加入了对制热能力的考量，并制定了 3 级能效 标准，使得 APF 下的测试工况更为复杂。 已有的分配器特性研究均在额定工况下展 开
[10]
，为了提供 APF 指标测试工况下合适的分配
器，以满足小管径房间变频空调器在现有测试标准 下的良好性能，需要对分配器特性变化规律开展进 一步的研究，寻求最合适的分配器结构形式。
分配给蒸发器的各流路；分配器性能较差时，制冷 *高扬（1991-），男，硕士生。研究方向：制冷与低温工程。联系地址：上海市闵行区东川路 800 号，邮编：200240。联系
电话：021-34206865。E-mail：gao854188977@sjtu.edu.cn。