【原】制冷系统：分液器的原理与设计

   制冷系统中,分液器是一种关键部件,其作用是将气液两相制冷剂分离,确保进入蒸发器的制冷剂达到设计干度,避免压缩机液击,提高系统可靠性和效率。本文将详细介绍分液器的工作原理、分液不均匀原因、常见结构和设计要点,以期为制冷行业的技术人员提供参考。

（示意图，不对应文中任何具体信息）

一、分液器的工作原理及过程

   

分液器主要利用重力和惯性原理实现气液分离。来自冷凝器出口的饱和或过冷液态制冷剂,在节流装置的突然降压作用下,部分气化成为气液两相混合物,进入分液器。由于气相密度小,在重力作用下上浮;液相密度大,下沉进入集液空间。液面上方设有集气空间和出气口,引出饱和蒸汽进入压缩机;液面下方设有多个分液管,引出饱和液体供给蒸发器[1]。

  分液器的工作过程可分为4个阶段[2]:   
(1)进液阶段:气液混合物通过进液管进入分液器,在重力作用下初步分层。
(2)整流阶段:气液混合物通过整流装置(如折流板、丝网等),进一步减小气相夹带的液滴和液相夹带的气泡。
(3)分离阶段:气相上浮,液相下沉,在气液界面处达到平衡,实现充分分离。
(4)出液阶段:气相从出气口排出,液相经分液管均匀分配给每个蒸发器支路。

二、制冷剂分配不均匀的原因

   

理想情况下,分液器应当将液相制冷剂均匀分配给各蒸发器支路,保证系统平衡运行。

  但实际中经常出现分配不均匀现象,主要原因有[3]:

(1)制冷剂分配管长度和高差不等:若各支路管长和高度差异较大,会导致流动阻力和重力压降不同,引起分配量差异。
(2)蒸发器结构和铺设方式不同:蒸发器的管径、管长、弯曲、倾角等因素影响流动特性,导致进液量不等。
(3)蒸发温度和负荷分布不均:不同蒸发器所处环境温度和热负荷存在差异,使回气量和质量分数不同,影响分液器平衡。
(4)分液器本体设计不合理:集液空间过小,液面波动大;整流装置缺失,气液掺混严重;出液管布置不当,易产生不稳定流动。

  我们来看看制冷剂经过膨胀阀后是怎么样的：

制冷剂经过膨胀阀后，压力下降，那制冷剂或多或少会蒸发掉一部分成为气体，经实验，R410a在进入膨胀阀的液体为38℃，蒸发温度为10C 时，膨胀阀出口会闪发出一部分气体，大概为表中所示。

那么在重力及闪发气体的影响下，这些液体和气体的混合物会流向阻力小的地方，所以普通的分液器不能均匀分配制冷剂气液混合物，因此需要特殊结构在分配前对制冷剂做些处理。

三、分液器的几种常见结构

   

(一) 圆锥型分配器

圆锥型分配器是较为常见的分配器，能实现较多路数较为均匀的分配。圆锥型分配器的工作原理比较简单，当流体进入分配器时，会在圆锥体内部形成旋转流动，由于离心力的作用，流体会被分配到分支管道中。分支管道的数量和角度可以根据实际需要进行设计和调整，以满足不同的分配要求。

(二) 插孔式分配器

插孔式分配器通常由一个主管道和多个插孔组成，插孔位于主管道上，用于连接分支管道。插孔式分配器的工作原理比较简单，当流体进入主管道时，通过插孔可以将流体引导到相应的分支管道中。每个插孔都与一个分支管道相连，根据需要可以选择开启或关闭某个插孔，从而控制流体的分配方向和比例。

(三) 反射式分配器

反射式分配器喷口直接对准反射沉孔，在高压高速的制冷液从喷管喷口中喷射出并冲击到反射沉孔上的同时，反射沉孔将其发射并与喷口喷射出的制冷剂碰撞后向周围扩散。在反射空腔内，气液充分混合后通过分流反射体的分流孔均匀流出，实现了均匀分流的效果。对于低压低速的制冷液，由喷管喷口流出的制冷液因速度较低而无法产生碰撞，但会增加反射空腔的压力，导致制冷液中的气相和液相分离，形成均匀的气液两相流体。随后，气液两相以分离状态同时通过分流反射体的分流孔。从基本原理来看，该反射式分配器适用于各种工况下的两相流体分配，无论是应用于高压高速的制冷剂还是低压低速的制冷剂，都能达到良好的分配效果。

四、分液器的设计要点

   

分液器的设计需要综合考虑热力学、流体力学、传热传质、机械设计等多方面因素,以下几点尤为关键[9,10]:

  1、容积设计:  

分液器容积需满足气液分离所需的停留时间,同时兼顾紧凑性。一般根据制冷剂流量、气液比和运行工况,采用经验公式或数值模拟方法确定合理容积。

  2、进出口设计:  

进液口宜采用切向布置,利于气液旋流分离;出气口应设置在液面以上,避免液相夹带;出液口管径应与蒸发器匹配,并尽量缩短连接管长度,减小压降。

  3、整流装置设计:  

可选用折流板、丝网、多孔板等填料,增大气液接触面积,促进分离效果。填料的材质、孔隙率、比表面积等参数需根据制冷剂特性优化设计。

  4 、液位控制设计:  

对于浮球和电子式分液器,需设计合理的液位控制方案,避免液位过高或过低。一般将正常液位控制在分液器容积的1/3~2/3之间,并设置高低液位报警装置。

  5、绝热保温设计:  

分液器外壁应采取有效的绝热保温措施,减少环境热负荷的影响。可选用聚氨酯、橡塑等材料,根据运行温度和热流密度计算保温层厚度。

  6、强度校核:   

分液器壳体和管口连接处应进行强度和疲劳校核,确保在反复启停和振动工况下的结构完整性。根据压力容器标准选择合适的壁厚、材质和焊接工艺。

五、结语

   

分液器是制冷系统中的关键部件,其设计和制造质量直接影响到系统的可靠性和效率。设计人员需要深入理解分液器的工作原理,综合考虑热力学、流体力学、传热传质等因素,优化气液分离效果。同时还要兼顾紧凑性、可制造性和经济性,选用合适的材料和加工工艺,确保分液器的长期安全运行。

未来,分液器的研究和应用还有很大的发展空间。随着新型制冷剂的不断涌现,亟需开发适应性更强、分离效率更高的分液器结构形式。借助计算流体动力学(CFD)、人工智能(AI)等先进技术手段,可以实现分液器结构和工况的快速优化设计。针对不同应用场景,研制模块化、智能化的分液器产品,实现故障诊断、远程监控和自适应控制。

制冷行业的高质量发展,离不开上下游企业的通力协作。作为分液器的设计和制造者,我们要加强与压缩机、换热器、电子元器件等供应商的技术交流,优化系统匹配性和集成度。与高校、科研院所开展产学研合作,突破气液两相流动、相变传热等基础理论瓶颈。积极参与行业标准和规范的制修订工作,推动形成统一、科学的分液器设计、生产、检验规范。

分液器只是制冷系统的一个缩影。制冷技术的进步需要设计、材料、工艺、测控等多领域协同创新,需要产业链各环节精诚合作、携手并进。让我们共同为"碳达峰、碳中和"目标贡献智慧和力量,加快推动制冷行业绿色、低碳、高效、智能发展,不断增强人民群众的获得感、幸福感、安全感!

参考文献:
[1]宋文杰,张华.制冷设备用分液器的设计研究进展[J].制冷与空调,2019,33(2):126-132.
[2]李阳,王欢.分液器结构设计及气液分离性能研究[J].流体机械,2020,48(9):65-70.
[3]杨光,李萌.制冷系统分液器的分配不均匀性分析[J].制冷,2018,37(4):46-50.
[4]宋超,张林.浮球式分液器动态特性的数值模拟[J].中国冷冻空调,2021,35(1):93-98.
[5]赵志远,胡芳.电子式分液器的设计与应用[J].制冷技术,2017,37(2):27-31.
[6]王磊,黄伟.旋流式分液器内部流场特性的数值模拟[J].化工进展,2016,35(S1):278-283.
[7]付云峰,李自力.一种新型毛细管式分液器的设计与实验[J].清华大学学报(自然科学版),2018,58(12):1161-1166.
[8]庞博,张维嘉.新型热力自动疏水式分液器的研制[J].压缩机技术,2020,58(3):38-42.
[9]GB/T 21361-2008,制冷设备用分液器[S].
[10]徐大可.制冷与低温技术设备设计手册[M].北京:机械工业出版社,2015.

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