空调用卧式气液分离器分离效果研究

0 引言

空调系统中常用的气液分离器多采用立式结构，利用气液旋转时两相流体所受到的离心力不同达到将气液分离的目的，并增设挡板以提高分离效率。该结构的分离效率受罐体高度和冷媒流速的影响较大，当空调结构中给气液分离器预留的空间高度较小或冷媒流速较大时，常规立式离心气液分离器并不能达到需要的分离效果，因此本文研究一种卧式气液分离器用以解决这个问题，该结构相较于常规使用的立式气液分离器具有更高分离效率、更低的压力损失和更广泛的适用范围。

1 计算模型及网格划分

本文以美的某空调系统所用的卧式气液分离器为研究对象建立仿真模型，该卧式气液分离器的结构主要包括罐体、气液两相入口管、气相出口管、液相出口管和挡板，其中气液两相入口管位于罐体左侧中间位置，气相出口管设置在靠近罐体左侧上部，液相出口管位于靠近罐体左侧下部，挡板设置在罐体中部和右侧，其结构如图2所示，上面设置多个小孔并且中间设计为通孔。

整个数值模型采用非结构化四面体网格划分，其中对进出口管和挡板区域进行局部加密处理，而其他空间所划分的网格则相对稀疏，整个模型共生成网格数约75万左右，经网格无关性验证，该网格数量可以满足既缩短计算时间又保证结果准确的要求。

图 1 仿真模型示意图

图 2 挡板结构示意图

2 流体物性参数

本文分析的流体为冷媒R410A，其物性参数如表1所示。

表1 R410A的物性参数表

3 湍流模型及边界条件设置

本文所用的美的自制研发的气液分离器内部结构与其他厂家的区别在于增加了出口和入口管道以及挡板，并且挡板为环形。由于存在不同的壁面条件，造成了不同的湍流动能。因此，气液分离器的内部流场采用稳态流动分析，湍流模型选Reynolds Stress模型，该模型考虑了流线的旋转、漩涡弯曲和张力快速变化，对于复杂流动有更高预测精度[1]。该气液分离器中液态冷媒占有的比例较大，因此两相流模型采用Eulerian模型。入口边界采用速度进口，分别设置气相速度和液相速度以及液相的体积分数，出口边界条件设置为压力出口，壁面边界均按无滑移条件处理。

图3 卧式三种结构对比（入口流量：2135Kg/h，入口干度0.2）

4 结果分析

从图3三种结构对比中，可以看出液侧出口位置位于左下方时，气侧出口干度最大，液侧出口干度最小，分离效果最好，同时压损也最小。液侧出口位置位于右下方时，气侧出口干度最小，液侧出口干度最大，分离效果最差，同时压损也最大。

从图4、图5气相和液相冷媒的迹线图中可以看出，气液两相的冷媒从左侧的入口管进入罐体后，从左至右流动，大部分冷媒从两个折流板中间的通孔流过直到碰到罐体右侧的壁面，然后折回，经过折流板上的诸多小孔后分别流向气相出口和液相出口。同时也有部分冷媒撞击到折流板后发生分离然后分别流向气相出口和液相出口。在流动过程中气液混合冷媒受自身重力以及与罐体壁面和折流板壁面的撞击从而逐步分离，大部分液态冷媒从液相出口流出，同时部分的液态冷媒也会被气态冷媒携带流向气态冷媒出口。

图4 气相冷媒迹线图

从图6气相体积分数分布云图中可以看出两相混合冷媒经过整个分离过程后，大部分液态冷媒从气态冷媒中分离出来，气液分离器的底部存在一定厚度的液膜，该液膜在重力作用下从液态冷媒出口流出，并且具有较高的纯度。

图5 液相冷媒迹线图

图6 气相体积分数分布云图

5 实验验证

将该结构的气液分离器应用于某空调系统中，与优化后消除异音提高分离效果的立式气液分离器[2]做能力实验对比。整机测试条件不变，容积大小也不变，只是更改罐子。

经实验验证对比该卧式气液分离器相较于原来的立式结构，具有更好气液分离效果。

6 结论

本文采用ANSYS fluent软件对该卧式气液分离器内部流场进行仿真计算，根据仿真和测试结果得出以下结论：对于改进后的结构，卧式气液分离器分离效果和压损均好于立式气液分离器，卧式气液分离器的挡板位置位于右侧且采用环形挡板较好。仿真结果与实测数据具有较好的一致性，为气液分离器的优化指明了方向。

表1 测试数据