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(1.福建工程學院 建筑新能源與節(jié)能福建省高校重點實驗室，福建 福州 350118；2.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；3.中建海峽建設發(fā)展有限公司 企業(yè)技術中心，福建 福州 350015)

氫氟烴類制冷劑(Hydrofluorocarbons，HFCs)由于其較高的溫室效應潛值(Global Warming Potential，GWP)，過度使用將加劇全球氣候變暖[1-2]。目前，國際上已經開始對HFCs類物質加以管控，尋找長期可替代的環(huán)境友好型制冷劑已經成為制冷行業(yè)一個緊迫的課題[3]。碳氫制冷劑R600a因其優(yōu)越的環(huán)境友好性備受關注，其作為小型冰箱制冷劑已經得到推廣應用。作為天然工質，R600a不僅臭氧層破壞潛能值為零，且具有較小的溫室效應潛能值。同時與HFCs類制冷工質R134a和R22相比，R600a具有較高的液體熱導率和汽化潛熱值，有利于制冷系統(tǒng)換熱部件的傳熱和縮小壓縮機尺寸[4-5]。在蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中，潤滑油具有潤滑、密封、沖洗以及避免制冷劑過熱等作用，但潤滑油的存在也會對制冷系統(tǒng)帶來一些負面影響，如改變制冷劑的熱物理性質；增加制冷劑的流動阻力；惡化制冷劑側的傳熱效果等[6-7]。從而對管內的換熱和流動狀態(tài)產生不可忽視的影響[8]。因此，潤滑油對制冷劑在管內流動阻力特性的研究引起了許多學者的關注。

文獻[9-17]中對含油制冷劑壓降特性進行了實驗研究，結果表明潤滑油的存在使沿程摩阻壓降增加。文獻[9]對含油制冷劑R22和R407C的流動沸騰特性進行研究，得到相比純制冷劑流動壓降增加了20%左右，傳熱降低了10%左右。文獻[10]對含油制冷劑R134a和R410A的兩相流動摩擦壓降進行研究，表明在高干度區(qū)潤滑油對兩相摩擦的影響較大，因為液相油溶度隨干度的增大而增大。文獻[11]在水平光管內對含油制冷劑R410A的兩相流動特性進行研究，表明潤滑油的存在始終增大了兩相流動壓降。文獻[12]綜述了含油制冷劑兩相流動特性，揭示了含油制冷劑兩相摩擦壓降的增大主要是因為含油制冷劑液相粘度增大。文獻[13]對CO2與PAG潤滑油混合物的兩相流動特性進行實驗研究，結果表明混合物的兩相流動壓降增大主要是因為在管內壁形成一層油膜和含油CO2液相粘度增大。文獻[14]對R32在5 mm和7 mm的水平光管內含潤滑油流動沸騰換熱進行研究，結果顯示壓降隨著干度的增大而增大，壓降隨著質量流量的增大和潤滑油含量的增大，壓降也在增大。文獻[15]在泡沫金屬管內研究含油率為0～5%的制冷劑流動沸騰的壓降特性，結果表明：隨含油率增加，增大了流體的表明張力，促進環(huán)狀流的發(fā)展，且部分油黏附于泡沫金屬纖維表面，導致壓降的增大。對于天然工質R600a，文獻[16]對其純工質工況下進行了流動沸騰的壓降特性研究，實驗表明隨質量流率和干度的增大, 摩擦壓降逐漸增大，在不同的流型區(qū)域內摩擦壓降的增速呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，其中環(huán)狀流區(qū)摩擦壓降增速最快。文獻[17]在內徑為8.7 mm的水平光管內對純R600a和含油R600a的兩相流動沸騰特性進行實驗研究，實驗在含油率1.0%～2.5%，質流密度130～380 kg/m2s，熱流密度10～27 kW/m2和飽和壓力0.5～0.6 kPa工況下進行，結果表明隨著油質量分數和質流密度的增加，兩相摩擦壓降在全干度范圍內都增大。

本文針對文獻[17]實驗研究的結果，采用文獻中已有的6種含油制冷劑兩相流動摩擦壓降的關聯(lián)式模型，對含油制冷劑R600a兩相流動摩擦壓降的實驗數據進行預測判斷。探究已有關聯(lián)式對含油制冷劑R600a兩相流動摩擦壓降的預測準確性。探尋預測精度高的關聯(lián)式模型，對優(yōu)化天然制冷劑R600a蒸發(fā)器的設計具有重要意義。

1 關聯(lián)式模型

文獻研究表明油的存在一定程度上會增大制冷劑在流動沸騰過程的阻力損失。很多學者也對含油制冷劑的兩相流動壓降特性進行了理論關聯(lián)式模型研究，獲得了預測精度較高的關聯(lián)式模型?，F(xiàn)有常用的含油制冷劑在光管內的壓降模型主要可歸納為兩種類型：油影響因子模型和混合物性的兩相增強因子模型。

1.1 油影響因子模型

油影響因子壓降模型如文獻[18-20]。油影響因子是油質量分數和質量流量的函數。采用油影響因子對制冷劑壓降進行修正來反映油對制冷劑的壓降影響。此方法是在純制冷劑壓降的基礎上乘以油影響因子進行修正，其計算表達形式為△Pr,o,frict=△Pr,frict·EF。Schlager et al.[18]給出了兩種形式的油影響因子模型，一種是一階多項式；另一種是一階指數形式，模型中僅考慮了油質量分數的影響。該模型預測值與實驗數據的偏差在±15%以內。Eckels et al.[19]根據油的種類關聯(lián)出多項式形式和指數形式的油影響因子模型，并給出了其關聯(lián)結果的相關性因子R2值，對于369-SUS潤滑油多項式形式和指數形式的R2值分別為0.97和0.88；對于169-SUS潤滑油，R2均為0.96。Tichy et al.[20]模型較簡單，沒有考慮油的物性，不能反映含油制冷劑的壓降特性。

1.2 混合物性的兩相增強因子模型

這類模型考慮了潤滑油的存在對混合物物性的影響，從而影響壓降特性。Zurcher et al.[21]采用含油制冷劑的混合粘度代替原模型中的制冷劑粘度來反映潤滑油的影響，能夠很好的預測R407C和油混合物在管內的壓降特性，模型中只考慮粘度的影響且是基于內徑為10.92 mm換熱管內的壓降數據開發(fā)的，此關聯(lián)式對其他制冷劑-油混合物，在其他管徑換熱管內壓降的預測性需要進一步進行驗證。Wei et al.[22]基于混合物物性開發(fā)了R22/油混合物在管內的壓降特性，能夠很好的預測其實驗數據。但該模型用來預測其他制冷劑-潤滑油混合物的壓降特性時，可能會引起很大的誤差。Hu et al.[23]基于混合物物性和流型Martinelli參數Xtt，建立了含油制冷劑R410A在管內的壓降特性，較好預測了R410A/油混合物管內兩相流動摩擦壓降實驗數據。上述關聯(lián)式模型具體表達形式見表1，其6種模型獲得的實驗條件均是在管內徑為6～10 mm范圍內，且研究的工況為管內流動沸騰過程，其實驗均采用氟氯烴類工質，而本文研究R600a屬于氟氯烴中的HC制冷工質，其熱物性與6種關聯(lián)式所研究制冷劑相似。因此考察6種已有模型對含油制冷劑R600a兩相流動摩擦壓降的預測準確性，對探尋油制冷劑R600a預測精度高的關聯(lián)式模型具有重要意義。

表1 含油制冷劑管內兩相流動摩擦壓降關聯(lián)式模型

2 油影響因子模型

在已有的制冷劑-油混合物兩相流動摩擦壓降關聯(lián)式中，Schlager關聯(lián)式、Eckels關聯(lián)式和Tichy關聯(lián)式為油影響因子模型。圖1、圖2和圖3分別給出了上述3種關聯(lián)式所得出的預測值與文獻[17]中R600a-油混合物在管內兩相流動摩擦壓降實驗值之間的對比。

由圖1和圖2可得，Schlager關聯(lián)式和Eckel關聯(lián)式得出的壓降預測值與R600a-油混合物在內徑為8.7 mm光管內兩相流動壓降實驗值較為吻合，總體上95%的預測數據點與實驗值的偏差分別為-45%～+5%和-40%～+5%。Schlager關聯(lián)式和Eckel關聯(lián)式得出的壓降預測值與實驗值的平均絕對偏差分別為27.3%和24.4%。但總體上Schlager關聯(lián)式和Eckel關聯(lián)式的預測值低于實驗值，其偏離程度在高干度區(qū)愈加明顯。由圖3可得，Tichy關聯(lián)式得出的壓降預測值與R600a-油混合物在內徑為8.7 mm光管內兩相流動壓降實驗值的偏差較大，總體上95%的預測數據點與實驗值的偏差落在-70%～-25%之間，預測值明顯低于實驗值，平均絕對偏差為50.5%。表2歸納總結在不同油質量分數條件下，關聯(lián)式模型的預測值與實驗值的絕對平均偏差，由表2可得Schlager關聯(lián)式和Eckel關聯(lián)式得出的壓降預測值與實驗值的平均絕對偏差隨油質量分數的增加而增大，隨油質量分數ωno從1.0%增加到2.5%，其偏差值分別從17.7%和17.5%增加到37.9%和32.3%。得到Schlager關聯(lián)式和Eckel關聯(lián)式的預測精度隨油質量分數ωno的增加而下降。由表2同時可以得到Tichy關聯(lián)式的預測值與實驗值的平均絕對偏差隨油質量分數的變化而幾乎保持不變，說明雖然Tichy關聯(lián)式預測精度偏差較大，但其總體油質量分數范圍內預測準確性相對較好。

圖1 Schlager關聯(lián)式預測值與實驗值對比Fig.1 Predicted frictional pressure drop of the Schlager correlation model compared with experimental values

圖2 Eckels關聯(lián)式預測值與實驗值對比Fig.2 Predicted frictional pressure drop of the Eckels correlation model compared with experimental values

圖3 Tichy關聯(lián)式預測值與實驗值對比Fig.3 Predicted frictional pressure drop of the Tichy correlation model compared with experimental values

3 混合物性增強因子模型

在已有的制冷劑-油混合物兩相流動摩擦壓降關聯(lián)式中，Zurcher關聯(lián)式、Wei關聯(lián)式和Hu關聯(lián)式為混合物性的兩相增強因子模型。圖4-圖6分別給出了上述3種關聯(lián)式所得出的預測值與文獻[17]中R600a-油混合物在管內兩相流動摩擦壓降實驗值之間的對比。

由圖1-圖3比較可得，Zurcher關聯(lián)式和Hu關聯(lián)式的壓降預測值與R600a-油混合物在內徑為8.7 mm光管內兩相流動壓降實驗值較為吻合?？傮w上95%的預測數據點與實驗值的偏差分別為-45%～+5%和-50%～+5%。Zurcher關聯(lián)式和Hu關聯(lián)式的壓降預測值與實驗值的平均絕對偏差分別為33.8%和34.0%，但總體上其預測值明顯低于實驗值。由圖3可得，Wei關聯(lián)式的壓降預測精度較差，其預測值明顯大于實驗值，總體上預測值大于實驗值163.8%，部分低干度區(qū)預測值大于實驗值200%。由表2可得Zurcher關聯(lián)式和Hu關聯(lián)式的壓降預測值與實驗值的平均絕對偏差隨油質量分數的增加而增大，隨油質量分數ωno從1%增加到2.5%，其偏差值分別從20.6%和20.2%增加到46.0%和47.3%。表明Zurcher關聯(lián)式和Hu關聯(lián)式的預測精度隨油質量分數ωno的增加而下降。以上分析說明，油質量分數對關聯(lián)式的預測精度有較大的影響，在含油制冷劑兩相流動摩擦壓降關聯(lián)式模型開發(fā)和優(yōu)化過程中需要著重考慮油質量分數對制冷劑物性的影響。上述幾種關聯(lián)式是針對特定的含油制冷劑開發(fā)的模型，其模型精度受至于制冷劑和油混合物的種類和其自身的物性。

圖4 Zurcher關聯(lián)式預測值與實驗值對比Fig.4 Predicted frictional pressure drop of the Zurcher correlation model compared with experimental values

圖5 Wei關聯(lián)式預測值與實驗值對比Fig.5 Predicted frictional pressure drop of the Wei correlation model compared with experimental values

圖6 Hu關聯(lián)式預測值與實驗值對比Fig.6 Predicted frictional pressure drop of the Hu correlation model compared with experimental values

油質量分數ωno/%絕對平均偏差(MARD)/%文獻[18]文獻[19]文獻[20]文獻[21]文獻[22]文獻[23]1.017.717.551.620.6201.020.21.522.420.550.229.4171.028.82.031.427.450.339.1149.539.52.537.932.349.746.0133.947.3

4 結論

本文采用文獻中已有的6種含油制冷劑兩相流動摩擦壓降的關聯(lián)式模型，對含油制冷劑R600a兩相流動摩擦壓降的實驗數據進行預測判斷。探究已有關聯(lián)式對含油制冷劑R600a兩相流動摩擦壓降的預測準確性。得到以下結論：

1)Schlager關聯(lián)式和Eckel關聯(lián)式得出的壓降預測值與實驗值的平均絕對偏差分別為27.3%和24.4%。但總體上Schlager關聯(lián)式和Eckel關聯(lián)式的預測值低于實驗值，其偏離程度在高干度區(qū)愈加明顯。對于產品開發(fā)和工程設計，Schlager關聯(lián)式和Eckel關聯(lián)式的預測精度可以接受，可應用于R600a制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的優(yōu)化設計。Tichy關聯(lián)式的預測值與實驗值的偏差較大，總體上95%的預測數據點與實驗值的偏差落在-70%～-25%之間。

2)Zurcher關聯(lián)式和Hu關聯(lián)式的壓降預測值與實驗值的平均絕對偏差分別為33.8%和34.0%，但總體上其預測值普遍低于實驗值。Wei關聯(lián)式的壓降預測精度較差，其預測值明顯大于實驗值，總體上預測值大于實驗值163.8%。

3)Schlager關聯(lián)式、Eckel關聯(lián)式、Zurcher關聯(lián)式和Hu關聯(lián)式的壓降預測值與實驗值的平均絕對偏差隨油質量分數增加而增大，其預測精度隨油質量分數的增加而下降。在含油制冷劑兩相流動摩擦壓降關聯(lián)式模型開發(fā)和優(yōu)化過程中需要著重考慮油質量分數對制冷劑物性的影響。