李 廣 莊大偉 謝麗懿 丁國(guó)良 胡國(guó)新 鄭立宇 廖四清 盧耀汕 闞 望 龍春仙

(1 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240;2 廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 佛山 528300)

制冷劑在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)時(shí),不可避免地會(huì)與壓縮機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油接觸混合,共同進(jìn)入換熱器工作[1-2]。提升空調(diào)器性能的關(guān)鍵在于提升制冷劑-潤(rùn)滑油混合物在換熱器內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)并降低壓降。目前已有大量學(xué)者對(duì)制冷劑-潤(rùn)滑油混合物在換熱管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,涵蓋的制冷劑包括R410A[3-4]、R22[5-6]、R134a[7]等。然而在新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)下R410A等制冷劑正面臨逐步淘汰的問(wèn)題,R32作為新一代環(huán)保制冷劑,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)器中[8]。為了提升R32空調(diào)器的性能,需要研究R32-潤(rùn)滑油混合物在換熱管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱壓降特性。

目前空調(diào)系統(tǒng)中均采用與制冷劑完全互溶的潤(rùn)滑油;壓縮機(jī)油池內(nèi)將溶解大量制冷劑,使空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際循環(huán)量少于名義充注量,需進(jìn)一步增加充注量[9]。但R32制冷劑具有弱可燃性,為減少其泄漏后帶來(lái)的燃爆危害,需減少其在空調(diào)器內(nèi)的充注量[10-11]。若采用與制冷劑完全不互溶的潤(rùn)滑油,制冷劑-潤(rùn)滑油混合物在換熱器管內(nèi)換熱時(shí)易分層產(chǎn)生油膜,增加傳熱熱阻,大幅削弱換熱并提升壓降[12-13]。為了平衡制冷劑與潤(rùn)滑油相溶性過(guò)好或過(guò)差對(duì)R32空調(diào)器性能的不利影響,需要定量分析相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性的影響。

針對(duì)制冷劑-潤(rùn)滑油混合物在換熱管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性的研究,一直是制冷系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)有相關(guān)的研究涵蓋了完全互溶的潤(rùn)滑油-制冷劑混合物與完全不互溶的潤(rùn)滑油-制冷劑混合物兩大類,涉及的制冷劑類型包括R32[1]、R410A[3-4]、R22[5-6]、R717[14-15]等,如表1所示。其中對(duì)于R32,目前已公開(kāi)報(bào)道的研究成果均僅針對(duì)完全互溶潤(rùn)滑油,包括對(duì)完全互溶的R32-潤(rùn)滑油混合物在不同蒸發(fā)溫度、干度及油濃度下的管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)和壓降的測(cè)試以及關(guān)聯(lián)式開(kāi)發(fā)[1]。然而,現(xiàn)有研究成果均未考慮不同潤(rùn)滑油和R32之間的相溶性對(duì)傳熱系數(shù)及壓降的影響。

表1 制冷劑-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀綜述

潤(rùn)滑油和R32之間相溶性的變化,會(huì)改變R32-潤(rùn)滑油混合物在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的分層狀態(tài)。當(dāng)相溶性由好變差時(shí),R32-潤(rùn)滑油混合物會(huì)由均一流體逐漸分層形成兩層油濃度不同的混合物,改變了臨近換熱壁面的混合物的物性,進(jìn)而改變了混合物流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性。這種因混合物由均一轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱訉?duì)換熱和壓降造成的影響,無(wú)法依靠現(xiàn)有的針對(duì)始終均一的完全互溶潤(rùn)滑油-R32混合物的研究成果來(lái)評(píng)估。

綜上所述,制冷劑-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性會(huì)受到相溶性的影響。目前R32制冷劑的相關(guān)研究只針對(duì)始終均一的完全互溶潤(rùn)滑油-R32混合物,無(wú)法體現(xiàn)混合物由均一變化為分層對(duì)換熱產(chǎn)生的影響。本文的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究不同相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性的影響規(guī)律,給出具有最佳換熱與壓降性能的潤(rùn)滑油-制冷劑相溶性。

1 研究對(duì)象與思路

為了研究相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)傳熱與壓降特性的影響,本文對(duì)R32與不同潤(rùn)滑油的混合物在典型空調(diào)器運(yùn)行工況和換熱管型下的流動(dòng)沸騰傳熱與壓降進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到相溶性的影響機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)工況的選取既要覆蓋空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行工況,又要體現(xiàn)潤(rùn)滑油與R32制冷劑的不同相溶性。實(shí)驗(yàn)工況包括潤(rùn)滑油種類、蒸發(fā)溫度、潤(rùn)滑油在混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(簡(jiǎn)稱:油濃度)和干度4種,共計(jì)108個(gè)工況點(diǎn),詳情如表2所示。對(duì)于蒸發(fā)溫度工況,空調(diào)器常見(jiàn)的蒸發(fā)溫度范圍為0～10 ℃,為覆蓋該范圍并突出蒸發(fā)溫度變化對(duì)相溶性的影響,本文選取蒸發(fā)溫度工況為-5、5、15 ℃。對(duì)于干度工況,目前蒸發(fā)器換熱管內(nèi)制冷劑的干度范圍一般為0.2～1.0,本文選取測(cè)試管內(nèi)流體的平均干度為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7;對(duì)應(yīng)的入口干度控制為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65,對(duì)應(yīng)的出口干度控制為0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75。對(duì)于平均油濃度工況,空調(diào)器內(nèi)實(shí)際循環(huán)的混合物的平均油濃度約為1%,為突出平均油濃度及潤(rùn)滑油與R32相溶性對(duì)換熱特性的影響,本文選取平均油濃度為1%和5%;在本實(shí)驗(yàn)的入口干度條件下對(duì)應(yīng)的在換熱器管內(nèi)液相的局部油濃度最高可達(dá)20%。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

潤(rùn)滑油的選取要體現(xiàn)其相溶性對(duì)流動(dòng)沸騰換熱特性的影響。相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性的影響由混合物的分層情況決定,選取在實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下與R32制冷劑始終不分層、隨溫度變化由不分層向分層轉(zhuǎn)化以及始終分層三種酯類油品,即完全互溶潤(rùn)滑油、部分互溶潤(rùn)滑油以及完全不互溶潤(rùn)滑油。

其中,完全互溶潤(rùn)滑油與R32制冷劑在全部實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下混合后會(huì)形成均一穩(wěn)定的液體,無(wú)分層現(xiàn)象;部分互溶潤(rùn)滑油與R32制冷劑混合后的相溶性隨實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況的變化而變化,隨著蒸發(fā)溫度的降低和油濃度的增大,混合物會(huì)由完全互溶狀態(tài)向部分互溶狀態(tài)轉(zhuǎn)化,即由均一穩(wěn)定液體轉(zhuǎn)化為分層形成的貧油層與富油層;完全不互溶潤(rùn)滑油與R32制冷劑混合后在全部實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下會(huì)分層,形成純油層與純制冷劑層。三種潤(rùn)滑油與R32制冷劑在本實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下的相溶曲線與工況點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 三種潤(rùn)滑油-R32混合物的相溶特性及實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)分布

換熱管選用目前在空調(diào)換熱器中應(yīng)用最廣泛的7 mm換熱管。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括制冷劑回路與潤(rùn)滑油回路;制冷劑回路向?qū)嶒?yàn)測(cè)試管提供一定溫度與流量的R32-潤(rùn)滑油混合物并完成傳熱系數(shù)與壓降的定量測(cè)試;潤(rùn)滑油回路定時(shí)定量地向?qū)?rùn)滑油注入制冷劑回路完成測(cè)試。測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示,實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體介紹可參閱文獻(xiàn)[1]。

1壓縮機(jī);2壓縮機(jī)油分離器;3冷凝器;4氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥;5制冷劑質(zhì)量流量計(jì);6預(yù)熱盤(pán)管;7實(shí)驗(yàn)測(cè)試管;8過(guò)熱器;9實(shí)驗(yàn)測(cè)試潤(rùn)滑油分離器;10氣液分離器;11儲(chǔ)油罐;12高壓油泵;13微型調(diào)節(jié)閥;14潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì);15針閥;16止回閥。

為測(cè)試相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性的影響,需要依次對(duì)完全互溶潤(rùn)滑油、部分互溶潤(rùn)滑油與完全不互溶潤(rùn)滑油進(jìn)行測(cè)試。每種油品完成測(cè)試后,需放空實(shí)驗(yàn)臺(tái)并使用R141b清洗,然后重新充注R32與待測(cè)試潤(rùn)滑油。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試管與測(cè)試工況

實(shí)驗(yàn)測(cè)試管采用在銅管外纏繞電加熱帶的方式對(duì)管內(nèi)R32-潤(rùn)滑油混合物進(jìn)行間接電加熱,并在管壁上布置熱電偶測(cè)得壁面溫度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試管選用的電加熱帶為柔性電加熱帶,該電加熱帶可直接纏繞在紫銅直光管上用于加熱;選用的熱電偶為K型細(xì)線熱電偶,經(jīng)標(biāo)定后熱電偶的精度為±0.1 ℃。

在制作實(shí)驗(yàn)測(cè)試管時(shí),將整根銅管平均分成4段,每?jī)啥沃虚g留有間隙。在這4段銅管上分別涂抹導(dǎo)熱絕緣膠并纏繞電加熱帶;在每個(gè)間隙處的上、中、下部管壁表面布置3個(gè)熱電偶,以3個(gè)熱電偶測(cè)得壁溫的平均值作為該處的壁面溫度,最后纏繞玻璃纖維布,測(cè)試管如圖2(a)所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況包括蒸發(fā)溫度、干度與油濃度,詳情如第1節(jié)所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,蒸發(fā)溫度工況可由壓縮機(jī)頻率與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)節(jié);油濃度工況可由潤(rùn)滑油系統(tǒng)內(nèi)的微型調(diào)節(jié)閥實(shí)時(shí)調(diào)控;干度工況可由預(yù)熱盤(pán)管的加熱功率、測(cè)試管上布置的電加熱帶的加熱功率來(lái)共同調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出及誤差分析

R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)αtp,r,o[W/(m2·K)]可通過(guò)熱流密度q(W/m2)、實(shí)驗(yàn)測(cè)得的管壁溫度Tw(℃)、R32-潤(rùn)滑油混合物泡點(diǎn)溫度Tbub(℃)求得,如式(1)所示[1];傳熱系數(shù)的最小、最大相對(duì)誤差分別為1.8%、11.8%[1,21]。本文熱流密度通過(guò)換熱量除以傳熱面積來(lái)獲得;其中換熱量等于測(cè)試管壁面上纏繞的電加熱帶的加熱功率;傳熱面積為測(cè)試管內(nèi)表面積。

R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰摩擦壓降Δpr,o,fric可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得總壓降Δpr,o、加速壓降Δpr,o,acc、重力壓降Δpr,o,G求得[4](上述壓降單位均為kPa/m);摩擦壓降誤差由壓差傳感器決定,最大誤差為0.02 kPa[1]。

αtp,r,o=q/(TW-Tbub)

(1)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

油濃度是影響混合物是否分層的直接因素。實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況共包含1%和5%兩種油濃度,下面按照這兩種油濃度工況分別對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以討論,并對(duì)相溶性影響換熱的機(jī)制進(jìn)行分析。

3.1 油濃度5%下相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性的影響

當(dāng)油濃度為5%時(shí),3種相溶性的R32-潤(rùn)滑油混合物的管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)αtp,r,o及壓降Δp的變化如圖3所示。其中,當(dāng)R32與潤(rùn)滑油完全互溶時(shí),傳熱系數(shù)隨干度先增大再減小,壓降隨干度的增大而增大;當(dāng)R32與潤(rùn)滑油部分互溶時(shí),傳熱系數(shù)與壓降均一直隨著干度的增大而增大;當(dāng)R32與潤(rùn)滑油完全不互溶時(shí),傳熱系數(shù)隨干度的增大變化較小,壓降隨干度的增大而增大。

通過(guò)對(duì)比3種不同相溶性的混合物的傳熱系數(shù)可以看出,部分互溶的潤(rùn)滑油-R32混合物的傳熱系數(shù)大于完全互溶和完全不互溶的混合物,且提升幅度隨干度的增加而增加。當(dāng)干度達(dá)到本實(shí)驗(yàn)工況范圍最大的0.7時(shí),部分互溶、完全互溶和完全不互溶的混合物的傳熱系數(shù)分別為12 358.29 W/(m2·K)(點(diǎn)B24)、9 035.65 W/(m2·K)(點(diǎn)A24)、2 699.32 W/(m2·K)(點(diǎn)C24);部分互溶混合物傳熱系數(shù)相比于完全互溶混合物以及完全不互溶混合物的最大增幅分別為36.8%、357.8%。

通過(guò)對(duì)比3種不同相溶性的混合物的壓降可以看出,部分互溶潤(rùn)滑油-R32混合物壓降最小,而完全不互溶混合物壓降最大。在高干度(0.7)下,部分互溶、完全互溶和完全不互溶的混合物的單位管長(zhǎng)壓降分別為12.74 kPa/m(點(diǎn)B24)、14.00 kPa/m(點(diǎn)A24)、20.01 kPa/m(點(diǎn)C24),部分互溶潤(rùn)滑油相對(duì)于完全互溶潤(rùn)滑油以及完全不互溶潤(rùn)滑油的最大減小幅度分別為9.0%、36.3%。在其他干度工況下,部分互溶潤(rùn)滑油-R32混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降與完全互溶潤(rùn)滑油-R32混合物相近,均小于完全不互溶潤(rùn)滑油-R32混合物;當(dāng)相溶性由完全互溶逐漸減弱時(shí),壓降最大由C32處的8.01 kPa/m減小至A32處的3.35 kPa/m,減小幅度為58.2%。

3.2 油濃度1%下相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性的影響

當(dāng)油濃度為1%時(shí),3種相溶性的R32-潤(rùn)滑油混合物的管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)αtp,r,o與壓降Δp隨相溶性的變化如圖4所示。R32-完全互溶潤(rùn)滑油混合物與R32-部分互溶潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)與壓降均會(huì)隨干度的增大而增大;R32-完全不互溶潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨干度的增大變化較小,壓降隨干度的增大而增大。

部分互溶潤(rùn)滑油-R32混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)與完全互溶潤(rùn)滑油-R32混合物相近,均大于完全不互溶潤(rùn)滑油-R32混合物;當(dāng)相溶性由完全不互溶逐漸增強(qiáng)時(shí),傳熱系數(shù)最大由C5處的2 983.85 W/(m2·K)增至A5處的9 760.95 W/(m2·K),增幅為202.8%。部分互溶潤(rùn)滑油-R32混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降與完全互溶潤(rùn)滑油-R32混合物相近,均小于完全不互溶潤(rùn)滑油-R32混合物;當(dāng)相溶性由完全互溶逐漸減弱時(shí),壓降最大由C26處的4.67 kPa/m減小至A26處的2.54 kPa/m,減小幅度為45.6%。

3.3 相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰及壓降特性影響機(jī)理分析

相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性的影響由油濃度決定。當(dāng)油濃度較高時(shí),部分互溶潤(rùn)滑油-R32混合物的換熱性能優(yōu)于完全互溶和完全不互溶混合物;當(dāng)油濃度較低時(shí),部分互溶混合物的換熱性能與完全互溶混合物相近,均大于完全不互溶混合物。

當(dāng)管內(nèi)干度較低時(shí),液相流體內(nèi)的油濃度也較低,管內(nèi)流型為層狀流,如圖5(a)所示。由相溶性曲線可知此時(shí)部分互溶潤(rùn)滑油與R32制冷劑仍處于完全互溶狀態(tài),R32-部分互溶潤(rùn)滑油混合物與R32-完全互溶潤(rùn)滑油混合物在管內(nèi)均會(huì)形成均一穩(wěn)定的液體,二者傳熱系數(shù)與壓降相近;R32-完全不互溶潤(rùn)滑油混合物在換熱管內(nèi)會(huì)分層形成近壁面處的純制冷劑層與遠(yuǎn)離壁面的純油層,液相表面的高粘性油膜的存在會(huì)抑制氣泡的脫離,嚴(yán)重削弱換熱并增加壓降。當(dāng)管內(nèi)干度增大,液相流體內(nèi)的油濃度隨之增大,管內(nèi)流型轉(zhuǎn)化為環(huán)狀流,如圖5(b)所示。由相溶性曲線可知,此時(shí)R32-部分互溶潤(rùn)滑油混合物在換熱管內(nèi)會(huì)分層形成近壁面處的貧油層與遠(yuǎn)離壁面的富油層,使得近壁面處油濃度低于R32-完全互溶潤(rùn)滑油混合物,延緩油濃度上升帶來(lái)的惡化效果,增強(qiáng)換熱并降低壓降;R32與完全不互溶潤(rùn)滑油分層后形成的純油層會(huì)在高粘性力的作用下,在流型轉(zhuǎn)化為環(huán)狀流時(shí)附著在管壁上,增大換熱熱阻,嚴(yán)重削弱換熱并增加壓降[14-15]。

圖5 相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性影響機(jī)理分析

4 結(jié)論

本文選取R32制冷劑與其完全互溶、部分互溶、完全不互溶的3種潤(rùn)滑油為研究對(duì)象,實(shí)驗(yàn)測(cè)試了3種混合物在蒸發(fā)溫度為-5～15 ℃、質(zhì)流密度為300 kg/(m2·s)、干度為0.2～0.7、油濃度為1%與5%下的管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)與壓降,研究了相溶性對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱及壓降特性的影響機(jī)制。得到結(jié)論如下:

1)3種油品中部分互溶潤(rùn)滑油-R32混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)最大,完全不互溶潤(rùn)滑油-R32混合物傳熱系數(shù)最小;部分互溶潤(rùn)滑油相對(duì)于完全互溶潤(rùn)滑油以及完全不互溶潤(rùn)滑油的最大增幅分別為36.8%、357.8%。

2)3種油品中部分互溶潤(rùn)滑油-R32混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降最小,完全不互溶潤(rùn)滑油-R32混合物壓降最大;部分互溶潤(rùn)滑油相對(duì)于完全互溶潤(rùn)滑油以及完全不互溶潤(rùn)滑油的最大減小幅度分別為9.0%、36.3%。

3)R32與不同相溶性潤(rùn)滑油混合后會(huì)出現(xiàn)不同的分層現(xiàn)象,R32-完全互溶潤(rùn)滑油混合物在管內(nèi)形成均一穩(wěn)定的液體;R32-部分互溶潤(rùn)滑油混合物在低蒸發(fā)溫度、高干度、高油濃度下會(huì)分層形成近壁面處的貧油層與遠(yuǎn)離壁面的富油層,近壁面處的油濃度始終較低,有利于氣泡連續(xù)生成逸出,延緩因油濃度增大對(duì)換熱的削弱作用,同時(shí)近壁面處液膜的低粘度使壓降降低;R32-完全不互溶潤(rùn)滑油混合物在管內(nèi)會(huì)分層形成純制冷劑層與純油層,會(huì)極大地削弱換熱并增加壓降。

4)在這3種潤(rùn)滑油中,部分互溶潤(rùn)滑油更有利于增強(qiáng)R32制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱并降低壓降,今后可根據(jù)空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行工況,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的部分互溶潤(rùn)滑油。