一種適用于低沸點(diǎn)混合制冷劑粘度測(cè)量裝置的研制

袁曉蓉 高贊軍 王學(xué)會(huì) 徐象國(guó) 陳光明 韓曉紅

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

一種適用于低沸點(diǎn)混合制冷劑粘度測(cè)量裝置的研制

袁曉蓉 高贊軍 王學(xué)會(huì) 徐象國(guó) 陳光明 韓曉紅

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

針對(duì)混合制冷劑等揮發(fā)性混合物粘度測(cè)量的需要，研制了一種新的適用于測(cè)量低沸點(diǎn)混合物粘度的旋轉(zhuǎn)式毛細(xì)管粘度計(jì)。該新型粘度測(cè)量裝置在壓力容器內(nèi)嵌入旋轉(zhuǎn)式毛細(xì)管粘度計(jì)，將旋轉(zhuǎn)法升液和壓力容器承壓結(jié)合起來(lái)，避免了傳統(tǒng)密封型毛細(xì)管粘度計(jì)由于抽放氣的升液方式而導(dǎo)致混合物成分的變化，可以實(shí)現(xiàn)在較高壓力下循環(huán)測(cè)量揮發(fā)性混合物溶液的粘度。采用R22和R290對(duì)旋轉(zhuǎn)式毛細(xì)管粘度計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定，并用R410A對(duì)粘度計(jì)的測(cè)量精度和性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，粘度測(cè)量值與文獻(xiàn)值最大相對(duì)偏差為0.81%。

混合制冷劑；粘度；旋轉(zhuǎn)式毛細(xì)管粘度計(jì)；低沸點(diǎn)液體；高壓

我國(guó)是制冷劑生產(chǎn)和消耗大國(guó)，近年來(lái)制冷空調(diào)行業(yè)發(fā)展迅速，制冷劑帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也引起強(qiáng)烈關(guān)注。人們開(kāi)始尋找環(huán)境友好型的制冷劑用以替代傳統(tǒng)制冷劑。然而，制冷劑的替代是個(gè)嚴(yán)格而慎重的過(guò)程，需要對(duì)制冷劑相關(guān)的各個(gè)方面進(jìn)行一系列研究測(cè)試，獲得大量而全面的數(shù)據(jù)，才能被很好地評(píng)估和論證，并且滿足工業(yè)應(yīng)用的需要，最終完成替代過(guò)程。

粘度是流體的基本屬性之一，在擬定和測(cè)試液體行為的各種理論中具有相當(dāng)?shù)膬r(jià)值[1]。粘度是研究流動(dòng)與換熱的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)有傳熱發(fā)生時(shí)，流體熱物性與傳熱是相互影響的，在流體的熱物性中，粘度對(duì)溫度的變化最為敏感，它對(duì)傳熱過(guò)程的影響遠(yuǎn)大于其他物性的影響，這必將對(duì)流動(dòng)中的傳熱和壓降特性產(chǎn)生重要影響[2]。制冷劑的液相粘度測(cè)量一直是國(guó)際上熱物性研究關(guān)注的內(nèi)容之一，目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已提出了多種不同的方法對(duì)不同的制冷劑粘度進(jìn)行了測(cè)量。表1給出了國(guó)內(nèi)外對(duì)制冷劑粘度的實(shí)驗(yàn)研究情況。從表1中可以看出這些研究主要集中在對(duì)純質(zhì)的粘度研究上，而對(duì)混合制冷劑的粘度，特別是液相粘度的研究非常少。

劉志剛等[11]研制了一種帶壓力容器的玻璃毛細(xì)管粘度計(jì)。該粘度計(jì)利用旁通管升液，但由于采用抽放氣的方式，測(cè)量揮發(fā)性混合物溶液粘度存在一定的局限性，這是因?yàn)槌榉艢獾纳悍绞綍?huì)改變混合物組分。美國(guó)NIST熱物理部的Ripple[3]提出了一個(gè)類似Ubbelhode粘度計(jì)的高壓毛細(xì)管粘度計(jì)。粘度計(jì)能承受超過(guò)1MPa的蒸汽壓力，整體精度約為3%，測(cè)量精度可與玻璃毛細(xì)管相媲美。吳江濤等[12]在此基礎(chǔ)上，結(jié)合玻璃毛細(xì)管粘度計(jì)計(jì)時(shí)泡的特點(diǎn)，研制了一種利用翻轉(zhuǎn)方式來(lái)升液的金屬毛細(xì)管粘度計(jì)，避免了放氣對(duì)混合物成分的影響，可以實(shí)現(xiàn)揮發(fā)性混合物或純質(zhì)溶液體系粘度的測(cè)量，但受目前國(guó)內(nèi)加工水平的限制，不銹鋼計(jì)時(shí)泡和毛細(xì)管內(nèi)表面粗糙度、光潔度和線性度難以達(dá)到要求，使得表面張力對(duì)流體流動(dòng)的影響加強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度加強(qiáng)。

在前人的工作基礎(chǔ)上，針對(duì)混合制冷劑等揮發(fā)性混合物粘度測(cè)量的需要，將旋轉(zhuǎn)法升液和壓力容器承壓結(jié)合起來(lái)，研制了一種新的適用于低沸點(diǎn)混合物粘度測(cè)量的旋轉(zhuǎn)式毛細(xì)管粘度計(jì)。

1 新型粘度測(cè)量裝置的提出

1.1 毛細(xì)管粘度計(jì)的測(cè)量原理與方法

毛細(xì)管粘度計(jì)測(cè)量的基本原理是 Hagen-Poiseuille定律。19世紀(jì)法國(guó)科學(xué)家泊肅葉對(duì)牛頓流體在毛細(xì)管中的流動(dòng)作了理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)研究。他假設(shè):1)流體是不可壓縮的；2)流體是牛頓流體；3)管子足夠長(zhǎng)、直線狀、內(nèi)徑均勻一致；4)在管壁處無(wú)滑動(dòng)；5)流動(dòng)為穩(wěn)定流；6)流動(dòng)為層流。

根據(jù)描述粘性流體在管子中流動(dòng)的哈根-泊肅葉定律有:

式中:η為流體的動(dòng)力粘度；R為毛細(xì)管的半徑；p為毛細(xì)管兩端的壓力差，對(duì)于重力型毛細(xì)管粘度計(jì)而言，即為重力和浮力作用之差；Q為流經(jīng)毛細(xì)管的流量；L為毛細(xì)管長(zhǎng)度；t為流體的流動(dòng)時(shí)間；V為在t時(shí)間內(nèi)流經(jīng)毛細(xì)管的流體體積。

泊氏公式是建立在外力完全用于克服內(nèi)摩擦力的假設(shè)上的，但實(shí)際上，需考慮動(dòng)能修正和末端修正。經(jīng)動(dòng)能修正和末端修正后的哈根－泊肅葉公式成為:

式中:ρL為待測(cè)流體液相密度；ρV為待測(cè)流體氣相密度；h為毛細(xì)管內(nèi)液柱的高度；g為重力加速度；m為動(dòng)能修正系數(shù)；n為末端修正系數(shù)。η，t，V，L，R代表的含義與式(1)相同。

毛細(xì)管法可以分為絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量。對(duì)于絕對(duì)測(cè)量，按照式(2)，不僅要求對(duì)毛細(xì)管的尺寸、流量、壓力進(jìn)行精確的測(cè)量，還需要用實(shí)驗(yàn)方法獲得動(dòng)能修正系數(shù)m及末端修正系數(shù)n。由于毛細(xì)管粘度計(jì)的尺寸在加工中難以控制，制成后也很難測(cè)量，因此絕對(duì)測(cè)量法目前僅用于粘度基準(zhǔn)的建立和一些特殊場(chǎng)合。相對(duì)測(cè)量法則不需要測(cè)量這些參數(shù)，而是通過(guò)與已知粘度的標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量。即先用已知粘度的流體準(zhǔn)確標(biāo)定毛細(xì)管粘度計(jì)常數(shù)A和B，在實(shí)驗(yàn)中只需準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)流體的流動(dòng)時(shí)間即可由式(3)得到運(yùn)動(dòng)粘度ν，再由液體的密度計(jì)算出動(dòng)力粘度η。

將式(2)轉(zhuǎn)換為:

對(duì)同一粘度計(jì)而言，其幾何尺寸是固定的，因此，V、R、L＋nR、h為常數(shù)，g、n、m可視為常數(shù)，于是毛細(xì)管粘度計(jì)常數(shù)A和B的值也是固定的。

1.2 新型粘度測(cè)量裝置的研制

新型粘度測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，主要包括:毛細(xì)管粘度計(jì)、壓力容器、真空系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及輔助管路。

由于混合制冷劑是一種高揮發(fā)性的低沸點(diǎn)工質(zhì)，因此必須在一個(gè)能耐高壓的密閉容器中進(jìn)行。壓力容器的設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，各部件之間通過(guò)不銹鋼螺栓連接，考慮到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的需要，釜體的左右兩側(cè)設(shè)計(jì)有直徑為40 mm的觀察窗，如圖2所示。

流體在毛細(xì)管中的流動(dòng)狀態(tài)是與毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)的，對(duì)于毛細(xì)管長(zhǎng)度而言，希望盡可能長(zhǎng)，以減少起始段的影響，但是受恒溫槽高度的限制，所使用的毛細(xì)管長(zhǎng)度L為125 mm。對(duì)于毛細(xì)管內(nèi)徑的確定，主要依據(jù)是保證Hagen-Poiseuille定律的適用，即毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)屬于層流:

根據(jù)式(5)可以得到V的計(jì)算公式:

為了便于計(jì)算，設(shè)計(jì)中不考慮動(dòng)能損失和末端效應(yīng)，則:把式(11)代入式(9)后可以得到:

k值取為1.0(在離臨界點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)是可行的)，于是運(yùn)動(dòng)粘度可以用下式計(jì)算:

則式(12)可化簡(jiǎn)為:

上式中L和g的值分別為125 mm和9800 mm/ s2，h的值與L的值則相同，ν的選取則要依據(jù)待測(cè)流體的粘度而定，取最小值?？紤]到目前制冷工質(zhì)等低沸點(diǎn)流體的運(yùn)動(dòng)粘度一般大于0.1 mm2/s，于是可以得到毛細(xì)管的半徑:

由于所需毛細(xì)管內(nèi)徑太小，廠家難以精確加工，實(shí)際使用的毛細(xì)管半徑據(jù)廠家描述為0.175 mm，毛細(xì)管半徑經(jīng)初步標(biāo)定為0.2 mm，此時(shí)按照式(14)計(jì)算出Re為1960＜2000，可認(rèn)為毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)處于層流狀態(tài)。

對(duì)于計(jì)時(shí)泡的體積，按運(yùn)動(dòng)粘度最小時(shí)，流體經(jīng)過(guò)毛細(xì)管的最短時(shí)間不能小于300 s來(lái)確定計(jì)時(shí)泡的體積。根據(jù)式(11)和式(13)可以得到計(jì)時(shí)泡體積V與測(cè)量時(shí)間t之間的關(guān)系:

由于體積的精確加工有相當(dāng)大的困難，粘度計(jì)的計(jì)時(shí)泡設(shè)計(jì)體積為9000 mm3，盡管減少了測(cè)量的時(shí)間，但滿足實(shí)驗(yàn)要求。

為保證旋轉(zhuǎn)升液時(shí)，計(jì)時(shí)球能被被測(cè)樣本填滿，上貯液器的體積應(yīng)大于計(jì)時(shí)球體積，設(shè)計(jì)的上貯液器體積為20400 mm3，下貯液器體積與上貯液器一樣。旋轉(zhuǎn)式毛細(xì)管粘度計(jì)已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)[13]，其實(shí)物圖如圖3所示。

表1 國(guó)內(nèi)外制冷劑粘度研究情況Tab.1 Domestic and international research on refrigerant viscosity

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 The schematic layout of the experimental system

圖2 壓力容器與粘度計(jì)組合剖面圖Fig.2 Sectional view of pressure vessel and viscometer

圖3 旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)實(shí)物圖Fig.3 Photo of rotatable capillary viscometer

2 實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性驗(yàn)證

采用R22和R290對(duì)毛細(xì)管粘度計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定，并用R410A對(duì)粘度計(jì)的測(cè)量精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2.1 樣品來(lái)源

實(shí)驗(yàn)用的R22、R290和R410A如表2所示。所有試劑在實(shí)驗(yàn)前沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步的提純。

2.2 毛細(xì)管粘度計(jì)常數(shù)A和B的標(biāo)定

由毛細(xì)管粘度計(jì)相對(duì)測(cè)量法的原理和式(3)可知，在測(cè)量工質(zhì)粘度之前，必須要利用標(biāo)準(zhǔn)液體對(duì)毛細(xì)管粘度計(jì)的常數(shù)A和B進(jìn)行標(biāo)定。

表2 樣品參數(shù)Tab.2 Parameters of the sample

實(shí)驗(yàn)選用R22和R290作為標(biāo)準(zhǔn)液，通過(guò)測(cè)量R22和R290液相流經(jīng)粘度計(jì)計(jì)時(shí)泡的時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的飽和溫度值，根據(jù)飽和溫度查詢得到粘度文獻(xiàn)值(NIST REF-PROP 9.0)，回歸得到毛細(xì)管粘度計(jì)常數(shù)A、B。

經(jīng)過(guò)粗大誤差判斷，并將同一溫度點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值后得到最終用于標(biāo)定毛細(xì)管粘度計(jì)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步標(biāo)定的粘度計(jì)常數(shù):

A＝4.523293e－10m2/s2

B＝1.971138e－6m2

選擇兩種標(biāo)準(zhǔn)液和多個(gè)溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)擬合A值的目的是為了減少測(cè)量中的偶然誤差。

表3給出了R22和R290的液相粘度測(cè)量結(jié)果，表中T和t是測(cè)量值。ρl、ρg、νref為NIST數(shù)據(jù)，νcal為式(3)計(jì)算值。從表3中可以看出計(jì)算值νcal與文獻(xiàn)值νref(NIST REF-PROP 9.0)差值的平均值為0.000001429 mm2/s，最大值為0.00108 mm2/s，平均相對(duì)偏差為0.0014%，最大相對(duì)偏差為－0.65%。

2.3 R410A液相粘度的測(cè)量

為了評(píng)價(jià)粘度計(jì)的測(cè)量精度和性能，對(duì)溫度為278～288 K的R410A粘度進(jìn)行了測(cè)量，并分別與文獻(xiàn)值(NIST REF-PROP 9.0)進(jìn)行了比較，結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，R410A的粘度測(cè)量值νcal與文獻(xiàn)值νref(NIST REF-PROP 9.0)差值的平均值為0.000696667 mm2/s，最大值為0.00107 mm2/s，平均相對(duì)偏差為0.5367%，最大相對(duì)偏差為0.81%。

2.4 實(shí)驗(yàn)不確定度分析

關(guān)于實(shí)驗(yàn)不確定度分析，實(shí)驗(yàn)中被測(cè)量的物理量是溫度T和時(shí)間t。溫度測(cè)量的不確定度包括溫度測(cè)量系統(tǒng)的不確定度和恒溫槽的溫度波動(dòng)度。鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)溫不確定度為±1 mK。對(duì)于時(shí)間的測(cè)量，計(jì)時(shí)器精度是0.1 s，實(shí)驗(yàn)時(shí)間偏差最大約±3 s，最短測(cè)量時(shí)間t＝295.9 s，因此△t/t＝±1.0%。根據(jù)式(3)，由于修正項(xiàng)B/t2在運(yùn)動(dòng)粘度中所占比例很小，可將其忽略，因而運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)量不確定度約等于時(shí)間測(cè)量的不確定度，即運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)量不確定度為±1.0%。又由動(dòng)力粘度的計(jì)算公式:

液相密度的不確定度一般小于±1.0%，因此實(shí)驗(yàn)動(dòng)力粘度的不確定度為±2.0%。

表3 R22和R290粘度實(shí)驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較Tab.3 Comparison of R22 and R290 viscosity experimental value and the standard value

表4 R410A粘度實(shí)驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較Tab.4 Comparison of R410A viscosity experimental value and the standard value

3 小結(jié)

1)在毛細(xì)管粘度測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，提出了一種低沸點(diǎn)混合制冷劑粘度測(cè)量裝置，該裝置的主要特點(diǎn)是在壓力容器內(nèi)嵌入旋轉(zhuǎn)式毛細(xì)管粘度計(jì)，將旋轉(zhuǎn)法升液和壓力容器承壓相結(jié)合，這樣不僅可以解決由于放氣導(dǎo)致混合物成分的變化和待測(cè)流體溫度的變化等問(wèn)題，而且可以承受高壓，循環(huán)測(cè)量。

2)采用R22和R290對(duì)毛細(xì)管粘度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)R410A的粘度進(jìn)行了測(cè)量，粘度測(cè)量值與文獻(xiàn)值最大相對(duì)偏差為0.81%。測(cè)量結(jié)果表明，該新型粘度計(jì)具有良好的可操作性與較高的精度。

3)在隨后的研究中將給出更大溫區(qū)范圍內(nèi)的混合制冷劑的液相粘度。

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Development of a Viscosity Measuring Device for Low Boiling Point Refrigerant Mixtures

Yuan Xiaorong Gao Zanjun Wang Xuehui Xu Xiangguo Chen Guangming Han Xiaohong

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou，310027，China)

According to the need for viscosity measurement of refrigerant mixtures，a new rotatable capillary viscometer is developed and designed.It is adequate for the viscosity investigation of the low boiling point liquid mixtures.A rotatable capillary viscometer is embedded in a pressure vessel.It combines the rotation method and the pressure vessel to realize the continuous experiment and eliminates the error brought from the deflation，which can repeat the viscosity measurement of the low boiling point liquid mixtures in the high pressure. The rotatable capillary viscometer was calibrated by R22 and R290 and checked by R410A.According to the results，the relative deviation of the viscometer has been controlled to be less than 0.81%.

refrigerant mixtures；viscosity；rotatable capillary viscometer；low boiling point liquid；high pressure

TB61＋2；TB65

A

0253－4339(2014)05－0001－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.001

韓曉紅，女(1973－)，副教授，浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，(0571)87953944，E-mail:hanxh66＠zju.edu.cn。研究方向:制冷劑的替代及關(guān)鍵技術(shù)研究(主要包括:混合制冷劑的汽液相平衡、制冷劑的循環(huán)性能、制冷劑與潤(rùn)滑油的相容性研究、制冷劑/潤(rùn)滑油與材料的相容性、制冷劑的密度、制冷劑的粘度，制冷劑在管內(nèi)的傳熱物性研究等)，制冷用換熱器的數(shù)值模擬與軟件開(kāi)發(fā)，換熱器新型材料及換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；液化天然氣的物性，如天然氣的汽液相平衡，天然氣的密度等；熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；高熱流密度的換熱設(shè)備及系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51176166)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51176166).)

2013年12月2日

About the corresponding author

Han Xiaohong(1973－)，female，Ph.D./associate professor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，(0571)87953944，E-mail:hanxh66＠zju.edu.cn.Research fields:alternative refrigerant research(vapor-liquid phase equilibrium，solubility and miscibility between refrigerant and lubricating oil，compatibility between refrigerant and material，density，cycle performance，and viscosity，heat transfer characteristics of new refrigerants，etc)；structural optimization and material of the heat exchanger；thermophysics of natural gas；new low-grade，heat-driven refrigeration systems；heat sink and air-conditioning systems for the high heat-flux space，etc.