丙烷旋轉壓縮機油池中礦物油和丙烷混合物的黏度測量與溶解度推算

吳建華,雷博雯,陳振華,李金波,張澤

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

丙烷(R290)屬于自然工質,環(huán)保性好,但由于R290的可燃性,對系統(tǒng)的安全性有相應的要求。德國GIZ Proklima公司和公安部天津消防研究所等單位對R290用于房間空調(diào)器的安全性進行了相關研究[1-2]。此外,有關R290熱物性、R290房間空調(diào)器的能效及其壓縮機等方面的研究也不少,例如:文獻[3]對比了相同熱泵或制冷設備中不同制冷劑的性能系數(shù),發(fā)現(xiàn)丙烷(R290)、丙烯(R1270)等碳氫制冷劑與二氟一氯甲烷(R22)、四氟乙烷(R134a)等氫氟烴類制冷劑(HFC)的性能系數(shù)相當或略大,而在3種碳氫制冷劑中,R290和R1270的性能系數(shù)要高于異丁烷(R600a);文獻[4]將R22房間空調(diào)器中壓縮機的行程容積擴大20%、工質分別替換為R290和R1270后,空調(diào)系統(tǒng)的制冷量及性能系數(shù)均高于原R22空調(diào)系統(tǒng),然而考慮到R290及R1270的可燃性,需要減小系統(tǒng)中工質的充注量,即需要同時減少換熱器、壓縮機及液相管路中的制冷劑量。文獻[5]分別測量了不同工況下以R22和R290為工質的旋轉壓縮機的系統(tǒng)性能及p-V圖,分析了能量損失的分布和熱力過程,提出了提高R290旋轉壓縮機效率的方法。

房間空調(diào)器通常采用高背壓旋轉壓縮機,其油池處于排氣壓力下,制冷劑在油池中的溶解度取決于潤滑油及制冷劑自身的性質、油池溫度和排氣壓力。潤滑油制冷劑混合物的黏度不僅取決于給定溫度下潤滑油和液體制冷劑自身的黏度,而且還取決于制冷劑在潤滑油中的溶解度,即溶解度越大,混合物的黏度越小[6]。文獻[7]測量了冷啟動工況下油池中不同混合物的黏度。R22和R410A空調(diào)器中的旋轉壓縮機常采用黏度等級為ISO VG 56和68的潤滑油,而由于R290在礦物油中的易溶性,所以R290旋轉壓縮機中需要采用高黏度(例如ISO VG 100)礦物油。文獻[8]測量了R22和R410A變頻熱泵系統(tǒng)的雙缸滾動轉子壓縮機油池中潤滑油制冷劑混合物的黏度,發(fā)現(xiàn)MO-R22混合物的黏度為2.5 mPa·s,純礦物油的黏度為6.5 mPa·s;R410A-POE混合物的黏度為4.0 mPa·s,純POE油的黏度為10.0 mPa·s?？梢钥闯?純潤滑油的黏度和混合物的黏度相差很大,且制冷劑溶解度越大,黏度相差也越大。

飽和潤滑油制冷劑混合物的性質一般通過相應的模型或丹尼爾圖來估計,壓縮機廠家也會提供PVT圖。Ginies等通過試驗測量了低背壓渦旋壓縮機中制冷劑在潤滑油中的動態(tài)溶解度,并與PVT圖中相應的靜態(tài)溶解度進行了對比,指出該動態(tài)溶解度比PVT圖中的靜態(tài)溶解度低5%～10%[9]。對于高背壓旋轉壓縮機,動態(tài)溶解度可能更低,對黏度估計的影響也更大。由于旋轉壓縮機軸承的油膜厚度取決于軸承尺寸、轉速和混合物的黏度,所以溶解度的估計偏差會進一步影響油膜厚度的計算。文獻[10-11]分別提出了計算滿足軸承可靠性的最小油膜厚度的方法。

R290在油池中的溶解度及MO-R290混合物的黏度是影響房間空調(diào)器旋轉壓縮機性能、軸承可靠性以及R290含量的重要因素。通過丹尼爾圖或PVT圖等來估計溶解度和黏度會有較大偏差,因此本研究在壓縮機性能試驗臺及空調(diào)器系統(tǒng)上通過試驗來測量不同制冷工況下油池中MO-R290混合物的溫度和黏度,并根據(jù)MO-R290混合物的物性,推算R290在油池中的溶解度。

1 試驗設備和試驗工況

試驗分為2部分,一部分在R290空調(diào)壓縮機性能試驗臺進行,另一部分在空調(diào)器系統(tǒng)(即焓差室)進行。

1.1 壓縮機、空調(diào)器與黏度計

研究對象是R290高背壓變頻旋轉壓縮機,采用與R290完全互溶的高黏度礦物油MO VG100。壓縮機氣缸直徑為50 mm,氣缸高度為24 mm,曲軸偏心距為5.3 mm,行程容積為17.9 cm3。礦物油MO VG100在40 ℃時的運動黏度為97.4 mm2/s,在100 ℃時的運動黏度為10.9 mm2/s,酸價為0 mg/g,黏度指數(shù)為95,傾點為-15 ℃,燃點高于200 ℃。

試驗用空調(diào)器采用美的公司制造的R290變頻空調(diào)器,額定制冷和制熱能力分別為2.6 kW和4.2 kW,所用壓縮機為上述R290高背壓變頻旋轉壓縮機。

試驗采用美國Cambridge公司的SPL501微型黏度探頭及VISCO Pro 2000型黏度檢測和控制系統(tǒng)來測試壓縮機油池中混合物的黏度。

1.2 壓縮機性能試驗臺與試驗工況

壓縮機性能試驗臺,又稱量熱器,可以精確設定和控制壓縮機運行條件,并測量壓縮機的制冷能力、輸入功率和性能系數(shù)(用Cp表示)。除一些安全措施外,R290壓縮機量熱器的工作原理及結構與一般的HCHC或HFC量熱器的相同。量熱器所用熱電偶和壓力傳感器的不確定度為0.15%。

壓縮機性能試驗臺的7種工況(即符合美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會標準的工況(ASHRAE工況)及其4種變工況、高效工況(GX)和符合美國制冷空調(diào)與供暖協(xié)會標準的工況(ARI))如表1所示,所有工況的環(huán)境溫度均為35 ℃。

表1 壓縮機性能試驗臺的測試工況

1.3 焓差室與試驗工況

焓差室可以調(diào)整室內(nèi)外的干球溫度(td)和濕球溫度(tw),測量R290空調(diào)器的制冷/制熱能力Q和耗功。進入空氣測量裝置的空氣的干、濕球溫度精度為±0.2 ℃,室內(nèi)外熱電偶的精度為±0.1 ℃,電功率測量精度為0.5%。制冷能力和能效比的不確定度分別為1.53%和3.27%?？照{(diào)器系統(tǒng)中壓力傳感器和熱電偶的精度分別為±0.25%和±0.5 ℃。

空調(diào)器的運行工況如表2所示。

表2 空調(diào)器運行工況

2 油池中R290溶解度及混合物運動黏度的計算

壓縮機排氣中包含潤滑油油滴,油滴可視為MO-R290的飽和溶液。在電機下部空腔中,油滴從制冷劑蒸氣中分離出來,直接落入油池或在殼體壁面形成油膜進行回油。因為排氣溫度td高于油池溫度,R290在油滴中的溶解度低于在油池中的溶解度,所以R290會通過油池表面或泡沫層溶入礦物油。

當壓縮機穩(wěn)定運行時,礦物油從油池頂部流至曲軸孔下部的過程中會與環(huán)境、氣缸和軸承換熱,導致油池頂部溫度高于底部溫度。雖然油池中不同位置的油溫不同,但油池油面以下無泡沫區(qū)中R290的溶解度基本相同,即為R290在油池中的溶解度。試驗中,同時測出油池中相同位置MO-R290混合物的溫度和動力黏度,結合混合物的密度等熱物性參數(shù)值,可得到潤滑油中R290的溶解度及其運動黏度。

由于油池不同位置的溫度不同,且潤滑油制冷劑混合物不處于飽和狀態(tài),所以不能直接選取油池中某一位置的溫度作為油池溫度進行計算分析。本試驗中,根據(jù)R290的溶解度和油池上的壓力,可得到此溶解度下對應的飽和溫度,定為飽和溶解溫度ta,油池過熱度Δto即為飽和溶解溫度與冷凝溫度的差值。

3 試驗結果分析

3.1 壓縮機性能試驗臺測試結果分析

壓縮機性能試驗臺上的測試和推算結果見表3。從ASHRAE～ASHRAE2工況下性能系數(shù)Cp的變化可以看出,吸氣過熱度越高,系統(tǒng)的性能系數(shù)也越高。在表1中的測試工況下,混合物黏度范圍為2.46～3.98 mPa·s。在ASHRAE工況下,R22空調(diào)器用旋轉壓縮機中MO VG56-R22混合物的黏度約為2.5 mPa·s[8],MO-R290混合物的黏度為3.68 mPa·s,而R290和R22空調(diào)系統(tǒng)的吸排氣壓差分別為1.3和1.5 MPa。

Sommerfeld數(shù)(Sb)是用于評價徑向滑動軸承承載性能的量綱一參數(shù),表達式為

(1)

式中:D為軸頸直徑;N為軸頸轉速;L為軸頸長度;R為軸承半徑;C為軸承的半徑間隙;W為載荷;η為潤滑油黏度。

也就說,在轉速相同的情況下,如果R290和R22旋轉壓縮機中軸承的尺寸相差不大,MO VG100足以滿足R290旋轉壓縮機軸承潤滑的需要。

與R22或R410A旋轉壓縮機不同,R290旋轉壓縮機油池中混合物的黏度μm受吸氣過熱度Δts影響較大。在ASHRAE～ASHRAE2工況下,吸氣過熱度從27.8 ℃降低到7.8 ℃時,R290的溶解度(S)從15.6%急劇增至22.5%,混合物的黏度從3.68 mPa·s降低到2.46 mPa·s。同時,對比ASHRAE、ASHRAE3和ASHRAE4工況下混合物的黏度和R290的溶解度可以看出,排氣壓力對混合物黏度影響很大,而對R290的溶解度影響不大。與ASHRAE工況下相比,GX和ARI工況下較低的吸氣過熱度和吸排氣壓比導致油池溫度和油池過熱度較低,所以,在這2種工況下R290在油池中的溶解度高于在ASHRAE工況下的溶解度,混合物黏度也更小。

制冷劑在潤滑油中的溶解度取決于油池過熱度和排氣壓力,即油池過熱度越大,溶解度就越小;排氣壓力越高,溶解度就越大。油池的過熱度取決于吸氣過熱度和吸排氣壓比,而潤滑油制冷劑混合物的黏度不僅與吸氣過熱度、吸排氣壓比和排氣壓力有關,而且與潤滑油黏度等級及液體制冷劑黏度有關。

礦物油從油池頂部流至曲軸孔下部的過程中與環(huán)境、氣缸和軸承換熱,導致油池頂部溫度tu高于底部溫度tb。黏度計安裝在油池底部,所以黏度計測得的溫度tm與油池底部溫度接近。試驗數(shù)據(jù)表明,油池溫度實際上更接近油池頂部溫度,因此,若無合適的測量儀器,可以將油池頂部溫度作為油池溫度進行分析或計算。

表3 不同工況下的試驗和推算結果

3.2 焓差室測試結果分析

焓差室中的測試結果及性能參數(shù)見表4?？梢钥闯?隨著壓縮機轉速的增加,制冷/制熱能力提高,性能系數(shù)降低。此外,額定制冷工況的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度均比GX工況的高約1.7 ℃,其進排氣壓差比GX工況的略小。為了獲得更大的制熱能力,額定制熱工況的轉速更高,其冷凝溫度較ARI工況的高8.2 ℃,蒸發(fā)溫度較ARI工況的低1.7 ℃。

表4 焓差室中的測試結果及性能參數(shù)

焓差室中的測試和推算結果見表5?？梢钥闯?額定制冷工況下的吸氣過熱度為14.3 ℃,遠高于R22或R410A空調(diào)器的吸氣過熱度,而排氣過熱度Δtd僅為16.5 ℃;油池溫度低于60 ℃,油池過熱度為14.4 ℃;R290的溶解度約為20%。此系統(tǒng)中R290和MO的充注量相當,也就是說,約占R290總量20%的制冷劑溶解在油池中,遠高于R22或R410A系統(tǒng)中制冷劑的溶解度。

由于R290的低絕熱指數(shù)和在MO中的易溶性,使得即使壓縮機吸氣過熱度很高,其排氣過熱度仍然不高,因此油池過熱度不高,進一步導致了R290的高溶解度。吸氣過熱度高時,會使蒸發(fā)器傳熱效率降低,導致空調(diào)器能效降低;吸氣過熱度低時,大量R290會溶解在潤滑油中,導致混合物黏度下降,同時,由于換熱器中缺少制冷劑,使得系統(tǒng)的制冷能力和性能系數(shù)下降。為了保證空調(diào)器系統(tǒng)的可靠性及其能效,需要在使用與R290互溶性好的礦物油的空調(diào)器系統(tǒng)中采取高吸氣過熱度。

表5 焓差室中的測試和推算結果

若系統(tǒng)采用與R290互溶性不好的潤滑油,如PAG,則系統(tǒng)所需要的吸氣過熱度減小,同時系統(tǒng)還會產(chǎn)生其他問題。溶解度和互溶性概念不同,但一般來說,R290溶解度低的潤滑油與R290的互溶性差。

表5中的2種制熱工況與4種制冷工況相比,吸氣過熱度和油池過熱度(Δto)均較小,R290溶解度更高。此外,對比黏度計測得的閥前溫度tv、油池頂部溫度tu和飽和溶解溫度ta不難發(fā)現(xiàn),飽和溶解溫度與油池頂部溫度更為接近。

R290在MO和PAG中的溶解度隨油池過熱度的變化如圖1所示,圖中還顯示了排氣壓力對R290溶解度的影響。以溶解度為20%作為分隔點,每條曲線可以分為2部分,前半部分R290的溶解度隨著油池過熱度的增加急劇下降,而后半部分則是緩慢下降。

圖1 不同油池過熱度下R290在MO和PAG中的溶解度

MO-R290和PAG-R290曲線的變化趨勢有所不同,曲線的分隔點位置也不同。相較PAG,R290更易溶于MO,所以溶解度相同時,MO-R290所需的油池過熱度更高。由圖1可見:MO-R290曲線分隔點處的油池過熱度為14 ℃,而PAG-R290曲線分隔點處的油池過熱度為5 ℃,換句話說,在相同的油池過熱度下,R290在MO中的溶解度大于在PAG中的溶解度;當油池過熱度從4 ℃上升到7.5 ℃時,R290在MO中的溶解度由40%降到30%,R290在PAG中的溶解度由25%降到20%,而當油池過熱度達到30 ℃時,R290在MO和PAG中的溶解度幾乎相同。

圖中3條MO-R290曲線對應的排氣壓力均為常用排氣壓力,但曲線之間差異不大,相較于排氣壓力,油池過熱度對溶解度影響更大。

綜上所述,R290在潤滑油中的溶解度主要受油池過熱度的影響,排氣壓力對其影響不大;當潤滑油的類型不同時,R290空調(diào)器所需的油池過熱度也不相同。

4 結 論

(1)對于采用MO潤滑的R290空調(diào)器,R290在MO中的溶解度及其混合物的黏度主要受油池過熱度的影響,即油池過熱度越高,油池中R290的溶解度就越低,而油池過熱度則與吸氣過熱度正相關。

(2)在多種測試工況下,對于性能試驗臺上及空調(diào)系統(tǒng)中的R290旋轉壓縮機,選用互溶性好的礦物油時,吸氣過熱度要適當,即使是選用高黏度的礦物油時,吸氣過熱度也需要高于現(xiàn)有空調(diào)的吸氣過熱度,這樣潤滑油-R290混合物的黏度才能滿足軸承潤滑的需要。當壓縮機轉速相同時,若R290旋轉壓縮機與R22旋轉壓縮機中的軸承尺寸相差不大,則潤滑油MO VG100足以滿足R290旋轉壓縮機軸承潤滑的需要。

(3)壓縮機吸氣過熱度的最優(yōu)化不僅要考慮系統(tǒng)的性能,而且要考慮系統(tǒng)中R290的充注量及油池中MO-R290混合物的黏度。

(4)油池中不同位置的溫度不同,但在油池油面以下的無泡沫區(qū)中R290的溶解度相同,以此溶解度作為飽和溶解度可計算得到飽和溶解溫度,此飽和溶解溫度可以視為油池溫度。鑒于油池溫度接近于油池頂部溫度,若無合適的測量儀器,可將油池頂部溫度作為油池溫度進行分析。