含油R32管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性測(cè)試及關(guān)聯(lián)式開(kāi)發(fā)

李廣，莊大偉，謝麗懿，丁國(guó)良，鄭立宇，龍春仙，江波

（1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240； 2 廣東美芝制冷設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528300）

引 言

空調(diào)器具有調(diào)控溫度與濕度的功能，在建筑、電子、精密制造等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-4]。當(dāng)前房間空調(diào)器使用的制冷劑主要為R410A，但由于其具有高全球變暖潛力值（GWP），在新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)下正面臨被逐漸淘汰的問(wèn)題[5-6]。R32 由于其GWP 值僅為R410A 的1/3 且飽和曲線(xiàn)與R410A 接近，工作壓力差別較?。划?dāng)工質(zhì)由R410A 替換為R32 時(shí)，空調(diào)器的結(jié)構(gòu)就不需要做大的改動(dòng)，因此R32 被認(rèn)為是R410A眾多替代品中最有前景的一種[7-8]。

R32 具有弱可燃性，為減少其從系統(tǒng)中泄漏后帶來(lái)的燃爆危害，必須減少R32 在空調(diào)器中的充注量[9-11]。將R32直接替代R410A 用于現(xiàn)有空調(diào)器中，會(huì)出現(xiàn)因R32 充注量少而造成的空調(diào)能力下降問(wèn)題，這就需要對(duì)空調(diào)器的部件尤其是換熱器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[12-14]。

制冷劑在壓縮式空調(diào)系統(tǒng)中循環(huán)工作時(shí)，不可避免地會(huì)與壓縮機(jī)內(nèi)的潤(rùn)滑油接觸混合[15-17]。潤(rùn)滑油的存在對(duì)制冷劑的物性及管內(nèi)流型的轉(zhuǎn)化有不同的作用，因此對(duì)換熱器重新設(shè)計(jì)必須考慮潤(rùn)滑油的影響并開(kāi)發(fā)可定量計(jì)算傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式[18-19]。

目前已公開(kāi)報(bào)道的針對(duì)R32制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性的研究成果，均僅適用于純R32 制冷劑[20-22]，然而潤(rùn)滑油的混入會(huì)對(duì)制冷劑流動(dòng)沸騰換熱特性產(chǎn)生重要且復(fù)雜的影響。已有的其他工質(zhì)與潤(rùn)滑油混合物換熱研究成果表明:潤(rùn)滑油的混入會(huì)導(dǎo)致純制冷劑傳熱系數(shù)變化-19.2%～62.5%；潤(rùn)滑油對(duì)傳熱系數(shù)的影響還會(huì)隨工況變化，例如在低干度下混合物傳熱系數(shù)隨油濃度的增大而增大，在高干度下隨油濃度的增大先增大后減小[23-24]。

已有的制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式涉及R22[24-25]、R134a[26]、R410A[27];公式形式有純制冷劑換熱模型[28]、不考慮混合物物性的增強(qiáng)因子模型[29-30]、考慮混合物物性與流型的模型[31-32]三種。由于這些模型針對(duì)的工質(zhì)不含R32 制冷劑，而不同的制冷劑物性與流型均會(huì)對(duì)換熱產(chǎn)生重要影響，因此目前已有關(guān)聯(lián)式均無(wú)法預(yù)測(cè)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性。

綜上所述，潤(rùn)滑油對(duì)R32 管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的影響不可忽略，但目前尚無(wú)針對(duì)R32-潤(rùn)滑油混合物流動(dòng)沸騰換熱特性的研究成果，也沒(méi)有適用的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。因此本文的目的是研究掌握制冷劑R32-潤(rùn)滑油混合物在水平光管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由制冷劑回路、潤(rùn)滑油回路、冷卻水回路組成，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

制冷劑回路由壓縮機(jī)、壓縮機(jī)油分離器、過(guò)冷器、預(yù)熱器、測(cè)試段、過(guò)熱器、油分離器組等設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)制冷劑的蒸發(fā)與冷凝過(guò)程并測(cè)得傳熱系數(shù)。壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣體經(jīng)壓縮機(jī)油分離器后直接進(jìn)入過(guò)冷器被冷卻為過(guò)冷液體，來(lái)自過(guò)冷器的制冷劑液體一路經(jīng)制冷劑流量計(jì)測(cè)量流量后與注入的潤(rùn)滑油混合進(jìn)入預(yù)熱器、測(cè)試段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試；另一路經(jīng)旁通回路與測(cè)試完成的含油制冷劑混合一起進(jìn)入過(guò)熱器被加熱為過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱器出口的含油制冷劑氣體經(jīng)油分離器組回收測(cè)試完成的潤(rùn)滑油后，純凈制冷劑氣體經(jīng)氣液分離器回到壓縮機(jī)內(nèi)完成循環(huán)。

潤(rùn)滑油回路由高壓油泵、潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì)、儲(chǔ)油罐等設(shè)備組成，定時(shí)定量向制冷劑回路中注入潤(rùn)滑油并回收測(cè)試完成的潤(rùn)滑油。高壓油泵泵出的潤(rùn)滑油通過(guò)針閥及微型調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后，從注油口注入制冷劑回路中。測(cè)試完成潤(rùn)滑油經(jīng)油分離器組回到儲(chǔ)油罐中完成循環(huán)。

冷卻水回路由水箱、冷水機(jī)組、水泵等設(shè)備組成，為制冷劑回路提供所需的冷量。水箱中的冷水經(jīng)變頻水泵增壓、針閥調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入過(guò)冷器將過(guò)熱氣體冷卻為過(guò)冷液態(tài)，之后回到水箱完成循環(huán)。水箱與冷水機(jī)組相連保證水箱內(nèi)水溫恒定。

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)需控制的主要參數(shù)包括制冷劑的蒸發(fā)溫度、質(zhì)量流量，潤(rùn)滑油的質(zhì)量流量，冷卻水與加熱水的溫度與流量。制冷劑的蒸發(fā)溫度與流量通過(guò)控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與膨脹閥的開(kāi)度協(xié)同調(diào)節(jié)，潤(rùn)滑油的流量通過(guò)旁通針閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)。上述所有溫度均由熱電偶測(cè)得，壓力由壓力傳感器測(cè)得，流量由流量計(jì)測(cè)得，所有設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)的采集集成到電控柜上，以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同步調(diào)節(jié)與測(cè)量。

1.2 測(cè)試段

實(shí)驗(yàn)測(cè)試段主要包括測(cè)試管、電加熱繩、熱電偶和保溫材料。測(cè)試管采用外徑為7 mm 的紫銅直光管，長(zhǎng)度為1.2 m。電加熱繩選取美國(guó)Omega公司的FGR-080 型電加熱繩。該電加熱繩柔性較大，可直接纏繞在紫銅直光管上用于加熱。為了使加熱帶與測(cè)試銅管充分接觸，在測(cè)試銅管外涂少量導(dǎo)熱絕緣膠，然后繞制電加熱繩。在繞制時(shí)，每圈之間適當(dāng)留有間隙，使得電加熱繩在整根測(cè)試管上留有均勻的間隙，便于管壁溫度測(cè)試熱電偶的布置。

壁溫測(cè)量的熱電偶采用美國(guó)Omega 公司的5TC-TT-K-36 型熱電偶，標(biāo)定后精度均在0.05℃以?xún)?nèi)。熱電偶的固定可采用配套的膠粘片。對(duì)于熱電偶的布置，將測(cè)試段分為4 段，在3 個(gè)截面處分別布置三個(gè)熱電偶，以這3 個(gè)測(cè)量溫度的算數(shù)平均值作為此處的最終溫度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試段的保溫材料包括內(nèi)層的玻璃絲布和外層的PEF 保溫材料。其中，玻璃絲布和PEF 保溫材料的熱導(dǎo)率均小于0.05 W/(m·K)。保溫層的厚度決定了最終的保溫效果，本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中保溫層的厚度根據(jù)在最?lèi)毫拥墓r下，測(cè)試段的漏熱不高于總熱量的3%。測(cè)點(diǎn)布置及保溫材料鋪設(shè)如圖2所示。

圖2 測(cè)試段示意圖Fig.2 Schematic diagram of test section

1.3 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)與工況

本文實(shí)驗(yàn)工質(zhì)包括制冷劑與潤(rùn)滑油。制冷劑選用目前廣泛應(yīng)用的環(huán)保制冷劑R32；潤(rùn)滑油選用R32空調(diào)器中常用的與R32完全互溶的酯類(lèi)油。

測(cè)試工況包括蒸發(fā)溫度、質(zhì)流密度、潤(rùn)滑油濃度和測(cè)試段入口干度。蒸發(fā)溫度控制在-5～15℃，質(zhì)流密度控制在200～400 kg/(m2·s)，潤(rùn)滑油的濃度分別為0、1%、3%、5%，測(cè)試段入口干度為0.2～0.7。詳情如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Test conditions of the experimental rig

制冷劑-潤(rùn)滑油混合物的干度通過(guò)預(yù)熱器內(nèi)的電加熱帶進(jìn)行控制。制冷劑-潤(rùn)滑油混合物的焓值由三部分組成：液相制冷劑的焓值、氣相制冷劑的焓值和油的焓值[33]。則測(cè)試管進(jìn)口的R32-潤(rùn)滑油混合物的比焓可由式（1）計(jì)算得到。

式中，hr,o,in為制冷劑-潤(rùn)滑油混合物入口比焓，J/kg；ho,in為潤(rùn)滑油入口比焓，J/kg；woil為油濃度；xin為入口干度；hr,V,in為氣相制冷劑入口比焓，J/kg；hr,L,in為液相制冷劑入口比焓，J/kg。

同時(shí)，預(yù)熱器采用多層保溫材料包裹，可視為與環(huán)境處于絕熱狀態(tài)，根據(jù)預(yù)熱器內(nèi)的熱平衡，測(cè)試管進(jìn)口的R32-潤(rùn)滑油混合物的比焓亦可以由式(2)計(jì)算得到。

式中，Qpre為預(yù)熱器的加熱功率,W；hr,o,PCV為制冷劑-潤(rùn)滑油混合物預(yù)熱器入口比焓，J/kg；m?oil為潤(rùn)滑油流量，kg/s；m?r為制冷劑流量，kg/s。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥的作用類(lèi)似空調(diào)系統(tǒng)中的電子膨脹閥，起節(jié)流的作用，節(jié)流過(guò)程可視為等焓變化。調(diào)節(jié)閥前的R32-潤(rùn)滑油混合物已被前置的過(guò)冷器冷凝至過(guò)冷狀態(tài)，所以hr,o,PCV可以由式(3)計(jì)算得到。

式中，hr,PCV為調(diào)節(jié)閥前過(guò)冷狀態(tài)下R32 的比焓，J/kg，本文中通過(guò)NIST REFPROP10.0 得到；ho,PCV為調(diào)節(jié)閥前潤(rùn)滑油的比焓，J/kg。

將式(1)～式(3)聯(lián)立，可以求出測(cè)試管進(jìn)口干度xin，其計(jì)算式為：

由式(4)可知，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)試管的進(jìn)口干度僅取決于預(yù)加熱器的熱功率，且呈線(xiàn)性關(guān)系，因此測(cè)試管進(jìn)口的制冷劑-潤(rùn)滑油混合物的干度可以由預(yù)熱器來(lái)控制。

2 數(shù)據(jù)導(dǎo)出及誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

R32-潤(rùn)滑油混合物的局部傳熱系數(shù)可通過(guò)式(5)導(dǎo)出：

式中，q為熱通量,W/m2；Tw為測(cè)試管的壁面溫度,℃；Tbub為含油制冷劑的泡點(diǎn)溫度,℃。

對(duì)于式(5)中的壁面溫度Tw，應(yīng)為測(cè)試管的內(nèi)壁面溫度，而實(shí)驗(yàn)中所用測(cè)試管的壁厚只有0.33 mm，根據(jù)穩(wěn)態(tài)一維圓筒壁導(dǎo)熱方程計(jì)算分析可知，管內(nèi)外壁面的溫差不超過(guò)0.05℃，具體如式(6)所示。這個(gè)值小于測(cè)量壁面溫度的熱電偶的絕對(duì)誤差值，因此可將管內(nèi)外壁面溫度視為近似相等。

式中，?為加熱功率,W；λ為銅管熱導(dǎo)率,W/(m·K)；L為測(cè)試段管長(zhǎng),m；ΔT為管內(nèi)外壁面溫差,℃；ro為外半徑,m；ri為內(nèi)半徑,m。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的加熱功率范圍為166～552 W，將其他數(shù)據(jù)代入可計(jì)算得管內(nèi)外壁面的溫差為0.0034～0.011℃。

在1.2 節(jié)中提出在測(cè)試管上共3 個(gè)截面處共布置9 個(gè)熱電偶，壁面溫度Tw取3 個(gè)截面處的所有測(cè)點(diǎn)溫度的算數(shù)平均值。

潤(rùn)滑油的混入會(huì)對(duì)制冷劑的泡點(diǎn)溫度造成影響，由于潤(rùn)滑油濃度很低且與制冷劑完全互溶，混合物泡點(diǎn)溫度可由式(7)計(jì)算:

式中，R為通用氣體常數(shù),J/(mol·K)；Tr,sat為制冷劑飽和溫度,K；H0m1fv為每摩爾制冷劑的汽化潛熱,J/mol。將數(shù)據(jù)代入可算得在蒸發(fā)溫度15、5、-5℃下溫度分別上升0.12、0.10、0.09℃，因此混合物的泡點(diǎn)溫度分別為15.12、5.10、-4.91℃。

2.2 誤差分析

本文需要測(cè)量的參數(shù)包括：制冷劑、冷卻水、加熱水溫度，制冷劑、潤(rùn)滑油壓力，制冷劑壓降，制冷劑、潤(rùn)滑油質(zhì)量流量，冷卻水、加熱水體積流量。這些參數(shù)的測(cè)量誤差如表2所示。

表2 參數(shù)測(cè)量?jī)x器及精度Table 2 Measuring instrument and uncertainties

傳熱系數(shù)整體誤差通過(guò)moffat 分析法計(jì)算得出[34]，其計(jì)算公式如下：

式中，δα為傳熱系數(shù)的絕對(duì)誤差，W/(m2·K)；δq為換熱量的絕對(duì)誤差,W/m2；δTbub為混合物泡點(diǎn)溫度的絕對(duì)誤差,℃；δTw為壁溫的絕對(duì)誤差,℃；α為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

熱通量的誤差表達(dá)式如式(9)所示，約為加熱功率、管徑、管長(zhǎng)三者的誤差之和。

測(cè)試管的加熱功率通過(guò)功率計(jì)測(cè)量，功率計(jì)的最大誤差為1.0 W。在所有的測(cè)試工況中，測(cè)試段的加熱功率為166～552 W，因此最大和最小的相對(duì)誤差分別為0.60%、0.18%。

對(duì)于7 mm 的直光管，實(shí)驗(yàn)測(cè)試段管長(zhǎng)為1 m，且管徑的最大誤差為0.01 mm，管長(zhǎng)的最大誤差為1 mm，因此管徑與管長(zhǎng)的最大誤差分別為0.29%、0.1%。

將數(shù)據(jù)代入式(9)可得熱通量的最大和最小誤差分別是0.99%和0.57%。

壁面溫度Tw應(yīng)為測(cè)試管內(nèi)壁面的溫度Tw,i，其誤差包括兩部分：一是貼在測(cè)試管外表面上的熱電偶的誤差，本文所選取的熱電偶的最大誤差為0.05℃；二是測(cè)試管內(nèi)外壁面導(dǎo)熱產(chǎn)生的誤差。根據(jù)經(jīng)典管壁導(dǎo)熱方程式，內(nèi)外壁面溫差的誤差表達(dá)式如式（10）所示。

式中，Tw,o-Tw,i為測(cè)試管內(nèi)外壁面溫差,℃；δ(Tw,o-Tw,i)為測(cè)試管內(nèi)外壁面溫差的誤差,℃；δQ為加熱功率的誤差,W；λ為管壁熱導(dǎo)率,W/(m·K)；δλ為熱導(dǎo)率的誤差,W/(m·K)；L為管長(zhǎng),m；δL為管長(zhǎng)的誤差,m；Di為管內(nèi)徑,m；δDi為管內(nèi)徑的誤差,m；Do為管外徑,m；δDo為管外徑的誤差,m。

代入數(shù)據(jù)可以得到管內(nèi)外壁溫相對(duì)誤差的最大值與最小值分別為6.10%、5.68%。對(duì)于制冷劑R32 在7 mm 銅管內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱的所有實(shí)驗(yàn)工況，管內(nèi)外的壁面溫差為0.0034～0.011℃，即有管內(nèi)外壁溫絕對(duì)誤差的最大值與最小值分別為0.00063、0.00021℃。因此Tw,i的最小和最大誤差分別為0.05021和0.05063℃。

R32-潤(rùn)滑油混合物泡點(diǎn)溫度Tbub的誤差來(lái)自純R32制冷劑飽和溫度Tr,sat的誤差，如式(11)所示：

式中，δTr,sat為R32飽和溫度的絕對(duì)誤差,℃。

R32 飽和溫度Tr,sat的誤差來(lái)自壓力測(cè)量的誤差。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用于測(cè)量壓力的壓力傳感器與壓差傳感器的絕對(duì)誤差分別為5、25 Pa。測(cè)點(diǎn)壓力的誤差表達(dá)式如下：

式中，δpin和δΔp分別為壓力傳感器、壓差傳感器的絕對(duì)誤差,kPa，測(cè)點(diǎn)壓力的最大誤差為5.025 kPa。

由于制冷劑的飽和溫度僅與壓力有關(guān)，通過(guò)NIST REFPROP10.0 查得R32 飽和溫度的誤差δTr,sat=f(p+Δp)-f(p)。在本文涉及的實(shí)驗(yàn)工況中，測(cè)試管的壓力范圍是690.6～1280.8 kPa。所以得到Tr,sat的最小和最大誤差為0.14和0.22℃。

將數(shù)據(jù)代入式(11)可算得R32-潤(rùn)滑油混合物泡點(diǎn)溫度的最大、最小誤差分別為0.22、0.14℃。

對(duì)于R32在7 mm水平直光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱，其最小和最大的換熱溫差分別為2.5、15℃。

將數(shù)據(jù)代入式(8)，可得傳熱系數(shù)最大相對(duì)誤差與最小相對(duì)誤差分別為11.8%、1.8%。

在實(shí)驗(yàn)中，注入制冷劑回路內(nèi)的潤(rùn)滑油流量通過(guò)科氏流量計(jì)測(cè)量，潤(rùn)滑油質(zhì)量流量的測(cè)量誤差即為科氏流量計(jì)的誤差（±0.000138 kg/h）；潤(rùn)滑油的濃度為潤(rùn)滑油的質(zhì)量流量除以潤(rùn)滑油與制冷劑的質(zhì)量流量之和，其誤差計(jì)算如下：

式中，δwoil為油濃度的絕對(duì)誤差；δm?oil為潤(rùn)滑油質(zhì)量流量的絕對(duì)誤差,kg/h；δm?r為制冷劑流量的絕對(duì)誤差,kg/h，根據(jù)制冷劑質(zhì)量流量計(jì)精度可求得為±0.0308 kg/h。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的制冷劑質(zhì)量流量范圍為23.15～46.30 kg/h，潤(rùn)滑油質(zhì)量流量范圍為0.2315～2.315 kg/h，油濃度范圍為1%～5%，將數(shù)據(jù)代入式(13)可算得潤(rùn)滑油濃度的最大、最小相對(duì)誤差分別為0.191%、0.095%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及關(guān)聯(lián)式開(kāi)發(fā)

3.1 潤(rùn)滑油對(duì)R32管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)影響規(guī)律

R32-潤(rùn)滑油混合物在7 mm 光管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化分別如圖3～圖5所示。其中干度為0.2、0.4、0.6、0.7，質(zhì)流密度為200、300、400 kg/(m2·s)，油濃度為0、1%、3%、5%。

圖3 蒸發(fā)溫度15℃R32-潤(rùn)滑油混合物傳熱系數(shù)隨干度和油濃度的變化Fig.3 Heat transfer coefficient of R32-oil mixture plotted as a function of oil concentration and vapor quality at 15℃evaporation temperature

圖4 蒸發(fā)溫度5℃R32-潤(rùn)滑油混合物傳熱系數(shù)隨干度和油濃度的變化Fig.4 Heat transfer coefficient of R32-oil mixture plotted as a function of oil concentration and vapor quality at 5℃evaporation temperature

圖5 蒸發(fā)溫度-5℃R32-潤(rùn)滑油混合物傳熱系數(shù)隨干度和油濃度的變化Fig.5 Heat transfer coefficient of R32-oil mixture plotted as a function of oil concentration and vapor quality at-5℃evaporation temperature

蒸發(fā)溫度為15℃時(shí)，R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)局部傳熱系數(shù)在低、中干度下（x<0.6）隨油濃度的升高而升高；在高干度下（x>0.6），局部傳熱系數(shù)隨油濃度的增大先增大再減小，并于3%油濃度處取得最大值。隨著干度的增加，局部傳熱系數(shù)的最大值逐漸趨于低油濃度，并且在高干度下（0.6

蒸發(fā)溫度為5℃時(shí)，R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)局部傳熱系數(shù)在低干度下（x<0.4）隨油濃度的升高而升高；在中、高干度下（x>0.5），局部傳熱系數(shù)隨油濃度的增大先增大再減小，并于3%油濃度處取得最大值。隨著干度的增加，局部傳熱系數(shù)的最大值逐漸趨于低油濃度，并且在高干度下（0.6

蒸發(fā)溫度為-5℃時(shí)，R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)局部傳熱系數(shù)在低干度下（x<0.45）隨油濃度的升高而升高；在中、高干度下（x>0.45），局部傳熱系數(shù)隨油濃度的增大先增大再減小，并于3%油濃度處取得最大值。隨著干度的增加，局部傳熱系數(shù)的最大值逐漸趨于低油濃度，并且在高干度下（0.6

潤(rùn)滑油對(duì)于傳熱系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面潤(rùn)滑油的存在增加了液相的表面張力，增大了液面的延展性，增大了潤(rùn)滑油與管壁的接觸面積[35]，同時(shí)增加發(fā)泡點(diǎn)，所以會(huì)增強(qiáng)換熱；另一方面潤(rùn)滑油會(huì)增大液體的黏性，會(huì)削弱換熱。兩方面影響因素的綜合作用，決定了油的存在對(duì)混合物換熱的增強(qiáng)或削弱作用。在低干度下，核態(tài)沸騰換熱在制冷劑-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱中占主導(dǎo)地位，這時(shí)潤(rùn)滑油的存在增加了制冷劑的發(fā)泡點(diǎn)，強(qiáng)化了核態(tài)沸騰換熱，因此起到增強(qiáng)換熱的作用；在中高干度下，對(duì)流換熱在制冷劑-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱中占主導(dǎo)地位，這時(shí)潤(rùn)滑油的存在增加液膜的黏度，惡化了強(qiáng)制對(duì)流換熱，從而削弱換熱。

3.2 關(guān)聯(lián)式開(kāi)發(fā)

目前尚無(wú)R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。新開(kāi)發(fā)R32-潤(rùn)滑油混合物傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式需要考慮潤(rùn)滑油對(duì)制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱影響。潤(rùn)滑油的影響體現(xiàn)在物性與流型兩方面：對(duì)于物性方面，潤(rùn)滑油的混入會(huì)改變工質(zhì)的熱導(dǎo)率、密度和黏度等物性參數(shù)；對(duì)于流型方面，潤(rùn)滑油會(huì)使環(huán)狀流的形成提前、延緩干涸流的出現(xiàn)。這兩方面的影響會(huì)共同改變制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性。

本文擬在已有的基于物性與流型的純制冷劑關(guān)聯(lián)式形式的基礎(chǔ)上[32]，采用R32-潤(rùn)滑油混合物物性和流型轉(zhuǎn)化判據(jù)分別替代原關(guān)聯(lián)式中的純制冷劑物性與流型轉(zhuǎn)化判據(jù)，從而開(kāi)發(fā)適用于R32-潤(rùn)滑油混合物的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。已有的基于物性與流型的關(guān)聯(lián)式形式如式(14)所示

式中，αtp為兩相傳熱系數(shù),W/(m2·K)；αV為氣相與管壁的傳熱系數(shù),W/(m2·K)；αnb為核態(tài)沸騰傳熱系數(shù),W/(m2·K)；αcb為對(duì)流沸騰的傳熱系數(shù),W/(m2·K)；θdry為氣相對(duì)應(yīng)的角度,(°)；ReL,r,o、PrL,r,o分別為R32-潤(rùn)滑油混合物的液相雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)；λL,r,o為R32-潤(rùn)滑油混合物的熱導(dǎo)率,W/(m·K)；δ為液膜厚度，m，可通過(guò)將管內(nèi)液相對(duì)應(yīng)的截面面積等效轉(zhuǎn)化為混合物均勻鋪展在管壁上時(shí)的面積計(jì)算得出，如圖6 所示，公式如式(15)；C、n為待定常系數(shù)，需使用R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

圖6 液膜厚度示意圖Fig.6 Schematic diagram of liquid thickness

圖7 C和n值擬合結(jié)果Fig.7 Determination of the parameters C and n from the experimental results for R32-oil mixture

將式(14)變形并取對(duì)數(shù)，分別如式(16)、式(17)所示：

使用新關(guān)聯(lián)式算得傳熱系數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值的偏差，如圖8 所示，85%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值的偏差在±20%內(nèi)。

圖8 傳熱系數(shù)擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Predicted αtp,r,oof new correlation vs.experiment αtp,r,o of R32-oil mixture

4 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)研究了R32-潤(rùn)滑油混合物在7 mm 光管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性，并開(kāi)發(fā)了傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。測(cè)試工況包括質(zhì)流密度200～400 kg/(m2·s)、干度0.2～0.7、油濃度0～5%。獲得結(jié)論如下。

（1）R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨質(zhì)流密度的增大而增大，當(dāng)質(zhì)流密度從200 kg/(m2·s)增加到400 kg/(m2·s)時(shí)，傳熱系數(shù)增大23.1%～26.9%。

（2）在低油濃度下，R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)隨干度的增大而增大；在高油濃度下，傳熱系數(shù)隨干度的增大先增大后減小，并于0.6干度處取得最大值。

（3）在低干度下，潤(rùn)滑油的存在總是增大R32-潤(rùn)滑油混合物管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)；在高干度下，少量潤(rùn)滑油的存在會(huì)增大傳熱系數(shù)，但隨著油濃度的增大，傳熱系數(shù)在3%油濃度時(shí)取得最大值，然后隨著油濃度的進(jìn)一步增大，傳熱系數(shù)開(kāi)始減小。

（4）基于混合物物性與流型開(kāi)發(fā)了R32-潤(rùn)滑油混合物在7 mm光管內(nèi)流動(dòng)沸騰的換熱關(guān)聯(lián)式，新的關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值與85%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在±20%之內(nèi)。