熱泵系統(tǒng)中R134a/潤(rùn)滑油流型的可視化研究

巨福軍，任鵬翔，范曉偉，宋昊展，周曉磊，張清志，馮臻博

（1.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450007；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

在蒸氣壓縮式循環(huán)系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油被用于壓縮機(jī)中運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑和冷卻降溫，壓縮過(guò)程中氣態(tài)制冷劑泄漏的密封、降噪、減震和減緩材料腐蝕，其保證了壓縮機(jī)的高效可靠運(yùn)行［1-2］。因此潤(rùn)滑油在蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)中是不可或缺的。制冷劑/潤(rùn)滑油在蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，在蒸發(fā)器出口（壓縮機(jī)吸氣口）的狀態(tài)會(huì)直接影響熱泵系統(tǒng)的循環(huán)性能與運(yùn)行安全。同時(shí)，蒸發(fā)過(guò)程中制冷劑/潤(rùn)滑油的流型與其熱力狀態(tài)（干度、過(guò)熱度等）存在著密切關(guān)聯(lián)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)蒸發(fā)過(guò)程中制冷劑/潤(rùn)滑油的兩相流流型開展了一系列研究。SOMCHAI等［3］試驗(yàn)比較了水平光滑管內(nèi)R134a和R134a/潤(rùn)滑油在不同干度下的兩相流流型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與純R134a相比，R134a/潤(rùn)滑油的流型更復(fù)雜，且其出現(xiàn)了泡狀流流型。SAISORN等［4］試驗(yàn)研究了水平圓形管道中R134a沸騰傳熱的流型和傳熱特性，結(jié)果顯示，隨著干度的變化，R134a的流型為塞狀流、喉環(huán)流、攪拌流、環(huán)狀流和環(huán)溪流，并給出了不同流型下的換熱系數(shù)數(shù)據(jù)。KEEPAILBOON等［5］試驗(yàn)分析了R134a在水平矩形微通道內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性，結(jié)果表明，隨著干度的變化，R134a出現(xiàn)了泡狀流、泡/彈狀流、彈狀流、喉/環(huán)狀流、攪拌流和環(huán)形流6種流型，且熱通量、質(zhì)量通量和飽和溫度均會(huì)顯著影響流型的變化；流型對(duì)換熱性能具有顯著影響。DANG等［6］試驗(yàn)研究了 R134a/R245fa（10/90、30/70 和70/30）、R134a和R245fa在水平矩形微通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰特性，結(jié)果表明，隨著干度的變化，5種制冷劑均會(huì)出現(xiàn)泡狀流、受限泡狀流、段塞流、攪拌環(huán)空流和環(huán)空流5種流型。楊麗輝等［7］基于變頻制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)R22/潤(rùn)滑油在蒸發(fā)器出口水平管內(nèi)的流型隨著過(guò)熱度的升高依次出現(xiàn)“油漬”蠕動(dòng)、“油膜”線狀流、“油膜”環(huán)狀流和霧狀濕蒸汽流4種流型，并分析了R22/潤(rùn)滑油流型對(duì)系統(tǒng)性能的影響。陶宏等［8］基于R22變頻冷水機(jī)組研究發(fā)現(xiàn)膨脹閥出口和蒸發(fā)器出口水平管內(nèi)的R22/潤(rùn)滑油均存在流型交替出現(xiàn)的過(guò)渡區(qū)，其會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的振蕩。李慶普等［9］試驗(yàn)研究了制冷系統(tǒng)中膨脹閥出口和蒸發(fā)器出口水平管內(nèi)R22潤(rùn)滑油流型與系統(tǒng)性能的關(guān)系，并初步提出了一種基于流型判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況的方法。

從上述文獻(xiàn)可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)蒸發(fā)過(guò)程中水平管內(nèi)制冷劑/潤(rùn)滑油流型的變化及流型/過(guò)熱度對(duì)制冷系統(tǒng)性能或傳熱性能的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但是針對(duì)制冷劑/潤(rùn)滑油在熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器出口不同方向的管內(nèi)流型的對(duì)比研究尚未發(fā)現(xiàn)。因此，本文基于制冷劑/潤(rùn)滑油流型可視化試驗(yàn)系統(tǒng)研究了過(guò)熱度對(duì)蒸發(fā)器出口的水平管和豎直管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油的流型和熱泵系統(tǒng)循環(huán)性能的影響規(guī)律，為熱泵系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行提供必要的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1示出了制冷劑/潤(rùn)滑油流型可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括水源熱泵系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)3部分。水源熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、冷卻水箱和加熱水箱等組成；壓縮機(jī)為2 hp旋轉(zhuǎn)式R410A壓縮機(jī)，其使用的潤(rùn)滑油為PVE冷凍機(jī)油；為達(dá)到對(duì)電子膨脹閥開度進(jìn)行精確控制的目的，將電子膨脹閥與外接控制器連接以實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為1個(gè)脈沖數(shù)的手動(dòng)調(diào)節(jié)；冷凝器和蒸發(fā)器均為板式換熱器，其型號(hào)分別為FS50-16H-4.5-316L和FS50-14H-4.5-316L；冷卻水箱和加熱水箱可以分別提供試驗(yàn)所需溫度的熱水和熱源。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由T型熱電偶、壓力變送器、功率變送器、質(zhì)量流量計(jì)和Keithley數(shù)據(jù)采集儀等組成，其中測(cè)量?jī)x器的基本性能見表1。

圖1 制冷劑/潤(rùn)滑油流型可視化試驗(yàn)系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of experiment system for the flow pattern visualization of refrigerant/lubricating oil

表1 測(cè)量參數(shù)及相應(yīng)儀器的基本性能Tab.1 Measuring parameters and basic performance of the corresponding instruments

熱水和熱源的流量均采用稱重法獲得。圖像采集系統(tǒng)包括可視化裝置（高清攝像機(jī)、光源、可視化管道）和計(jì)算機(jī)，其中可視化裝置分別安裝在蒸發(fā)器出口的水平和豎直位置，旨在對(duì)比分析不同放置方向管道內(nèi)制冷劑/潤(rùn)滑油的流型變化；如圖2所示，可視化管道是由石英管與銅管通過(guò)法蘭連接，在石英管與銅管的連接處增加四氟墊保證氣密性，其中石英管的外徑為20 mm，壁厚為4 mm，管長(zhǎng)為80 mm；攝像機(jī)為可拍攝1080p視頻的高清攝像頭，其分辨率和幀率分別為1 920×1 080和30幀；光源的亮度可通過(guò)改變輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；高清攝像機(jī)與光源位于石英管的兩側(cè)，在光源面上增加硫酸紙使光源變得柔和；計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)采集制冷劑/潤(rùn)滑油流型的動(dòng)態(tài)視頻。

圖2 可視化管道結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of visual pipeline

1.2 試驗(yàn)步驟

制定的試驗(yàn)步驟如下：

（1）啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開始采集數(shù)據(jù)；

（2）啟動(dòng)圖像采集系統(tǒng)，設(shè)置Amcap軟件確?？梢詫?shí)時(shí)拍攝并進(jìn)行保存；

（3）接通膨脹閥、質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器和光源等設(shè)備的電源，并開啟加熱水箱和冷卻水箱以及水泵；

（4）開啟壓縮機(jī)，并設(shè)置加熱水箱和冷卻水箱的溫度使其滿足實(shí)驗(yàn)工況要求，同時(shí)調(diào)節(jié)閥門開度使熱水和熱源流量達(dá)到試驗(yàn)工況要求；

（5）按照試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)膨脹閥開度；系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)15 min后，使用圖像采集系統(tǒng)分別對(duì)水平和豎直可視化裝置內(nèi)的R134a/潤(rùn)滑油的流型視頻進(jìn)行采集和保存；

（6）改變?cè)囼?yàn)工況或膨脹閥開度，重復(fù)步驟（3）～（5）；

（7）試驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉壓縮機(jī)和圖像采集系統(tǒng)，然后關(guān)閉加熱水箱和冷卻水箱及水泵，最后切斷電子膨脹閥、質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器和光源等設(shè)備的電源。

1.3 數(shù)據(jù)處理及不確定度分析

Qh和COP分別由式（1）（2）計(jì)算獲得。數(shù)據(jù)采集儀在采集壓力、流量、功耗等時(shí)精度為0.11%，采集溫度時(shí)精度為0.3 ℃。采用二次冪法［10］計(jì)算可得Qh和COP的不確定度分別為2.40%和2.93%。

式中 Qh——制熱量，kW；

c ——水的比熱容，kJ/（kg·K）；

mhw——熱水流量，kg/s；

thwo——熱水出口溫度，℃；

thwi——熱水進(jìn)口溫度，℃。

式中 COP ——熱泵系統(tǒng)能效；

Wcom——壓縮機(jī)功耗，kW。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù) GB/T 19409-2013［11］設(shè)定了 3 組試驗(yàn)工況，見表2，并通過(guò)改變膨脹閥開度來(lái)研究過(guò)熱度對(duì)水平管和豎直管內(nèi)制冷劑/潤(rùn)滑油流型的影響，其中過(guò)熱度是利用Refprop 9.1制冷劑物性軟件計(jì)算獲得的。本文主要對(duì)工況2下的R134a/潤(rùn)滑油流型與過(guò)熱度的對(duì)應(yīng)關(guān)系、流型成因以及系統(tǒng)循環(huán)性能進(jìn)行了分析，同時(shí)研究了變工況下R134a/潤(rùn)滑油流型與過(guò)熱度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)AMCAP軟件獲得蒸發(fā)器出口水平管和豎直管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油流型的動(dòng)態(tài)視頻，然后使用MATLAB軟件將其轉(zhuǎn)換為圖片進(jìn)行展示和分析。

表2 3種試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)的環(huán)境側(cè)參數(shù)Tab.2 Environment side parameters corresponding to three experimental conditions

2.1 過(guò)熱度對(duì)R134a/潤(rùn)滑油流型的影響

2.1.1 過(guò)熱度對(duì)水平流型的影響

圖3示出了工況2下熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器出口水平管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油流型隨過(guò)熱度的變化。由圖可知，隨著過(guò)熱度的升高，水平管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油依次出現(xiàn)了分層環(huán)狀流、過(guò)渡狀態(tài)、波紋環(huán)狀流和不規(guī)則線狀流4種流型。此時(shí)，R134a/潤(rùn)滑油在水平管內(nèi)由右向左流動(dòng)。

圖3 R134a/潤(rùn)滑油水平流型隨過(guò)熱度的變化（工況2）Fig.3 Variation of horizontal flow pattern of R134a/Lubricating oil with the superheat（condition 2）

如圖3（a）所示，在近0～0.2 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)，水平管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油的流型為分層環(huán)狀流；分層環(huán)狀流的主要特征為油膜完全覆蓋石英管且油膜無(wú)波紋，同時(shí)有較多液態(tài)混合物（潤(rùn)滑油和少量融入潤(rùn)滑油的液態(tài)R134a）聚集在管道底部虛線方框內(nèi)顏色較深的區(qū)域貼壁流動(dòng)。這主要?dú)w因于潤(rùn)滑油和制冷劑的質(zhì)量流量較大且潤(rùn)滑油的黏度明顯大于制冷劑，管芯主要面積被連續(xù)且流速較快的蒸汽流占據(jù)，同時(shí)液態(tài)混合物在重力的作用下在管道底部形成較厚的油膜。

由圖 3（b）可知，在 0.2～1.6 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)，水平管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油的流型為過(guò)渡狀態(tài)，主要特征為分層環(huán)狀流和波紋環(huán)狀流周期性交替出現(xiàn)，其中分層環(huán)狀流的管道底部聚集油膜厚度較薄，分層環(huán)狀流向波紋環(huán)狀流轉(zhuǎn)變過(guò)程中，波紋狀油膜由石英管出口端逐漸顯現(xiàn)且向入口端延伸，反之波紋狀油膜由入口端逐漸消失且向出口端延伸，在該過(guò)程中有波紋狀油膜出現(xiàn)但波紋并不明顯。過(guò)渡狀態(tài)的出現(xiàn)主要是由蒸發(fā)器中完全蒸干點(diǎn)在蒸發(fā)器出口處隨機(jī)波動(dòng)引起的［12］。

由圖 3（c）可見，在 1.6～8.4 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)，R134a/潤(rùn)滑油在水平管內(nèi)出現(xiàn)波紋環(huán)狀流；波紋環(huán)狀流的主要特征為波紋狀油膜完全覆蓋石英管，且波紋紋路隨著過(guò)熱度的增加而逐漸清晰。在該過(guò)程中隨著過(guò)熱度的增加，潤(rùn)滑油和制冷劑的質(zhì)量流量減小，但液態(tài)混合物中潤(rùn)滑油的比例逐漸增加，氣態(tài)制冷劑攜帶潤(rùn)滑油流動(dòng)的能力逐漸減弱，導(dǎo)致波紋狀油膜紋路逐漸清晰［9］。

由圖 3（d）可見，在8.4～15.5 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)，R134a/潤(rùn)滑油在水平管內(nèi)的流型為不規(guī)則線狀流；不規(guī)則線狀流的主要特征為液態(tài)混合物在石英管內(nèi)貼壁呈不規(guī)則線狀流動(dòng)（如虛線橢圓框內(nèi)），同時(shí)有少量波紋狀油膜沿管道底部不規(guī)則緩慢流動(dòng)，石英管入口端油膜覆蓋面積始終小于出口端；隨著過(guò)熱度的增加，油膜覆蓋石英管面積逐漸減小。這主要是因?yàn)榇藭r(shí)制冷劑和潤(rùn)滑油的質(zhì)量流量均較小且處于高過(guò)熱狀態(tài)，大部分R134a為氣態(tài)。

2.1.2 過(guò)熱度對(duì)豎直流型的影響

圖4示出了工況2下熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器出口豎直管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油流型隨過(guò)熱度的變化。由圖可知，隨著過(guò)熱度的升高，豎直管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油依次出現(xiàn)了環(huán)狀流、波紋環(huán)狀流和不規(guī)則線狀流3種流型，此時(shí)，R134a/潤(rùn)滑油在豎直管內(nèi)由下向上流動(dòng)。

圖4 R134a/潤(rùn)滑油豎直流型隨過(guò)熱度的變化（工況2）Fig.4 Variation of vertical horizontal flow pattern of R134a/Lubricating oil with the superheat（condition 2）

由圖4（a）可見，在近0～2.7 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)，豎直管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油的流型為環(huán)狀流；其主要特征為油膜完全覆蓋石英管，同時(shí)有較多液態(tài)混合物貼壁流動(dòng)且無(wú)波紋出現(xiàn)。

如圖 4（b）所示，在 2.7～10.2 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)，R134a/潤(rùn)滑油在豎直管內(nèi)的流型為波紋環(huán)狀流。波紋環(huán)狀流的主要特征為波紋狀油膜完全覆蓋石英管，波紋狀紋路隨著過(guò)熱度的增加而逐漸清晰，其主要?dú)w因于氣態(tài)制冷劑攜帶潤(rùn)滑油流動(dòng)的能力隨著過(guò)熱度的增加而減弱［9］。

由圖 4（c）可知，在 10.2～15.5 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)，豎直管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油的流型為不規(guī)則線狀流，主要特征為液態(tài)混合物在石英管內(nèi)貼壁呈不規(guī)則線狀流動(dòng)，同時(shí)有少量液態(tài)混合物沿石英管右壁緩慢流動(dòng)，石英管入口端油膜覆蓋面積始終小于出口端；隨著過(guò)熱度的增加，油膜覆蓋石英管的面積會(huì)逐漸減小。

2.1.3 變工況下流型對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度范圍

由表3可知，隨著過(guò)熱度的升高，3種試驗(yàn)工況下，R134a/潤(rùn)滑油的水平流型均依次為分層環(huán)狀流、過(guò)渡狀態(tài)、波紋環(huán)狀流和不規(guī)則線狀流；除分層環(huán)狀流外，不同工況下同一R134a/潤(rùn)滑油水平流型對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度范圍均存在顯著差異。為了便于表述，將2個(gè)流型轉(zhuǎn)變時(shí)對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度定義為流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度。從表可知，工況2下第1、第2和第3水平流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度分別為0.2，1.6，8.4 ℃，第2和第3水平流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度均隨著熱源進(jìn)口溫度的升高而升高。

表3 不同工況下水平流型對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度范圍Tab.3 The superheat ranges corresponding to the horizontal flow pattern under different working conditions ℃

不同工況下豎直管內(nèi)R134a/潤(rùn)滑油流型所對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度范圍見表4。由表可知，3種試驗(yàn)工況，豎直管內(nèi)的R134a/潤(rùn)滑油隨著過(guò)熱度的升高均依次出現(xiàn)環(huán)狀流、波紋環(huán)狀流和不規(guī)則線狀流3種流型。不同工況下，同一R134a/潤(rùn)滑油豎直流型對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度范圍存在明顯差異；工況2下第1和第2豎直流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度分別為2.7，10.2 ℃；第1和第2豎直流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度均隨著熱源進(jìn)口溫度的升高而升高。

表4 不同工況下豎直流型對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度范圍Tab.4 The superheat ranges corresponding to the vertical horizontal flow pattern under different working conditions ℃

在同一工況下，R134a/潤(rùn)滑油的水平流型和豎直流型及其對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度范圍均存在顯著差異。這主要?dú)w因于氣態(tài)制冷劑推動(dòng)力、重力和黏滯力等作用力在不同方向上的合力發(fā)生了明顯改變。

2.2 系統(tǒng)循環(huán)性能參數(shù)分析

圖5示出了工況2下R134a熱泵系統(tǒng)的COP和制熱量隨著過(guò)熱度的變化規(guī)律。由圖可知，隨著過(guò)熱度的增加，COP先略微增加再緩慢減小，最后急劇下降，而制熱量則出現(xiàn)先稍微升高后急劇降低的趨勢(shì)；在0.2～1.6 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)（過(guò)渡狀態(tài)），R134a系統(tǒng)可獲得較大的COP和制熱量，并在第一水平流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度處獲得最大COP為5.348和制熱量為4.386 kW；在近0～0.2 ℃的過(guò)熱度范圍內(nèi)（分層環(huán)狀流），蒸發(fā)器出口過(guò)熱蒸氣帶有少量液滴進(jìn)入壓縮機(jī)造成輕微“液擊”，而且該現(xiàn)象隨著過(guò)熱度增加會(huì)逐漸消失，相應(yīng)的使COP和制熱量均會(huì)稍微上升；在過(guò)熱度為0.2～1.6 ℃的范圍內(nèi)，R134a系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，而且在過(guò)渡狀態(tài)下蒸發(fā)器中兩相區(qū)換熱面積會(huì)隨著過(guò)熱度的增加而逐漸減小，相應(yīng)的導(dǎo)致COP和制熱量均會(huì)減??；在過(guò)熱度1.6～15.5 ℃的范圍內(nèi)（波紋環(huán)狀流和不規(guī)則線狀流），蒸發(fā)器中制冷劑/潤(rùn)滑油的質(zhì)量流量會(huì)隨著開度增加而逐漸減小，且在該范圍內(nèi)調(diào)節(jié)膨脹閥開度對(duì)應(yīng)的過(guò)熱度變化較大，因此COP和制熱量均急劇下降。

圖5 COP和Qh隨過(guò)熱度的變化（工況2）Fig.5 Variation of COP and Qh with the superheat（condition 2）

3 結(jié)論

（1）當(dāng)過(guò)熱度由近0 ℃升高至15 ℃左右時(shí)，3種工況下R134a/潤(rùn)滑油在水平管內(nèi)均會(huì)依次出現(xiàn)分層環(huán)狀流、過(guò)渡狀態(tài)、波紋環(huán)狀流和不規(guī)則線狀流4種流型，而其在豎直管內(nèi)則均會(huì)依次出現(xiàn)環(huán)狀流、波紋環(huán)狀流和不規(guī)則線狀流3種流型。

（2）除分層環(huán)狀流外，3種工況下水平管和豎直管內(nèi)同一R134a/潤(rùn)滑油流型均對(duì)應(yīng)著迥異的過(guò)熱度范圍，且當(dāng)熱源進(jìn)口溫度由15 ℃升高至25 ℃時(shí)，除第一水平流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度外，所有流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。

（3）工況2下過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)COP和制熱量均有明顯影響，且在過(guò)渡狀態(tài)下系統(tǒng)可獲得較大的COP和制熱量，并在第一水平流型轉(zhuǎn)變過(guò)熱度為0.2 ℃處獲得最大COP為5.348和最大制熱量為4.386 kW。