相溶性對R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰換熱及壓降特性的影響

李 廣 莊大偉 謝麗懿 丁國良 胡國新 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),不可避免地會與壓縮機(jī)內(nèi)潤滑油接觸混合,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-潤滑油混合物在換熱器內(nèi)的流動沸騰傳熱系數(shù)并降低壓降。目前已有大量學(xué)者對制冷劑-潤滑油混合物在換熱管內(nèi)流動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-潤滑油混合物在換熱管內(nèi)的流動沸騰換熱壓降特性。

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滑油,制冷劑-潤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滑油相溶性過好或過差對R32空調(diào)器性能的不利影響,需要定量分析相溶性對R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰換熱及壓降特性的影響。

針對制冷劑-潤滑油混合物在換熱管內(nèi)流動沸騰換熱特性的研究,一直是制冷系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)有相關(guān)的研究涵蓋了完全互溶的潤滑油-制冷劑混合物與完全不互溶的潤滑油-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。其中對于R32,目前已公開報(bào)道的研究成果均僅針對完全互溶潤滑油,包括對完全互溶的R32-潤滑油混合物在不同蒸發(fā)溫度、干度及油濃度下的管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(shù)和壓降的測試以及關(guān)聯(lián)式開發(fā)[1]。然而,現(xiàn)有研究成果均未考慮不同潤滑油和R32之間的相溶性對傳熱系數(shù)及壓降的影響。

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

潤滑油和R32之間相溶性的變化,會改變R32-潤滑油混合物在管內(nèi)流動時(shí)的分層狀態(tài)。當(dāng)相溶性由好變差時(shí),R32-潤滑油混合物會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Q熱和壓降造成的影響,無法依靠現(xiàn)有的針對始終均一的完全互溶潤滑油-R32混合物的研究成果來評估。

綜上所述,制冷劑-潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰換熱及壓降特性會受到相溶性的影響。目前R32制冷劑的相關(guān)研究只針對始終均一的完全互溶潤滑油-R32混合物,無法體現(xiàn)混合物由均一變化為分層對換熱產(chǎn)生的影響。本文的目的是通過實(shí)驗(yàn)手段研究不同相溶性對R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動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滑油-制冷劑相溶性。

1 研究對象與思路

為了研究相溶性對R32-潤滑油混合物管內(nèi)傳熱與壓降特性的影響,本文對R32與不同潤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沸騰傳熱與壓降進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,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)潤滑油與R32制冷劑的不同相溶性。實(shí)驗(yàn)工況包括潤滑油種類、蒸發(fā)溫度、潤滑油在混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(簡稱:油濃度)和干度4種,共計(jì)108個工況點(diǎn),詳情如表2所示。對于蒸發(fā)溫度工況,空調(diào)器常見的蒸發(fā)溫度范圍為0～10 ℃,為覆蓋該范圍并突出蒸發(fā)溫度變化對相溶性的影響,本文選取蒸發(fā)溫度工況為-5、5、15 ℃。對于干度工況,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;對應(yīng)的入口干度控制為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65,對應(yīng)的出口干度控制為0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75。對于平均油濃度工況,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滑油與R32相溶性對換熱特性的影響,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

潤滑油的選取要體現(xiàn)其相溶性對流動沸騰換熱特性的影響。相溶性對R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動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,即完全互溶潤滑油、部分互溶潤滑油以及完全不互溶潤滑油。

其中,完全互溶潤滑油與R32制冷劑在全部實(shí)驗(yàn)測試工況下混合后會形成均一穩(wěn)定的液體,無分層現(xiàn)象;部分互溶潤滑油與R32制冷劑混合后的相溶性隨實(shí)驗(yàn)測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;完全不互溶潤滑油與R32制冷劑混合后在全部實(shí)驗(yàn)測試工況下會分層,形成純油層與純制冷劑層。三種潤滑油與R32制冷劑在本實(shí)驗(yàn)測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

實(shí)驗(yàn)臺包括制冷劑回路與潤滑油回路;制冷劑回路向?qū)嶒?yàn)測試管提供一定溫度與流量的R32-潤滑油混合物并完成傳熱系數(shù)與壓降的定量測試;潤滑油回路定時(shí)定量地向?qū)櫥妥⑷胫评鋭┗芈吠瓿蓽y試。測試實(shí)驗(yàn)臺如圖2所示,實(shí)驗(yàn)臺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氣動調(diào)節(jié)閥;5制冷劑質(zhì)量流量計(jì);6預(yù)熱盤管;7實(shí)驗(yàn)測試管;8過熱器;9實(shí)驗(yàn)測試潤滑油分離器;10氣液分離器;11儲油罐;12高壓油泵;13微型調(diào)節(jié)閥;14潤滑油質(zhì)量流量計(jì);15針閥;16止回閥。

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

2.2 實(shí)驗(yàn)測試管與測試工況

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

實(shí)驗(yàn)測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)測試管時(shí),將整根銅管平均分成4段,每兩段中間留有間隙。在這4段銅管上分別涂抹導(dǎo)熱絕緣膠并纏繞電加熱帶;在每個間隙處的上、中、下部管壁表面布置3個熱電偶,以3個熱電偶測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,測試管如圖2(a)所示。

實(shí)驗(yàn)測試工況包括蒸發(fā)溫度、干度與油濃度,詳情如第1節(jié)所示。實(shí)驗(yàn)過程中,蒸發(fā)溫度工況可由壓縮機(jī)頻率與氣動調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié);油濃度工況可由潤滑油系統(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)熱盤管的加熱功率、測試管上布置的電加熱帶的加熱功率來共同調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出及誤差分析

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

R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰摩擦壓降Δpr,o,fric可通過實(shí)驗(yàn)測得總壓降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實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以討論,并對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R32-潤滑油混合物流動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-潤滑油混合物的管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(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。

通過對比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%。

通過對比3種不同相溶性的混合物的壓降可以看出,部分互溶潤滑油-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),部分互溶潤滑油相對于完全互溶潤滑油以及完全不互溶潤滑油的最大減小幅度分別為9.0%、36.3%。在其他干度工況下,部分互溶潤滑油-R32混合物管內(nèi)流動沸騰壓降與完全互溶潤滑油-R32混合物相近,均小于完全不互溶潤滑油-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R32-潤滑油混合物流動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-潤滑油混合物的管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(shù)αtp,r,o與壓降Δp隨相溶性的變化如圖4所示。R32-完全互溶潤滑油混合物與R32-部分互溶潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(shù)與壓降均會隨干度的增大而增大;R32-完全不互溶潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(shù)隨干度的增大變化較小,壓降隨干度的增大而增大。

部分互溶潤滑油-R32混合物管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(shù)與完全互溶潤滑油-R32混合物相近,均大于完全不互溶潤滑油-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%。部分互溶潤滑油-R32混合物管內(nèi)流動沸騰壓降與完全互溶潤滑油-R32混合物相近,均小于完全不互溶潤滑油-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R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰及壓降特性影響機(jī)理分析

相溶性對R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動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)部分互溶潤滑油與R32制冷劑仍處于完全互溶狀態(tài),R32-部分互溶潤滑油混合物與R32-完全互溶潤滑油混合物在管內(nèi)均會形成均一穩(wěn)定的液體,二者傳熱系數(shù)與壓降相近;R32-完全不互溶潤滑油混合物在換熱管內(nèi)會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-部分互溶潤滑油混合物在換熱管內(nèi)會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-完全互溶潤滑油混合物,延緩油濃度上升帶來的惡化效果,增強(qiáng)換熱并降低壓降;R32與完全不互溶潤滑油分層后形成的純油層會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R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動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種潤滑油為研究對象,實(shí)驗(yàn)測試了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)流動沸騰傳熱系數(shù)與壓降,研究了相溶性對R32-潤滑油混合物管內(nèi)流動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滑油-R32混合物管內(nèi)流動沸騰傳熱系數(shù)最大,完全不互溶潤滑油-R32混合物傳熱系數(shù)最小;部分互溶潤滑油相對于完全互溶潤滑油以及完全不互溶潤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滑油-R32混合物管內(nèi)流動沸騰壓降最小,完全不互溶潤滑油-R32混合物壓降最大;部分互溶潤滑油相對于完全互溶潤滑油以及完全不互溶潤滑油的最大減小幅度分別為9.0%、36.3%。

3)R32與不同相溶性潤滑油混合后會出現(xiàn)不同的分層現(xiàn)象,R32-完全互溶潤滑油混合物在管內(nèi)形成均一穩(wěn)定的液體;R32-部分互溶潤滑油混合物在低蒸發(fā)溫度、高干度、高油濃度下會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-完全不互溶潤滑油混合物在管內(nèi)會分層形成純制冷劑層與純油層,會極大地削弱換熱并增加壓降。

4)在這3種潤滑油中,部分互溶潤滑油更有利于增強(qiáng)R32制冷劑管內(nèi)流動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,開發(fā)相應(yīng)的部分互溶潤滑油。