摘 要

摘　要：對適用于二氧化碳制冷系統的潤滑油進行比選。建立R744(二氧化碳工質)一潤滑油(PAG油)混合物(以下簡稱混合物)水平光滑管內流動沸騰換熱特性實驗系統，研究在不同工質干

摘　要：對適用于二氧化碳制冷系統的潤滑油進行比選。建立R744(二氧化碳工質)一潤滑油(PAG油)混合物(以下簡稱混合物)水平光滑管內流動沸騰換熱特性實驗系統，研究在不同工質干度下PAG油質量分數對混合物水平光滑管內流動沸騰換熱系數的影響。將實驗結果與計算結果(采用經典水平光滑管內流動沸騰換熱關聯式)進行比較，篩選出適于計算混合物水平光滑管內流動沸騰換熱系數的經典換熱關聯式。

關鍵詞：二氧化碳跨臨界循環  潤滑油

Characteristics of Flow Bliling Heat Transfer of CO₂-Lubricant Oil in Horizontal Smooth Tube

Abstract: The lubricant oils suitable for C02 refrigerant system are compared and selected．An experimental system of flow boiling heat transfer of R744(C0₂ as working medium)-lubricant oil(PAC oil)mixture(hereinafter referred to as mixture)in horizontal smooth tube is developed．The influence of massfraction of PAC oil at different drynesses of the working mediums on flow boiling heat transfer coefficient of the mixture in horizontal smooth tube is investigated．The experimental results are compared with the calculated results(using classical correlations for flow boiling heat transfer in horizontal smooth tube)，and a classical correlation suitable for calculating flow boiling heat transfer of the mixture in horizontal smooth tube is screened．

Key words: C0₂ transcritical cycle；lubricantoil；flow boiling heat transfer in horizontal smooth tube

 

1　概述

R744(C0₂工質)的性質穩定，容易獲得，作為自然制冷劑，易于被自然界接納與吸收，不易造成環境污染。在C0₂制冷系統的設計開發中，蒸發器的設計是重要環節，其換熱效果直接影響制冷系統的性能和運行經濟性。近年來，國內外對工質的管內沸騰換熱特性進行了研究，并獲得了大量實驗數據和一些經典換熱關聯式^[1-6]。

在C0₂制冷循環中，隨著工質的循環流動，潤滑油會存在于制冷循環的各個環節。潤滑油在壓縮機、膨脹機等設備中具有潤滑、密封和冷卻的作用，能夠降低運行過程中的摩擦阻力，降低摩擦熱和噪聲，保證制冷設備安全、可靠和高效運行。但潤滑油的存在易改變C0₂的熱物性，未溶解的潤滑油還會附于換熱面上，蒸發器的換熱性能將受到一定影響，而且這種影響與制冷系統的性能關系密切。R.Yun等人^[7]、L.Cheng等人^[8]、X.Zha0等人^[9]對C0₂-潤滑油混合物的管內流動沸騰換熱特性進行了相關研究，認為潤滑油的加入使得管內流動沸騰換熱性能有所惡化，含油量越高，惡化情況越嚴重。但L.M.Schlager等人^[10]。研究得出，當混合物中潤滑油的質量分數小于3％時，潤滑油的加入能促進核態沸騰，增大管內流動沸騰換熱系數。

本文對R744-潤滑油混合物水平光滑管內流動沸騰換熱特性進行實驗研究，結合實驗結果，篩選適于計算R744-潤滑油混合物水平光滑管內流動沸騰換熱系數的經典換熱關聯式。

2　0₂制冷系統潤滑油選用

目前，制冷系統常用的潤滑油包括PAG油(聚亞烴基乙二醇油)、POE油(脂類油)、PAO油(聚α-聚烴油)、AB油(烷基苯類油)等^[11]，主要特性見表1。

 

黏溫特性用于表征潤滑油運動黏度隨溫度的變化特性。在4種潤滑油中，PAG油的黏溫特性最好，這說明PAG油的運動黏度隨溫度的升高變化幅度最小，從而保證在高溫條件下，PAG油仍能在摩擦面形成有效油膜，發揮良好的潤滑作用。潤滑油與C0₂的互溶性也非常關鍵，若潤滑油與C0₂互溶性差，隨C0₂回到壓縮機的潤滑油非常少，易導致壓縮機損壞。潤滑油也容易積聚在換熱沒備的壁面上，降低換熱性能。但若潤滑油與C0₂的互溶性非常好，則大量潤滑油溶解于C0₂中，使得潤滑油的黏性和潤滑性能大幅下降，甚至喪失潤滑、密封作用，因此部分互溶的潤滑油更適用于C0₂制冷系統。綜合考慮4種潤滑油的主要特性，認為PAG油可作為C0₂制冷系統的潤滑油。

C.Seeton等人^[12]認為PAG油是C0₂制冷系統潤滑用油的最佳選擇，但是PAG油有很強的吸濕性，在電動裝置中容易引起電介質擊穿，因此在特定場所的使用應受到限制。

3　實驗系統及結果分析

3.1  實驗系統

為了測試C0：一PAG油混合物(以下簡稱混合物)水平光滑管內流動沸騰換熱特性，筆者設計搭建了實驗臺(見圖l)。實驗臺采用開式系統，C0₂從鋼瓶中流出進入恒溫水浴裝置進行溫度調節和控制，模擬C0₂制冷系統中氣體冷卻器出口狀態。通過節流閥對C0₂進行流量控制，并使節流閥出口處的C0₂以液霧形式出現。在節流閥出口設置注油器，通過管道連接節流閥入口和出口，產生壓差，連同重力作用，注油器內的潤滑油可連續注入節流閥出口管內，并與C0₂充分混合。注油器出口安裝流量計，以測量潤滑油注入流量，控制閥1可調節PAG油注人流量。然后混合物進入測試段(模擬蒸發器)。為準確控制并測量C0₂的質流密度(C0₂質量流量與管內截面積之比)，在鋼瓶出口設置控制閥2(用于控制C0₂質量流量)，在測試段出口設置過熱段與恒溫水浴裝置(使C0₂完全氣化)及質量流量計。

 

測試段為有效加熱長度為2m的半硬態水平光滑銅管(見圖2)，內直徑為4mm，外直徑為6mm，在測試段進口、出口分別安裝壓力、溫度傳感器。在測試段每隔0.5m安裝熱電偶，以測量銅管外壁溫度，熱電偶用絕緣膠布固定在銅管外壁。電加熱絲采用直徑為045mm的Cr20Ni80合金絲，總電阻為82.5Ω，用于模擬蒸發器負荷。最外層設置絕熱層，起到固定和絕熱作用。電加熱絲與調壓器相連接，通過調節直流電壓來調節電加熱功率，改變測試段熱流密度。測試段熱流密度q的計算式為：

 

 

式中q——測試段熱流密度，W／m²

U——直流電源的電壓，V

R——電加熱絲的電阻，Ω

A——銅管內壁面積，m²

實驗主要針對C0₂質流密度與測試段熱流密度較小的工況，設定實驗條件：C0：質流密度為77kg／(m²·S)，測試段進口C0₂飽和溫度為5℃，測試段熱流密度為4.8 kW／m²。在不同工質干度(測試段進出口工質干度的算術平均值)下，實驗研究PAG油質量分數對混合物水平光滑管內流動沸騰傳熱系數的影響，并與無油工況進行比較。工質干度石的計算方法見文獻[13]，由計算方法可知，在設定實驗條件下，測試段進出口工質干度僅取決于鋼瓶出口恒溫水浴裝置的加熱功率。因此，工質干度由鋼瓶出口恒溫水浴裝置的加熱功率進行調節。

對于無油工況(PAG油質量分數為0)，水平光滑管內流動沸騰換熱系數K的計算式為：

 

式中K——水平光滑管內流動沸騰換熱系數，w／(m²·K)

t_wi——測試段進口、中部、出口內壁面溫度的平均值，℃

t_sat——測試段進口C0₂的飽和溫度，℃

銅管內壁溫度t_in的計算式為：

 

式中t_in——銅管內壁溫度，℃

t_out——銅管外壁溫度，℃，由實測得到

d_out——銅管的外直徑，m

d_in——銅管的內直徑，m

λ——銅管壁的熱導率，w／(m·K)

對于含油工況(PAG油質量分數大于0)，水平光滑管內流動沸騰換熱系數K的計算式為：

 

式中t_bub——混合物的泡點溫度，℃，計算方法見文獻[13]

3.2　實驗結果及分析

在設定實驗條件下得到，小同工質干度下PAG油質量分數對K的影響(見圖3)。由圖3可知，與無油工況相比，含油工況的K明顯下降。對于無油工況，在K急劇變化處干涸發生，并隨著工質干度的增加，與含油工況的K差距縮小，最終趨于一致。

 

L.Ga0等人^[14]針對C0₂-PAG混合物，測定蒸發器的換熱性能，蒸發器采用不銹鋼水平光滑管，內直徑為3mm。實驗主要針對C0₂質流密度與蒸發器負荷(熱流密度)較大的工況，實驗條件為：C0₂質流密度為380kg／(m²·s)，蒸發器進口C0₂飽和溫度為10℃，熱流密度為20kW／m²。實驗得到，不同工質干度下PAG油質量分數對K的影響(見圖4)，將PAG油質量分數小于0.01％視為無油工況。由圖4可知，與無油T況比較，含油工況的K大幅度下降。隨著PAG油質量分數的增大，K逐漸減小，但減小的幅度不明顯。當干洞發生時，無油工況、含油工況的K均出現明顯下降，并趨于一致。

 

圖4與圖3類似，在低干度區，C0₂主要以液態形式存在，對PAG油的溶解度較大，表現為PAG油質量分數對K的影響很大。隨著工質干度的增大，尤其干涸發生以后，氣態C0₂的比例增大，氣態C0₂對PAG油的溶解性很差，大部分PAG油析出，PAG油質量分數不再是影響K的決定因素。最終，無油工況與含油工況的K趨于一致。

4　換熱關聯式的篩選

研究混合物水平光滑管內流動沸騰換熱特性很重要的工作是建立準確的換熱關聯式，從而對換熱特性進行預測。目前，對于傳統工質水平光滑管內沸騰換熱關聯式的研究很多，其中一些也適用于純C0₂工質，但是對混合物換熱關聯式的研究卻很少。

筆者選取5種經典換熱關聯式，將本次設定實驗條件(PAD油的質量分數固定為0.75％)作為已知計算條件，比較實驗結果與換熱關聯式計算結果，從中篩選出適于計算混合物水平光滑管內流動沸騰換熱系數的傳熱關聯式。

1987年，K.E.Gungor等人^[1]給出了水平光滑管和豎直光滑管內流動沸騰換熱關聯式(以下簡稱Gungor關聯式)，利用傳熱疊加原則，總換熱系數等于核態沸騰與強制對流蒸發換熱系數之和。

1989年，D.S.Jung等人心。提出了單工質與混合工質的水平光滑管內流動沸騰換熱關聯式(以下簡稱Jung關聯式)，對于混合工質，考慮了混合工質引起的單工質熱物性變化對換熱特性的影響。與實驗結果比較，單工質、混合工質條件下的平均相對誤差分別為7.2％、9.6％。

1991年，Z.Liu等人^[3]根據4300多個實驗數據點，得到管內和環空問內的流動沸騰換熱關聯式(以下簡稱Liu關聯式)，通過改變核態沸騰因子和對流因子的計算式，修正了Gungor關聯式。

2004年，S.H.Yoon等人^[4]發展了適用于C0₂的水平光滑管內流動沸騰換熱關聯式(以下簡稱Yoon關聯式)，干涸前采用Liu關聯式，干涸后采用Dittus—Boeher’s方程與Gungor關聯式的組合。

2007年，C.Kwang-Ⅱ等人^[5]針對3種工質(R-22、R-134a、C0₂)，681個實驗數據點，修正了對流因子和核態沸騰因子，得到了微通道水平管在較小質流密度和熱流密度條件下的換熱關聯式(以下簡稱Kwang-Ⅱ關聯式)。

實驗結果與換熱關聯式計算結果見圖5。5種換熱關聯式計算結果與實驗結果的相對誤差見表2。由圖5、表2可知，在干涸前，除Jung關聯式的計算結果與實驗結果接近外，其他換熱關聯式的計算結果均大幅偏離實驗結果。Jung關聯式的計算結果與實驗結果的相對誤差為6.69％，其他換熱關聯式的計算結果與實驗結果的相對誤差均在30％以上。因此，Jung關聯式可作為適于計算混合物水平光滑管內流動沸騰換熱系數的經典換熱關聯式。

 

 

5　結論

①在C0₂質流密度與測試段熱流密度較小的實驗工況下，與無油工況相比，含油工況K明顯下降。對于無油工況，在K急劇變化處干涸發生，并隨著工質干度的增加，與含油工況的K差距縮小，最終趨于一致。與C0₂質流密度與測試段熱流密度較大的實驗工況得到的結果一致。

②將實驗結果與5種經典換熱關聯式的計算結果進行比較，篩選適于計算混合物水平光滑管內流動沸騰換熱系數的經典換熱關聯式。Jung關聯式的計算結果最接近干涸前的實驗結果，與實驗結果的相對誤差為6.69％，認為基本適用。其他換熱關聯式的計算結果均大幅超出實驗結果，相對誤差在30％以上，認為不適用。

 

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本文作者：胡靜　楊俊蘭　杜明星

作者單位：天津城市建設學院能源與安全工程學院，天津300384；

　天津理工大學自動化學院，天津300384