润滑油对水平强化管降膜蒸发传热特性的影响

李敏霞，蔡文生，孙 晗，党超镔，吕佳桐

(1. 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072；2. 北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124；

3. 日本东京大学新领域创成科学人间环境专攻，千叶 277-8563)

随着能源价格的上涨以及臭氧层破坏和温室气体效应等环境问题日益突出，制冷剂的替代和减量技术成为热泵制冷空调行业的研究重点．早在 1848年水平管降膜式蒸发器技术已经诞生，1888年降膜蒸发器专利出现，1970—1990年期间研究侧重点集中在海洋热能转化系统上的应用，直到 20世纪 90年代，随着制冷剂CFC的淘汰，降膜蒸发器被应用于制冷系统中．水平管降膜蒸发器与满液式蒸发器相比传热系数更高、传热温差小、不可逆损失小、换热器设备体积小的优点，特别是制冷剂充灌量可以降低20%～30%[1]．

国内外学者对水平管降膜式蒸发器进行了大量的实验研究，Armbruster等[2]发现在对流蒸发占主导时，传热系数随着饱和温度的增加而增加，但在核态沸腾占主导时，Ribatski等[1]认为饱和温度的增加可能导致传热系数增加，也可能导致传热系数的减少，因为饱和温度的增加会增加气化核心，但温度梯度的增加会抑制气泡的成长．Hu等[3]认为在对流蒸发占主导时传热系数的变化不受热流密度的影响，Zeng等[4]认为由于热流密度增加会导致气化核心的增多而使传热系数增加．Ganic等[5]认为在严格的对流蒸发时传热系数随着液膜流量的增加而增加．Roques[6]通过实验研究发现传热系数在全部润湿的核态沸腾区域中不受液膜流量的影响，但在部分润湿的核态沸腾区域时，传热系数会随着液膜流量的减少而降低.Hu等[7]提出了滴状流、滴状-柱状流、柱状流、柱状-片状流、片状流管间流型并通过实验和观察建立了Re-Ga流型转换图. Mohamed[8]通过实验得出旋转水平管的流动模式转变所需的雷诺数低于静止水平管.

在实际的制冷循环过程中，从压缩机出来的制冷剂气体夹带压缩机里的润滑油，最终进入蒸发器，因此进入蒸发器中的制冷剂不再是纯工质，而是制冷剂与润滑油的混合物．一些研究认为润滑油可以促进制冷剂的蒸发换热，而有些研究认为润滑油可能抑制蒸发换热．在关于润滑油对池沸腾影响的研究中，Udomboresuwan等[9]认为由于泡沫的存在，使得池沸腾换热系数有显著的增加．Spindler等[10]认为在含油率较低时，油黏度较大，会导致换热系数的增加．在关于润滑油对流动沸腾传热影响的研究中，Dang等[11]对含 PAG润滑油 CO2进行了蒸发实验，发现换热系数降低了50%．

关于含油制冷剂对降膜蒸发传热影响的文献较少. 为此，笔者以 R134a为制冷剂，在不同含油率(POE润滑油)情况下进行管外降膜蒸发换热实验研究，为制冷系统水平管降膜式蒸发换热的设计提供帮助．

1 实验设备与方法

1.1 实验流程及步骤

实验系统见图 1，主要由制冷剂循环系统、水循环系统、数据测量采集系统 3大系统组成．图中实线为制冷剂循环回路，虚线为水循环回路．制冷剂循环系统包括蒸发器、干燥过滤器、压缩机、油分离器、冷凝器、节流阀、储液罐等主要部件．制冷剂气体经过涡旋压缩机 1成为高温高压气体，经过油分离器 2，过滤掉一部分 POE油，再进入冷凝器 3被低温循环水 12冷凝为液体，然后依次进入节流阀 4、储液罐5、降膜蒸发器 7中，经过蒸发器换热以后的制冷剂可能是气液共存，再通过气液分离器 10最终以气体状态进入压缩机．系统还包括液态制冷剂回液支路，其作用是将蒸发器中未能及时蒸发掉的液态制冷剂再次通过工质泵送回蒸发器中进行蒸发．

图1 实验系统示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

在测试前，通过改变与油分离器2管路并联支路上调节阀的开度大小来获得不同的工质含油率，并通过含油测试段进行油含量的测定，另外待整个实验数据采集完毕后，仍保持制冷系统机组运行，再取下含油测试段对工质含油率进行测定．在实验时，将与油分离器 2管路并联支路上调节阀开度大小设定在某一位置并固定不变，以确保压缩机出来的工质含油率不变．然后开启制冷系统，控制冷冻水箱水温．通过调节冷冻水水温和冷冻水的质量流量来控制蒸发器的蒸发温度保持在 6,℃．由于采用的是水加热方法，实现测试管上等热流密度输入比较困难，但为尽量保证管路各处热流密度均匀，尽量加大水流量，降低换热温差，减小热流密度的不均匀性．通过改变冷冻水流量来控制实验测定的热流密度范围，最后得到整根管的平均换热系数．

本次实验采用的工质为 R134a，采用的润滑油为合成多元醇酯类(polyol ester，POE)润滑油，R134a与 POE互溶，R134a与其他润滑油如矿物油不相溶不利于油的回流，与合成的聚(乙)二醇类(polyalkylene glycol，PAG)润滑油部分相溶，一般R134a制冷系统推荐使用 POE润滑油．蒸发温度为6,℃．进口水温保持在 12,℃．实验段为 2,m 长的强化管，其几何参数见表1，强化管表面照片见图 2．强化表面有比较深的横纵沟槽．实验工况见表 2．研究在不同喷淋密度以及不同含油量的情况下，管外表面的换热系数．率计算式为

表1 强化管参数Tab.1 Enhanced tube parameters

图2 强化管表面照片Fig.2 Picture of the surface of enhanced tube

表2 实验工况Tab.2 Experimental conditions

1.2 含油率的控制与测定

系统中采用的润滑油为 POE．POE与 R134a互溶．为改变系统测试段中的含油率，在压缩机 1出口加装了与油分离器2管路并联的调节阀支路，如图1所示．通过调节支路调节阀开度的大小，控制进入油分离器的流量，来得到不同含油率的制冷剂．同时，在降膜蒸发器 7之前加装了含油率测试段，如图 3所示．

图3 含油率测试段Fig.3 Test section of oil content

实验中对含油测试段(虚线之间的管路)进行取样时，将主干路阀门 1关闭，打开支路阀门 2、3，待系统运行一段时间以后，将支路球阀 2和针阀 3关闭，同时打开主干路球阀 1．取下含油测试段(针阀 3及其之间的管路)并利用精度为0.01,g的精密天平进行称量，称其质量为 m1，然后缓慢打开针阀 3，待制冷剂完全释放后，称其质量为m2，最后用清洗剂多次清洗含油测试段并用氮气吹干，称其质量为m3．含油

2 数据处理

2.1 管外换热系数的确定

管外换热系数(h)计算式为

式中：Q为总换热量；AO为管外当量换热面积；ΔT为换热温差；ΔTw为实验段中水进出口温差；qm,w为水的质量流量；Tw为管外壁平均温度；Tsat为制冷剂蒸发温度；Γ 为喷淋密度；qm,r为制冷剂质量流量；L为管的长度．

2.2 不确定度分析

蒸发器内的蒸发温度由二级标准铂电阻测量，通过标定，其测量精度为±0.1,℃，实验段的冷冻水进出口温度由 T型热电偶来测量，经标定，其测量精度为±0.1,℃．冷媒和水侧流量的测量使用涡轮流量计，其精度为±0.5%．压力表精度为±0.4%．根据误差传播公式

推出本实验中管外换热系数的相对不确定度为

式中：Tin为冷冻水入口温度；d0为管的工程外径．

对于喷淋密度Γ＝0.13,kg/(s·m)、0.17,kg/(s·m)、0.21,kg/(s·m)的管外传热系数相对误差分别为4.64%～7.76%、4.29%～8.37%、5.52%～8.02%．

3 实验结果与分析

3.1 含油率对管外换热系数的影响

图 4(a)、(b)、(c)依次给出实验在蒸发温度为6,℃，喷淋密度Γ分别为 0.13,kg/(s·m)、0.17 kg/(s·m)、0.21,kg/(s·m)，热流密度 q 在 30～65 kW/m2范围工况下，不同喷淋密度Γ 和含油率 ω 下强化管管外换热系数 h随管外热流密度 q的关系曲线．从图4中可以看出，在恒定喷淋密度Γ 和不同含油率 ω的情况下，强化管管外换热系数 h随着热流密度q的变化规律与纯工质的变化规律类似，如文献[5]，即随q的增加而增加．通过对水平管外降膜传热过程的分析可知，热流密度的升高会增大管壁与制冷剂的换热温差，壁面温度的提高将会使越来越小的存气凹穴成为汽化核心，气泡扰动变得更为剧烈，从而增加了管外换热系数．因此随着热流密度 q的增加，管外换热系数h呈上升趋势．

图4 不同喷淋密度下降膜蒸发管外换热系数随含油率的变化趋势Fig.4 Effect of oil content on heat transfer coefficient under different sprinkle densities

另外，从图 4可以看出，在实验范围内，同一喷淋密度和热流密度的情况下，随着制冷剂含油率的提高，管外换热增加．当含油率从 0.5%增加到 5.1%，换热系数大约分别增加了 38.9%～51.0%、33.7%～37.8%、29.6%～42.0%．造成换热系数增大的原因可能为，制冷剂随着含油率的增加，其混合物的黏度和表面张力增大[12]，则重力对流动的影响相对减弱，液体不易“滑落”，却更容易润湿管壁面．此外，发泡作用[13]有助于泡沫的产生和液体体积的增加，从而使液体更容易润湿管壁面．因而，在本实验参数范围内，随着含油率的增加，优化换热得以增强．如果从增强蒸发换热角度出发，可适当提高制冷系统的含油率．

3.2 喷淋密度对管外换热系数的影响

图5 不同含油率下降膜蒸发管外换热系数随喷淋密度的变化趋势Fig.5 Effect of sprinkle density on heat transfer coefficient under different oil contents

图 5(a)、(b)、(c)依次给出了制冷剂含油率在0.5%、1.2%、5.1% 3种情况下，不同喷淋密度情况下管外换热系数的变化趋势．图中实验测定蒸发温度为6,℃，热流密度q的范围为30～65,kW/m2．从图5可以看出，在恒定含油率和管外热流密度的情况下，随着喷淋密度增大，管外换热系数也会与纯工质具有相同的规律，参见文献[5]，即喷淋密度增大，管外换热系数增大．通过分析水平管管外降膜蒸发的流动和传热过程可知，一方面，液膜喷淋密度增加会使管外液膜厚度增加，液膜导热热阻增大，对换热不利．另一方面，随着液体制冷剂喷淋密度的增大，管外液膜流动速度加快，液膜内扰动加强使液膜温度更容易趋于一致，因而有利于强化对流传热．综合喷淋密度的增加对管外换热系数正反两方面的作用结果来看，在本实验中，液膜扰动的作用强于液膜厚度增加的作用．

由图5中(c)与(a)、(b)对比可以看出，本实验工况下，在含油率为 5.1%时，喷淋密度的变化对管外换热系数的影响不是很明显．产生这种现象的原因可能是在含油率为 5.1%时，发泡作用较强，沸腾处于核态沸腾占主导时，液膜的流动速度对于管外换热系数影响不如含油率低时明显．

4 结 论

在本文研究范围内，通过实验测定3种不同含油率下的降膜蒸发强化管外换热特性，得出以下结论.

(1) 含POE润滑油的R134a水平管降膜蒸发换热特性随喷淋密度与热流密度的变化规律基本与纯工质相同．

(2) 在一定的喷淋密度下，随着含油率的增加，管外换热系数增加，含油制冷剂混合物的黏度和表面张力增加，并伴随有发泡作用，对降膜蒸发传热特性具有强化作用．

(3) 在 R134a含油率较高时，喷淋密度的增加对降膜蒸发性能的影响不是很明显．在较高含油率的情况下，喷淋密度并不是降膜蒸发传热特性的主要因素．在制冷剂含油率较低时，降膜蒸发性能在一定的热流密度下，随喷淋密度的增加而增强．因此在制冷系统的含油率较低的情况下，提高工质的喷淋密度有助于提高降膜蒸发的换热性能．

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