新型PVE油对R32分体式空调性能的影响

金梧凤 袁小勇 高攀 徐磊

（天津商业大学冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津 300134）

新型PVE油对R32分体式空调性能的影响

金梧凤 袁小勇 高攀 徐磊

（天津商业大学冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津 300134）

R32作为新一代替代制冷剂的应用范围很广，专用冷冻机油的开发和使用成为R32应用的关键问题之一。本文选取了一种新型PVE油搭配R32，通过实验对比R410A/POE油、R32/POE油以及R32/PVE油组合时2匹热泵分体式空调的制冷性能，研究了不同PVE油含油率下的空调蒸发器及冷凝器侧热阻的变化，PVE油量影响系统COP的原因。结果表明：PVE油的使用明显提升了R32空调的制冷性能，随着油量的增加，蒸发器侧热阻先增大后减小，冷凝器侧热阻逐渐增大，从而影响蒸发温度先升高后降低，冷凝温度持续上升，系统COP先增大后减小，在PVE充注油量270 mL附近达到最大值。

R32；PVE油；空调性能；油量；热阻

制冷剂R32（二氟甲烷）以良好的热物理性质和低GWP成为最具潜力的 R22替代制冷剂［1－2］。在制冷系统中，冷冻机油对制冷剂的使用性能和效果有重要影响，与制冷剂互溶性良好的冷冻机油对系统的性能有很大提升［3－5］。R32推广应用中不可回避的问题之一就是互溶性良好的专用冷冻机油的开发与使用。

目前国内外针对R32冷冻机油的研究已有很多。R．Ota等［6］在低GWP制冷剂与润滑油互溶潜力的研究中发现R32制冷剂与R410A制冷剂用润滑油不能完全匹配使用，T．Okido等［7］通过增加 POE油成分中脂肪酸链数来研究适用于R32制冷剂的专用冷冻机油，测试证明相溶性良好。近年来，PVE油已被推荐为HFC制冷剂的新型制冷润滑油，相比传统POE油，PVE油在水解稳定性［8］、与HFC制冷剂的互溶性［9］、对处理液的可溶性［10］、EHD 区的油膜强度［11］等方面都具有明显优势。 T．Matsumoto 等［12］针对一种R410A用PVE润滑油的物理性质、热稳定性及润滑性进行了实验研究，发现这种润滑油较符合R32的使用特性。系统含油率同样对系统性能及运行稳定性有显著影响，邬志敏等［13］研究了一定制冷量、吸气压力下，不同吸气温度时制冷循环系统内的含油率对制冷量的影响。娄江峰等［14］研究了新型纳米石墨冷冻机油对系统的影响，发现耗电量、制冷量均随含油率的增大而增大。

本文以一种新型PVE油为研究对象，证明该新型PVE油与R32具有更好的互溶性前提下，实验研究了R32/PVE、R410A/POE 和R32/POE 三种组合对一台2匹热泵分体式空调的性能影响，获得了新型PVE油在压缩机排气温度、功耗、制冷量等方面的参数，探讨了PVE油量的变化对系统COP的影响和原因，解释了换热效果和COP的改变主要受制冷剂侧换热热阻影响。研究成果有助于推动该新型PVE油在国内的普及，并为新型PVE油与R32在家用空调中搭配使用提供参考依据和数据支持。

1 互溶性测试

制冷剂和冷冻机油互溶性好坏以两相分离温度为评价标准，我国颁布的石油化工行业标准［15］在参考日本溶油性实验方法［16］的基础上作出改进，绘制出R22等制冷剂的溶油性曲线。

测试实验台在国家标准SH/T 0699—2000基础上自主搭建和完善，如图1所示，主要由主体试管、恒温水槽、恒温室和配气系统组成。

主体试管包括带刻度的石英玻璃管、压紧盖、不锈钢套筒、压力传感器、热电偶和安全阀等，如图2所示。主体试管置于恒温室内，恒温室由保温材料、电加热器和外接恒温水槽的换热器来维持恒温，恒温水槽温度波动为±0.01℃。热电偶从主体试管下部插入混合物。配气系统主要由真空泵、电子秤和制冷剂罐组成，用来完成制冷剂的充注。为保证充油的精确性，油的充注使用电子秤、量筒和滴管。设备参数如表1所示。

图1 互溶性测试系统Fig．1 Miscibility test system

图2 主体试管Fig．2 The main test tube

表1 设备参数Tab．1 Precision parameters of equipments

本实验选取日本某制冷剂厂商最新开发的两种POE和PVE型冷冻机油，具体品牌及型号如表2所示。

实验时室外环境温度下，一定含油率的混合物配置完成后，混合物初始状态通常呈分层状态，关闭恒温水槽并打开电加热器对混合物逐渐升温，直至变为澄清、均一的溶液，然后打开恒温水槽，再次对混合物降温，直至整体浑浊，记录此时的温度，即为该含油率下的两相分离温度。分别测试 R410A/POE、R32/POE和R32/PVE在不同含油率下的两相分离温度，结果如图3所示。

表2 冷冻机油型号Tab．2 Types of refrigeration oil

图3 互溶性结果对比Fig．3 Comparison of miscibility results

由图3可知，R32与新型PVE油混合具有更低的两相分离温度，说明新型PVE油与R32互溶性的更好。而互溶性对R32的实际使用性能有哪些影响，需要进一步实验研究。

2 空调性能实验

2.1 实验系统

实验流程如图4所示，性能实验在热平衡室内进行，实验机组为某品牌2匹分体式热泵空调。空调压缩机排气口、蒸发器表面、冷凝器表面布置热电偶，并将功率仪连接至压缩机得到输入功率，通过MX100数据采集器连接至电脑，记录数据。为了避免过高的排气温度并有利于稳定数据的采集，利用专用控制软件设置压缩机额定频率为 43 Hz，风扇转速为1 000 r/min。

2.2 实验方案

实验包括研究制冷剂和油的互溶性及PVE油量变化对空调性能的影响两部分，实验工况如表3所示。参照机组出厂参数，R410A充注量为900 g，配合POE油使用，油充注量为300 g。根据充注量与摩尔质量成正比关系［17］，R32充注量定为630 g。研究互溶性对性能的影响，依次对 R410A/POE、R32/POE、R32/PVE组合进行实验，油的充注量不变。研究PVE油量对空调性能的影响，充注R32，以原系统润滑油量300 mL为中间量，5次改变PVE油量作为实验工况。所有实验均于同一空调机内完成，润滑油的更换通过手动清洗压缩机后充油完成。

图4 实验流程Fig．4 Experimental flow chart

表3 实验工况Tab．3 Experimental conditions

实验前进行温度场调试，为模拟空调夏季运行的环境温度，待室内、室外温度稳定至t1、t2后进行记录，每3 min记录一次，时间为30 min，取平均值进行比较。

3 实验结果及分析

3.1 互溶性对空调性能的影响

1）互溶性对排气温度的影响

冷冻机油在压缩机运行中除了起到润滑、减磨的基本作用外，还可以及时带走摩擦部件产生的热量，降低压缩机内工作温度，利用专用冷冻机油是降低压缩机排气温度最经济的方法。由图5可以看出，由于R32具有更好的传热特性［18］，R32/POE 比 R410A/POE的排气温度提高了约3.2℃；当R32与互溶性更好的PVE油搭配时，R32可以挟带更多的油，不仅保证压缩机润滑的连续性，还能及时带走摩擦热，R32/PVE比R32/POE的排气温度降低约2.5℃。

图5 压缩机排气温度Fig．5 Exhaust temperature of compressor

2）互溶性对COP的影响

压缩机高温名义工况下［19］（即蒸发温度7.2℃，冷凝温度 54.4℃，吸气温度 18.3℃，液体温度46.1 ℃），压缩机的等熵效率为 0.7时，R32的压比略高于 R410A。如图6所示，R32/POE比 R410A/POE 功率高58.5 W，增长率为9.49%；R32搭配PVE油时，功耗增长不明显，基本与R32/POE持平。

图6 压缩机输入功率Fig．6 Input power of compressor

采用热平衡法计算空调的制冷量和COP，并对热平衡室的漏热量进行修正。首先，只打开室内侧加热管，当漏热量等于加热量时，温度不再上升，此时：

式中：Qa为加热量，W；Ui为调压器输出压力，V；Ii为加热管工作电流，A；Qb为漏热量，W；L为漏热系数，W/（m2·℃）；S为室内侧表面积，m2；Δt为室内外温差，℃。

计算得出L值后，打开空调，调试室内外温度至设定工况，制冷量和制冷系数可由下式求得：

式中：Qc为空调机组制冷量，W；P为压缩机输入功率，W。

相比R410A，R32具有更好的制冷性能，由图7可以看出，R32/POE制冷量比 R410A/POE提高约329.1 W，增长18.00%；当 R32 搭配 PVE 油时，由于更多的油溶于制冷剂，换热壁面残留量减少，换热效果提升，制冷量相比R32/POE组合提高约451.6 W，增长 24.67% 。

图7 空调系统制冷量Fig．7 Cooling capacity of air conditioner

不同搭配方案下空调系统COP的变化如图8所示，搭配POE 油，R32 比R410A/POE 高约0.23，提高了 7.74%；搭配 PVE 油 时，比 R410A/POE 高 约0.38，提高了 12.79% 。

可以看出，新型PVE油的使用，相比于传统POE油，不仅降低了R32的排气温度，在压缩机功耗基本不变的基础上，还提高了空调系统的制冷量和COP，具有良好的使用效果。因此，研究充注量对系统性能的影响十分必要，可为PVE油最佳充注量的研究提供数据支持。

3.2 PVE油量对空调性能的影响

为研究新型PVE油的充注量对系统性能的影响，实验分5次加注PVE油。

1）PVE油量对换热热阻的影响

换热器表面积A、运行环境、传热温差均不变，因此影响式（6）中换热量的主要因素是换热器综合传热系数K：

式中：Φ为换热量，W；K为综合传热系数，W/（m2·℃）；A为传热面积，m2；tf1、tf2为壁面温度，℃。由计算所得换热量Φ，测量换热器的传热面积及传热温差，可以计算K。

图8 空调制冷系数Fig．8 COP of air conditioner

制冷剂⁃空气总传热热阻的变化受式（7）中空气侧传热热阻、管壁导热热阻和制冷剂侧传热热阻的共同影响：

式中：h1为空气与管壁的表面传热系数，W/（m2·℃）；λ为导热系数，W/（m·K）；δ为管壁厚度，m；h2为制冷剂与管壁的表面传热系数，W/（m2·℃）。

以冷凝器为例，冷凝器翅片为平直型，首先计算空气侧换热热阻，按式（8）［20］求得Nuf：

由式（9）求得表面传热系数：

式中：S为横向管间距，mm；S2为纵向管间距，mm；N为管排数；d3为翅根直径，mm。

得到空气侧传热热阻，管壁导热热阻可通过查取物性表得到，最后根据式（7）求出制冷剂侧单位面积传热热阻。

不同PVE油量对制冷剂侧单位面积传热热阻的影响如图9、图10所示，对比图9、图10中的单位面积传热热阻可知，随着PVE油量的增加，R32/PVE组合在蒸发器侧的单位面积传热热阻变化较为明显，最低值出现在270 mL左右，相比R410A/POE组合下降约 33.33%，相比 R32/POE 组合也下降了约11.11%；超过270 mL后，传热阻值开始上升。而在冷凝器侧，油量的增加整体对于传热热阻起到增加的作用，270 mL附近R32/PVE传热阻值低于R410A/POE 组合约 26.47%，低于 R32/POE 组合约3.85%。

图9 PVE油量对蒸发器单位面积传热热阻的影响Fig．9 Effect of PVE oil content on thermal resistance of unit area of evaporator

图10 PVE油量对冷凝器单位面积传热热阻的影响Fig．10 Effect of PVE oil content on thermal resistance of unit area of condenser

实验结果表明：对于冷凝器而言，随着油量的增加，冷凝器油膜厚度增加，传热热阻增加，影响了制冷剂与空气的热交换，削弱了冷凝换热效果，并且由于部分油溶于制冷剂，导致制冷剂黏度增大，压降增大，造成冷凝压力升高，传热温差增大［21］。

对于蒸发器而言，当油量小于270 mL时，油的溶解一方面增加制冷剂表面张力，改善了表面浸润性，另一方面产生的泡沫增加了浸润面积，拉薄了液膜，强化换热效果，传热热阻也随着油量的增加而降低；当油量超过270 mL时，传热热阻逐渐增大，这是因为随着制冷剂的蒸发，液相中油的含量逐渐增加，换热器表面形成的油膜增厚，降低了传热系数，削弱了换热效果，蒸发曲线的下降增加了系统的传热温差。不仅如此，蒸发器中制冷剂溶解于油还会造成潜热无法利用，使制冷量进一步减小。而混合物黏度逐渐增加会造成压降增大，直接降低了压缩机的吸气压力，从而降低压缩效率，功耗增加。

PVE油量对蒸发温度和冷凝温度的影响如图11、图12所示。热阻变化影响了换热效果，进而蒸发温度和冷凝温度也随PVE油量增加而变化。蒸发器换热效果先提升后下降，制冷量先增大后减小，蒸发温度随之先升高后降低，在270 mL处达到最高值；冷凝换热效果持续下降，冷凝器换热量减少，冷凝温度持续升高。

图11 PVE油量对蒸发温度的影响Fig．11 Effect of oil content on evaporation temperature

图12 PVE油量对冷凝温度的影响Fig．12 Effect of oil content on condensing temperature

R32与新型PVE油搭配使用时，270 mL注油量附近，蒸发温度高于其他组合，且为最高值，冷凝温度低于其他组合，对于理论循环而言，此时R32/PVE的COP高于 R410A/POE 和R32/POE。

2）PVE油量对COP的影响

图13中实验结果与文献［22］变化趋势一致，随着油量的增加，系统COP呈先增大后减小的趋势，R32/PVE组合在270 mL油量附近达到最大值3.56，比300 mL注油量的R410A/POE组合高约19.6%，比R32/POE组合高约11.3%，具有明显的性能增益效果。随着油量的继续增加，COP下降明显，超过330 mL时，COP低于R32/POE组合。PVE油量变化对系统性能的影响结果如表4所示，tc、te分别为冷凝温度、蒸发温度。

图13 PVE油量对COP的影响Fig．13 Effect of PVE oil content on COP

表4 油量对空调性能的影响Tab．4 Effect of oil content on the performance of air conditioning

由表4可知，COP的变化主要受换热器的换热效果影响，传热温差和面积一定的情况下，传热热阻成为影响换热效果的主要因素。使用新型PVE油有效降低了制冷剂侧传热热阻，提升了系统COP，达到了节能减排的效果。

研究结果表明：相比于 R410A/POE组合，R32/POE和R32/PVE在各方面参数都有所提高，而PVE油的使用，明显改善了R32的排气温度，不仅功耗方面效果理想，制冷能力也表现良好，总体来说对空调运行具有增益作用。随着新型PVE油充注量的增加，制冷剂侧换热效果受热阻影响，系统COP呈先增大后减小的趋势，并在270 mL处达到最大值。考虑到耐磨性等问题同样是评价冷冻机油的重要标准，因此新型PVE油在此方面的研究还有待进行。

4 结论

实验选取了新型PVE油搭配R32使用，对比R410A/POE和R32/POE，研究了新型PVE油与R32的互溶性及油量对空调系统性能的影响，得出以下结论：

1）互溶性较好的 R32/PVE组合排气温度比R32/POE组合低2.6℃，对于压缩机和系统的稳定运行具有增益效果，同时压缩机功耗基本不变，制冷量和COP均有所提高。

2）PVE油量增加对系统性能产生影响的主要原因是制冷剂侧换热热阻的变化，而起决定性作用的是蒸发器侧热阻，呈现先减小后增大的趋势，最小值相比 R410A/POE 组合下降约 33.3%，相比 R32/POE组合也下降约11.1%；冷凝器侧热阻则逐渐增加。

3）换热效果受换热热阻影响，蒸发和冷凝温度随PVE油量的增加而变化，蒸发温度先升高后降低，在270 mL处达到最大值，冷凝温度持续升高。

4）R32/PVE的COP呈先增大后减小的趋势，在270 mL注油量附近达到最大值。

本文受天津市创新团队项目（TD12⁃5048）资助。（The project was supported by the Tianjin Innovative Research Groups（No．TD12⁃5048）．）

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Effect of New PVE Oil on the Performance of Air Conditioner with R32

Jin Wufeng Yuan Xiaoyong Gao Pan Xu Lei
（Refrigeration Engineering Research Center of Ministry of Education，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China）

The application range of R32，a new alternative refrigerant，is continually increasing．The development and use of a special refrigeration oil has become one of the key issues in R32 applications．This study investigated a new type of polyvinylether（PVE） oil pai⁃ring with the R32 refrigerant．Through an experimental comparison of the refrigeration performance of a split air conditioner，which is heat⁃pump type and the input power is 2 HP，with R410A/polyolester （POE），R32/POE，and R32/PVE，the thermal⁃resistance change of the evaporator and condenser under different PVE oil contents and how the system coefficient of performance（COP） was affected by the PVE oil content were studied．The results show that when R32 is paired with a more mutually soluble PVE oil，the refrigeration perform⁃ance is improved effectively．With the increase in PVE oil content，the thermal resistance of the evaporator first increases and then decrea⁃ses，and the thermal resistance of the condenser gradually increases；thus，the evaporation temperature first increases and then decreases，and the condensing temperature increases continuously．The COP increases and then decreases with the increase of the PVE oil content，reaching a maximum in the vicinity of 270 mL．

R32；PVE oil；air conditioning performance；oil content；heat resistance

Jin Wufeng，male，associate professor，School of Mechanical En⁃gineering，Tianjin University of Commerce，＋86 13802186472，E⁃mail： kob＠ tjcu．edu．cn．Research fields： technology of refrig⁃eration and air⁃conditioning．

TB61＋2；TB657．2；TE666

A

0253－4339（2017）06－0052－10

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.052

2016年9月29日

金梧凤，男，副教授，天津商业大学机械学院，13802186472，E⁃mail： kob＠ tjcu．edu．cn。 研究方向：制冷与空调技术。