相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾换热及压降特性的影响

李 广 庄大伟 谢丽懿 丁国良 胡国新 郑立宇 廖四清 卢耀汕 阚 望 龙春仙

(1 上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240;2 广东美芝制冷设备有限公司 佛山 528300)

制冷剂在空调系统内循环时,不可避免地会与压缩机内润滑油接触混合,共同进入换热器工作[1-2]。提升空调器性能的关键在于提升制冷剂-润滑油混合物在换热器内的流动沸腾传热系数并降低压降。目前已有大量学者对制冷剂-润滑油混合物在换热管内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,涵盖的制冷剂包括R410A[3-4]、R22[5-6]、R134a[7]等。然而在新的环保标准下R410A等制冷剂正面临逐步淘汰的问题,R32作为新一代环保制冷剂,目前已经广泛应用于家用空调器中[8]。为了提升R32空调器的性能,需要研究R32-润滑油混合物在换热管内的流动沸腾换热压降特性。

目前空调系统中均采用与制冷剂完全互溶的润滑油;压缩机油池内将溶解大量制冷剂,使空调系统内的实际循环量少于名义充注量,需进一步增加充注量[9]。但R32制冷剂具有弱可燃性,为减少其泄漏后带来的燃爆危害,需减少其在空调器内的充注量[10-11]。若采用与制冷剂完全不互溶的润滑油,制冷剂-润滑油混合物在换热器管内换热时易分层产生油膜,增加传热热阻,大幅削弱换热并提升压降[12-13]。为了平衡制冷剂与润滑油相溶性过好或过差对R32空调器性能的不利影响,需要定量分析相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾换热及压降特性的影响。

针对制冷剂-润滑油混合物在换热管内流动沸腾换热特性的研究,一直是制冷系统研究的热点。现有相关的研究涵盖了完全互溶的润滑油-制冷剂混合物与完全不互溶的润滑油-制冷剂混合物两大类,涉及的制冷剂类型包括R32[1]、R410A[3-4]、R22[5-6]、R717[14-15]等,如表1所示。其中对于R32,目前已公开报道的研究成果均仅针对完全互溶润滑油,包括对完全互溶的R32-润滑油混合物在不同蒸发温度、干度及油浓度下的管内流动沸腾传热系数和压降的测试以及关联式开发[1]。然而,现有研究成果均未考虑不同润滑油和R32之间的相溶性对传热系数及压降的影响。

表1 制冷剂-润滑油混合物管内流动沸腾换热特性实验研究现状综述

润滑油和R32之间相溶性的变化,会改变R32-润滑油混合物在管内流动时的分层状态。当相溶性由好变差时,R32-润滑油混合物会由均一流体逐渐分层形成两层油浓度不同的混合物,改变了临近换热壁面的混合物的物性,进而改变了混合物流动沸腾换热及压降特性。这种因混合物由均一转变为分层对换热和压降造成的影响,无法依靠现有的针对始终均一的完全互溶润滑油-R32混合物的研究成果来评估。

综上所述,制冷剂-润滑油混合物管内流动沸腾换热及压降特性会受到相溶性的影响。目前R32制冷剂的相关研究只针对始终均一的完全互溶润滑油-R32混合物,无法体现混合物由均一变化为分层对换热产生的影响。本文的目的是通过实验手段研究不同相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾换热及压降特性的影响规律,给出具有最佳换热与压降性能的润滑油-制冷剂相溶性。

1 研究对象与思路

为了研究相溶性对R32-润滑油混合物管内传热与压降特性的影响,本文对R32与不同润滑油的混合物在典型空调器运行工况和换热管型下的流动沸腾传热与压降进行实验测试,得到相溶性的影响机理。

实验工况的选取既要覆盖空调器的实际运行工况,又要体现润滑油与R32制冷剂的不同相溶性。实验工况包括润滑油种类、蒸发温度、润滑油在混合物中的质量分数(简称:油浓度)和干度4种,共计108个工况点,详情如表2所示。对于蒸发温度工况,空调器常见的蒸发温度范围为0～10 ℃,为覆盖该范围并突出蒸发温度变化对相溶性的影响,本文选取蒸发温度工况为-5、5、15 ℃。对于干度工况,目前蒸发器换热管内制冷剂的干度范围一般为0.2～1.0,本文选取测试管内流体的平均干度为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7;对应的入口干度控制为0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65,对应的出口干度控制为0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75。对于平均油浓度工况,空调器内实际循环的混合物的平均油浓度约为1%,为突出平均油浓度及润滑油与R32相溶性对换热特性的影响,本文选取平均油浓度为1%和5%;在本实验的入口干度条件下对应的在换热器管内液相的局部油浓度最高可达20%。

表2 实验工况

润滑油的选取要体现其相溶性对流动沸腾换热特性的影响。相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾换热特性的影响由混合物的分层情况决定,选取在实验测试工况下与R32制冷剂始终不分层、随温度变化由不分层向分层转化以及始终分层三种酯类油品,即完全互溶润滑油、部分互溶润滑油以及完全不互溶润滑油。

其中,完全互溶润滑油与R32制冷剂在全部实验测试工况下混合后会形成均一稳定的液体,无分层现象;部分互溶润滑油与R32制冷剂混合后的相溶性随实验测试工况的变化而变化,随着蒸发温度的降低和油浓度的增大,混合物会由完全互溶状态向部分互溶状态转化,即由均一稳定液体转化为分层形成的贫油层与富油层;完全不互溶润滑油与R32制冷剂混合后在全部实验测试工况下会分层,形成纯油层与纯制冷剂层。三种润滑油与R32制冷剂在本实验测试工况下的相溶曲线与工况点分布如图1所示。

图1 三种润滑油-R32混合物的相溶特性及实验工况点分布

换热管选用目前在空调换热器中应用最广泛的7 mm换热管。

2 实验方法

2.1 实验台

实验台包括制冷剂回路与润滑油回路;制冷剂回路向实验测试管提供一定温度与流量的R32-润滑油混合物并完成传热系数与压降的定量测试;润滑油回路定时定量地向将润滑油注入制冷剂回路完成测试。测试实验台如图2所示,实验台具体介绍可参阅文献[1]。

1压缩机;2压缩机油分离器;3冷凝器;4气动调节阀;5制冷剂质量流量计;6预热盘管;7实验测试管;8过热器;9实验测试润滑油分离器;10气液分离器;11储油罐;12高压油泵;13微型调节阀;14润滑油质量流量计;15针阀;16止回阀。

为测试相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾换热及压降特性的影响,需要依次对完全互溶润滑油、部分互溶润滑油与完全不互溶润滑油进行测试。每种油品完成测试后,需放空实验台并使用R141b清洗,然后重新充注R32与待测试润滑油。

2.2 实验测试管与测试工况

实验测试管采用在铜管外缠绕电加热带的方式对管内R32-润滑油混合物进行间接电加热,并在管壁上布置热电偶测得壁面温度。

实验测试管选用的电加热带为柔性电加热带,该电加热带可直接缠绕在紫铜直光管上用于加热;选用的热电偶为K型细线热电偶,经标定后热电偶的精度为±0.1 ℃。

在制作实验测试管时,将整根铜管平均分成4段,每两段中间留有间隙。在这4段铜管上分别涂抹导热绝缘胶并缠绕电加热带;在每个间隙处的上、中、下部管壁表面布置3个热电偶,以3个热电偶测得壁温的平均值作为该处的壁面温度,最后缠绕玻璃纤维布,测试管如图2(a)所示。

实验测试工况包括蒸发温度、干度与油浓度,详情如第1节所示。实验过程中,蒸发温度工况可由压缩机频率与气动调节阀开度调节;油浓度工况可由润滑油系统内的微型调节阀实时调控;干度工况可由预热盘管的加热功率、测试管上布置的电加热带的加热功率来共同调节。

2.3 数据导出及误差分析

R32-润滑油混合物管内流动沸腾传热系数αtp,r,o[W/(m2·K)]可通过热流密度q(W/m2)、实验测得的管壁温度Tw(℃)、R32-润滑油混合物泡点温度Tbub(℃)求得,如式(1)所示[1];传热系数的最小、最大相对误差分别为1.8%、11.8%[1,21]。本文热流密度通过换热量除以传热面积来获得;其中换热量等于测试管壁面上缠绕的电加热带的加热功率;传热面积为测试管内表面积。

R32-润滑油混合物管内流动沸腾摩擦压降Δpr,o,fric可通过实验测得总压降Δpr,o、加速压降Δpr,o,acc、重力压降Δpr,o,G求得[4](上述压降单位均为kPa/m);摩擦压降误差由压差传感器决定,最大误差为0.02 kPa[1]。

αtp,r,o=q/(TW-Tbub)

(1)

3 实验结果及分析

油浓度是影响混合物是否分层的直接因素。实验测试工况共包含1%和5%两种油浓度,下面按照这两种油浓度工况分别对实验结果加以讨论,并对相溶性影响换热的机制进行分析。

3.1 油浓度5%下相溶性对R32-润滑油混合物流动沸腾换热及压降特性的影响

当油浓度为5%时,3种相溶性的R32-润滑油混合物的管内流动沸腾传热系数αtp,r,o及压降Δp的变化如图3所示。其中,当R32与润滑油完全互溶时,传热系数随干度先增大再减小,压降随干度的增大而增大;当R32与润滑油部分互溶时,传热系数与压降均一直随着干度的增大而增大;当R32与润滑油完全不互溶时,传热系数随干度的增大变化较小,压降随干度的增大而增大。

通过对比3种不同相溶性的混合物的传热系数可以看出,部分互溶的润滑油-R32混合物的传热系数大于完全互溶和完全不互溶的混合物,且提升幅度随干度的增加而增加。当干度达到本实验工况范围最大的0.7时,部分互溶、完全互溶和完全不互溶的混合物的传热系数分别为12 358.29 W/(m2·K)(点B24)、9 035.65 W/(m2·K)(点A24)、2 699.32 W/(m2·K)(点C24);部分互溶混合物传热系数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别为36.8%、357.8%。

通过对比3种不同相溶性的混合物的压降可以看出,部分互溶润滑油-R32混合物压降最小,而完全不互溶混合物压降最大。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单位管长压降分别为12.74 kPa/m(点B24)、14.00 kPa/m(点A24)、20.01 kPa/m(点C24),部分互溶润滑油相对于完全互溶润滑油以及完全不互溶润滑油的最大减小幅度分别为9.0%、36.3%。在其他干度工况下,部分互溶润滑油-R32混合物管内流动沸腾压降与完全互溶润滑油-R32混合物相近,均小于完全不互溶润滑油-R32混合物;当相溶性由完全互溶逐渐减弱时,压降最大由C32处的8.01 kPa/m减小至A32处的3.35 kPa/m,减小幅度为58.2%。

3.2 油浓度1%下相溶性对R32-润滑油混合物流动沸腾换热及压降特性的影响

当油浓度为1%时,3种相溶性的R32-润滑油混合物的管内流动沸腾传热系数αtp,r,o与压降Δp随相溶性的变化如图4所示。R32-完全互溶润滑油混合物与R32-部分互溶润滑油混合物管内流动沸腾传热系数与压降均会随干度的增大而增大;R32-完全不互溶润滑油混合物管内流动沸腾传热系数随干度的增大变化较小,压降随干度的增大而增大。

部分互溶润滑油-R32混合物管内流动沸腾传热系数与完全互溶润滑油-R32混合物相近,均大于完全不互溶润滑油-R32混合物;当相溶性由完全不互溶逐渐增强时,传热系数最大由C5处的2 983.85 W/(m2·K)增至A5处的9 760.95 W/(m2·K),增幅为202.8%。部分互溶润滑油-R32混合物管内流动沸腾压降与完全互溶润滑油-R32混合物相近,均小于完全不互溶润滑油-R32混合物;当相溶性由完全互溶逐渐减弱时,压降最大由C26处的4.67 kPa/m减小至A26处的2.54 kPa/m,减小幅度为45.6%。

3.3 相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾及压降特性影响机理分析

相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾换热及压降特性的影响由油浓度决定。当油浓度较高时,部分互溶润滑油-R32混合物的换热性能优于完全互溶和完全不互溶混合物;当油浓度较低时,部分互溶混合物的换热性能与完全互溶混合物相近,均大于完全不互溶混合物。

当管内干度较低时,液相流体内的油浓度也较低,管内流型为层状流,如图5(a)所示。由相溶性曲线可知此时部分互溶润滑油与R32制冷剂仍处于完全互溶状态,R32-部分互溶润滑油混合物与R32-完全互溶润滑油混合物在管内均会形成均一稳定的液体,二者传热系数与压降相近;R32-完全不互溶润滑油混合物在换热管内会分层形成近壁面处的纯制冷剂层与远离壁面的纯油层,液相表面的高粘性油膜的存在会抑制气泡的脱离,严重削弱换热并增加压降。当管内干度增大,液相流体内的油浓度随之增大,管内流型转化为环状流,如图5(b)所示。由相溶性曲线可知,此时R32-部分互溶润滑油混合物在换热管内会分层形成近壁面处的贫油层与远离壁面的富油层,使得近壁面处油浓度低于R32-完全互溶润滑油混合物,延缓油浓度上升带来的恶化效果,增强换热并降低压降;R32与完全不互溶润滑油分层后形成的纯油层会在高粘性力的作用下,在流型转化为环状流时附着在管壁上,增大换热热阻,严重削弱换热并增加压降[14-15]。

图5 相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾换热特性影响机理分析

4 结论

本文选取R32制冷剂与其完全互溶、部分互溶、完全不互溶的3种润滑油为研究对象,实验测试了3种混合物在蒸发温度为-5～15 ℃、质流密度为300 kg/(m2·s)、干度为0.2～0.7、油浓度为1%与5%下的管内流动沸腾传热系数与压降,研究了相溶性对R32-润滑油混合物管内流动沸腾传热及压降特性的影响机制。得到结论如下:

1)3种油品中部分互溶润滑油-R32混合物管内流动沸腾传热系数最大,完全不互溶润滑油-R32混合物传热系数最小;部分互溶润滑油相对于完全互溶润滑油以及完全不互溶润滑油的最大增幅分别为36.8%、357.8%。

2)3种油品中部分互溶润滑油-R32混合物管内流动沸腾压降最小,完全不互溶润滑油-R32混合物压降最大;部分互溶润滑油相对于完全互溶润滑油以及完全不互溶润滑油的最大减小幅度分别为9.0%、36.3%。

3)R32与不同相溶性润滑油混合后会出现不同的分层现象,R32-完全互溶润滑油混合物在管内形成均一稳定的液体;R32-部分互溶润滑油混合物在低蒸发温度、高干度、高油浓度下会分层形成近壁面处的贫油层与远离壁面的富油层,近壁面处的油浓度始终较低,有利于气泡连续生成逸出,延缓因油浓度增大对换热的削弱作用,同时近壁面处液膜的低粘度使压降降低;R32-完全不互溶润滑油混合物在管内会分层形成纯制冷剂层与纯油层,会极大地削弱换热并增加压降。

4)在这3种润滑油中,部分互溶润滑油更有利于增强R32制冷剂管内流动沸腾传热并降低压降,今后可根据空调器的实际运行工况,开发相应的部分互溶润滑油。