摘 要

摘　要：对适用于二氧化碳制冷系统的润滑油进行比选。建立R744(二氧化碳工质)一润滑油(PAG油)混合物(以下简称混合物)水平光滑管内流动沸腾换热特性实验系统，研究在不同工质干

摘　要：对适用于二氧化碳制冷系统的润滑油进行比选。建立R744(二氧化碳工质)一润滑油(PAG油)混合物(以下简称混合物)水平光滑管内流动沸腾换热特性实验系统，研究在不同工质干度下PAG油质量分数对混合物水平光滑管内流动沸腾换热系数的影响。将实验结果与计算结果(采用经典水平光滑管内流动沸腾换热关联式)进行比较，筛选出适于计算混合物水平光滑管内流动沸腾换热系数的经典换热关联式。

关键词：二氧化碳跨临界循环  润滑油

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工质)的性质稳定，容易获得，作为自然制冷剂，易于被自然界接纳与吸收，不易造成环境污染。在C0₂制冷系统的设计开发中，蒸发器的设计是重要环节，其换热效果直接影响制冷系统的性能和运行经济性。近年来，国内外对工质的管内沸腾换热特性进行了研究，并获得了大量实验数据和一些经典换热关联式^[1-6]。

在C0₂制冷循环中，随着工质的循环流动，润滑油会存在于制冷循环的各个环节。润滑油在压缩机、膨胀机等设备中具有润滑、密封和冷却的作用，能够降低运行过程中的摩擦阻力，降低摩擦热和噪声，保证制冷设备安全、可靠和高效运行。但润滑油的存在易改变C0₂的热物性，未溶解的润滑油还会附于换热面上，蒸发器的换热性能将受到一定影响，而且这种影响与制冷系统的性能关系密切。R.Yun等人^[7]、L.Cheng等人^[8]、X.Zha0等人^[9]对C0₂-润滑油混合物的管内流动沸腾换热特性进行了相关研究，认为润滑油的加入使得管内流动沸腾换热性能有所恶化，含油量越高，恶化情况越严重。但L.M.Schlager等人^[10]。研究得出，当混合物中润滑油的质量分数小于3％时，润滑油的加入能促进核态沸腾，增大管内流动沸腾换热系数。

本文对R744-润滑油混合物水平光滑管内流动沸腾换热特性进行实验研究，结合实验结果，筛选适于计算R744-润滑油混合物水平光滑管内流动沸腾换热系数的经典换热关联式。

2　0₂制冷系统润滑油选用

目前，制冷系统常用的润滑油包括PAG油(聚亚烃基乙二醇油)、POE油(脂类油)、PAO油(聚α-聚烃油)、AB油(烷基苯类油)等^[11]，主要特性见表1。

 

黏温特性用于表征润滑油运动黏度随温度的变化特性。在4种润滑油中，PAG油的黏温特性最好，这说明PAG油的运动黏度随温度的升高变化幅度最小，从而保证在高温条件下，PAG油仍能在摩擦面形成有效油膜，发挥良好的润滑作用。润滑油与C0₂的互溶性也非常关键，若润滑油与C0₂互溶性差，随C0₂回到压缩机的润滑油非常少，易导致压缩机损坏。润滑油也容易积聚在换热没备的壁面上，降低换热性能。但若润滑油与C0₂的互溶性非常好，则大量润滑油溶解于C0₂中，使得润滑油的黏性和润滑性能大幅下降，甚至丧失润滑、密封作用，因此部分互溶的润滑油更适用于C0₂制冷系统。综合考虑4种润滑油的主要特性，认为PAG油可作为C0₂制冷系统的润滑油。

C.Seeton等人^[12]认为PAG油是C0₂制冷系统润滑用油的最佳选择，但是PAG油有很强的吸湿性，在电动装置中容易引起电介质击穿，因此在特定场所的使用应受到限制。

3　实验系统及结果分析

3.1  实验系统

为了测试C0：一PAG油混合物(以下简称混合物)水平光滑管内流动沸腾换热特性，笔者设计搭建了实验台(见图l)。实验台采用开式系统，C0₂从钢瓶中流出进入恒温水浴装置进行温度调节和控制，模拟C0₂制冷系统中气体冷却器出口状态。通过节流阀对C0₂进行流量控制，并使节流阀出口处的C0₂以液雾形式出现。在节流阀出口设置注油器，通过管道连接节流阀入口和出口，产生压差，连同重力作用，注油器内的润滑油可连续注入节流阀出口管内，并与C0₂充分混合。注油器出口安装流量计，以测量润滑油注入流量，控制阀1可调节PAG油注人流量。然后混合物进入测试段(模拟蒸发器)。为准确控制并测量C0₂的质流密度(C0₂质量流量与管内截面积之比)，在钢瓶出口设置控制阀2(用于控制C0₂质量流量)，在测试段出口设置过热段与恒温水浴装置(使C0₂完全气化)及质量流量计。

 

测试段为有效加热长度为2m的半硬态水平光滑铜管(见图2)，内直径为4mm，外直径为6mm，在测试段进口、出口分别安装压力、温度传感器。在测试段每隔0.5m安装热电偶，以测量铜管外壁温度，热电偶用绝缘胶布固定在铜管外壁。电加热丝采用直径为045mm的Cr20Ni80合金丝，总电阻为82.5Ω，用于模拟蒸发器负荷。最外层设置绝热层，起到固定和绝热作用。电加热丝与调压器相连接，通过调节直流电压来调节电加热功率，改变测试段热流密度。测试段热流密度q的计算式为：

 

 

式中q——测试段热流密度，W／m²

U——直流电源的电压，V

R——电加热丝的电阻，Ω

A——铜管内壁面积，m²

实验主要针对C0₂质流密度与测试段热流密度较小的工况，设定实验条件：C0：质流密度为77kg／(m²·S)，测试段进口C0₂饱和温度为5℃，测试段热流密度为4.8 kW／m²。在不同工质干度(测试段进出口工质干度的算术平均值)下，实验研究PAG油质量分数对混合物水平光滑管内流动沸腾传热系数的影响，并与无油工况进行比较。工质干度石的计算方法见文献[13]，由计算方法可知，在设定实验条件下，测试段进出口工质干度仅取决于钢瓶出口恒温水浴装置的加热功率。因此，工质干度由钢瓶出口恒温水浴装置的加热功率进行调节。

对于无油工况(PAG油质量分数为0)，水平光滑管内流动沸腾换热系数K的计算式为：

 

式中K——水平光滑管内流动沸腾换热系数，w／(m²·K)

t_wi——测试段进口、中部、出口内壁面温度的平均值，℃

t_sat——测试段进口C0₂的饱和温度，℃

铜管内壁温度t_in的计算式为：

 

式中t_in——铜管内壁温度，℃

t_out——铜管外壁温度，℃，由实测得到

d_out——铜管的外直径，m

d_in——铜管的内直径，m

λ——铜管壁的热导率，w／(m·K)

对于含油工况(PAG油质量分数大于0)，水平光滑管内流动沸腾换热系数K的计算式为：

 

式中t_bub——混合物的泡点温度，℃，计算方法见文献[13]

3.2　实验结果及分析

在设定实验条件下得到，小同工质干度下PAG油质量分数对K的影响(见图3)。由图3可知，与无油工况相比，含油工况的K明显下降。对于无油工况，在K急剧变化处干涸发生，并随着工质干度的增加，与含油工况的K差距缩小，最终趋于一致。

 

L.Ga0等人^[14]针对C0₂-PAG混合物，测定蒸发器的换热性能，蒸发器采用不锈钢水平光滑管，内直径为3mm。实验主要针对C0₂质流密度与蒸发器负荷(热流密度)较大的工况，实验条件为：C0₂质流密度为380kg／(m²·s)，蒸发器进口C0₂饱和温度为10℃，热流密度为20kW／m²。实验得到，不同工质干度下PAG油质量分数对K的影响(见图4)，将PAG油质量分数小于0.01％视为无油工况。由图4可知，与无油T况比较，含油工况的K大幅度下降。随着PAG油质量分数的增大，K逐渐减小，但减小的幅度不明显。当干洞发生时，无油工况、含油工况的K均出现明显下降，并趋于一致。

 

图4与图3类似，在低干度区，C0₂主要以液态形式存在，对PAG油的溶解度较大，表现为PAG油质量分数对K的影响很大。随着工质干度的增大，尤其干涸发生以后，气态C0₂的比例增大，气态C0₂对PAG油的溶解性很差，大部分PAG油析出，PAG油质量分数不再是影响K的决定因素。最终，无油工况与含油工况的K趋于一致。

4　换热关联式的筛选

研究混合物水平光滑管内流动沸腾换热特性很重要的工作是建立准确的换热关联式，从而对换热特性进行预测。目前，对于传统工质水平光滑管内沸腾换热关联式的研究很多，其中一些也适用于纯C0₂工质，但是对混合物换热关联式的研究却很少。

笔者选取5种经典换热关联式，将本次设定实验条件(PAD油的质量分数固定为0.75％)作为已知计算条件，比较实验结果与换热关联式计算结果，从中筛选出适于计算混合物水平光滑管内流动沸腾换热系数的传热关联式。

1987年，K.E.Gungor等人^[1]给出了水平光滑管和竖直光滑管内流动沸腾换热关联式(以下简称Gungor关联式)，利用传热叠加原则，总换热系数等于核态沸腾与强制对流蒸发换热系数之和。

1989年，D.S.Jung等人心。提出了单工质与混合工质的水平光滑管内流动沸腾换热关联式(以下简称Jung关联式)，对于混合工质，考虑了混合工质引起的单工质热物性变化对换热特性的影响。与实验结果比较，单工质、混合工质条件下的平均相对误差分别为7.2％、9.6％。

1991年，Z.Liu等人^[3]根据4300多个实验数据点，得到管内和环空问内的流动沸腾换热关联式(以下简称Liu关联式)，通过改变核态沸腾因子和对流因子的计算式，修正了Gungor关联式。

2004年，S.H.Yoon等人^[4]发展了适用于C0₂的水平光滑管内流动沸腾换热关联式(以下简称Yoon关联式)，干涸前采用Liu关联式，干涸后采用Dittus—Boeher’s方程与Gungor关联式的组合。

2007年，C.Kwang-Ⅱ等人^[5]针对3种工质(R-22、R-134a、C0₂)，681个实验数据点，修正了对流因子和核态沸腾因子，得到了微通道水平管在较小质流密度和热流密度条件下的换热关联式(以下简称Kwang-Ⅱ关联式)。

实验结果与换热关联式计算结果见图5。5种换热关联式计算结果与实验结果的相对误差见表2。由图5、表2可知，在干涸前，除Jung关联式的计算结果与实验结果接近外，其他换热关联式的计算结果均大幅偏离实验结果。Jung关联式的计算结果与实验结果的相对误差为6.69％，其他换热关联式的计算结果与实验结果的相对误差均在30％以上。因此，Jung关联式可作为适于计算混合物水平光滑管内流动沸腾换热系数的经典换热关联式。

 

 

5　结论

①在C0₂质流密度与测试段热流密度较小的实验工况下，与无油工况相比，含油工况K明显下降。对于无油工况，在K急剧变化处干涸发生，并随着工质干度的增加，与含油工况的K差距缩小，最终趋于一致。与C0₂质流密度与测试段热流密度较大的实验工况得到的结果一致。

②将实验结果与5种经典换热关联式的计算结果进行比较，筛选适于计算混合物水平光滑管内流动沸腾换热系数的经典换热关联式。Jung关联式的计算结果最接近干涸前的实验结果，与实验结果的相对误差为6.69％，认为基本适用。其他换热关联式的计算结果均大幅超出实验结果，相对误差在30％以上，认为不适用。

 

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本文作者：胡静　杨俊兰　杜明星

作者单位：天津城市建设学院能源与安全工程学院，天津300384；

　天津理工大学自动化学院，天津300384