摘 要

摘　要：對(duì)適用于二氧化碳制冷系統(tǒng)的潤(rùn)滑油進(jìn)行比選。建立R744(二氧化碳工質(zhì))一潤(rùn)滑油(PAG油)混合物(以下簡(jiǎn)稱混合物)水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究在不同工質(zhì)干

摘　要：對(duì)適用于二氧化碳制冷系統(tǒng)的潤(rùn)滑油進(jìn)行比選。建立R744(二氧化碳工質(zhì))一潤(rùn)滑油(PAG油)混合物(以下簡(jiǎn)稱混合物)水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究在不同工質(zhì)干度下PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的影響。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果(采用經(jīng)典水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式)進(jìn)行比較，篩選出適于計(jì)算混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式。

關(guān)鍵詞：二氧化碳跨臨界循環(huán)  潤(rùn)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(zhì))的性質(zhì)穩(wěn)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(huán)境污染。在C0₂制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中，蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)是重要環(huán)節(jié)，其換熱效果直接影響制冷系統(tǒng)的性能和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)工質(zhì)的管內(nèi)沸騰換熱特性進(jìn)行了研究，并獲得了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一些經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式^[1-6]。

在C0₂制冷循環(huán)中，隨著工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)，潤(rùn)滑油會(huì)存在于制冷循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)。潤(rùn)滑油在壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等設(shè)備中具有潤(rùn)滑、密封和冷卻的作用，能夠降低運(yùn)行過程中的摩擦阻力，降低摩擦熱和噪聲，保證制冷設(shè)備安全、可靠和高效運(yùn)行。但潤(rùn)滑油的存在易改變C0₂的熱物性，未溶解的潤(rùn)滑油還會(huì)附于換熱面上，蒸發(fā)器的換熱性能將受到一定影響，而且這種影響與制冷系統(tǒng)的性能關(guān)系密切。R.Yun等人^[7]、L.Cheng等人^[8]、X.Zha0等人^[9]對(duì)C0₂-潤(rùn)滑油混合物的管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為潤(rùn)滑油的加入使得管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱性能有所惡化，含油量越高，惡化情況越嚴(yán)重。但L.M.Schlager等人^[10]。研究得出，當(dāng)混合物中潤(rùn)滑油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3％時(shí)，潤(rùn)滑油的加入能促進(jìn)核態(tài)沸騰，增大管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)。

本文對(duì)R744-潤(rùn)滑油混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，篩選適于計(jì)算R744-潤(rùn)滑油混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式。

2　0₂制冷系統(tǒng)潤(rùn)滑油選用

目前，制冷系統(tǒng)常用的潤(rùn)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(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度的變化特性。在4種潤(rùn)滑油中，PAG油的黏溫特性最好，這說明PAG油的運(yùn)動(dòng)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(fā)揮良好的潤(rùn)滑作用。潤(rùn)滑油與C0₂的互溶性也非常關(guān)鍵，若潤(rùn)滑油與C0₂互溶性差，隨C0₂回到壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油非常少，易導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。潤(rùn)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(rùn)滑油與C0₂的互溶性非常好，則大量潤(rùn)滑油溶解于C0₂中，使得潤(rùn)滑油的黏性和潤(rùn)滑性能大幅下降，甚至喪失潤(rùn)滑、密封作用，因此部分互溶的潤(rùn)滑油更適用于C0₂制冷系統(tǒng)。綜合考慮4種潤(rùn)滑油的主要特性，認(rèn)為PAG油可作為C0₂制冷系統(tǒng)的潤(rùn)滑油。

C.Seeton等人^[12]認(rèn)為PAG油是C0₂制冷系統(tǒng)潤(rùn)滑用油的最佳選擇，但是PAG油有很強(qiáng)的吸濕性，在電動(dòng)裝置中容易引起電介質(zhì)擊穿，因此在特定場(chǎng)所的使用應(yīng)受到限制。

3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果分析

3.1  實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了測(cè)試C0：一PAG油混合物(以下簡(jiǎn)稱混合物)水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性，筆者設(shè)計(jì)搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見圖l)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用開式系統(tǒng)，C0₂從鋼瓶中流出進(jìn)入恒溫水浴裝置進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和控制，模擬C0₂制冷系統(tǒng)中氣體冷卻器出口狀態(tài)。通過節(jié)流閥對(duì)C0₂進(jìn)行流量控制，并使節(jié)流閥出口處的C0₂以液霧形式出現(xiàn)。在節(jié)流閥出口設(shè)置注油器，通過管道連接節(jié)流閥入口和出口，產(chǎn)生壓差，連同重力作用，注油器內(nèi)的潤(rùn)滑油可連續(xù)注入節(jié)流閥出口管內(nèi)，并與C0₂充分混合。注油器出口安裝流量計(jì)，以測(cè)量潤(rùn)滑油注入流量，控制閥1可調(diào)節(jié)PAG油注人流量。然后混合物進(jìn)入測(cè)試段(模擬蒸發(fā)器)。為準(zhǔn)確控制并測(cè)量C0₂的質(zhì)流密度(C0₂質(zhì)量流量與管內(nèi)截面積之比)，在鋼瓶出口設(shè)置控制閥2(用于控制C0₂質(zhì)量流量)，在測(cè)試段出口設(shè)置過熱段與恒溫水浴裝置(使C0₂完全氣化)及質(zhì)量流量計(jì)。

 

測(cè)試段為有效加熱長(zhǎng)度為2m的半硬態(tài)水平光滑銅管(見圖2)，內(nèi)直徑為4mm，外直徑為6mm，在測(cè)試段進(jìn)口、出口分別安裝壓力、溫度傳感器。在測(cè)試段每隔0.5m安裝熱電偶，以測(cè)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(fā)器負(fù)荷。最外層設(shè)置絕熱層，起到固定和絕熱作用。電加熱絲與調(diào)壓器相連接，通過調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)電加熱功率，改變測(cè)試段熱流密度。測(cè)試段熱流密度q的計(jì)算式為：

 

 

式中q——測(cè)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(nèi)壁面積，m²

實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)C0₂質(zhì)流密度與測(cè)試段熱流密度較小的工況，設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件：C0：質(zhì)流密度為77kg／(m²·S)，測(cè)試段進(jìn)口C0₂飽和溫度為5℃，測(cè)試段熱流密度為4.8 kW／m²。在不同工質(zhì)干度(測(cè)試段進(jìn)出口工質(zhì)干度的算術(shù)平均值)下，實(shí)驗(yàn)研究PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)的影響，并與無(wú)油工況進(jìn)行比較。工質(zhì)干度石的計(jì)算方法見文獻(xiàn)[13]，由計(jì)算方法可知，在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)試段進(jìn)出口工質(zhì)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(zhì)干度由鋼瓶出口恒溫水浴裝置的加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

對(duì)于無(wú)油工況(PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)，水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)K的計(jì)算式為：

 

式中K——水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)，w／(m²·K)

t_wi——測(cè)試段進(jìn)口、中部、出口內(nèi)壁面溫度的平均值，℃

t_sat——測(cè)試段進(jìn)口C0₂的飽和溫度，℃

銅管內(nèi)壁溫度t_in的計(jì)算式為：

 

式中t_in——銅管內(nèi)壁溫度，℃

t_out——銅管外壁溫度，℃，由實(shí)測(cè)得到

d_out——銅管的外直徑，m

d_in——銅管的內(nèi)直徑，m

λ——銅管壁的熱導(dǎo)率，w／(m·K)

對(duì)于含油工況(PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0)，水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)K的計(jì)算式為：

 

式中t_bub——混合物的泡點(diǎn)溫度，℃，計(jì)算方法見文獻(xiàn)[13]

3.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下得到，小同工質(zhì)干度下PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)K的影響(見圖3)。由圖3可知，與無(wú)油工況相比，含油工況的K明顯下降。對(duì)于無(wú)油工況，在K急劇變化處干涸發(fā)生，并隨著工質(zhì)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(duì)C0₂-PAG混合物，測(cè)定蒸發(fā)器的換熱性能，蒸發(fā)器采用不銹鋼水平光滑管，內(nèi)直徑為3mm。實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)C0₂質(zhì)流密度與蒸發(fā)器負(fù)荷(熱流密度)較大的工況，實(shí)驗(yàn)條件為：C0₂質(zhì)流密度為380kg／(m²·s)，蒸發(fā)器進(jìn)口C0₂飽和溫度為10℃，熱流密度為20kW／m²。實(shí)驗(yàn)得到，不同工質(zhì)干度下PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)K的影響(見圖4)，將PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.01％視為無(wú)油工況。由圖4可知，與無(wú)油T況比較，含油工況的K大幅度下降。隨著PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，K逐漸減小，但減小的幅度不明顯。當(dāng)干洞發(fā)生時(shí)，無(wú)油工況、含油工況的K均出現(xiàn)明顯下降，并趨于一致。

 

圖4與圖3類似，在低干度區(qū)，C0₂主要以液態(tài)形式存在，對(duì)PAG油的溶解度較大，表現(xiàn)為PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)K的影響很大。隨著工質(zhì)干度的增大，尤其干涸發(fā)生以后，氣態(tài)C0₂的比例增大，氣態(tài)C0₂對(duì)PAG油的溶解性很差，大部分PAG油析出，PAG油質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再是影響K的決定因素。最終，無(wú)油工況與含油工況的K趨于一致。

4　換熱關(guān)聯(lián)式的篩選

研究混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性很重要的工作是建立準(zhǔn)確的換熱關(guān)聯(lián)式，從而對(duì)換熱特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前，對(duì)于傳統(tǒng)工質(zhì)水平光滑管內(nèi)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式的研究很多，其中一些也適用于純C0₂工質(zhì)，但是對(duì)混合物換熱關(guān)聯(lián)式的研究卻很少。

筆者選取5種經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式，將本次設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件(PAD油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為0.75％)作為已知計(jì)算條件，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果，從中篩選出適于計(jì)算混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的傳熱關(guān)聯(lián)式。

1987年，K.E.Gungor等人^[1]給出了水平光滑管和豎直光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式(以下簡(jiǎn)稱Gungor關(guān)聯(lián)式)，利用傳熱疊加原則，總換熱系數(shù)等于核態(tài)沸騰與強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)換熱系數(shù)之和。

1989年，D.S.Jung等人心。提出了單工質(zhì)與混合工質(zhì)的水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式(以下簡(jiǎn)稱Jung關(guān)聯(lián)式)，對(duì)于混合工質(zhì)，考慮了混合工質(zhì)引起的單工質(zhì)熱物性變化對(duì)換熱特性的影響。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，單工質(zhì)、混合工質(zhì)條件下的平均相對(duì)誤差分別為7.2％、9.6％。

1991年，Z.Liu等人^[3]根據(jù)4300多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到管內(nèi)和環(huán)空問內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式(以下簡(jiǎn)稱Liu關(guān)聯(lián)式)，通過改變核態(tài)沸騰因子和對(duì)流因子的計(jì)算式，修正了Gungor關(guān)聯(lián)式。

2004年，S.H.Yoon等人^[4]發(fā)展了適用于C0₂的水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式(以下簡(jiǎn)稱Yoon關(guān)聯(lián)式)，干涸前采用Liu關(guān)聯(lián)式，干涸后采用Dittus—Boeher’s方程與Gungor關(guān)聯(lián)式的組合。

2007年，C.Kwang-Ⅱ等人^[5]針對(duì)3種工質(zhì)(R-22、R-134a、C0₂)，681個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，修正了對(duì)流因子和核態(tài)沸騰因子，得到了微通道水平管在較小質(zhì)流密度和熱流密度條件下的換熱關(guān)聯(lián)式(以下簡(jiǎn)稱Kwang-Ⅱ關(guān)聯(lián)式)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果見圖5。5種換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差見表2。由圖5、表2可知，在干涸前，除Jung關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近外，其他換熱關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果均大幅偏離實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Jung關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為6.69％，其他換熱關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差均在30％以上。因此，Jung關(guān)聯(lián)式可作為適于計(jì)算混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式。

 

 

5　結(jié)論

①在C0₂質(zhì)流密度與測(cè)試段熱流密度較小的實(shí)驗(yàn)工況下，與無(wú)油工況相比，含油工況K明顯下降。對(duì)于無(wú)油工況，在K急劇變化處干涸發(fā)生，并隨著工質(zhì)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(zhì)流密度與測(cè)試段熱流密度較大的實(shí)驗(yàn)工況得到的結(jié)果一致。

②將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與5種經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，篩選適于計(jì)算混合物水平光滑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式。Jung關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果最接近干涸前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為6.69％，認(rèn)為基本適用。其他換熱關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果均大幅超出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)誤差在30％以上，認(rèn)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(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院，天津300384；

　天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津300384