一種適用于低沸點混合制冷劑粘度測量裝置的研制

袁曉蓉 高贊軍 王學會 徐象國 陳光明 韓曉紅

(浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)

一種適用于低沸點混合制冷劑粘度測量裝置的研制

袁曉蓉 高贊軍 王學會 徐象國 陳光明 韓曉紅

(浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)

針對混合制冷劑等揮發性混合物粘度測量的需要，研制了一種新的適用于測量低沸點混合物粘度的旋轉式毛細管粘度計。該新型粘度測量裝置在壓力容器內嵌入旋轉式毛細管粘度計，將旋轉法升液和壓力容器承壓結合起來，避免了傳統密封型毛細管粘度計由于抽放氣的升液方式而導致混合物成分的變化，可以實現在較高壓力下循環測量揮發性混合物溶液的粘度。采用R22和R290對旋轉式毛細管粘度計進行了標定，并用R410A對粘度計的測量精度和性能進行了評價，粘度測量值與文獻值最大相對偏差為0.81%。

混合制冷劑；粘度；旋轉式毛細管粘度計；低沸點液體；高壓

我國是制冷劑生產和消耗大國，近年來制冷空調行業發展迅速，制冷劑帶來的環境問題也引起強烈關注。人們開始尋找環境友好型的制冷劑用以替代傳統制冷劑。然而，制冷劑的替代是個嚴格而慎重的過程，需要對制冷劑相關的各個方面進行一系列研究測試，獲得大量而全面的數據，才能被很好地評估和論證，并且滿足工業應用的需要，最終完成替代過程。

粘度是流體的基本屬性之一，在擬定和測試液體行為的各種理論中具有相當的價值[1]。粘度是研究流動與換熱的重要基礎數據，當有傳熱發生時，流體熱物性與傳熱是相互影響的，在流體的熱物性中，粘度對溫度的變化最為敏感，它對傳熱過程的影響遠大于其他物性的影響，這必將對流動中的傳熱和壓降特性產生重要影響[2]。制冷劑的液相粘度測量一直是國際上熱物性研究關注的內容之一，目前國內外研究學者已提出了多種不同的方法對不同的制冷劑粘度進行了測量。表1給出了國內外對制冷劑粘度的實驗研究情況。從表1中可以看出這些研究主要集中在對純質的粘度研究上，而對混合制冷劑的粘度，特別是液相粘度的研究非常少。

劉志剛等[11]研制了一種帶壓力容器的玻璃毛細管粘度計。該粘度計利用旁通管升液，但由于采用抽放氣的方式，測量揮發性混合物溶液粘度存在一定的局限性，這是因為抽放氣的升液方式會改變混合物組分。美國NIST熱物理部的Ripple[3]提出了一個類似Ubbelhode粘度計的高壓毛細管粘度計。粘度計能承受超過1MPa的蒸汽壓力，整體精度約為3%，測量精度可與玻璃毛細管相媲美。吳江濤等[12]在此基礎上，結合玻璃毛細管粘度計計時泡的特點，研制了一種利用翻轉方式來升液的金屬毛細管粘度計，避免了放氣對混合物成分的影響，可以實現揮發性混合物或純質溶液體系粘度的測量，但受目前國內加工水平的限制，不銹鋼計時泡和毛細管內表面粗糙度、光潔度和線性度難以達到要求，使得表面張力對流體流動的影響加強，實驗結果的不確定度加強。

在前人的工作基礎上，針對混合制冷劑等揮發性混合物粘度測量的需要，將旋轉法升液和壓力容器承壓結合起來，研制了一種新的適用于低沸點混合物粘度測量的旋轉式毛細管粘度計。

1 新型粘度測量裝置的提出

1.1 毛細管粘度計的測量原理與方法

毛細管粘度計測量的基本原理是 Hagen-Poiseuille定律。19世紀法國科學家泊肅葉對牛頓流體在毛細管中的流動作了理論推導及實驗研究。他假設:1)流體是不可壓縮的；2)流體是牛頓流體；3)管子足夠長、直線狀、內徑均勻一致；4)在管壁處無滑動；5)流動為穩定流；6)流動為層流。

根據描述粘性流體在管子中流動的哈根-泊肅葉定律有:

式中:η為流體的動力粘度；R為毛細管的半徑；p為毛細管兩端的壓力差，對于重力型毛細管粘度計而言，即為重力和浮力作用之差；Q為流經毛細管的流量；L為毛細管長度；t為流體的流動時間；V為在t時間內流經毛細管的流體體積。

泊氏公式是建立在外力完全用于克服內摩擦力的假設上的，但實際上，需考慮動能修正和末端修正。經動能修正和末端修正后的哈根－泊肅葉公式成為:

式中:ρL為待測流體液相密度；ρV為待測流體氣相密度；h為毛細管內液柱的高度；g為重力加速度；m為動能修正系數；n為末端修正系數。η，t，V，L，R代表的含義與式(1)相同。

毛細管法可以分為絕對測量和相對測量。對于絕對測量，按照式(2)，不僅要求對毛細管的尺寸、流量、壓力進行精確的測量，還需要用實驗方法獲得動能修正系數m及末端修正系數n。由于毛細管粘度計的尺寸在加工中難以控制，制成后也很難測量，因此絕對測量法目前僅用于粘度基準的建立和一些特殊場合。相對測量法則不需要測量這些參數，而是通過與已知粘度的標準液進行比較來測量。即先用已知粘度的流體準確標定毛細管粘度計常數A和B，在實驗中只需準確測量待測流體的流動時間即可由式(3)得到運動粘度ν，再由液體的密度計算出動力粘度η。

將式(2)轉換為:

對同一粘度計而言，其幾何尺寸是固定的，因此，V、R、L＋nR、h為常數，g、n、m可視為常數，于是毛細管粘度計常數A和B的值也是固定的。

1.2 新型粘度測量裝置的研制

新型粘度測量系統如圖1所示，主要包括:毛細管粘度計、壓力容器、真空系統、恒溫系統、測量系統及輔助管路。

由于混合制冷劑是一種高揮發性的低沸點工質，因此必須在一個能耐高壓的密閉容器中進行。壓力容器的設計壓力為10 MPa，各部件之間通過不銹鋼螺栓連接，考慮到實驗觀測的需要，釜體的左右兩側設計有直徑為40 mm的觀察窗，如圖2所示。

流體在毛細管中的流動狀態是與毛細管的結構參數直接相關的，對于毛細管長度而言，希望盡可能長，以減少起始段的影響，但是受恒溫槽高度的限制，所使用的毛細管長度L為125 mm。對于毛細管內徑的確定，主要依據是保證Hagen-Poiseuille定律的適用，即毛細管內的流動屬于層流:

根據式(5)可以得到V的計算公式:

為了便于計算，設計中不考慮動能損失和末端效應，則:把式(11)代入式(9)后可以得到:

k值取為1.0(在離臨界點較遠時是可行的)，于是運動粘度可以用下式計算:

則式(12)可化簡為:

上式中L和g的值分別為125 mm和9800 mm/ s2，h的值與L的值則相同，ν的選取則要依據待測流體的粘度而定，取最小值。考慮到目前制冷工質等低沸點流體的運動粘度一般大于0.1 mm2/s，于是可以得到毛細管的半徑:

由于所需毛細管內徑太小，廠家難以精確加工，實際使用的毛細管半徑據廠家描述為0.175 mm，毛細管半徑經初步標定為0.2 mm，此時按照式(14)計算出Re為1960＜2000，可認為毛細管內流動處于層流狀態。

對于計時泡的體積，按運動粘度最小時，流體經過毛細管的最短時間不能小于300 s來確定計時泡的體積。根據式(11)和式(13)可以得到計時泡體積V與測量時間t之間的關系:

由于體積的精確加工有相當大的困難，粘度計的計時泡設計體積為9000 mm3，盡管減少了測量的時間，但滿足實驗要求。

為保證旋轉升液時，計時球能被被測樣本填滿，上貯液器的體積應大于計時球體積，設計的上貯液器體積為20400 mm3，下貯液器體積與上貯液器一樣。旋轉式毛細管粘度計已獲得國家發明專利授權[13]，其實物圖如圖3所示。

表1 國內外制冷劑粘度研究情況Tab.1 Domestic and international research on refrigerant viscosity

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 The schematic layout of the experimental system

圖2 壓力容器與粘度計組合剖面圖Fig.2 Sectional view of pressure vessel and viscometer

圖3 旋轉式粘度計實物圖Fig.3 Photo of rotatable capillary viscometer

2 實驗裝置的可靠性驗證

采用R22和R290對毛細管粘度計進行了標定，并用R410A對粘度計的測量精度進行了評價。

2.1 樣品來源

實驗用的R22、R290和R410A如表2所示。所有試劑在實驗前沒有進行進一步的提純。

2.2 毛細管粘度計常數A和B的標定

由毛細管粘度計相對測量法的原理和式(3)可知，在測量工質粘度之前，必須要利用標準液體對毛細管粘度計的常數A和B進行標定。

表2 樣品參數Tab.2 Parameters of the sample

實驗選用R22和R290作為標準液，通過測量R22和R290液相流經粘度計計時泡的時間以及對應的飽和溫度值，根據飽和溫度查詢得到粘度文獻值(NIST REF-PROP 9.0)，回歸得到毛細管粘度計常數A、B。

經過粗大誤差判斷，并將同一溫度點的實驗數據取平均值后得到最終用于標定毛細管粘度計常數的實驗數據，初步標定的粘度計常數:

A＝4.523293e－10m2/s2

B＝1.971138e－6m2

選擇兩種標準液和多個溫度點的數據來擬合A值的目的是為了減少測量中的偶然誤差。

表3給出了R22和R290的液相粘度測量結果，表中T和t是測量值。ρl、ρg、νref為NIST數據，νcal為式(3)計算值。從表3中可以看出計算值νcal與文獻值νref(NIST REF-PROP 9.0)差值的平均值為0.000001429 mm2/s，最大值為0.00108 mm2/s，平均相對偏差為0.0014%，最大相對偏差為－0.65%。

2.3 R410A液相粘度的測量

為了評價粘度計的測量精度和性能，對溫度為278～288 K的R410A粘度進行了測量，并分別與文獻值(NIST REF-PROP 9.0)進行了比較，結果如表4所示。從表4中可以看出，R410A的粘度測量值νcal與文獻值νref(NIST REF-PROP 9.0)差值的平均值為0.000696667 mm2/s，最大值為0.00107 mm2/s，平均相對偏差為0.5367%，最大相對偏差為0.81%。

2.4 實驗不確定度分析

關于實驗不確定度分析，實驗中被測量的物理量是溫度T和時間t。溫度測量的不確定度包括溫度測量系統的不確定度和恒溫槽的溫度波動度。鉑電阻溫度計的測溫不確定度為±1 mK。對于時間的測量，計時器精度是0.1 s，實驗時間偏差最大約±3 s，最短測量時間t＝295.9 s，因此△t/t＝±1.0%。根據式(3)，由于修正項B/t2在運動粘度中所占比例很小，可將其忽略，因而運動粘度的測量不確定度約等于時間測量的不確定度，即運動粘度的測量不確定度為±1.0%。又由動力粘度的計算公式:

液相密度的不確定度一般小于±1.0%，因此實驗動力粘度的不確定度為±2.0%。

表3 R22和R290粘度實驗值與標準值的比較Tab.3 Comparison of R22 and R290 viscosity experimental value and the standard value

表4 R410A粘度實驗值與標準值的比較Tab.4 Comparison of R410A viscosity experimental value and the standard value

3 小結

1)在毛細管粘度測量原理的基礎上，提出了一種低沸點混合制冷劑粘度測量裝置，該裝置的主要特點是在壓力容器內嵌入旋轉式毛細管粘度計，將旋轉法升液和壓力容器承壓相結合，這樣不僅可以解決由于放氣導致混合物成分的變化和待測流體溫度的變化等問題，而且可以承受高壓，循環測量。

2)采用R22和R290對毛細管粘度計進行標定，并對R410A的粘度進行了測量，粘度測量值與文獻值最大相對偏差為0.81%。測量結果表明，該新型粘度計具有良好的可操作性與較高的精度。

3)在隨后的研究中將給出更大溫區范圍內的混合制冷劑的液相粘度。

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Development of a Viscosity Measuring Device for Low Boiling Point Refrigerant Mixtures

Yuan Xiaorong Gao Zanjun Wang Xuehui Xu Xiangguo Chen Guangming Han Xiaohong

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou，310027，China)

According to the need for viscosity measurement of refrigerant mixtures，a new rotatable capillary viscometer is developed and designed.It is adequate for the viscosity investigation of the low boiling point liquid mixtures.A rotatable capillary viscometer is embedded in a pressure vessel.It combines the rotation method and the pressure vessel to realize the continuous experiment and eliminates the error brought from the deflation，which can repeat the viscosity measurement of the low boiling point liquid mixtures in the high pressure. The rotatable capillary viscometer was calibrated by R22 and R290 and checked by R410A.According to the results，the relative deviation of the viscometer has been controlled to be less than 0.81%.

refrigerant mixtures；viscosity；rotatable capillary viscometer；low boiling point liquid；high pressure

TB61＋2；TB65

A

0253－4339(2014)05－0001－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.001

韓曉紅，女(1973－)，副教授，浙江大學制冷與低溫研究所，(0571)87953944，E-mail:hanxh66＠zju.edu.cn。研究方向:制冷劑的替代及關鍵技術研究(主要包括:混合制冷劑的汽液相平衡、制冷劑的循環性能、制冷劑與潤滑油的相容性研究、制冷劑/潤滑油與材料的相容性、制冷劑的密度、制冷劑的粘度，制冷劑在管內的傳熱物性研究等)，制冷用換熱器的數值模擬與軟件開發，換熱器新型材料及換熱器的結構設計；液化天然氣的物性，如天然氣的汽液相平衡，天然氣的密度等；熱驅動制冷系統的開發；高熱流密度的換熱設備及系統的研究與開發。

國家自然科學基金(51176166)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51176166).)

2013年12月2日

About the corresponding author

Han Xiaohong(1973－)，female，Ph.D./associate professor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，(0571)87953944，E-mail:hanxh66＠zju.edu.cn.Research fields:alternative refrigerant research(vapor-liquid phase equilibrium，solubility and miscibility between refrigerant and lubricating oil，compatibility between refrigerant and material，density，cycle performance，and viscosity，heat transfer characteristics of new refrigerants，etc)；structural optimization and material of the heat exchanger；thermophysics of natural gas；new low-grade，heat-driven refrigeration systems；heat sink and air-conditioning systems for the high heat-flux space，etc.