含油R32在壓縮機吸氣管內滯油影響因子和壓降特性研究

胡晉珽 谷 波 曾煒杰 張智鋌 杜仲星

(上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240)

潤滑油在蒸氣壓縮制冷系統中起著潤滑、冷卻和密封的重要作用，少量油會從壓縮機中流出并跟隨制冷劑在系統內循環，因此系統中的工作流體從純制冷劑變為制冷劑/潤滑油混合物。潤滑油對系統性能影響較大，例如，油會滯留在系統部件中，并在管的內表面形成一層油膜，這會降低傳熱性能，并增加壓力損失。在系統內循環的油還會造成回油困難，降低壓縮機的可靠性。

胡海濤等[1-2]研究了R410A/POE混合物在不同形狀管內的沸騰傳熱和壓降特性，并提出了基于流形的預測模型。姜林林等[3]對R410A/潤滑油混合物在管內流動冷凝壓降進行了實驗研究，發現質流密度、干度和潤滑油質量分數是影響壓降的主要因素。王愛國等[4]實驗研究了R134a/潤滑油混合物在微通道內沸騰-空化耦合相變現象，結果表明潤滑油會抑制相變現象的發生，降低傳熱效率。Dang Chaobin等[5]研究了CO2/PAG混合物的沸騰傳熱特性，管道樣品內徑為2～6 mm，實驗結果表明存在一個臨界油濃度，此處會發生換熱量急劇降低。Li Huize等[6]研究了R290/潤滑油混合物在水平管內的沸騰換熱和壓降特性，實驗結果表明傳熱系數隨飽和溫度的升高而發生顯著變化，這是由于混合物的物性發生變化。因此，潤滑油可能會通過改變混合物物性影響流動特性。上述研究表明了潤滑油對傳熱和壓降特性的影響，但對滯油量及其帶來的影響關注較少。

在空氣源熱泵系統中，蒸發器和壓縮機吸氣管是兩個關鍵部件。有學者研究表明，與蒸發器相比，滯油量對壓縮機吸氣管的性能影響更顯著。L. Cremaschi等[7-8]實驗研究了4種不同制冷劑/潤滑油混合物，指出滯油量和油膜黏度與制冷劑蒸氣黏度的比值成正比，吸氣管中，油膜黏度較高。同時，油運輸的驅動力是過熱蒸氣所施加的慣性力，較低的制冷劑蒸氣黏度會降低潤滑油運輸能力。此外，吸氣管內混合物的流動方向可以為豎直向上流動，由于重力作用，會導致油運輸困難程度增加。因此，基于上述研究結果，認為吸氣管是潤滑油運輸過程中最困難的部件。

R32作為一種新型可替代制冷劑，在家用空調中的應用前景較好，但目前對于R32與潤滑油混合物的研究較少。金梧鳳等[9]研究了一種新型PVE油對R32分體式空調性能的影響，對比發現新型PVE油可有效降低排氣溫度，顯著提高R32空調的制冷性能。史紅艷等[10]利用顯式擬合關聯式法得到了R32與POE或PVE潤滑油混合物的物性計算模型，為壓縮機優化設計及性能分析提供了基礎。邱琳禎[11]研究了R32/潤滑油混合物的沸騰傳熱特性，并提出了新型R32沸騰傳熱系數關聯式。

綜上所述，現有公開文獻中，幾乎沒有關于R32/潤滑油混合物在吸氣管內滯油量與壓降特性的研究。T. Okido等[12]指出適用于R410A的傳統潤滑油與R32不互溶，因此T. Matsumoto 等[13]開發了新型R32潤滑油以提高其互溶性及性能。考慮到這是一種適用于R32的特殊潤滑油，所以進一步研究潤滑油對系統性能的影響非常重要。

因此，本文對R32/PVE VG68在壓縮機吸氣管內的滯油量和壓降特性進行了實驗研究。樣品為2個內徑10.7 mm的光滑銅管，流動方向分別為水平流動和豎直向上流動。使用拆除稱重技術(remove-and-weight technique，RWT)測量滯油量，并從5篇公開文獻中收集了滯油量和壓降的數據庫進行綜合對比和分析，提出一種新的無量綱數——滯油影響因子，這一參數綜合了幾何形狀、工質與工況參數的影響，可以較好的反映潤滑油在吸氣管內的運輸難度。

1 實驗原理

1.1 實驗裝置

實驗裝置由R32住宅空調機改造而成，包含制冷劑回路與潤滑油回路，如圖1所示。R32制冷劑通過滾動轉子壓縮機在系統內循環，在壓縮機出口設置高效油分離器以減少壓縮機內油對實驗段的影響。將額定功率為3 kW的套管式換熱器作為過冷器，以保證制冷劑為過冷液體，并安裝干燥過濾器以去除系統中的外來雜質。在過冷器出口設置科氏流量計以測量制冷劑質量流量。制冷劑通過毛細管、針閥和翅片管蒸發器，在實驗段入口達到特定的過熱狀態。

1壓縮機；2油分；3視鏡；4室外單元；5冷凝器；6過冷器；7干燥過濾器；8科氏流量計(制冷劑)；9毛細管；10室內空氣回路；11蒸發器；12水平吸氣管；13壓差傳感器；14豎直吸氣管；15螺旋式油分離器；16濾芯式油分離器；17電加熱器；18體積流量計；19止回閥；20二級儲油器；21主儲油器；22油位視鏡；23輔助加熱器；24油泵；25旁通針閥；26科氏流量計(油)；BV球閥;NV針閥。

實驗段包含兩部分，水平實驗段和豎直實驗段。水平實驗段和豎直實驗段入口分別設置兩個帶有針閥的注油口。具有特定飽和壓力和過熱度的制冷劑與從潤滑油回路注入的油混合，并流過實驗段。使用兩個壓差傳感器分別測量兩個實驗段的壓降。潤滑油回路包括注油和回收油裝置，主油罐內的潤滑油通過高壓油泵注入制冷劑主回路。通過調節旁通回路和注油口的針閥來控制潤滑油的質量流量，以獲得所需的油質量分數(oil mass fraction，OMF)，使用科氏流量計測量注入潤滑油的質量流量。注入的潤滑油在實驗段入口處與制冷劑流體匯合。H. S. Kim等[14]研究表明，靠近注入段的流體還未完全發展，因此在測試段前設置了長約0.11 m的充分發展段。

回收油系統包括兩個高效油分離器，分別為螺旋式油分和濾芯式油分(分離效率99%)，兩者串聯安裝，從制冷劑主回路收集油。在兩臺油分出口放置72 W的電加熱器以降低回油黏度，通過測量注入油和回收油的溫度和壓力，以確定制冷劑在油中的溶解度。

用鉑電阻和絕對壓力傳感器分別測量制冷劑與潤滑油的溫度和壓力。所有鉑電阻均由標準的汞溫度計提前校準(精度：±0.05 ℃)。測量儀表參數如表1所示。所有數據信號均由數據采集系統(DAS)進行采集和轉換。

表1 測量儀表參數

使用S. Peuker等[15]推薦的拆除稱重技術(RWT)測量滯油量。實驗段兩側的球閥同時關閉，使制冷劑和潤滑油滯留在實驗段中，然后從系統中拆下測試部分，將制冷劑和潤滑油分離以確定實驗段中純潤滑油的滯留量，如圖2所示。

1測試段；2視鏡；3制冷劑氣罐；4真空泵；RV調節閥。

測試段連接到制冷劑氣罐，制冷劑通過調節閥RV1緩慢進入氣缸，達到壓力平衡后，關閉RV1，打開調節閥RV2，再通過真空泵排出氣缸。重復幾次后，制冷劑將排出，然后使用電子秤稱重含有滯油量的測試段。最后，滯油量可以通過含油測試段與測試段皮重之差獲得。每次測試后通過關閉蒸發器處的風扇來清洗回收系統內剩余的潤滑油。液體制冷劑收集殘余的潤滑油后將再次打開風扇，防止過多的液體進入壓縮機。重復上述操作直至潤滑油被完全清除。

1.2 實驗樣品及工況

實驗樣品為兩個外徑為12.7 mm的光滑銅管，外側用保溫棉包裹以減少熱量散失，樣品如圖3所示。

圖3 實驗樣品

在實驗段兩端使用的球閥可以保證閥的孔口與實驗段的內徑接近，從而減少通道尺寸差異的影響。圖3中的長度L1、L2、L3分別表示RWT稱重段長度、壓差測試段長度和實驗段總長，樣品尺寸如表2所示。在測試部分安裝管狀視鏡以提供輔助觀察。

表2 樣品尺寸

實驗工況如表3所示。實驗流體為R32/PVE VG68混合物。為了研究運行工況的影響，在三種不同的飽和溫度與過熱度下進行測試，通過改變蒸發器的進風溫度和軸流風機的風速進行控制。在實驗中，名義油質量分數(OMFno)范圍為0～5%。

表3 實驗工況

1.3 數據處理及不確定性分析

油質量分數(OMF)指隨制冷劑在測試段內循環流動的潤滑油的量。名義油質量分數(OMFno)通過實際測量到的制冷劑與潤滑油質量流量計算得到。

(1)

需要注意的是從油罐注入的油和從油分中提取的油中均溶解了一些制冷劑，因此，注入純油的流量需要根據制冷劑對潤滑油的溶解度進行計算。混合物中的局部油濃度(ωloc,o)根據溶解度方程求解。所以，實際油質量分數(OMFact)根據下式計算：

(2)

(3)

式中：vliq為液體運動黏度，mm2/s；vvap為氣體運動黏度，mm2/s。

壓降因子(pressure drop factor，PDF)可以用來表示油對壓降的影響。PDF定義式為：

(4)

式中：Δpwith oil為一定含油率下的壓降，kPa；Δpwithout oil為對應工況下無油時的壓降，kPa。

滯油體積(ORV)為：

(5)

式中：OR為滯油質量，g；ρo為潤滑油密度，kg/m3。

R32/PVE VG68的物性在相應的模型基礎上進行了計算，如表4和表5所示。根據R. J. Moffat[16]提出的方法進行不確定性分析，經計算，OMFno、OMFact、OR和PDF的不確定性分別低于0.222%、1.10%、7.07%和0.141%。

表4 純油的物性計算模型

表5 R32/PVE VG68混合物物性模型

2 數據庫建立

基于本實驗所采集的R32/PVE VG68混合物在吸氣管內的滯油量和壓降數據，從現有的5篇公開文獻中采集了相關數據，建立了包含R32、R410A、R134a三種制冷劑與其潤滑油混合物的滯油量和壓降數據庫，該數據庫的詳細信息如表6所示。

表6 公開文獻中吸氣管內制冷劑/潤滑油混合物數據庫

2.1 滯油量

不同工況下吸氣管內滯油量數據如圖4所示，其中包括公開文獻中的收集數據以及本實驗的數據結果，圖4(a)為滯油量(ORV)是體積單位的數據點，圖4(b)、(c)為滯油量(OR)是質量單位的數據點。

如圖4(a)所示，ORV隨著OMF的增加而增加，同時對比發現，運動黏度越大導致ORV越大。由圖4(b)、(c)可知，管內徑、質流密度、運動黏度和流動方向也會影響OR。質流密度越小會導致OR越大，而管徑對于OR也有很大的影響，較大管徑的數據來源于K. F. Zoellick等[17](18.5 mm)和H. S. Kim等[14](Di=14.1～26.0 mm)，這些數據點均分布在高OR區域。此外，由于重力的影響，在豎直吸氣管內的OR明顯高于水平管。需要注意的是，OR是單位長度下的質量單位，因此不包括吸氣管內部體積的影響。更大的內部體積會為潤滑油提供更多的滯留空間，所以用單位體積內的滯油量可以更好的反映滯油特性。雖然這些數據被總結繪制在圖4中，但由于二維圖不能清楚的呈現出ORV和OR受所有參數的影響趨勢，因此對比分析仍很困難。所以有必要整合所有的影響因素，如幾何尺寸、工質和工況參數。

圖4 滯油量數據對比

圖5 油膜力平衡分析

根據力平衡分析，輸送油的動力為制冷劑蒸氣施基于對油膜力平衡的分析，可知Gref(或μvap)會影響驅動力。為了能夠統一分析工質、實驗工況和尺寸對油運輸和滯留特性的影響，本文提出一個新的無量綱參數——滯油影響因子(ψ)，定義式如下：

加的剪切應力(τi)，這是由于蒸氣和液體速度的差異所引起的慣性力，而阻力為壁面的剪切應力(τw)和重力(Fgra)。這3種力表示如下：

(6)

(7)

Fgra=ρliqgsinθV

(8)

式中:μliq為液體動力黏度，Pa·s；ui為氣液交界面速度，m/s；δ為油膜厚度，m；fi為氣液相界面摩擦因子；ρv為氣體密度，kg/m3；uv為氣體流速，m/s；ρliq為液體密度，kg/m3；V為體積，m3。

(9)

表7 制冷劑/油混合物物性

通過除以管的內部體積，可將ORV轉換為滯油體積比(ORVR)，這一參數可以忽略內部體積的影響。ORVR隨ψ的變化如圖6所示。

圖6 滯油體積比ORVR隨滯油影響因子ψ的變化

總體而言，ORVR會隨著ψ的增加而增加，證明ψ可以反映油運輸的困難程度。由圖6可知，這一趨勢是相對分散的，表明ORVR和ψ并非是純函數關系。這可能歸因于這些滯油量的數據采集于不同研究中，實驗段的粗糙度、實驗裝置和實驗不確定度均不同。此外，這些研究中的測量方法也不同，L. Cremaschi等[7-8,24]采用抽油法測量滯油量，而K. F. Zoellick等[17-18]和本研究均采用拆除稱重法(RWT)進行測量。

同時，由圖6可知，在同一文獻中采集的數據會呈正相關的趨勢。基于此，可以得出結論，ψ是一個可以量化反映油運輸困難程度的參數，綜合了包含幾何尺寸、工質和工況參數在內所有的影響因素。

2.2 壓降

由圖7可知，隨著質流密度的增加，壓降整體呈上升趨勢。當質流密度低于60 kg/(m2·s) 時，圖7(b)中的一些壓降數據隨著質流密度的增加而減小，這與總體趨勢不同。這些數據來源于文獻[17-20]，值得注意的是他們的實驗在同一實驗裝置中進行。所有數據均為針對豎直流動和高OMF(3%～5%)的工況，這表明較高的質流密度會提高壓降。這種現象可能是由于油回落。

圖7 壓降對比

A. Sethi等[20,25]指出，在豎直管中存在運輸油的臨界制冷劑流速和質流密度。當質流密度低于臨界值時，制冷劑蒸氣不能提供足夠的動量來帶動油，從而會發生油回落。對于高OMF的數據，油回落更有可能發生。因此，可以推斷當質流密度小于60 kg/(m2·s)且OMF為3%～5%時，會出現油回落。因此，增加質流密度可以改善這一問題并降低壓降。而當質流密度大于臨界值后，油回落消失，摩擦壓降變為主要原因。

3 結論

本文對壓縮機吸氣管的滯油特性和壓降特性進行了實驗研究，工質為R32和PVE油混合物。采用兩根內徑為10.7 mm的銅管作為實驗樣品，在三種飽和溫度和過熱度條件下進行了測試：7.5/12 ℃、7.5/6 ℃和10/12 ℃，制冷劑質流密度為90～230 kg/(m2·s)，名義油質量分數為0～5%，分別水平和豎直(向上流動)布置。采用拆除稱重技術(RWT)測量吸氣管內的滯油量，根據實驗結果及公開文獻中收集的信息，建立了壓縮機吸氣管滯油量及壓降數據庫。得到結論如下：

1)增加制冷劑質流密度和降低油質量分數可以對油運輸產生積極影響，并減少滯油量，較高的運動黏度比會導致較高的滯油量。吸氣管壓降隨質流密度和油質量分數的增加而增加。

2)從本實驗和現有的5篇文獻中收集了關于滯油量和壓降的數據庫，包括R32、R410A、R134a三種制冷劑與不同潤滑油混合物。在現有數據庫的基礎上，進行了對比分析，得到當質流密度低于臨界值60 kg/(m2·s)時，在豎直管內會發生油回落；當質流密度高于臨界值時，壓降隨質流密度的增加呈下降趨勢。

3)基于力平衡和參數分析法，提出了一種無量綱參數——滯油影響因子ψ，它集成了幾何尺寸、工質及運行參數的影響。滯油影響因子與數據庫中的滯油體積比呈現正相關的關系，證明這一參數可以表示油運輸的困難程度。