李兆華,趙俊杰,沈浩,等.油循環(huán)率對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)傳熱與工質(zhì)流動(dòng)的影響[J].制冷學(xué)報(bào),2023,44(03):119-125.

摘 要 

在VCＲ(蒸氣壓縮制冷)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)潤(rùn)滑油會(huì)發(fā)生泄漏，混入制冷劑后對(duì)制冷劑的流動(dòng)性和傳熱產(chǎn)生負(fù)面影響。本文基于使用Ｒ1234yf的直線(xiàn)壓縮機(jī)，建立蒸發(fā)器的數(shù)值模型。通過(guò)無(wú)油直線(xiàn)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的VCＲ系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得系統(tǒng)制冷量與換熱器壓降，以此對(duì)無(wú)油工況下的數(shù)值模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)測(cè)壓降和制冷量的MAPE(平均絕對(duì)百分比誤差)分別為3. 9%和8.2%。結(jié)果表明:在冷凝溫度為50 ℃，蒸發(fā)溫度為2 ℃時(shí)，無(wú)油工況與OCＲ為2%和6%時(shí)系統(tǒng)制冷量相差可達(dá)4%和22%，OCＲ( 油循環(huán)率) 的增大降低了蒸發(fā)器內(nèi)傳熱速率;在冷凝溫度為50 ℃，蒸發(fā)溫度為－11 ℃時(shí)，無(wú)油和OCＲ為4%時(shí)壓降分別為6.17 kPa和9.92 kPa，含油制冷系統(tǒng)比無(wú)油制冷系統(tǒng)的壓降高5%～82%，換熱器壓降隨OCＲ的增大而增大。

蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)具有效率高、成本低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)［1］、食品冷藏［2］、汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)［3］。近年來(lái)諸多學(xué)者針對(duì)潤(rùn)滑油對(duì)制冷系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究，V． P． Zhelezny 等［4］研究表明在蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油的存在對(duì)壓縮機(jī)和換熱器具有重要的影響。楊傳波等［5］研究了制冷系統(tǒng)含油量對(duì)制冷壓縮機(jī)工作性能的影響，結(jié)果表明，壓縮腔內(nèi)油氣質(zhì)量百分比為7%～9%時(shí)，壓縮機(jī)工作性能較為理想。徐言生等［6］分析了潤(rùn)滑油的混入對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，少量的潤(rùn)滑油有利于制冷系統(tǒng)的制冷效果，含油率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致制冷能力降低。王楓等［7］研究了油循環(huán)率( oil circulation ratio，OCＲ) 對(duì)活塞式制冷壓縮機(jī)工作性能的影響，采用雙油分裝置確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明，OCＲ能在一個(gè)合理的范圍內(nèi)使壓縮機(jī)獲得最佳的性能指標(biāo)。張銘等［8］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了潤(rùn)滑油對(duì)空調(diào)制冷能力的影響，并提出改善措施。

制冷劑的循環(huán)不可避免的將潤(rùn)滑油帶入蒸發(fā)器［9－10］，在蒸發(fā)器表面形成油膜［11－12］，隨著油濃度的增加會(huì)對(duì)換熱器產(chǎn)生不利影響，特別是微通道換熱器［13－14］。Jia Xiucan 等［15］分析了不同油循環(huán)率下的制冷劑焓值，含油制冷劑的焓值低于無(wú)油制冷劑。M． Youbi-idrissi 等［16－18］研究了潤(rùn)滑油對(duì)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的影響，并認(rèn)為壓縮機(jī)和蒸發(fā)器為系統(tǒng)中受潤(rùn)滑油影響較大的部件。H． S． Kim等［19］研究了制冷劑在換熱器中的壓降與含油量的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著制冷劑質(zhì)量流量和含油量的增加，壓降增大。O．Lottin等［20］分析了潤(rùn)滑油對(duì)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，潤(rùn)滑油含量超過(guò)0.5%時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響顯著提高。陶宏等［21］研究了OCＲ對(duì)變頻空調(diào)渦旋式壓縮機(jī)(Ｒ134a)性能的影響，結(jié)果表明，OCＲ為5%時(shí)影響較小。

綜上所述，針對(duì)潤(rùn)滑油對(duì)制冷系統(tǒng)的影響已有大量研究，但現(xiàn)有研究中潤(rùn)滑油對(duì)制冷系統(tǒng)尤其是蒸發(fā)器的影響存在不同結(jié)論，且缺乏同一工況的深入對(duì)比。因此本文基于直線(xiàn)壓縮機(jī)，以全球變暖潛值(GlobalWarmingPotential，GWP)為4的Ｒ1234yf為工質(zhì)，建立蒸發(fā)器數(shù)值模型，在同一工況下，研究對(duì)比無(wú)油以及不同含油率對(duì)蒸發(fā)器及工質(zhì)的影響，并驗(yàn)證所提出的數(shù)學(xué)模型在無(wú)油條件下的準(zhǔn)確性。

1 蒸發(fā)器模型建立

1.1 模型設(shè)置

本文所選潤(rùn)滑油為POE32，POE32具有優(yōu)秀的低溫流動(dòng)性、低揮發(fā)性和最佳的溶解性等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于空調(diào)制冷系統(tǒng)中。表1所示為POE32潤(rùn)滑油的熱力學(xué)性質(zhì)，表2所示為蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)條件。

圖1所示為數(shù)值模型運(yùn)行過(guò)程，模擬開(kāi)始時(shí)輸入工況(步長(zhǎng)、運(yùn)行時(shí)間、油循環(huán)率、工作頻率、系統(tǒng)溫度、系統(tǒng)壓力) ;制冷劑的熱力學(xué)參數(shù)根據(jù)ＲEFPＲOP計(jì)算得出;根據(jù)質(zhì)量流量和系統(tǒng)溫度，計(jì)算混合物空隙率與油濃度，進(jìn)而得到混合物密度、黏度等熱力學(xué)參數(shù)。最后計(jì)算混合物在蒸發(fā)器中的傳熱和壓力損失。

1.2 模型的建立

根據(jù)油循環(huán)率，Ｒ1234yf與POE32潤(rùn)滑油混合物的密度、定壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度和表面張力計(jì)算如下:

根據(jù)混合物的熱力學(xué)特性，努塞爾數(shù)、雷諾數(shù)和空泡系數(shù)計(jì)算如下:

2 模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)采用無(wú)油直線(xiàn)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)驗(yàn)證無(wú)油條件下的數(shù)值模型，實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)直線(xiàn)壓縮機(jī)對(duì)置放置，將震動(dòng)的影響降至最低，直線(xiàn)壓縮機(jī)活塞長(zhǎng)度為31mm、活塞直徑為19mm、最大沖程為14mm。冷凝器采用內(nèi)徑為12.7mm、外徑為16mm的同軸水冷式換熱器。蒸發(fā)器采用內(nèi)徑為7.9mm、外徑為12.7mm的U型換熱器，中間部分為加熱管，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱管的電功率，可模擬熱源負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

2.2 模型驗(yàn)證

圖3所示為蒸發(fā)器內(nèi)壓降和系統(tǒng)制冷量的實(shí)驗(yàn)值與模型仿真結(jié)果的對(duì)比。在壓縮機(jī)行程為9～13mm、冷凝溫度為40～45℃工況下，共采集20組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證;由圖3可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)基本一致，預(yù)測(cè)壓降和預(yù)測(cè)制冷量的平均絕對(duì)百分比誤差分別為3.9%和8.2%，最大相對(duì)誤差不超過(guò)20%，驗(yàn)證無(wú)油工況下蒸發(fā)器模型具有準(zhǔn)確性。

針對(duì)含油工況下的蒸發(fā)器模型，將其仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［23－24］進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)具有相同趨勢(shì)，因此驗(yàn)證了含油工況下的蒸發(fā)器模型準(zhǔn)確性。

3 結(jié)果與分析

不同OCＲ下排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化如圖4所示。由圖4可知，有油與無(wú)油條件下，排氣溫度均隨蒸發(fā)溫度的升高顯著降低，這是由于蒸發(fā)溫度升高，出口壓力增大進(jìn)而需要更小的壓縮功，導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度降低。相同蒸發(fā)溫度下，由于油液在壓縮機(jī)工作腔內(nèi)吸熱，排氣溫度隨OCＲ的升高而降低。當(dāng)蒸發(fā)溫度為－8℃時(shí)，無(wú)油條件下排氣溫度為88℃，OCＲ 為6%時(shí)的排氣溫度為77 ℃。無(wú)油條件下排氣溫度比含油條件下約高7%～14%。

圖5所示為制冷量隨蒸發(fā)溫度和OCＲ的變化。由圖5可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，制冷量隨之增大，這是由于質(zhì)量流量隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，從而導(dǎo)致整體冷量的增加。在同一蒸發(fā)溫度下，由于潤(rùn)滑油泄漏惡化制冷劑傳熱性能以及潤(rùn)滑油附在蒸發(fā)器表面而產(chǎn)生油膜，制冷量隨OCＲ的增加而減小。當(dāng)冷凝溫度為50℃、蒸發(fā)溫度為1℃時(shí)，無(wú)油蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的制冷量可達(dá)204.7 W，而OCＲ為6%時(shí)，制冷量為159.6 W，兩者相差22%。

不同OCＲ下蒸發(fā)器出口蒸氣干度隨蒸發(fā)溫度的變化如圖6所示。由圖6可知，在無(wú)油狀態(tài)下，蒸發(fā)器出口蒸氣干度始終為1。隨著OCＲ升高，蒸氣干度降低，這是因?yàn)镺CＲ的增加惡化了蒸發(fā)器的傳熱效率。同條件下隨著蒸發(fā)溫度的升高，蒸發(fā)器出口壓力增加，所需壓縮功減小，從而排氣行程增大，壓縮機(jī)排量增加，同時(shí)質(zhì)量流量增大，需要更多的熱量才能實(shí)現(xiàn)充分蒸發(fā)，因而干度隨蒸發(fā)溫度升高而降低。OCＲ為6%、蒸發(fā)溫度為－8 ℃時(shí)，蒸氣干度僅為0.85。

蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)隨質(zhì)量通量和OCＲ的變化如圖7所示。由圖7可知，總傳熱系數(shù)隨質(zhì)量通量的增加而增大，隨OCＲ的增大而減小。無(wú)油條件下的總傳熱系數(shù)比含油條件下約高40%～70%。當(dāng)質(zhì)量通量為20.6 kg/( m2·s) 時(shí)，無(wú)油條件下總傳熱系數(shù)為4.5 kW/( m2·K) ，比OCＲ 為6%時(shí)高約51.5%。

圖8所示為不同OCＲ下蒸發(fā)器壓降隨蒸發(fā)溫度的變化。由圖8可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，質(zhì)量流量增加，壓降隨之增大。且隨著OCＲ的增加制冷劑混合物黏度和表面張力增加，導(dǎo)致摩擦損失增加，因而蒸發(fā)器內(nèi)壓降增大。在冷凝溫度為50 ℃，蒸發(fā)溫度為－24～1 ℃時(shí)，含油制冷系統(tǒng)比無(wú)油制冷系統(tǒng)的壓降約高5%～82%。

4 總結(jié)

本文基于使用Ｒ1234yf 和POE 潤(rùn)滑油的直線(xiàn)壓縮機(jī)建立蒸發(fā)器模型。對(duì)比分析不同油循環(huán)率對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)傳熱及工質(zhì)流動(dòng)的影響，采用帶有無(wú)油直線(xiàn)壓縮機(jī)的VCＲ系統(tǒng)在不同冷凝溫度、壓縮機(jī)行程、蒸發(fā)溫度下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)油條件下數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。得到結(jié)論如下:

1) 潤(rùn)滑油泄漏混入制冷劑降低了系統(tǒng)質(zhì)量流量，對(duì)系統(tǒng)的整體性能造成影響。隨著油循環(huán)率的增加，混合物的傳熱效率降低，導(dǎo)致其在蒸發(fā)器中不能完全蒸發(fā)，系統(tǒng)制冷量隨之減小，同條件下油循環(huán)率為2%、6%時(shí)，系統(tǒng)制冷量相差可達(dá)19%，當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)，減小趨勢(shì)更加顯著。

2) 在無(wú)油工況下，數(shù)值模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均絕對(duì)百分比誤差分別為3.9%和8.2%，驗(yàn)證了模型的可行性。

3) 總傳熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，隨油循環(huán)率的降低而減小，當(dāng)冷凝溫度為50℃、蒸發(fā)溫度為－24～1 ℃時(shí)，無(wú)油與油循環(huán)率為6%相比總傳熱系數(shù)約高40%～70%。

4) 由于質(zhì)量流量的增大，蒸發(fā)器壓降隨溫度的升高而增大。油循環(huán)率的增加會(huì)導(dǎo)致混合物黏度增大，因此蒸發(fā)器壓降隨含油比例的增加而增大。