潤滑油對R290空調系統性能影響的實驗研究

徐言生，郭 宏，吳治將，李東洺

( 1.順德職業技術學院 機電工程學院，廣東 佛山 528333；2.廣東美芝制冷設備有限公司，廣東 佛山 528000 )

潤滑油對R290空調系統性能影響的實驗研究

徐言生1，郭 宏2，吳治將1，李東洺1

( 1.順德職業技術學院 機電工程學院，廣東 佛山 528333；2.廣東美芝制冷設備有限公司，廣東 佛山 528000 )

建立了制冷系統含油率對R290空調系統性能影響的測試實驗平臺，分析了潤滑油的混入對R290空調器的制冷量、功耗、EER和換熱器產生的影響及機理。實驗結果表明：少量的潤滑油對制冷系統的制冷效果是有利的，含油率過大會導致制冷能力降低，整機功耗增高，能效比降低；存著一個最佳的含油率0.6%，對應系統的整體性能最高；相對于冷凝器，蒸發器的性能受潤滑油的影響較大，對壓降的影響更為明顯。

潤滑油；R290；性能；含油率

在制冷空調系統中，潤滑油通常會混入制冷劑并參與制冷循環，潤滑油的存在對壓縮機性能、換熱器中的流動和傳熱以及對毛細管中的節流過程都有重要的影響。在國內，劉蘊青[1]分析了潤滑油對壓縮機可靠性及對空調系統性能的影響因素；鄔志敏[2]研究了在一定的制冷劑量、吸氣壓力下，不同吸氣溫度時制冷循環系統內的含油率對制冷量的影響；李濤[3]分析了潤滑油對制冷系統各主要部件的影響；熊愛凌[4]通過丙烷與所選三種潤滑油的互溶性對比實驗，分析相應條件下制冷循環的性能，尋求丙烷制冷空調系統可采用的最佳冷凍油及其匹配比例；魏文建[5]對含油制冷劑在相對小管徑換熱管內流動沸騰特性的研究發現，小管徑換熱管具有不同于大管徑換熱管的流動型態及換熱特性，并根據實驗數據擬合了含油制冷劑在小管徑換熱管內的流動沸騰換熱和壓降關聯式。在國外，對含油制冷劑管內流動沸騰特性的研究表明[6-7]，少量潤滑油會增強制冷劑流動沸騰換熱，但潤滑油濃度超過3%換熱將惡化，潤滑油的混入使壓降增大；文獻[8]、[9]對潤滑油的混入對冰箱用蒸發器、汽車空調管帶式蒸發器以及板式蒸發器性能的影響進行了研究；由Lottina[10]的實驗結果可知，當制冷劑中潤滑油含量非常低時(約為0.01%)，冷凝器內換熱系數達到一個最大值，但與純制冷劑時相比增幅不大，總體上，換熱系數隨著潤滑油含量的增加而降低。

綜上所述，由于潤滑油的存在，使得制冷系統實際運行的性能參數偏離了設計性能參數。目前，R290是國際公認的新型環保制冷劑，目前關于潤滑油對R290制冷系統性能的影響研究不多。因此，有必要對潤滑油在R290制冷系統的影響進行有針對性的研究，為設計和應用R290空調器及其組成部件、改善現有的工作性能等研究方向提供數據。

1 實驗系統與數據處理

1.1 實驗系統

試驗臺的制冷系統流程如圖1所示。實驗系統主要由制冷系統、取樣裝置、壓力測量、溫度測量和流量測量等組成，整個實驗測試過程在焓差實驗室中進行。

1-壓縮機2-室外風機3-冷凝器4-閥門5-真空泵 6-取樣容器 7-視液鏡 8-超聲波流量計 9-毛細管 10-蒸發器 11-室內風機圖1 實驗系統Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

實驗測試空調器為KF-35W-114，采用制冷工質為R290(充注量為310g)，潤滑油為CPI-1507-32(PAG油，美國CPI公司產品)，含油率的測試范圍為0.2%～3%。實驗測試時，首先在含油量為360ml下進行測試，然后分4次遞減，每次減少50ml潤滑油，為了保障測試結果的一致性，測試工況按照GB/T18837的要求運行額定制冷工況。取樣容器6位于冷凝器和毛細管之間的高壓液管，當進行取樣時，開啟真空泵5，當真空泵上顯示的壓力達到10Pa以下時，停止抽真空，打開閥門4進行取樣，每次從取樣容器6中放掉一部份制冷劑和潤滑油混合物，取樣完畢后，把取樣容器6泡在溫水中，用稱好重量的干凈毛巾捂住取樣器的接管口，慢慢打開截止閥，使制冷劑完全蒸發，再測量黏附著油的毛巾的重量，通過高精度電子稱稱重，計算得到放出潤滑油的重量。

1.2 數據處理

本實驗系統中的溫度數據可用熱電偶直接測量。制冷劑的壓力可由壓力變送器直接測得，記為p1，而換熱器管內的壓降可由壓差傳感器測得，換熱器管內的任一點的壓力狀態px可由下式得出(假定壓力分布為線性變化)：

(1)

式中：L為換熱器管長度，m；x為測試點段距1點的長度，m；p1為壓力傳感器的直接測量值，Pa；px為換熱器管內的任一點的壓力值，Pa；Δp為壓差傳感器直接測量值，Pa。

平均含油率的計算公式為：

(2)

式中：ω表示平均含油率，%；m1為取樣容器取樣后的總重量，kg；m2為取樣容器取樣后放掉制冷劑的總重量，kg；m0為取樣容器的凈重量，kg；下標oil表示潤滑油；r表示制冷劑。

對于制冷劑干度的測量，如蒸發器入口可以先測量對應的T和P，通過軟件NIST REFPROP計算得到焓值h，然后計算出相應的干度X，假定出口的干度為1，并視其為線性變化，就沒有必要對各個點的干度進行測量，取實驗數據處理所需要的干度的數值即可。

X(x)=f(p,h)

(3)

式中：X表示制冷劑的干度；p表示換熱器管內的任一點的壓力值，Pa；h表示換熱器管內的任一點的焓值，kJ/kg。

制冷劑的質量流量通過安裝在毛細管前的超聲波質量流量計測量獲得。由于質量流量計只能測試單相流體的質量流量，所以要保證流量計前的制冷劑過冷。通過安裝在質量流量計前的視液鏡7可以觀測到是否全是液體。

1.3 誤差分析

本文采用Ozturk[11]選用的誤差分析方法。假定參數R由N個獨立的直接測試參數Xi計算得到：

R=X1,X2,X3,...,Xn

(4)

參數R的總誤差δR可以通過參數Xi的誤差δXi結合相關項的平方根法求出：

(5)

通過上述公式求得系統平均COP的誤差為2.94%。

2 實驗結果與數據分析

2.1 潤滑油對空調系統性能的影響

圖2表示在不同工況下含油率對空調器制冷量的影響。由圖分析可知，制冷量隨含油率的增加有一個先增加后降低的過程。在標準制冷工況下，當含油率從0.6%上升到2.1%時，空調器的制冷量下降了2.54%。另一方面，也可發現在含油率為0.6%處存在最大制冷量，這是因為蒸發換熱隨油量增加是一個先強化后弱化的過程[10]，制冷劑中溶有少量潤滑油可以增加制冷劑的表面張力，改變其對管壁的表面浸潤性和增加管內液體與管壁的浸潤面積，同時將液膜拉薄，沿管壁分布更均勻，強化傳熱效果；但是含油率過多時，會在蒸發器內表面形成油膜，降低換熱系數，使蒸發曲線下降，傳熱溫差增大，最終導致制冷量減小。

圖2 制冷量與含油率的關系Fig.2 Refrigerating capacity changing with different amount of lubricating oil

圖3表示在不同工況下含油率對空調器功耗的影響。從圖中可看到空調器的功耗隨著含油率的升高呈現先減小后迅速上升，在含油率為0.6%出現最小耗功，當含油率大于0.6%后耗功增加較為顯著。原因分析：當含油率較低時，壓縮機的摩擦損失增加，耗功較大，隨著含油率的增加，潤滑改善，壓縮機的工作效率得到提升，但是含油率過大時，不但會減少了壓縮機有效的吸氣容積，而且由于排氣流動阻力損失及壓縮介質粘度上升增加了與渦旋壁面的摩擦，致使功耗增大。因此，會存在一個最佳的含油率，對應最小的功耗，但過最小功耗點之后，隨著油量的增加，功耗會出現迅速回升。

圖3 功耗與含油率的關系Fig.3 Power consumption changing with different amount of lubricating oil

圖4 EER與含油率的關系Fig.4 EER changing with different amount of lubricating oil

圖4表示在不同工況下含油率對空調器EER(能效比)的影響。由圖分析可知，空調器的EER隨含油率的變化呈現出先增大后減小的趨勢，這與含油率對制冷量和功耗的影響相似。在標準制冷工況下，當含油率從0.6%上升到2.1%時，空調器EER的衰減達9.82%。在這過程中同樣存在一個最佳含油率為0.6%，此時對應最高的EER。

從圖5制冷劑質量流量與含油率的關系可知，隨著潤滑油質量分數的增加，制冷劑和混合物(制冷劑+潤滑油)的質量流量都呈線性減小變化。與制冷劑流量相比，混合物流量減小的速度相對較慢。原因分析：隨著含油率的增加，混合物的粘度及流動阻力也隨之增加，但是潤滑油的粘度遠高于制冷劑的粘度，會使混合物的總粘度迅速增加，導致制冷劑提前達到飽和狀態，相應流量也隨之減小。

圖5 制冷劑質量流量與含油率的關系Fig.5 Refrigerant mass flow rate changing with different amount of lubricating oil

2.2 潤滑油對換熱器性能影響

從圖6分析可知，蒸發器和冷凝器的管壓降都隨含油率的增加而增大，而蒸發器的壓降增量要比冷凝器的大，當含油率從0.6%變為2.1%，蒸發器的管壓降就上升了32.23%，而冷凝器僅上升了13.45%。這是因為管內壓降的增大歸結于液體物性變化(主要粘度增大)引起，隨著含油率的增加，蒸發、冷凝壓降都增加，但是蒸發器是最有可能出現相分離的地方，因為制冷劑在蒸發器中蒸發，會在蒸發器管路內表面上會形成液態的油膜，油膜的粘度主要是由液相中潤滑油的濃度決定的，當油膜的粘度很大時，制冷劑蒸氣的流速不足以將這些潤滑油帶出蒸發器，從而積留在蒸發器中，大大增加流動的阻力。

圖6 蒸發器和冷凝器的管壓降與含油率的關系Fig.6 Pressure drop of evaporator and condenser changing with different amount of lubricating oil

圖7表示蒸發器的沿程溫度變化與含油率的變化。由圖分析可知，隨著含油率的增加，制冷劑在蒸發器的溫升幅度減小，這是因為潤滑油的混入不但會使壓降增大，而且會使制冷劑泡點溫度沿換熱管長度方向出現后移[12]，導致蒸發溫度降低。

圖7 蒸發器的沿程溫度變化與含油率的關系Fig.7 Temperature along evaporator equivalent length changing with different amount of lubricating oil

圖8為蒸發器紅外線溫度分布情況。在標準工況下，當含油率從2.1%下降到0.6%時，從兩者的紅外溫度圖可以發現，后者圖8(b)翅片表面溫度有所提高，翅片表面溫度均勻性也有所提高，這說明含油率的增加會導致蒸發器的換熱效果變差。

圖9為制冷劑蒸汽干度在蒸發器內的沿程分布變化情況。由圖可見，在蒸發器進口處，在L約1/10～2/5處，此時潤滑油的存在對干度的影響不明顯，但在L約2/5～4/5處，潤滑油的存在對干度的影響相當明顯。這是因為隨著蒸發的進行，液相中的含油率逐步增加，混合物中制冷劑含量越來越低，含油較多時，混合物的粘度逐漸增大，會在蒸發器內表面形成油膜，將影響制冷劑沸騰時氣泡的形成，減小氣泡的生成速度和頻率，從而導致干度減小。

從圖10可以看出隨著含油率的增加，冷凝器的冷凝溫度會隨之上升。因為含油率的增加會導致制冷劑與油混合物的粘度增加，減小了冷凝膜內質量與動量的傳遞，導致膜內換熱系數下降，冷凝器換熱能力隨之下降。另一方面，由于潤滑油溶于制冷劑會導致制冷劑的粘度增大，流動阻力變大，從而使壓降增大。因此，潤滑油的存在會削弱冷凝換熱，使冷凝器傳熱溫差增大，冷凝壓力升高。這與文獻[11]分析的結果一致。

圖8 蒸發器紅外線溫度圖Fig.8 The infrared diagram of evaporator

圖9 制冷劑蒸汽干度在蒸發器內的沿程分布Fig.9 Quality distribution of refrigerant-oil mixture along evaporator equivalent length

圖10 冷凝器的沿程溫度變化與含油率的關系Fig.10 Temperature along condenser equivalent length changing with different amount of lubricating oil

3 結論

(1)制冷劑中混入潤滑油會對制冷系統性能產生不同程度的影響，在本實驗范圍內，存著一個最佳的含油率0.6%，此時R290空調器的系統整體性能最高。

(2)隨著含油率的進一步增加(大于0.6%)，R290空調器的制冷能力降低，整機功耗增高，空調系統的EER降低；在標準制冷工況下，當含油率從0.6%上升到2.1%時，空調器制冷量下降了2.54%，EER下降了9.82%。

(3)相對于冷凝器，制冷系統中蒸發器內的溫度較低、制冷劑液相中潤滑油濃度相對較高，對應的粘度和壓降較大，潤滑油的混入對蒸發器性能的影響更為嚴重；當含油率從0.6%增加到2.1%，蒸發器的管壓降上升了32.23%，而冷凝器僅上升了13.45%。

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ExperimentalStudytheLubricatingOilInfluenceofthePerformanceinR290AirConditioning

XU Yansheng1，GUO Hong2，WU Zhijiang1，LI Dongming1

( 1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shunde Polytechnic,Foshan Guangdong 528333,China；2.Guangdong Meizhi Refrigeration Equipment Co,Ltd.，Foshan Guangdong 528000,China )

The testing platform on lubricating oil influence of the performance in R290 air conditioning was established,the lubricating oil influence and mechanism of the cooling capacity,power consumption,EER and heat exchanger in R290 air conditioning was analyzed.Experimental results show that a small amount of lubricating oil in the R290 refrigeration system is favorable,the more oil length in the R290 refrigeration system,the less cooling capacity and EER,the more power consumption.The overall performance in R290 air conditioning is the highest with the optimum oil length of 0.6%.Corresponding to the condenser,the performance of the evaporator is easier influenced by the lubricating oil,especially the effect on the pressure drop is more obvious.

Lubricating oil；Refrigerant 290；Performance；Oil length

2017-6-3

2016年廣東省科技計劃項目(2016B020243008)；廣東省自然科學基金項目(2016A0303012)

徐言生(1067-)，男，教授，研究方向：制冷技術。E-mail：wxung123@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-001-06

TB657.5文獻標示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.001