油循环率对蒸发器内传热与工质流动的影响

李兆华,赵俊杰,沈浩,等.油循环率对蒸发器内传热与工质流动的影响[J].制冷学报,2023,44(03):119-125.

摘 要 

在VCＲ(蒸气压缩制冷)系统中，压缩机润滑油会发生泄漏，混入制冷剂后对制冷剂的流动性和传热产生负面影响。本文基于使用Ｒ1234yf的直线压缩机，建立蒸发器的数值模型。通过无油直线压缩机驱动的VCＲ系统进行实验测试获得系统制冷量与换热器压降，以此对无油工况下的数值模型进行实验验证，预测压降和制冷量的MAPE(平均绝对百分比误差)分别为3. 9%和8.2%。结果表明:在冷凝温度为50 ℃，蒸发温度为2 ℃时，无油工况与OCＲ为2%和6%时系统制冷量相差可达4%和22%，OCＲ( 油循环率) 的增大降低了蒸发器内传热速率;在冷凝温度为50 ℃，蒸发温度为－11 ℃时，无油和OCＲ为4%时压降分别为6.17 kPa和9.92 kPa，含油制冷系统比无油制冷系统的压降高5%～82%，换热器压降随OCＲ的增大而增大。

蒸气压缩制冷系统具有效率高、成本低的特点，广泛应用于家用空调［1］、食品冷藏［2］、汽车空调系统［3］。近年来诸多学者针对润滑油对制冷系统的影响进行研究，V． P． Zhelezny 等［4］研究表明在蒸气压缩制冷系统中，润滑油的存在对压缩机和换热器具有重要的影响。杨传波等［5］研究了制冷系统含油量对制冷压缩机工作性能的影响，结果表明，压缩腔内油气质量百分比为7%～9%时，压缩机工作性能较为理想。徐言生等［6］分析了润滑油的混入对空调制冷系统的影响，结果表明，少量的润滑油有利于制冷系统的制冷效果，含油率过大会导致制冷能力降低。王枫等［7］研究了油循环率( oil circulation ratio，OCＲ) 对活塞式制冷压缩机工作性能的影响，采用双油分装置确保实验的准确性，结果表明，OCＲ能在一个合理的范围内使压缩机获得最佳的性能指标。张铭等［8］通过实验研究了润滑油对空调制冷能力的影响，并提出改善措施。

制冷剂的循环不可避免的将润滑油带入蒸发器［9－10］，在蒸发器表面形成油膜［11－12］，随着油浓度的增加会对换热器产生不利影响，特别是微通道换热器［13－14］。Jia Xiucan 等［15］分析了不同油循环率下的制冷剂焓值，含油制冷剂的焓值低于无油制冷剂。M． Youbi-idrissi 等［16－18］研究了润滑油对蒸气压缩制冷系统的影响，并认为压缩机和蒸发器为系统中受润滑油影响较大的部件。H． S． Kim等［19］研究了制冷剂在换热器中的压降与含油量的关系，结果表明，随着制冷剂质量流量和含油量的增加，压降增大。O．Lottin等［20］分析了润滑油对蒸气压缩制冷系统的影响，结果表明，润滑油含量超过0.5%时，对系统性能的影响显著提高。陶宏等［21］研究了OCＲ对变频空调涡旋式压缩机(Ｒ134a)性能的影响，结果表明，OCＲ为5%时影响较小。

综上所述，针对润滑油对制冷系统的影响已有大量研究，但现有研究中润滑油对制冷系统尤其是蒸发器的影响存在不同结论，且缺乏同一工况的深入对比。因此本文基于直线压缩机，以全球变暖潜值(GlobalWarmingPotential，GWP)为4的Ｒ1234yf为工质，建立蒸发器数值模型，在同一工况下，研究对比无油以及不同含油率对蒸发器及工质的影响，并验证所提出的数学模型在无油条件下的准确性。

1 蒸发器模型建立

1.1 模型设置

本文所选润滑油为POE32，POE32具有优秀的低温流动性、低挥发性和最佳的溶解性等特点，广泛运用于空调制冷系统中。表1所示为POE32润滑油的热力学性质，表2所示为蒸气压缩制冷系统仿真与实验条件。

图1所示为数值模型运行过程，模拟开始时输入工况(步长、运行时间、油循环率、工作频率、系统温度、系统压力) ;制冷剂的热力学参数根据ＲEFPＲOP计算得出;根据质量流量和系统温度，计算混合物空隙率与油浓度，进而得到混合物密度、黏度等热力学参数。最后计算混合物在蒸发器中的传热和压力损失。

1.2 模型的建立

根据油循环率，Ｒ1234yf与POE32润滑油混合物的密度、定压比热容、导热系数、黏度和表面张力计算如下:

根据混合物的热力学特性，努塞尔数、雷诺数和空泡系数计算如下:

2 模型实验验证 

2.1 实验台架

实验采用无油直线压缩机驱动的蒸气压缩制冷系统验证无油条件下的数值模型，实验中两个直线压缩机对置放置，将震动的影响降至最低，直线压缩机活塞长度为31mm、活塞直径为19mm、最大冲程为14mm。冷凝器采用内径为12.7mm、外径为16mm的同轴水冷式换热器。蒸发器采用内径为7.9mm、外径为12.7mm的U型换热器，中间部分为加热管，通过调节加热管的电功率，可模拟热源负荷。实验原理如图2所示。

2.2 模型验证

图3所示为蒸发器内压降和系统制冷量的实验值与模型仿真结果的对比。在压缩机行程为9～13mm、冷凝温度为40～45℃工况下，共采集20组实验数据进行验证;由图3可知，实验结果与仿真结果趋势基本一致，预测压降和预测制冷量的平均绝对百分比误差分别为3.9%和8.2%，最大相对误差不超过20%，验证无油工况下蒸发器模型具有准确性。

针对含油工况下的蒸发器模型，将其仿真结果与文献［23－24］进行对比，发现具有相同趋势，因此验证了含油工况下的蒸发器模型准确性。

3 结果与分析

不同OCＲ下排气温度随蒸发温度的变化如图4所示。由图4可知，有油与无油条件下，排气温度均随蒸发温度的升高显著降低，这是由于蒸发温度升高，出口压力增大进而需要更小的压缩功，导致压缩机排气温度降低。相同蒸发温度下，由于油液在压缩机工作腔内吸热，排气温度随OCＲ的升高而降低。当蒸发温度为－8℃时，无油条件下排气温度为88℃，OCＲ 为6%时的排气温度为77 ℃。无油条件下排气温度比含油条件下约高7%～14%。

图5所示为制冷量随蒸发温度和OCＲ的变化。由图5可知，随着蒸发温度的升高，制冷量随之增大，这是由于质量流量随蒸发温度的升高而增大，从而导致整体冷量的增加。在同一蒸发温度下，由于润滑油泄漏恶化制冷剂传热性能以及润滑油附在蒸发器表面而产生油膜，制冷量随OCＲ的增加而减小。当冷凝温度为50℃、蒸发温度为1℃时，无油蒸气压缩制冷系统的制冷量可达204.7 W，而OCＲ为6%时，制冷量为159.6 W，两者相差22%。

不同OCＲ下蒸发器出口蒸气干度随蒸发温度的变化如图6所示。由图6可知，在无油状态下，蒸发器出口蒸气干度始终为1。随着OCＲ升高，蒸气干度降低，这是因为OCＲ的增加恶化了蒸发器的传热效率。同条件下随着蒸发温度的升高，蒸发器出口压力增加，所需压缩功减小，从而排气行程增大，压缩机排量增加，同时质量流量增大，需要更多的热量才能实现充分蒸发，因而干度随蒸发温度升高而降低。OCＲ为6%、蒸发温度为－8 ℃时，蒸气干度仅为0.85。

蒸发器的总传热系数随质量通量和OCＲ的变化如图7所示。由图7可知，总传热系数随质量通量的增加而增大，随OCＲ的增大而减小。无油条件下的总传热系数比含油条件下约高40%～70%。当质量通量为20.6 kg/( m2·s) 时，无油条件下总传热系数为4.5 kW/( m2·K) ，比OCＲ 为6%时高约51.5%。

图8所示为不同OCＲ下蒸发器压降随蒸发温度的变化。由图8可知，随着蒸发温度的升高，质量流量增加，压降随之增大。且随着OCＲ的增加制冷剂混合物黏度和表面张力增加，导致摩擦损失增加，因而蒸发器内压降增大。在冷凝温度为50 ℃，蒸发温度为－24～1 ℃时，含油制冷系统比无油制冷系统的压降约高5%～82%。

4 总结

本文基于使用Ｒ1234yf 和POE 润滑油的直线压缩机建立蒸发器模型。对比分析不同油循环率对蒸发器内传热及工质流动的影响，采用带有无油直线压缩机的VCＲ系统在不同冷凝温度、压缩机行程、蒸发温度下实验验证了无油条件下数值模型的准确性。得到结论如下:

1) 润滑油泄漏混入制冷剂降低了系统质量流量，对系统的整体性能造成影响。随着油循环率的增加，混合物的传热效率降低，导致其在蒸发器中不能完全蒸发，系统制冷量随之减小，同条件下油循环率为2%、6%时，系统制冷量相差可达19%，当蒸发温度升高时，减小趋势更加显著。

2) 在无油工况下，数值模型的预测结果与实验结果的平均绝对百分比误差分别为3.9%和8.2%，验证了模型的可行性。

3) 总传热系数随蒸发温度的升高而增大，随油循环率的降低而减小，当冷凝温度为50℃、蒸发温度为－24～1 ℃时，无油与油循环率为6%相比总传热系数约高40%～70%。

4) 由于质量流量的增大，蒸发器压降随温度的升高而增大。油循环率的增加会导致混合物黏度增大，因此蒸发器压降随含油比例的增加而增大。