润滑油的混入对翅片管式空调蒸发器性能影响

1、润滑油的混入对翅片管式空调蒸发器性能影响 魏文建1， 丁国良1， 王凯建2 (1上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240； 2日本富士通将军空调技术研究所，川崎213-8502)摘 要：运用含油制冷剂翅片管换热器分布参数仿真模型，定量分析了润滑油的混入对蒸发器性能产生的影响，结果表明，蒸发器性能受润滑油的影响较大，对压降的影响较换热更为显著当润滑油循环量为3%和5%时，蒸发器制冷量的衰减约为5%和10%除换热因素外，蒸发器出口润滑油中制冷剂残留也是导致换热器性能衰减的重要因素关键词：换热器；制冷空调；润滑油；翅片管 The Influence of Oil on Performanc

2、e of Fin-and-Tube Evaporator WEI Wen-jianl , DINGGuo-Iiangl , WANG Kai-jian2(l.lnstitute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China; 2. Fujitsu General Institute of Air-Conditioning Technology Limited, Kawasaki 213-8502, Japan)Abstract: The influ

3、ence of oil on performance of evaporator was analyzed quantitatively based on the distri-bution-parameter-model of fin-and-tube evaporator with refrigerant-oil mixture. The results show that the evaporator capacity reduces significantly with the increasing of oil concentration. Oil has a pronounced

4、in-fluence on pressure drop. Capacity can reduce by 5% and 10% at circulating oil concentration of 3% and5% , respectively. Besides the detriment of heat transfer, the refrigerant residual in oil is another factorleading to the deterioration of evaporator capacity.Key words: heat exchanger; air-cond

5、itioning; lubricant oil; fin-and-tube符号说明： A面积，m2 G质量流率，kg/(m2s) H制冷剂比焓，kJ/kg L蒸发器当量长度，即 P压力，kPa Q换热量，W qm制冷剂质量流量，kg/s R衰减因子 T温度 W润滑油质量分数，% X制冷剂蒸汽干度 a对流换热系数，kW/(m2K)下标ai空气 db干球in进口 n平均O润滑油 Out出口Q换热量 r制冷剂Sec控制容积 V气体Wall换热管壁面 Wb湿球 对于制冷空调系统，少量润滑油通常混入制冷剂并参与制冷循环，从而影响制冷剂的流动换热特性，对含油制冷剂管内流动沸腾特性的研究表明1-3，少量润滑

6、油会增强制冷剂流动沸腾换热；但润滑油浓度超过3%换热将恶化，润滑油的混入使压降增大文献4-6中对含油制冷剂在相对小管径换热管内流动沸腾特性的研究发现，小管径换热管具有不同于大管径换热管的流动型态及换热特性，并根据实验数据拟合了含油制冷剂在小管径换热管内的流动沸腾换热和压降关联式文献7-9中对润滑油的混入对冰箱用蒸发器、汽车空调管带式蒸发器以及板式蒸发器性能的影响进行了初步研究，但由于缺乏准确的含油制冷剂流动沸腾换热和压降关联式，以及含油制冷剂物性计算模型，分析结果存在相当的不确定性 润滑油混入对翅片管式空调蒸发器性能影响的理论分析目前还未见有公开报道，本文通过采用含油制冷剂物性计算模型、含油制

7、冷剂管内流动沸腾换热和压降关联式、以及多流路翅片管换热器分布参数模型10,11，定量分析了润滑油的混入对翅片管空调蒸发器性能的影响1 蒸发器模型及其运行参数1.1蒸发器模型 制冷剂液相中的润滑油浓度随着制冷剂的蒸发而增加，采用换热器分布参数模型能够较好地分析润滑油对蒸发器局部性能的影响，适用于多流路翅片管式换热器的分布参数模型能够很好地预测无油工况下空调翅片管式换热器的性能10 ,11，但该模型对润滑油的影响考虑不足，本文将含油制冷剂混合物性模型取代原制冷剂物性计算模型，运用基于实验的含油制冷剂管内流动沸腾换热和压降关联式，对原有模型的算法进行了改进，以便于采用含油制冷剂物性模型以及分析不同出

8、口过热度时换热器性能变化，这里仅给出控制容积中含油制冷剂一侧的基本控制方程，模型其他部分可参考文献11(1)连续性方程： (1)(2)动量方程： (2)式中：pr，o,t为含油制冷剂总压降；Pr,o,f为含油制冷剂摩擦压降6；Pr，o，g为含油制冷剂重力压降； pr,o,a为含油制冷剂加速压降，采用两流体模型加速压降计算公式(3)能量平衡方程： (3)式中：ar，o为含油制冷剂局部对流换热系数5；tr，o为计算单元含油制冷剂定性温度，tr，o=(tr,o,out+tr，o，in)21.2蒸发器结构及运行参数 通过具体算例来分析润滑油的混入对蒸发器局部和整体性能造成的影响该蒸发器宽38.1 mm

9、、长595 mm，管间距25.4 mm，排间距19. 05 mm，采用波纹翅片及光滑管，翅间距1.7 mm，换热管外径7.0 mm，壁厚0.33 mm共有3个流路且同等布置，运行工况如下：制冷剂状态Pin=584 kPa，hin=78 kJ/kg，qm=0.016 kg/s，当qm未知时，设定出口过热度分别为1，2，4，6，8，10，12，14，16，18；w n，o。=05%，间隔为1%；空气进口状态. tdb，in=25，twb.in=25，vair=1.5 m/s.2润滑油混入对蒸发器局部性能影响2.1 干度沿程分布 图1所示为不同润滑油循环量叫wn，o时，制冷剂干度x沿程变化情况，由图

10、可见，随着叫wn，o的增加，蒸发器出口x均逐渐降低，即出口液相组分增加，对于过热情况，出口x<1，因为润滑油中溶解了少量制冷剂，而这些未蒸发的制冷剂对蒸发器而言是一种冷量损失2.2 制冷剂温度沿程分布 润滑油的混入一方面使压降增大，从而使蒸发温度降低；另一方面，引起含油制冷剂的泡点温度升高，从而使蒸发温度升高，图2给出了含油制冷剂泡点温度tr,o在蒸发器内的沿程变化情况，由图可见，随着叫wn，o的增加，沿换热管长度方向出现t r，o突跃的位置后移，同时在高w n，o。区制冷剂的蒸发温度下降，润滑油的混入对压降的影响较对泡点温度的影响显著，故随着叫w n，o的增加，蒸发温度反而降低2.3局

11、部换热系数沿程分布图3所示为蒸发器管内局部对流换热系数a的沿程变化情况，由图可见，在蒸发器进口处，x约为0.10.3，此时润滑油的存在会增强换热，出现a随wn，o的增加而增加的现象但随着含油制冷剂的气化，在L约153/5处，即x为0.30.9时，此时 (a)出口过热 (b)出口两相 图1制冷剂蒸汽干度在蒸发器内的沿程分布 Fig.1 Quality distribution of refrigerant-oil mixture along evaporator equivalent length (a)出口过热 (b)出口两相 图2含油制冷剂泡点温度沿程变化Fig.2 Temperature

12、distribution of refrigerant-oil mixture along evaporator equivalent length (a)出口过热 (b)出口两相 图3局部换热系数在蒸发器内的沿程变化Fig.3 Heat transfer coefficient distribution of refrigerant-oil mixture along evaporator equivalent length局部wn，o增加，油膜产生的传热阻力增加，局部a随wn，o的增加而下降，这种现象当出口两相时表现更为明显，对于出口过热情况，x>0.9时，a再次随wn，o的增加而略

13、有增大，因为此时随着wn，o的增加，润滑油中溶解的制冷剂增加，随着过热度的进一步增大，溶解于润滑油中的制冷剂开始蒸发，从而使a略有增大，蒸干点向蒸发器出口方向偏移2.4局部换热量沿程分布图4所示为蒸发器局部换热量Qsec沿程变化情况，管外侧状态相同时，Qsec的大小只与管内侧a和管内外侧换热温差有关，两个因素影响管内外换热温差：含油制冷剂的泡点温度升高，从而使管内外换热温差减小，对即定换热面积和换热速率的换热器产生不利影响；阻力损失增加使蒸发温度降低，从而使管内外侧的换热温差增大，两者均随着wn，o的增加，影响将更加显著，最终Qsec的变化取决于两者的综合作用 (a)出口过热 (b)出口两相

14、图4局部换热量沿程变化Fig.4 Heat exchange distribution of refrigerant-oil mixture alone evaporator equivalent length 图4(a)表明，两相区Qsec与a的沿程变化相似，对于两相区与过热区过渡部分，局部Qsec随wn，o的增加而略有增加，由此可见，对含油制冷剂在翅片管式换热器的换热情况，主要影响因素是蒸发压力降低引起的泡点温度的降低，从而使换热温差加大，有助于蒸发器Qsec的增加但付出的代价是压缩机吸气压力的降低，对系统而言是不利影响，尽管空气侧的a要远远低于制冷剂侧a，但管外侧加肋强化后，内侧热阻占整

15、体热阻的30%以上，因此含油制冷剂管内侧的局部a的变化也会显著影响Q sec的变化。 由图4(b)可见，在蒸发器进口附近，润滑油的存在会增加Qsec，但随着蒸发过程的进行，z越来越大，wn，o的增加使Qsec降低因为在低x区，润滑油的存在对压降的影响不显著，含油制冷剂的a降低及泡点温度增加，从而使换热温差减小，Qsec降低2.5压力沿程分布 图5所示为蒸发压力在蒸发器内的沿程分布由图可见，在低z区润滑油的存在对压降的影响不明显但随着制冷剂的蒸发，局部wn，o逐渐升高，粘滞阻力逐渐增加，压降随wn，o的增加而急剧增加，从而使出口压力随着wn，o的增加而降低，这正是造成蒸发温度降低的主要原因2.6

16、蒸发器整体换热性能变化 图6所示为蒸发器换热量Q随出口过热度tsh的变化情况，由图可见，当tsb较低时，随着tsh的增加，Q略微增大，在tsh4达到峰值；然后，随tsh的增加而降低，因为当tsh太低时，润滑油中溶解的制冷剂量较大，从而造成部分Q损失，润滑油的混入所导致的换热器性能的衰减可用衰减因子定量表示，衰减因子为含油制冷剂与无油制冷剂换热量的比值： (4)图7所示为蒸发器性能衰减因子Ro随tsh的变化规律，当tsh较低时，润滑油混入使蒸发器换热恶化，当Wn，o=5%时，最大可衰减15%以上，但随着tsh的增加，RQ略有减小，但也可达10%以上上述结果表明：模型预测值与文献7的实验结果在趋势

17、上较为吻合，但由于换热器对象、制冷剂一润滑油工质对以及运行工况不同，预测结果数据与实验值有较大偏差。(a) 出口过热 (b)出口两相 图5蒸发压力沿程变化Fig.5 Pressure distribution of refrigeration-oil mixture along evaporator equivalent length 图6蒸发器换热性能随出口过热度的变化Fig.6 Evaporator capacity changing with outlet superheat图7蒸发器换热性能衰减因子随出口过热度的变化 Fig.7 Penalty factor changing with

18、 superheat3 结 论(1)润滑油对换热器性能影响可归结为润滑油的混入影响口、压降、管内外换热温差以及润滑油中制冷剂残留(2)局部口和局部压力的沿程分布表明，润滑油对口和压降的影响是影响蒸发器整体性能的决定因素，当wn，o=3%时，蒸发器制冷量约衰减5%左右，但当wn，o=5%时，蒸发器制冷量的衰减超过10%(3)控制进入蒸发器中的润滑油循环量低于3%是非常必要的，对于类似R22/NM56部分互溶的工质，需采用有效措施防止润滑油在蒸发器内的积聚，参考文献：1 Schlager L M, Pate M B, Bergles A E.Heat transfer and pressure d

19、rop performance of smooth and inter-nally finned tubes with oil and refrigerant 22 mixturesJ. ASHRAE Trans, 1990, 95: 160-169.2 Eckels S J,Doerr T M, Pate M B.A comparison of the heat transfer and pressure drop performance of R134a-lubricant mixtures in different diameter smooth tubes and micro-fin

20、tubes J. ASHRAE Trans, 1998, 104: 376-386.3 Zurcher 0, Thome J R, Favrat D.Flow boiling and pressure drop measurements for R-134a/oil mixtures.Part 2:Evaporation in a plain tubeJ. HVAC&R Research, 1997, 3(1): 54-64.4 魏文建，胡海涛，丁国良，等含油制冷剂在小管径换热管内流动沸腾换热特性实验研究J上海交通大学学报，2006, 40(2):286-290.WEI Wen-jia

21、n, HU Hai-tao, DING Guo-liang, et a/.Experimental study on the influence of oil on heat transfer performance of refrigerant flow boiling inside small tubesJ. Journal of Shanghaj jiaotong Universi-ty, 2006, 40(2):286-290.5 魏文建，丁国良，王凯建，等含油制冷剂在小管径换热管内流动沸腾换热关联式研究J上海交通大学学报，2007，41(3)：404 - 410. WEI Wen-j

22、ian, DING Guo-liang, WANG Kai-jian, et al. Correlations of heat transfer of refrigerant-oil mixture flow boiling inside small smooth tubesJ.Journal of Shanghai Jiaotong University, 2007, 41(3):404 - 410.6 魏文建，丁国良，胡海涛，等制冷剂一润滑油混合物系管内流动沸腾阻力特性J上海交通大学学报，2006,40(8): 1333-1338.WEI Wen-jian, DING Guo-liang,

23、 HU Hai-tao, et al. Frictional performance of refrigerant-oil mixture flow boiling inside horizontal smooth tubeJ. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2006, 40 (8): 1333 -1338.7 Hewitt N J,Mcmullan J T, Mongey B, et al. From pure fluids to zertropic and azertropic mixtures: The effects of refrigerant-oil solubility on system perform- anceJ. Int J of Energy Research, 1996, 20: 57-67.8 Lottin P G, Lebreton J M. Effects of synthetic oil in a compression refrigeration system using R410A.Part II: Quality of heat transfer and pressure losses within the heat exchang