潤滑油的混入對翅片管式空調(diào)蒸發(fā)器性能影響

1、潤滑油的混入對翅片管式空調(diào)蒸發(fā)器性能影響 魏文建1， 丁國良1， 王凱建2 (1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240； 2日本富士通將軍空調(diào)技術(shù)研究所，川崎213-8502)摘 要：運用含油制冷劑翅片管換熱器分布參數(shù)仿真模型，定量分析了潤滑油的混入對蒸發(fā)器性能產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)器性能受潤滑油的影響較大，對壓降的影響較換熱更為顯著當(dāng)潤滑油循環(huán)量為3%和5%時，蒸發(fā)器制冷量的衰減約為5%和10%除換熱因素外，蒸發(fā)器出口潤滑油中制冷劑殘留也是導(dǎo)致?lián)Q熱器性能衰減的重要因素關(guān)鍵詞：換熱器；制冷空調(diào)；潤滑油；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符號說明： A面積，m2 G質(zhì)量流率，kg/(m2s) H制冷劑比焓，kJ/kg L蒸發(fā)器當(dāng)量長度，即 P壓力，kPa Q換熱量，W qm制冷劑質(zhì)量流量，kg/s R衰減因子 T溫度 W潤滑油質(zhì)量分數(shù)，% X制冷劑蒸汽干度 a對流換熱系數(shù)，kW/(m2K)下標ai空氣 db干球in進口 n平均O潤滑油 Out出口Q換熱量 r制冷劑Sec控制容積 V氣體Wall換熱管壁面 Wb濕球 對于制冷空調(diào)系統(tǒng)，少量潤滑油通常混入制冷劑并參與制冷循環(huán)，從而影響制冷劑的流動換熱特性，對含油制冷劑管內(nèi)流動沸騰特性的研究表明1-3，少量潤滑

6、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4-6中對含油制冷劑在相對小管徑換熱管內(nèi)流動沸騰特性的研究發(fā)現(xiàn)，小管徑換熱管具有不同于大管徑換熱管的流動型態(tài)及換熱特性，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合了含油制冷劑在小管徑換熱管內(nèi)的流動沸騰換熱和壓降關(guān)聯(lián)式文獻7-9中對潤滑油的混入對冰箱用蒸發(fā)器、汽車空調(diào)管帶式蒸發(fā)器以及板式蒸發(fā)器性能的影響進行了初步研究，但由于缺乏準確的含油制冷劑流動沸騰換熱和壓降關(guān)聯(lián)式，以及含油制冷劑物性計算模型，分析結(jié)果存在相當(dāng)?shù)牟淮_定性 潤滑油混入對翅片管式空調(diào)蒸發(fā)器性能影響的理論分析目前還未見有公開報道，本文通過采用含油制冷劑物性計算模型、含油制

7、冷劑管內(nèi)流動沸騰換熱和壓降關(guān)聯(lián)式、以及多流路翅片管換熱器分布參數(shù)模型10,11，定量分析了潤滑油的混入對翅片管空調(diào)蒸發(fā)器性能的影響1 蒸發(fā)器模型及其運行參數(shù)1.1蒸發(fā)器模型 制冷劑液相中的潤滑油濃度隨著制冷劑的蒸發(fā)而增加，采用換熱器分布參數(shù)模型能夠較好地分析潤滑油對蒸發(fā)器局部性能的影響，適用于多流路翅片管式換熱器的分布參數(shù)模型能夠很好地預(yù)測無油工況下空調(diào)翅片管式換熱器的性能10 ,11，但該模型對潤滑油的影響考慮不足，本文將含油制冷劑混合物性模型取代原制冷劑物性計算模型，運用基于實驗的含油制冷劑管內(nèi)流動沸騰換熱和壓降關(guān)聯(lián)式，對原有模型的算法進行了改進，以便于采用含油制冷劑物性模型以及分析不同出

8、口過熱度時換熱器性能變化，這里僅給出控制容積中含油制冷劑一側(cè)的基本控制方程，模型其他部分可參考文獻11(1)連續(xù)性方程： (1)(2)動量方程： (2)式中：pr，o,t為含油制冷劑總壓降；Pr,o,f為含油制冷劑摩擦壓降6；Pr，o，g為含油制冷劑重力壓降； pr,o,a為含油制冷劑加速壓降，采用兩流體模型加速壓降計算公式(3)能量平衡方程： (3)式中：ar，o為含油制冷劑局部對流換熱系數(shù)5；tr，o為計算單元含油制冷劑定性溫度，tr，o=(tr,o,out+tr，o，in)21.2蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及運行參數(shù) 通過具體算例來分析潤滑油的混入對蒸發(fā)器局部和整體性能造成的影響該蒸發(fā)器寬38.1 mm

9、、長595 mm，管間距25.4 mm，排間距19. 05 mm，采用波紋翅片及光滑管，翅間距1.7 mm，換熱管外徑7.0 mm，壁厚0.33 mm共有3個流路且同等布置，運行工況如下：制冷劑狀態(tài)Pin=584 kPa，hin=78 kJ/kg，qm=0.016 kg/s，當(dāng)qm未知時，設(shè)定出口過熱度分別為1，2，4，6，8，10，12，14，16，18；w n，o。=05%，間隔為1%；空氣進口狀態(tài). tdb，in=25，twb.in=25，vair=1.5 m/s.2潤滑油混入對蒸發(fā)器局部性能影響2.1 干度沿程分布 圖1所示為不同潤滑油循環(huán)量叫wn，o時，制冷劑干度x沿程變化情況，由圖

10、可見，隨著叫wn，o的增加，蒸發(fā)器出口x均逐漸降低，即出口液相組分增加，對于過熱情況，出口x<1，因為潤滑油中溶解了少量制冷劑，而這些未蒸發(fā)的制冷劑對蒸發(fā)器而言是一種冷量損失2.2 制冷劑溫度沿程分布 潤滑油的混入一方面使壓降增大，從而使蒸發(fā)溫度降低；另一方面，引起含油制冷劑的泡點溫度升高，從而使蒸發(fā)溫度升高，圖2給出了含油制冷劑泡點溫度tr,o在蒸發(fā)器內(nèi)的沿程變化情況，由圖可見，隨著叫wn，o的增加，沿換熱管長度方向出現(xiàn)t r，o突躍的位置后移，同時在高w n，o。區(qū)制冷劑的蒸發(fā)溫度下降，潤滑油的混入對壓降的影響較對泡點溫度的影響顯著，故隨著叫w n，o的增加，蒸發(fā)溫度反而降低2.3局

11、部換熱系數(shù)沿程分布圖3所示為蒸發(fā)器管內(nèi)局部對流換熱系數(shù)a的沿程變化情況，由圖可見，在蒸發(fā)器進口處，x約為0.10.3，此時潤滑油的存在會增強換熱，出現(xiàn)a隨wn，o的增加而增加的現(xiàn)象但隨著含油制冷劑的氣化，在L約153/5處，即x為0.30.9時，此時 (a)出口過熱 (b)出口兩相 圖1制冷劑蒸汽干度在蒸發(fā)器內(nèi)的沿程分布 Fig.1 Quality distribution of refrigerant-oil mixture along evaporator equivalent length (a)出口過熱 (b)出口兩相 圖2含油制冷劑泡點溫度沿程變化Fig.2 Temperature

12、distribution of refrigerant-oil mixture along evaporator equivalent length (a)出口過熱 (b)出口兩相 圖3局部換熱系數(shù)在蒸發(fā)器內(nèi)的沿程變化Fig.3 Heat transfer coefficient distribution of refrigerant-oil mixture along evaporator equivalent length局部wn，o增加，油膜產(chǎn)生的傳熱阻力增加，局部a隨wn，o的增加而下降，這種現(xiàn)象當(dāng)出口兩相時表現(xiàn)更為明顯，對于出口過熱情況，x>0.9時，a再次隨wn，o的增加而略

13、有增大，因為此時隨著wn，o的增加，潤滑油中溶解的制冷劑增加，隨著過熱度的進一步增大，溶解于潤滑油中的制冷劑開始蒸發(fā)，從而使a略有增大，蒸干點向蒸發(fā)器出口方向偏移2.4局部換熱量沿程分布圖4所示為蒸發(fā)器局部換熱量Qsec沿程變化情況，管外側(cè)狀態(tài)相同時，Qsec的大小只與管內(nèi)側(cè)a和管內(nèi)外側(cè)換熱溫差有關(guān)，兩個因素影響管內(nèi)外換熱溫差：含油制冷劑的泡點溫度升高，從而使管內(nèi)外換熱溫差減小，對即定換熱面積和換熱速率的換熱器產(chǎn)生不利影響；阻力損失增加使蒸發(fā)溫度降低，從而使管內(nèi)外側(cè)的換熱溫差增大，兩者均隨著wn，o的增加，影響將更加顯著，最終Qsec的變化取決于兩者的綜合作用 (a)出口過熱 (b)出口兩相

14、圖4局部換熱量沿程變化Fig.4 Heat exchange distribution of refrigerant-oil mixture alone evaporator equivalent length 圖4(a)表明，兩相區(qū)Qsec與a的沿程變化相似，對于兩相區(qū)與過熱區(qū)過渡部分，局部Qsec隨wn，o的增加而略有增加，由此可見，對含油制冷劑在翅片管式換熱器的換熱情況，主要影響因素是蒸發(fā)壓力降低引起的泡點溫度的降低，從而使換熱溫差加大，有助于蒸發(fā)器Qsec的增加但付出的代價是壓縮機吸氣壓力的降低，對系統(tǒng)而言是不利影響，盡管空氣側(cè)的a要遠遠低于制冷劑側(cè)a，但管外側(cè)加肋強化后，內(nèi)側(cè)熱阻占整

15、體熱阻的30%以上，因此含油制冷劑管內(nèi)側(cè)的局部a的變化也會顯著影響Q sec的變化。 由圖4(b)可見，在蒸發(fā)器進口附近，潤滑油的存在會增加Qsec，但隨著蒸發(fā)過程的進行，z越來越大，wn，o的增加使Qsec降低因為在低x區(qū)，潤滑油的存在對壓降的影響不顯著，含油制冷劑的a降低及泡點溫度增加，從而使換熱溫差減小，Qsec降低2.5壓力沿程分布 圖5所示為蒸發(fā)壓力在蒸發(fā)器內(nèi)的沿程分布由圖可見，在低z區(qū)潤滑油的存在對壓降的影響不明顯但隨著制冷劑的蒸發(fā)，局部wn，o逐漸升高，粘滯阻力逐漸增加，壓降隨wn，o的增加而急劇增加，從而使出口壓力隨著wn，o的增加而降低，這正是造成蒸發(fā)溫度降低的主要原因2.6

16、蒸發(fā)器整體換熱性能變化 圖6所示為蒸發(fā)器換熱量Q隨出口過熱度tsh的變化情況，由圖可見，當(dāng)tsb較低時，隨著tsh的增加，Q略微增大，在tsh4達到峰值；然后，隨tsh的增加而降低，因為當(dāng)tsh太低時，潤滑油中溶解的制冷劑量較大，從而造成部分Q損失，潤滑油的混入所導(dǎo)致的換熱器性能的衰減可用衰減因子定量表示，衰減因子為含油制冷劑與無油制冷劑換熱量的比值： (4)圖7所示為蒸發(fā)器性能衰減因子Ro隨tsh的變化規(guī)律，當(dāng)tsh較低時，潤滑油混入使蒸發(fā)器換熱惡化，當(dāng)Wn，o=5%時，最大可衰減15%以上，但隨著tsh的增加，RQ略有減小，但也可達10%以上上述結(jié)果表明：模型預(yù)測值與文獻7的實驗結(jié)果在趨勢

17、上較為吻合，但由于換熱器對象、制冷劑一潤滑油工質(zhì)對以及運行工況不同，預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)與實驗值有較大偏差。(a) 出口過熱 (b)出口兩相 圖5蒸發(fā)壓力沿程變化Fig.5 Pressure distribution of refrigeration-oil mixture along evaporator equivalent length 圖6蒸發(fā)器換熱性能隨出口過熱度的變化Fig.6 Evaporator capacity changing with outlet superheat圖7蒸發(fā)器換熱性能衰減因子隨出口過熱度的變化 Fig.7 Penalty factor changing with

18、 superheat3 結(jié) 論(1)潤滑油對換熱器性能影響可歸結(jié)為潤滑油的混入影響口、壓降、管內(nèi)外換熱溫差以及潤滑油中制冷劑殘留(2)局部口和局部壓力的沿程分布表明，潤滑油對口和壓降的影響是影響蒸發(fā)器整體性能的決定因素，當(dāng)wn，o=3%時，蒸發(fā)器制冷量約衰減5%左右，但當(dāng)wn，o=5%時，蒸發(fā)器制冷量的衰減超過10%(3)控制進入蒸發(fā)器中的潤滑油循環(huán)量低于3%是非常必要的，對于類似R22/NM56部分互溶的工質(zhì)，需采用有效措施防止?jié)櫥驮谡舭l(fā)器內(nèi)的積聚，參考文獻：1 Schlager L M, Pate M B, Bergles A E.Heat transfer and pressure d

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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，丁國良，王凱建，等含油制冷劑在小管徑換熱管內(nèi)流動沸騰換熱關(guān)聯(lián)式研究J上海交通大學(xué)學(xué)報，2007，41(3)：404 - 410. WEI Wen-j

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