热泵系统中R134a/润滑油流型的可视化研究

巨福军，任鹏翔，范晓伟，宋昊展，周晓磊，张清志，冯臻博

（1.中原工学院 能源与环境学院，郑州 450007；2.郑州大学 土木工程学院，郑州 450001）

0 引言

在蒸气压缩式循环系统中，润滑油被用于压缩机中运动部件的润滑和冷却降温，压缩过程中气态制冷剂泄漏的密封、降噪、减震和减缓材料腐蚀，其保证了压缩机的高效可靠运行［1-2］。因此润滑油在蒸气压缩式热泵系统中是不可或缺的。制冷剂/润滑油在蒸气压缩式热泵系统中进行循环流动，在蒸发器出口（压缩机吸气口）的状态会直接影响热泵系统的循环性能与运行安全。同时，蒸发过程中制冷剂/润滑油的流型与其热力状态（干度、过热度等）存在着密切关联。

国内外学者针对蒸发过程中制冷剂/润滑油的两相流流型开展了一系列研究。SOMCHAI等［3］试验比较了水平光滑管内R134a和R134a/润滑油在不同干度下的两相流流型，结果发现，与纯R134a相比，R134a/润滑油的流型更复杂，且其出现了泡状流流型。SAISORN等［4］试验研究了水平圆形管道中R134a沸腾传热的流型和传热特性，结果显示，随着干度的变化，R134a的流型为塞状流、喉环流、搅拌流、环状流和环溪流，并给出了不同流型下的换热系数数据。KEEPAILBOON等［5］试验分析了R134a在水平矩形微通道内的流动和传热特性，结果表明，随着干度的变化，R134a出现了泡状流、泡/弹状流、弹状流、喉/环状流、搅拌流和环形流6种流型，且热通量、质量通量和饱和温度均会显著影响流型的变化；流型对换热性能具有显著影响。DANG等［6］试验研究了 R134a/R245fa（10/90、30/70 和70/30）、R134a和R245fa在水平矩形微通道内的流动沸腾特性，结果表明，随着干度的变化，5种制冷剂均会出现泡状流、受限泡状流、段塞流、搅拌环空流和环空流5种流型。杨丽辉等［7］基于变频制冷系统实验研究发现R22/润滑油在蒸发器出口水平管内的流型随着过热度的升高依次出现“油渍”蠕动、“油膜”线状流、“油膜”环状流和雾状湿蒸汽流4种流型，并分析了R22/润滑油流型对系统性能的影响。陶宏等［8］基于R22变频冷水机组研究发现膨胀阀出口和蒸发器出口水平管内的R22/润滑油均存在流型交替出现的过渡区，其会导致系统运行参数的振荡。李庆普等［9］试验研究了制冷系统中膨胀阀出口和蒸发器出口水平管内R22润滑油流型与系统性能的关系，并初步提出了一种基于流型判断系统运行状况的方法。

从上述文献可知，国内外学者主要针对蒸发过程中水平管内制冷剂/润滑油流型的变化及流型/过热度对制冷系统性能或传热性能的影响规律进行了试验研究，但是针对制冷剂/润滑油在热泵系统蒸发器出口不同方向的管内流型的对比研究尚未发现。因此，本文基于制冷剂/润滑油流型可视化试验系统研究了过热度对蒸发器出口的水平管和竖直管内R134a/润滑油的流型和热泵系统循环性能的影响规律，为热泵系统的高效安全运行提供必要的参考依据。

1 试验系统

1.1 试验装置

图1示出了制冷剂/润滑油流型可视化实验系统，主要包括水源热泵系统、数据采集系统和图像采集系统3部分。水源热泵系统主要由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、冷却水箱和加热水箱等组成；压缩机为2 hp旋转式R410A压缩机，其使用的润滑油为PVE冷冻机油；为达到对电子膨胀阀开度进行精确控制的目的，将电子膨胀阀与外接控制器连接以实现步长为1个脉冲数的手动调节；冷凝器和蒸发器均为板式换热器，其型号分别为FS50-16H-4.5-316L和FS50-14H-4.5-316L；冷却水箱和加热水箱可以分别提供试验所需温度的热水和热源。数据采集系统由T型热电偶、压力变送器、功率变送器、质量流量计和Keithley数据采集仪等组成，其中测量仪器的基本性能见表1。

图1 制冷剂/润滑油流型可视化试验系统流程Fig.1 Flow chart of experiment system for the flow pattern visualization of refrigerant/lubricating oil

表1 测量参数及相应仪器的基本性能Tab.1 Measuring parameters and basic performance of the corresponding instruments

热水和热源的流量均采用称重法获得。图像采集系统包括可视化装置（高清摄像机、光源、可视化管道）和计算机，其中可视化装置分别安装在蒸发器出口的水平和竖直位置，旨在对比分析不同放置方向管道内制冷剂/润滑油的流型变化；如图2所示，可视化管道是由石英管与铜管通过法兰连接，在石英管与铜管的连接处增加四氟垫保证气密性，其中石英管的外径为20 mm，壁厚为4 mm，管长为80 mm；摄像机为可拍摄1080p视频的高清摄像头，其分辨率和帧率分别为1 920×1 080和30帧；光源的亮度可通过改变输入电压进行调节；高清摄像机与光源位于石英管的两侧，在光源面上增加硫酸纸使光源变得柔和；计算机可实时采集制冷剂/润滑油流型的动态视频。

图2 可视化管道结构示意Fig.2 Structural diagram of visual pipeline

1.2 试验步骤

制定的试验步骤如下：

（1）启动数据采集系统，开始采集数据；

（2）启动图像采集系统，设置Amcap软件确保可以实时拍摄并进行保存；

（3）接通膨胀阀、质量流量计、压力变送器和光源等设备的电源，并开启加热水箱和冷却水箱以及水泵；

（4）开启压缩机，并设置加热水箱和冷却水箱的温度使其满足实验工况要求，同时调节阀门开度使热水和热源流量达到试验工况要求；

（5）按照试验要求调节膨胀阀开度；系统达到稳态15 min后，使用图像采集系统分别对水平和竖直可视化装置内的R134a/润滑油的流型视频进行采集和保存；

（6）改变试验工况或膨胀阀开度，重复步骤（3）～（5）；

（7）试验结束后，先关闭压缩机和图像采集系统，然后关闭加热水箱和冷却水箱及水泵，最后切断电子膨胀阀、质量流量计、压力变送器和光源等设备的电源。

1.3 数据处理及不确定度分析

Qh和COP分别由式（1）（2）计算获得。数据采集仪在采集压力、流量、功耗等时精度为0.11%，采集温度时精度为0.3 ℃。采用二次幂法［10］计算可得Qh和COP的不确定度分别为2.40%和2.93%。

式中 Qh——制热量，kW；

c ——水的比热容，kJ/（kg·K）；

mhw——热水流量，kg/s；

thwo——热水出口温度，℃；

thwi——热水进口温度，℃。

式中 COP ——热泵系统能效；

Wcom——压缩机功耗，kW。

2 试验结果与分析

根据 GB/T 19409-2013［11］设定了 3 组试验工况，见表2，并通过改变膨胀阀开度来研究过热度对水平管和竖直管内制冷剂/润滑油流型的影响，其中过热度是利用Refprop 9.1制冷剂物性软件计算获得的。本文主要对工况2下的R134a/润滑油流型与过热度的对应关系、流型成因以及系统循环性能进行了分析，同时研究了变工况下R134a/润滑油流型与过热度的对应关系。通过AMCAP软件获得蒸发器出口水平管和竖直管内R134a/润滑油流型的动态视频，然后使用MATLAB软件将其转换为图片进行展示和分析。

表2 3种试验工况对应的环境侧参数Tab.2 Environment side parameters corresponding to three experimental conditions

2.1 过热度对R134a/润滑油流型的影响

2.1.1 过热度对水平流型的影响

图3示出了工况2下热泵系统蒸发器出口水平管内R134a/润滑油流型随过热度的变化。由图可知，随着过热度的升高，水平管内R134a/润滑油依次出现了分层环状流、过渡状态、波纹环状流和不规则线状流4种流型。此时，R134a/润滑油在水平管内由右向左流动。

图3 R134a/润滑油水平流型随过热度的变化（工况2）Fig.3 Variation of horizontal flow pattern of R134a/Lubricating oil with the superheat（condition 2）

如图3（a）所示，在近0～0.2 ℃的过热度范围内，水平管内R134a/润滑油的流型为分层环状流；分层环状流的主要特征为油膜完全覆盖石英管且油膜无波纹，同时有较多液态混合物（润滑油和少量融入润滑油的液态R134a）聚集在管道底部虚线方框内颜色较深的区域贴壁流动。这主要归因于润滑油和制冷剂的质量流量较大且润滑油的黏度明显大于制冷剂，管芯主要面积被连续且流速较快的蒸汽流占据，同时液态混合物在重力的作用下在管道底部形成较厚的油膜。

由图 3（b）可知，在 0.2～1.6 ℃的过热度范围内，水平管内R134a/润滑油的流型为过渡状态，主要特征为分层环状流和波纹环状流周期性交替出现，其中分层环状流的管道底部聚集油膜厚度较薄，分层环状流向波纹环状流转变过程中，波纹状油膜由石英管出口端逐渐显现且向入口端延伸，反之波纹状油膜由入口端逐渐消失且向出口端延伸，在该过程中有波纹状油膜出现但波纹并不明显。过渡状态的出现主要是由蒸发器中完全蒸干点在蒸发器出口处随机波动引起的［12］。

由图 3（c）可见，在 1.6～8.4 ℃的过热度范围内，R134a/润滑油在水平管内出现波纹环状流；波纹环状流的主要特征为波纹状油膜完全覆盖石英管，且波纹纹路随着过热度的增加而逐渐清晰。在该过程中随着过热度的增加，润滑油和制冷剂的质量流量减小，但液态混合物中润滑油的比例逐渐增加，气态制冷剂携带润滑油流动的能力逐渐减弱，导致波纹状油膜纹路逐渐清晰［9］。

由图 3（d）可见，在8.4～15.5 ℃的过热度范围内，R134a/润滑油在水平管内的流型为不规则线状流；不规则线状流的主要特征为液态混合物在石英管内贴壁呈不规则线状流动（如虚线椭圆框内），同时有少量波纹状油膜沿管道底部不规则缓慢流动，石英管入口端油膜覆盖面积始终小于出口端；随着过热度的增加，油膜覆盖石英管面积逐渐减小。这主要是因为此时制冷剂和润滑油的质量流量均较小且处于高过热状态，大部分R134a为气态。

2.1.2 过热度对竖直流型的影响

图4示出了工况2下热泵系统蒸发器出口竖直管内R134a/润滑油流型随过热度的变化。由图可知，随着过热度的升高，竖直管内R134a/润滑油依次出现了环状流、波纹环状流和不规则线状流3种流型，此时，R134a/润滑油在竖直管内由下向上流动。

图4 R134a/润滑油竖直流型随过热度的变化（工况2）Fig.4 Variation of vertical horizontal flow pattern of R134a/Lubricating oil with the superheat（condition 2）

由图4（a）可见，在近0～2.7 ℃的过热度范围内，竖直管内R134a/润滑油的流型为环状流；其主要特征为油膜完全覆盖石英管，同时有较多液态混合物贴壁流动且无波纹出现。

如图 4（b）所示，在 2.7～10.2 ℃的过热度范围内，R134a/润滑油在竖直管内的流型为波纹环状流。波纹环状流的主要特征为波纹状油膜完全覆盖石英管，波纹状纹路随着过热度的增加而逐渐清晰，其主要归因于气态制冷剂携带润滑油流动的能力随着过热度的增加而减弱［9］。

由图 4（c）可知，在 10.2～15.5 ℃的过热度范围内，竖直管内R134a/润滑油的流型为不规则线状流，主要特征为液态混合物在石英管内贴壁呈不规则线状流动，同时有少量液态混合物沿石英管右壁缓慢流动，石英管入口端油膜覆盖面积始终小于出口端；随着过热度的增加，油膜覆盖石英管的面积会逐渐减小。

2.1.3 变工况下流型对应的过热度范围

由表3可知，随着过热度的升高，3种试验工况下，R134a/润滑油的水平流型均依次为分层环状流、过渡状态、波纹环状流和不规则线状流；除分层环状流外，不同工况下同一R134a/润滑油水平流型对应的过热度范围均存在显著差异。为了便于表述，将2个流型转变时对应的过热度定义为流型转变过热度。从表可知，工况2下第1、第2和第3水平流型转变过热度分别为0.2，1.6，8.4 ℃，第2和第3水平流型转变过热度均随着热源进口温度的升高而升高。

表3 不同工况下水平流型对应的过热度范围Tab.3 The superheat ranges corresponding to the horizontal flow pattern under different working conditions ℃

不同工况下竖直管内R134a/润滑油流型所对应的过热度范围见表4。由表可知，3种试验工况，竖直管内的R134a/润滑油随着过热度的升高均依次出现环状流、波纹环状流和不规则线状流3种流型。不同工况下，同一R134a/润滑油竖直流型对应的过热度范围存在明显差异；工况2下第1和第2竖直流型转变过热度分别为2.7，10.2 ℃；第1和第2竖直流型转变过热度均随着热源进口温度的升高而升高。

表4 不同工况下竖直流型对应的过热度范围Tab.4 The superheat ranges corresponding to the vertical horizontal flow pattern under different working conditions ℃

在同一工况下，R134a/润滑油的水平流型和竖直流型及其对应的过热度范围均存在显著差异。这主要归因于气态制冷剂推动力、重力和黏滞力等作用力在不同方向上的合力发生了明显改变。

2.2 系统循环性能参数分析

图5示出了工况2下R134a热泵系统的COP和制热量随着过热度的变化规律。由图可知，随着过热度的增加，COP先略微增加再缓慢减小，最后急剧下降，而制热量则出现先稍微升高后急剧降低的趋势；在0.2～1.6 ℃的过热度范围内（过渡状态），R134a系统可获得较大的COP和制热量，并在第一水平流型转变过热度处获得最大COP为5.348和制热量为4.386 kW；在近0～0.2 ℃的过热度范围内（分层环状流），蒸发器出口过热蒸气带有少量液滴进入压缩机造成轻微“液击”，而且该现象随着过热度增加会逐渐消失，相应的使COP和制热量均会稍微上升；在过热度为0.2～1.6 ℃的范围内，R134a系统会出现振荡现象，而且在过渡状态下蒸发器中两相区换热面积会随着过热度的增加而逐渐减小，相应的导致COP和制热量均会减小；在过热度1.6～15.5 ℃的范围内（波纹环状流和不规则线状流），蒸发器中制冷剂/润滑油的质量流量会随着开度增加而逐渐减小，且在该范围内调节膨胀阀开度对应的过热度变化较大，因此COP和制热量均急剧下降。

图5 COP和Qh随过热度的变化（工况2）Fig.5 Variation of COP and Qh with the superheat（condition 2）

3 结论

（1）当过热度由近0 ℃升高至15 ℃左右时，3种工况下R134a/润滑油在水平管内均会依次出现分层环状流、过渡状态、波纹环状流和不规则线状流4种流型，而其在竖直管内则均会依次出现环状流、波纹环状流和不规则线状流3种流型。

（2）除分层环状流外，3种工况下水平管和竖直管内同一R134a/润滑油流型均对应着迥异的过热度范围，且当热源进口温度由15 ℃升高至25 ℃时，除第一水平流型转变过热度外，所有流型转变过热度均呈现升高的趋势。

（3）工况2下过热度对系统COP和制热量均有明显影响，且在过渡状态下系统可获得较大的COP和制热量，并在第一水平流型转变过热度为0.2 ℃处获得最大COP为5.348和最大制热量为4.386 kW。