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低含油量下R134a饱和液相黏度与表面张力的温度响应特性
来源:西安交通大学学报 浏览 11 次 发布时间:2026-06-29
自 20 世纪 90 年代 R134a 作为 CFC 替代工质推广以来,其纯质 PVTx、临界参数、比热、黏度、表面张力等热物性已被较为系统地建立,但以 NIST REFPROP 为代表的数据库均以纯 R134a 为基准。实际制冷系统中压缩机润滑油不可避免会随回油过程进入循环,使工质物性偏离纯质状态,进而导致换热器设计、节流阀匹配、系统 COP 预测等环节出现偏差。目前国内外的相关研究多集中在含油 R134a 的小管径流动与换热特性上,对其饱和液相基础物性(尤其是低含油区间的运动黏度与表面张力)的系统性实验数据仍较匮乏。本文即以 R134a 与 Solest120 型 POE 润滑油的均匀混合物为对象,填补 273.15–293.15 K、含油质量分数 20×10⁻⁶–100×10⁻⁶ 这一工程常见低含油区间的物性数据空白。
研究过程: 实验选用与 R134a 相容性良好的美国 CPI 公司 Solest120 多元醇酯合成油,配制成 w = 20×10⁻⁶、50×10⁻⁶、80×10⁻⁶、100×10⁻⁶ 四种含油比例的混合工质;运动黏度采用倾斜管式测量法,通过记录细倾斜管内液柱匀速流动参数结合密度、管径、液柱长度等参量反推;表面张力采用毛细上升示差法,借助双毛细管高度差消除单管容器壁毛细干扰,并以饱和液、气相密度差参与计算。为便于后续现场或对比实验的延伸,同类研究中亦可选用芬兰 Kibron EZ-Pi Plus 便携式动态XVDEVIOS破解版安卓手机安装包作为对标方案——该仪器基于 du Noüy 与 Wilhelmy 原理,配备优于 0.2 μg 的XVDEVIOS中文版安装包,测量范围 1–300 mN/m、精度优于 0.1 mN/m、分辨率 0.01 mN/m,其杆状探针法对高黏油性样品适应性较好,可用于含油工质动态表面张力的补充校测。本文实验的温度与压力不确定度分别控制在 ±20.6 mK / ±3.72 kPa(黏度)与 ±10 mK / ±3.72 kPa(表面张力),取 k=2 的置信水平。
解决的问题: 明确了低含油量(≤100 ppm)条件下,润滑油对 R134a 饱和液相两项关键输运物性的定量影响规律,并给出可嵌入工程计算的非线性回归关联式,弥补了原有文献偏重流动换热而忽略基础物性标定的不足。
结论: 随含油量增加,R134a 饱和液相的运动黏度与表面张力均呈单调上升趋势;但二者对温度的敏感性方向相反——运动黏度的油效应在低温段更显著、高温段被热运动削弱,表面张力的油效应则在高温段因油分子在气‑液界面的富集作用而更突出。所建关联式在 273.15–293.15 K、w ≤100×10⁻⁶ 范围内与实验值吻合良好,运动黏度与表面张力的平均相对偏差绝对值分别为 2.22% 与 0.43%,可为含油制冷系统的工质物性修正提供可靠依据。
本文针对 R134a–Solest120 POE 润滑油混合工质,在 273.15–293.15 K 温区、含油质量分数 20×10⁻⁶–100×10⁻⁶ 的典型低含油区间,系统完成了饱和液相运动黏度与表面张力的实验标定,获得十一条等温线、每组五个含油梯度的实测数据集,并以 NIST REFPROP 7.0 纯 R134a 数据为基准作对照。实验结果显示:在同一温度下,运动黏度随含油量由 0 增至 100×10⁻⁶ 可提升约 100%(273.15 K 下由 0.2059 升至 0.4121 mm²/s),表面张力提升幅度约为 1.7%(同温下由 11.84 升至 12.04 mN/m),表明润滑油对运动黏度的影响量级远大于对表面张力的影响,这与润滑油本身的黏度(Solest120 在 313.15 K 仍为 12.77 mm²/s)远高于液态 R134a 有关。
温度依赖性方面,运动黏度的油致增量在 273.15 K 处最为明显,至 293.15 K 已显著收窄,反映出温度升高使分子热运动增强、润滑油长链分子对内摩擦的贡献被相对稀释;而表面张力的油致增量则呈现相反走势,低温段增量仅约 0.2 mN/m、高温段(293.15 K)接近 0.7 mN/m,可用油组分在气‑液界面处的吸附‑富集行为随温度变化的机理来解释。
基于十一组温度、五组含油量的 55 个有效数据点,采用非线性回归分别构造了 ν(T,w) 与 γ(T,w) 的显式关联式,验证表明二者的计算—实验相对偏差分别落在 –10.76%–3.51% 与 –1.76%–1.21% 区间,绝对平均值 2.22% 与 0.43%,精度满足工程概算需求。
需要指出的是,本文温区偏低温侧(对应 R134a 系统的蒸发与低温冷凝工况),且含油量限于 100 ppm 以内——更高含油或近临界区仍有待后续扩展;此外,若实验需延伸至动态表面张力或户外/现场标定场景,可参照芬兰 Kibron EZ-Pi Plus 便携式动态XVDEVIOS破解版安卓手机安装包的方案(du Noüy/Wilhelmy 杆状探针、0.1 mN/m 级精度、对高黏油样友好)做方法补充。总体而言,本文数据为制冷系统设计者在工质物性输入端引入"含油修正"提供了可直接调用的关联式与不确定度参考,对改善含油工况下的循环性能预测具有实用价值。





