R600a_矿物油的黏度和密度_孟现阳

第62卷 第6期 2011年6月 化 工 学 报

CIESC Journal Vo l 162 N o 16

June 2011

化工数据

R600a/矿物油的黏度和密度

孟现阳, 张建波, 吴江涛

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 陕西西安710049)

摘要:利用振动弦黏度/密度实验测量系统对R600a/SU N ISO 3G S 矿物油混合物5种配比(R600a 质量分数为100%、95%、90%、85%、80%) 下的黏度和密度进行了实验研究, 温度范围为253~333K 。实验系统黏度和密度测量的不确定度分别为? 2%和? 012%, 温度测量的不确定度小于? 10mK 。在获得实验数据的基础上得到了黏度和密度的关联式。黏度实验数据与方程计算值的最大绝对偏差和平均绝对偏差分别为5173%和1175%, 密度实验数据与方程计算值的最大绝对偏差和平均绝对偏差分别为0123%和0107%。为实际制冷系统的优化设计提供了更为可靠的热物性数据。

关键词:密度; R600a; 混合物; 振动弦; 黏度D OI :1013969/1j issn 10438-[**************]1

中图分类号:T K 123; O 621124 文献标志码:A

文章编号:0438-1157(2011) 06-1481-06

Viscosity an d den sity of R 600a/min eral oil

ME NG Xianyang, ZH AN G Jian bo, WU Jiangtao

(State K ey L aborator y of M ultip hase Flow in Pow er Engineer ing , X i . an J iaotong Univer sity , X i . an 710049, S haanx i , China )

Abstract :T he refrigerant and o il m ixture is know n as real w orking fluid in a v apor -com pression refrig eration system 1H o wever, in the desig n of a refrigeration system o nly the thermo physical pro perties of pure refr ig er ants are co nsidered, and the effect of the presence o f compressor oil is no t taken into acco unt 1In or der to optim ize the refrig eration sy stem, ther mophy sical properties of refrig erant and oil mixture are requir ed 1Fo r this pur pose, the viscosity and density for solutio ns of natural refr ig er ant isobutane (R600a) w ith com mercial mineral com pr essor oil SU NISO 3GS w ere m easured at fiv e nominal mass fractions of w (R600a) =100%, 95%, 90%, 85%, and 80%ov er the temper ature range from 253K to 333K 1T he tw o pr operties w ere m easured sim ultaneo usly using a vibrating -w ire instrum ent operated in the forced mo de of oscillatio n 1T he temperature uncertainty w as estimated to be w ithin ? 10m K 1The overall uncertainties o f these results are ? 210%in v isco sity and ? 012%in density 1The viscosity data w ere corr elated w ith an empirical approach based on the classical Eyring equation 1The measurements of density w ere correlated w ith a po lynomial as a function of temper ature 1The maxim um and the average absolute dev iations o f the viscosity measur em ents from the corr elation ar e 5173%and 1175%respectively 1With regard to density, the max im um and the average absolute deviations of the results from

2010-07-13收到初稿, 2011-03-22收到修改稿。

联系人:吴江涛。第一作者:孟现阳(1978) ) , 男, 讲师。基金项目:国家自然科学基金项目(51006082) ; 高等学校博士学科点专项科研基金项目([1**********]008) 。

Received date :2010-07-131

Correspon ding auth or :Pr of 1WU Jian gtao, jtw u @m ail 1x jtu 1edu 1cn

Foun dation item :su pported b y the National Natural Science Foundation of Chin a (51006082) and the Specialized Resear ch Fun d for the Doctoral Program of H igher Edu cation of China (20090201-110008) .

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化 工 学 报 第62卷

the correlatio n ar e 0123%and 0107%r espectively 1Co mparisons w ith the r esults from the literature are presented 1

Key words :density; R600a; mixture; vibrating -w ir e; viscosity

0) , 阻尼项、惯性项、刚性项。阻尼项为(B c +2$

$0表示振动丝的内部阻尼系数; 惯性项为(1+

引 言

R600a (异丁烷) 是一种饱和碳氢化合物类制冷剂, 广泛应用于冰箱行业。作为一种绿色制冷剂, 其ODP (r elative ozo ne depletio n po tential) 和GW P (r elative g lobal w arm ing potential) 值均为0, 环保性能非常好。除此之外, R600a 成本低, 经济性好, 具有较高的制冷效率, 是一种理想的冰箱替代制冷剂。在实际的制冷系统中, 制冷剂与相应的压缩机润滑油共同使用, 一起参与制冷循环。基于纯制冷剂热物性数据进行的系统优化设计与实际情况存在一定的偏差, 因此开展制冷剂/润滑油混合物的热物性研究是非常有必要的。目前在制冷系统中使用的润滑油主要有5类:矿物油、PAO (聚A -烯烃) 、烷基苯、POE (脂类) 、PA G (聚二醇类) 。与自然工质R600a 匹配的冷冻油为矿物油, 但其对油品的低温性能要求较高, 通常选择深度精制的窄馏分环烷基型矿物油。SU NISO GS 系列润滑油是环烷基原油经过特殊的处理方法精制而成的, 具有优越的润滑性、化学稳定性、低温特性以及与冷媒的相容性, 因此在多种制冷系统和压缩机中广泛适用。鉴于R600a 在冰箱行业的广泛应用, 本文开展了R600a/润滑油混合物黏度和密度的实验研究。

B ) , 刚性项隐含在自然频率X 0中。流体的黏度和密度隐含在B 和B c 中, 其表达式参考文献[2]。将式(1) 改写成u =ue i(X t -U ) 形式, 则幅值和相位的表达式如下

u =

21/2

m s {X (B c +2$0) +[X (1+B ) -X 20/X ]}

2

2

(2) (3)

U =tan -1

X 2(1+B ) -X 20

2(B c +2$0)

通过测量振动弦在流体中的共振曲线, 并拟合

成上述工作方程就可得到流体的黏度和密度。112 实验系统

本文采用的振动弦黏度/密度实验系统包括实验装置本体、数据采集系统、恒温槽及温度测量系统和真空系统及相应管路4部分[6]。实验装置结构如图1所示。振动弦选用钨丝, 长度约为55mm, 半径是0105mm 。重物采用铝, 磁场由钐钴永久磁铁(Sm 2Co17) 产生, 磁感应强度为013T , 压力容器采用1Cr18N i9Ti 不锈钢材料。系统的标定和检验步骤参考文献[6], 综合各种因素, 实验装置测量密度和黏度的不确定度分别为? 012%和? 210%。

数据采集系统由锁相放大器、信号发生器、采集软件等组成。正交电流由信号发生器Ag ilent 33220A (Ag lient T echno logies) 提供正弦驱动信号和参考信号, 振动弦在磁场中产生的感应信号由SR830(Stanfo rd Resear ch System) 数字锁相放大器进行检测, 信号采集系统如图1所示。

测量过程中恒温环境由美国Fluke 7037型恒温槽提供, 恒温槽的控温范围是-40~110e , 恒温介质为二甲基硅油, 稳定性和均匀性小于? 2m K, 温度测量不确定度为? 10m K, 实验系统及相应配套管路如图2所示[7-8]。

1 实验方法

111 测量原理

振动弦黏度/密度计的原理是一根圆形截面无限长金属丝在黏性流体中, 做垂直于轴向的横向振动, 根据流体对振动的阻尼作用就可以得到流体的黏度。有关振动弦法测量黏度和密度的基本原理在文献[1-5]给出了详细的描述, 在此不再赘述, 仅给出工作方程。

u =

5y F(z ) e i X t

=m s [X (B c +2$0) +i X (1+B ) +X 20/i X ]

(1)

2 实验结果与分析

211 实验结果

本文测量了5种配比(R600a 质量分数) , 式中 y 是振动弦的横向位移, m s 是单位长度上丝的质量, F (z ) 表示丝单位长度上所受到的驱动

第6期 孟现阳等:R600a/矿物油的黏度和密度

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图3 样品配制示意图Fig 13 Diag ram o f sample pr epar ing

日本岛津BW4200H 天平进行称量, 测量精度为0101g, 由于配液质量一般在300g 左右, 因此混合物配比误差可忽略不计。实验测量得到的R600a/润滑油混合物黏度和密度数据如表2所示。

表1 SUN ISO 3GS 矿物油主要性质Table 1 Properties of SU N ISO 3GS

Property

den sity(15e ) colou r AS TM kin ematic viscosity flas h point collaps e point acid n umber

T est con dition ASTM D 1250ASTM D 1500ASTM D 445ASTM D 92ASTM D 97ASTM D 974

Test result 01909g #m -3

L015

2915m m 2#s -1(40e ) 4131mm 2#s -1(100e )

178e -40e 0101mg KOH #g -1

212 数据拟合与关联

为了便于工程实际运用, 将R600a/润滑油混合物黏度实验数据拟合成温度和质量分数的关联

为253115~333115K 混合物的黏度和密度。在进行实验测量之前, 需要配制不同比例的试剂, 采用称重和液氮收集的方法进行制备。首先采用如图3所示的液氮冷冻方法收集R600a, 按照质量分数精确控制R600a 质量, 在液氮冷却的情况下抽真空, 除去试剂瓶中的不凝结气体和杂质, 从而保证了试剂的纯度; 然后在另外一个试剂瓶中加入一定量的润滑油, 并连接到真空管路抽真空, 在液氮冷却的情况下将称量好的R600a 全部收集到试剂瓶中, 待恢复到室温后, 振荡试剂瓶, 使R600a 与润滑油混合均匀; 最后将制备好的样品在低温下全部注入实验装置, 进行测量。R600a 由浙江蓝天环保高科技股份有限公司生产, 纯度为9919%。润滑油为日本SUN OIL 公司生产的矿物油, 型号为

SU 式。本文采用了Krisnangkur a 等其形式如下

ln G =a +bn 1+

[9]

提出的方程,

(4)

c n +d 1T T

式中 G 为黏度, mPa #s; T 为温度, K; n 1为

R600a 的质量分数; a 、b 、c 、d 为参数。拟合得到的系数如表3所示, 拟合得到的黏度与温度的关系曲线及实验点如图4所示。

将密度实验数据拟合成多项式形式的关联式

Q =A 0+A 1T +A 2T 2+A 3T 3

-3

(5)

式中 Q 为密度, kg #m ; A 0、A 1、A 2、A 3均为参数。拟合得到的系数如表4所示, 拟合得到的密度与温度的关系曲线及实验点如图4所示。本文将获得的纯质R600a (w R =100%) 实验数据与文献值和REFPROP 的计算值分别进行了[10]

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化 工 学 报

表4 密度拟合系数Table 4 Coefficients of Eq 1(7)

w R /%

Q /k g #m -[***********]1934

[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]

[1**********]

A [***********][***********]573317957

A 1-3142409-13158985-4185207-[1**********]428

A [***********][1**********]-0100264

第62卷

表2 R 600a/SU NISO 3GS 混合物黏度和密度实验数据Table 2 Experim ental data of density and viscosity

of R 600a/SU N ISO 3GS

w R /%100

T /K [***********]

[***********][***********]

95

[***********][***********][***********]

90

[***********][***********][***********]

85

[***********][***********][***********]

80

[***********][***********][***********]

G /mPa #s [***********]

[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]

A 3

-1144217@10--5144268@10--2104006@10--2165623@10-81678261@10-[11]

55557

偏差分别为0187%和0172%。M iyamoto 等、

Kayukaw a 等[12]及Glos 等[13]分别对R600a 的饱和密度进行了实验测量, 将密度实验数据与文献数据在本文实验温度范围内进行了对比, 平均绝对偏差分别为0126%、0126%、0124%。密度与REF -PROP 计算值的平均绝对偏差为0125%。上述结果表明了实验系统的可靠性较好。黏度的实验数据与式(4) 拟合值最大绝对偏差为5173%, 平均绝对偏差为1175%; 密度的实验数据与式(5) 拟合值最大绝对偏差为0123%, 平均绝对偏差为0107%。实验数据与关联式符合较好, 可以满足工程应用的需求。黏度、密度实验数据与方程计算值的偏差如图5所示, 大部分点的偏差分别在? 2%、? 012%以内。含氯氟烃类制冷剂与油的混合物的热物性研究已经很多, 但是对于R600a/润滑油混合物的相关研究数据依然很缺乏, Marcelino 等测量了R600a 与脂类油的溶解性、密度和黏度等,

[15]

[14]

Spauschus 等测量了R600a 与矿物油的混合物(30~100e ) 的黏度及溶解度, Randles 等[16]开展了R600a 在矿物油中溶解度的研究, Zhelezny 等测量了R600a/Azmol 矿物油混合物的密度、溶解度及毛细常数等。不同作者采用的润滑油厂家和型号不同, 所对应的润滑油性质就有所差别, 因此很难对文献数据和本文数据进行定量比较, 这也是目前制冷剂/润滑油混合物热物性研究中存在的困难。

[17]

3 结 论

本文利用振动弦黏度/密度计对R600a/SU NI -SO 3GS 矿物油混合物(温度范围253115~333115K) 的黏度和密度进行了实验研究, 并将实验数据分别拟合成了相应的计算关联式。结果表明, 黏度实验数据与关联式计算结果的最大绝对偏差为5173%, 平均绝对偏差为1175%; 密度实验数据

表3 黏度拟合系数Table 3 Coefficients of Eq 1(6)

a b c d

与关联式计算结果的最大绝对偏差为0123%, 平

第6期 孟现阳等:R600a/矿物油的黏度和密度

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机润滑油对实际制冷循环性能影响的理论分析。

符 号 说 明

F ) ) ) 受迫振动中的驱动力, N

M ) ) ) 摩尔质量, kg #mo l -1

m s ) ) ) 单位长度振动弦质量, kg #m -1R ) ) ) 振动弦半径, m T ) ) ) 温度, K t ) ) ) 时间, s

u , u ) ) ) 振动弦的运动速度, m #s -1

y ) ) ) 振动弦位移, m z ) ) ) 沿振动弦方向坐标轴B ) ) ) 惯性项函数B c ) ) ) 阻尼项函数$0) ) ) 内部阻尼系数U ) ) ) 相位, rad G ) ) ) 黏度, Pa #s Q ) ) ) 流体的密度, kg #m X ) , -1

3

3

X 0) ) ) 自然角频率, r ad #s -1

下角标

s ) ) ) 振动丝w ) ) ) 重物

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