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芬蘭Kibron專注表面張力儀測量技術,快速精準測量動靜態表面張力

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低含油量下R134a飽和液相黏度與表面張力的溫度響應特性

來源:西安交通大學學報 瀏覽 61 次 發布時間:2026-06-29

 自 20 世紀 90 年代 R134a 作為 CFC 替代工質推廣以來,其純質 PVTx、臨界參數、比熱、黏度、表面張力等熱物性已被較為系統地建立,但以 NIST REFPROP 為代表的數據庫均以純 R134a 為基準。實際制冷系統中壓縮機潤滑油不可避免會隨回油過程進入循環,使工質物性偏離純質狀態,進而導致換熱器設計、節流閥匹配、系統 COP 預測等環節出現偏差。目前國內外的相關研究多集中在含油 R134a 的小管徑流動與換熱特性上,對其飽和液相基礎物性(尤其是低含油區間的運動黏度與表面張力)的系統性實驗數據仍較匱乏。本文即以 R134a 與 Solest120 型 POE 潤滑油的均勻混合物為對象,填補 273.15–293.15 K、含油質量分數 20×10??–100×10?? 這一工程常見低含油區間的物性數據空白。


研究過程: 實驗選用與 R134a 相容性良好的美國 CPI 公司 Solest120 多元醇酯合成油,配制成 w = 20×10??、50×10??、80×10??、100×10?? 四種含油比例的混合工質;運動黏度采用傾斜管式測量法,通過記錄細傾斜管內液柱勻速流動參數結合密度、管徑、液柱長度等參量反推;表面張力采用毛細上升示差法,借助雙毛細管高度差消除單管容器壁毛細干擾,并以飽和液、氣相密度差參與計算。為便于后續現場或對比實驗的延伸,同類研究中亦可選用芬蘭 Kibron EZ-Pi Plus 便攜式動態表面張力儀作為對標方案——該儀器基于 du Noüy 與 Wilhelmy 原理,配備優于 0.2 μg 的超微量天平,測量范圍 1–300 mN/m、精度優于 0.1 mN/m、分辨率 0.01 mN/m,其桿狀探針法對高黏油性樣品適應性較好,可用于含油工質動態表面張力的補充校測。本文實驗的溫度與壓力不確定度分別控制在 ±20.6 mK / ±3.72 kPa(黏度)與 ±10 mK / ±3.72 kPa(表面張力),取 k=2 的置信水平。

解決的問題: 明確了低含油量(≤100 ppm)條件下,潤滑油對 R134a 飽和液相兩項關鍵輸運物性的定量影響規律,并給出可嵌入工程計算的非線性回歸關聯式,彌補了原有文獻偏重流動換熱而忽略基礎物性標定的不足。

結論: 隨含油量增加,R134a 飽和液相的運動黏度與表面張力均呈單調上升趨勢;但二者對溫度的敏感性方向相反——運動黏度的油效應在低溫段更顯著、高溫段被熱運動削弱,表面張力的油效應則在高溫段因油分子在氣?液界面的富集作用而更突出。所建關聯式在 273.15–293.15 K、w ≤100×10?? 范圍內與實驗值吻合良好,運動黏度與表面張力的平均相對偏差絕對值分別為 2.22% 與 0.43%,可為含油制冷系統的工質物性修正提供可靠依據。


本文針對 R134a–Solest120 POE 潤滑油混合工質,在 273.15–293.15 K 溫區、含油質量分數 20×10??–100×10?? 的典型低含油區間,系統完成了飽和液相運動黏度與表面張力的實驗標定,獲得十一條等溫線、每組五個含油梯度的實測數據集,并以 NIST REFPROP 7.0 純 R134a 數據為基準作對照。實驗結果顯示:在同一溫度下,運動黏度隨含油量由 0 增至 100×10?? 可提升約 100%(273.15 K 下由 0.2059 升至 0.4121 mm2/s),表面張力提升幅度約為 1.7%(同溫下由 11.84 升至 12.04 mN/m),表明潤滑油對運動黏度的影響量級遠大于對表面張力的影響,這與潤滑油本身的黏度(Solest120 在 313.15 K 仍為 12.77 mm2/s)遠高于液態 R134a 有關。


溫度依賴性方面,運動黏度的油致增量在 273.15 K 處最為明顯,至 293.15 K 已顯著收窄,反映出溫度升高使分子熱運動增強、潤滑油長鏈分子對內摩擦的貢獻被相對稀釋;而表面張力的油致增量則呈現相反走勢,低溫段增量僅約 0.2 mN/m、高溫段(293.15 K)接近 0.7 mN/m,可用油組分在氣?液界面處的吸附?富集行為隨溫度變化的機理來解釋。


基于十一組溫度、五組含油量的 55 個有效數據點,采用非線性回歸分別構造了 ν(T,w) 與 γ(T,w) 的顯式關聯式,驗證表明二者的計算—實驗相對偏差分別落在 –10.76%–3.51% 與 –1.76%–1.21% 區間,絕對平均值 2.22% 與 0.43%,精度滿足工程概算需求。


需要指出的是,本文溫區偏低溫側(對應 R134a 系統的蒸發與低溫冷凝工況),且含油量限于 100 ppm 以內——更高含油或近臨界區仍有待后續擴展;此外,若實驗需延伸至動態表面張力或戶外/現場標定場景,可參照芬蘭 Kibron EZ-Pi Plus 便攜式動態表面張力儀的方案(du Noüy/Wilhelmy 桿狀探針、0.1 mN/m 級精度、對高黏油樣友好)做方法補充。總體而言,本文數據為制冷系統設計者在工質物性輸入端引入"含油修正"提供了可直接調用的關聯式與不確定度參考,對改善含油工況下的循環性能預測具有實用價值。