NiFe2O4纳米冷冻机油对R134a饱和蒸气压的影响

NiFe2O4纳米冷冻机油对R134a饱和蒸气压的影响
苏海;王瑞祥;娄江峰
【摘要】The saturated vapor pressure of R134a/refrigeration oil mixture and R134a/ nano-refrigeration-oil mixture is studied in the paper by using stable state method.The refrigeration oil is SUNISO 3GS,and the mass fraction is 1%,3% and 5% in the refrigerant/refrigeration oil mixture.The mass concentrations of nano-NiFe2O4 particles in nano-refrigeration-oil is 3g/L,and the experimental temperature range is between 263 to 333
K.Results show that： when the mixtures have the same temperature,the saturated vapor pressure of nano-NiFe2O4 refrigeration oil/R134a mixture is lower than the pure R134a,and the pressure deviation of nano-NiFe2O4 refrigeration oil/R134a mixture is increased with the increase of oil content.%利用稳态法,分别以R134a/冷冻机油、R134a/纳米冷冻机油为研究对象,对其饱和蒸气压进行实验研究.冷冻机油为SUNISO 3GS,在制冷剂/冷冻机油混合物中的质量分数分别为1%、3%和5%.纳米冷冻机油中纳米NiFe2O4的含量为3 g/L,实验温度范围为263～333 K.结果表明：当温度相同时纳米冷冻机油
/R134a混合物的饱和蒸气压明显低于纯R134a,二者之间的差值随着含油量的增加而增大.
【期刊名称】《北京建筑工程学院学报》
【年(卷),期】2011(027)003
【总页数】5页(P19-22,76)
【关键词】R134a;纳米冷冻机油;饱和蒸气压
【作者】苏海;王瑞祥;娄江峰
【作者单位】北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京100044;北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京100044;北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京100044
【正文语种】中文
【中图分类】TU831
随着国民经济的发展和时代的进步，人民的生活水平有了显著提高，尤其体现在人们对建筑物舒适程度的追求.其中空调的使用对建筑物舒适度有很大的影响，在我国，制冷空调的耗电量约占社会总用电量的20%.而空调所占能耗随着我国经济的发展越来越多，给我国能源供应带来了巨大压力.
R134a在热力学、化学、物理等综合方面的良好性质，已被作为R22潜在替代物［1］.在空调压缩机中制冷工质直接接触润滑油，润滑油“迁移性”地循环于制冷系统中并参与换热和流动［2］.制冷剂与润滑油的互溶解性直接影响制冷剂的热物理性质.由于R134a分子的极性大，与传统制冷工艺广泛使用的矿物基冷冻机油相溶性差，目前主要使用POE和PAG类合成油.但是POE和PAG类合成油有较强的吸湿性和水解，容易造成零件腐蚀，产生镀铜现象［3－4］.因此，找出能够改善 HFC制冷剂与矿物油相溶性的办法，就可能起到节省成本，提高压缩机效率，环保等效果.王瑞祥等［5－6］发现，添加特定的纳米粒子可以有效地改善矿物冷冻机油和R134a的相溶性，同时制冷系统的吸排气压力均降低5%，压缩机功耗有所降低.娄江峰［7］将纳米CuO加入到矿物油/R134a体系中进行研究，结果
表明添加纳米CuO粒子后，可以明显改善制冷剂与冷冻机油的相溶性.此外，将纳米NiFe2 O4冷冻机油加入家用制冷空调系统中，能明显提高系统的制冷容量和制冷效能［8］.可见，冷冻机油与制冷剂的相溶性对节能，环保具有重要的影响.
本文利用高精度流体热物性测量系统，采用稳态法测量了含矿物油制冷剂的饱和蒸气压;分析了冷冻机油的质量分数对R134a饱和蒸汽压的影响;测量了含纳米
NiFe2O4矿物油制冷剂的饱和蒸气压;分析了纳米 NiFe2 O4矿物油的质量分数对
R134a饱和蒸汽压的影响.对比实验结果，验证了纳米NiFe2 O4能够有效地改善
矿物油和R134a相溶性的假设，对基于矿物油与HFC工质的替换研究具有重要的意义.
1 实验装置及方法
1.1 实验材料
本实验采用的制冷剂R134a是英力士公司生产，纯度≥99.8%;冷冻机油为SUNISO 3GS矿物基冷冻机油;表面活性剂是Span-80，由国药集团化学试剂有限公司提供;纳米NiFe2 O4为华东冶金院方圆纳米材料研究所提供，粒径为30 nm，纯度≥99.5%，其在冷冻机油中的含量为3 g/L.
1.2 实验装置系统
本实验采用的实验台是由西安交通大学研制的高精度流体热物性测试系统，其主要部分包括:大容量恒温槽、温度测量系统、压力测量系统和调控软件等.
压力测量系统原理如图1所示，整个系统由:压力传感器、差压变送器、精密压力表、标准压力源、活塞式压力计、氮气瓶、管路、阀门及数据采集系统组成.在实
验过程中，测试本体内液体的压力通过远传装置、压差变送器和管路内的氮气传递到压力传感器，然后通过Agilent34970A将差压变送器和压力传感器的电信号转换成数字信号传送到计算机，最后通过软件计算得到压力值.
图1 压力测量系统原理图1.压力数据采集器 2.温度控制器 3.测温电桥 4.搅拌电机
与叶片 5.铂电阻温度计 6.加热器 7.整流栅 8.控制电脑 9.压力传感(31K-101)10.压力传感器(2200A-101)11.差压变送器(3051CD)12.气库 13.真空系统 14.氮气减压器(YQD-370)15.样品罐 16.远传装置 17.实验本体 18.恒温槽 19.压力传感器保护阀 20.精密压力表 21.氮气瓶
整个饱和蒸气压测量过程可分为:样品取液、液氮提纯、本体充灌、饱和蒸气压测量等，具体操作方法参见文献［9］.本文主要测量含油量为1%、3%和5%的含油制冷剂及含纳米制冷剂的饱和蒸汽压，将实验结果进行对比，得出结论.
1.3 压力测量系统的不确定度分析
从压力测量系统原理图中可以看出，压力测量的误差主要来自压力传感器、差压变送器和Agilent34970A采集模块中的万能表等.下面根据各厂家提供的技术参数，对由它们引起的压力不确定度进行分析:
1)压力传感器
2200A-101压力传感器:
2)差压变送器
3)Agilent34970A数据采集器
Agilent34970A数据采集器引起的测量不确定度，主要是读数误差和量程误差，对于不同的测量条件还需加入附加误差.根据万能表测量电流的准确度和差压变送器的实际使用量程，其压力测量不确定度为:
4)压力测量系统的合成压力不确定度
为了评价压力测量系统的整体不确定度，需要对各个组成成分引起的压力测量不确定度进行合成［10］.对于本系统，由于采用两个压力传感器，所以采用分量程对
压力测量不确定度进行分析.
低压区0～1.3MPa的测量不确定度:
高压区0～6.89MPa的测量不确定度:
2 实验结果与分析
2.1 纯R134a的饱和蒸汽压
为了验证测试系统的可靠性，首先测量了R134a的饱和蒸气压，测温范围为263～333 K，测温间隔为5 K，将实验值P exp与 NIST-REFPROP7.0标准数据
P nist进行比较，测量结果见表1.
表1 R134a饱和蒸气压的实验数据T/K P exp/kPa P nist/kPa ΔP/%263.12 200.22 200.37 －0.075 268.11 243.15 242.97 0.074 273.16 292.96 292.91
0.017 278.16 349.45 349.78 －0.094 283.15 414.62 414.61 0.002 288.14 487.66 488.22 －0.115 293.14 570.95 571.53 －0.101 298.14 665.99 665.18 0.122 303.23 772.45 771.97 0.062 308.21 887.16 888.46 －0.146 313.10 1 016.32 1 015.23 0.107 318.17 1 161.29 1 160.53 0.065 323.18 1 321.05 1 318.90 0.163 328.11 1 489.06 1 490.06 －0.067 333.15 1 679.88 1 681.78 －0.113
其中:
从表1可以看出，R134a的实验数据与NIST标准数据相比较，最大偏差为0.159，最小偏差为0.002，相对偏差绝对平均值为0.088%，实验系统精准可靠.
2.2 含油R134a的饱和蒸汽压
表2列出了含3GS矿物基油量为1%、3%和5%时，含油R134a的饱和蒸气压实
验数据.将表2中各个温度点的实验数据与纯R134a在该温度下的NIST标准数据比较，得出相对偏差趋势如图3所示.
表2 含油R134a 的饱和蒸气压实验数据1% 3% 5%T/K P exp/kPa T/K P
exp/kPa T/K P exp/kPa 263.12 201.13 263.16 200.19 263.06 199.11 268.11 242.08 268.11 244.31 268.07 242.91 273.16 291.77 273.16 291.92 273.11 292.11 278.16 348.69 278.15 348.10 278.14 349.52 283.15 417.68 283.15 415.26 283.13 415.23 288.14 487.91 288.15 485.15 288.14 488.99 293.14 574.31 293.12 571.35 293.12 571.35 298.14 663.91 298.13 663.36 298.12 663.54 303.23 769.43 303.12 770.07 303.14 767.12 308.21 895.19 308.16 888.99 308.06 881.18 313.10 1 018.13 313.15 1 012.27 313.05 1 012.12 318.17 1 167.84 318.13 1 162.84 318.16 1 163.25 323.18 1 316.63 323.17 1 317.08 323.17 1 319.29 328.11 1 481.19 328.16 1 484.88 328.07 1 493.12 333.15 1 668.62 333.16 1 681.94 333.07 1 679.48
从图2中可以看出，在不同冷冻机油质量分数下，3GS/R134a的压力偏差不随浓度和温度的变化而呈现任何规律.这是因为R134a属于极性物质，而矿物油(3GS)则为非极性，两者的相溶性差，导致矿物油对混合物的饱和蒸气压影响很小.
2.3 含纳米冷冻机油R134a的饱和蒸汽压
表3列出了矿物油(3GS)为1%、3%和5%时，含纳米NiFe2O4冷冻机油的
R134a的饱和蒸气压实验数据.将表3中含油量为1%和5%的各个温度点的实验数据与纯R134a在该温度下的NIST标准数据相比较，并结合3GS/R134a的压力偏差图，可以如图3所示的相对偏差趋势图.
图2 3GS/R134a和R134a饱和蒸气压偏差的变化趋势
表3 含纳米冷冻机油的R134a饱和蒸气压实验数据含纳米NiFe2 O4冷冻机油的R134a 1% 3% 5%T/K P exp/kPa T/K P exp/kPa T/K P exp/kPa 263.12 200.30
263.14 200.40 263.11 200.11 268.14 243.10 268.13 242.99 268.11 242.75 273.13 292.40 273.12 292.12 273.13 292.22 278.14 349.07 278.15 349.06 278.12 348.63 283.12 413.52 283.14 413.75 283.15 413.34 288.12 487.00 288.14 487.13 288.13 486.41 293.13 569.81 293.13 569.94 293.15 568.81 298.13 662.70 298.15 662.97 298.14 660.90 303.10 765.46 303.12 766.04 303.14 760.95 308.10 880.79 308.13 879.95 308.15 876.28 313.12 1 008.78 313.15 1 007.00 313.13 1 002.29 318.13 1 149.57 318.14 1 147.28 318.17 1 141.36 323.11 1 304.15 323.15 1 299.34 323.15 1 292.29 328.13 1 471.38 328.12 1 465.71 328.16 1 461.63 333.12 1 661.91 333.11 1 648.90 333.14 1 646.18
图3所示，当温度超过283 K后，添加纳米NiFe2O4的含油制冷剂饱和蒸气压明显低于其余两种，并且随着温度的升高，压力偏差明显增大.此外，随着含纳米冷
冻机油浓度的增加，压力偏差也呈增大的趋势.纳米 NiFe2O4明显提高了3GS和
R134a的相溶性.
3 结论
本文对温度范围为263～333 K，分别对含油量为1%、3%和5%的R134a/冷冻
机油、R134a/纳米冷冻机油的饱和蒸气压进行了测量，并对实验数据进行了分析，得出结论如下:
图3 纳米NiFe2O4矿物油/R134a和矿物油/R134a压力偏差的比较
1)在不同冷冻机油质量分数下，3GS/R134a的压力偏差不随浓度和温度的变化而
呈现任何规律.表明3GS和R134a的相溶性差，对混合物的饱和蒸气压的影响小. 2)添加纳米NiFe2O4后，3GS和R134a混合物的饱和蒸气压明显低于纯R134a，表明3GS和R134a的相溶性得到一定改善.
3)含有纳米冷冻机油后R134a制冷剂饱和蒸气压偏差随着含纳米冷冻机油浓度的
增加而增加.
参考文献:
［1］龙从勇，SFreund，SKabelac，罗行.R134a在板式换热器中的凝结换热实验研究［J］.工程热物理学报，2008，29(2):278－230
［2］魏文建，丁国良，胡海涛，等.R410A制冷剂和 POEVG68润滑油混合物热物性模型［J］.制冷学报，2007，28(1):37－44
［3］ Crswick.F.A，Fischer.S.K，Sand.J.R.Potential Impacts of CFC Restrictions On rsfrugeration and Space-conditioning E-quipment ［J］.International Journal of Refrigeration，1998(5):217－221
［4］ S.G.Sundaresan，P.E.，W.R.Finkenstadt，etc.Polyalkylene Glycol and Polyolester Lubricant Candidates for Use with HFC134a in Refrigeration Compressors［J］.ASHRAE Transactions，1992(1):796－803
［5］王瑞祥，邹德宝，张秋丽，等.纳米颗粒用于HFCs制冷系统的可行性研究［J］.流体机械，2003，31(增刊):120－124
［6］ Zou debao.Investigation on the action of nano-particles on the solubility and miscibility of mineral lubricant oil AND HFC refrigerant ［C］.Proceedings of the 4th International Conference on Compressor and Refrigeration.Beijing，2003:461－469
［7］娄江峰，王瑞祥，李新中.纳米CuO冷冻机油对R134a饱和蒸汽压的影响［J］.北京建筑工程学院学报，2010，26(2):57－64
［8］ Ruixiang Wang，Qingping Wu，Yezheng e of nanoparticles to make mineral oil lubricants feasible for use in a residential air conditioner employing hydro-fluorocarbons refrigerants［J］.Energy and Buildings，2010，42(11):2111－2117
［9］李新中，王瑞祥，宗玉博.含有冷冻机油制冷剂的饱和蒸气压实验研究［J］.北京建筑工程学院学报，2009，25(2):4－8
［10］宋明顺.测量不确定度评定与数据处理［M］.北京:中国计量出版社，2000。