自然工质CO2，因其优异的流动换热性能和环境友好特性，作为新一代制冷剂广泛应用于汽车空调和商用热泵领域。目前公开文献中对CO2流动沸腾换热的研究表明，核态沸腾机制是其流动沸腾换热的主导机制。然而，鲜有学者对CO2核态沸腾换热开展研究。此外，在制冷循环中存在大量的机械部件，通常需要加入润滑油来确保系统安全高效的运行，这导致循环工作中制冷剂和润滑油油的混合。考虑到制冷剂与润滑油的物性差异较大，尤其是与气泡成核生长及运动相关的表面张力和黏度。本研究开展了CO2及其润滑油核态沸腾换热实验研究，分析了蒸发温度、热流密度和润滑油浓度对沸腾换热性能及沸腾过程气泡动力学特性的影响。研究结果为进一步理解润滑油对制冷剂沸腾换热的影响提供了理论依据，为CO2 热泵系统的换热器优化设计提供了理论支撑。相关成果以 “Experimental investigation on the influence of lubricant oil on CO2 nucleate pool boiling heat transfer characteristics” 为题，在 “Applied Thermal Engineering” 期刊发表，获得的主要结论如下：

1. 在CO2核态沸腾过程中，随着蒸发温度的升高，体相液体中气泡的直径减小，进而引起气泡运动引起的对流换热削弱，最终导致CO2核态沸腾换热系数随蒸发温度的变化较小。
2. 润滑油的存在有效地促进了气泡成核，但会导致气泡直径迅速减小。在Ts = 0℃，ωoil = 0.5%的条件下，由于油的成核促进作用，使成核沸腾传热增强。与纯工质CO2相比，混合物的沸腾换热系数平均提高了25%。
3. 在较高蒸发温度条件下，油在气液相界面富集，形成富油层，抑制混合物气泡聚并，从而在受热面附近形成小气泡团簇。气泡团簇不仅削弱了对流换热，还阻塞了从体相液体到加热表面的液体通道。最终导致壁面过热度急剧上升，传热恶化。
4. 在 ωoil = 2.6% 和 ωoil = 3.7% 时，加热表面的气化核心在低热流密度下没有被充分激活，导致不同油浓度下沸腾换热系数不同。相反，在高热流密度时，油的加入导致了严重的换热恶化，且换热系数不再随着油浓度的增加而降低。

  (a) 沸腾曲线;                                                                                           (b) 换热系数;

图1. 纯工质CO2 核态沸腾换热特性.

  (a) 沸腾曲线;                                                                                             (b) 换热系数;

图2. ωoil = 0.5% 混合物核态沸腾换热特性.

图3. 沸腾气泡图像; (a) Pure CO2, Ts = 0℃; (b) ωoil = 0.5%, Ts = 0℃; (c) ωoil = 0.5%, Ts = 5℃; (d) ωoil = 0.5%, Ts = 10℃.

            (a)Ts = 0 ℃;                                             (b) Ts = 5 ℃;                                                                    (c) Ts = 10 ℃;

图4. 润滑油影响.

文章链接: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124975

作者信息: Yongfang Huang, Xiaoxiao Xu*, MingWen Luo, Chaobin Dang