摘要 合成潤滑油廣泛應(yīng)用于各類制冷與熱泵設(shè)備，其熱物理性質(zhì)是分析熱力學(xué)能效、換熱性能和沿程壓降的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對評價和優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有重要意義。本文研制了一套低溫、高壓懸滴法表面張力實驗測量系統(tǒng)，并使用振動管密度計與懸滴法表面張力實驗系統(tǒng)開展了基礎(chǔ)潤滑油(POE、PVE 和 PAG)的液相密度和表面張力實驗研究，測量的溫度范圍為 243.15～363.15 K，液相密度和表面張力測量的擴展不確定度分別在 0.2% 和 0.1 mN·m?1 以內(nèi)。實驗結(jié)果表明：基礎(chǔ)潤滑油的液相密度和表面張力均隨溫度的增大而減小，關(guān)聯(lián)方程的計算值與實驗值的絕對平均偏差分別小于 0.04% 和 0.5%。

引言

潤滑油在發(fā)動機、壓縮機等工業(yè)核心機器中有著廣泛應(yīng)用，起到冷卻和保護機器內(nèi)部組件，減少組件磨損、密封與潤滑等關(guān)鍵作用。POE (Polyol ester)、PVE (Polyvinylether) 和 PAG (Polyalkylene glycol) 類潤滑油均屬于合成潤滑油，其主要成分包括合成烴類、酯類和聚醚等。在制冷系統(tǒng)中，壓縮機中的潤滑油不可避免的要與制冷劑接觸，由于合成潤滑油跟制冷劑有極好的互溶性，彌補了礦物油難以與極性制冷劑互溶的缺陷，在制冷設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。眾所周知，流體工質(zhì)熱物性是其工程應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此開展基礎(chǔ)潤滑油的熱物性研究對其應(yīng)用有著重要價值。當(dāng)制冷工質(zhì)中溶入潤滑油后，其熱物理性質(zhì)將會發(fā)生顯著的改變，進而影響蒸發(fā)器等部件的性能。蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度通常較低，有的甚至能達到零下 50?C 附近，所以開展制冷循環(huán)工質(zhì)在低溫下的熱物理性質(zhì)實驗研究是非常有必要的。

目前，國內(nèi)外眾多研究學(xué)者針對制冷劑和基礎(chǔ)潤滑油混合物的熱物理性質(zhì)開展了研究，朱志偉開展了相容性的研究；賈濤開展了 R32 和 R1234yf 在典型基礎(chǔ)潤滑油中的溶解度研究；賈秀璨等人開展了氣液相平衡實驗研究；Katharina 等測量了制冷劑和潤滑油混合體系的蒸汽壓、互溶性和導(dǎo)熱系數(shù)；天津大學(xué)的余壯壯開展了制冷劑與潤滑油的混合物性及可燃性研究；西安交通大學(xué)王曉坡等開展了多種制冷劑和潤滑油的表面張力研究。與此同時，在純基礎(chǔ)潤滑油熱物性研究領(lǐng)域，Emel‘ianov 等開展了季戊四醇酯合成油的蒸汽壓、汽化焓和運動黏度的研究；Razzouk 等測量了四種季戊四醇酯的蒸汽壓；Bobbo 等開展了二氧化碳在合成基礎(chǔ)潤滑油中的溶解度實驗研究；Villamayor 等測量了四種合成油的熱物理性能，包括密度、等溫壓縮率、熱膨脹系數(shù)、動態(tài)黏度、壓力–黏度系數(shù)和接觸角。

表面張力是制冷工質(zhì)的重要熱物理性質(zhì)之一，同時也是評價和優(yōu)化相變換熱與兩相流動的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。氣–液表面張力是指特定條件（溫度、壓力和組分恒定）下液相體系增加單位面積所引起的內(nèi)能、焓、Helmholtz 自由能以及 Gibbs 自由能的增量，其影響著工質(zhì)的流動、傳熱以及傳質(zhì)過程，精確測量工質(zhì)的表面張力對工業(yè)應(yīng)用及科學(xué)研究有著重要意義。常應(yīng)用于氣–液表面張力的主要測量方法包括：最大氣泡法、毛細管上升法、懸滴法和表面光散射法，毛細管上升法要求液體有良好的浸潤性，但低溫環(huán)境下潤滑油的浸潤性較差；最大氣泡法測量表面張力時，氣泡形成速度難以控制且壓力差測量精度要求極高；懸滴法實驗測量精度高、易于拓展到高壓區(qū)、可測量靜態(tài)和動態(tài)界面張力；表面光散射法實驗系統(tǒng)復(fù)雜且臨界震蕩點處無法測量。

綜上所述，本文研制了一套低溫、高壓懸滴法表面張力實驗測量系統(tǒng)，其溫度適用范圍為 223.15 ～ 373.15 K，壓力范圍高至 15 MPa；可實現(xiàn)氣–液混合體系的表面張力精確測量，同時滿足對大黏度液體、高壓狀態(tài)的混合體系以及多配比下制冷劑與潤滑油混合體系的表面張力實驗研究；使用振動管密度計和懸滴法表面張力實驗系統(tǒng)開展了常壓環(huán)境下 POE、PVE 和 PAG 基礎(chǔ)潤滑油的液相密度與表面張力實驗研究，并將實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)為溫度的經(jīng)驗方程，便于工業(yè)應(yīng)用。

1 實驗原理及系統(tǒng)

1.1 實驗原理

懸滴法是一種液滴外形輪廓分析的方法，通過外部增壓系統(tǒng)在毛細管的末端形成懸垂液滴，液滴受重力影響被向下拉伸，而表面張力又迫使液滴表面收縮趨于球形，液滴在重力和表面張力的共同作用下處于臨界平衡狀態(tài)。隨后，采用 CCD 攝像機拍攝提取懸垂液滴的外形輪廓，并根據(jù)懸垂液滴所滿足的 Young-Laplace 方程擬合得到待測樣品的表面張力。Young-Laplace 方程表達式如下：

?p = γ (1/R? + 1/R?) (1)

式中，?p 為液滴分界面處的壓力差，R? 和 R? 分別為液滴的第一曲率半徑和第二曲率半徑，γ 為待測樣品的表面張力。