摘要 合成潤(rùn)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(duì)評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，并使用振動(dòng)管密度計(jì)與懸滴法表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展了基礎(chǔ)潤(rùn)滑油(POE、PVE 和 PAG)的液相密度和表面張力實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量的溫度范圍為 243.15～363.15 K，液相密度和表面張力測(cè)量的擴(kuò)展不確定度分別在 0.2% 和 0.1 mN·m?1 以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基礎(chǔ)潤(rùn)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(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的絕對(duì)平均偏差分別小于 0.04% 和 0.5%。

引言

潤(rùn)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)等工業(yè)核心機(jī)器中有著廣泛應(yīng)用，起到冷卻和保護(hù)機(jī)器內(nèi)部組件，減少組件磨損、密封與潤(rùn)滑等關(guān)鍵作用。POE (Polyol ester)、PVE (Polyvinylether) 和 PAG (Polyalkylene glycol) 類潤(rùn)滑油均屬于合成潤(rùn)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(jī)中的潤(rùn)滑油不可避免的要與制冷劑接觸，由于合成潤(rùn)滑油跟制冷劑有極好的互溶性，彌補(bǔ)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(rùn)滑油的熱物性研究對(duì)其應(yīng)用有著重要價(jià)值。當(dāng)制冷工質(zhì)中溶入潤(rùn)滑油后，其熱物理性質(zhì)將會(huì)發(fā)生顯著的改變，進(jìn)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(dá)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(shí)驗(yàn)研究是非常有必要的。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者針對(duì)制冷劑和基礎(chǔ)潤(rùn)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(rùn)滑油中的溶解度研究；賈秀璨等人開展了氣液相平衡實(shí)驗(yàn)研究；Katharina 等測(cè)量了制冷劑和潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油的表面張力研究。與此同時(shí)，在純基礎(chǔ)潤(rùn)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(yùn)動(dòng)黏度的研究；Razzouk 等測(cè)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(rùn)滑油中的溶解度實(shí)驗(yàn)研究；Villamayor 等測(cè)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(dòng)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(shí)也是評(píng)價(jià)和優(yōu)化相變換熱與兩相流動(dòng)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(dòng)、傳熱以及傳質(zhì)過程，精確測(cè)量工質(zhì)的表面張力對(duì)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(cè)量方法包括：最大氣泡法、毛細(xì)管上升法、懸滴法和表面光散射法，毛細(xì)管上升法要求液體有良好的浸潤(rùn)性，但低溫環(huán)境下潤(rùn)滑油的浸潤(rùn)性較差；最大氣泡法測(cè)量表面張力時(shí)，氣泡形成速度難以控制且壓力差測(cè)量精度要求極高；懸滴法實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度高、易于拓展到高壓區(qū)、可測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)界面張力；表面光散射法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜且臨界震蕩點(diǎn)處無法測(cè)量。

綜上所述，本文研制了一套低溫、高壓懸滴法表面張力實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)現(xiàn)氣–液混合體系的表面張力精確測(cè)量，同時(shí)滿足對(duì)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(rùn)滑油混合體系的表面張力實(shí)驗(yàn)研究；使用振動(dòng)管密度計(jì)和懸滴法表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展了常壓環(huán)境下 POE、PVE 和 PAG 基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的液相密度與表面張力實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)為溫度的經(jīng)驗(yàn)方程，便于工業(yè)應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(xì)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(jī)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(cè)樣品的表面張力。Young-Laplace 方程表達(dá)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(cè)樣品的表面張力。