CN1271386C - 输送非挥发性液体的管道、制冷系统及其输送方法 - Google Patents

输送非挥发性液体的管道、制冷系统及其输送方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种输送非挥发性液体的管道、制冷系统及其输送方法，采用聚偏氟乙烯涂层的方式，为管道的内表面提供低于非挥发性液体的表面能，使液体对管道内表面产生反湿润作用，而且液体不会积聚在该表面上，从而提高液体的可输送性。

Description

输送非挥发性液体的管道、制冷系统及其输送方法
技术领域
本发明涉及输送非挥发性液体(例如油或润滑油)的管道，该管道的内表面的表面能低于非挥发性液体的表面能，目的是使液体对管道内表面产生反湿润作用，而且液体不会积聚在该表面上，从而提高液体的可输送性。
本发明适用于任何必须用蒸汽、气体、液体或蒸汽/液体两相混合物输送非挥发性液体的通道、管道或渠道的内表面。一个例子是经由管道输送气体/油混合物。另一个例子是管道为热交换器形式，尤其热交换器是制冷系统的一部分时。这样，在包括压缩机、蒸发式热交换器、冷凝式热交换器以及液体与蒸汽管道的制冷系统中，在非挥发性液体是润滑油，制冷剂也经由系统输送的情形下，润滑油的可输送性就能够通过至少使蒸发式热交换器的内表面具有低于润滑油的表面能而得以提高。在这些系统中应用本发明，不仅可提高润滑油的可输送性，由此可提高润滑油返回压缩机的返回率并减少残留在热交换器内的油，而且可提高以制冷能力和性能系数(COP)表达的系统性能，因此，对于规定的冷却负荷，就能够使用更小的蒸发式热交换器。本文使用的“制冷系统”一词包括空调系统。
背景技术
在目前的制冷系统中，来自压缩机的少部分润滑油被载带经由系统的其他部分进行循环。该润滑油的一部分通常会留在热交换器(一个或多个)内，形成妨碍热交换的薄层。因此，过多留下的润滑油会损害系统的性能。为了减少留存的润滑油至最少限度，而且从热交换器和连通管道内分离出润滑油，润滑油必须可与制冷剂完全混溶。另外，氢氟烃(HFC)制冷剂例如1，1，1，2-四氟乙烷(134a)要求使用可混溶的多醇酯(POE)润滑油，因为常规的矿物油(MO)或烷基苯(AB)润滑油不能与HFC混溶。但POE润滑油除了比MO或AB润滑油昂贵，还要求更洁净的压缩机，因为它们是本性吸湿的。因此，找到一种能够使用不与HFC制冷剂混合的润滑油的方法，而且不管其特性如何，能够提高润滑油返回压缩机的返回率，是很有用的。
发明内容
本发明提供一种提高非挥发性液体在管道(例如热交换器形式)内的可输送性的方法，该方法包括为管道内表面提供低于非挥发性液体的表面能。一送性的方法，该方法包括为管道内表面提供低于非挥发性液体的表面能。一种优选的实施方式包括提高润滑油在制冷系统(具有压缩机、蒸发式热交换器、冷凝式热交换器以及液体与蒸汽管道的制冷系统，润滑油和制冷剂经由系统输送)中可输送性的方法，该方法包括为蒸发式热交换器的内表面提供低于润滑油的表面能。虽然不是必需的，但是也能够为冷凝式热交换器以及液体与蒸汽管道的内表面提供低于润滑油的表面能。在一个实施方式中，系统的热交换器的内表面(可能包括其他系统部件的内表面)具有高于制冷剂的表面能，使制冷剂能够湿润表面，使制冷剂更容易流动，以推动润滑油沿着热交换器的内表面流动。然而，在另一个实施方式中，能够为冷凝式热交换器提供低于制冷剂的表面能，以促进滴状冷凝，由此提高热交换。
在制冷系统中，非挥发性液体(一种或多种)包括常规使用的润滑油，例如MO、AB、POE、聚烷基二醇和聚乙烯基醚，也包括用来提高系统性能的添加剂，例如四甘醇二甲醚。制冷剂包括氟烃、氨、二氧化碳和烃。代表性的制冷剂是134a。
具体实施方式
目前发现，为管道内表面提供低于非挥发性液体的表面能，就能够提高该非挥发性液体在管道内的可输送性。
用几种改变固体表面能已知方法中的任一方法，都能够获得所要求的表面能。其例子是化学表面改性(例如金属表面的直接氟化)，或者施涂薄的有机的或含有添加剂的复合涂层。复合涂料的一个例子是含有购自Atotech Inc.的聚四氟乙烯颗粒的Ni-氟、镍-磷基质。有机涂料包括聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙6、聚甲基硅氧烷、双酚A的聚碳酸酯、聚丙烯酸七氟异丙酯、聚四氟乙烯、聚氟乙烯、聚氯三氟乙烯和聚偏二氟乙烯，发现后一聚合物尤其对表面通常为铜、铝或钢的情形的制冷剂用途有用。本文使用的聚偏二氟乙烯(PVDF)不仅指1，1-二氟乙烯(VDF)的均聚物，也指由至少约85％(重量)VDF单体和高达约15％(重量)六氟丙烯(HFP)制备的共聚物。这些聚合物的例子包括Kynar741(聚偏二氟乙烯)、Kynar Flex2801(含有约10％HFP的VDF/HFP共聚物)和Kynar Flex 2751(含有约14％HFP的VDF/HFP共聚物)，均购自宾夕法尼亚州Philadephia的ElfAtochem North America Inc.。在PVDF中含有一些HFP(高达约15％(重量))是有用的，因为单体混合物中含有HFP能使涂料更容易进行溶液流延，并赋予聚合物以柔性和弹性，由此使该涂层在温度循环期间伸长或紧缩时一直粘合在管道内表面上。由于HFP还具有比VDF低的表面能(约16达因/厘米)，它也能够用来获得聚合物的适合表面能。另一方面，为了将与制冷剂和润滑油接触时的质量增加减到最小，HFP的含量又不宜高于15％。
在《聚合物手册》(第三版，1989，Wiley)的普通聚合物表面能表中能够找到上述类型有机聚合物的表面能。例如，优选的聚偏二乙烯聚合物在20℃一般具有25-32达因/厘米的表面能；而制冷剂例如134a在约80--50℃的温度范围内具有约1.5-19达因/厘米的表面能；用于制冷的一般MO在室温具有约47达因/厘米的表面能；AB油在室温具有典型的35-45达因/厘米的表面能。因此，在制冷系统内表面上使用PVDF涂层对润滑油湿润内表面会产生抑制作用，但能被制冷剂湿润。对Ni-氟复合物涂层所作的测试表明，它也具有处于要求范围内的表面能，约15-30达因/厘米。
为了使系统的热性能(热交换)波动减到最小，并提高粘合性，涂层以较薄为宜，要求不厚于约2微米。涂布金属表面的方法是众所周知的，例如喷涂、浸涂或幕帘淋涂。
在下面一些非限制性实施例中，将更详细地说明本发明的实施情况。
实施例1
本实施例使用有涂层和无涂层的热交换器螺管，所述螺管由铜管或铝管制成，外径为0.25英寸，长60英寸，内径为0.167英寸(铝线圈)或0.163英寸(铜线圈)。施加Kynar Flex 2801在丙酮中含量为5％固体的溶液，制成有涂层的线圈，将其在烘箱内165℃烘烤约30分钟。每根线圈装入10克润滑油(MO，粘度为150 SUS(赛氏通用粘度秒))，并置于保持在60°F(16℃)的恒温浴中。在螺管中保持流量约15克/分钟的液体134a稳态流。冲洗6分钟后，测量线圈内留下的油量，结果如下所述：
(A)铝管：冲洗后，仅有7％的油留在有涂层的管子内，而约40％的油留在无涂层的管子内。
(B)铜管：仅有20％的油留在有涂层的管子内，而约40％的油留在无涂层的管子内。
实施例2
采用具有涂层和无涂层的热交换器的制冷回路实施本实施例。这种制冷系统的蒸发式热交换器位于绝缘箱的内部，而冷凝式热交换器和压缩机位于绝缘箱外部的蒸发器上方。使用与起始热交换器相同的另两个热交换器，一个是蒸发式的，一个是冷凝式的，其中采用Kynar Flex 2801的1％(重量)N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液为内表面提供薄涂层。回路的构造迫使润滑油反抗重力流动，返回压缩机，这加剧了油返回过程中，可混合与不可混合润滑油之间的差异。膨胀装置是与毛细管串联的一个针阀，这样就可在蒸发器内实现宽范围的压力控制。有两个加热器电热丝位于制冷箱内部，一个加热器具有固定的功率约900瓦，另一个用变阻器控制，在0-900瓦之间变化。测量并记录蒸发器入口和出口的制冷剂侧的温度和压力、压缩机的抽吸量和排出量、箱内的空气温度、压缩机的功率消耗和加热器的功率消耗。
在两种不同的条件下进行测试。第一种，表示空气调节应用，箱的空气温度保持于45°F(7℃)，蒸发式热交换器出口的制冷剂过热保持10°F(6℃)。第二种，表示制冷应用，箱的空气温度保持于12°F(-11℃)，蒸发式热交换器出口的制冷剂过热保持8°F(4℃)。对于第二种测试条件，一旦运行约10-12小时之后，系统就除霜。对于所有的测试，环境温度都保持于85°F(29℃)。对于低温测试，室内相对湿度保持于15-25％。对于上述两种测试条件，系统都运行两个不同的时间(约25小时和约50小时)。每次测试结束时，将热交换器隔离，测量冷凝式热交换器和蒸发式热交换器内的制冷剂量和润滑油量。
制冷剂是134a。
留存油的结果-蒸发式热交换器和冷凝式热交换器内留下的油
蒸发式热交换器的结果是，在-11℃或7℃，有涂层的热交换器留下的润滑油(矿物油)显著少于无涂层的热交换器(在-11℃和7℃下留在有涂层的蒸发式热交换器内的矿物油量分别比无涂层蒸发式热交换器少约80％和50％)，这也证实了实施例1的结果。然而，正如预计的那样，由于冷凝式热交换器内温度较高(冷凝温度约为32℃)，发现留下的润滑油(矿物油)量对无涂层和有涂层的冷凝式热交换器没有明显差异，都很低。这些结果证实了这样的结论，对蒸发式热交换器进行涂层可获得非常有利的效果，但是对冷凝式热交换器涂层，仅获得很有限的好处。
系统性能：在-11℃下，采用134a/MO时，具有涂层的热交换器的系统性能，在蒸发能力和COP两方面，都显著好于采用134a/MO的无涂层热交换器的系统(提高约15-25％)，也好于采用134a与可混合POE润滑油的无涂层热交换器的常规系统(至少提高约5％)。
在7℃下，采用134a/MO时具有涂层的热交换器的系统性能，在蒸发能力方面，又显著好于采用134a/MO的无涂层热交换器的系统(提高约5％)，略微好于或至少等于采用134a与可混合POE润滑油的无涂层热交换器的常规系统。
在7℃下，采用134a/MO时，具有涂层的热交换器的系统性能，在COP方面，显著好于采用134a与可混合POE润滑油的无涂层热交换器的常规系统(提高约5％)，约等于采用134a/MO的无涂层热交换器的系统。

Claims (14)

1.一种提高非挥发性液体在管道内可输送性的方法，它包括：采用聚偏二氟乙烯涂层的方式，为管道的内表面提供低于非挥发性液体的表面能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的管道呈热交换器的形式。
3.一种提高润滑油在制冷系统内可输送性的方法，该制冷系统具有压缩机、蒸发式热交换器、冷凝式热交换器以及液体与蒸汽管道，所述的润滑油和制冷剂经由系统输送，所述方法包括：采用聚偏二氟乙烯涂层的方式，为蒸发式热交换器内表面提供低于润滑油的表面能。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于也为所述冷凝式热交换器以及液体与蒸汽管道的内表面提供低于润滑油的表面能。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于为所述蒸发式热交换器的内表面提供低于润滑油但高于制冷剂的表面能。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于为所述冷凝式热交换器的内表面提供低于润滑油和制冷剂的表面能。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于用表面能低于润滑油的有机涂料涂布所述蒸发式热交换器的内表面。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述的涂料是聚偏二氟乙烯。
9.一种输送非挥发性液体的管道，所述管道内表面的表面能低于非挥发性液体的表面能，该管道内表面具有聚偏二氟乙烯涂层。
10.如权利要求9所述的管道，其特征在于所述的管道呈热交换器的形式。
11.一种制冷系统，它具有压缩机、蒸发式热交换器、冷凝式热交换器以及液体与蒸汽管道，润滑油和制冷剂经由系统输送，其中蒸发式热交换器内表面具有聚偏二氟乙烯涂层，使其表面能低于润滑油的表面能。
12.如权利要求11所述的制冷系统，其特征在于所述冷凝式热交换器内表面的表面能也低于润滑油的表面能。
13.如权利要求11所述的制冷系统，其特征在于所述蒸发式热交换器内表面的表面能低于润滑油的表面能但高于制冷剂的表面能。
14.如权利要求13所述的制冷系统，其特征在于所述冷凝式热交换器内表面的表面能低于润滑油和制冷剂的表面能。
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