摘要 合成潤滑油廣泛應用於各類製冷與熱泵設備，其熱物理性質是分析熱力學能效、換熱性能和沿程壓降的基礎數據，對評價和優化係統結構具有重要意義。本文研製了一套低溫、高壓懸滴法表麵張力實驗測量係統，並使用振動管密度計與懸滴法表麵張力實驗係統開展了基礎潤滑油(POE、PVE 和 PAG)的液相密度和表麵張力實驗研究，測量的溫度範圍為 243.15∼363.15 K，液相密度和表麵張力測量的擴展不確定度分別在 0.2% 和 0.1 mN·m⁻¹ 以內。實驗結果表明：基礎潤滑油的液相密度和表麵張力均隨溫度的增大而減小，關聯方程的計算值與實驗值的絕對平均偏差分別小於 0.04% 和 0.5%。

引言

潤滑油在發動機、壓縮機等工業核心機器中有著廣泛應用，起到冷卻和保護機器內部組件，減少組件磨損、密封與潤滑等關鍵作用。POE (Polyol ester)、PVE (Polyvinylether) 和 PAG (Polyalkylene glycol) 類潤滑油均屬於合成潤滑油，其主要成分包括合成烴類、酯類和聚醚等。在製冷係統中，壓縮機中的潤滑油不可避免的要與製冷劑接觸，由於合成潤滑油跟製冷劑有極好的互溶性，彌補了礦物油難以與極性製冷劑互溶的缺陷，在製冷設備中得到了廣泛的應用。眾所周知，流體工質熱物性是其工程應用的基礎數據，因此開展基礎潤滑油的熱物性研究對其應用有著重要價值。當製冷工質中溶入潤滑油後，其熱物理性質將會發生顯著的改變，進而影響蒸發器等部件的性能。蒸發器的蒸發溫度通常較低，有的甚至能達到零下 50◦C 附近，所以開展製冷循環工質在低溫下的熱物理性質實驗研究是非常有必要的。

目前，國內外眾多研究學者針對製冷劑和基礎潤滑油混合物的熱物理性質開展了研究，朱誌偉開展了相容性的研究；賈濤開展了 R32 和 R1234yf 在典型基礎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 等測量了製冷劑和潤滑油混合體係的蒸汽壓、互溶性和導熱係數；天津大學的餘壯壯開展了製冷劑與潤滑油的混合物性及可燃性研究；西安交通大學王曉坡等開展了多種製冷劑和潤滑油的表麵張力研究。與此同時，在純基礎潤滑油熱物性研究領域，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、熱膨脹係數、動態黏度、壓力–黏度係數和接觸角。

表麵張力是製冷工質的重要熱物理性質之一，同時也是評價和優化相變換熱與兩相流動的基礎數據。氣–液表麵張力是指特定條件（溫度、壓力和組分恒定）下液相體係增加單位麵積所引起的內能、焓、Helmholtz 自由能以及 Gibbs 自由能的增量，其影響著工質的流動、傳熱以及傳質過程，精確測量工質的表麵張力對工業應用及科學研究有著重要意義。常應用於氣–液表麵張力的主要測量方法包括：最大氣泡法、毛細管上升法、懸滴法和表麵光散射法，毛細管上升法要求液體有良好的浸潤性，但低溫環境下潤滑油的浸潤性較差；最大氣泡法測量表麵張力時，氣泡形成速度難以控製且壓力差測量精度要求極高；懸滴法實驗測量精度高、易於拓展到高壓區、可測量靜態和動態界麵張力；表麵光散射法實驗係統複雜且臨界震蕩點處無法測量。

綜上所述，本文研製了一套低溫、高壓懸滴法表麵張力實驗測量係統，其溫度適用範圍為 223.15 ∼ 373.15 K，壓力範圍高至 15 MPa；可實現氣–液混合體係的表麵張力精確測量，同時滿足對大黏度液體、高壓狀態的混合體係以及多配比下製冷劑與潤滑油混合體係的表麵張力實驗研究；使用振動管密度計和懸滴法表麵張力實驗係統開展了常壓環境下 POE、PVE 和 PAG 基礎潤滑油的液相密度與表麵張力實驗研究，並將實驗數據關聯為溫度的經驗方程，便於工業應用。

1 實驗原理及係統

1.1 實驗原理

懸滴法是一種液滴外形輪廓分析的方法，通過外部增壓係統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，而表麵張力又迫使液滴表麵收縮趨於球形，液滴在重力和表麵張力的共同作用下處於臨界平衡狀態。隨後，采用 CCD 攝像機拍攝提取懸垂液滴的外形輪廓，並根據懸垂液滴所滿足的 Young-Laplace 方程擬合得到待測樣品的表麵張力。Young-Laplace 方程表達式如下：

∆p = γ (1/R₁ + 1/R₂) (1)

式中，∆p 為液滴分界麵處的壓力差，R₁ 和 R₂ 分別為液滴的第一曲率半徑和第二曲率半徑，γ 為待測樣品的表麵張力。