摘要 合成润滑油广泛应用于各类制冷与热泵设备，其热物理性质是分析热力学能效、换热性能和沿程压降的基础数据，对评价和优化系统结构具有重要意义。本文研制了一套低温、高压悬滴法表面张力实验测量系统，并使用振动管密度计与悬滴法表面张力实验系统开展了基础润滑油(POE、PVE 和 PAG)的液相密度和表面张力实验研究，测量的温度范围为 243.15∼363.15 K，液相密度和表面张力测量的扩展不确定度分别在 0.2% 和 0.1 mN·m⁻¹ 以内。实验结果表明：基础润滑油的液相密度和表面张力均随温度的增大而减小，关联方程的计算值与实验值的绝对平均偏差分别小于 0.04% 和 0.5%。

引言

润滑油在发动机、压缩机等工业核心机器中有着广泛应用，起到冷却和保护机器内部组件，减少组件磨损、密封与润滑等关键作用。POE (Polyol ester)、PVE (Polyvinylether) 和 PAG (Polyalkylene glycol) 类润滑油均属于合成润滑油，其主要成分包括合成烃类、酯类和聚醚等。在制冷系统中，压缩机中的润滑油不可避免的要与制冷剂接触，由于合成润滑油跟制冷剂有极好的互溶性，弥补了矿物油难以与极性制冷剂互溶的缺陷，在制冷设备中得到了广泛的应用。众所周知，流体工质热物性是其工程应用的基础数据，因此开展基础润滑油的热物性研究对其应用有着重要价值。当制冷工质中溶入润滑油后，其热物理性质将会发生显著的改变，进而影响蒸发器等部件的性能。蒸发器的蒸发温度通常较低，有的甚至能达到零下 50◦C 附近，所以开展制冷循环工质在低温下的热物理性质实验研究是非常有必要的。

目前，国内外众多研究学者针对制冷剂和基础润滑油混合物的热物理性质开展了研究，朱志伟开展了相容性的研究；贾涛开展了 R32 和 R1234yf 在典型基础润滑油中的溶解度研究；贾秀璨等人开展了气液相平衡实验研究；Katharina 等测量了制冷剂和润滑油混合体系的蒸汽压、互溶性和导热系数；天津大学的余壮壮开展了制冷剂与润滑油的混合物性及可燃性研究；西安交通大学王晓坡等开展了多种制冷剂和润滑油的表面张力研究。与此同时，在纯基础润滑油热物性研究领域，Emel‘ianov 等开展了季戊四醇酯合成油的蒸汽压、汽化焓和运动黏度的研究；Razzouk 等测量了四种季戊四醇酯的蒸汽压；Bobbo 等开展了二氧化碳在合成基础润滑油中的溶解度实验研究；Villamayor 等测量了四种合成油的热物理性能，包括密度、等温压缩率、热膨胀系数、动态黏度、压力–黏度系数和接触角。

表面张力是制冷工质的重要热物理性质之一，同时也是评价和优化相变换热与两相流动的基础数据。气–液表面张力是指特定条件（温度、压力和组分恒定）下液相体系增加单位面积所引起的内能、焓、Helmholtz 自由能以及 Gibbs 自由能的增量，其影响着工质的流动、传热以及传质过程，精确测量工质的表面张力对工业应用及科学研究有着重要意义。常应用于气–液表面张力的主要测量方法包括：最大气泡法、毛细管上升法、悬滴法和表面光散射法，毛细管上升法要求液体有良好的浸润性，但低温环境下润滑油的浸润性较差；最大气泡法测量表面张力时，气泡形成速度难以控制且压力差测量精度要求极高；悬滴法实验测量精度高、易于拓展到高压区、可测量静态和动态界面张力；表面光散射法实验系统复杂且临界震荡点处无法测量。

综上所述，本文研制了一套低温、高压悬滴法表面张力实验测量系统，其温度适用范围为 223.15 ∼ 373.15 K，压力范围高至 15 MPa；可实现气–液混合体系的表面张力精确测量，同时满足对大黏度液体、高压状态的混合体系以及多配比下制冷剂与润滑油混合体系的表面张力实验研究；使用振动管密度计和悬滴法表面张力实验系统开展了常压环境下 POE、PVE 和 PAG 基础润滑油的液相密度与表面张力实验研究，并将实验数据关联为温度的经验方程，便于工业应用。

1 实验原理及系统

1.1 实验原理

悬滴法是一种液滴外形轮廓分析的方法，通过外部增压系统在毛细管的末端形成悬垂液滴，液滴受重力影响被向下拉伸，而表面张力又迫使液滴表面收缩趋于球形，液滴在重力和表面张力的共同作用下处于临界平衡状态。随后，采用 CCD 摄像机拍摄提取悬垂液滴的外形轮廓，并根据悬垂液滴所满足的 Young-Laplace 方程拟合得到待测样品的表面张力。Young-Laplace 方程表达式如下：

∆p = γ (1/R₁ + 1/R₂) (1)

式中，∆p 为液滴分界面处的压力差，R₁ 和 R₂ 分别为液滴的第一曲率半径和第二曲率半径，γ 为待测样品的表面张力。