新型極化冷凍油添加劑持續改善空調系統性能實驗研究

姜 莎， 劉 穎， 姜 昆， 王 芳， 李國云

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

在制冷系統中，潤滑油具有重要作用［1－2］.空調器在使用一段時間后，系統中的潤滑油會在換熱器的管壁上產生一層油膜.同時，制冷劑和潤滑油的相互作用，也會生成一些無法自動排出系統的化學物質，它們吸附在內壁上，增加了換熱熱阻，導致換熱器的傳熱系數降低、系統的制冷量下降、功耗增加.且隨著油膜厚度的增加，系統中的流動阻力增大，回油困難，有可能影響到制冷系統的安全運行.為了解決這一問題，本研究在制冷系統中，通過加入一定量的一種新型極化冷凍油添加劑（PROA）與系統中的油膜作用，會減少甚至完全去掉換熱器部分的油膜，使空調系統的整體性能得到改善［3］.空調器出風溫度降低了約1.62℃，制冷量上升了約237W，制冷系數（COP）上升了約11.62%，實現了改善系統潤滑性能和節能的目標［4］.由于PROA屬于新開發的產品，在實用化之前有必要對其進行進一步的性能測試，以評價其對較長時間運行的空調系統的持續性作用效果.于是，對一臺加入PROA的分體熱泵型房間空調器進行了為期近40天的連續運行性能測試，測定了標準制冷工況下系統的吸氣、排氣溫度，吸氣、排氣壓力，室內、外出風溫度，制冷量，輸入功率等參數，探討這種新型極化冷凍油添加劑對改善空調系統潤滑性能和增強換熱效果的持久作用情況，為PROA在空調系統中的實際應用提供參考.

1 極化冷凍油添加劑簡介

1.1 PROA的特點

新型極化冷凍油添加劑（PROA）是由一種由電子云非均勻分布的功能性分子物質，配上普通潤滑油中所含有的抗氧化劑、抗磨劑等多種物質而組成的產品.其分子為四面體剛性結構，具有極性.極性端為多氯烯烴，而非支鏈烷烴.這使得其化學性質很穩定，凝固點低，沸點很高，沒有揮發性，對環境沒有副作用.PROA的合成工藝簡單，生產成本較低.使用時通過專用的添加工具將一定量的添加劑通過空調的充氟口加入到系統中去即可，操作方便.目前市場上也有多種添加劑在出售，但絕大多數都是從美國進口，價格比較高，一般都是用在中央空調等大型系統中，在普通的家用空調中并沒有得到太大的推廣.這類產品一般都是通過氯化工藝［5］得到，因此，含氯較高，對環境及設備構成潛在的損害，其它的一些改進型如磺酸鈣鹽［6］在實用過程中往往效果不佳，極大地制約了其推廣使用.

1.2 作用機理

PROA的功能分子是一種極性分子，其一端電子云密度較低，而另一端電子云密度較高，這樣較高的一端便顯負電性，它可以與金屬表面靠靜電作用進行結合，因此結合力比較強，不會隨著制冷劑的流動以及管路的震動而與壁面脫離.而油膜則是靠自身的粘性與金屬表面結合的，其結合力屬于分子間作用力，即范得華力，與電場力相比，結合力相對比較低.所以，在壓縮機中，PROA分子容易脫離內壁面.一方面，PROA分子相對獨立，且分子尺度非常小，屬于納米級別的，而油膜分子之間是有一定空隙的，因此，當PROA被注入到空調系統后，功能分子便通過空隙進入到壁面區域，與管壁結合，形成了一層“超微化學傳導熱片”［7］.這一厚度較小的單分子層，相對于油膜的熱阻，傳熱效率高.其作用原理如圖1所示.

圖1 添加劑分子去除表面油膜的作用示意圖Fig.1 Diagram of additive to remove the surface film role in the molecular

另一方面，PROA功能分子的電子云密度低的那一端柔性高，當其嵌入油膜內部后，制冷劑的流動及管路的震動會使功能分子在油膜內部擺動.這不僅加速了油膜與壁面的脫離，而且可以防止油膜的再生，同時可以破壞制冷劑在管內壁附近形成的邊界層效應，因此，添加PROA后，換熱器就可保持較高的換熱性能，從而達到節能的目的.加入PROA前后油膜變化如圖2所示.

圖2 加入PROA前、后油膜的變化Fig.2 Change of oil film in tube before and after charge with PROA

此外，納米材料本身又具有一些宏觀物質所不具有的性質，如量子尺寸效應、小尺寸效應等.PROA分子充分體現了納米摩擦學方面的優點，潤滑以減少摩擦，能夠較好地改善潤滑油的性能.對于壓縮機來說，動、靜轉子表面并不是非常光滑的，存在凹凸，潤滑油分子體積較大，難以進入動、靜轉子表面的凹陷處.于是，潤滑油分子會在摩擦副表面上生成一層低熔點、低剪切力的無機化學保護膜［6］.隨著壓縮機內部溫度的升高，這層保護膜會發生碳化.當潤滑油隨著制冷劑的流動進入到換熱器中后，壓縮機內部油量減少，潤滑效果降低，就會出現較多的磨屑.這些磨屑連同碳化顆粒一旦進入毛細管，就會引起堵塞，影響系統的正常運行，有可能會使輸入功率增大，性能下降.但加入的添加劑，其分子體積小，可以填充動、靜轉子的凹陷，同時形成一保護層以改變表面的應力分布，提高潤滑效果，降低功耗，達到節能的目的.對新空調來說，換熱效率可以達到6.0%～7.5%；對于舊空調，管內壁的油膜熱阻的影響非常大，造成管路的巨大的阻力損失，而PROA可以將管內壁的厚厚的油膜清除，換熱效率的提高非常明顯，阻力損失減少后，又減少了壓縮機的功耗，因此，PROA是從多方面對空調進行節能的.

2 實驗儀器與方案

2.1 實驗材料與設備

極性冷凍油添加劑（PROA）由上海理工大學制冷技術研究所和低溫生物研究所研制.一臺KFR－23G／hY空調器作為被測機.上海理工大學根據GB／T7725—2004研制全自動焓差實驗室.

2.2 實驗方案設計

本研究是為了檢測極性冷凍油添加劑在空調系統中作用的持久性，故在系統運行長達40天的時間內進行實驗.制冷測試工況要求：室外干球溫度35℃，室外濕球溫度24℃；室內干球溫度27℃，室內濕球溫度19℃.為了測試空調系統在實驗室中的穩定運行程度，本實驗在標準工況下，測定壓縮機吸氣、排氣端的溫度和壓力，室內、外出風溫度和以及整個系統所產生的制冷量及消耗的功率等參數.

3 實驗方法

3.1 實驗步驟

現介紹實驗步驟.

a.將被測機組安裝在焓差實驗室內，在各相應測點安裝各參數的測量儀器，布置如圖3所示.與實驗臺連接后，檢查實驗電路.

b.向被測空調機中沖入氮氣，檢測被測機是否泄漏，確保沒有任何隱患，以免造成制冷劑的浪費.

c.確認無誤后，清除機體內的氮氣，并使之達到真空，立刻充入定量的制冷劑HCFC－22，其額定充注量為640g.

d.待空調機運行后，調節室內外環境，使室內外環境盡快達到額定工況要求.

e.在加入添加劑之前，先記錄幾組關于空調的性能參數.

f.每次通過加液閥7加入極性冷凍油添加劑（PROA）5ml，共加3次，期間讓空調進行長時間運轉，使其與制冷劑充分接觸并混合，同時與管內壁充分發生鍵合，以發揮添加劑的作用，達到理想的效果.

g.待運行穩定后，定時記錄系統的溫度值、壓力值、被測機的制冷量、消耗功率以及性能系數COP值等參數，以便分析比較.

圖3 測試系統流程系統圖Fig.3 Flow chart of refrigerating system for the tested unit

3.2 實驗分析

由于添加劑是分3次逐漸添加的，因此，在添加過程中，選取平均值變化明顯的參數進行分析，如表1所示.pin為吸氣壓力，pout為排氣壓力，tin為吸氣溫度，tout為排氣溫度，COP為性能系數，Q為制冷量，τ為時間，P為功率，V為添加劑的添加量，ti為室內出風溫度，to為室外出風溫度.

表1 參數變化情況Tab.1 Parametric variation condition

比較實驗數據可以看出，添加劑經過兩次添加后，制冷量總體呈一個上升的趨勢，最大量達到12.9%.但是，待添加完畢，制冷量卻有小幅度下降，但仍然比未添加PROA前高得多，這可能是15 ml的PROA對于本系統來說，不是最佳的添加量.排氣溫度則是在最開始加入添加劑時驟然下降，變化十分明顯，最大變化為20.7%，隨著PROA的逐漸加入，排氣溫度略有提高，但與未添加前比低很多.再次驗證了PROA對改善舊空調的性能具有良好的作用，COP的增值可達11.3%.

經過40天的運行，各種參數（tin，tout，pin，pout，ti，to）隨時間變化的測試結果如圖4～7所示.

圖4 吸氣、排氣溫度隨著測試時間變化的曲線Fig.4 Suction and discharge temperature as the change of time

圖5 吸氣、排氣壓力隨測試時間變化的曲線Fig.5 Suction and discharge pressure as the change of time

在添加劑添加過程中，制冷量總體是在上升的；當完全添加完畢后，制冷量的變化僅在1 600～1 700W范圍內，此時波動范圍并不是很大.而功率的消耗也有所下降，基本穩定在一個平衡范圍內.這說明在長時間的運行中，PROA對系統的制冷量及功率的影響是比較穩定的，基本保持了較低的功率消耗、較高的制冷量.

圖6 室內、外出風溫度隨測試時間變化的曲線Fig.6 Indoor and outdoor temperature curve as the change of time

圖7 制冷量、功率隨測試時間變化的曲線Fig.7 Refrigerating capacity and power as the change of time

壓縮機作為空調的核心部件，其運行的好壞會直接影響空調的性能.對壓縮機的吸氣，排氣溫度變化的分析可以看出，預定的添加劑添加量完全加入后，排氣溫度比先前有一定的下降，在后期無變化操作的運行中，排氣溫度一直保持在74.5～75.8℃之間，吸氣溫度也只在12.8～13.4℃之間波動，說明添加劑在空調系統的長時間運行中，促進了壓縮機性能的改善，并使其在較好的狀態下運行.同時也驗證了添加劑中的分子靜電力使之與管壁牢牢結合，作用持久.吸氣溫度降低后，不僅可以長期保持較好的冷凝效果，而且從根本上防止了壓縮機的排氣溫度過高，杜絕碳化現象的發生，保證了壓縮機在良好工況下運行.此外，壓縮機吸氣、排氣壓力的變化也比較穩定，振動及噪聲也較規律，且未見異常，而對內部的摩擦情況還有待進一步的測試.同樣，在后期的運行中，系統的COP值、室內外的出風溫度均變化不大，空調的運行穩定，并使室內環境的舒適度得到良好保持.特別要指出的是，在整個實驗過程中，PROA有能夠使舊空調的消耗功率減少的功效，一定程度上產生了節能的作用.

4 結 論

從以上結果分析可以看出，使用這種新型添加劑，實驗機組的各項性能均得到了優化，因此，添加劑的良好性能得到了發揮.添加劑添加完畢后，經過長達40天的運行，空調的運行參數變化不大，機組運行也基本處于穩定狀態，初步驗證了該添加劑對空調系統性能的改善效果比較穩定，此產品可以長久地發揮作用.在壓縮機上未見噪音、震動過大等現象，且外表溫度并不十分高，對于其內部的磨損情況及其它影響還有待進一步研究.

［1］ 魏龍.冷凍機油對壓縮式制冷系統的影響及選擇［J］.壓縮機技術，2001，170（6）：18－20.

［2］ 加藤忠紀，華志宏.冷凍機油與制冷劑［J］.家用電器科技，2000（2）：31－34.

［3］ 劉美靜，劉穎，王芳，等.一種改善空調器性能的新型極化冷凍油添加劑［C］∥2008年化工機械年會論文集.2008：511－514.

［4］ 李國云，王芳，劉穎.生物型添加劑對改善空調器性能的應用研究［J］.流體機械，2008，36（5）：54－57.

［5］ Wilkins C H T，Deceased J，Hammack C B，et al.Method and composition for improving the energy efficiency of heat pump systems：US，4963280［P］，1996－10－16.

［6］ Sgarbi A P，Barr T L.Air conditioning and refrigeration system using a calcium salt of dialkyl aromatic sulfonic acid：US，6 369 006B1［P］.2002－08－09.

［7］ 劉玉萍，姜憲國.極化冷凍油添加劑介紹［J］.制冷技術，2003（3）：62－63.