制冷劑R134a 與R 潤(rùn)滑油互溶特性的探討

艾愛(ài)

長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司工程咨詢公司

0 引言

制冷劑是制冷系統(tǒng)中完成制冷循環(huán)所必需的工作介質(zhì)，而用于制冷壓縮機(jī)內(nèi)各運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑的油，稱為冷凍油，又稱潤(rùn)滑油。在壓縮機(jī)循環(huán)中，冷凍油主要起潤(rùn)滑，密封，降溫以及能量調(diào)節(jié)四個(gè)作用。目前出于對(duì)臭氧層的保護(hù)需求，國(guó)際上對(duì)空調(diào)設(shè)備的制冷劑都做了限制，出現(xiàn)了各種替代制冷劑，其冷凍油也相應(yīng)發(fā)生了變化[1]。對(duì)空調(diào)替代制冷劑為R134a、R410a、R407c，其冷凍油分別采用PAG、POE。POE 是Polyol Ester 的縮寫，又稱聚酯油，它是一類合成的多元醇酯類油。PAG 是Polyalkylene Glycol 的縮寫，是一種合成的聚（乙）二醇類潤(rùn)滑油。其中，POE 油不僅能良好地用于HFC 類制冷劑系統(tǒng)中，也能用于烴類制冷。PAG油則可用HFC 類，烴類和氨作為制冷劑的制冷系統(tǒng)中的潤(rùn)滑油[2]。

美國(guó)某品牌R 潤(rùn)滑油是HFC 型不破壞臭氧層的環(huán)保制冷劑的合成多元醇脂類冷凍機(jī)油（POE）。本文以該潤(rùn)滑油為例，與目前常用的空調(diào)制冷劑R134a 進(jìn)行不同比例的混合并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法參照了SHT0699-2000 冷凍機(jī)油與制冷劑相溶性試驗(yàn)法，希望通過(guò)對(duì)各混合潤(rùn)滑油比例下二者的互溶性、蒸汽壓值、溫度變化等的研究，討論該潤(rùn)滑油與R134a 的相對(duì)經(jīng)濟(jì)適用混合比例。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)在封閉的環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行，主要的設(shè)備及參數(shù)規(guī)格說(shuō)明如下：

1）冷源：采用了單級(jí)壓縮蒸汽制冷系統(tǒng)；

2）熱源：采用了電熱器的方式；

3）實(shí)驗(yàn)用高壓試管（玻璃），規(guī)格為φ2.5×20cm；

4）T 型熱電偶，用于測(cè)量混合物的溫度；

5）壓力傳感器，用于測(cè)量混合物的飽和蒸汽壓力（誤差精度：±0.1%）；

6）旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，主要用于保證玻璃管實(shí)現(xiàn)一定角度和速度的均勻搖動(dòng)，且馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)可調(diào)；

7）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D），用于將測(cè)得的壓力和溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)；

8）計(jì)算機(jī)，接受和處理測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

9）溫度控制器，用于控制實(shí)驗(yàn)樣品和控制室之間的溫差。

1.2 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述

實(shí)驗(yàn)主要有三個(gè)系統(tǒng)[3]組成：普通單級(jí)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)，用以給環(huán)境室內(nèi)提供實(shí)驗(yàn)的冷熱量，另一個(gè)為數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，還有旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和玻璃試管，其中試驗(yàn)玻璃管必須耐高壓和能承受實(shí)驗(yàn)所需的溫度變化范圍，本實(shí)驗(yàn)采用了耐壓20bar，可在-40 ℃～200 ℃溫度范圍內(nèi)使用的鋼化玻璃試管，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)可增加混合液體的擾動(dòng)，壓力傳感器可測(cè)量試管內(nèi)混合物的蒸汽壓力，按照作用原理有電阻應(yīng)變式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器等，本實(shí)驗(yàn)采用了電容式，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需輸入量小、能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)。圖1 為實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖，圖2 為實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)示意圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)示意圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于把溫度、壓力的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理和控制中心（即計(jì)算機(jī)），數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用了GENIE 軟件編制的程序界面來(lái)測(cè)試相應(yīng)的數(shù)據(jù)，編程語(yǔ)言為C/C++。

1.3 實(shí)驗(yàn)程序

1.3.1 儀器校正

測(cè)量前需對(duì)熱電偶和壓力傳感器進(jìn)行校正，具體參見(jiàn)儀表校正相關(guān)要求及規(guī)范。

1.3.2 裝置檢漏

測(cè)試前需對(duì)試管進(jìn)行清潔處理，并進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，具體可分為耐壓性，氣密性以及真空試驗(yàn)幾個(gè)步驟，試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果需滿足相關(guān)試驗(yàn)的規(guī)范和本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)要求。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

1）相關(guān)清潔工作結(jié)束后，將試管中充注R 潤(rùn)滑油至所需要的量（采用電子秤稱量）。

2）為排出潤(rùn)滑油中蒸發(fā)出來(lái)的水汽，需再次對(duì)試管抽真空。由于不論是PAG 還是POE 等潤(rùn)滑油均具有較高的吸濕性，因此在操作時(shí)應(yīng)盡量保證它們不與空氣接觸。

3）制冷劑R134a 通過(guò)一個(gè)小管和試管連接，連接管可通過(guò)放掉少量制冷劑的方式已排除空氣，并使試管內(nèi)制冷劑液體達(dá)到試驗(yàn)要求位置（充液量通過(guò)電子秤稱量）。

4）玻璃管和一個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)裝置相連，可保證增加混合液體的擾動(dòng)，以使試驗(yàn)測(cè)得的溫度和壓力數(shù)據(jù)盡量接近相應(yīng)熱力狀態(tài)。

5）用溫度控制室的電加熱器和制冷裝置改變溫度控制室的溫度，試驗(yàn)管內(nèi)和控制室間的溫差（5～8 ℃）由溫度控制器控制。在各種溫度下做試驗(yàn)，并記錄混合物相應(yīng)的飽和蒸汽壓力以及融合狀態(tài)。

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，可以增加控制室的溫度至略高于實(shí)驗(yàn)的最高溫度，當(dāng)控制室的溫度下降時(shí)，開始記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 美國(guó)R 潤(rùn)滑油與R134a 的互溶性

實(shí)驗(yàn)中考慮制冷劑與潤(rùn)滑油的常規(guī)融合比例分別按照5%、10%、15%、20%、25%的比例進(jìn)行了互溶性試驗(yàn)，互溶性結(jié)果如圖3 所示：

圖3 潤(rùn)滑油R 在不同比例下與R134a 的互溶性

由圖3 可知，R 潤(rùn)滑油與R134a 分別以5%，10%，15%，20%，25%的比例進(jìn)行混合，并在相同壓力調(diào)節(jié)下調(diào)整溫度值。當(dāng)R 潤(rùn)滑油比例為5%時(shí)，R134a 在低溫-33 ℃時(shí)能夠與R 潤(rùn)滑油進(jìn)行良好融合。當(dāng)R 潤(rùn)滑油比例為10%時(shí)，R134a 在低溫-26 ℃時(shí)能夠與R 潤(rùn)滑油進(jìn)行良好融合。當(dāng)R 潤(rùn)滑油比例超過(guò)15%時(shí)，二者良好融合的溫度開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即在低溫工況下，R 潤(rùn)滑油與R134a 能夠進(jìn)行良好融合的最低溫度為-20 ℃，超過(guò)該溫度則二者融合性明顯變差。

2.1.2 不同比例潤(rùn)滑油的蒸汽壓力-溫度關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)可以繪制不同混合比例下的混合物的蒸汽壓力-溫度變化曲線如圖4 所示：

圖4 潤(rùn)滑油R 在不同比例下與R134a混合的蒸汽壓力-溫度變化曲線

由圖4 可知，混合溶液蒸發(fā)壓力與溫度成正比關(guān)系，即隨著溫度的增加蒸發(fā)壓力呈上升趨勢(shì)。R 潤(rùn)滑油比例越高，則在相同的蒸發(fā)溫度下混合溶液蒸發(fā)壓力越低，冷機(jī)效率也就越低。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

制冷劑與潤(rùn)滑油的互溶特性在實(shí)際制冷循環(huán)中對(duì)換熱等均有影響，如溶合特性良好，則有二點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）在換熱器表面不會(huì)形成油膜，從而避免了油膜對(duì)傳熱的不利影響。

2）潤(rùn)滑油溶解于制冷劑是其凝固點(diǎn)降低，這對(duì)于低溫系統(tǒng)是有利的，潤(rùn)滑油可隨制冷劑一起滲透到壓縮機(jī)的各個(gè)部位，形成良好的潤(rùn)滑條件，從冷凝器、蒸發(fā)器向壓縮機(jī)好回油等；

但與此同時(shí)也存在一定缺點(diǎn)：

1）在壓縮機(jī)長(zhǎng)期停車后，制冷工質(zhì)大量從潤(rùn)滑油中逸出，是潤(rùn)滑油沸騰起泡，形成“奔油”現(xiàn)象，使油壓難以建立。

2）潤(rùn)滑油枯度降低，導(dǎo)致潤(rùn)滑油表面油膜太薄或形不成油膜而影響其潤(rùn)滑作用。

本次實(shí)驗(yàn)可以看到：在同一蒸發(fā)壓力條件下例如10 bar 時(shí)，R 潤(rùn)滑油90%混合比下，混合物的蒸發(fā)溫度已超過(guò)80 ℃，而30%混合比下，混合物的蒸發(fā)溫度僅為40 ℃。因此R 潤(rùn)滑油與制冷劑R134a 互溶的溶液，其特性是偏離純R134a 制冷劑特性的[4]：即在相同的壓力下R134a 制冷劑溶解的R 潤(rùn)滑油越多，則蒸發(fā)溫度約高，溶解的R 潤(rùn)滑油越少則蒸發(fā)溫度越低，因此在相同的蒸發(fā)溫度下，其相應(yīng)的蒸發(fā)壓力比純R134a制冷劑低，將會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)制冷量下降。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在低溫工況下，R 潤(rùn)滑油與R134a能夠進(jìn)行良好融合的最低溫度為-20 ℃，且在良好互溶狀態(tài)時(shí)，能夠有利傳熱并形成良好的潤(rùn)滑條件，但若潤(rùn)滑油比例過(guò)高，則蒸發(fā)壓力會(huì)下降從而導(dǎo)致制冷能力下降，因此，需要選擇合適的混合比例，一方面可以形成良好的潤(rùn)滑油條件，另一方面又需要盡量避免降低制冷能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了R 潤(rùn)滑油的混合比不宜過(guò)大，否則對(duì)制冷劑R134a 的蒸發(fā)壓力影響較大，不利于制冷功效的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于建筑民用空調(diào)系統(tǒng)，制冷機(jī)壓縮機(jī)常規(guī)蒸發(fā)溫度大約在3 ℃-4 ℃，在低溫工況下大約在-4～-1 ℃。結(jié)合R 潤(rùn)滑油與R134a 的溶合研究以及蒸發(fā)壓力等的研究結(jié)論。當(dāng)R 潤(rùn)滑油的配比在5%～15%時(shí)均可滿足壓縮機(jī)的性能要求。在具體比例的選擇上，若混合比例偏小，則可能導(dǎo)致黏度太小，不利于形成油膜或油膜強(qiáng)度太低，潤(rùn)滑條件將會(huì)不利，最終會(huì)加速機(jī)械磨損，甚至發(fā)生汽缸拉毛、抱軸等故障，密封性也較差，容易造成制冷劑泄漏等。若混合比例偏大，會(huì)導(dǎo)致混合液黏度太大，從而導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)耗功增加，制冷能力下降。因此潤(rùn)滑油的混合比在實(shí)際運(yùn)行中需要結(jié)合具體壓縮機(jī)的性能要求進(jìn)行綜合考量，從經(jīng)濟(jì)使用角度可考慮R 潤(rùn)滑油與R134a 的混合比為10%。

3 結(jié)論

本文對(duì)冷機(jī)系統(tǒng)中的制冷劑與潤(rùn)滑油的混合溶液進(jìn)行了相關(guān)探討，在制冷主機(jī)系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油的選擇在很大程度上會(huì)影響冷機(jī)的制冷效率[5]，因此需要綜合考量，常規(guī)潤(rùn)滑油的選擇需要考慮幾個(gè)方面的因素：①壓縮機(jī)類型；②制冷劑類型；③制冷劑的蒸發(fā)溫度；④制冷機(jī)的工作條件或需求；例如螺桿機(jī)轉(zhuǎn)速高，排氣溫度高因此需要的潤(rùn)滑油要求粘度比較高，用以滿足高速高溫工況。如R134a 屬于環(huán)保制冷劑，必須采用合成潤(rùn)滑油。本文分析并討論了潤(rùn)滑油的相關(guān)特性，以及與制冷劑互溶特性對(duì)制冷系統(tǒng)的影響，并以美國(guó)R 潤(rùn)滑油為例，研究了該潤(rùn)滑油與環(huán)保冷媒R134a 的互溶特性，并比較了在不同比例下該潤(rùn)滑油與R134a 的混合溶液的相關(guān)特性參數(shù)，得出了R 潤(rùn)滑油與R134a 混合配比參數(shù)與蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度等相關(guān)因素的關(guān)系，由此得出對(duì)于民用建筑空調(diào)系統(tǒng)中的商用壓縮機(jī)而言，推薦的R 潤(rùn)滑油與R134a 制冷劑配比為5%-15%以內(nèi)。由于不同潤(rùn)滑油的相關(guān)特性參數(shù)不同，且合成潤(rùn)滑油因構(gòu)成成分不同也會(huì)導(dǎo)致特性參數(shù)差異，在制冷劑與潤(rùn)滑油的配比上建議根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的壓縮機(jī)類型以及蒸發(fā)溫度要求等因素進(jìn)行綜合考量。