制冷劑R134a 與R 潤滑油互溶特性的探討

艾愛

長江勘測規劃設計研究有限責任公司工程咨詢公司

0 引言

制冷劑是制冷系統中完成制冷循環所必需的工作介質，而用于制冷壓縮機內各運動部件潤滑的油，稱為冷凍油，又稱潤滑油。在壓縮機循環中，冷凍油主要起潤滑，密封，降溫以及能量調節四個作用。目前出于對臭氧層的保護需求，國際上對空調設備的制冷劑都做了限制，出現了各種替代制冷劑，其冷凍油也相應發生了變化[1]。對空調替代制冷劑為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）二醇類潤滑油。其中，POE 油不僅能良好地用于HFC 類制冷劑系統中，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中的潤滑油[2]。

美國某品牌R 潤滑油是HFC 型不破壞臭氧層的環保制冷劑的合成多元醇脂類冷凍機油（POE）。本文以該潤滑油為例，與目前常用的空調制冷劑R134a 進行不同比例的混合并進行實驗，實驗方法參照了SHT0699-2000 冷凍機油與制冷劑相溶性試驗法，希望通過對各混合潤滑油比例下二者的互溶性、蒸汽壓值、溫度變化等的研究，討論該潤滑油與R134a 的相對經濟適用混合比例。

1 實驗裝置及原理

1.1 實驗設備

本實驗在封閉的環境室內進行，主要的設備及參數規格說明如下：

1）冷源：采用了單級壓縮蒸汽制冷系統；

2）熱源：采用了電熱器的方式；

3）實驗用高壓試管（玻璃），規格為φ2.5×20cm；

4）T 型熱電偶，用于測量混合物的溫度；

5）壓力傳感器，用于測量混合物的飽和蒸汽壓力（誤差精度：±0.1%）；

6）旋轉馬達，主要用于保證玻璃管實現一定角度和速度的均勻搖動，且馬達轉數可調；

7）模數轉換器（A/D），用于將測得的壓力和溫度模擬信號轉換成數字信號輸出到計算機；

8）計算機，接受和處理測得的實驗數據；

9）溫度控制器，用于控制實驗樣品和控制室之間的溫差。

1.2 實驗簡述

實驗主要有三個系統[3]組成：普通單級蒸汽壓縮式制冷系統和電加熱系統，用以給環境室內提供實驗的冷熱量，另一個為數據采集與處理系統，還有旋轉馬達和玻璃試管，其中試驗玻璃管必須耐高壓和能承受實驗所需的溫度變化范圍，本實驗采用了耐壓20bar，可在-40 ℃～200 ℃溫度范圍內使用的鋼化玻璃試管，旋轉馬達可增加混合液體的擾動，壓力傳感器可測量試管內混合物的蒸汽壓力，按照作用原理有電阻應變式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器等，本實驗采用了電容式，其具有結構簡單、所需輸入量小、能在惡劣環境下工作等優點。圖1 為實驗裝置原理示意圖，圖2 為實驗裝置現場示意圖。

圖1 實驗裝置原理示意圖

圖2 實驗裝置現場示意圖

模數轉換器用于把溫度、壓力的模擬信號轉換成數字信號傳送給數據處理和控制中心（即計算機），數據采集與處理系統采用了GENIE 軟件編制的程序界面來測試相應的數據，編程語言為C/C++。

1.3 實驗程序

1.3.1 儀器校正

測量前需對熱電偶和壓力傳感器進行校正，具體參見儀表校正相關要求及規范。

1.3.2 裝置檢漏

測試前需對試管進行清潔處理，并進行氣密性試驗，具體可分為耐壓性，氣密性以及真空試驗幾個步驟，試驗過程及結果需滿足相關試驗的規范和本實驗的參數要求。

1.3.3 實驗過程

具體實驗過程如下：

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

2）為排出潤滑油中蒸發出來的水汽，需再次對試管抽真空。由于不論是PAG 還是POE 等潤滑油均具有較高的吸濕性，因此在操作時應盡量保證它們不與空氣接觸。

3）制冷劑R134a 通過一個小管和試管連接，連接管可通過放掉少量制冷劑的方式已排除空氣，并使試管內制冷劑液體達到試驗要求位置（充液量通過電子秤稱量）。

4）玻璃管和一個旋轉馬達裝置相連，可保證增加混合液體的擾動，以使試驗測得的溫度和壓力數據盡量接近相應熱力狀態。

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，試驗管內和控制室間的溫差（5～8 ℃）由溫度控制器控制。在各種溫度下做試驗，并記錄混合物相應的飽和蒸汽壓力以及融合狀態。

為保證實驗數據的有效性，可以增加控制室的溫度至略高于實驗的最高溫度，當控制室的溫度下降時，開始記錄測量數據。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

2.1.1 美國R 潤滑油與R134a 的互溶性

實驗中考慮制冷劑與潤滑油的常規融合比例分別按照5%、10%、15%、20%、25%的比例進行了互溶性試驗，互溶性結果如圖3 所示：

圖3 潤滑油R 在不同比例下與R134a 的互溶性

由圖3 可知，R 潤滑油與R134a 分別以5%，10%，15%，20%，25%的比例進行混合，并在相同壓力調節下調整溫度值。當R 潤滑油比例為5%時，R134a 在低溫-33 ℃時能夠與R 潤滑油進行良好融合。當R 潤滑油比例為10%時，R134a 在低溫-26 ℃時能夠與R 潤滑油進行良好融合。當R 潤滑油比例超過15%時，二者良好融合的溫度開始呈現下降趨勢，即在低溫工況下，R 潤滑油與R134a 能夠進行良好融合的最低溫度為-20 ℃，超過該溫度則二者融合性明顯變差。

2.1.2 不同比例潤滑油的蒸汽壓力-溫度關系

根據實驗的測量數據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，混合溶液蒸發壓力與溫度成正比關系，即隨著溫度的增加蒸發壓力呈上升趨勢。R 潤滑油比例越高，則在相同的蒸發溫度下混合溶液蒸發壓力越低，冷機效率也就越低。

2.2 實驗分析

制冷劑與潤滑油的互溶特性在實際制冷循環中對換熱等均有影響，如溶合特性良好，則有二點優勢：

1）在換熱器表面不會形成油膜，從而避免了油膜對傳熱的不利影響。

2）潤滑油溶解于制冷劑是其凝固點降低，這對于低溫系統是有利的，潤滑油可隨制冷劑一起滲透到壓縮機的各個部位，形成良好的潤滑條件，從冷凝器、蒸發器向壓縮機好回油等；

但與此同時也存在一定缺點：

1）在壓縮機長期停車后，制冷工質大量從潤滑油中逸出，是潤滑油沸騰起泡，形成“奔油”現象，使油壓難以建立。

2）潤滑油枯度降低，導致潤滑油表面油膜太薄或形不成油膜而影響其潤滑作用。

本次實驗可以看到：在同一蒸發壓力條件下例如10 bar 時，R 潤滑油90%混合比下，混合物的蒸發溫度已超過80 ℃，而30%混合比下，混合物的蒸發溫度僅為40 ℃。因此R 潤滑油與制冷劑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 潤滑油越多，則蒸發溫度約高，溶解的R 潤滑油越少則蒸發溫度越低，因此在相同的蒸發溫度下，其相應的蒸發壓力比純R134a制冷劑低，將會導致壓縮機制冷量下降。

根據實驗結果，在低溫工況下，R 潤滑油與R134a能夠進行良好融合的最低溫度為-20 ℃，且在良好互溶狀態時，能夠有利傳熱并形成良好的潤滑條件，但若潤滑油比例過高，則蒸發壓力會下降從而導致制冷能力下降，因此，需要選擇合適的混合比例，一方面可以形成良好的潤滑油條件，另一方面又需要盡量避免降低制冷能力，實驗結果證明了R 潤滑油的混合比不宜過大，否則對制冷劑R134a 的蒸發壓力影響較大，不利于制冷功效的實現。

對于建筑民用空調系統，制冷機壓縮機常規蒸發溫度大約在3 ℃-4 ℃，在低溫工況下大約在-4～-1 ℃。結合R 潤滑油與R134a 的溶合研究以及蒸發壓力等的研究結論。當R 潤滑油的配比在5%～15%時均可滿足壓縮機的性能要求。在具體比例的選擇上，若混合比例偏小，則可能導致黏度太小，不利于形成油膜或油膜強度太低，潤滑條件將會不利，最終會加速機械磨損，甚至發生汽缸拉毛、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，會導致混合液黏度太大，從而導致制冷壓縮機耗功增加，制冷能力下降。因此潤滑油的混合比在實際運行中需要結合具體壓縮機的性能要求進行綜合考量，從經濟使用角度可考慮R 潤滑油與R134a 的混合比為10%。

3 結論

本文對冷機系統中的制冷劑與潤滑油的混合溶液進行了相關探討，在制冷主機系統中，潤滑油的選擇在很大程度上會影響冷機的制冷效率[5]，因此需要綜合考量，常規潤滑油的選擇需要考慮幾個方面的因素：①壓縮機類型；②制冷劑類型；③制冷劑的蒸發溫度；④制冷機的工作條件或需求；例如螺桿機轉速高，排氣溫度高因此需要的潤滑油要求粘度比較高，用以滿足高速高溫工況。如R134a 屬于環保制冷劑，必須采用合成潤滑油。本文分析并討論了潤滑油的相關特性，以及與制冷劑互溶特性對制冷系統的影響，并以美國R 潤滑油為例，研究了該潤滑油與環保冷媒R134a 的互溶特性，并比較了在不同比例下該潤滑油與R134a 的混合溶液的相關特性參數，得出了R 潤滑油與R134a 混合配比參數與蒸發壓力、蒸發溫度等相關因素的關系，由此得出對于民用建筑空調系統中的商用壓縮機而言，推薦的R 潤滑油與R134a 制冷劑配比為5%-15%以內。由于不同潤滑油的相關特性參數不同，且合成潤滑油因構成成分不同也會導致特性參數差異，在制冷劑與潤滑油的配比上建議根據實際項目的壓縮機類型以及蒸發溫度要求等因素進行綜合考量。