節能環保冰箱冷凍機油研制

張霞玲，王燕，王凱明，張美瓊

(中國石油克拉瑪依石化有限責任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

進入21世紀，隨著節能減排、消費升級、技術創新帶來的基礎設施升級等因素的推動，作為世界上電冰箱生產和消費大國之一，中國冰箱市場產品結構升級的趨勢更加明顯。在冰箱節能技術的設計方案中，最直接有效的節能方法是通過采用高效的壓縮機來實現節能。目前環保制冷劑R600a高效壓縮機多采用往復式壓縮機驅動，提高壓縮機性能系數對降低冰箱能耗具有重要意義。為了達到壓縮機節能增效的目的，采用黏度等級為5 mm2/s的低黏度冷凍機油(簡稱L-DRG5冷凍機油)來提高壓縮機的性能系數COP值。

現階段，國內制冷行業市場上流通的適用于環保制冷劑R600a高效壓縮機的冷凍機油主要是合成型油——烷基苯。專利文獻查詢結果也顯示：到目前為止，市場上還沒有L-DRG5礦物型冷凍機油產品，更沒有采用傳統礦物油制備L-DRG5冷凍機油的文獻報道。所以，為了緊跟市場需求，研制出L-DRG5礦物型冷凍機油極為迫切。

1 技術指標制訂

在制定技術指標的過程中，考慮到目前我國尚無L-DRG5冷凍機油國家標準，研制時參照了《冷凍機油》GB/T 16630-2012中對L-DRG系列冷凍機油產品的具體要求，結合公司生產實際情況和實驗室驗證，制定了L-DRG5冷凍機油技術性能指標。主要指標如表1所示。

表1 L-DRG5冷凍機油主要技術指標

表1(續)

從表1可以看出，研制油的研究難點在于選取合適的基礎油，通過優化結構組成一是解決基礎油黏度小、閃點要求高的矛盾；二是解決基礎油組成與熱穩定性之間的關系；三是解決油品與制冷劑R-600a的潤滑性匹配問題。

2 L-DRG5冷凍機油的研制

2.1 基礎油的選擇

冷凍機油主要性能：低溫流動性、閃點以及溶解性的優劣，都與油品的組成有密切的關系。而油品的烴組成結構則與油品的加工工藝、精制深度有直接關系，所以選擇合適的基礎油加工工藝是非常重要的。

根據表1產品技術指標的特點，考慮到生產裝置的可操作性以及油品性質的穩定性，基礎油主要采用不同工藝路線生產的低溫性能、黏溫性能、潤滑性能優良的潤滑油適宜餾分調合而成。調合后的基礎油與目前市場上使用的合成油(參比油)性質對比分析如表2所示。

表2 基礎油性質分析

由表2可以看出，通過平衡基礎油的黏度、低溫流動性(傾點、絮凝點)及溶解性的關系，調合后L-DRG5冷凍機油基礎油的性質均能滿足質量指標要求；低溫流動性(傾點、絮凝點)、閃點以及溶解性都與參比油相當。

2.2 添加劑配方研究

對于全封閉壓縮機來講，由于體積小，運行條件苛刻，所使用的冷凍機油在壓縮機中會經歷高、低溫的連續循環過程，為了保證油品的使用壽命和壓縮機的正常運行，所以要求油品具有好的潤滑性和穩定性。本研究采用抗氧化添加劑、抗磨添加劑、抗泡沫添加劑進行合理配伍，進一步提高冷凍機油的潤滑性和穩定性。

2.2.1 抗氧添加劑的評選

抗氧劑可以抑制油品氧化，在潤滑油中添加少量抗氧劑便可防止油品氧化，延長油品使用壽命。實驗室采用熱氧化穩定性試驗、差示掃描量熱法(DSC)考察抗氧劑對油品氧化性能的影響程度。

(1)考察抗氧劑對油品氧化性能的影響程度

本研究采用熱氧化穩定性試驗來考察添加不同類型抗氧劑對油品熱氧化穩定性的影響以及添加不同劑量酚型抗氧劑的油品抵抗氧化的能力，見圖1、圖2。其中，圖2為了在一張圖中將氧化后油品性質變化趨勢表現出來，將部分過小的數據進行不同程度的放大，圖2中“×100”和“×10”分別表示將試驗數據放大100倍和10倍。

圖1 不同類型抗氧劑對油品熱氧化安定性的影響

由圖1可以看出：不同類型抗氧劑對氧化油品的酸值均有不同程度的改善，尤其是酚型抗氧劑加入可以很大程度地降低氧化后油品的酸值。

圖2 酚型抗氧劑對油品熱氧化安定性的影響

由圖2可以看出添加酚型抗氧劑 A的油品抵抗氧化的能力，抗氧劑 A的加入不僅可以改善油品的顏色，降低氧化后油品的酸值，而且還可以減少氧化后油品的黏度變化。同時油品氧化后抗氧劑含量發生了變化，即油品氧化后抗氧劑都有不超過 20%的衰耗。

(2)差示掃描量熱法，考察抗氧劑的作用效果

差示掃描量熱法是一種熱分析技術, 主要利用在不同溫度和壓力下, 樣品與參比物熱電偶間的熱流量差來評價待測物質的氧化熱力學安定性。

本研究利用該方法考察抗氧劑 A的添加量對基礎油的抗氧化安定性能的影響，見圖3。

圖3 抗氧化劑加入量評選

由圖3可以看出，隨著抗氧劑 A添加量的增加,油品的氧化誘導期均隨之上升, 說明增加抗氧劑 A的濃度可以改善基礎油的氧化安定性。氧化誘導期曲線也充分說明抗氧劑0.3%的添加量可滿足經濟性的要求。考慮到油品氧化后抗氧劑有近 20% 的衰耗，優選抗氧劑A加入量0.4% 作為評價油品最經濟、合理的加入量。

2.2.2 抗磨添加劑的評選

隨著新型無氯制冷劑的使用及制冷壓縮機小型化及高效化的發展，新型無氯制冷劑R600a不能夠象含氟制冷劑R-12一樣提供加壓特性[1]，它與礦物油的溶解性非常好(根據相似相溶原理)，這種過度的溶解，降低油品的運動黏度和潤滑性，因此僅靠基礎油的潤滑性是不夠的。系統中的冷凍機油抗磨性能的保證必需依托添加劑性能給予補強。

實驗室采用法萊克斯(Falex)極壓負荷試驗、銅片腐蝕、化學穩定性試驗和四球機試驗，綜合評選合適的抗磨劑，同時考察抗磨劑的作用效果。見表3、表4。

表3 抗磨劑評選試驗結果

從表3分析結果看，不同類型抗磨劑在相同比例下，基礎油中加入抗磨劑 B，其抗腐蝕、化學穩定性和潤滑性都優于抗磨劑 C和D ；與參比油對比，抗磨劑 B在抗腐蝕、化學穩定性方面的表現與其相當。

表4 抗磨劑加入量評選試驗

從表4分析結果看，隨著抗磨劑添加量的增加, 油品的磨斑直徑逐漸減小, 說明增加抗磨劑的濃度強化了油品的潤滑性能。抗磨劑 B不小于0.8%的加入量可以滿足設備對油品潤滑性的要求。與表3參比油的對比，抗磨劑 B在潤滑性方面的表現與其相當。

2.2.3 抗泡添加劑的評選

潤滑油基礎油經過精制后仍會有少量極性物質殘留，這些極性物質和部分添加劑會使油品在循環潤滑系統中產生發泡現象，會影響潤滑油的泵送以及破壞油膜強度和穩定性，造成機器的磨損事故。抗泡劑的作用是抑制泡沫的產生，以免形成穩定的泡沫[2]。實驗室采用泡沫傾向/穩定性試驗進行抗泡劑的評選。在基礎油中，添加不同類型的抗泡劑，考察其對基礎油抗泡性的影響，見圖4、表5。

圖4 抗泡劑評選試驗結果

從圖4測試結果看，基礎油和含有抗氧劑、抗磨劑的基礎油的高溫發泡傾向性不大，低溫區抗泡傾向性較差；E、G、H抗泡劑對油品的低溫抗泡性能改善不大，F抗泡劑對油品的低溫抗泡沫傾向影響較大，能夠滿足油品對抗泡沫傾向的要求。

表5 抗泡劑含量與抗泡性能的關系

從表 5分析結果看，基礎油在加入不同劑量抗泡劑 F后，其抗泡沫傾向和穩定性有不同程度的降低，對比進口參比油的抗泡性能，當抗泡劑 F加入6 μg/g 時的抗泡沫傾向和穩定性改善效果最佳，與參比油相當。

3 研制油品性能評價

根據實驗室的研究結果，利用公司現有的潤滑油基礎油組分，采用調合工藝制備產品小樣進行綜合性能評價，見表6。

表6 L-DRG5冷凍機油產品性能

由表6可以看出，研制產品L-DRG5冷凍機油性能與參比油相當。其理化性質均能滿足研制指標的要求。為了進一步比較研制產品與參比油的性能差異，對實驗室貯存穩定性及高溫成焦性兩方面進行了油品模擬性能的對比，見圖5和圖6。圖5為研制油品與參比油的貯存穩定性試驗對比，圖6為研制油品與參比油的高溫成焦性試驗對比。

從圖5和圖6可以看出：(1)常溫條件下敞口放置30天后，研制油品的顏色變化與參比油相當，貯存穩定性優良；(2)高溫成焦性，采用成焦板斜板間歇模式進行試驗(金屬鋁板溫400 ℃，間歇式(開4 min，停4 min)、運行100 min)試驗后試驗板成漆成膠傾向顯示研制油品高溫成焦傾向性小且與參比油相當。

參比油 研制油品

參比油 研制油品

4 應用評價結果

冷凍機油的綜合性能，需要在壓縮機上進一步考察油品在壓縮機上的工作可靠性和耐久性。研制產品L-DRG5冷凍機油已由國內知名冰箱壓縮機廠完成壓縮機壽命臺架試驗。研制油與壓縮機材料(橡膠件、引出線組件、綁線、聚酯薄膜、漆包線)相容性試驗后未出現絮狀物析出；在機型ESD 80AL上50萬次開停機、500 h加速壽命、2000 h加速壽命均測試合格。試驗評價結果表明：L-DRG5冷凍機油的各項指標均能滿足專用壓縮機標準工況的要求。其能效比與在用油的水平相當。同時也證明了在解決了低黏度油品的抗磨性能的前提下，礦物型L-DRG5冷凍機油是可以應用在新型節能冰箱壓縮機上面。

5 結論

(1)采用加氫組合工藝生產的適宜潤滑油基礎油，通過調整基礎油組成構成、優化添加劑復配方案等方式，可以研制并生產滿足以碳氫工質異丁烷(R600a)為制冷介質的高效壓縮機用油。

(2) 實際使用試驗驗證：L-DRG5冷凍機油各項性能指標完全可以滿足以碳氫工質異丁烷(R600a)為制冷介質的高效壓縮機系統的實際使用工況，并實現工業化生產和應用，市場前景廣闊。