制冷劑與新型冷凍機油的互溶性研究

曹 昕 袁 鵬

(南京威爾藥業(yè)集團股份有限公司，江蘇 南京 210047)

制冷劑又稱為冷媒、制冷工質(zhì)等。1805年Oliver Evans第一次采用蒸發(fā)壓縮制冷以來，傳熱工質(zhì)先后采用了氨、二氧化碳、氯甲烷、異丁烷等，制冷劑在20世紀得到了飛速發(fā)展。科技的發(fā)展伴隨著環(huán)境的破壞，1985年英國南極探測局公開了觀察到的“臭氧空洞”現(xiàn)象，隨之同年的《維也納公約》和1987年的《蒙特利爾議定書》規(guī)定全球共同努力保護臭氧層，而臭氧層破壞潛能(ODP)較高的制冷劑也逐漸被限制使用并逐年淘汰。現(xiàn)代家用商用制冷劑ODP值由高到低分別為CFC類、HCFC類和HFC類。我國已于2006年完全禁用了CFC類，HCFC類中表現(xiàn)出色的R22也在逐步淘汰，HFC類將長期作為我國制冷劑替代品出現(xiàn)在家用商用設(shè)備上。

冷凍機油是一種專用潤滑油，主要用于制冷壓縮機的密封和潤滑，制冷系統(tǒng)中冷凍機油不可避免的接觸制冷劑，高質(zhì)量的冷凍機油除了優(yōu)異的粘溫性能、潤滑性能、氧化安定性和化學(xué)穩(wěn)定性外，與制冷劑的互溶性尤為重要。現(xiàn)有冷凍機油主要分為礦物油、PAG油和POE油等，這些基礎(chǔ)油各有所長，而針對HFC類制冷劑礦物油互溶性較差，PAG油電絕緣性遜于POE油，因此諸如家用冰箱和空調(diào)等設(shè)備更傾向于POE油。我國正處在制冷劑的替換階段，新品種制冷劑配套的冷凍機油的發(fā)展影響著壓縮機的壽命甚至整個制冷系統(tǒng)的能耗，作為空調(diào)冰箱銷售使用大國，冷凍機油的國產(chǎn)化顯得尤為重要。[1-5]

1 試驗部分

1.1 主要試劑及裝置

制冷劑R32(科慕)、制冷劑R134a(科慕)、混合制冷劑R507(科慕)、冷凍機基礎(chǔ)油POE68-Ⅰ(自制)、冷凍機基礎(chǔ)油POE68-Ⅱ(自制)、市售冷凍機油POE68、冷凍機基礎(chǔ)油POE150-Ⅰ(自制)、冷凍機基礎(chǔ)油POE150-Ⅱ(自制)、市售冷凍機油POE150等。

1.2 試驗?zāi)康?/h3>

試驗選用的制冷劑均是符合《蒙特利爾議定書》所要求的低ODP值的制冷劑，它們均屬于HFC類。其性能參數(shù)如表1。

在HFC類制冷劑ODP值為0的基礎(chǔ)上，首先考慮安全性上選用無毒品，除R32具有微可燃性外其它兩種均屬于不可燃氣體。選擇的三種制冷劑在我國已廣泛用于或具有潛力使用于家用和商用制冷設(shè)備中。被替代型號也均是往年熱門制冷劑，但已被淘汰或?qū)⒈惶蕴?/p>

表1 制冷劑的性能參數(shù)

我們選用自制的冷凍機基礎(chǔ)油，同牌號下它們出自兩種不同的工藝，選用較具代表性的POE-68和混合基礎(chǔ)油POE150。自制油均滿足我國GB/T 16630—2012《冷凍機油》所提出的各項技術(shù)指標(biāo)，自制油主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.3 試驗步驟

制冷劑和冷凍機油的互溶評價試驗系統(tǒng)主要由試管本體、沸水浴、真空泵、低溫浴、灌氟裝置組成。試管經(jīng)充分洗凈晾干后，用長頭針管注入1 mL冷凍機油，試管管口用法蘭與針型閥一端相連，針型閥另一端通過導(dǎo)管與真空泵相連，并確認全系統(tǒng)負壓試壓無泄漏；熱浴100 ℃真空脫水30 min；將針型閥密閉，試管自然冷卻至室溫，置于低溫浴槽中，緩慢降溫至-80 ℃；切換針型閥另一端至制冷劑鋼瓶，經(jīng)灌氟裝置充入制冷劑于試管刻度處；旋緊針型閥，拆除導(dǎo)管，程序升溫至0 ℃；將試管取出，緩慢搖勻，放回低溫浴槽中；程序降溫由25 ℃至～80 ℃，觀察并記錄降溫過程中，絮凝點(初始產(chǎn)生絮狀物)的溫度值以及兩相分離溫度值。[6、7]

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 與制冷劑的互溶性對比

冷凍機油和制冷劑的互溶性是評價冷凍機油的關(guān)鍵指標(biāo)之一，一般我們選用絮凝點來對其進行判斷。冷凍機油的主要功能是潤滑摩擦面，帶走摩擦熱，保證密封部件的密封性能等，這些都是保證壓縮機可以正常運轉(zhuǎn)并提高其壽命的關(guān)鍵點。若在制冷系統(tǒng)中選用了不適合工況的冷凍機油和制冷劑組合，會影響制冷系統(tǒng)工作甚至?xí)龎膲嚎s機等重要部件。將四種自制基礎(chǔ)油和兩種市售油分別與制冷劑進行互溶性對比，我們均以含油率10%的情況進行同步評價，絮凝點及兩相分離溫度值結(jié)果見表3和表4。

六種測試冷凍機油和三種制冷劑一一對應(yīng)絮凝

點及兩相分離溫度值趨勢較一致，POE/R32體系互溶效果較差，POE/R134a體系互溶效果能夠滿足部分工況要求，POE/R507體系互溶效果較好能夠滿足絕大多數(shù)制冷系統(tǒng)。組合內(nèi)比較，工藝二所合成的基礎(chǔ)油優(yōu)于工藝一，且兩種工藝所生產(chǎn)的基礎(chǔ)油均優(yōu)于市售冷凍機油。

表3 絮凝點測定結(jié)果(℃)

表4 兩相分離溫度值測定結(jié)果(℃)

2.2 穩(wěn)定性評價對比

冷凍機油穩(wěn)定性評價采用SH/T0104標(biāo)準(zhǔn)分析方法，也稱為菲利普試驗。將四種自制基礎(chǔ)油分別與制冷劑按1∶1的比例加入試管中，模擬制冷系統(tǒng)高低交替循環(huán)于180 ℃與40 ℃之間，試驗時間為一周。每天觀察并記錄有無閃銀光冷凝液滴。[8]試驗結(jié)束后用硝酸銀-甲醇溶液定性分析并取樣檢測酸值后，確認四種自制基礎(chǔ)油均未發(fā)生白色沉淀且酸值無變化，因此說明四種自制基礎(chǔ)油與R32、R134a、R507三種制冷劑混合后均具有較為良好的穩(wěn)定性。

2.3 化學(xué)穩(wěn)定性評價對比

化學(xué)穩(wěn)定性也是冷凍機油的關(guān)鍵指標(biāo)之一，因為在制冷系統(tǒng)中冷凍機油常需要承受170 ℃左右的極端溫度，在高溫和金屬的催化下，冷凍機油會酸化或炭化，這些會導(dǎo)致制冷系統(tǒng)部分管道堵塞。將四種自制基礎(chǔ)油分別與制冷劑按1∶1的比例加入耐壓試管中，并適量加入鐵、銅催化劑，熔封。放入175 ℃中老化2周，取出密封試管，觀察混合液外觀。[9]四種自制基礎(chǔ)油與制冷劑混合后在雜質(zhì)存在下經(jīng)過老化，外觀與原樣保持一致，經(jīng)過濾并脫除制冷劑后酸值無變化，表明自制基礎(chǔ)油與制冷劑R134a及R22均有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可以用于選用R32、R134a和R507作為制冷劑的制冷系統(tǒng)中。

3 結(jié)論

本文主要評價了兩種牌號的兩種工藝的自制基礎(chǔ)油和市售成品油與三種制冷劑的互溶性，除R32/POE體系互溶性較差外，R507/POE體系互溶性最好，R134a/POE體系次之。在制冷系統(tǒng)設(shè)計選油時，本文對用油量的確認，設(shè)備的選型，管道及回油裝置排布等提供了數(shù)據(jù)支持，使POE冷凍機油在HFC類制冷劑的工況下能夠得到更廣泛的應(yīng)用。