R513A與潤滑油的互溶性及材料兼容性實驗研究

陳思亦，楊昭*，馬海云，段鈞晨，陳裕博

（1-天津大學機械工程學院，天津 300350；2-丹佛斯（天津）有限公司，天津 300350）

0 引言

21世紀是飛速變遷的時代，人類社會飛速發(fā)展的同時，環(huán)境問題日益凸顯，成為了不容忽視的問題?，F(xiàn)在廣泛使用的氫氟烴（HFCs）類制冷劑雖然解決了臭氧消耗潛值（Ozone Depletion Potential，ODP）過高的問題，但是仍然存在全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）過高的問題[1]。2016年10月15日，國際社會于非洲盧旺達簽署了《蒙特利爾議定書-基加利修正案》[2-5]，對制冷劑的選擇使用有了進一步的要求?！盎永拚浮币延?019-01-01 正式生效，該修正案要求發(fā)展中國家在2024—2028年期間減少直到凍結HFCs 的使用，中國作為發(fā)展中國家的一員承諾將于2021年開始實施修正案的內容。

R513A 是由R134a 和R1234yf 以質量分數(shù)比44:56 組合而成，是一種共沸制冷劑。這兩者的組合，R134a 可以削弱R1234yf 的弱可燃性[6-8]；而R1234yf 的GWP 僅有4，可以綜合R134a 較高的GWP。R513A 的GWP 僅為631，是一種良好的過渡制冷劑。目前在國外研究中，PAVEL 等[9]比較了R450A 和R513A 的循環(huán)性能研究，結果表明R513A具有更好的循環(huán)性能。此外還有大量國外學者，針對R513A 替代R134a 的可行性進行分析，在對膨脹閥進行調節(jié)后，可以實現(xiàn)制冷劑的替代[10-12]。在國內研究中，艾愛[13]對R134a 與潤滑油互溶性進行研究。于榮等[14]對R1234yf 與潤滑油的仿真性能記性分析。汪青青等[15]、張亞國等[16]、趙盼盼等[17]對HFO 類制冷劑及R134a 在汽車空調的循環(huán)性能進行了研究。張治平等[18]對R513A 替代R134a 的可行性進行分析。

上述研究集中在傳熱性能、系統(tǒng)循環(huán)上，但是還有其他關鍵性的技術問題的數(shù)據(jù)需要補充完善，比如R513A 和不同潤滑油的互溶性。互溶性能夠評價兩者相互溶解能力的大小，如果制冷劑與潤滑油的互溶性較差，則會造成在循環(huán)系統(tǒng)中的潤滑油無法回油，潤滑油積聚在蒸發(fā)器或者冷凝器上，形成油膜，使換熱條件惡劣。而材料兼容性問題，更是機器運作最基本問題。本文對R513A 與PVE32 和POE32 的互溶性，以及R513A 與PVE32 與各種材料兼容性問題展開了研究。

1 互溶性實驗研究

1.1 實驗裝置

基于國標SH/T 0699—2000[19]以及日本工業(yè)標準JIS K2211—2009[20]，設計搭建了一套測量制冷劑與潤滑油互溶性的實驗系統(tǒng)。制冷劑與冷凍機油互溶性實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 制冷劑與冷凍機油互溶性實驗系統(tǒng)原理

實驗裝置主要包含配氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、測量試管和控制系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)主要部件包括壓力傳感器（在0～2.5 MPa，測量不確定度小于±2 kPa）、干燥器、緩沖瓶和真空泵等；恒溫系統(tǒng)中，恒溫槽包括復疊式制冷系統(tǒng)以及加熱系統(tǒng)，能夠提供223.15～363.15 K 的恒溫環(huán)境，在溫度范圍內，測量的不確定度小于±10 mK；測量試試管的材料為透明石英玻璃，上部分連接部件為不銹鋼法蘭盤；控制系統(tǒng)主要部件為上位機（電腦）及可編程控制器，還包括中間繼電器等其他部件。

實驗過程中，將制冷劑與潤滑油按照一定的質量比配置到試管中，使二者形成均一透明的溶液；再通過逐步降低恒溫槽的溫度，來控制試管降溫；若觀察到溶液中產(chǎn)生絮狀沉淀物或者兩相分離現(xiàn)象，那么這個溫度點即為臨界互溶溫度。

1.2 實驗材料

實驗材料主要包括R513A 制冷劑、PVE32 和POE32，其中R513A 為科慕公司的產(chǎn)品，純度大于99.9%。實驗所采用的PVE32 和POE32 潤滑油的物性參數(shù)如表1所示。

表1 PVE32 和POE32 潤滑油的主要物性參數(shù)

1.3 結果與分析

本次實驗對制冷劑R513A與潤滑油POE32 以及PVE32 之間的互溶性展開研究。測定的含油率范圍是5%～60%，溫度區(qū)間是-50～30 ℃。通過實驗，發(fā)現(xiàn)在測定的含油率（以5%為間隔）和溫度區(qū)間范圍內，R513A 與POE32 以及R513A 與PVE32 這兩種混合溶液始終是均一透明的溶液狀態(tài)。在-50 ℃時，兩種混合溶液均未出現(xiàn)絮狀沉淀物或者兩相分離的現(xiàn)象，說明R513A 與這兩種潤滑油都具有良好的互溶性。

從理論的角度分析，POE32 潤滑油具有較強極性，潤滑油PVE32 有略低于POE32 極性，根據(jù)相似相容定律，二者與同為極性分子的R134a 互溶性良好。并且潤滑油PVE32 與POE32 中都含有氧原子，分子結構與R1234yf 更為類似，故互溶性佳。

2 材料兼容性實驗研究

2.1 實驗裝置

基于國標SH/T 0698—2000[21]，設計搭建了一套測試制冷劑與潤滑油材料兼容性實驗系統(tǒng)。制冷劑與潤滑油材料兼容性實驗系統(tǒng)圖如圖2所示，包括4 個部分。

圖2 制冷劑與冷凍機油材料兼容性實驗系統(tǒng)原理

配氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)是與互溶性實驗裝置公用。高溫恒溫槽系統(tǒng)，能提供313.15～523.15 K 的恒溫環(huán)境，在溫度范圍內，測量不確定度為±0.2 K；反應容器與互溶性實驗裝置的試管不同，是綜合考慮了高壓反應釜法和密封玻璃管法的優(yōu)缺點，自行設計高度為280 mm、容積為5 mL 的透明石英玻璃反應容器，同樣利用不銹鋼法蘭盤進行密封，可以在高溫恒溫槽內同時進行多組實驗，提高效率。

實驗過程：將測試用材料洗凈烘干，放入玻璃反應容器中；再將制冷劑與潤滑油按照一定的質量比配置到試管中；最后將實驗容器放入高溫恒溫槽內靜置14 d 后，觀察制冷劑與潤滑油溶液的顏色變化以及待測材料的質量及尺寸等物理尺寸的變化。

2.2 實驗材料

實驗材料中的R513A 制冷劑、PVE32 的數(shù)據(jù)與互溶性實驗中相同。兼容性實驗采用了6 種機組中不同部位的材料。表2 列出了兼容性實驗結果，圖3 為表2 對應的材料兼容性實驗狀態(tài)圖。

圖3 材料兼容性實驗狀態(tài)

2.3 結果與分析

前期的研究發(fā)現(xiàn)R513A與PVE32潤滑油具有良好的互溶性，故實驗組后期對R513A 與PVE32 潤滑油進一步開展了材料兼容性實驗。將材料加入配比好的潤滑油與制冷劑中，在測試溫度下120 ℃下，靜置14 d，實驗結果如表2所示，其中Δm為質量變化，Δd為直徑變化，Δl為長度變化，Δx為寬度。

表2 R513A/PVE32 與制冷設備常用材料兼容性

實驗結果表明：R513A/PVE32 油與材料1、材料2、材料3、材料4 和材料6 的兼容性優(yōu)異，質量、長度、半徑及溶液的狀態(tài)均未發(fā)生變化。但材料5 的質量和長度上發(fā)生變化，在重復的3 組實驗中，其中有一組從參數(shù)上未產(chǎn)生變化，說明材料5與R513A/PVE32 潤滑油反應不明顯。綜合上述結果，可知PVE32 潤滑油與R513A 的互溶性優(yōu)越；而從兼容性上評價，與大部分材料兼容性好。可適配到實際應用中去。

3 結論

本文就R513A與潤滑油POE32 和PVE32 的相互作用關系開展研究，分析了R513A 與POE32 的互溶性與材料兼容性，以及R513A 與PVE32 的互溶性，得出如下結論：

1）POE32、PVE32 潤滑油均與R513A 的臨界互溶溫度均低于50 ℃，沒有觀察到兩相分離和絮狀物的現(xiàn)象，具有良好的互溶性；

2）PVE32 和R513A 與大部分材料的兼容性也較好，質量與幾何尺寸的變化為0%；在材料5 的3次重復性實驗中，有兩組在質量上有16.67%與14.29%的變化，長度上有0.42%與0.11%的變化，而3 組實驗的另一組參數(shù)沒有變化，說明材料5 與R513A/PVE32 潤滑油反應不明顯。