制冷系统润滑油的选用与影响

发布于：2024-07-11 10:07:11 来自：暖通空调/制冷技术

作者：HETA

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本文将系统阐述制冷系统对润滑油的要求,以及润滑油对压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器、管路等部件的影响,以供从业者参考。

润滑油是制冷系统的"血液",其性能直接关系到压缩机的工作可靠性和使用寿命,进而影响整个制冷系统的运行效率和经济性。不当的润滑油选用,可能导致压缩机磨损、油泥堵塞、换热恶化等一系列问题,严重时甚至引发系统失效[1]。

一、制冷系统对润滑油的要求

1.1 润滑性能
润滑油的首要作用是降低压缩机运动部件的摩擦磨损,常用的评价指标有黏度、承载能力、极压性等[2]。一般来说,黏度越高,润滑效果越好,但同时也会增大阻力损失。因此,需要根据压缩机的类型、转速、工况等因素优选适宜黏度的润滑油。此外,润滑油还须具有良好的极压抗磨性能,以应对高负荷、高温等恶劣条件。

1.2 热稳定性
制冷系统中的润滑油须长期承受高温环境,尤其是活塞式、螺杆式等高温压缩机,其排气温度可达120~150℃[3]。因此,润滑油必须具有优异的热稳定性,在高温下不分解、不结焦,以免生成油泥污染系统。同时,润滑油还要保持适当的挥发性,避免在高温部位大量气化,影响回油量。

1.3 化学稳定性
润滑油在使用过程中不可避免地与制冷剂和空气接触,因此必须具有良好的化学稳定性[4]。一方面,润滑油要与制冷剂相容,不发生化学反应,以免生成酸、蜡质等有害物质。另一方面,润滑油还须抗氧化,在空气存在下不易老化变质。此外,水分和杂质也会加速润滑油劣化,因此须控制在规定限值内。

1.4 其他性能
除上述主要性能外,优质润滑油还应具备以下特点[5]:
(1)电绝缘性:防止压缩机绕组短路烧毁。
(2)抗发性:避免在曲轴箱内产生大量泡沫,影响润滑效果。
(3)适当的溶解度:便于在系统中循环,但又不过分稀释。
(4)低凝固点:适应低温工况,防止油路堵塞。
(5)无毒无害:满足环保和安全的要求。

二、润滑油对压缩机的影响

2.1 润滑摩擦副

压缩机内部存在众多摩擦副,如活塞/缸筒、主轴颈/轴承、齿轮副等,它们在润滑油膜的作用下相对运动[6]。润滑失效时,这些零部件将发生剧烈磨损,轻则效率下降、噪音增大,重则卡死烧毁。因此,润滑油的黏度和极压性必须匹配压缩机的工况,既要保证充分的油膜厚度,又要控制摩擦损耗。同时还要避免润滑油在曲轴箱内起泡,以免断油。

2.2 油封装置
压缩机轴封处设有油封装置,用于防止润滑油外泄和制冷剂进入[7]。常见的油封形式有唇形油封、机械密封等。润滑油的存在对维持油封功能至关重要,其黏度、表面张力等性质影响着油封唇口与轴颈的贴合状态。油封失效会导致大量润滑油进入系统,引发制冷剂稀释、油量流失等问题。因此,润滑油须与油封材料相容,并保持稳定的物性。

2.3 油冷却
在压缩过程中,润滑油不仅起到减摩作用,还承担了冷却压缩机的任务[8]。高温排气在与润滑油接触后,将部分热量传递给油,使其温度升高。然后,热油通过热传导、对流等方式将热量带离压缩机,从而抑制温度过高。一般采用集油槽或油冷却器对热油进行冷却,然后再泵入压缩机重新润滑。润滑油的导热系数、比热容等热物性参数影响着散热效果。

2.4 积碳清洁
润滑油在长期高温环境下会产生一定程度的分解和氧化,生成积碳、油泥等沉积物[9]。这些物质逐渐在压缩机零部件表面聚集,尤其是排气门、气阀等温度高的部位,严重时会妨碍气流通过,造成效率下降。定期更换新油可有效去除积碳,恢复压缩机性能。因此,润滑油必须保持优异的热化学稳定性,尽量延缓积碳的生成。

三、润滑油对冷凝器的影响

3.1 传热恶化
冷凝器的作用是使高温高压的制冷剂蒸气放热冷凝为液体,因此传热性能直接决定了系统的冷凝温度和效率。当润滑油随制冷剂进入冷凝器后,会在换热管内壁形成油膜,增大了热阻,从而恶化传热系数[10]。油膜厚度越大、导热系数越低,影响越明显。据测试,润滑油浓度每增加1%,冷凝温度就升高1~2K。因此,应选用与制冷剂相溶性适中的润滑油,避免过多冲入系统。

3.2 油泥堵塞
冷凝器长期运行时,管壁上聚积的油膜会逐渐氧化变质,形成黏稠的油泥[11]。尤其是在空气冷凝器中,高温油泥极易堵塞翅片和管道,阻碍气流,导致冷凝压力4.2 油泥堵塞
冷凝器长期运行时,管壁上聚积的油膜会逐渐氧化变质,形成黏稠的油泥[11]。尤其是在空气冷凝器中,高温油泥极易堵塞翅片和管道,阻碍气流,导致冷凝压力升高、传热恶化。因此,润滑油必须具有优异的热氧化安定性,尽量减少油泥的生成。同时还要定期清洗冷凝器,去除油泥积垢。

3.3 腐蚀磨损
某些易氧化的润滑油在高温下会生成有机酸,加速冷凝器的腐蚀[12]。含氯制冷剂分解产生的氯离子也有类似作用。腐蚀会导致冷凝管壁变薄,结构强度下降,甚至引发泄漏事故。此外,冷凝器与管路连接处的接头、法兰等部位在振动作用下易发生相对运动,油中的酸、杂质会加剧磨损,最终导致连接失效。因此,润滑油须保持中性,并具备良好的防锈、抗磨性能。

四、润滑油对毛细管的影响

4.1 流阻增大

毛细管是制冷系统的节流装置,其内径细小,通常在0.5~2mm之间[13]。当润滑油进入毛细管后,会显著增大流动阻力,使质量流量下降。尤其是高黏度油,这一效应更加明显。减小的质量流量意味着蒸发器得到的制冷剂液体减少,供液不足,制冷量下降。因此,毛细管系统应选用低黏度、高流动性的润滑油,减小对节流的影响。

4.2 管壁吸附
润滑油与毛细管内壁接触后,在分子间力作用下会被吸附在管壁上,形成油膜[14]。油膜的存在一方面减小了毛细管的有效流通面积,加大了阻力;另一方面油膜还会吸附杂质,逐渐堵塞毛细管,最终可能导致系统失效。因此,润滑油应尽量避免进入毛细管,可采用油分离器、集油器等装置拦截。

4.3 凝固堵塞
毛细管出口处的压力和温度很低,饱和温度通常在-30~-40℃[15]。当高凝固点的润滑油进入此处时,在低温环境下极易凝固,堵塞毛细管出口,阻碍制冷剂流动。因此,毛细管系统必须使用低凝固点的润滑油,其凝固点应低于制冷剂的蒸发温度10℃以上。

五、润滑油对蒸发器的影响

5.1 换热恶化

与冷凝器类似,润滑油进入蒸发器后也会在换热面上形成油膜,恶化传热性能[16]。油膜相当于在制冷剂与管壁间增加了一层热阻,使得蒸发温度降低,供热量减小。油膜的导热系数越低,厚度越大,影响越显著。据测试,蒸发器内油浓度每升高1%,传热系数就下降3~5%。因此,应采取油分离措施,控制进入蒸发器的油量。

5.2 泡沫阻塞
蒸发器内油液两相流动时,润滑油在制冷剂蒸发的带动下会产生大量泡沫[17]。泡沫黏附在蒸发管内壁,阻碍了气液传热,导致局部干涸、结焦等问题,严重时甚至堵塞蒸发器出口,引发压缩机吸气过热。因此,润滑油应具有低泡沫倾向,与制冷剂混溶后不易起泡。同时系统还要合理控制蒸发温度和压力,避免剧烈汽化。

5.3 油返回困难
蒸发器末端汇集的油液混合物需要随制冷剂蒸气一起返回压缩机,实现油的循环利用[18]。但蒸发温度低,油的黏度大,不易被气流携带,导致聚集在蒸发器底部。长此以往,压缩机吸入的油量不足,存在烧毁风险。因此,一方面要选用适当黏度的润滑油,确保其在蒸发温度下具有足够的流动性;另一方面要合理设计回油管路,保证气速足以带动油滴运动。

六、润滑油对管路的影响

6.1 沉积堵塞

润滑油在长期循环过程中,会因氧化、聚合等作用生成胶质、蜡质等沉积物[19]。这些物质易聚集在管路的弯头、死角等部位,逐渐堆积形成堵塞。尤其是在长距离、细径的毛细管内,更易发生堵塞。沉积物的存在增大了制冷剂的流动阻力,恶化了传热效果,最终导致系统性能下降。因此,润滑油必须保持优异的物化稳定性,减少沉积物的生成。

6.2 噪音振动
高速流动的油液混合物会引发管路的噪音和振动问题[20]。液体颗粒高速撞击管壁,产生类似于冲蚀的噪音。汽液两相流的脉动效应,也会激励管路产生共振。过大的噪音振动不仅降低了用户舒适度,还可能导致管路连接松动、断裂等故障。润滑油黏度越大,含量越高,噪音振动越严重。因此,在满足润滑的前提下,应尽量降低循环油量,减小油液密度和流速。

6.3 泄漏风险
制冷剂管路在振动、热胀冷缩等载荷作用下产生形变,接头部位极易开裂泄漏[21]。而油液混合物的存在会加剧这一风险。首先,油的不压缩性使得管内压力骤升骤降,加大了对接头的冲击。其次,拆装接头时润滑油易流失,螺纹表面失去润滑,更易咬死。再者,泄漏点处喷溅的高压油雾遇火还可能引发火

6.4泄漏风险
制冷剂管路在振动、热胀冷缩等载荷作用下产生形变,接头部位极易开裂泄漏[21]。而油液混合物的存在会加剧这一风险。首先,油的不压缩性使得管内压力骤升骤降,加大了对接头的冲击。其次,拆装接头时润滑油易流失,螺纹表面失去润滑,更易咬死。再者,泄漏点处喷溅的高压油雾遇火还可能引发火灾。因此,选用与制冷剂相容性好、粘附性强的润滑油至关重要。同时还要定期检查管路,发现泄漏隐患及时处理。

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