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润滑油对制冷系统性能到底有何影响？

发布于：2024-07-23 15:51:23 来自：暖通空调/制冷技术 [复制转发]

冷冻机油是制冷系统中不可或缺的润滑介质,对保证压缩机可靠运行具有关键作用。本文从冷冻机油的基本特性、分类、润滑原理等方面入手,探讨了制冷剂与冷冻机油的互溶性、制冷系统的润滑要求以及润滑油对系统性能的影响,总结了当前冷冻机油技术的最新进展,并对其发展趋势进行了展望。

（示意图，不对应文中任何具体信息）

1 制冷系统的润滑要求

制冷系统部件	冷冻机油应具有的性能
压缩机	与制冷剂共存下化学稳定性良好：在全封闭制冷压缩机内，冷冻机油要与压缩机同寿命，能够使用10～15年以上长期不换油。润滑性良好：适宜的粘度保证油品被制冷剂稀释后，仍保持较好的润滑效果。抗磨性良好：防止制冷压缩机磨损。高温热稳定性良好：防止在排放阀高温部位产生硬积碳。抗泡性良好：防止运行油产生大量泡沫带入制冷系统，引起压缩机润滑不正常、产生气蚀现象。与密封材料适应性良好：防止与密封材料相溶。绝缘性能良好：在半封闭式和全封闭式制冷压缩机中，电动机浸在冷冻机油中，因此要求冷冻机油不能破坏电动机的绝缘材料。
冷凝器	与制冷剂互溶性良好：防止油沉积在冷凝器管壁，影响散热。
毛细管	低温流动性良好，无蜡和絮状物析出：防止蜡及絮状物析出，堵塞毛细管。与制冷剂互溶性良好：防止油析出，堵塞毛细管。水分低：防止冰塞。
蒸发器	低温流动性良好，无蜡和絮状物析出：防止蜡及絮状物析出，堵塞蒸发器。与制冷剂互溶性良好：防止油析出堵塞蒸发器或沉积在冷凝器管壁，影响热交换。水分低：防止冰塞。

2 冷冻机油概述

2.1 冷冻机油的定义与分类
冷冻机油是指用于制冷系统压缩机、冷凝器等部件润滑的一类专用油品,主要作用是减小摩擦副的磨损,带走摩擦热,密封气缸,防止泄漏等[2]。按基础油类型可分为矿物油、烷基苯油、聚α烯烃油(PAO)和聚醚油(POE)等;按添加剂种类可分为纯基础油、抗磨油、抗氧油、极压油等[3]。

2.2 冷冻机油的基本性能要求
不同的制冷系统对冷冻机油的性能要求不尽相同,但一般应具备以下特点:
(1)良好的低温流动性,在压缩机启动时能够快速建立油膜,减小磨损;
(2)与制冷剂、材料相容,不会引起化学反应或析蜡析蜡等问题;
(3)较高的热稳定性和化学稳定性,在高温下不易分解变质,使用寿命长;
(4)适当的抗磨性能,在重载工况下能够保护摩擦副;
(5)低泡沫倾向,在剧烈摇动时不易起泡,影响润滑和换热;
(6)良好的氧化安定性,经长期使用后不易形成油泥等沉积物[4]。

2.3 冷冻机油的润滑原理
冷冻机油在压缩机运行过程中主要通过两种方式发挥润滑作用:
(1)流体动压润滑:在高速运转下,油膜承受载荷,使运动副分离,属于完全润滑状态。
(2)边界润滑:在低速重载时,油膜承载能力不足,添加剂在金属表面形成吸附膜或反应膜,起到减磨作用[5]。
此外,冷冻机油还能通过对流换热带走摩擦热,平衡压缩机的热负荷,避免局部过热。

3 制冷剂与冷冻机油的互溶性

3.1 互溶性的概念与影响因素
制冷剂与冷冻机油的互溶性是指两者在一定条件下能够形成均相溶液的能力,直接影响到油的分布和回收效果。一般来说,互溶性主要取决于两个方面:一是制冷剂与油的极性匹配程度,极性相近则互溶性好;二是温度和压力条件,高温高压下互溶性增强[6]。此外,油中的添加剂种类也会影响到互溶性。

3.2 互溶性对系统的影响
制冷剂和冷冻机油的互溶性会给系统带来一系列影响,主要体现在:
(1)影响油的分布。互溶性好时,大量的油会随制冷剂进入系统循环,减少压缩机油量,影响润滑;互溶性差时,油易在蒸发器等低温部件沉积,堵塞毛细管[7]。
(2)影响制冷剂的热力性能。互溶的油会改变制冷剂的比容和黏度,降低蒸发压力,影响传热和换热效率[8]。
(3)影响材料兼容性。油与制冷剂互溶后,改变了介质的化学性质,可能会引起橡塑件溶胀或金属件腐蚀。

3.3 常见工质的互溶特性
不同种类的制冷剂与油的互溶特性差异较大。以下分别介绍几种常见工质的互溶性:
(1)CFC/HCFC与矿物油:互溶性好,常用于传统氟利昂系统。
(2)HFC与矿物油:互溶性差,需采用POE或PAG合成油。
(3)HC与矿物油:互溶性好,但存在引燃风险,多用于小型装置。
(4)CO2与POE油:临界点附近互溶性好,超临界区完全互溶[9]。
(5)NH3与烷基苯油:互溶性好,但存在腐蚀风险,需特殊材料。

4 制冷系统的润滑要求

4.1 压缩机的润滑部位
活塞式压缩机的主要润滑部位包括:气缸、活塞、连杆轴承、主轴轴承等;螺杆压缩机的主要润滑部位包括:螺杆、轴承、同步齿轮等;离心压缩机的主要润滑部位包括:推力轴承、径向轴承等[10]。不同压缩机的结构和运行特点决定了其对油品的性能要求。

4.2 润滑方式的选择
压缩机的润滑方式主要有飞溅式、压力式和强制式三种[11]:
(1)飞溅式:利用曲轴高速旋转时的离心力,将油池中的油泼洒到轴承表面,多用于小型活塞式压缩机。
(2)压力式:利用油泵将油压送到主轴和连杆轴承处,回油靠重力,多用于中小型压缩机。
(3)强制式:采用独立润滑系统,由油泵输送润滑油,并设置过滤和冷却装置,多用于大型压缩机。
润滑方式的选择需要综合考虑压缩机的型号、尺寸、转速、载荷等因素,并与整机的布置和维护要求相适应。

4.3 油量控制与油位监测
为保证压缩机的可靠润滑,需要合理控制系统的油量,并实时监测油位的变化情况。一般来说,油量应满足以下要求:
(1)压缩机曲轴箱内的油量应保持在规定的液位范围内,太高会引起泡沫和功率损失,太低则达不到润滑要求。
(2)系统总油量应根据设备型号和管路尺寸计算确定,一般为系统充注量的0.5%~2%[12]。
(3)油位的监测可采用油位计、油位开关等装置,并与控制系统联动,及时发出油位异常警报。

4.4 油过滤与分离
冷冻机油在使用过程中会不可避免地混入杂质,如磨损碎屑、氧化产物等,需要及时过滤去除。同时,回到压缩机的油中往往夹带大量制冷剂,需要进行有效分离。常用的过滤与分离装置包括[13]:
(1)吸液过滤器:安装在压缩机吸气口,捕集从蒸发器回到压缩机的固体杂质和液态制冷剂。
(2)排液过滤器:安装在压缩机排气口,阻挡压缩机排出的油和杂质。
(3)油分离器:利用离心力或多级过滤将油雾从排气中分离出来,回送至压缩机。油分离效率应大于99%。

5 润滑油对制冷系统的影响

5.1 对压缩机性能的影响
冷冻机油的品质直接关系到压缩机的性能和寿命。选用合适的油品可以有效降低摩擦功耗,提高机械效率;减小磨损,延长大修周期;清洁系统,减少故障率[14]。但润滑油也会带来一些负面影响,如高温下部分油会裂解产生积碳,堵塞排气阀;低温下粘度升高,阻碍气体流动,降低容积效率等[15]。

5.2 对换热器性能的影响
混入制冷剂中的冷冻机油会改变换热器的传热特性。油膜附着在管壁上形成额外的热阻,减小表面换热系数;同时油滴耗散了部分气液两相流动的动能,扰动了流型,恶化了对流换热[16]。有研究表明,当油循环率超过1%时,蒸发器和冷凝器的换热系数可降低5%~10%[17]。此外,局部油液聚集还可能阻塞毛细管和膨胀阀通道,影响节流调节。

5.3 对其他部件的影响
除压缩机和换热器外,冷冻机油还会对其他部件产生影响,主要包括:
(1)毛细管堵塞:低温下油的溶解度下降,析出的蜡质和胶质沉积在毛细管内壁,减小通流面积[18]。
(2)膨胀阀故障:油脂粘附在阀芯和阀座上,使其卡涩,气蚀腐蚀也会损坏密封面[19]。
(3)贮液器结垢:长期运行后,贮液器底部会积聚大量油泥,影响制冷剂的蒸发和回油[20]。
(4)管路阻塞:在狭窄弯曲处,夹带的油滴易聚集成液膜,增大压降,严重时会完全阻断气流[21]。

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