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      制冷系统中冷冻机油该如何选？

      发布于：2024-11-05 14:03:05 来自：暖通空调/制冷技术

      来源：制冷空调换热器

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      作者：HETA

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            冷冻机油作为制冷系统的润滑"血液",肩负着润滑、密封、冷却、清洁、防腐等多重使命。其品质的优劣,直接关系到压缩机的使用寿命、制冷效率乃至整个系统的运行安全[1]。          
          本文将探讨冷冻机油的作用、分类、性能要求和选择原则,剖析其变质原因,并结合实例阐述如何针对不同工况选用最佳冷冻机油,以期为相关工程实践提供参考,促进制冷行业的健康发展。             

       
      一、 冷冻机油在制冷系统中的作用      
               
      冷冻机油是由基础油和添加剂按特定比例调和而成的润滑油。在制冷系统中,它除了具有一般润滑油的减磨、散热等基本功能外,还肩负着油封、吸附杂质、防腐蚀等特殊使命[2]。其在制冷系统中的主要作用体现在以下几个方面:  
      (一)减少磨损,延长设备寿命
      制冷压缩机在高速运转过程中,活塞、轴承、气阀等运动副之间存在剧烈摩擦,产生大量磨损和热量。冷冻机油可在摩擦表面形成润滑油膜,大大降低摩擦因数,减缓零件的磨损,延长设备使用寿命。据统计,压缩机80%的故障都与润滑不良有关[3]。        
      (二)气密封,降低泄漏损失
      活塞与缸筒之间、气阀与阀板之间等配合面需要良好的气密性,否则会造成制冷剂泄漏,降低制冷效率。冷冻机油利用其粘度和表面张力,在配合面间形成"油封",堵塞泄漏通道,显著提升气密性,减少泄漏损失。        
      (三)冷却散热,平衡温度分布
      压缩机工作时产生大量热量,如不能及时排出,会引起局部过热,加速油液氧化劣化。冷冻机油利用其优异的导热性,吸收高温部件的热量,通过对流传递至外壳表面散热,平衡温度分布,避免局部过热。        
      (四)吸附杂质,保持系统清洁
      制冷系统长期运行会产生机械磨屑、焦炭等固体杂质,冷冻机油利用其清洁分散作用,将细小固体颗粒分散悬浮于油液中,避免其沉积堵塞油道,维持系统清洁。同时其极性基团还可中和酸性物质,防止化学腐蚀。        
      (五)防锈防腐,延缓化学劣化
      制冷系统的铜管、钢铁等金属材料在潮湿环境下极易生锈腐蚀。冷冻机油所含的抗氧抗腐蚀添加剂可在金属表面形成保护膜,隔绝氧气和水分,延缓化学劣化,提高设备耐久性。

       
      二、 冷冻机油的分类      
               
      按基础油类型可将冷冻机油分为矿物油(MO)、烷基苯油(AB)、聚α烯烃油(PAO)和聚醚油(POE)等[4]。各类冷冻机油的特点如下:  
      (一)矿物油(MO)
      矿物油是一种石油基润滑油,价格低廉,但化学稳定性和低温流动性较差,在HFC环保冷媒系统中已很少使用。主要配套于氨、R12、R22等传统冷媒。        
      (二)烷基苯油(AB)
      烷基苯油是在矿物油基础上加入烷基苯而合成,低温流动性较MO有所改善,可与R12、R22等多数氟利昂冷媒配套,但与氨、HFC新冷媒并不相容。        
      (三)聚α烯烃油(PAO)
      聚α烯烃油是由α烯烃聚合而成的全合成油,综合性能优异,与HFC环保冷媒相容性好,但成本较高。主要配套R134a、R404A、R407C等新型HFC冷媒。        
      (四)聚醚油(POE)
      聚醚油也是一种全合成油,由聚醚多元醇与脂肪酸酯化合成,极性大,吸湿性强,须特别注意密封和除湿,但其在低温下粘度小,抗磨性能好,是目前配套HFC新冷媒的首选。        
      除上述常见品种外,近年来还出现了聚酯油(POE)、聚烯酸酯(PVE)等多元醇酯类新型冷冻机油,以期获得更佳的综合性能。

       
      三、 冷冻机油的主要性能要求      
               
      优质的冷冻机油须具备以下性能[2,5]:  
      (一)粘度适中,低温流动性好
      冷冻机油粘度须适中,粘度过大,低温流动性差,不利于启动;粘度过小,易造成泄漏。同时要求低温下粘度降幅小,确保在低温工况下具有足够的油膜强度。  
      (二)抗磨性能优异,减少磨损
      冷冻机油须具有优异的抗磨减摩性能,在高负荷、高速状态下仍能形成充分的油膜,减少摩擦磨损,延长设备寿命。可通过极压、减摩等添加剂来改善其抗磨性能。  
      (三)热稳定性高,延缓氧化
      冷冻机油常年工作在高温环 境下,压缩温度可达130℃～160℃，在此温度下冷冻机油会受热而不断分解变质，生成积炭而导致制冷机产生故障与磨损。另一方面油的分解产物会与制冷剂发生化学反应，使制冷效果变坏，生成的酸性物质又会强烈腐蚀制冷机部件。
      因此要求冷冻机油有良好的热氧化稳定性，在出口阀的高温下不结焦、不炭化，经受住高温煮沸和氧化劣化,避免产生胶质和沉淀物。同时要求冷冻机油具有良好的化学稳定性，避免与制冷剂，如卤化烃(RCI、RF)类作用生成酸性腐蚀物质。
      （四）挥发性小，闪点高
      冷冻机油的挥发量愈大，随制冷剂循环的油量也愈多，因此要求冷冻机油的馏份范围愈窄愈好，闪点亦应高于制冷机排气温度25～30℃以上。
      (五) 与制冷剂相容性好,避免分层
      冷冻机油与制冷剂直接接触,两者必须具有良好的互溶性,在工作温度下能完全溶解,不会发生分层或沉淀。同时要避免其溶解度随温度剧烈变化,防止局部析油。  
      (六) 抗乳化性强,易于脱水
      冷冻机油不可避免地会吸收一定量的水分,须具备优异的抗乳化分水性能,使水分快速析出,易于分离脱除,避免乳化液堵塞毛细管或加速化学腐蚀。  
      (七)  材料相容性好,防腐防溶胀
      冷冻机油须与制冷系统的各种金属和非金属材料具有良好的相容性,不能引起材料的腐蚀、溶胀或降解,以免影响密封性能或加速材料老化。  
      (八)  绝缘性能优良,减少漏电
      冷冻机油作为一种电介质,须具备优异的电绝缘性能,其体积电阻率要大于1010Ω·m,介电强度不低于25kV/mm,以防止压缩机绕组漏电烧毁。

       
      四、 影响冷冻机油选择的主要因素      
               
      选择冷冻机油须综合考虑以下主要因素:  
      (一)与制冷剂的相容性
      首要考虑因素是冷冻机油与制冷剂的互溶性。一般HFC冷媒多采用POE油,而传统氟利昂冷媒则采用MO或AB油。氨系统则须选择与氨相容的PAO油。        
      (二)制冷系统的类型和工况
      不同的制冷系统,其温度、压力工况差异很大。如家用空调多为中高温系统,而工业制冷则以低温系统为主。须针对系统的工况条件,选择合适粘度和低温流动性的冷冻油。        
      (三)压缩机的种类和要求
      活塞式、螺杆式、涡旋式压缩机的转速、排气温度、泄漏等特性不同,对冷冻油的粘度、热稳定性等要求也不一样。如活塞机常选低粘度oil以利启动,而螺杆机则需较高粘度油以增强密封性。        
      (四)环境温度的高低
      环境温度影响冷凝温度和蒸发温度,从而影响冷冻机油的运行温度范围。高温环境下需选择更高粘度的冷冻油,而低温环境下则需选低粘度油,以保证低温流动性。        
      (五)油品更换的周期和成本
      不同冷冻机油的使用寿命差异很大,须综合考虑油品的更换周期和成本。一般矿物油更换频率高,成本低;而合成油虽然价格昂贵,但其使用寿命长,故障率低,综合成本不一定高。        
      (六)设备厂商的推荐
      设备厂商对其产品的材料、结构最为了解,通常会推荐与设备最匹配的冷冻机油牌号和粘度级别,应予以重点参考。但也不能盲从,要根据自身工况合理选择。

       
      五、 冷冻油变质的主要原因      
               
      冷冻机油在长期使用过程中不可避免地会发生变质,导致油品性能恶化,其主要原因包括:  
      (一)氧化
      冷冻油在高温和氧气作用下极易发生氧化,生成有机酸、泥沙、胶质等有害物,导致粘度增大、酸值升高,加速设备腐蚀和磨损。        
      (二)水解
      冷冻油极易吸收空气中的水分,在高温下发生水解反应,产生酸性物质,引起化学腐蚀;同时水分还会乳化油品,堵塞毛细管。水解是合成冷冻油变质的主因。        
      (三)高温裂解
      在高温条件下,冷冻油分子键断裂,油品裂解为低分子化合物,导致粘度下降,抗磨性能恶化。尤其在氨系统高压端,更易发生高温裂解。        
      (四)泄漏污染
      制冷剂泄漏进入冷冻油中,会稀释油品,降低其粘度和润滑性能。同时泄露的水分和空气还会加速冷冻油的氧化和乳化,是导致冷冻油变质的主要诱因。        
      (五)机械剪切
      冷冻油在高速运转的轴承等处承受巨大剪切力,分子链断裂,导致粘度永久性降低,抗磨性能下降。合成冷冻油的抗剪切稳定性优于矿物油。        
      (六)固体污染
      磨损杂质、焦炭等固体颗粒混入冷冻油中,会加剧设备的磨损,同时堵塞滤油器,影响冷冻油的正常供给和循环。因此要注意冷冻油的清洁度。

       
      六、工程实例      
               
      (一)家用空调系统的冷冻油选择
      家用空调采用R410A环保冷媒,冷凝温度一般为40~50℃,属中高温系统。压缩机多为转速2900rpm的涡旋式,排气温度较低,启停频繁,对冷冻油的低温流动性要求高。
      针对上述特点,宜选用粘度级别为VG68,低温流动性好的PO或酯类油。较低粘度有利于频繁启动,而优异的低温性能可保证在低负荷时具有足够的润滑性。几种常用油品的性能对比见表1。        
      表1 空调用冷冻油的典型性能
      油品            
      粘度 (40°C)/mm2·s ? 1            
      倾点 (℃)            
      闪点 (℃)            
      体积电阻率 (Ω·m)            
      BYK-P68 (POE)    
      68.5    
      -48    
      252    
      2.6×1013    
      HPL68 (PVE)    
      66.2    
      -45    
      265    
      5.0×1013    
      RL68H (酯类)    
      72.3    
      -42    
      238    
      8.2×1012    

      (二)中央空调系统的冷冻油选择
      中央空调系统一般采用R134a冷媒,冷凝温度较高,在60~70℃。多用半封闭螺杆压缩机,常年连续运行,排气温度高达100℃以上,对冷冻油的热稳定性要求很高。
      针对上述特点,宜选粘度级别VG100以上,高温性能优异的POE全合成油,既可提供更强的油膜,又具有杰出的热稳定性,且与R134a相容性好。典型油品性能见表2。        
      表2 中央空调用冷冻油的典型性能

       
      油品            
      粘度 (40°C)/mm2·s  1            
      粘度指数            
      闪点 (℃)            
      热稳定性试验 (168h, 175℃)            
      EMKARATE RL100H (POE)    
      107    
      135    
      265    
      0.01    
      Reniso Triton SEZ100 (POE)    
      100    
      128    
      255    
      0.02    
      REFLO XL-100 (AB)    
      97    
      95    
      230    
      0.08    

      (三)低温冷库系统的冷冻油选择
      低温冷库的冷凝温度一般低于-30℃,采用R404a或R507冷媒。压缩机多为半封闭或全封闭活塞式,曲轴转速高,启动负荷大,油温低,对冷冻油的低温性能和抗磨性要求很高。        
      针对上述特点,宜选用粘度级别VG32~VG46,同时具备优异低温性能和抗磨性的PAO或酯类油。较低的粘度可减小低温启动阻力,而极压抗磨添加剂可弥补低粘度油膜强度的不足,typical oil properties are shown in Table 3。  
      表3 低温冷库用冷冻油的典型性能
      油品            
      粘度 (40°C)/mm2·s  1            
      倾点 (℃)            
      四球试验 PD/N            
      相容的冷媒            
      Reniso Synth68 (PAO)    
      37.2    
      -63    
      785    
      R404A / R507 / R22    
      CP-4214-320 (酯类)    
      46.8    
      -55    
      1235    
      R404A / R507    
      EMKARATE RL32H (POE)    
      31.2    
      -60    
      980    
      R404A / R507 / R134a    

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