制冷压缩机润滑油应该如何选？

随着制冷空调技术的飞速发展 , 压缩机的效率、可靠性要求越来越高 , 润滑问题日益受到重视。据统计 , 压缩机故障有 50% 以上源于润滑不良或油品劣化 [1] 。因此 , 正确选用和管理润滑油 , 是保障制冷系统安全经济运行的关键。

长期以来 , 矿物油一直是制冷系统的主流润滑油 , 但其在低温环境下易凝固 , 且与 HFC 制冷剂的相容性差 , 已不能完全满足现代压缩机的要求 [2] 。近年来 , 合成润滑油如聚醚油 (POE) 、聚酯油 (POE) 等 , 因其优异的综合性能而得到广泛应用 [3] 。但合成油在吸湿、腐蚀、氧化安定性等方面还需进一步改进。

国内外学者围绕润滑油展开了大量研究。 Matlock 等 [4] 较早研究了 PAG 在 HFC 系统中的溶解性和化学稳定性 , 发现 PAG 吸湿后的酸值和残炭明显升高。 Sundaresan 等 [5] 系统评价了 PAG 、 POE 、 PVE 等油品在 R134a 系统中的润滑和密封性能 , 提出了油品筛选的关键指标。李凤斌等 [6] 优化了 POE 油的合成工艺 , 大幅提高了其高温氧化安定性。吴宗成等 [7] 研制出具有部分氢化和酯基封端的 POE 油 , 改善了其在氨系统中的溶解性和化学稳定性。

润滑作用的发挥取决于油膜的承载能力和保持性能。前者主要与油品的黏度有关 , 黏度越大 , 承载能力越强 ; 后者则与油品的抗剪切性和氧化安定性有关 , 抗剪切性越好 , 不易产生永久黏度损失 , 氧化安定性越高 , 不易产生油泥 , 均有利于保持润滑性能 [11] 。      

以活塞式压缩机为例 , 活塞与缸壁间须保持一定间隙 , 以减小摩擦。但间隙过大又会引起泄漏。润滑油可在间隙处形成环状油膜 , 随活塞往复运动 , 借助黏滞阻力封堵泄漏通道 , 从而大幅降低泄漏率 [13] 。      

密封性能的强弱与油膜强度密切相关。油膜强度一方面取决于油品的黏度 , 黏度越大 , 密封性越好 ; 另一方面还与油品的表面张力有关 , 表面张力越大 , 油膜越不易破裂 [14] 。此外 , 油品的粘温特性、压缩性等 , 也会影响其在高温高压下的密封效果。      

润滑油的冷却除了靠油膜热传导外 , 还可通过强制循环实现。以螺杆压缩机为例 , 可利用供油泵将冷却后的油液持续喷射到转子腔内 , 带走压缩热 , 再经冷却器冷却后回到油箱 , 从而实现热量的有效传递 [16] 。      

冷却性能的优劣取决于油品的导热系数、比热容和运动黏度等。导热系数越高 , 比热容越大 , 运动黏度越低 , 散热效果越好 [17] 。同时还应考虑油品在高温下的氧化安定性 , 不易产生结焦 , 以免堵塞油道 , 影响散热。      

清洗性能的好坏与油品的溶解度、分散性等有关。芳烃含量高的矿物油 , 溶解度好 , 但热稳定性略差 ; 低芳烃矿物油和合成油 , 热稳定性好 , 但溶解度相对较低 [19] 。因此 , 需在两者间权衡选择。      

此外 , 油品的极性也影响其清洗效果。极性大的油品 , 易吸附杂质 , 但也容易乳化 ; 极性小的油品 , 分散性好 , 但吸附能力相对较弱 [20] 。总的来说 , 应选择溶解度适中、热稳定性好的油品 , 并辅之以良好的过滤手段。

不同类型的制冷压缩机 , 其润滑方式存在较大差异。总的来说 , 可分为飞溅式、压力式和强制式三种 [21] 。

飞溅式润滑无需专门的供油装置 , 结构简单 , 成本低 , 但润滑均匀性较差 , 易出现局部油量不足或过量。且飞溅效果依赖于转速 , 在低速工况下 , 润滑状况恶化 [23] 。因此 , 该方式只适用于转速较高、载荷较轻的小型压缩机。      

针对飞溅式润滑 , 应选用低黏度、高溶解度的油品 , 既要保证在低温时具有良好的流动性 , 又要避免高温时粘度过低 , 且油品要与制冷剂具有良好的相容性 [24] 。此外 , 曲轴和油盘的设计也很关键 , 曲轴要有足够的油孔和油道 , 油盘容量要合适 , 才能形成有效飞溅。      

与飞溅式相比 , 压力式润滑油量充沛 , 分布均匀 , 且不受转速影响。但其供油压力不稳定 , 易受吐出压力波动影响 , 且一旦供油管路堵塞或泄漏 , 就会引起油量不足或过量 [26] 。此外 , 由于供油管路复杂 , 可靠性较差 , 安装维护也不太方便。      

针对压力式润滑 , 应选用中等黏度、良好压缩性的油品 , 确保在高压下黏度不会骤降 , 影响润滑效果。同时 , 油品要求抗氧化安定性好 , 避免结焦堵塞油道 [27] 。在系统设计时 , 应合理布置供油管路 , 避免压力损失 , 并设置安全保护装置 , 防止吐出压力过高或过低。      

强制式润滑油量充足 , 油压稳定 , 不受压缩机工况影响 , 润滑效果好 , 还具有很强的冷却能力。但其附属设备多 , 如油泵、滤油器、冷油器等 , 导致结构复杂 , 成本较高 [29] 。且一旦辅助设备故障 , 就会引起整机失效。      

针对强制式润滑 , 应选用高黏度指数、高热导率的油品 , 确保在宽广的温度范围内具有稳定的润滑性能。尤其是在高温重载时 , 油品要求抗氧化性好 , 否则会因高温裂解而产生大量积碳 , 加剧磨损 [30] 。同时还要兼顾油品与制冷剂的相溶性 , 避免析蜡。在系统设计时 , 应优化油路布置 , 减小压力损失 , 提高循环效率。      

除了共性要求外 , 针对不同的压缩机类型和工况 , 润滑油还有一些特殊要求。例如 , 氨压缩机对油品的低温流动性要求高 , 因为氨的蒸发温度低 ; 离心式压缩机对油品抗泡沫性要求好 , 因为泡沫会随油液进入轴承 , 影响润滑 [39] 。总之 , 油品选型要因机制宜。      

目前 , 制冷压缩机常用的润滑油可分为矿物油和合成油两大类。其中 , 矿物油主要有石蜡基矿物油和萘基矿物油 ; 合成油主要有聚 α- 烯烃 (PAO) 、聚醚 (PE) 、聚酯 (SE) 和聚烷基苯 (AB) 等 [40] 。下面分别介绍其特点。

但是 ,PAO 极性小 , 与制冷剂的互溶性差 , 易发生相分离。因此 ,PAO 主要用于氨系统和离心式压缩机。为改善其互溶性 , 可在合成过程中引入极性基团 , 或添加改性剂如酯类等 [45] 。此外 ,PAO 价格较贵 , 在矿物型基础油中复配使用更经济。      

针对上述问题 , 可采取两方面改进措施 : 一是合成过程中 , 引入封端基团如羟基、酯基 , 降低吸湿性 ; 二是复配抗氧剂 , 提高高温安定性 [47] 。经改性的 PE 可用于家用电冰箱、空调器等的全封闭压缩机。但由于成本较高 , 其推广应用还有待进一步探索。      

SE 主要用于 HFC 系统的活塞式、转子式压缩机。由于酯基水解反应可逆 , 因此 SE 对少量水的容忍性要优于 PAG 。但在氨系统中 , 由于氨的碱性较强 , 会加速 SE 的水解 , 产生大量沉积物 , 堵塞油道 [50] 。因此 , 氨系统不宜使用 SE 。      

为进一步提高 SE 的综合性能 , 可采用多元醇如季戊四醇 (PE) 等合成复杂酯 , 提高分子链的刚性和耐热性 ; 也可末端封闭羟基 , 降低吸湿性 [51] 。但 SE 的价格相对较高 , 与矿物油复配可在降低成本的同时 , 改善其高温安定性。      

但是 ,AB 分子中苯环含量高 , 极性大 , 吸湿性强 , 与 HFC 制冷剂的互溶性较差。同时 ,AB 在高温下易发生缩合反应 , 生成胶质沉积物 [53] 。因此 ,AB 主要用于氨系统和 CFC 系统 , 在 HFC 系统中的应用还需进一步改性。可引入烷基取代基或极性基团 , 调节 AB 的芳烃含量和极性 , 从而改善其综合性能 [54] 。

引起油品劣化的主要原因包括 :

(1) 氧化。  

润滑油在高温条件下 , 极易被氧气氧化 , 生成醛、酮、酸等含氧化合物 , 导致油品变色、变质。尤其是矿物油和 AB, 抗氧化能力较差 , 更易产生大量絮凝物 [56] 。因此 , 选用高温下具有优异抗氧化性的合成油很有必要。同时 , 及时更换氧化锌等吸附剂 , 也可延缓油品氧化 [57] 。
(2) 水解。

润滑油遇水易发生水解反应 , 生成低级醇、酸等产物。尤其是 PAG 和 SE, 极性基团易与水反应 , 导致酸值升高 , 腐蚀性增强。因此 , 应控制系统含水量 , 选用吸湿性小的油品 , 并定期检测酸值变化。必要时添加金属钝化剂 , 减缓腐蚀 [58] 。
(3) 污染。

杂质是加速油品劣化的催化剂。金属磨屑会吸附油品中的极性物质 , 破坏油膜 ; 尘埃、胶质等会堵塞滤油器 , 降低润滑效率。压缩机制造、安装、检修过程中混入的杂质 , 也会污染油品。因此 , 生产车间要保持清洁 , 制冷剂要控制纯度 , 检修时应彻底清洗系统 [59] 。
(4) 析蜡。

低温环境下 , 润滑油尤其是矿物油 , 部分组分会析出 , 形成蜡状沉淀 , 影响低温启动。因此 , 选用低倾点、高黏度指数的油品很关键。同时 , 在冬季要采取保温措施 , 必要时可电加热油箱 [60] 。      

具体而言 , 矿物油在氨系统中的更换周期为 8000h 左右 , 在 HFC 系统中更换周期缩短为 2000h;PAO 在氨系统中更换周期可达 12000h 以上 ;PAG 和 POE 在 HFC 系统中更换周期在 5000h 以上 [68] 。但对于家用电冰箱等小型压缩机 , 其封闭性好 , 运行温度低 , 且多采用全合成油 , 使用寿命可达 10 年以上。      

及时更换劣化油品的同时 , 还应考虑废油的再生利用。目前 , 废矿物油再生已较为成熟 , 采用酸催化蒸馏等工艺 , 可实现 80% 以上的回收率 [69] 。对于废合成油 , 可采用溶剂萃取、膜分离等技术脱除杂质 , 再添加复合剂 , 即可重新利用 [70] 。再生油品应检测其酸值、粘度等关键指标 , 达到再利用标准后 , 方可使用。通常 , 再生油品可用于低温工况 , 或与新油按一定比例复配使用。