潤(rùn)滑油對(duì)制冷系統(tǒng)的影響

1、潤(rùn)滑油對(duì)制冷系統(tǒng)的影響李濤李強(qiáng)闞杰郝亮袁秀玲(西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院制冷與低溫工程系)摘 要 討論了潤(rùn)滑油與制冷劑的互溶對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響 。潤(rùn)滑油與制冷劑的熱物理性質(zhì)相差很大 ,因而進(jìn)入循環(huán)后必然會(huì)引起制冷劑流動(dòng) 、換熱系數(shù)和壓降的變化 。分析了制冷劑在制冷系統(tǒng)各部件內(nèi) 循環(huán)流動(dòng)時(shí) ,含油量對(duì)系統(tǒng)性能的影響及機(jī)理 ?？傮w來(lái)講 ,少量的潤(rùn)滑油對(duì)系統(tǒng)的制冷效果是有利的 ,但含油量過(guò)大則會(huì)降低制冷量 ,并對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生許多不利的影響 。關(guān)鍵詞 潤(rùn)滑油 制冷劑 制冷系統(tǒng)impact of l ubricating o il o n refrigeratio n systemli taoli qiangk

2、an j iehao liangyuan xiuling(depart ment of ref rigeratio n and cryogenics engineering , xian j iaoto ng u niversit y)abstract discusses t he impact of lubricating oil o n t he ref rigeratio n system f unctio n w hichcan dissolve wit h each ot her . the t her mop hysical p ropert y of lubricating oi

3、l is very different f ro m ref rigerant s , it will inevitably cause t he change of t he ref rigerant flowing , coefficient ofheat t ransfer and p ressure drop af ter entering circulatio n . analyzes t he impact of lubricating oil and it s co ntent o n ref rigeratio n system and t he mechanism. gene

4、rally , a small amo unt of lubri2 cating oil is f avo rable to t he ref rigeratio n system , but if t he oil co ntent is too much , it will re2 duce t he ref rigeratio n o utp ut , and p ro duce many ot her unf avo rable influences o n system.key wo rdsl ubricating oilref rigerantref rigeratio n sys

5、tem引言制冷系統(tǒng)的影響 。1 制冷系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油的要求潤(rùn)滑油是否適用于制冷系統(tǒng)主要取決于潤(rùn)滑 油的特性能否滿足要求 ,評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油品質(zhì)的主要因 素有粘度 、與制冷劑的互溶性 、熱化學(xué)穩(wěn)定性和吸 水性等 。(1) 粘 度 決 定 了 滑 動(dòng) 軸 承 中 油 膜 的 承 載 能 力 、摩擦功耗及密封能力 。粘度大 ,則承載力強(qiáng) ,密封性好 ,但流動(dòng)阻力較大 。在制冷工業(yè)中 ,對(duì)潤(rùn)滑油粘度的要求 ,在汽車空調(diào)和固定式制冷系統(tǒng)中各 不相同 。汽車空調(diào)要求所用潤(rùn)滑油的粘度較高 ,而 固定式制冷系統(tǒng) ,特別是家用電冰箱要求是用較低 粘度的潤(rùn)滑油 。其主要原因是高粘度潤(rùn)滑油可能 在毛細(xì)管內(nèi)形成“蠟堵”或油“彈

6、”現(xiàn)象 ,影響毛細(xì)管 的正常工作 。當(dāng)然 ,潤(rùn)滑油的粘度對(duì)壓縮機(jī)的能耗 也有影響 ,但考核的參數(shù)取決于潤(rùn)滑油與制冷劑混制冷系統(tǒng)中潤(rùn)滑油的存在對(duì)壓縮機(jī)性能 、換熱器中的流動(dòng)和傳熱以及對(duì)毛細(xì)管中的節(jié)流過(guò)程都 有重要的影響 。對(duì)系統(tǒng)的影響不僅僅要注意制冷 劑熱物性和遷移性質(zhì)的變化 ( 相平衡 、焓 、粘度 、表 面張力等) ,還要注意此時(shí)制冷劑流動(dòng)的變化 、換熱 系數(shù)的降低和壓降的增大 。隨氣體制冷劑進(jìn)入換熱設(shè)備的潤(rùn)滑油對(duì)制冷 系統(tǒng)的影響與制冷劑和潤(rùn)滑油的互溶度有關(guān) 。由于潤(rùn)滑油與制冷劑不能互溶 ,壓縮機(jī)回油困難 ,蒸 發(fā)器和冷凝器中積聚油過(guò)多時(shí)會(huì)造成壓縮機(jī)缺油 。 因而須在壓縮機(jī)出口處安裝油分離器

7、 ,并在蒸發(fā)器 和冷凝器底部安裝放油閥 ,從而防止?jié)櫥驮趽Q熱 器中積留 。而 r12 , r22 和 r134a 等制冷劑與其適 用的潤(rùn)滑油有較好的互溶性 ,潤(rùn)滑油溶入制冷劑并 隨之進(jìn)入循環(huán) ,本文主要研究這種情況下潤(rùn)滑油對(duì)制 冷與 空 調(diào)第 5 卷76 合物的粘度 ,而不僅是潤(rùn)滑油本身的粘度 。( 2) 與制冷劑的互溶性 若互溶性好 , 在換熱 器傳熱管內(nèi)表面不易形成油膜 ,對(duì)換熱有利 ,否則 會(huì)造成蒸發(fā)溫度降低 (在蒸發(fā)壓力不變的前提下) , 蒸發(fā)器的制冷效果下降 。另外 ,互溶性較好時(shí) ,在換熱器內(nèi)不會(huì)發(fā)生“池積”現(xiàn)象 , 有利于壓縮機(jī)回 油 。但互溶使油變稀 ,降低油的粘度 ,導(dǎo)致壓

8、縮機(jī) 內(nèi)油膜過(guò)薄 ,影響壓縮機(jī)潤(rùn)滑 。(3) 熱化學(xué)穩(wěn)定性 在制冷劑 、油 、金屬共存的 系統(tǒng)中 ,高溫會(huì)促使?jié)櫥桶l(fā)生化學(xué)反應(yīng) ,導(dǎo)致油的分解 、劣化 ,生成沉積物和焦炭 。潤(rùn)滑油分解后 產(chǎn)生的酸會(huì)腐蝕電氣絕緣材料 。( 4) 吸水性 若潤(rùn)滑油具有較強(qiáng)的親水性 , 會(huì) 帶入一定量的水分進(jìn)入系統(tǒng) ,在毛細(xì)管中水形成冰晶而堵塞系統(tǒng) ,從而形成“冰堵”現(xiàn)象 。因而在采用 親水性潤(rùn)滑油的系統(tǒng)中 ,必須安裝干燥過(guò)濾器 。除了以上幾項(xiàng)指標(biāo)外 ,還有一些其它的物理性能指標(biāo) 。只有潤(rùn)滑油的這些指標(biāo)符合要求 ,才能應(yīng) 用于制冷系統(tǒng)中 ?，F(xiàn)今大部分制冷系統(tǒng)要求潤(rùn)滑油與制冷劑在系統(tǒng)的工作溫度和壓力范圍內(nèi)能與制冷劑

9、相溶 ,要有良好的化學(xué)穩(wěn)定性 、潤(rùn)滑性能以 及防鍍銅性能 。系統(tǒng)各部件對(duì)潤(rùn)滑油的性能有各 自的要求 ,見表 1 。表 1 制冷系統(tǒng)各部件對(duì)潤(rùn)滑油的性能要求管道中的潤(rùn)滑油內(nèi)會(huì)溶解一定量制冷劑 ,使壓縮機(jī)的實(shí)際排氣量減少 。 由于在壓縮機(jī)進(jìn)氣口處潤(rùn)滑油中溶解有一定量制冷劑 ,潤(rùn)滑油的粘度會(huì)降低 ,導(dǎo)致潤(rùn)滑效果下 降 ,容易造成壓縮機(jī)機(jī)械部件損壞 。同時(shí) ,潤(rùn)滑油由于溶解了制冷劑而導(dǎo)致體積增大 ,在壓縮機(jī)啟動(dòng) 過(guò)程中 ,曲軸箱中的壓力下降 ,引起溶解于潤(rùn)滑油 中的制冷劑沸騰 ,產(chǎn)生大量泡沫 ,有可能將大量的 油從曲軸箱帶入氣缸 ,產(chǎn)生液擊 ,損壞設(shè)備 。壓縮機(jī)排氣管道中的潤(rùn)滑油中溶解有較多的制冷劑

10、(約 32 . 5 %40 %) ,如果使用油分離器 ,會(huì) 使油中溶解的制冷劑不能進(jìn)入循環(huán) ,導(dǎo)致制冷劑質(zhì) 量流量減小 , 制冷量降低 , 故不宜使用油分離器 。 而相對(duì)于制冷劑與潤(rùn)滑油不能互溶的制冷系統(tǒng) ,會(huì) 有大量的潤(rùn)滑油進(jìn)入循環(huán) 。2 . 2 潤(rùn)滑油對(duì)冷凝器的影響由 lot tina1 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知 , 當(dāng)制冷劑中潤(rùn) 滑油含量非常低時(shí) ( 約為 0 . 01 %) , 冷凝器內(nèi)換熱 系數(shù)達(dá)到一個(gè)最大值 ,但與純制冷劑時(shí)相比增幅不 大 ,總體上 ,換熱系數(shù)隨著潤(rùn)滑油含量的增加而降低 。同時(shí)由于潤(rùn)滑油溶于制冷劑 ,會(huì)導(dǎo)致制冷劑粘 度增大 ,從而使壓降增大 。總體而言 ,潤(rùn)滑油的存 在會(huì)削弱

11、冷凝換熱 ,使冷凝器傳熱溫差增大 ,冷凝 壓力升高 。2 . 3 潤(rùn)滑油對(duì)毛細(xì)管的影響2由 samuel的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到 , 任何情況下 ,含油制冷劑在毛細(xì)管中測(cè)得的質(zhì)量流量都比純 制冷 劑 時(shí) 要 小 , 而 且 液 相 長(zhǎng) 度 要 短 。制 冷 劑 r404a 在毛細(xì)管入口處流量和溫度都相同的情況 下 (毛 細(xì) 管 入 口 處 溫 度 為 24 . 32 , 質(zhì) 量 流 量 為17 . 236 kg/ h ,毛細(xì)管尺寸為 1 m 0 . 8 mm) ,對(duì)于 純制冷劑 ,測(cè)得的質(zhì)量流量為 17 . 23 kg/ h ,液相長(zhǎng) 度為 0 . 945 m ;對(duì)于制冷劑/ 潤(rùn)滑油混合液 ( 含油

12、量為5 . 7 %) ,測(cè)得的質(zhì)量流量為 16 . 15 kg/ h ,液相長(zhǎng) 度為 0 . 765 m 。whitacre 測(cè)試了含油量對(duì)毛細(xì)管內(nèi)制冷劑流量的影響 ,發(fā)現(xiàn)含油量較高時(shí) ,制冷劑 的流量的減小可以高達(dá) 8 % 。wijaya 則發(fā)現(xiàn)當(dāng)含 油量很小時(shí) ,油的存在對(duì)制冷劑的流量沒有明顯的 影響 。bolstad 認(rèn)為由于潤(rùn)滑油的存在 , 閃蒸溫度 升高 ,從而使液體段長(zhǎng)度減小 。當(dāng)混合物粘度為純制冷劑粘度的 3 . 6 倍時(shí) ,混合物在毛細(xì)管中液相長(zhǎng) 度為純制冷劑的 0 . 81 。制冷劑含油影響毛細(xì)管流量的原因主要有兩c . 不親水 ;2 潤(rùn)滑油對(duì)制冷系統(tǒng)的影響2 . 1 潤(rùn)滑油

13、對(duì)壓縮機(jī)的影響含油量超過(guò) 4 %時(shí) , 氣閥處流動(dòng)阻力增加 , 實(shí) 際吸氣壓力降低 ,使實(shí)際吸氣比容增加 。制冷劑含油還會(huì)影響氣閥工作過(guò)程 , 改變制冷劑熱力性質(zhì)等 ,從而導(dǎo)致壓縮機(jī)的制冷量和性能系數(shù)下降 。壓 縮機(jī)功耗隨含油量的增加而增加 ,而排氣溫度正好 相反 ,隨著含油量的增加而降低 。此外壓縮機(jī)排氣制冷系統(tǒng)部件對(duì)潤(rùn)滑油的性能要求壓縮機(jī)a . 與制冷劑共存時(shí)具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性 ;b. 有良好的潤(rùn)滑性 ;c . 能與制冷劑很好的互溶 ;d. 對(duì)絕緣材料和密封材料具有優(yōu)良的適應(yīng)性 ;e . 有良好的抗泡沫性 。冷凝器能與制冷劑很好地互溶毛細(xì)管a . 無(wú)蠟狀物絮狀分離 ;b. 不親水 。蒸發(fā)

14、器a . 有優(yōu)良的低溫流動(dòng)性 ;b. 無(wú)蠟狀物絮狀分離 ;d. 能與制冷劑很好地互溶 。第 4 期李 濤等 :潤(rùn)滑油對(duì)制冷系統(tǒng)的影響77 個(gè)方面3 。因?yàn)橛偷恼扯冗h(yuǎn)高于制冷劑的粘度 ,制冷劑 中含少量油會(huì)增加混合物的粘度及相應(yīng)的流動(dòng)阻 力 ,并使制冷劑提前達(dá)到飽和狀態(tài) ,使得流量減小 。油的 表 面 張 力 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 高 于 制 冷 劑 的 表 面 張力 ,制冷劑中含油會(huì)使混合物的表面張力增大 ,阻 礙制冷劑蒸發(fā) ,從而使汽化欠壓增大 ,延緩制冷劑 的蒸發(fā) ,從而增加毛細(xì)管的流量 。隨著油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加 ,達(dá)到飽和的位置略 往前移 ,但溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置卻變化很不明顯 。從圖1 可以看到 ,三種含

15、油量下 ,干度基本是在同一位 置開始從 0 增加 ,在溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后 、在溫度轉(zhuǎn)折 點(diǎn)之前 ,粘度和表面張力的影響基本抵消 。在溫度 轉(zhuǎn)折點(diǎn)后 ,表面張力對(duì)流動(dòng)已經(jīng)不再有影響 ,影響 流動(dòng)的僅僅是粘度 。因此隨著油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加 ,制冷劑和混合物的質(zhì)量流量基本都成線性減 小 ,但混合物流量減小較慢 ,制冷劑流量減小較快 , 當(dāng)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到 10 %時(shí) , 混合物流量才減 小 3 % ,而制冷劑流量卻減小 13 % 。圖 2 是油的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)與質(zhì)量流量的關(guān)系 。并且在毛細(xì)管內(nèi)有可能出現(xiàn)潤(rùn)滑油與制冷劑相分離的現(xiàn)象 ,會(huì)影響毛細(xì)管的工作 。由于小型制冷設(shè) 備 (如家用冰箱空調(diào)等) 的毛細(xì)管直

16、徑很小 ( 約 0 . 6 mm) ,相分離嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致“蠟堵”現(xiàn)象 。2 . 4 潤(rùn)滑油對(duì)蒸發(fā)器的影響2 . 4 . 1對(duì)傳熱和壓降的影響 研究潤(rùn)滑油對(duì)制冷系統(tǒng)的影響可以發(fā)現(xiàn) ,蒸發(fā)器受潤(rùn)滑油的影響最大 。steven 和 tho mas3 等研 究水平管內(nèi) r134a 含酯類油時(shí)的冷凝和蒸發(fā)過(guò)程 時(shí)發(fā)現(xiàn) , r134a 含少量潤(rùn)滑油 (4 . 3 %以下) 時(shí) ,可明顯強(qiáng)化蒸發(fā)傳熱 ,含油較多時(shí)則弱化蒸發(fā)傳熱 。甘 承軍 、王 維 城4 也 證 實(shí) 了 這 一 點(diǎn) , 他 們 測(cè) 得 當(dāng) r134a 含油濃度在 (2 . 24 . 3) %時(shí) ,蒸發(fā)器制冷劑 側(cè)換熱系數(shù)提高 30 %左右

17、, 同時(shí)沿程壓降也增大20 % 。制冷劑中溶有少量潤(rùn)滑油可以增加制冷劑的表面張力 ,從而改變其對(duì)管壁的表面浸潤(rùn)性 。此 外還會(huì)在管內(nèi)產(chǎn)生泡沫 ,增加管內(nèi)液體與管壁的浸 潤(rùn)面積 ,同時(shí)將液膜拉薄 ,沿管壁分布更均勻 ,強(qiáng)化 傳熱效果 ,從而提高蒸發(fā)換熱系數(shù)5 。含油較多時(shí) ,蒸發(fā)器中的蒸氣基本是純制冷劑氣體 ,油的成分極少 ,隨著蒸發(fā)的進(jìn)行 ,液相中的含 油量逐步增加 ,會(huì)在換熱器內(nèi)表面形成油膜 ,降低 換熱系數(shù) ,使蒸發(fā)曲線下降 ,傳熱溫差增大 ;同時(shí)蒸 發(fā)器出口處潤(rùn)滑油中溶有部分未蒸發(fā)的制冷劑 ,這 部分潛熱無(wú)法被充分利用 ,從而導(dǎo)致制冷量減小 。 蒸發(fā)器中潤(rùn)滑油的存在將影響制冷劑沸騰時(shí)氣泡

18、的形成 ,減小氣泡的生成速度和頻率 ,削弱成核過(guò) 程中的熱傳遞 ,從而降低換熱效果 。在蒸發(fā)器末端 ,隨著制冷劑的蒸發(fā) ,以及溫度 升高造成的制冷劑在潤(rùn)滑油中溶解度的降低 ,混合物中制冷劑含量越來(lái)越低 ,混合物粘度逐漸增大 , 從而直接造成蒸發(fā)器末端換熱系數(shù)的減小和壓降 的增加 。當(dāng)含油量達(dá)到 5 %時(shí) , 與無(wú)潤(rùn)滑油時(shí)相比 , 壓 降增大了一倍 。壓降的增大 ,一方面降低了壓縮機(jī)吸氣壓力 ,導(dǎo)致壓縮機(jī)壓縮效率降低 ;另一方面 ,這 又有利于潤(rùn)滑油中溶解的制冷劑被釋出 ,從而提高 蒸發(fā)器的換熱效果 。2 . 4 . 2分層現(xiàn)象 制冷劑在系統(tǒng)各部件內(nèi)的溶解量不同 ,造成制冷劑在油中的遷移現(xiàn)象 。

19、制冷劑/ 油混合物隨溫度 的降低將出現(xiàn)分層現(xiàn)象 ,潤(rùn)滑油容易積存在毛細(xì)管 及蒸發(fā)器上 ,從而影響其換熱效果 ,使制冷劑性能圖 1 三種含油量下的干度分布曲線圖 2 質(zhì)量流量與含油量的關(guān)系制 冷與 空 調(diào)第 5 卷78 下降 。最有可能出現(xiàn)相分離的地方就是蒸發(fā)器 ,因?yàn)樵谡舭l(fā)器中制冷劑蒸發(fā) ,從而在蒸發(fā)器管路內(nèi)表 面上會(huì)形成液態(tài)的油膜 。油膜的粘度主要是由液 相中潤(rùn)滑油的濃度決定的 。當(dāng)油膜的粘度很大時(shí) , 制冷劑蒸氣的流速不足以將這些潤(rùn)滑油帶出蒸發(fā)器 ,從而積留在蒸發(fā)器中 。2 . 5潤(rùn)滑油對(duì)管路的影響 潤(rùn)滑油在系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)會(huì)黏附在壁面上形成油膜 。對(duì)于不能互溶的潤(rùn)滑油和制冷劑 ,這個(gè)問題 可

20、以通過(guò)在壓縮機(jī)排氣口處設(shè)一個(gè)油分離器來(lái)解決 。但是對(duì)于更常用的可互溶潤(rùn)滑油則不行 ,潤(rùn)滑 油與制冷劑一起進(jìn)入循環(huán) ,直到它通過(guò)進(jìn)氣口再次 回到壓縮機(jī) 。這樣就需要考慮潤(rùn)滑油在管路等部 件中的流動(dòng) ,尤其要考慮垂直管路 ,這是因?yàn)橐?潤(rùn)滑油克服重力及粘度影響向上流動(dòng)是很困難的 。這樣制冷劑蒸氣就必須有較高的流速 ,但這又會(huì)造 成壓降的增大 。在蒸發(fā)器及回氣管的低溫區(qū)內(nèi) ,溫 度升高時(shí) ,混合液粘度由于油中制冷劑含量降低而 升高 ;在高溫區(qū) ,制冷劑溶入量很少 ,混合液的主要成分是潤(rùn)滑油 ,其粘度隨溫度的升高而降低 。這樣就存在一個(gè)最大粘度 ,在設(shè)計(jì)管道時(shí) ,應(yīng)以最大粘 度和管道的傾斜角度為主要

21、依據(jù) ,確定管徑及管內(nèi) 氣體的流速 。3 結(jié)論本文主要討論了潤(rùn)滑油能夠與制冷劑互溶的 制冷系統(tǒng)中 ,潤(rùn)滑油對(duì)系統(tǒng)性能的影響 。含油量和 制冷劑種類的不同 ,潤(rùn)滑油的影響作用是不同的 。(1) 對(duì) 于 氟 利 昂 制 冷 系 統(tǒng) , 當(dāng) 系 統(tǒng) 含 油 量 小 時(shí) ,壓縮機(jī)質(zhì)量流量增加 ,蒸發(fā)和冷凝換熱性能增強(qiáng) ;當(dāng)含油量較大時(shí) ,壓縮機(jī)功耗增加 ,實(shí)際排氣量 減少 ,排氣溫度降低 ;蒸發(fā)冷凝換熱系數(shù)降低 ,沿程 摩擦壓降增大 ;毛細(xì)管中液體段長(zhǎng)度和質(zhì)量流量減 小 ,引起系統(tǒng)制冷量的減小 。(2) 潤(rùn)滑油的存在 ,有可能造成換熱器中潤(rùn)滑 油“池積”,毛細(xì)管中“蠟堵”“、冰堵”,壓縮機(jī)中缺油 和潤(rùn)

22、滑效果下降等現(xiàn)象 。因此需要合理設(shè)計(jì)系統(tǒng) 和各部件 ,控制系統(tǒng)的含油量 ,使循環(huán)中的制冷劑 能夠順利返回壓縮機(jī) ,避免壓縮機(jī)缺油 。參 考 文 獻(xiàn)1o lot tina . effect s of synt hetic oil in a co mp ressio n ref rigeratio n system using r410a. part i i : qualit y of heat t ransfer andp ressure losses wit hin t he heat exchangers. internatio nal journal of ref rigeratio n

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