R290制冷劑潤滑油選擇的影響因素分析

喻繼江（廣東美芝制冷設備有限公司 研發(fā)中心，廣東 佛山 528333）

科技與應用

R290制冷劑潤滑油選擇的影響因素分析

喻繼江
（廣東美芝制冷設備有限公司 研發(fā)中心，廣東 佛山 528333）

針對R290制冷劑應用的特點，重點分析了R290壓縮機潤滑油的選擇過程中溶解度及溶解粘度的影響。指出了在R290制冷劑應用時，因排氣溫度低帶來的過熱度問題及其影響，提出了改善R290系統(tǒng)過熱度問題的方法。

R290；溶解度；溶解粘度；過熱度

在R290壓縮機的開發(fā)過程中，除了在結(jié)構(gòu)設計上要針對R290的特點進行針對性設計外，由于R290具有可燃性、低粘度、低排氣溫度等特性，且與各種油品均有良好的互溶性，因此，需要針對制冷劑的特點選擇合適的潤滑油。

近年來，針對R290用潤滑油的研究已逐步開展，但主要的思路多數(shù)仍圍繞滿足壓縮機的可靠性，未能針對R290制冷劑的特點進行深入分析。本文通過對R290與傳統(tǒng)制冷劑的差異入手，提出了R290油品研究時需特別關注的三個要求，并逐一從理論分析到試驗評價進行了研究和說明，總結(jié)了研究過程中的一些經(jīng)驗。

1　R290油品的應用要求

在制冷系統(tǒng)中，制冷劑與潤滑油直接接觸，不可避免地有部分潤滑油與制冷劑一起在系統(tǒng)中循環(huán)流動，溫度變化較大，因此，潤滑油的選擇需滿足一些基本要求，如在運行條件下，潤滑油應有適當?shù)恼扯取χ评鋭┯辛己玫募嫒菪?，本身應具有較好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、絕緣耐電壓要高等。對于碳氫制冷劑R290來說，根據(jù)制冷劑特點，需特別關注：

1）根據(jù)R290可燃性的特點，從降低制冷劑充注量的角度，需考慮制冷劑在潤滑油中的溶解度要求；

2）根據(jù)R290液態(tài)粘度低及與油相溶性好的特點，需考慮潤滑油中溶解了R290后的溶解粘度要求；

3）根據(jù)R290排氣溫度低的特點，需關注排氣溫度低帶來的R290系統(tǒng)△T問題及其對潤滑油的影響。

2　冷凍機油選擇的因素分析

2.1溶解度

溶解度是指在一定的壓力和溫度條件下，溶解到潤滑油中的制冷劑質(zhì)量與潤滑油的質(zhì)量比值，一般以質(zhì)量百分比表示。按制冷劑與潤滑油的溶解性大小，可將潤滑油分為三類：完全互溶、部分互溶和難溶或微溶油。一般情況下，很少選擇難溶或微溶的油品，這樣需要在系統(tǒng)中增加額外的油分離設備，以避免潤滑油進入兩器后難以回到壓縮機，從而影響到壓縮機內(nèi)的油量及兩器的換熱性能。

潤滑油與制冷劑的溶解關系如圖1所示。在一般情況下，當溫度一定時，溶解度隨著壓力的升高而增大，而當壓力一定時，溶解度會隨著溫度的上升而降低。

圖1　潤滑油與制冷劑的溶解關系示意圖

由于R290的高可燃性，在其應用于空調(diào)系統(tǒng)上時，標準IEC 60335-2-40（2013）及GB 4706.32 （2012）中，對不同空間大小的房間內(nèi)，使用可燃性碳氫制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量的上限，進行了相同的限制。根據(jù)標準的要求，使用R290（丙烷）制冷劑的空調(diào)器，在不同的面積房間里使用，空調(diào)器的最大制冷劑封入量相比R22需要大幅降低。以1HP能力壁掛分體式空調(diào)器為例，傳統(tǒng)的R22系統(tǒng)通常的制冷劑封入量約為800 g，而根據(jù)標準要求，R290系統(tǒng)的制冷劑封入量上限約為300 g，僅為R22實際使用量的37.5%。

為了滿足封入量的限制規(guī)定，必須采取必要措施，如減少兩器大小、降低壓縮機內(nèi)制冷劑含量等。在壓縮機中，制冷劑主要是溶解在潤滑油內(nèi)，因此，從降低制冷劑含量的角度應選擇較低溶解性的潤滑油。在相同的油量情況下，溶解度的大小決定了油中溶解的制冷劑的多少，從而影響到參與系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑含量，即影響到系統(tǒng)的性能。

以用于房間面積為15 m2，制冷量1HP（約2 500 W），安裝高度為1.8 m，R290最大封入量為290 g的R290空調(diào)器所對應的壓縮機為例，假設分別采用溶解度為15%與30%的潤滑油時，理論上計算出潤滑油中所溶有的R290質(zhì)量比較如表1所示。

表1　不同溶解度油品溶解的R290質(zhì)量對比

因此，溶解度的差異將會帶來溶解在油中的制冷劑含量的差異，從而影響到參與循環(huán)的制冷劑質(zhì)量，R290壓縮機分別采用溶解度為15%與30%的潤滑油為例，其意義在于，若采用與R290的溶解度為30%的潤滑油，壓縮機封入的潤滑油中溶有的R290質(zhì)量多達144 g，則對于一臺最大封入量為290 g的R290空調(diào)器，簡略估算，其中參與制冷循環(huán)的R290制冷劑質(zhì)量僅為290 g-144 g=146 g。

換個角度來說，若采用與R290的溶解度為15% 與30%的潤滑油比較，壓縮機殼體內(nèi)的潤滑油中溶有的R290質(zhì)量可減少多達72 g，則對于一臺封入量為290 g（最大允許封入量）的R290空調(diào)器來講，就可以使得其R290制冷劑封入量減少至218 g，從而空調(diào)器的安全性可大大地提高。

根據(jù)上述分析，R290空調(diào)系統(tǒng)需要針對性設計以降低制冷劑封入量，從壓縮機的角度分析，由于溶解在油中的制冷劑無法參與系統(tǒng)循環(huán)，因此，需要確定停留在壓縮機內(nèi)的制冷劑含量與潤滑油的溶解性之間的關系，為選擇合適溶解性的油品作為參考。

在實際試驗測試中發(fā)現(xiàn)，在1HP能力的R290空調(diào)器中，其制冷EER與制冷劑的封入量有明顯的關系，如圖2所示。

圖2　R290空調(diào)EER隨制冷劑量變化趨勢

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，空調(diào)器的EER隨著R290制冷劑封入量的增加而增加。于是，若采用與R290的溶解度為15%與30%的潤滑油比較，在保持空調(diào)器的制冷劑總封入量為290 g的前提下，采用低溶解度油的系統(tǒng)參與制冷循環(huán)的R290制冷劑質(zhì)量較較高者增加了72 g，這樣，空調(diào)器的性能可進一步得到提高。

因此，從溶解度的角度出發(fā)，在選擇R290壓縮機用油時，應盡量選擇溶解度較小的油品，以減少溶解在油中的制冷劑的制冷量，來提高在限制的制冷劑充注量下，使系統(tǒng)獲得較多的制冷劑循環(huán)量，從而提高系統(tǒng)的安全性及性能。

2.2溶解粘度

潤滑油的粘度可定性的定義為它的流動阻力，它是潤滑油最重要的性能之一。而溶解粘度則是指油在溶解了制冷劑以后的粘度值，它受潤滑油本身的粘度和溶解度大小影響。

一般情況下，由于液體制冷劑的粘度較小，潤滑油在溶解了制冷劑以后，其溶解粘度相比純油會大幅下降，由于R290制冷劑液體粘度小，影響會更大。純油的粘度會隨著溫度的升高而降低，因此應當選擇粘度指數(shù)較大的潤滑油以減少油本身的粘度變化。

同一種油和制冷劑的溶解粘度則受溶解度的影響巨大，溶解度增大，油被稀釋的程度上升，溶解粘度就下降，反之，溶解度下降，則溶解粘度增大。在相同的壓力情況下，溶解度隨著溫度下降呈加速增加趨勢，溫度相同時，隨著壓力的上升，溶解度也呈加速增加趨勢，而溶解粘度則與溶解度和溫度有著直接的關系，在相同的溫度下，溶解粘度隨溶解度的減小而快速上升，相同的溶解度時，溶解粘度則隨溫度的升高而降低。

潤滑油的選擇主要取決于制冷劑，制冷劑工作的溫度壓力條件決定了潤滑油的溶解度，從而決定了其溶解粘度。為了保證壓縮機的性能與可靠性，必須保證在工作條件下油品具有一定的溶解粘度，來滿足潤滑和密封的要求，同時，為了避免潤滑油停滯在兩器的管壁上不能及時回到壓縮機內(nèi)，應該選取與制冷劑互溶性良好的潤滑油，避免回油困難。

油品的溶解粘度不僅與油本身的粘度有關，更重要的是與使用的制冷劑的溶解度有著直接的關系，以R22制冷劑及R290制冷劑與相應使用的礦物油為例，對比它們的粘度隨溶解度變化情況如表2所示。

表2　不同工況時溶解粘度隨溶解度變化情況

上表中可以看出，雖然礦物油2的粘度幾乎是礦物油1的兩倍，但是在溶解了制冷劑后，R290/礦物油2的溶解粘度迅速下降，到工況2時，由于R290的溶解度達到了約50%，導致溶解粘度降低到極低水平，而R22/礦物油1組合則保持著較好的溶解粘度值，兩個工況的溶解粘度基本保持穩(wěn)定，這對保證壓縮機在各個工況下的可靠性具有重要的意義。

針對R290制冷劑特性來說，由于R290的分子結(jié)構(gòu)是飽和的碳氫化合物，其對各種潤滑油都有非常良好的相溶性，也就是說，潤滑油中溶解的R290含量相比其它制冷劑要多，當工況條件變化時，油的粘度受制冷劑含量的變化影響就更大。因此，在R290潤滑油選擇的過程中，需要特別關注潤滑油溶解粘度的波動情況，盡量選擇粘度更加穩(wěn)定的油品，即選擇溶解度受工況條件影響較小的潤滑油更合適。

2.3排氣溫度低的影響

在制冷系統(tǒng)中，通?？煽啃栽u價需要關注過熱度△T指標。過熱度ΔT指的是壓縮機內(nèi)油池油溫與排氣壓力對應的飽和溫度的溫差，即

其中：

△T——壓縮機底部油的過熱度（℃）；

Tos——壓縮機內(nèi)底部油的溫度（℃）；

Tc——排氣壓力計算的冷凝器中部溫度（℃）。

在計算中，油溫通常用壓縮機下殼體底部溫度代替，而Tc通常用冷凝器中部溫度代替。在壓縮機搭載系統(tǒng)的可靠性評價試驗中，ΔT是判定系統(tǒng)可靠性的重要指標之一，通常在各試驗工況條件下，要求ΔT在連續(xù)（穩(wěn)態(tài)）運轉(zhuǎn)時須滿足ΔT≥5，斷續(xù)（非穩(wěn)態(tài)）運轉(zhuǎn)時滿足ΔT≥0。

在系統(tǒng)中，如果ΔT呈負數(shù)，泵體內(nèi)排出的制冷劑在壓縮機內(nèi)比冷凝器中更容易冷凝，這將導致壓縮機內(nèi)的潤滑油被嚴重稀釋，油的粘度大幅降低，從而影響到壓縮機的潤滑和密封。這是旋轉(zhuǎn)式壓縮機殼體內(nèi)高壓力結(jié)構(gòu)設計的典型現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是不允許的并且要加以控制。

根據(jù)ΔT的計算公式，在設定的工況條件下，排氣壓力一定，即Tc一定，若ΔT不合格，則說明壓縮機內(nèi)底部油池溫度Tos過低，而Tos過低一般是由于系統(tǒng)的制冷劑充注量過多，毛細管不合適引起的回液現(xiàn)象或壓縮機過度冷卻，環(huán)境溫度過低引起的沉積現(xiàn)象等原因造成。但是，對于R290制冷劑來說，其排氣溫度較低也使得油池溫度容易過低，從而更容易產(chǎn)生ΔT問題。

在運轉(zhuǎn)過程中，壓縮機內(nèi)部各部分溫度，如油池溫度Tos，泵體排出溫度Td1，電機溫度Tm，壓縮機排氣口溫度Td，如圖3中所示。

圖3　壓縮機內(nèi)溫度示意圖

如圖3中，通常我們在試驗中測試的排氣溫度為Td，即壓縮機排氣口處的溫度，而實際上壓縮機泵體的排出溫度為Td1，通常情況下，Td1＜Td，這是因為壓縮機排氣經(jīng)過電機后，由于電機部溫度Tm較高，而將泵體排出的高壓氣體從Td1加熱到Td，電機也因此得到冷卻。而此時位于壓縮機底部的油池溫度則由泵體排出氣體溫度Td1，排氣油分離后的回油溫度Tob，壓縮機殼體溫度Tc，壓縮機外部環(huán)境溫度Ta的影響而決定，它們對油池溫度Tos的影響途徑為：

Td1：排出的制冷劑不斷的溶解到油池中，直接影響到油池溫度；

排氣氣體與油池油面進行熱傳遞，影響到油池溫度。

Tob：排出的油氣經(jīng)過電機加熱后在電機上腔被分離，分離的油沿殼體和電機定子之間的間隙（再次被加熱）回到油池，影響到油池溫度。

Tc：電機部殼體溫度較高，通過殼體與油池進行熱傳遞。

Ta：殼體外部環(huán)境溫度與油池溫度存在差異，通過殼體進行熱傳遞。

而以上各種影響因素中，泵體排出的制冷劑溶解到油池中及與油池油面的熱傳遞對油池溫度Tos影響最大，即Tos受泵體排出溫度Td1的影響最大。

當冷凝壓力一定時，若ΔT低，則表示油池溫度低，此時油對制冷劑的溶解度上升，當壓縮機油池內(nèi)的油溶解的制冷劑達到飽和狀態(tài)時，ΔT低時的溶解粘度與ΔT較高時的溶解粘度相比，將會有所降低，因R290與各種油均有較好的互溶性，這種飽和溶解帶來的溶解粘度降低顯得更加明顯。

更重要的是，若ΔT＜5甚至ΔT＜0時，即壓縮機底部油池溫度Tos接近甚至低于冷凝器中部溫度時，從泵體內(nèi)排出的壓縮后的制冷劑Td1受電機下腔的溫度低的影響，溫度下降到排氣壓力對應的臨界溫度即冷凝溫度后，在壓縮機的電機下腔油池處出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，此時，冷凝后的制冷劑混合在油中，進一步稀釋了潤滑油，油的粘度嚴重降低，而被稀釋的粘度極低的潤滑油供給到壓縮機的運動機構(gòu)后，無法形成油膜，從而導致壓縮機的潤滑不良，產(chǎn)生磨損，并且導致各運動間隙密封性能很差，泄漏嚴重，壓縮機的性能降低明顯。表3中給出了在相同壓力條件下不同△T時的粘度變化的對比參考數(shù)據(jù)。

表3　不同△T時R290壓縮機油池粘度變化

通過實驗測試能夠發(fā)現(xiàn)，對比R290與R22，排氣溫度有著非常明顯的差異，在標準壓縮機單體測試條件ASHRAE工況下，兩者排氣溫度實測數(shù)據(jù)如表4所示?？梢钥吹剑琑290排氣溫度比R22低約20℃，這直接導致了R290壓縮機的油池油溫要比R22低得多，帶來的△T問題更突出。

表4　R22/R290制冷劑不同工況時排氣溫度對比

特別地，在對R290壓縮機搭載空調(diào)系統(tǒng)進行SET油液面及ΔT評價時，即使在沒有回液的情況下，R290的ΔT的測試結(jié)果還是會出現(xiàn)負值，特別是在非穩(wěn)定運行、斷續(xù)運行、沉積啟動等惡劣工況條件時。綜合以上分析及相應工況的溫度數(shù)據(jù)，我們能夠確認，泵體排出的氣體溫度即Td1過低是ΔT出現(xiàn)問題的主要原因。

這種制冷劑本身特性帶來的ΔT問題，可以通過系統(tǒng)的設計和匹配來改善，根據(jù)R290制冷劑的特點，在系統(tǒng)匹配中，使系統(tǒng)具有較高的過熱度，不僅對系統(tǒng)的性能有益，也能使泵體的排出溫度Td1提高，從而改善△T問題。

3　結(jié)論

1）溶解度決定著相同的潤滑油量時，溶解在油品中的制冷劑質(zhì)量，對于R290空調(diào)系統(tǒng)來說，應選擇溶解度較小的潤滑油，以提高系統(tǒng)的性能和安全性；

2）溶解粘度是潤滑油工作性能的重要指標，它受到潤滑油本身粘度和溶解度的影響，對R290制冷劑來說，應選擇溶解度受工況影響較小，溶解粘度變化不大的潤滑油，以保證潤滑和密封。

3）R290的排氣溫度低會使系統(tǒng)更容易出現(xiàn)ΔT問題，這會使?jié)櫥偷恼扯却蠓陆?，導致壓縮機潤滑和密封不良，從而影響到壓縮機的可靠性與壽命，因此，需要通過選擇合適的潤滑油并通過系統(tǒng)的設計和匹配來保證系統(tǒng)全工況使用的性能和可靠性。

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［責任編輯：吳卓］

Analysis of the Influencing Factors on R290 Refrigerant Lubricant Oil Selection

YU Jijiang
（R&D Section，Guangdong Meizhi Compressor Co.Ltd.，F(xiàn)oshan Guangdong 528333，China）

Based on the characteristics of R290，the solubility and working viscosity of lubricant oil for R290 are analyzed.In addition，the superheat issue is found to be a special problem in R290 application，the reason and influence of the issue are indicated，and the method to solve the superheat problem is suggested.

R290；solubility；working viscosity；superheat

TB64

A

1672-6138（2015）03-0026-05

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.03.006

2015-04-24

喻繼江（1964—），男，湖南瀏陽市人，工程師，研究方向：制冷壓縮機研發(fā)與制造。