空调系统中材料的相容性试验方法分析

梁小伟, 詹 冲, 徐 乐

(上海日立电器有限公司，上海 201206)

空调系统的硬件主要由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器和连接管路组成,如图1所示。

通过压缩机做功,制冷剂通过连接管道在各硬件内部进行循环流动。由于制冷压缩机中冷冻机油与制冷剂具有一定溶解度,部分冷冻机油也会随着制冷剂一起循环。这种制冷剂和冷冻机油组成的混合液要与空调系统内的各种材料(铜管、铁制部件等)相互接触,因此,各组件对冷冻机油和制冷剂的混合液有特殊的要求(见图1)。空调系统内的材料包括组成压缩机的电机材料(磁性材料、漆包线、绝缘材料等)、泵体组件(铸铁、钢或粉末冶金等)、冷凝器、蒸发器、毛细铜管、膨胀阀用铜管以及连接用的铜管等;另外,还有连接各组件的焊料,残留在各个组件内部的加工辅料、水分、空气等。在压缩机运行期间,由于内置电机工作的热量有时会使电机线圈温度超过100℃,而在阀组件等机械部件处温度也高达150℃以上;同时空调系统内具有一定的压力,以R22制冷剂为例,运转排气压力超过2 MPa,CO2的运转排气压力则超过10 MPa,因此,在满足上述条件的情况下,为保证系统的稳定和安全运行,要求冷冻机油与制冷剂及压缩机内其他材料之间不能发生化学反应。

图1 空调系统组成示意图

为此,国内外压缩机制造厂对冷冻机油及其他材料化学稳定性的质量控制极为严格。针对空调系统内使用的所有材料与制冷剂的热化学稳定性评价,通常采用美国供热、制冷与空调工程师协会标准ASH RAE 97-1983《制冷系统用材料的化学稳定性试验(密封玻璃管法)》[1]来进行,国内的标准SH/T 0698-2000[2]是等效采用ASHRAE 97-1983相关技术内容而制定的,但是其仅适用于在制冷剂系统中冷冻机油化学稳定性的评价,日本标准JIS K2211《冷冻机油》也仅适用于在制冷剂系统中冷冻机油化学稳定性的评价[3]。

ASHRAE 97-1983密封玻璃管试验是空调压缩机厂家选定冷冻机油、制冷剂以及其他材料时必须要进行的一项重要试验。本文详细介绍密封玻璃管试验的主要因素和改进措施。

1 ASHRAE97-1983密封玻璃管试验方法

1.1 密封玻璃管法试验原理

将钢、铜等金属材料作为催化剂装入特制试验管中,按比例注入一定量冷冻机油和制冷剂后,熔封试验管。将密封后的试验管在一定温度下加热规定时间后,根据材料性能的变化、冷冻机油及催化剂的外观、颜色等指标评价材料的化学稳定性。若在玻璃管中另加入需要评价的材料,则除冷冻机油及催化剂的外观、颜色等指标外,还需通过考察材料试验前后的性能变化来评价该材料的相容性。

1.2 试验过程

按上文提到的3个标准[1-3]的要求,将准备好的催化剂和其他材料放入玻璃管中,注入一定体积的冷冻油试样,将玻璃管和制冷剂钢瓶连接到制冷剂玻璃型加注系统上(见图2)。

图2 制冷剂玻璃型加注系统

打开玻璃管和真空泵处的玻璃活塞对玻璃管进行抽真空,当系统压力低于设定值时,充入制冷剂,继续抽真空至系统内压力低于设定值,再将玻璃管放入冷浴中,保证玻璃管上刻度在冷浴面以下,慢慢打开钢瓶阀门将制冷剂冷凝至玻璃管上的刻线处,关闭钢瓶阀门,然后熔封玻璃管,将熔封好的玻璃管放入套管中。在室温下放置一段时间后取出观察是否有异常现象,如制冷剂是否有泄漏。将有异常的玻璃管剔除。将密封试验管放入套管中,在烘箱中加热规定时间。实验结束后开封试验管,收集其中的气体进行分析,然后对其中残留的冷冻机油、催化剂以及试验材料进行对比分析。

2 试验的影响因素

2.1 实验用玻璃管

ASHRAE 97-1983标准中4.1.2明确指定用“硼硅玻璃制作”,主要是为确保玻璃管强度。硼硅玻璃是一种低膨胀率、耐高温、高强度、高硬度、高透光率和高化学稳定性的特殊玻璃材料,因此在试验过程中不会对试验结果造成影响,具体尺寸为内径7mm、外径9mm 、长度240mm。

ASHRAE 97-1983标准中要求试验管必须彻底清洗,试验管应放在密闭容器内,以免被杂质污染。试验管封底后要用蒸馏水或去离子水清洗,再用丙酮清洗,然后在125℃下干燥,在干燥器中冷却。如有需要,可在580℃下煅烧以进一步清洁。干燥后,将试验管存放于干燥器中。

有些企业[4]在试验管封底后通过用碱性水剂清洗,水、蒸馏水冲洗,并配小刷帚拉动清洗,烘干,保存于干燥器中。在使用前,用分析纯乙醚10 L分3次清洗(摇动多次),倒尽,烘干,抽真空后备用。

2.2 试验材料的准备

2.2.1 冷冻机油

从容器内取出冷冻机油试样,由于冷冻机油与空气接触,因此要对其微水含量进行测定,尤其是合成酯冷冻机油(Polyol Ester,POE)在高温下易与水发生水解反应生成脂肪酸,而酸又会与催化剂反应,催化表面的变化又会影响其催化作用,从而最终影响试验结果。因此控制整个系统内的微水是很有必要的。然后必须脱气,排除溶解的空气。因为空气进入制冷系统,将加速压缩机零部件的氧化和制冷量的下降。

2.2.2 制冷剂

对单组份的制冷剂,由于高压钢瓶内上部的一定空间内有气体,其中混有一定量的空气,因此使用前应放空少量气体,将瓶内空气赶净,确保实验质量。对于混合制冷剂,为了保证试验结果,必须获得一定质量或者体积的液态制冷剂。

2.2.3 催化剂

通常把铜(Cu)、铁(Fe)、铝(Al)中的一种或者几种作为催化剂加入到玻璃管中作为催化剂,标准推荐采用宽3mm、长50mm、厚0.15mm的尺寸,如图3所示。Cu选用密闭电机使用的漆包线铜或者制冷铜管使用的磷脱氧铜管。钢选用精密阀片带钢。Al选用制冷铝管用材或者空调系统内的其他铸铝件用材,如电机用的铝平衡块。

图3 铜、铁、铝3种催化剂

不同的催化剂对不同制冷剂的分解作用也是不同的,如古丽等[5]的研究已经证实Cu和Al在低于220℃条件下,对卤代烃的分解催化作用不大,但Fe的催化作用在175℃时就非常明显;在220℃时,小于24 h就会产生大量氯化氢(HCl),冷冻机油也严重变色。

2.2.4 其他材料

(1)直接材料。除了铁、铜、铝3种催化剂外,空调系统内,尤其是空调压缩机内部还有各种电机材料。压缩机里的有机材料直接与制冷剂和压缩机油接触,如相间绝缘等是用工程塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(Polybutylen Terephthalate,PBT)制作的。

(2)水分的影响。全密闭式压缩机对水分都有严格的要求,这是因为水分一方面会降低电器的绝缘强度,另一方面对冷冻机油,尤其是POE和PAG(Polyalkylene Glycol),前者会迅速水解,生成酸性物质,腐蚀零部件,后者吸湿性强,导致润滑油粘度发生变化,加速磨损。但是,全密闭式压缩机中不可避免地会混入一部分水分,因此在材料的相容性认定试验中,并不是要消除水分,而是为了保证系统的安全性,应在实验中添加一定量的水分进行考核。

2.3 抽真空

实际上密封管试验的成功与否和真空度密切相关,真空度越低,对试验影响越小,试验越易通过。ASHRAE 97-1983标准中规定密封管试验的真空度在0～6.7 Pa内。俞丽珍等[6]用太阳公司SL 10S冷冻机油进行了真空度对稳定性的影响试验,试验条件:制冷剂为 R134a;温度为175℃;时间为14 d;封入量为油/制冷剂=0.7 ml/0.7 ml,结果如表1所示,其中TAN为总酸值。

表1 不同真空度下的密封管试验

因此,抽真空设备的密封质量对实验成功与否影响较大,抽真空设备做成后,应检查真空保压能力。在平时实验中,也应检查真空系统密封是否完好。

2.4 封管

玻璃管熔封有一定的危险性,因此,操作过程中安全很重要。

2.5 冷浴

ASHRAE 97-1983标准中规定采用液氮进行冷浴,固化制冷剂,但是操作不方便,可以采用工业乙醇加干冰的方式进行。

2.6 开管

开管装置如图4所示。将试验管的一半浸入液氮中直到试验管内物质凝固。将试验管取出片刻用锉刀在靠近顶部锉一划痕,再把试验管重新放人液氮中冷却,取出试验管插入图4所示夹具中,使试验管顶部被铜管末端的“耳部”卡住,再侧向将试验管从顶部断开,若需要进行气体分析,可将夹具与预先抽空气体的采样系统连接,收集管内气体。

图4 开管装置

2.7 密封管的分析

根据实验目的可以选择不同分析方法,一般通过试验完后目测管内物质状态,包括检查液相和管内金属,将其状态和已知稳定状态的参照物对比来判断试验结果。另外,上文提及可以对密封管的气体成分进行分析,也可以用于试验结果的判断。

评价标准的建立是该试验方法的核心内容,但是不同的厂家由于其生产工艺和设备的不同,标准也不同,需要通过大量的试验建立自己的标准。

2.8 注意事项

熔封试验管时存在着很大的危险性,管内压力应在5.86 MPa范围内。熔封好的试验管炸裂并非异常,因此操作者必须遵守以下安全注意事项,熟悉每一步可能存在的危险,才能确保实验的顺利完成:①为避免在工作中发生爆炸事故,工作人员如要观察实验过程,必须戴防爆面罩,穿宽厚的工作服保护手臂,戴上薄皮手套保护手。②丙酮等试剂都是极易燃溶剂,应保持通风,避免火星、火苗或热源。熟悉最近的灭火器位置,采取适当的防火措施。③用焊枪进行熔封时,戴上黑色眼镜防止火焰的强光损伤眼睛。④向钢瓶内加注液体制冷剂时,一般要留有20%的蒸汽空间,为温度升高时蒸发的液体提供空间。因为液体的不可压缩性,钢瓶或其他封闭空间充满液体就存在爆炸的危险。⑤使用杜瓦瓶内的工业乙醇加干冰,应穿戴好防护服装包括皮手套、厚的工作服、面罩或防护镜,以免操作者因与工业乙醇加干冰接触造成严重冻伤。⑥试验管若存在缺陷,在最初加热时极易炸裂,因此操作者应特别小心,必须采取适当的防护措施防止因试验管炸裂损坏烘箱。

3 结 语

通过对密封玻璃管法测定空调系统材料的相容性试验方法影响因素的分析,对ASHRAE 97-1983标准的试验方法进行了改进。多年来,改进后的方法多次对国内外多种品牌的冷冻机油、制冷剂以及不同供应商提供的加工辅料和直接材料进行了相容性试验,并建立了相应的评价方法和标准。

[1]美国冷暖和空调工程师协会.ASHRAE 97-1983 Sealed GlassTubeMethod to TesttheChemical Stability ofMaterials for Use within Refrigerant Systems[S].美国亚特兰大市:美国冷暖和空调工程师协会,2004.

[2]中国石油化工股份有限公司,石油化工科学院.SH/T 0698-2000 制冷剂系统中冷冻油的化学稳定性试验法(密封玻璃管法)[S].北京:中国石油和化学工业局,2001.

[3]自然资源和能源标准分会,润滑油技术委员会.JIS K2211 Refrigerating Machine Oil[S].东京:日本国家标准协会,1992.

[4]陈 洁,冯国权.关于冷冻机油在制冷剂作用下的稳定性试验法的探讨[J].家电科技,2002(9):67-68.

[5]古 丽,陶岩英,冯国金,等.全封闭制冷压缩机的金属表面处理工艺利弊谈[J].家用电器科技,2002(7):71-72.

[6]俞丽珍,黄丽娟.冷冻油化学稳定性密封玻璃管试验法的影响因素分析[J].润滑与密封,2005(6):176-178.