制冷剂与新型冷冻机油的互溶性研究

曹 昕 袁 鹏

(南京威尔药业集团股份有限公司，江苏 南京 210047)

制冷剂又称为冷媒、制冷工质等。1805年Oliver Evans第一次采用蒸发压缩制冷以来，传热工质先后采用了氨、二氧化碳、氯甲烷、异丁烷等，制冷剂在20世纪得到了飞速发展。科技的发展伴随着环境的破坏，1985年英国南极探测局公开了观察到的“臭氧空洞”现象，随之同年的《维也纳公约》和1987年的《蒙特利尔议定书》规定全球共同努力保护臭氧层，而臭氧层破坏潜能(ODP)较高的制冷剂也逐渐被限制使用并逐年淘汰。现代家用商用制冷剂ODP值由高到低分别为CFC类、HCFC类和HFC类。我国已于2006年完全禁用了CFC类，HCFC类中表现出色的R22也在逐步淘汰，HFC类将长期作为我国制冷剂替代品出现在家用商用设备上。

冷冻机油是一种专用润滑油，主要用于制冷压缩机的密封和润滑，制冷系统中冷冻机油不可避免的接触制冷剂，高质量的冷冻机油除了优异的粘温性能、润滑性能、氧化安定性和化学稳定性外，与制冷剂的互溶性尤为重要。现有冷冻机油主要分为矿物油、PAG油和POE油等，这些基础油各有所长，而针对HFC类制冷剂矿物油互溶性较差，PAG油电绝缘性逊于POE油，因此诸如家用冰箱和空调等设备更倾向于POE油。我国正处在制冷剂的替换阶段，新品种制冷剂配套的冷冻机油的发展影响着压缩机的寿命甚至整个制冷系统的能耗，作为空调冰箱销售使用大国，冷冻机油的国产化显得尤为重要。[1-5]

1 试验部分

1.1 主要试剂及装置

制冷剂R32(科慕)、制冷剂R134a(科慕)、混合制冷剂R507(科慕)、冷冻机基础油POE68-Ⅰ(自制)、冷冻机基础油POE68-Ⅱ(自制)、市售冷冻机油POE68、冷冻机基础油POE150-Ⅰ(自制)、冷冻机基础油POE150-Ⅱ(自制)、市售冷冻机油POE150等。

1.2 试验目的

试验选用的制冷剂均是符合《蒙特利尔议定书》所要求的低ODP值的制冷剂，它们均属于HFC类。其性能参数如表1。

在HFC类制冷剂ODP值为0的基础上，首先考虑安全性上选用无毒品，除R32具有微可燃性外其它两种均属于不可燃气体。选择的三种制冷剂在我国已广泛用于或具有潜力使用于家用和商用制冷设备中。被替代型号也均是往年热门制冷剂，但已被淘汰或将被淘汰。

表1 制冷剂的性能参数

我们选用自制的冷冻机基础油，同牌号下它们出自两种不同的工艺，选用较具代表性的POE-68和混合基础油POE150。自制油均满足我国GB/T 16630—2012《冷冻机油》所提出的各项技术指标，自制油主要技术指标见表2。

1.3 试验步骤

制冷剂和冷冻机油的互溶评价试验系统主要由试管本体、沸水浴、真空泵、低温浴、灌氟装置组成。试管经充分洗净晾干后，用长头针管注入1 mL冷冻机油，试管管口用法兰与针型阀一端相连，针型阀另一端通过导管与真空泵相连，并确认全系统负压试压无泄漏；热浴100 ℃真空脱水30 min；将针型阀密闭，试管自然冷却至室温，置于低温浴槽中，缓慢降温至-80 ℃；切换针型阀另一端至制冷剂钢瓶，经灌氟装置充入制冷剂于试管刻度处；旋紧针型阀，拆除导管，程序升温至0 ℃；将试管取出，缓慢摇匀，放回低温浴槽中；程序降温由25 ℃至～80 ℃，观察并记录降温过程中，絮凝点(初始产生絮状物)的温度值以及两相分离温度值。[6、7]

2 试验及结果分析

2.1 与制冷剂的互溶性对比

冷冻机油和制冷剂的互溶性是评价冷冻机油的关键指标之一，一般我们选用絮凝点来对其进行判断。冷冻机油的主要功能是润滑摩擦面，带走摩擦热，保证密封部件的密封性能等，这些都是保证压缩机可以正常运转并提高其寿命的关键点。若在制冷系统中选用了不适合工况的冷冻机油和制冷剂组合，会影响制冷系统工作甚至会烧坏压缩机等重要部件。将四种自制基础油和两种市售油分别与制冷剂进行互溶性对比，我们均以含油率10%的情况进行同步评价，絮凝点及两相分离温度值结果见表3和表4。

六种测试冷冻机油和三种制冷剂一一对应絮凝

点及两相分离温度值趋势较一致，POE/R32体系互溶效果较差，POE/R134a体系互溶效果能够满足部分工况要求，POE/R507体系互溶效果较好能够满足绝大多数制冷系统。组合内比较，工艺二所合成的基础油优于工艺一，且两种工艺所生产的基础油均优于市售冷冻机油。

表3 絮凝点测定结果(℃)

表4 两相分离温度值测定结果(℃)

2.2 稳定性评价对比

冷冻机油稳定性评价采用SH/T0104标准分析方法，也称为菲利普试验。将四种自制基础油分别与制冷剂按1∶1的比例加入试管中，模拟制冷系统高低交替循环于180 ℃与40 ℃之间，试验时间为一周。每天观察并记录有无闪银光冷凝液滴。[8]试验结束后用硝酸银-甲醇溶液定性分析并取样检测酸值后，确认四种自制基础油均未发生白色沉淀且酸值无变化，因此说明四种自制基础油与R32、R134a、R507三种制冷剂混合后均具有较为良好的稳定性。

2.3 化学稳定性评价对比

化学稳定性也是冷冻机油的关键指标之一，因为在制冷系统中冷冻机油常需要承受170 ℃左右的极端温度，在高温和金属的催化下，冷冻机油会酸化或炭化，这些会导致制冷系统部分管道堵塞。将四种自制基础油分别与制冷剂按1∶1的比例加入耐压试管中，并适量加入铁、铜催化剂，熔封。放入175 ℃中老化2周，取出密封试管，观察混合液外观。[9]四种自制基础油与制冷剂混合后在杂质存在下经过老化，外观与原样保持一致，经过滤并脱除制冷剂后酸值无变化，表明自制基础油与制冷剂R134a及R22均有良好的化学稳定性，可以用于选用R32、R134a和R507作为制冷剂的制冷系统中。

3 结论

本文主要评价了两种牌号的两种工艺的自制基础油和市售成品油与三种制冷剂的互溶性，除R32/POE体系互溶性较差外，R507/POE体系互溶性最好，R134a/POE体系次之。在制冷系统设计选油时，本文对用油量的确认，设备的选型，管道及回油装置排布等提供了数据支持，使POE冷冻机油在HFC类制冷剂的工况下能够得到更广泛的应用。