R513A与润滑油的互溶性及材料兼容性实验研究

2021-10-30陈思亦杨昭马海云段钧晨陈裕博

制冷技术 2021年4期

陈思亦，杨昭*，马海云，段钧晨，陈裕博

（1-天津大学机械工程学院，天津 300350；2-丹佛斯（天津）有限公司，天津 300350）

0 引言

21世纪是飞速变迁的时代，人类社会飞速发展的同时，环境问题日益凸显，成为了不容忽视的问题。现在广泛使用的氢氟烃（HFCs）类制冷剂虽然解决了臭氧消耗潜值（Ozone Depletion Potential，ODP）过高的问题，但是仍然存在全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）过高的问题[1]。2016年10月15日，国际社会于非洲卢旺达签署了《蒙特利尔议定书-基加利修正案》[2-5]，对制冷剂的选择使用有了进一步的要求。“基加利修正案”已于2019-01-01 正式生效，该修正案要求发展中国家在2024—2028年期间减少直到冻结HFCs 的使用，中国作为发展中国家的一员承诺将于2021年开始实施修正案的内容。

R513A 是由R134a 和R1234yf 以质量分数比44:56 组合而成，是一种共沸制冷剂。这两者的组合，R134a 可以削弱R1234yf 的弱可燃性[6-8]；而R1234yf 的GWP 仅有4，可以综合R134a 较高的GWP。R513A 的GWP 仅为631，是一种良好的过渡制冷剂。目前在国外研究中，PAVEL 等[9]比较了R450A 和R513A 的循环性能研究，结果表明R513A具有更好的循环性能。此外还有大量国外学者，针对R513A 替代R134a 的可行性进行分析，在对膨胀阀进行调节后，可以实现制冷剂的替代[10-12]。在国内研究中，艾爱[13]对R134a 与润滑油互溶性进行研究。于荣等[14]对R1234yf 与润滑油的仿真性能记性分析。汪青青等[15]、张亚国等[16]、赵盼盼等[17]对HFO 类制冷剂及R134a 在汽车空调的循环性能进行了研究。张治平等[18]对R513A 替代R134a 的可行性进行分析。

上述研究集中在传热性能、系统循环上，但是还有其他关键性的技术问题的数据需要补充完善，比如R513A 和不同润滑油的互溶性。互溶性能够评价两者相互溶解能力的大小，如果制冷剂与润滑油的互溶性较差，则会造成在循环系统中的润滑油无法回油，润滑油积聚在蒸发器或者冷凝器上，形成油膜，使换热条件恶劣。而材料兼容性问题，更是机器运作最基本问题。本文对R513A 与PVE32 和POE32 的互溶性，以及R513A 与PVE32 与各种材料兼容性问题展开了研究。

1 互溶性实验研究

1.1 实验装置

基于国标SH/T 0699—2000[19]以及日本工业标准JIS K2211—2009[20]，设计搭建了一套测量制冷剂与润滑油互溶性的实验系统。制冷剂与冷冻机油互溶性实验系统原理如图1所示。

图1 制冷剂与冷冻机油互溶性实验系统原理

实验装置主要包含配气系统、恒温系统、测量试管和控制系统。配气系统主要部件包括压力传感器（在0～2.5 MPa，测量不确定度小于±2 kPa）、干燥器、缓冲瓶和真空泵等；恒温系统中，恒温槽包括复叠式制冷系统以及加热系统，能够提供223.15～363.15 K 的恒温环境，在温度范围内，测量的不确定度小于±10 mK；测量试试管的材料为透明石英玻璃，上部分连接部件为不锈钢法兰盘；控制系统主要部件为上位机（电脑）及可编程控制器，还包括中间继电器等其他部件。

实验过程中，将制冷剂与润滑油按照一定的质量比配置到试管中，使二者形成均一透明的溶液；再通过逐步降低恒温槽的温度，来控制试管降温；若观察到溶液中产生絮状沉淀物或者两相分离现象，那么这个温度点即为临界互溶温度。

1.2 实验材料

实验材料主要包括R513A 制冷剂、PVE32 和POE32，其中R513A 为科慕公司的产品，纯度大于99.9%。实验所采用的PVE32 和POE32 润滑油的物性参数如表1所示。

表1 PVE32 和POE32 润滑油的主要物性参数

1.3 结果与分析

本次实验对制冷剂R513A与润滑油POE32 以及PVE32 之间的互溶性展开研究。测定的含油率范围是5%～60%，温度区间是-50～30 ℃。通过实验，发现在测定的含油率（以5%为间隔）和温度区间范围内，R513A 与POE32 以及R513A 与PVE32 这两种混合溶液始终是均一透明的溶液状态。在-50 ℃时，两种混合溶液均未出现絮状沉淀物或者两相分离的现象，说明R513A 与这两种润滑油都具有良好的互溶性。

从理论的角度分析，POE32 润滑油具有较强极性，润滑油PVE32 有略低于POE32 极性，根据相似相容定律，二者与同为极性分子的R134a 互溶性良好。并且润滑油PVE32 与POE32 中都含有氧原子，分子结构与R1234yf 更为类似，故互溶性佳。

2 材料兼容性实验研究

2.1 实验装置

基于国标SH/T 0698—2000[21]，设计搭建了一套测试制冷剂与润滑油材料兼容性实验系统。制冷剂与润滑油材料兼容性实验系统图如图2所示，包括4 个部分。

图2 制冷剂与冷冻机油材料兼容性实验系统原理

配气系统与控制系统是与互溶性实验装置公用。高温恒温槽系统，能提供313.15～523.15 K 的恒温环境，在温度范围内，测量不确定度为±0.2 K；反应容器与互溶性实验装置的试管不同，是综合考虑了高压反应釜法和密封玻璃管法的优缺点，自行设计高度为280 mm、容积为5 mL 的透明石英玻璃反应容器，同样利用不锈钢法兰盘进行密封，可以在高温恒温槽内同时进行多组实验，提高效率。

实验过程：将测试用材料洗净烘干，放入玻璃反应容器中；再将制冷剂与润滑油按照一定的质量比配置到试管中；最后将实验容器放入高温恒温槽内静置14 d 后，观察制冷剂与润滑油溶液的颜色变化以及待测材料的质量及尺寸等物理尺寸的变化。

2.2 实验材料

实验材料中的R513A 制冷剂、PVE32 的数据与互溶性实验中相同。兼容性实验采用了6 种机组中不同部位的材料。表2 列出了兼容性实验结果，图3 为表2 对应的材料兼容性实验状态图。

图3 材料兼容性实验状态

2.3 结果与分析

前期的研究发现R513A与PVE32润滑油具有良好的互溶性，故实验组后期对R513A 与PVE32 润滑油进一步开展了材料兼容性实验。将材料加入配比好的润滑油与制冷剂中，在测试温度下120 ℃下，静置14 d，实验结果如表2所示，其中Δm为质量变化，Δd为直径变化，Δl为长度变化，Δx为宽度。

表2 R513A/PVE32 与制冷设备常用材料兼容性

实验结果表明：R513A/PVE32 油与材料1、材料2、材料3、材料4 和材料6 的兼容性优异，质量、长度、半径及溶液的状态均未发生变化。但材料5 的质量和长度上发生变化，在重复的3 组实验中，其中有一组从参数上未产生变化，说明材料5与R513A/PVE32 润滑油反应不明显。综合上述结果，可知PVE32 润滑油与R513A 的互溶性优越；而从兼容性上评价，与大部分材料兼容性好。可适配到实际应用中去。