润滑油对制冷系统的影响

润滑油对制冷系统的影响李 涛 李 强 阚 杰 郝 亮 袁秀玲(西安交通大学能动学院制冷与低温工程系)摘 要 讨论了润滑油与制冷剂的互溶对制冷系统性能的影响。

润滑油与制冷剂的热物理性质相差很大,因而进入循环后必然会引起制冷剂流动、换热系数和压降的变化。

分析了制冷剂在制冷系统各部件内循环流动时,含油量对系统性能的影响及机理。

总体来讲,少量的润滑油对系统的制冷效果是有利的,但含油量过大则会降低制冷量,并对系统产生许多不利的影响。

关键词 润滑油 制冷剂 制冷系统IMPACT OF LUBRICATING OIL ON REFRIGERATION SYSTEMLi Tao Li Qiang Kan Jie H ao Liang Yuan Xiuling (Departm ent of Refrigeration and Cryog enics Engineering,Xi an Jiaotong University)ABSTRACT Discusses the impact of lubricating oil on the refrigeration system function w hich can dissolve w ith each other.The thermophysical property of lubricating oil is very different from refrigerant s,it w ill inevitably cause the change of the refrigerant flow ing,coefficient of heat transfer and pressure drop after entering circulation.Analyzes the impact of lubricating oil and its content on refrigeration system and the mechanism.Generally,a small amount of lubri cating oil is favorable to the refrigeration system,but if the o il content is too much,it w ill re duce the refrig eration output,and produce many other unfavorable influences on system.KEY WORDS Lubricating oil Refrigerant Refrigeration system引言制冷系统中润滑油的存在对压缩机性能、换热器中的流动和传热以及对毛细管中的节流过程都有重要的影响。

对系统的影响不仅仅要注意制冷剂热物性和迁移性质的变化(相平衡、焓、粘度、表面张力等),还要注意此时制冷剂流动的变化、换热系数的降低和压降的增大。

随气体制冷剂进入换热设备的润滑油对制冷系统的影响与制冷剂和润滑油的互溶度有关。

由于润滑油与制冷剂不能互溶,压缩机回油困难,蒸发器和冷凝器中积聚油过多时会造成压缩机缺油。

因而须在压缩机出口处安装油分离器,并在蒸发器和冷凝器底部安装放油阀,从而防止润滑油在换热器中积留。

而R12,R22和R134a等制冷剂与其适用的润滑油有较好的互溶性,润滑油溶入制冷剂并随之进入循环,本文主要研究这种情况下润滑油对制冷系统的影响。

1 制冷系统对润滑油的要求润滑油是否适用于制冷系统主要取决于润滑油的特性能否满足要求,评价润滑油品质的主要因素有粘度、与制冷剂的互溶性、热化学稳定性和吸水性等。

(1)粘度决定了滑动轴承中油膜的承载能力、摩擦功耗及密封能力。

粘度大,则承载力强,密封性好,但流动阻力较大。

在制冷工业中,对润滑油粘度的要求,在汽车空调和固定式制冷系统中各不相同。

汽车空调要求所用润滑油的粘度较高,而固定式制冷系统,特别是家用电冰箱要求是用较低粘度的润滑油。

其主要原因是高粘度润滑油可能在毛细管内形成蜡堵!或油弹!现象,影响毛细管的正常工作。

当然,润滑油的粘度对压缩机的能耗也有影响,但考核的参数取决于润滑油与制冷剂混第5卷 第4期 2005年8月制冷与空调REFRIG ERA T ION AN D A IR-CON DIT IO NI NGVol.5,No.4A ugust2005合物的粘度,而不仅是润滑油本身的粘度。

(2)与制冷剂的互溶性若互溶性好,在换热器传热管内表面不易形成油膜,对换热有利,否则会造成蒸发温度降低(在蒸发压力不变的前提下),蒸发器的制冷效果下降。

另外,互溶性较好时,在换热器内不会发生 池积!现象,有利于压缩机回油。

但互溶使油变稀,降低油的粘度,导致压缩机内油膜过薄,影响压缩机润滑。

(3)热化学稳定性在制冷剂、油、金属共存的系统中,高温会促使润滑油发生化学反应,导致油的分解、劣化,生成沉积物和焦炭。

润滑油分解后产生的酸会腐蚀电气绝缘材料。

(4)吸水性若润滑油具有较强的亲水性,会带入一定量的水分进入系统,在毛细管中水形成冰晶而堵塞系统,从而形成 冰堵!现象。

因而在采用亲水性润滑油的系统中,必须安装干燥过滤器。

除了以上几项指标外,还有一些其它的物理性能指标。

只有润滑油的这些指标符合要求,才能应用于制冷系统中。

现今大部分制冷系统要求润滑油与制冷剂在系统的工作温度和压力范围内能与制冷剂相溶,要有良好的化学稳定性、润滑性能以及防镀铜性能。

系统各部件对润滑油的性能有各自的要求,见表1。

表1 制冷系统各部件对润滑油的性能要求制冷系统部件对润滑油的性能要求压缩机a.与制冷剂共存时具有优良的化学稳定性;b.有良好的润滑性;c.能与制冷剂很好的互溶;d.对绝缘材料和密封材料具有优良的适应性;e.有良好的抗泡沫性。

冷凝器能与制冷剂很好地互溶毛细管a.无蜡状物絮状分离;b.不亲水。

蒸发器a.有优良的低温流动性;b.无蜡状物絮状分离;c.不亲水;d.能与制冷剂很好地互溶。

2 润滑油对制冷系统的影响2.1 润滑油对压缩机的影响含油量超过4%时,气阀处流动阻力增加,实际吸气压力降低,使实际吸气比容增加。

制冷剂含油还会影响气阀工作过程,改变制冷剂热力性质等,从而导致压缩机的制冷量和性能系数下降。

压缩机功耗随含油量的增加而增加,而排气温度正好相反,随着含油量的增加而降低。

此外压缩机排气管道中的润滑油内会溶解一定量制冷剂,使压缩机的实际排气量减少。

由于在压缩机进气口处润滑油中溶解有一定量制冷剂,润滑油的粘度会降低,导致润滑效果下降,容易造成压缩机机械部件损坏。

同时,润滑油由于溶解了制冷剂而导致体积增大,在压缩机启动过程中,曲轴箱中的压力下降,引起溶解于润滑油中的制冷剂沸腾,产生大量泡沫,有可能将大量的油从曲轴箱带入气缸,产生液击,损坏设备。

压缩机排气管道中的润滑油中溶解有较多的制冷剂(约32.5%~40%),如果使用油分离器,会使油中溶解的制冷剂不能进入循环,导致制冷剂质量流量减小,制冷量降低,故不宜使用油分离器。

而相对于制冷剂与润滑油不能互溶的制冷系统,会有大量的润滑油进入循环。

2.2 润滑油对冷凝器的影响由Lottina [1]的实验结果可知,当制冷剂中润滑油含量非常低时(约为0.01%),冷凝器内换热系数达到一个最大值,但与纯制冷剂时相比增幅不大,总体上,换热系数随着润滑油含量的增加而降低。

同时由于润滑油溶于制冷剂,会导致制冷剂粘度增大,从而使压降增大。

总体而言,润滑油的存在会削弱冷凝换热,使冷凝器传热温差增大,冷凝压力升高。

2.3 润滑油对毛细管的影响由Samuel [2]的实验结果可以看到,任何情况下,含油制冷剂在毛细管中测得的质量流量都比纯制冷剂时要小,而且液相长度要短。

制冷剂R404A 在毛细管入口处流量和温度都相同的情况下(毛细管入口处温度为24.32∀,质量流量为17.236kg/h,毛细管尺寸为1m #0.8mm ),对于纯制冷剂,测得的质量流量为17.23kg /h,液相长度为0.945m;对于制冷剂/润滑油混合液(含油量为5.7%),测得的质量流量为16.15kg /h,液相长度为0.765m 。

Whitacre 测试了含油量对毛细管内制冷剂流量的影响,发现含油量较高时,制冷剂的流量的减小可以高达8%。

Wijay a 则发现当含油量很小时,油的存在对制冷剂的流量没有明显的影响。

Bolstad 认为由于润滑油的存在,闪蒸温度升高,从而使液体段长度减小。

当混合物粘度为纯制冷剂粘度的3.6倍时,混合物在毛细管中液相长度为纯制冷剂的0.81。

制冷剂含油影响毛细管流量的原因主要有两∃76∃ 制 冷 与 空 调第5卷个方面[3]。

%因为油的粘度远高于制冷剂的粘度,制冷剂中含少量油会增加混合物的粘度及相应的流动阻力,并使制冷剂提前达到饱和状态,使得流量减小。

&油的表面张力远远高于制冷剂的表面张力,制冷剂中含油会使混合物的表面张力增大,阻碍制冷剂蒸发,从而使汽化欠压增大,延缓制冷剂的蒸发,从而增加毛细管的流量。

随着油的质量分数的增加,达到饱和的位置略往前移,但温度转折点位置却变化很不明显。

从图1可以看到,三种含油量下,干度基本是在同一位置开始从0增加,在温度转折点之后、在温度转折点之前,粘度和表面张力的影响基本抵消。

在温度转折点后,表面张力对流动已经不再有影响,影响流动的仅仅是粘度。

因此随着油的质量分数的增加,制冷剂和混合物的质量流量基本都成线性减小,但混合物流量减小较慢,制冷剂流量减小较快,当油的质量分数增加到10%时,混合物流量才减小3%,而制冷剂流量却减小13%。

图2是油的质量分数与质量流量的关系。

图1三种含油量下的干度分布曲线图2 质量流量与含油量的关系并且在毛细管内有可能出现润滑油与制冷剂相分离的现象,会影响毛细管的工作。

由于小型制冷设备(如家用冰箱空调等)的毛细管直径很小(约0.6mm),相分离严重时会导致 蜡堵!现象。

2.4 润滑油对蒸发器的影响2.4.1 对传热和压降的影响研究润滑油对制冷系统的影响可以发现,蒸发器受润滑油的影响最大。

Steven 和Thomas [3]等研究水平管内R134a 含酯类油时的冷凝和蒸发过程时发现,R134a 含少量润滑油(4.3%以下)时,可明显强化蒸发传热,含油较多时则弱化蒸发传热。

甘承军、王维城[4]也证实了这一点,他们测得当R134a 含油浓度在(2.2~4.3)%时,蒸发器制冷剂侧换热系数提高30%左右,同时沿程压降也增大20%。

制冷剂中溶有少量润滑油可以增加制冷剂的表面张力,从而改变其对管壁的表面浸润性。

此外还会在管内产生泡沫,增加管内液体与管壁的浸润面积,同时将液膜拉薄,沿管壁分布更均匀,强化传热效果,从而提高蒸发换热系数[5]。