空調(diào)系統(tǒng)中材料的相容性試驗方法分析

梁小偉, 詹 沖, 徐 樂

(上海日立電器有限公司，上海 201206)

空調(diào)系統(tǒng)的硬件主要由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器和連接管路組成,如圖1所示。

通過壓縮機(jī)做功,制冷劑通過連接管道在各硬件內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)流動。由于制冷壓縮機(jī)中冷凍機(jī)油與制冷劑具有一定溶解度,部分冷凍機(jī)油也會隨著制冷劑一起循環(huán)。這種制冷劑和冷凍機(jī)油組成的混合液要與空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的各種材料(銅管、鐵制部件等)相互接觸,因此,各組件對冷凍機(jī)油和制冷劑的混合液有特殊的要求(見圖1)。空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的材料包括組成壓縮機(jī)的電機(jī)材料(磁性材料、漆包線、絕緣材料等)、泵體組件(鑄鐵、鋼或粉末冶金等)、冷凝器、蒸發(fā)器、毛細(xì)銅管、膨脹閥用銅管以及連接用的銅管等;另外,還有連接各組件的焊料,殘留在各個組件內(nèi)部的加工輔料、水分、空氣等。在壓縮機(jī)運行期間,由于內(nèi)置電機(jī)工作的熱量有時會使電機(jī)線圈溫度超過100℃,而在閥組件等機(jī)械部件處溫度也高達(dá)150℃以上;同時空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)具有一定的壓力,以R22制冷劑為例,運轉(zhuǎn)排氣壓力超過2 MPa,CO2的運轉(zhuǎn)排氣壓力則超過10 MPa,因此,在滿足上述條件的情況下,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行,要求冷凍機(jī)油與制冷劑及壓縮機(jī)內(nèi)其他材料之間不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)組成示意圖

為此,國內(nèi)外壓縮機(jī)制造廠對冷凍機(jī)油及其他材料化學(xué)穩(wěn)定性的質(zhì)量控制極為嚴(yán)格。針對空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)使用的所有材料與制冷劑的熱化學(xué)穩(wěn)定性評價,通常采用美國供熱、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASH RAE 97-1983《制冷系統(tǒng)用材料的化學(xué)穩(wěn)定性試驗(密封玻璃管法)》[1]來進(jìn)行,國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0698-2000[2]是等效采用ASHRAE 97-1983相關(guān)技術(shù)內(nèi)容而制定的,但是其僅適用于在制冷劑系統(tǒng)中冷凍機(jī)油化學(xué)穩(wěn)定性的評價,日本標(biāo)準(zhǔn)JIS K2211《冷凍機(jī)油》也僅適用于在制冷劑系統(tǒng)中冷凍機(jī)油化學(xué)穩(wěn)定性的評價[3]。

ASHRAE 97-1983密封玻璃管試驗是空調(diào)壓縮機(jī)廠家選定冷凍機(jī)油、制冷劑以及其他材料時必須要進(jìn)行的一項重要試驗。本文詳細(xì)介紹密封玻璃管試驗的主要因素和改進(jìn)措施。

1 ASHRAE97-1983密封玻璃管試驗方法

1.1 密封玻璃管法試驗原理

將鋼、銅等金屬材料作為催化劑裝入特制試驗管中,按比例注入一定量冷凍機(jī)油和制冷劑后,熔封試驗管。將密封后的試驗管在一定溫度下加熱規(guī)定時間后,根據(jù)材料性能的變化、冷凍機(jī)油及催化劑的外觀、顏色等指標(biāo)評價材料的化學(xué)穩(wěn)定性。若在玻璃管中另加入需要評價的材料,則除冷凍機(jī)油及催化劑的外觀、顏色等指標(biāo)外,還需通過考察材料試驗前后的性能變化來評價該材料的相容性。

1.2 試驗過程

按上文提到的3個標(biāo)準(zhǔn)[1-3]的要求,將準(zhǔn)備好的催化劑和其他材料放入玻璃管中,注入一定體積的冷凍油試樣,將玻璃管和制冷劑鋼瓶連接到制冷劑玻璃型加注系統(tǒng)上(見圖2)。

圖2 制冷劑玻璃型加注系統(tǒng)

打開玻璃管和真空泵處的玻璃活塞對玻璃管進(jìn)行抽真空,當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值時,充入制冷劑,繼續(xù)抽真空至系統(tǒng)內(nèi)壓力低于設(shè)定值,再將玻璃管放入冷浴中,保證玻璃管上刻度在冷浴面以下,慢慢打開鋼瓶閥門將制冷劑冷凝至玻璃管上的刻線處,關(guān)閉鋼瓶閥門,然后熔封玻璃管,將熔封好的玻璃管放入套管中。在室溫下放置一段時間后取出觀察是否有異常現(xiàn)象,如制冷劑是否有泄漏。將有異常的玻璃管剔除。將密封試驗管放入套管中,在烘箱中加熱規(guī)定時間。實驗結(jié)束后開封試驗管,收集其中的氣體進(jìn)行分析,然后對其中殘留的冷凍機(jī)油、催化劑以及試驗材料進(jìn)行對比分析。

2 試驗的影響因素

2.1 實驗用玻璃管

ASHRAE 97-1983標(biāo)準(zhǔn)中4.1.2明確指定用“硼硅玻璃制作”,主要是為確保玻璃管強(qiáng)度。硼硅玻璃是一種低膨脹率、耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、高透光率和高化學(xué)穩(wěn)定性的特殊玻璃材料,因此在試驗過程中不會對試驗結(jié)果造成影響,具體尺寸為內(nèi)徑7mm、外徑9mm 、長度240mm。

ASHRAE 97-1983標(biāo)準(zhǔn)中要求試驗管必須徹底清洗,試驗管應(yīng)放在密閉容器內(nèi),以免被雜質(zhì)污染。試驗管封底后要用蒸餾水或去離子水清洗,再用丙酮清洗,然后在125℃下干燥,在干燥器中冷卻。如有需要,可在580℃下煅燒以進(jìn)一步清潔。干燥后,將試驗管存放于干燥器中。

有些企業(yè)[4]在試驗管封底后通過用堿性水劑清洗,水、蒸餾水沖洗,并配小刷帚拉動清洗,烘干,保存于干燥器中。在使用前,用分析純乙醚10 L分3次清洗(搖動多次),倒盡,烘干,抽真空后備用。

2.2 試驗材料的準(zhǔn)備

2.2.1 冷凍機(jī)油

從容器內(nèi)取出冷凍機(jī)油試樣,由于冷凍機(jī)油與空氣接觸,因此要對其微水含量進(jìn)行測定,尤其是合成酯冷凍機(jī)油(Polyol Ester,POE)在高溫下易與水發(fā)生水解反應(yīng)生成脂肪酸,而酸又會與催化劑反應(yīng),催化表面的變化又會影響其催化作用,從而最終影響試驗結(jié)果。因此控制整個系統(tǒng)內(nèi)的微水是很有必要的。然后必須脫氣,排除溶解的空氣。因為空氣進(jìn)入制冷系統(tǒng),將加速壓縮機(jī)零部件的氧化和制冷量的下降。

2.2.2 制冷劑

對單組份的制冷劑,由于高壓鋼瓶內(nèi)上部的一定空間內(nèi)有氣體,其中混有一定量的空氣,因此使用前應(yīng)放空少量氣體,將瓶內(nèi)空氣趕凈,確保實驗質(zhì)量。對于混合制冷劑,為了保證試驗結(jié)果,必須獲得一定質(zhì)量或者體積的液態(tài)制冷劑。

2.2.3 催化劑

通常把銅(Cu)、鐵(Fe)、鋁(Al)中的一種或者幾種作為催化劑加入到玻璃管中作為催化劑,標(biāo)準(zhǔn)推薦采用寬3mm、長50mm、厚0.15mm的尺寸,如圖3所示。Cu選用密閉電機(jī)使用的漆包線銅或者制冷銅管使用的磷脫氧銅管。鋼選用精密閥片帶鋼。Al選用制冷鋁管用材或者空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的其他鑄鋁件用材,如電機(jī)用的鋁平衡塊。

圖3 銅、鐵、鋁3種催化劑

不同的催化劑對不同制冷劑的分解作用也是不同的,如古麗等[5]的研究已經(jīng)證實Cu和Al在低于220℃條件下,對鹵代烴的分解催化作用不大,但Fe的催化作用在175℃時就非常明顯;在220℃時,小于24 h就會產(chǎn)生大量氯化氫(HCl),冷凍機(jī)油也嚴(yán)重變色。

2.2.4 其他材料

(1)直接材料。除了鐵、銅、鋁3種催化劑外,空調(diào)系統(tǒng)內(nèi),尤其是空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)部還有各種電機(jī)材料。壓縮機(jī)里的有機(jī)材料直接與制冷劑和壓縮機(jī)油接觸,如相間絕緣等是用工程塑料聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)或聚對苯二甲酸丁二醇酯(Polybutylen Terephthalate,PBT)制作的。

(2)水分的影響。全密閉式壓縮機(jī)對水分都有嚴(yán)格的要求,這是因為水分一方面會降低電器的絕緣強(qiáng)度,另一方面對冷凍機(jī)油,尤其是POE和PAG(Polyalkylene Glycol),前者會迅速水解,生成酸性物質(zhì),腐蝕零部件,后者吸濕性強(qiáng),導(dǎo)致潤滑油粘度發(fā)生變化,加速磨損。但是,全密閉式壓縮機(jī)中不可避免地會混入一部分水分,因此在材料的相容性認(rèn)定試驗中,并不是要消除水分,而是為了保證系統(tǒng)的安全性,應(yīng)在實驗中添加一定量的水分進(jìn)行考核。

2.3 抽真空

實際上密封管試驗的成功與否和真空度密切相關(guān),真空度越低,對試驗影響越小,試驗越易通過。ASHRAE 97-1983標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定密封管試驗的真空度在0～6.7 Pa內(nèi)。俞麗珍等[6]用太陽公司SL 10S冷凍機(jī)油進(jìn)行了真空度對穩(wěn)定性的影響試驗,試驗條件:制冷劑為 R134a;溫度為175℃;時間為14 d;封入量為油/制冷劑=0.7 ml/0.7 ml,結(jié)果如表1所示,其中TAN為總酸值。

表1 不同真空度下的密封管試驗

因此,抽真空設(shè)備的密封質(zhì)量對實驗成功與否影響較大,抽真空設(shè)備做成后,應(yīng)檢查真空保壓能力。在平時實驗中,也應(yīng)檢查真空系統(tǒng)密封是否完好。

2.4 封管

玻璃管熔封有一定的危險性,因此,操作過程中安全很重要。

2.5 冷浴

ASHRAE 97-1983標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用液氮進(jìn)行冷浴,固化制冷劑,但是操作不方便,可以采用工業(yè)乙醇加干冰的方式進(jìn)行。

2.6 開管

開管裝置如圖4所示。將試驗管的一半浸入液氮中直到試驗管內(nèi)物質(zhì)凝固。將試驗管取出片刻用銼刀在靠近頂部銼一劃痕,再把試驗管重新放人液氮中冷卻,取出試驗管插入圖4所示夾具中,使試驗管頂部被銅管末端的“耳部”卡住,再側(cè)向?qū)⒃囼灩軓捻敳繑嚅_,若需要進(jìn)行氣體分析,可將夾具與預(yù)先抽空氣體的采樣系統(tǒng)連接,收集管內(nèi)氣體。

圖4 開管裝置

2.7 密封管的分析

根據(jù)實驗?zāi)康目梢赃x擇不同分析方法,一般通過試驗完后目測管內(nèi)物質(zhì)狀態(tài),包括檢查液相和管內(nèi)金屬,將其狀態(tài)和已知穩(wěn)定狀態(tài)的參照物對比來判斷試驗結(jié)果。另外,上文提及可以對密封管的氣體成分進(jìn)行分析,也可以用于試驗結(jié)果的判斷。

評價標(biāo)準(zhǔn)的建立是該試驗方法的核心內(nèi)容,但是不同的廠家由于其生產(chǎn)工藝和設(shè)備的不同,標(biāo)準(zhǔn)也不同,需要通過大量的試驗建立自己的標(biāo)準(zhǔn)。

2.8 注意事項

熔封試驗管時存在著很大的危險性,管內(nèi)壓力應(yīng)在5.86 MPa范圍內(nèi)。熔封好的試驗管炸裂并非異常,因此操作者必須遵守以下安全注意事項,熟悉每一步可能存在的危險,才能確保實驗的順利完成:①為避免在工作中發(fā)生爆炸事故,工作人員如要觀察實驗過程,必須戴防爆面罩,穿寬厚的工作服保護(hù)手臂,戴上薄皮手套保護(hù)手。②丙酮等試劑都是極易燃溶劑,應(yīng)保持通風(fēng),避免火星、火苗或熱源。熟悉最近的滅火器位置,采取適當(dāng)?shù)姆阑鸫胧＂塾煤笜屵M(jìn)行熔封時,戴上黑色眼鏡防止火焰的強(qiáng)光損傷眼睛。④向鋼瓶內(nèi)加注液體制冷劑時,一般要留有20%的蒸汽空間,為溫度升高時蒸發(fā)的液體提供空間。因為液體的不可壓縮性,鋼瓶或其他封閉空間充滿液體就存在爆炸的危險。⑤使用杜瓦瓶內(nèi)的工業(yè)乙醇加干冰,應(yīng)穿戴好防護(hù)服裝包括皮手套、厚的工作服、面罩或防護(hù)鏡,以免操作者因與工業(yè)乙醇加干冰接觸造成嚴(yán)重凍傷。⑥試驗管若存在缺陷,在最初加熱時極易炸裂,因此操作者應(yīng)特別小心,必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施防止因試驗管炸裂損壞烘箱。

3 結(jié) 語

通過對密封玻璃管法測定空調(diào)系統(tǒng)材料的相容性試驗方法影響因素的分析,對ASHRAE 97-1983標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法進(jìn)行了改進(jìn)。多年來,改進(jìn)后的方法多次對國內(nèi)外多種品牌的冷凍機(jī)油、制冷劑以及不同供應(yīng)商提供的加工輔料和直接材料進(jìn)行了相容性試驗,并建立了相應(yīng)的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)。

[1]美國冷暖和空調(diào)工程師協(xié)會.ASHRAE 97-1983 Sealed GlassTubeMethod to TesttheChemical Stability ofMaterials for Use within Refrigerant Systems[S].美國亞特蘭大市:美國冷暖和空調(diào)工程師協(xié)會,2004.

[2]中國石油化工股份有限公司,石油化工科學(xué)院.SH/T 0698-2000 制冷劑系統(tǒng)中冷凍油的化學(xué)穩(wěn)定性試驗法(密封玻璃管法)[S].北京:中國石油和化學(xué)工業(yè)局,2001.

[3]自然資源和能源標(biāo)準(zhǔn)分會,潤滑油技術(shù)委員會.JIS K2211 Refrigerating Machine Oil[S].東京:日本國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會,1992.

[4]陳 潔,馮國權(quán).關(guān)于冷凍機(jī)油在制冷劑作用下的穩(wěn)定性試驗法的探討[J].家電科技,2002(9):67-68.

[5]古 麗,陶巖英,馮國金,等.全封閉制冷壓縮機(jī)的金屬表面處理工藝?yán)渍刐J].家用電器科技,2002(7):71-72.

[6]俞麗珍,黃麗娟.冷凍油化學(xué)穩(wěn)定性密封玻璃管試驗法的影響因素分析[J].潤滑與密封,2005(6):176-178.