R32型空調壓縮機配套冷凍機油的研制

2020-12-30 08:28:32

石油商技 2020年6期

中國石油蘭州潤滑油研究開發中心

隨著《蒙特利爾議定書》及《京都議定書》等國際環保條約的逐步實施，制冷行業使用的環保型制冷劑的種類及應用方向，正在不斷發生變化。在空調制冷壓縮機中，國際上最初的臭氧層保護方案是用R410A（混合制冷劑）替代R22（二氟一氯甲烷），并在行業內獲得了良好的應用。但R410A的全球變暖潛能值（GWP）及TEWI（總體溫室效應）較高，為達到《京都議定書》約定的限排標準，歐盟及日本等發達國家已將R410A列為限用物質，未來同樣面臨淘汰的問題。

依據歐盟在2015年1月1日生效的《F-GAS法規》的ANNEX III規定（表1），對GWP≥150的家用冰箱和冷凍機、GWP≥750的單一分體式空調系統中的HFCs物質，均有明確的禁用日期。

R32（二氟甲烷）制冷劑的臭氧消耗潛能值(ODP)為零；GWP為675，約為R410A的1/3 左右，單機的充注量僅為R22的2/3 左右[1]，且工作壓力與R410A基本相當，對R410A空調壓縮機生產線的適應性較好，已成為可中長期使用的制冷劑之一。但R32與目前市場常見的酯類、醚類冷凍機油產品的相溶性不佳，且R32型空調壓縮機的排氣溫度普遍高于R410A型空調壓縮機，急需開發與其配套的專用冷凍機油產品[2]。FVC-68DA為日本出光公司針對R32制冷系統開發的一款冷凍機油，已先后在日本大金、東芝等R32型制冷壓縮機中獲得應用。

我國空調行業屬于典型的外向型企業，統計數據表明：2018年我國的空調產品出口量為5 789.8萬臺。當前節能減排的背景下，環保制冷劑的替代形勢日趨緊迫，大力推廣以R32為代表的新一代環保制冷劑，達到國際間通行的最新環保法規要求，已成為我國未來空調行業發展的必然趨勢。

研究文獻表明：與R32制冷劑相溶性適宜的油品，可有效降低R32型壓縮機的排氣溫度[3]。因此，開發與R32相溶性及兼容性相匹配的專用潤滑油，對提升新一代空調機的整體性能，具有重要的意義。

研制指標與確立依據

轉子式空調壓縮機中，主要依靠制冷劑裹挾油至運轉部件的表面形成潤滑油膜，保障運轉部件的正常運行。如果制冷劑和油品不能良好互溶，會直接造成壓縮機供油不足，摩擦生熱過多，排氣溫度升高，甚至發生冷凍機油分解碳化等危害。對于非供暖地區常用的冷暖式空調壓縮機，冬天的戶外溫度多為0 ℃以下。當戶外機在低溫下啟動時，起始的吸氣效應會帶來短期的油池急劇降溫過程，這就要求制冷劑和油品在低溫-10 ℃～-20 ℃工況下，仍然具有良好的互溶性。

全封閉式空調機因結構緊湊及密封潤滑兼顧的工況特點，用油牌號多選取68黏度級別。環保制冷劑對應的壓縮機排氣溫度，普遍高于以R22（二氟一氯甲烷）為制冷劑的空調壓縮機。由于油品與壓縮機是同壽命的（通常為15年以上），環保型空調壓縮機的配套油品應具有極佳的高溫熱化學穩定性。

GB/T 16630—2012《冷凍機油》中對應“HFCS制冷劑應用場所”的油品分類為“L-DRD”，但未規定“油品與制冷劑的相溶性”的技術要求。依據R32型空調壓縮機的用油需求及 GB/T 16630—2012中“L-DRD 68產品標準”，結合FVC-68DA的文獻值，確立了“R32型空調壓縮機配套冷凍機油”的技術指標。“L-DRD 68產品標準”、FVC-68DA文獻值及“R32型空調壓縮機配套油”的技術指標見表2。

表1 《F-GAS法規》ANNEX III規定的預充設備禁止投放市場時間（節選）

研究內容

基礎油性能及樣品方案

酯類油是綜合性能較好、應用最早的合成潤滑油。根據分子中的酯基數量及位置不同，酯類油又分為雙酯、多元醇酯和復酯。其中，多元醇酯因結構的多樣性及相對良好的水解穩定性，在潤滑油行業得到廣泛應用。多元醇酯常見的分子結構模型見圖1。

表2 L-DRD 68產品標準、FVC-68DA文獻值及“R32型空調壓縮機配套油”的技術要求

多元醇酯的最終性能，取決于多元醇和支鏈/直鏈酸的種類及組合方式[4]。通過調整圖1中季戊四醇和1、2、3、4支鏈/直鏈酸的種類與含量，實現產品固有性能的控制與調整，如：潤滑性、相溶性、熱化學穩定性、水解穩定性、低溫流動性、黏-溫性能等。

酯的結構調整手段有：醇類型、酸結構、酸碳數、不對稱結構、總碳氧比等。酸結構的不對稱性有助于增強酯類油與極性制冷劑的相溶性，但另一方面也會大幅降低油品的水解穩定性。因此，需要對典型構成方案的合成酯進行綜合評價，篩選出性能適宜的酯類基礎油。合成酯樣品的常規理化性能及水解穩定性（參照采用ASTM D2619）檢測結果分別見表3及表4，與R32制冷劑的相溶性對比分析見圖2。

從表3、表4及圖2的測試結果以看出：

◇水解穩定性的優劣順序為：雙季戊四醇直鏈/支鏈酸酯>季戊四醇異構混合酸酯>季戊四醇直鏈/支鏈酸酯>季戊四醇支鏈酸酯>季戊四醇直鏈酸酯；

◇雙季戊四醇直鏈/支鏈酸酯的低溫性能極佳；

◇與R32制冷劑的相溶性優劣順序為：季戊四醇異構混合酸酯3>季戊四醇異構混合酸酯2>季戊四醇異構混合酸酯1>雙季戊四醇直鏈/支鏈酸酯2>雙季戊四醇直鏈/支鏈酸酯1>季戊四醇直鏈/支鏈酸酯3>季戊四醇直鏈/支鏈酸酯2>季戊四醇支鏈酸酯>季戊四醇直鏈/支鏈酸酯1>季戊四醇直鏈酸酯。其中，季戊四醇異構混合酸酯3與R32制冷劑的相溶性最優。

雙季戊四醇酯的合成周期相對較長，生產成本普遍較高。綜合考慮性能及成本因素，擬采用“季戊四醇異構混合酸酯3”作為最終的基礎油方案。

添加劑方案

為保障酯類冷凍機油產品的使用性能，需要在基礎油中添加某些功能添加劑，如：抗水解劑、抗氧劑、金屬鈍化劑、極壓抗磨劑等。RHY6603復合劑是酯類冷凍機油的專用復合劑之一，推薦加劑量為0.8%～1.6%（質量分數），可有效提升酯類油的水解穩定性、熱化學穩定性及潤滑性能。

在“季戊四醇異構混合酸酯3”基礎油中，引入推薦不同加劑量的RHY6603復合劑后，得到R32型空調壓縮機配套冷凍機油的3個典型產品方案，各方案產品的水解穩定性及理化性能分析分別見表5及表6。

表5及表6的產品方案測試結果表明：當RHY6603復合劑加入量為1.0X%～1.1X%，3種方案小樣的各項理化性能達到R32型空調壓縮機配套油的指標要求，典型方案樣品的水解穩定性均得到有效改善。

表3 合成酯樣品的常規理化性能對比

表4 合成酯樣品的水解穩定性對比

壓縮機臺架試驗

壓縮機臺架試驗是衡量冷凍機油產品使用性能的重要評價手段。為進一步驗證典型方案產品的使用性能，依照GB/T 15765—2014《房間空氣調節器用全封閉型電動機―壓縮機》標準中“6.2.1：定速壓縮機制冷量試驗”、“6.10.1：定速壓縮機加速壽命試驗”的規定，對比開展1號及2號研制產品的500 h壓縮機實機運行試驗（壽命臺架試驗）。

定速壓縮機制冷量試驗的運行工況見表7，定速壓縮機加速壽命試驗的運行工況見表8。500 h壽命臺架試驗后，壓縮機性能的測試結果見表9，壓縮機運轉部件的拆解情況見表10。

由表9及表10的500 h臺架壽命試驗結果可以看出：

◇2臺分別裝入1號和2號研制產品的空調壓縮機，壽命臺架后的壓縮機性能（制冷量、性能系數）均呈現微量正增長趨勢；通過了臺架驗證試驗。