空調轉子壓縮機油溫過熱度與粘度關系實驗研究

盧耀汕 廖四清 曾令華

廣東美芝制冷設備有限公司 廣東佛山 528000

0 引言

空調轉子壓縮機主要是通過其內部的潤滑油對機械部件潤滑來保證可靠性，而潤滑油的粘度特點對壓縮機可靠性運行又有重要影響[1]。一般情況下壓力越高、溫度越低，制冷劑與潤滑油的互溶性越好，但潤滑油處于高稀釋度狀態時，其粘度將大幅度下降，不利于油膜形成甚至加劇零件間的磨損，導致可靠性故障[2]。

對于使用轉子壓縮機的空調系統，為保證長期可靠運行，行業一般使用油溫過熱度（壓縮機油池溫度與冷凝溫度之差，以下用“ΔT”表示）作為評價指標[3]。ΔT評價方法一般要求空調穩定運行時ΔT≥5℃[4]，其目的為：（1）防止壓縮腔排出的氣態制冷劑因為油溫過低冷凝成液態而稀釋潤滑油；（2）一般ΔT低時，潤滑油與制冷劑飽和溶解度大，對ΔT作出最低要求可保證稀釋度不會太高從而保證最低粘度要求，確保運動部位的油膜厚度。其理論依據為：假設壓縮機中制冷劑與油達到了飽和溶解狀態，則ΔT越高；油中制冷劑溶解度越小，粘度越大[5]，即ΔT與粘度呈單調遞增關系。

對于R32制冷劑的變頻空調，特別是采用固定開度的節流件（如毛細管、節流短管）的空調，存在較多穩定運行工況因無法滿足ΔT≥5℃，只能通過耐久實驗進行可靠性確認，嚴重降低開發效率。有實驗結果表明，大部分工況壓縮機在不滿足ΔT≥5℃時，粘度也可滿足壓縮機的可靠運行[4]，所以現有ΔT評價標準存在一定局限性。

為了驗證現有壓縮機可靠性評價方法的合理性，本文通過實驗研究了R32制冷劑空調轉子壓縮機油池中的制冷劑溶解度特性、ΔT和粘度之間的關系，證明了ΔT評價方法存在一定程度上的不合理，提出用粘度作為評價指標更加合理，同時可節約R32制冷劑空調的耐久實驗資源，提高開發效率。

為了準確測試油池中的粘度與溫度，本文選擇了一款高精度的電磁粘度計，其傳感器自帶溫度測試功能，可確保溫度點與粘度點測試結果的對應性。

兩個實驗各自的裝置說明如表1所示。

表1 實驗裝置說明

1 實驗方案

本文實驗方案及操作步驟如下：

實驗一：壓縮機油池不同位置制冷劑溶解度實驗。

實驗目的是驗證壓縮機油池中不同位置的制冷劑是否達到飽和溶解狀態。實驗方法：（1）壓縮機搭載于單體實驗臺，等運行穩定后，先用熱電偶測試各個采樣點的溫度，查詢PVT圖得到各點的飽和溶解度理論值；（2）通過采樣法得到采樣點的油和制冷劑混合物兩種成分的重量，計算得到溶解度；（3）將各點溶解度實測值與飽和溶解度理論值進行對比，即可知道各采樣點的混合物是否達到飽和溶解狀態。

采樣法實驗裝置示意圖如圖1所示，在壓縮機采樣點的殼體上鉆孔，通過銅管依次與閥一、接頭一、閥二、采樣罐、閥三、接頭二、真空泵連接，操作步驟如下：

圖1 采樣法實驗裝置示意圖

（a）第一次稱重：實驗前關閉閥一，斷開接頭一和接頭二，將采樣罐進行單獨稱重，得到空罐重量G1。

（b）抽真空：接通接頭一和接頭二，打開閥二和閥三，運行真空泵進行抽真空，然后關閉閥三，斷開接頭二，取走真空泵。

（c）采樣：等壓縮機穩定運行之后，打開閥一進行采樣，然后關閉閥一、閥二。

（d）第二次稱重：斷開接頭一，將采樣后的采樣罐進行稱重，得到罐子+油與制冷劑混合物重量G2。

（e）分離油與制冷劑：打開閥二或閥三，將混合物排放到一個容器中，此時混合物中的制冷劑會汽化揮發，容器中只剩下油。

（f）第三次稱重：將油進行稱重，得到油的重量G3，并計算得到制冷劑重量G4=G2-G1-G3。

實驗二：壓縮機油池相同位置ΔT與粘度關系實驗。

實驗目的是驗證壓縮機油池的ΔT與粘度是否呈單調遞增關系。實驗方法：保持環境溫度不變，通過調節壓縮機頻率可得到不同的ΔT，通過粘度計測試壓縮機底部對應的粘度。

2 實驗結果分析

2.1 壓縮機油池不同位置制冷劑溶解度實驗結果

本實驗的三個壓縮機油池采樣點A、B、C位置如圖2所示，P點位于壓縮機內油池上表面。實驗工況如表2，實驗結果如表3所示。

表2 油池制冷劑溶解度實驗工況

表3 油池制冷劑溶解度實驗結果

圖2 壓縮機油池采樣點示意圖

實驗結果表明，壓縮機穩定運行時，油池A、B、C三點的溫度并不相等，但這三點的溶解度實測值基本相等，且小于各自的飽和溶解度理論值，說明A、B、C三點未達到飽和溶解狀態。分析原因是：工況穩定后，壓縮機油池仍處于流動狀態，只有壓縮機油池表面的油能與氣態制冷劑充分接觸、互溶達到飽和溶解狀態，而制冷劑從油表面往下滲透的速度慢于油的流動速度，導致油池下方的油未能接觸到更多的制冷劑，所以A、B、C三點無法達到飽和溶解狀態，這證明了現有ΔT評價方法的假設（壓縮機中油與制冷劑達到了飽和溶解狀態）是不合理的。

此外，因為A、B、C三點的溶解度實測值近似等于P點的飽和溶解度理論值，說明油池中制冷劑溶解度除了受壓縮機ΔT影響外，更受壓縮腔排氣處（P點）的排氣過熱度影響，即壓縮腔排氣過熱度是影響油池制冷劑溶解度的關鍵因素。

2.2 壓縮機油池相同位置ΔT與粘度關系實驗結果

在壓縮機搭載空調系統運行時，最小制冷工況（室外18/13℃，室內18/13℃）不同頻率各參數變化趨勢如圖3所示，原因分析如下：

圖3 不同頻率各參數變化趨勢

（1）低頻段，隨著頻率增加，排氣溫度低且溫升慢，而吸氣溫度下降明顯，因此ΔT受吸氣溫度影響而降低；但粘度受吸氣溫度影響較小，故粘度隨著排氣溫度上升而上升。

（2）中頻段，隨著頻率增加，排氣溫度快速上升，ΔT受排氣溫度影響開始上升，從而形成了ΔT最低值拐點；拐點后的制冷劑溶解度快速降低，粘度隨著排氣溫度也快速上升。

（3）高頻段，ΔT受排氣溫度影響繼續上升，此時制冷劑溶解度已經很小，溫度是影響粘度的關鍵因素，故粘度隨著ΔT升高反而降低。

由上可知，存在部分工況，ΔT與粘度并非呈單調遞增關系，因此用ΔT作為壓縮機可靠性評價指標存在一定局限性和不合理性，采用粘度作為評價指標更合理。

3 結論

通過實驗測試，總結分析了空調轉子壓縮機油池不同位置的溶解度特性、油池相同位置ΔT與粘度的關系，結論如下：

（1）同一工況，壓縮機油池中不同位置溶解度基本相等，且未達到飽和溶解狀態，故油溫高的位置粘度反而低；壓縮腔排氣過熱度是影響油池制冷劑溶解度的關鍵因素。（2）油池相同位置，當ΔT升高時，部分工況粘度反而降低，因此ΔT與粘度并非呈單調遞增關系。（3）通過實驗證明了現有壓縮機用ΔT作為可靠性評價指標存在一定局限性與不合理性，采用粘度作為評價指標更合理。