螺杆制冷压缩机冷冻机油台架评定试验

2018-11-29 14:30:29 / 打印

[摘要]:实践证明冷冻机油的理化指标不能全部反映其实际运行特性,特别是冷冻机油的劣化。因此对冷冻机油进行台架评定,用实际制冷系统考核冷冻机油的劣化过程在工程实际中有重要的意义。搭建了螺杆制冷压缩机油的评定台架,采用加速劣化的方法开展了冷冻机油的台架评定测试,对2种冷冻机油的测试展示了冷冻机油的劣化过程,反映了冷冻机油的质量水平。

[关键词]:冷冻机油;螺杆制冷压缩机;劣化;台架评定

中图分类号:TH455 文献标志码:A

文章编号:1006-2971(2018)05-0026-05

1 引言

冷冻机油在回转式制冷压缩机中起润滑、密封、冷却等作用,在冷冻机油选用过程中,需要根据制冷压缩机的类型、润滑方式、使用工况、冷冻机油的理化指标以及其和制冷剂的互溶性等因素进行确定。尽管国家标准对冷冻机油的理化指标进行了严格的规定[1],但这些理化指标只能反映冷冻机油初始状态特性,而不能反映其在冷冻机油使用过程中的特性,特别是冷冻机油的劣化情况。因此,在理化指标之外,在实际制冷系统上开展台架评定,对冷冻机油的质量水平评判,特别是考核其劣化过程,确定换油时间显得极为重要。

目前,冷冻机油的评定台架系统仍未形成统一的标准[2],对冷冻机油评定台架的研究也不够充分。本文设计、搭建了用于评定螺杆制冷压缩机油的评定台架,制定了严格的操作步骤、确定了试验工况。充分考虑了评定台架系统对评定结果的准确性的要求,能够满足大多数螺杆式制冷压缩机用油的评定要求,对新油品的开发、评定及选用具有重要的参考价值,也对制冷压缩机油的评定台架系统的研究有重要的借鉴意义。

2 评定台架的搭建

2.1 螺杆制冷压缩机油评定台架系统搭建

本文设计螺杆制冷压缩机评定台架的系统流程图如图1。一般认为制冷压缩机中润滑油的劣化,主要与压缩机内部摩擦面的润滑和排气温度有关。因此,本评定台架采用提高排气温度、冷凝压力(增加负荷)的加速老化的测试方法。考虑到评定台架运行时间长,能耗高,设计了冷凝-蒸发回热循环,减少系统能耗。因此,可以根据油品的工作条件,设置系统合适的冷凝压力和排气温度。

搭建的用于评定大中型螺杆制冷压缩机油的评定台架见图2。

2.2 评定台架主要设备的选取及工作参数的确定

本台架评定试验中的制冷压缩机,采用武汉新世界制冷工业有限公司生产的LG系列某型号的双螺杆制冷压缩机。其技术参数如表1。

台架在设计过程中采用的制冷工质为R22和R134a。本次测试采用R22制冷剂,设计工况为蒸发温度T0=-15℃冷凝温度Tk=30℃,节流阀前的过冷度为5℃,压缩机进气过热是有效过热为20℃。

蒸发功率为15冷吨(52.76 kW)、冷凝功率为20冷吨(70.34 kW)。在防冻液循环中的换热器选取制冷容量为30 kW的钎焊板式换热器,在油冷却循环中的换热器,选取制冷容量为20 kW的钎焊板式换热器。

在压缩机入口管道设置了孔板流量计,安装孔板的管道内径为80 mm,孔板孔径为20 mm,直径比<0.3,符合国家标准[3]。

为防止蒸发器集油,在蒸发器出口(最低位置)和压缩机入口之间设置有回油管,以定时回油。

2.3 台架评定工况的确定

冷冻机油在常规使用条件下的使用寿命很长,在台架评定过程中需要通过提高系统冷凝压力、排气温度对油品进行加速试验,加快机油劣化过程。相关文献指出,温度是促使润滑油氧化的最主要因素,且温度每升高8~10℃,润滑油的劣化速度大约增加1~2倍[3]。一般情况下,螺杆制冷机组的压缩机排气温度在63~67℃,需要注意的是在确定评定工况的时候,需要保证排气温度低于制冷压缩机的额定排气温度上限100℃[5]。因此,实际评定中,严格控制排气温度和排气压力确定的台架评定工况见表2。

2.4 台架评定系统制冷剂的充注

为保证系统密封性,在每次测试之前对系统进行保压和氦检漏测试。在制冷剂充注过程中,为防止外界空气漏入双螺杆压缩机的机械轴封处,采用多次抽真空法[6],重复进行3次抽真空过程满足了系统的真空度要求。

在试验过程中通过观察制冷系统的关键部位,以判断制冷剂是否适量。操作过程中,先向系统中充入少量制冷剂(15 kg左右),运行制冷系统,打开蒸发器回油管的阀门,一段时间后,如果回油管与蒸发器相连处有一段挂霜(200 mm左右)表示制冷剂充注量合适,若回油管挂霜过长则表明制冷剂充注量过多,如果回油管没有挂霜且有温热感表明制冷剂的充注量过少。

3 评定测试与结果分析

台架试验时间是台架评定中的一个重要影响参数。为准确的评定冷冻机油的质量水平以及劣化性能,考虑到台架试验时间不宜过长,需要对应评定工况,设定合理的台架试验时间。因本次评定为冷冻机油首次台架评定,采用对比测试的方法,并建议设置台架试验的时间为500 h。在试验过程中,定期对冷冻机油进行采样并对油样的色度、粘度、闪点、酸值、抗磨损特性、积炭进行理化指标进行测试、分析。

对比测试中主要采用了2种同规格的冷冻机油A和B。其中冷冻机油A为在商用机组上成熟应用的某品牌进口冷冻机油,B为某国产冷冻机油。在制冷系统中,排气压力由冷凝温度确定。测试中,重点控制的是排气温度,A、B两种冷冻机油的台架试验排气温度见表3。

3.1 色度

在实际应用中,常根据冷冻机油的颜色变化判断冷冻机油的劣化情况。使用过程中,冷冻机油色度变化越缓慢的润滑油其质量和稳定性也越好。在本台架评定过程将色度作为定性评价的指标,台架试验过程取出的油样的颜色变化见图3。使用前的2种油品的色度差别不大,冷冻机油A的色度稍大,各经过500 h的台架试验后,冷冻机油B的色度变化明显大于某参比油。

3.2 粘度

粘度对制冷压缩机和制冷系统的性能有重要的影响,合适的粘度能够在制冷压缩机摩擦副之间形成良好的流体动力润滑、保证良好的密封,同时降低功耗并且有利于减少积炭。2种冷冻机油油样的运动粘度可以由表4看出,初始状态下2种油的运动粘度相差不多,但随时间的运行2种油的运动粘度都有一定程度的下降。在台架试验进行到80 h左右,油A的运动粘度略微上升,而油B的运动粘度继续下降,至200 h后开始出现波动。我们认为测试结果表明冷冻机油B在200 h后基本稳定,其粘度波动为取样和测试误差引起。

3.3 闪点

闪点是指油品规定条件下,加热到它的蒸气与火焰接触发生瞬间闪火时的最低温度,是油品使用的重要的安全指标之一,2种冷冻机油的闪点变化情况可以从表5看出。初始状态下油品A的闪点高于某油品B的闪点,而且随运行时间的增加,某油品A的闪点变化不是很大。相对而言,某新油的闪点随运行时间增加变化较为剧烈。因此,我们认为,台架评定中,合格的冷冻机油的闪点应当基本保持不变。

3.4 酸值

油品中的酸性物质能够腐蚀系统中的金属材料,因此油品的酸值对制冷系统的安全运行有重要的影响,2种冷冻机油的酸值变化情况可以从表6看出,初始状态下油品A的酸值要略高于油品B的酸值。鉴于油品A在市场上成熟引用,油品B的酸值变化满足要求。

3.5 抗磨损性及积炭性能

合适的冷冻机油能够在摩擦副之间形成良好的流体动力润滑,保护摩擦副的表面不会受到损伤,同时油品的积炭性能要小。本文将两者作为定性评价指标,防止由于油品自身质量问题导致对制冷压缩机及系统的损害。在台架试验前后将系统拆卸,观察制冷压缩机的摩擦副及系统中的相关位置,用以比较不同冷冻机油的抗磨损性及积炭特性。图4表示的是在2种冷冻机油各完成500 h的台架试验后,制冷压缩机的转子表面的情形。经观察后表明摩擦副表面没有明显的损伤,表明2种冷冻机油都能在摩擦副之间形成良好的油膜,满足制冷压缩机的运行条件。同时,制冷压缩机转子的良好状况,也表明评定台架系统能够保证为制冷压缩机提供足量的不含大颗粒杂质的润滑油,显示出台架设计方案的合理性。

在系统中,冷冻机油在排气腔的工作温度最高,因此,在排气腔处油品易被氧化积炭。图5显示了2种冷冻机油台架试验完成后的排气腔处的情形。仔细观察后2种油品在试验后都没有明显的积炭现象,表明2种油品的稳定性较好,不易出现积炭。

4 结论

本文设计了螺杆制冷压缩机油的评定台架,制定了相应的台架评定试验方案,并对2种油品开展了台架评定对比测试,结论如下:

(1)在500 h的台架评定试验过程中,测试工况基本稳定,证明了台架设计方案的合理性;

(2)对2种R22冷冻机油的对比测试表明,台架评定试验能够较好的模拟冷冻机油在工业中的应用环境,其评定结果也能较为全面的反映冷冻机油的质量水平及性能指标;

(3) 比较测试表明油品B的性能指标与油品A还有差距;

(4) 测试中发现,冷冻机A、B闪点变化不大,因此认为合格的冷冻机油闪点应当在运行过程中基本保持稳定;

(5)冷冻机油的粘度在运行初期下降快,运行后期下降慢。因此认为500 h的评定时间,足以反映冷冻机油的粘度指标劣化过程。油品A的最大变化率为15%,油品B的最大变化率为30%。一般工业中要求冷冻机油的换油指标为粘度变化依15%~20%,显然油品B不能满足要求。

(6) 酸值随测试时间线性上升。2种油品在500 h评定时间内,酸值变化均小于0.3 mgKOH/g。

参考文献:

[1] GB/T16630-1996,冷冻机油[S].

[2] 李雁秋,王鹏.冰箱冷冻机油台架评定体系的可靠性分析[J].测试与评定,2010,2:70-75.

[3] 蔡淑华.压缩机润滑及其用油[M].北京:中国石化出版社,1993:100.

[5] 彭学院,畅云峰,郭蓓.容积式压缩机[M].西安:西安交通大学出版社,2008.

[6] 胡家泽.用工况参数法计算制冷机氟的注入量[J].制冷,1994,(1 ):64-67.

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