CN112289387B - 蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物及其设计方法 - Google Patents

蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物及其设计方法，解决现有蒸汽压缩循环系统存在系统可靠性较低、能效较低的问题。该设计方法中，设置油池过热度大于13℃，且在系统运行的温度范围内，配置润滑油与运行工质的比例，使得润滑油与运行工质存在部分互溶现象，且满足：①在系统运行温度范围内的任一温度下，富工质层分层线处于1％以上、富润滑油层分层线处于40％‑75％之间；②润滑油为部分互溶润滑油，粘度等级为ISO35‑ISO55；③随着润滑油粘度等级的提高，富润滑油分层线左移且互溶性等级降低。本发明方法保证了压缩机各摩擦副的油膜厚度，避免润滑油在系统中堆积产生壅塞流动，保障系统回油，最终实现循环系统的高能效和高可靠性。

Description

蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物及其设计方法
技术领域
本发明属于制冷和制热领域，具体涉及一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物及其设计方法。
背景技术
目前，房间空调器、热泵等蒸汽压缩循环系统主要采用HCFC22、HFC410A与HFC134a等氟利昂类工质。但是，HCFC类工质已经进入淘汰阶段，消费量已受到管控。天然工质丙烷(R290)具有零臭氧消耗潜值(ODP)、极低的全球变暖潜值(GWP)、对环境友好、热物理性质优良、成本较低等优点。但是，丙烷属于A3类制冷剂，具有易燃易爆的安全风险。随着制冷行业的发展，微通道换热器、高转速压缩机等技术取得突破性发展，系统中工质充注量得以进一步的减少，通过限制工质充注量的方式，可令易燃易爆的安全风险处于可控范围。因此，丙烷被广泛应用的可能性也进一步增加，凭借其优秀的物理性质和可控的风险，丙烷被认为是未来主要替代工质之一。
蒸汽压缩循环系统中润滑油的应用是亟需解决的关键问题。润滑油主要储存在循环系统的动力元件压缩机中，对压缩机运行中的润滑、密封及热量转移都起着主要作用，润滑油随着工质一同排出压缩机，并在系统中流动循环，所以对循环系统的能效与可靠性影响较大。
目前，以空调器为代表的循环系统多采用高背压旋转压缩机，其具有结构简单、效率高、可靠性好等优点。不同于低背压旋转压缩机，高背压旋转压缩机的油池处在高温高压的壳体内部。工质在油池中大量溶解，导致其工作时的混合物粘度与纯油粘度相差很大。因油池润滑油的工作特性由纯油粘度特性和工质在油中的溶解特性共同决定。为了保证旋转压缩机内部各摩擦副的支撑作用，油池混合物的工作粘度必须达到最小需求的粘度。在此之上，更高的粘度则会导致油膜剪切应力增加，产生更高的粘性阻力损失，降低压缩机效率。
相比于传统工质，丙烷气体密度小、粘度低，因此其在循环中的带油能力较差，更容易导致润滑油在系统弯管、支管、阀等部件处堆积滞留，尤其在阀处易产生油堵问题，严重影响系统可靠性。此外，由于系统中的丙烷充注量被限制在一定的范围内，在启动、除霜等动态过程中，丙烷在压缩机及储液器中大量堆积，系统中容易出现抽干现象和回油问题。若油池中工质的溶解特性太好，则工质过多溶解在压缩机油池中，则会进一步造成实际循环中的工质缺乏，加剧系统回油问题，同时也会大幅降低系统能效。
在使用丙烷为工质采用高背压旋转压缩机的蒸汽压缩循环系统中，使用与丙烷完全相溶性的矿物油(MO)或多元醇酯润滑油(POE)作为润滑油。由于丙烷在完全相溶性润滑油中具有非常高的溶解性，在润滑油中溶解大量的工质导致油池混合物的工作粘度会大幅度降低，因此必须采用纯油粘度特性大的完全相溶性润滑油。在实际应用中，一般采用纯油在40℃时粘度为100cSt的矿物油或68cSt的多元醇酯润滑油。尽管，此技术方案可以保证旋转压缩机稳态条件下的正常工作，但是由于所使用的矿物油粘度等级太高，低温下粘度太大，其在系统中的可靠性风险非常明显，在非稳态工况下更加严重。
最重要的是，目前丙烷循环系统润滑油的应用只能依赖于润滑油企业提供的产品。油品种类繁多，且系统探索新油品的应用，需要同时兼顾系统的高效性与可靠性，还需要保障在各种应用工况的普适性和避免长时间跨度下的不确定性风险，试验周期长。另一方面，油品开发需要确定的润滑油物性参数众多，开发周期长，这其中都缺乏关键的指导技术。
发明内容
本发明的目的是解决现有蒸汽压缩循环系统存在系统可靠性较低、能效较低的问题，提供一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物及其设计方法，通过规定其中润滑油的粘度特性和运行工质在润滑油中的溶解特性，同时根据润滑油的选择控制系统的油池过热度，保证压缩机各摩擦副的油膜厚度，控制润滑油的粘性阻力损失，避免润滑油在系统中堆积产生壅塞流动，保障系统回油，最终实现循环系统的高能效和高可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物设计方法，所述蒸汽压缩循环系统内设置有制冷剂作为系统循环的运行工质；所述蒸汽压缩循环系统的压缩机壳体底部油池空间内设置有润滑油，设置油池过热度大于13℃，且在系统运行的温度范围内，配置润滑油与运行工质的比例，使得润滑油与运行工质存在部分互溶现象，且满足以下条件：①在系统运行温度范围内的任一温度下，富工质层分层线处于1％以上、富润滑油层分层线处于40％-75％之间；②润滑油为部分互溶润滑油，粘度等级为ISO35-ISO55；③随着润滑油粘度等级的提高，富润滑油分层线左移且互溶性等级降低。
同时，本发明还提供一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物，包括作为系统循环运行工质的制冷剂和设置在压缩机壳体底部油池空间内的润滑油；所述冷冻机油组合物按以下条件选取：油池过热度大于13℃，且在系统运行的温度范围内，配置润滑油与运行工质的比例，使得润滑油与运行工质存在部分互溶现象，且满足以下条件：①在系统运行温度范围内的任一温度下，富工质层分层线处于1％以上、富润滑油层分层线处于40％-75％之间；②润滑油为部分互溶润滑油，粘度等级为ISO35-ISO55；③随着润滑油粘度等级的提高，富润滑油分层线左移且互溶性等级降低。
进一步地，所述制冷剂为碳氢化合物；所述压缩机为高背压压缩机。
进一步地，所述润滑油的互溶性等级为52-70。
进一步地，所述润滑油的基油为聚酯POE油、聚乙二醇类PAG油或聚乙烯醚PVE油。
进一步地，所述润滑油的基油为聚乙二醇类PAG油，且聚乙二醇类PAG油中环氧乙烯的成分比为20％-40％；所述碳氢化合物为丙烷；所述高背压压缩机为高背压旋转压缩机。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物及其设计方法通过规定其中润滑油的粘度特性和运行工质在润滑油中的溶解特性，同时根据润滑油的选择控制系统的油池过热度，保证压缩机各摩擦副的油膜厚度，控制润滑油的粘性阻力损失，避免润滑油在系统中堆积产生壅塞流动，保障系统回油，最终实现循环系统的高能效和高可靠性。
附图说明
图1为现有蒸汽压缩循环系统示意图；
图2为现有高背压旋转压缩机剖视图；
图3为本发明制冷剂与润滑油的互溶性曲线；
图4为现有旋转压缩机气缸俯视图；
图5为本发明膜厚比与磨损的关系；
图6为本发明粘度等级和富油层分层线范围的关系图；
图7为本发明粘度等级和互溶性等级的关系图；
图8为本发明富润滑油分层线在某系统工作温度下，所代表的润滑油质量分数大于75％时,发生分层时,富润滑油层低温下粘度急剧上升的关系图；
图9为本发明冷冻机油组合物粘度与运行工质溶解度的关系；
图10为本发明油池过热度与粘度的关系示意图；
图11为本发明油池过热度与制冷剂溶解度的关系示意图；
图12为本发明互溶性等级与所需油池过热度的关系示意图；
图13为本发明粘度等级与所需油池过热度的关系示意图；
图14为本发明吸气过热度与油池过热度的关系示意图。
附图标记：10-压缩机，20-冷凝换热器，30-节流元件，40-蒸发换热器，11-泵体，12-壳体，13-电机，14-消声器，15-储液器，16-压缩机油池，31-气缸、32-上轴承、33-下轴承、34-曲轴，41-主轴，42-曲部，43-副轴，51-滑片，52-活塞。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，现有蒸汽压缩循环系统包括通过连接管依次连接的压缩机10、冷凝换热器20、节流元件30和蒸发换热器40，在系统中封入制冷剂和润滑油组成制冷回路。其中，运行工质经过压缩机10被压缩成高温高压气体，之后在冷凝换热器20中进行放热过程，变为过冷液体，再经过节流元件30变成低温低压制冷剂，最后在换热蒸发器中40进行吸热过程，变为低压过热气体，完成一次制冷循环，即制冷剂经过压缩、放热、节流以及吸热过程，如此反复完成蒸汽压缩循环。同时，润滑油主要储存于压缩机底部油池中，与一部分制冷剂形成冷冻机油组合物，对压缩机进行润滑和密封，少部分润滑油伴随制冷剂从压缩机排气口流出，在系统中反复循环。
如图2和图4所示，现有高背压旋转压缩机包括泵体11、壳体12、电机13、消声器14和储液器15，壳体上下分别设有上壳盖和下壳盖，压缩机壳体底部为压缩机油池16，润滑油主要存于压缩机油池16之中，并与运行工质形成冷冻机油组合物，用于压缩机的润滑和密封。泵体11包括气缸31、上轴承32、下轴承33以及居于中央的曲轴34。其中曲轴34可以分主轴41、曲部42和副轴43三部分。主轴套41在上轴承32内部，与上轴承32形成滑动摩擦副，曲部42套在活塞52内部，与活塞52形成滑动摩擦副；副轴43套在下轴承33内部，与下轴承33形成滑动摩擦副。图4为旋转压缩机气缸俯视图，其中，滑片51靠弹簧的作用力使其端部与活塞52紧密接触，与活塞52形成摩擦副，以上摩擦副需要一定的油膜厚度来保证其正常运行。根据润滑状态来判断磨损程度，根据膜厚比划分润滑状态如图5所示，其中膜厚比λ计算公式为
其中，σ1与σ2为两表面的根均方粗糙度值，也可用算数平均值代替；hmin为最小油膜厚度；λ为膜厚比。
如图5所示,当λ<3时，处于混合润滑状态，微凸体发生摩擦，而磨损随着λ的减小而加剧。若λ<1.5，则摩擦表面微凸体极有可能接触，认为此时发生严重磨损(但需长时间运行，才会发生严重磨损)。当3<λ<5时，处于弹性流体动力润滑状态，认为此时可能发生磨损。而当λ>5时，处于流体动力润滑状态，摩擦表面被油膜完全隔开，认为此时不会发生磨损。因此，可以认为在额定工况膜厚比须大于5，恶劣工况膜厚比须大于2。启动时，时间较短，膜厚比只须大于1.5。通过索莫菲尔德数可得压缩机轴承与滑片所需的粘度μ，其中索莫菲尔德数计算式为：
其中，D为曲轴直径，c为轴承半径方向间隙，N为转速，μ为润滑油动力粘度，Pb为摩擦副载荷。
如图3所示，本发明润滑油为部分互溶润滑油，其与运行工质混合后形成部分互溶曲线，其表征润滑油与运行工质在系统运行温度范围内的任一温度下，在润滑油与运行工质特定的质量比例中，存在两层分离现象。对同一温度工况下，润滑油质量比例从小到大的变化过程中，首先出现两层分离的比例点称为“富工质点”，两层分离刚消失的比例点称为“富润滑油点”。对整个温度范围内，“富工质点”形成的连线为“富工质分层线”；“富润滑油点”形成的连线为“富润滑油分层线”。其中，将温度为40℃的“富润滑油点”所对应的润滑油质量分数的100倍称为互溶性等级，来表征运行工质和润滑油在油池中运行工质溶解度的大小，互溶性等级大，则油池中运行工质溶解度小；反之，互溶性等级小，则油池中运行工质溶解度大。如图3所示，该润滑油和运行工质在温度为40℃的“富润滑油点”所对应的润滑油质量分数分别为57％，因此其互溶性等级为57。
为了减少旋转式压缩机各摩擦副中，由润滑油产生的粘性阻力损失，同时保证其润滑性能和密封性能，对压缩机所用润滑油有以下要求：
运行工质和润滑油在压缩机中组成冷冻机油组合物，其部分互溶曲线在系统运行的温度范围内的任一温度下，富制冷剂分层线处于1％以上，富润滑油层分层线处于40％-75％之间(其中的百分数代表冷冻机油组合物中润滑油的质量比例)。润滑油(40)的粘度等级为IS035-ISO55，即40℃时，润滑油粘度为35cSt-55cSt。并且，随着粘度等级的提高，润滑油与运行工质的互溶性变好，即富润滑油分层线左移，且互溶性等级降低，如图6、图7所示。
基于此，本发明提供一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物设计方法，蒸汽压缩循环系统内设置有制冷剂作为系统循环的运行工质；蒸汽压缩循环系统的压缩机壳体底部油池空间内设置有润滑油，设置油池过热度大于13℃，且在系统运行的温度范围内，配置润滑油与运行工质的比例，使得润滑油与运行工质存在部分互溶现象，且满足以下条件：①在系统运行温度范围内的任一温度下，富工质层分层线处于1％以上、富润滑油层分层线处于40％-75％之间；②润滑油为部分互溶润滑油，粘度等级为ISO35-ISO55；③随着润滑油粘度等级的提高，富润滑油分层线左移且互溶性等级降低。
同时，本发明还提供一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物，包括作为系统循环运行工质的制冷剂和设置在压缩机壳体底部油池空间内的润滑油；冷冻机油组合物按以下条件选取：油池过热度大于13℃，且在系统运行的温度范围内，配置润滑油与运行工质的比例，使得润滑油与运行工质存在部分互溶现象，且满足以下条件：①在系统运行温度范围内的任一温度下，富工质层分层线处于1％以上、富润滑油层分层线处于40％-75％之间；②润滑油为部分互溶润滑油，粘度等级为ISO35-ISO55；③随着润滑油粘度等级的提高，富润滑油分层线左移且互溶性等级降低。
本发明制冷剂为碳氢化合物，碳氢化合物具体为丙烷；压缩机为高背压压缩机，具体为高背压旋转压缩机。润滑油的基油为聚酯POE油、聚乙二醇类PAG油或聚乙烯醚PVE油。润滑油的基油为聚乙二醇类PAG油时，聚乙二醇类PAG油中环氧乙烯的成分比为20％-40％。
本发明冷冻机油组合物中，如果润滑油粘度等级过低，以至于低于ISO 35，如果不改变其互溶性，则其在系统工作时，粘度较低，可能会引起油膜太薄或形不成油膜，导致压缩机的润滑性能降低，加剧运动部件的磨损，甚至引起气缸抱轴、卡死、拉毛等故障；如果改变其互溶性，则其富润滑油分层线在系统工作温度下，所代表的润滑油质量分数大于75％，会导致冷冻机油组合物中所含制冷剂太少，导致在低温时冷冻机油组合物粘度过大，低温流动性变差，会影响“奔油”时系统的回油，如图8所示。如果冷冻机油组合物粘度等级过高，以至于高于ISO 55，如果不改变其互溶性，则其在系统工作时，粘度较高，会导致运动副之间摩擦力较大，增大摩擦功耗；如果改变其互溶性，则其富润滑油分层线在某系统工作温度下，所代表的润滑油质量分数小于40％，会导致冷冻机油组合物中所含运行工质过多，从而降低油池中冷冻机油组合物的粘度，导致润滑不足，同时会增大运行工质的充注量，增大系统易燃易爆的风险。因此，本发明上述实施例蒸汽压缩循环系统采用的润滑油互溶性和粘度等级适中，可以保证制冷循环系统的正常回油以及压缩机的正常运行。
在启动、除霜的过程中，系统会发生“奔油”现象，即大量润滑油随着运行工质从压缩机排气口排出。在此期间，由于系统中润滑油过多，在系统中会出现分层现象，如果互溶性等级过高，会导致富润滑油层在蒸发换热器中粘度过高，滞留在系统中，本发明中所选择润滑油互溶性等级为52-70，可以保证在启动，除霜等非稳态过程中系统的回油，如图9所示，当富润滑油层中制冷剂占混合物的百分数大于25％，系统中流体具有优良的低温流动性，可以保证系统的回油。
图10、图11分别表示油池过热度和油池中冷冻机油组合物的粘度和制冷剂质量分数的关系。在一定过热度范围内，随着油池过热度的增加，冷冻机油组合物的粘度上升，所含制冷剂质量分数下降。油池过热度表征油池温度和排气压力对应的制冷剂饱和温度的差值。因此，为了保证制冷剂的充注量以及压缩机的润滑密封，压缩机运行需要有一定的油池过热度。如果油池过热度较小，则冷冻机油组合物中制冷剂溶解度较大，造成制冷剂充注量的增加以及粘度的减小，从而造成压缩机的润滑性能降低；如果油池过热度较大，则冷冻机油组合物粘度较大，会增加摩擦功耗。图12表示在相同工况下，不同互溶性等级所需的油池过热度，图13表示在相同互溶性等级和工况下，在不同粘度等级下，所需的油池过热度。根据图例可知，随着互溶性等级或粘度等级的增加，所需油池过热度降低。可根据工况、不同互溶性等级和粘度等级，得出所需油池过热度，一般认为，油池过热度大于13℃为宜，
根据图12和图13中的曲线可知，制冷循环需要一定的油池过热度，来保证冷冻机油中制冷剂的溶解度以及油池的粘度。高背压旋转压缩机，在相同环境温度和工况下，需要提高或降低吸气过热度，来保证油池过热度的范围。
此时，本发明粘度等级、富油层分层线的范围、油池过热度的关系如下。
粘度等级 富油层分层线 油池过热度
1 35-40 55％-75％ >12
2 40-45 50％-70％ >9
3 45-50 45％-65％ >11
4 50-55 40％-60％ >13
图14表示在相同环境温度和冷凝温度下，不同吸气过热度、吸气温度和油池过热度的关系，根据图例可知，随着吸气过热度的上升或者吸气温度的降低，油池过热度上升。油池过热度与排气过热度直接相关，又由吸气过热度与运行工质等熵线特性共同决定。由于丙烷绝热指数大，容易出现排气过热度低导致油池过热度低。因此，在确定了润滑油技术方案后，仍需对系统的吸气过热度提供指导技术方案。为了保证油池过热度，在相同环境温度和工况下，需要提高或降低吸气过热度，来保证油池过热度的范围。

Claims (4)

1.一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物设计方法，所述蒸汽压缩循环系统内设置有制冷剂作为系统循环的运行工质；所述蒸汽压缩循环系统的压缩机壳体底部油池空间内设置有润滑油，所述制冷剂为碳氢化合物；所述压缩机为高背压压缩机，所述润滑油的互溶性等级为52-70，所述润滑油的基油为聚酯POE油、聚乙二醇类PAG油或聚乙烯醚PVE油，其特征在于：设置油池过热度大于13℃，且在系统运行的温度范围内，配置润滑油与运行工质的比例，使得润滑油与运行工质存在部分互溶现象，且满足以下条件：
①在系统运行温度范围内的任一温度下，富工质层分层线处于1％以上、富润滑油层分层线处于40％-75％之间；
②润滑油为部分互溶润滑油，粘度等级为ISO35-ISO55；
③随着润滑油粘度等级的提高，富润滑油分层线左移且互溶性等级降低。
2.根据权利要求1所述的蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物设计方法，其特征在于：所述润滑油的基油为聚乙二醇类PAG油，且聚乙二醇类PAG油中环氧乙烯的成分比为20％-40％；所述碳氢化合物为丙烷；所述高背压压缩机为高背压旋转压缩机。
3.一种蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物，包括作为系统循环运行工质的制冷剂和设置在压缩机壳体底部油池空间内的润滑油；所述制冷剂为碳氢化合物；所述压缩机为高背压压缩机；所述润滑油的互溶性等级为52-70；所述润滑油的基油为聚酯POE油、聚乙二醇类PAG油或聚乙烯醚PVE油；其特征在于：所述冷冻机油组合物按以下条件选取：
油池过热度大于13℃，且在系统运行的温度范围内，配置润滑油与运行工质的比例，使得润滑油与运行工质存在部分互溶现象，且满足以下条件：
①在系统运行温度范围内的任一温度下，富工质层分层线处于1％以上、富润滑油层分层线处于40％-75％之间；
②润滑油为部分互溶润滑油，粘度等级为ISO35-ISO55；
③随着润滑油粘度等级的提高，富润滑油分层线左移且互溶性等级降低。
4.根据权利要求3所述的蒸汽压缩循环系统的冷冻机油组合物，其特征在于：所述润滑油的基油为聚乙二醇类PAG油，且聚乙二醇类PAG油中环氧乙烯的成分比为20％-40％；所述碳氢化合物为丙烷；所述高背压压缩机为高背压旋转压缩机。
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