姜 莎， 劉 穎， 姜 昆， 王 芳， 李國云

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

在制冷系統(tǒng)中，潤滑油具有重要作用［1－2］.空調(diào)器在使用一段時間后，系統(tǒng)中的潤滑油會在換熱器的管壁上產(chǎn)生一層油膜.同時，制冷劑和潤滑油的相互作用，也會生成一些無法自動排出系統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)，它們吸附在內(nèi)壁上，增加了換熱熱阻，導(dǎo)致?lián)Q熱器的傳熱系數(shù)降低、系統(tǒng)的制冷量下降、功耗增加.且隨著油膜厚度的增加，系統(tǒng)中的流動阻力增大，回油困難，有可能影響到制冷系統(tǒng)的安全運行.為了解決這一問題，本研究在制冷系統(tǒng)中，通過加入一定量的一種新型極化冷凍油添加劑（PROA）與系統(tǒng)中的油膜作用，會減少甚至完全去掉換熱器部分的油膜，使空調(diào)系統(tǒng)的整體性能得到改善［3］.空調(diào)器出風(fēng)溫度降低了約1.62℃，制冷量上升了約237W，制冷系數(shù)（COP）上升了約11.62%，實現(xiàn)了改善系統(tǒng)潤滑性能和節(jié)能的目標(biāo)［4］.由于PROA屬于新開發(fā)的產(chǎn)品，在實用化之前有必要對其進(jìn)行進(jìn)一步的性能測試，以評價其對較長時間運行的空調(diào)系統(tǒng)的持續(xù)性作用效果.于是，對一臺加入PROA的分體熱泵型房間空調(diào)器進(jìn)行了為期近40天的連續(xù)運行性能測試，測定了標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下系統(tǒng)的吸氣、排氣溫度，吸氣、排氣壓力，室內(nèi)、外出風(fēng)溫度，制冷量，輸入功率等參數(shù)，探討這種新型極化冷凍油添加劑對改善空調(diào)系統(tǒng)潤滑性能和增強(qiáng)換熱效果的持久作用情況，為PROA在空調(diào)系統(tǒng)中的實際應(yīng)用提供參考.

1 極化冷凍油添加劑簡介

1.1 PROA的特點

新型極化冷凍油添加劑（PROA）是由一種由電子云非均勻分布的功能性分子物質(zhì)，配上普通潤滑油中所含有的抗氧化劑、抗磨劑等多種物質(zhì)而組成的產(chǎn)品.其分子為四面體剛性結(jié)構(gòu)，具有極性.極性端為多氯烯烴，而非支鏈烷烴.這使得其化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，凝固點低，沸點很高，沒有揮發(fā)性，對環(huán)境沒有副作用.PROA的合成工藝簡單，生產(chǎn)成本較低.使用時通過專用的添加工具將一定量的添加劑通過空調(diào)的充氟口加入到系統(tǒng)中去即可，操作方便.目前市場上也有多種添加劑在出售，但絕大多數(shù)都是從美國進(jìn)口，價格比較高，一般都是用在中央空調(diào)等大型系統(tǒng)中，在普通的家用空調(diào)中并沒有得到太大的推廣.這類產(chǎn)品一般都是通過氯化工藝［5］得到，因此，含氯較高，對環(huán)境及設(shè)備構(gòu)成潛在的損害，其它的一些改進(jìn)型如磺酸鈣鹽［6］在實用過程中往往效果不佳，極大地制約了其推廣使用.

1.2 作用機(jī)理

PROA的功能分子是一種極性分子，其一端電子云密度較低，而另一端電子云密度較高，這樣較高的一端便顯負(fù)電性，它可以與金屬表面靠靜電作用進(jìn)行結(jié)合，因此結(jié)合力比較強(qiáng)，不會隨著制冷劑的流動以及管路的震動而與壁面脫離.而油膜則是靠自身的粘性與金屬表面結(jié)合的，其結(jié)合力屬于分子間作用力，即范得華力，與電場力相比，結(jié)合力相對比較低.所以，在壓縮機(jī)中，PROA分子容易脫離內(nèi)壁面.一方面，PROA分子相對獨立，且分子尺度非常小，屬于納米級別的，而油膜分子之間是有一定空隙的，因此，當(dāng)PROA被注入到空調(diào)系統(tǒng)后，功能分子便通過空隙進(jìn)入到壁面區(qū)域，與管壁結(jié)合，形成了一層“超微化學(xué)傳導(dǎo)熱片”［7］.這一厚度較小的單分子層，相對于油膜的熱阻，傳熱效率高.其作用原理如圖1所示.

圖1 添加劑分子去除表面油膜的作用示意圖Fig.1 Diagram of additive to remove the surface film role in the molecular

另一方面，PROA功能分子的電子云密度低的那一端柔性高，當(dāng)其嵌入油膜內(nèi)部后，制冷劑的流動及管路的震動會使功能分子在油膜內(nèi)部擺動.這不僅加速了油膜與壁面的脫離，而且可以防止油膜的再生，同時可以破壞制冷劑在管內(nèi)壁附近形成的邊界層效應(yīng)，因此，添加PROA后，換熱器就可保持較高的換熱性能，從而達(dá)到節(jié)能的目的.加入PROA前后油膜變化如圖2所示.

圖2 加入PROA前、后油膜的變化Fig.2 Change of oil film in tube before and after charge with PROA

此外，納米材料本身又具有一些宏觀物質(zhì)所不具有的性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等.PROA分子充分體現(xiàn)了納米摩擦學(xué)方面的優(yōu)點，潤滑以減少摩擦，能夠較好地改善潤滑油的性能.對于壓縮機(jī)來說，動、靜轉(zhuǎn)子表面并不是非常光滑的，存在凹凸，潤滑油分子體積較大，難以進(jìn)入動、靜轉(zhuǎn)子表面的凹陷處.于是，潤滑油分子會在摩擦副表面上生成一層低熔點、低剪切力的無機(jī)化學(xué)保護(hù)膜［6］.隨著壓縮機(jī)內(nèi)部溫度的升高，這層保護(hù)膜會發(fā)生碳化.當(dāng)潤滑油隨著制冷劑的流動進(jìn)入到換熱器中后，壓縮機(jī)內(nèi)部油量減少，潤滑效果降低，就會出現(xiàn)較多的磨屑.這些磨屑連同碳化顆粒一旦進(jìn)入毛細(xì)管，就會引起堵塞，影響系統(tǒng)的正常運行，有可能會使輸入功率增大，性能下降.但加入的添加劑，其分子體積小，可以填充動、靜轉(zhuǎn)子的凹陷，同時形成一保護(hù)層以改變表面的應(yīng)力分布，提高潤滑效果，降低功耗，達(dá)到節(jié)能的目的.對新空調(diào)來說，換熱效率可以達(dá)到6.0%～7.5%；對于舊空調(diào)，管內(nèi)壁的油膜熱阻的影響非常大，造成管路的巨大的阻力損失，而PROA可以將管內(nèi)壁的厚厚的油膜清除，換熱效率的提高非常明顯，阻力損失減少后，又減少了壓縮機(jī)的功耗，因此，PROA是從多方面對空調(diào)進(jìn)行節(jié)能的.

2 實驗儀器與方案

2.1 實驗材料與設(shè)備

極性冷凍油添加劑（PROA）由上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所和低溫生物研究所研制.一臺KFR－23G／hY空調(diào)器作為被測機(jī).上海理工大學(xué)根據(jù)GB／T7725—2004研制全自動焓差實驗室.

2.2 實驗方案設(shè)計

本研究是為了檢測極性冷凍油添加劑在空調(diào)系統(tǒng)中作用的持久性，故在系統(tǒng)運行長達(dá)40天的時間內(nèi)進(jìn)行實驗.制冷測試工況要求：室外干球溫度35℃，室外濕球溫度24℃；室內(nèi)干球溫度27℃，室內(nèi)濕球溫度19℃.為了測試空調(diào)系統(tǒng)在實驗室中的穩(wěn)定運行程度，本實驗在標(biāo)準(zhǔn)工況下，測定壓縮機(jī)吸氣、排氣端的溫度和壓力，室內(nèi)、外出風(fēng)溫度和以及整個系統(tǒng)所產(chǎn)生的制冷量及消耗的功率等參數(shù).

3 實驗方法

3.1 實驗步驟

現(xiàn)介紹實驗步驟.

a.將被測機(jī)組安裝在焓差實驗室內(nèi)，在各相應(yīng)測點安裝各參數(shù)的測量儀器，布置如圖3所示.與實驗臺連接后，檢查實驗電路.

b.向被測空調(diào)機(jī)中沖入氮氣，檢測被測機(jī)是否泄漏，確保沒有任何隱患，以免造成制冷劑的浪費.

c.確認(rèn)無誤后，清除機(jī)體內(nèi)的氮氣，并使之達(dá)到真空，立刻充入定量的制冷劑HCFC－22，其額定充注量為640g.

d.待空調(diào)機(jī)運行后，調(diào)節(jié)室內(nèi)外環(huán)境，使室內(nèi)外環(huán)境盡快達(dá)到額定工況要求.

e.在加入添加劑之前，先記錄幾組關(guān)于空調(diào)的性能參數(shù).

f.每次通過加液閥7加入極性冷凍油添加劑（PROA）5ml，共加3次，期間讓空調(diào)進(jìn)行長時間運轉(zhuǎn)，使其與制冷劑充分接觸并混合，同時與管內(nèi)壁充分發(fā)生鍵合，以發(fā)揮添加劑的作用，達(dá)到理想的效果.

g.待運行穩(wěn)定后，定時記錄系統(tǒng)的溫度值、壓力值、被測機(jī)的制冷量、消耗功率以及性能系數(shù)COP值等參數(shù)，以便分析比較.

圖3 測試系統(tǒng)流程系統(tǒng)圖Fig.3 Flow chart of refrigerating system for the tested unit

3.2 實驗分析

由于添加劑是分3次逐漸添加的，因此，在添加過程中，選取平均值變化明顯的參數(shù)進(jìn)行分析，如表1所示.pin為吸氣壓力，pout為排氣壓力，tin為吸氣溫度，tout為排氣溫度，COP為性能系數(shù)，Q為制冷量，τ為時間，P為功率，V為添加劑的添加量，ti為室內(nèi)出風(fēng)溫度，to為室外出風(fēng)溫度.

表1 參數(shù)變化情況Tab.1 Parametric variation condition

比較實驗數(shù)據(jù)可以看出，添加劑經(jīng)過兩次添加后，制冷量總體呈一個上升的趨勢，最大量達(dá)到12.9%.但是，待添加完畢，制冷量卻有小幅度下降，但仍然比未添加PROA前高得多，這可能是15 ml的PROA對于本系統(tǒng)來說，不是最佳的添加量.排氣溫度則是在最開始加入添加劑時驟然下降，變化十分明顯，最大變化為20.7%，隨著PROA的逐漸加入，排氣溫度略有提高，但與未添加前比低很多.再次驗證了PROA對改善舊空調(diào)的性能具有良好的作用，COP的增值可達(dá)11.3%.

經(jīng)過40天的運行，各種參數(shù)（tin，tout，pin，pout，ti，to）隨時間變化的測試結(jié)果如圖4～7所示.

圖4 吸氣、排氣溫度隨著測試時間變化的曲線Fig.4 Suction and discharge temperature as the change of time

圖5 吸氣、排氣壓力隨測試時間變化的曲線Fig.5 Suction and discharge pressure as the change of time

在添加劑添加過程中，制冷量總體是在上升的；當(dāng)完全添加完畢后，制冷量的變化僅在1 600～1 700W范圍內(nèi)，此時波動范圍并不是很大.而功率的消耗也有所下降，基本穩(wěn)定在一個平衡范圍內(nèi).這說明在長時間的運行中，PROA對系統(tǒng)的制冷量及功率的影響是比較穩(wěn)定的，基本保持了較低的功率消耗、較高的制冷量.

圖6 室內(nèi)、外出風(fēng)溫度隨測試時間變化的曲線Fig.6 Indoor and outdoor temperature curve as the change of time

圖7 制冷量、功率隨測試時間變化的曲線Fig.7 Refrigerating capacity and power as the change of time

壓縮機(jī)作為空調(diào)的核心部件，其運行的好壞會直接影響空調(diào)的性能.對壓縮機(jī)的吸氣，排氣溫度變化的分析可以看出，預(yù)定的添加劑添加量完全加入后，排氣溫度比先前有一定的下降，在后期無變化操作的運行中，排氣溫度一直保持在74.5～75.8℃之間，吸氣溫度也只在12.8～13.4℃之間波動，說明添加劑在空調(diào)系統(tǒng)的長時間運行中，促進(jìn)了壓縮機(jī)性能的改善，并使其在較好的狀態(tài)下運行.同時也驗證了添加劑中的分子靜電力使之與管壁牢牢結(jié)合，作用持久.吸氣溫度降低后，不僅可以長期保持較好的冷凝效果，而且從根本上防止了壓縮機(jī)的排氣溫度過高，杜絕碳化現(xiàn)象的發(fā)生，保證了壓縮機(jī)在良好工況下運行.此外，壓縮機(jī)吸氣、排氣壓力的變化也比較穩(wěn)定，振動及噪聲也較規(guī)律，且未見異常，而對內(nèi)部的摩擦情況還有待進(jìn)一步的測試.同樣，在后期的運行中，系統(tǒng)的COP值、室內(nèi)外的出風(fēng)溫度均變化不大，空調(diào)的運行穩(wěn)定，并使室內(nèi)環(huán)境的舒適度得到良好保持.特別要指出的是，在整個實驗過程中，PROA有能夠使舊空調(diào)的消耗功率減少的功效，一定程度上產(chǎn)生了節(jié)能的作用.

4 結(jié) 論

從以上結(jié)果分析可以看出，使用這種新型添加劑，實驗機(jī)組的各項性能均得到了優(yōu)化，因此，添加劑的良好性能得到了發(fā)揮.添加劑添加完畢后，經(jīng)過長達(dá)40天的運行，空調(diào)的運行參數(shù)變化不大，機(jī)組運行也基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，初步驗證了該添加劑對空調(diào)系統(tǒng)性能的改善效果比較穩(wěn)定，此產(chǎn)品可以長久地發(fā)揮作用.在壓縮機(jī)上未見噪音、震動過大等現(xiàn)象，且外表溫度并不十分高，對于其內(nèi)部的磨損情況及其它影響還有待進(jìn)一步研究.

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