陳思亦，楊昭*，馬海云，段鈞晨，陳裕博

（1-天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350；2-丹佛斯（天津）有限公司，天津 300350）

0 引言

21世紀(jì)是飛速變遷的時代，人類社會飛速發(fā)展的同時，環(huán)境問題日益凸顯，成為了不容忽視的問題。現(xiàn)在廣泛使用的氫氟烴（HFCs）類制冷劑雖然解決了臭氧消耗潛值（Ozone Depletion Potential，ODP）過高的問題，但是仍然存在全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）過高的問題[1]。2016年10月15日，國際社會于非洲盧旺達(dá)簽署了《蒙特利爾議定書-基加利修正案》[2-5]，對制冷劑的選擇使用有了進(jìn)一步的要求?！盎永拚浮币延?019-01-01 正式生效，該修正案要求發(fā)展中國家在2024—2028年期間減少直到凍結(jié)HFCs 的使用，中國作為發(fā)展中國家的一員承諾將于2021年開始實施修正案的內(nèi)容。

R513A 是由R134a 和R1234yf 以質(zhì)量分?jǐn)?shù)比44:56 組合而成，是一種共沸制冷劑。這兩者的組合，R134a 可以削弱R1234yf 的弱可燃性[6-8]；而R1234yf 的GWP 僅有4，可以綜合R134a 較高的GWP。R513A 的GWP 僅為631，是一種良好的過渡制冷劑。目前在國外研究中，PAVEL 等[9]比較了R450A 和R513A 的循環(huán)性能研究，結(jié)果表明R513A具有更好的循環(huán)性能。此外還有大量國外學(xué)者，針對R513A 替代R134a 的可行性進(jìn)行分析，在對膨脹閥進(jìn)行調(diào)節(jié)后，可以實現(xiàn)制冷劑的替代[10-12]。在國內(nèi)研究中，艾愛[13]對R134a 與潤滑油互溶性進(jìn)行研究。于榮等[14]對R1234yf 與潤滑油的仿真性能記性分析。汪青青等[15]、張亞國等[16]、趙盼盼等[17]對HFO 類制冷劑及R134a 在汽車空調(diào)的循環(huán)性能進(jìn)行了研究。張治平等[18]對R513A 替代R134a 的可行性進(jìn)行分析。

上述研究集中在傳熱性能、系統(tǒng)循環(huán)上，但是還有其他關(guān)鍵性的技術(shù)問題的數(shù)據(jù)需要補(bǔ)充完善，比如R513A 和不同潤滑油的互溶性?；ト苄阅軌蛟u價兩者相互溶解能力的大小，如果制冷劑與潤滑油的互溶性較差，則會造成在循環(huán)系統(tǒng)中的潤滑油無法回油，潤滑油積聚在蒸發(fā)器或者冷凝器上，形成油膜，使換熱條件惡劣。而材料兼容性問題，更是機(jī)器運(yùn)作最基本問題。本文對R513A 與PVE32 和POE32 的互溶性，以及R513A 與PVE32 與各種材料兼容性問題展開了研究。

1 互溶性實驗研究

1.1 實驗裝置

基于國標(biāo)SH/T 0699—2000[19]以及日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS K2211—2009[20]，設(shè)計搭建了一套測量制冷劑與潤滑油互溶性的實驗系統(tǒng)。制冷劑與冷凍機(jī)油互溶性實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 制冷劑與冷凍機(jī)油互溶性實驗系統(tǒng)原理

實驗裝置主要包含配氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、測量試管和控制系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)主要部件包括壓力傳感器（在0～2.5 MPa，測量不確定度小于±2 kPa）、干燥器、緩沖瓶和真空泵等；恒溫系統(tǒng)中，恒溫槽包括復(fù)疊式制冷系統(tǒng)以及加熱系統(tǒng)，能夠提供223.15～363.15 K 的恒溫環(huán)境，在溫度范圍內(nèi)，測量的不確定度小于±10 mK；測量試試管的材料為透明石英玻璃，上部分連接部件為不銹鋼法蘭盤；控制系統(tǒng)主要部件為上位機(jī)（電腦）及可編程控制器，還包括中間繼電器等其他部件。

實驗過程中，將制冷劑與潤滑油按照一定的質(zhì)量比配置到試管中，使二者形成均一透明的溶液；再通過逐步降低恒溫槽的溫度，來控制試管降溫；若觀察到溶液中產(chǎn)生絮狀沉淀物或者兩相分離現(xiàn)象，那么這個溫度點(diǎn)即為臨界互溶溫度。

1.2 實驗材料

實驗材料主要包括R513A 制冷劑、PVE32 和POE32，其中R513A 為科慕公司的產(chǎn)品，純度大于99.9%。實驗所采用的PVE32 和POE32 潤滑油的物性參數(shù)如表1所示。

表1 PVE32 和POE32 潤滑油的主要物性參數(shù)

1.3 結(jié)果與分析

本次實驗對制冷劑R513A與潤滑油POE32 以及PVE32 之間的互溶性展開研究。測定的含油率范圍是5%～60%，溫度區(qū)間是-50～30 ℃。通過實驗，發(fā)現(xiàn)在測定的含油率（以5%為間隔）和溫度區(qū)間范圍內(nèi)，R513A 與POE32 以及R513A 與PVE32 這兩種混合溶液始終是均一透明的溶液狀態(tài)。在-50 ℃時，兩種混合溶液均未出現(xiàn)絮狀沉淀物或者兩相分離的現(xiàn)象，說明R513A 與這兩種潤滑油都具有良好的互溶性。

從理論的角度分析，POE32 潤滑油具有較強(qiáng)極性，潤滑油PVE32 有略低于POE32 極性，根據(jù)相似相容定律，二者與同為極性分子的R134a 互溶性良好。并且潤滑油PVE32 與POE32 中都含有氧原子，分子結(jié)構(gòu)與R1234yf 更為類似，故互溶性佳。

2 材料兼容性實驗研究

2.1 實驗裝置

基于國標(biāo)SH/T 0698—2000[21]，設(shè)計搭建了一套測試制冷劑與潤滑油材料兼容性實驗系統(tǒng)。制冷劑與潤滑油材料兼容性實驗系統(tǒng)圖如圖2所示，包括4 個部分。

圖2 制冷劑與冷凍機(jī)油材料兼容性實驗系統(tǒng)原理

配氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)是與互溶性實驗裝置公用。高溫恒溫槽系統(tǒng)，能提供313.15～523.15 K 的恒溫環(huán)境，在溫度范圍內(nèi)，測量不確定度為±0.2 K；反應(yīng)容器與互溶性實驗裝置的試管不同，是綜合考慮了高壓反應(yīng)釜法和密封玻璃管法的優(yōu)缺點(diǎn)，自行設(shè)計高度為280 mm、容積為5 mL 的透明石英玻璃反應(yīng)容器，同樣利用不銹鋼法蘭盤進(jìn)行密封，可以在高溫恒溫槽內(nèi)同時進(jìn)行多組實驗，提高效率。

實驗過程：將測試用材料洗凈烘干，放入玻璃反應(yīng)容器中；再將制冷劑與潤滑油按照一定的質(zhì)量比配置到試管中；最后將實驗容器放入高溫恒溫槽內(nèi)靜置14 d 后，觀察制冷劑與潤滑油溶液的顏色變化以及待測材料的質(zhì)量及尺寸等物理尺寸的變化。

2.2 實驗材料

實驗材料中的R513A 制冷劑、PVE32 的數(shù)據(jù)與互溶性實驗中相同。兼容性實驗采用了6 種機(jī)組中不同部位的材料。表2 列出了兼容性實驗結(jié)果，圖3 為表2 對應(yīng)的材料兼容性實驗狀態(tài)圖。

圖3 材料兼容性實驗狀態(tài)

2.3 結(jié)果與分析

前期的研究發(fā)現(xiàn)R513A與PVE32潤滑油具有良好的互溶性，故實驗組后期對R513A 與PVE32 潤滑油進(jìn)一步開展了材料兼容性實驗。將材料加入配比好的潤滑油與制冷劑中，在測試溫度下120 ℃下，靜置14 d，實驗結(jié)果如表2所示，其中Δm為質(zhì)量變化，Δd為直徑變化，Δl為長度變化，Δx為寬度。

表2 R513A/PVE32 與制冷設(shè)備常用材料兼容性

實驗結(jié)果表明：R513A/PVE32 油與材料1、材料2、材料3、材料4 和材料6 的兼容性優(yōu)異，質(zhì)量、長度、半徑及溶液的狀態(tài)均未發(fā)生變化。但材料5 的質(zhì)量和長度上發(fā)生變化，在重復(fù)的3 組實驗中，其中有一組從參數(shù)上未產(chǎn)生變化，說明材料5與R513A/PVE32 潤滑油反應(yīng)不明顯。綜合上述結(jié)果，可知PVE32 潤滑油與R513A 的互溶性優(yōu)越；而從兼容性上評價，與大部分材料兼容性好?？蛇m配到實際應(yīng)用中去。

3 結(jié)論

本文就R513A與潤滑油POE32 和PVE32 的相互作用關(guān)系開展研究，分析了R513A 與POE32 的互溶性與材料兼容性，以及R513A 與PVE32 的互溶性，得出如下結(jié)論：

1）POE32、PVE32 潤滑油均與R513A 的臨界互溶溫度均低于50 ℃，沒有觀察到兩相分離和絮狀物的現(xiàn)象，具有良好的互溶性；

2）PVE32 和R513A 與大部分材料的兼容性也較好，質(zhì)量與幾何尺寸的變化為0%；在材料5 的3次重復(fù)性實驗中，有兩組在質(zhì)量上有16.67%與14.29%的變化，長度上有0.42%與0.11%的變化，而3 組實驗的另一組參數(shù)沒有變化，說明材料5 與R513A/PVE32 潤滑油反應(yīng)不明顯。