環(huán)烷基DRG10W冰箱壓縮機(jī)冷凍機(jī)油研制

王鵬，李雁秋，蒙猛，張秀娟

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外冰箱壓縮機(jī)制造行業(yè)正朝著“環(huán)?！焙汀肮?jié)能”兩個(gè)方向快速發(fā)展。在環(huán)保型替代制冷劑的推廣過(guò)程中，R600a制冷劑因具有更長(zhǎng)遠(yuǎn)的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，并且壓縮機(jī)生產(chǎn)設(shè)備改造的成本低，在冰箱壓縮機(jī)制造行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1]。

目前國(guó)內(nèi)冰箱壓縮機(jī)主要生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能超過(guò)12000萬(wàn)臺(tái)/年，制冷壓縮機(jī)使用的制冷劑以R134a、R600a兩種為主，其比例約為40%、60%，以R134a為制冷劑的壓縮機(jī)因用油特殊，用油成本高，且R134a制冷劑本身溫室效應(yīng)較大，其數(shù)量近幾年將穩(wěn)定在一個(gè)水平線上。R600a制冷劑采用礦油型冷凍機(jī)油，占總用油量的60%以上，行業(yè)年需求總量約1.2～1.5萬(wàn)t。國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)生產(chǎn)線使用的冷凍機(jī)油多為嘉實(shí)多公司、太陽(yáng)公司、能源公司、出光公司、新日石等外資企業(yè)所生產(chǎn)，其冷凍機(jī)油質(zhì)量處世界領(lǐng)先水平，這些冷凍機(jī)油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本采用日本工業(yè)JIS K2211-2009 冷卻機(jī)油，并有嚴(yán)格的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定， 目前我國(guó)的能效標(biāo)識(shí)將能效分為五個(gè)等級(jí)。2020年1月7日，“新版GB 12021.2家用電冰箱耗電量限定值及能效等級(jí)”已經(jīng)通過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)的初步審批，并發(fā)布通知于2021年10月實(shí)施。新能效標(biāo)準(zhǔn)是繼1989年第一版能效標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來(lái)的第7次發(fā)布與修訂，被稱(chēng)為迄今為止最嚴(yán)苛的能效標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)制冷專(zhuān)業(yè)人士分析，原標(biāo)準(zhǔn)的低能效、高耗電的家用定頻制冷產(chǎn)品2、3和變頻3級(jí)能效產(chǎn)品由于新標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分性的變化將大幅度降級(jí)使用，冰箱行業(yè)45%左右的4級(jí)以下產(chǎn)品將面臨淘汰。

由于冰箱壓縮機(jī)中“黏度”特征對(duì)壓縮機(jī)關(guān)鍵性能COP.(制冷系數(shù))的提升有著非常直接的影響，即“黏度”特征數(shù)值較大的冷凍機(jī)油不利于壓縮機(jī)“節(jié)能”效果的提升[3]，冰箱壓縮機(jī)企業(yè)急需使用技術(shù)性能更高的10#產(chǎn)品逐步替換15#配套裝機(jī)冷凍機(jī)油。高品質(zhì)的10#冰箱壓縮機(jī)油產(chǎn)品的“高溫化學(xué)穩(wěn)定性、抗磨損性”需要更加適合1、2級(jí)能效壓縮機(jī)的長(zhǎng)周期使用要求。

研究表明，針對(duì)R600a制冷壓縮機(jī)使用工況的要求，選取高壓加氫環(huán)烷基基礎(chǔ)油，復(fù)配適宜的添加劑方案，使產(chǎn)品具有更好的抗磨損性能、與制冷劑共存時(shí)的化學(xué)穩(wěn)定性特征，符合GB/T 16630-2012標(biāo)準(zhǔn)、DIN 51503-1、 JIS K2211-2009的要求。滿(mǎn)足冰箱壓縮機(jī)制造企業(yè)特殊要求，通過(guò)國(guó)內(nèi)知名壓縮機(jī)企業(yè)臺(tái)架性能測(cè)試及工業(yè)化應(yīng)用。

1 環(huán)烷基DRG10W冰箱壓縮機(jī)冷凍機(jī)油技術(shù)要求

壓縮機(jī)是非常敏感的部件，必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑才能達(dá)到較長(zhǎng)的使用壽命。潤(rùn)滑劑不僅必須能夠潤(rùn)滑壓縮機(jī)內(nèi)部的所有零件，而且還必須與其接觸的制冷劑具有良好化學(xué)穩(wěn)定性及相適宜的溶解特性[4]。有研究表明，油膜厚度和牽引系數(shù)測(cè)定結(jié)果顯示環(huán)烷烴基油比石蠟基油約高兩倍，環(huán)烷基油因?yàn)榫哂械蜏丶芭cR600a冷媒溶解狀態(tài)下良好的黏度保持特性，非常適合于HC制冷劑類(lèi)型的制冷設(shè)備的潤(rùn)滑需要[5]。根據(jù)GB/T 16630-2012 《冷凍機(jī)油》、日本工業(yè)JIS K2211-2009 《冷卻機(jī)油》的標(biāo)準(zhǔn)及用戶(hù)提出的質(zhì)量要求，研制的環(huán)烷基DRG10W冰箱壓縮機(jī)冷凍機(jī)油必須滿(mǎn)足表1所示的性能指標(biāo)。

表1 環(huán)烷基DRG10W冰箱壓縮機(jī)冷凍機(jī)油性能指標(biāo)

表1(續(xù))

從環(huán)烷基DRG10W冰箱壓縮機(jī)冷凍機(jī)油指標(biāo)要求分析，依托克拉瑪依優(yōu)質(zhì)的環(huán)烷基基礎(chǔ)油資源，重點(diǎn)進(jìn)行油品添加劑配方的篩選，考察冰箱壓縮機(jī)用油的“積炭?jī)A向、抗磨損性能”等關(guān)鍵特性變化情況，是研制低黏度DRG10W冰箱壓縮機(jī)冷凍機(jī)油的關(guān)鍵。

2 環(huán)烷基DRG10W冰箱壓縮機(jī)冷凍機(jī)油的研制

制冷壓縮機(jī)在工作過(guò)程中，依靠制冷劑的減壓蒸發(fā)獲得低溫，冷凍機(jī)油對(duì)制冷裝置的工作部件進(jìn)行潤(rùn)滑，工作原理見(jiàn)圖1[6]。

圖1 制冷系統(tǒng)的原理

冷凍機(jī)油處于排氣閥的高溫和膨脹閥、蒸發(fā)器的低溫這兩種極端的溫度條件下。高質(zhì)量的R600a制冷介質(zhì)的礦油型制冷壓縮機(jī)用油必須具備與制冷劑共存時(shí)優(yōu)良的熱化學(xué)安定性，優(yōu)良的低溫流動(dòng)性、潤(rùn)滑性、抗泡性[7]。

2.1 基礎(chǔ)油評(píng)價(jià)

依托克拉瑪依優(yōu)質(zhì)的環(huán)烷基原油資源，采用 “加氫脫金屬-加氫處理-臨氫降凝-補(bǔ)充精制”高壓串聯(lián)全氫型工藝技術(shù)得到了適宜的環(huán)烷基礦物潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油[8]。該基礎(chǔ)油具有理想的環(huán)烷基組成結(jié)構(gòu)特征，被廣泛運(yùn)用于國(guó)內(nèi)外知名潤(rùn)滑油生產(chǎn)企業(yè)的冷凍機(jī)油產(chǎn)生產(chǎn)過(guò)程[9]。

克拉瑪依環(huán)烷基N10冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油基本理化性能見(jiàn)表2。

表2 N10高壓加氫環(huán)烷基冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油典型性能

表2(續(xù))

由表2可知，N10高壓加氫環(huán)烷基冷凍機(jī)油完全滿(mǎn)足產(chǎn)品的研制需要。

2.2 添加劑復(fù)配方案的研究

冰箱制冷壓縮機(jī)用冷凍機(jī)油中所加添加劑從用途上看主要可分為以下幾類(lèi)：(1)抗氧化添加劑；(2)抗磨添加劑；(3)抗泡添加劑[10]。RHY6601復(fù)合劑是中國(guó)石油冷凍機(jī)油產(chǎn)品的專(zhuān)用添加劑，該復(fù)合劑包括抗氧劑、金屬減活劑、極壓抗磨劑、抗泡劑等重要組分。產(chǎn)品可有效提高礦油型冷凍機(jī)油產(chǎn)品的氧化安定性、抗磨損性能及化學(xué)穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能。新產(chǎn)品DRG10W 冷凍機(jī)油配方研究主要是在RHY6601復(fù)合劑技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行抗磨添加劑配方的調(diào)整及適應(yīng)性研究。

新型抗磨添加劑的使用對(duì)保證壓縮機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響，實(shí)驗(yàn)室研究的重點(diǎn)集中在“抗磨損性能”、 “高溫抗氧化、油泥及漆膜抑制能力”兩個(gè)方面。具體見(jiàn)表3、表4。

表3 DRG10W冷凍機(jī)油配方研究方案

表4 抗磨劑A不同用量條件下性能變化

由表3、表4可知，J2、J3、J4方案抗磨損性能的提高較為明顯。通過(guò)調(diào)整新型抗磨劑A的加入量，可以獲得不同抗磨損能力的樣品，但較高的抗磨劑加劑量也會(huì)引起油品與冷媒的化學(xué)穩(wěn)定性能變差。

為了更加準(zhǔn)確地表征抗磨劑A實(shí)際效果，實(shí)驗(yàn)室采用了冷凍機(jī)油與制冷劑混合狀態(tài)下抗磨損性能測(cè)試方法進(jìn)行了深入研究，測(cè)試裝置如圖2所示，環(huán)塊磨損性能測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 冷凍機(jī)油與制冷劑混合狀態(tài)下抗磨損性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

1-負(fù)荷杠桿；2-排油閥；3-緊固螺栓；4-壓力倉(cāng)蓋；5-注油口；6-溫度傳感器；7-磨損測(cè)量表；8-進(jìn)劑閥；9-緊固螺口；10-試塊架；11-試驗(yàn)塊；12-試驗(yàn)環(huán)；13-密封圈；14-傳動(dòng)主軸；15-試驗(yàn)壓力倉(cāng)

冷凍機(jī)油與制冷劑混合狀態(tài)下抗磨損性能測(cè)試的方法原理是，試驗(yàn)機(jī)主軸帶動(dòng)試驗(yàn)環(huán)在靜止的試塊上轉(zhuǎn)動(dòng)，在一定的溫度和試驗(yàn)壓力下溶有一定制冷劑的冷凍機(jī)油對(duì)環(huán)塊進(jìn)行潤(rùn)滑，試驗(yàn)環(huán)和試驗(yàn)塊之間加載一定的負(fù)荷，通過(guò)觀察試驗(yàn)塊表面磨痕(磨痕寬度和磨痕深度)、磨損失重，得到冷凍機(jī)油與制冷劑共存條件下的磨損性能[11]。

采用“冷凍機(jī)油在制冷劑共存條件下抗磨損性能的評(píng)定 環(huán)塊試驗(yàn)機(jī)法”進(jìn)行樣品性能的對(duì)比測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5。 密閉裝置內(nèi)冷凍機(jī)油與制冷劑在溫度(80±1) ℃，選定的制冷劑R600a試驗(yàn)壓力500 kPa，主軸轉(zhuǎn)速為(300±3) r/min，試驗(yàn)時(shí)間為(3600±2) s，試驗(yàn)環(huán)和試驗(yàn)塊之間加載2225 N負(fù)荷。

表5 冷凍機(jī)油在制冷劑共存條件下抗磨損性能的評(píng)定

由表5可知，J3、J4實(shí)測(cè)性能滿(mǎn)足“磨痕寬度不大于4 mm，失重小10 mg?！钡牡脑囼?yàn)預(yù)期。J2方案與J3方案相比較，雖然在常規(guī)“極壓性能(法萊克斯A法)失效負(fù)荷值/N”的數(shù)據(jù)對(duì)比上僅有200 N的數(shù)值提升，但是在“冷凍機(jī)油在制冷劑共存條件下抗磨損性能的評(píng)定 環(huán)塊試驗(yàn)機(jī)法”測(cè)試實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)上確存在明顯差別。

“高溫抗氧化、油泥及漆膜抑制能力”的評(píng)價(jià)采用MPC(ASTM D7843)漆膜傾向指數(shù)法進(jìn)行測(cè)試[12]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 高溫抗氧化、油泥及漆膜抑制能力的MPC測(cè)定結(jié)果

表6(續(xù))

由表6可知，抗磨劑的加入對(duì)油品“高溫抗氧化、油泥及漆膜抑制能力”有一定的負(fù)面影響，J3相對(duì)于J4有更加良好的漆膜抑制效果。

2.3 產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室研制過(guò)程確認(rèn)的最佳方案，選取高壓加氫環(huán)烷基基礎(chǔ)油，復(fù)配適宜的添加劑方案，進(jìn)行樣品實(shí)際性能的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 DRG10W冷凍機(jī)油性能分析

表7(續(xù))

由表7可知，環(huán)烷基DRG10W冰箱壓縮機(jī)冷凍機(jī)油滿(mǎn)足研制標(biāo)準(zhǔn)要求。

R600a/DRG10W黏度和溶解制冷劑濃度混合物測(cè)定，采用冷凍機(jī)油/制冷劑混合物的“震蕩弦”動(dòng)力黏度及密度測(cè)定法，參照ASTM D341-2017規(guī)格繪制了“丹尼爾曲線”[13]，測(cè)試結(jié)果理想，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 環(huán)烷基DRG10W冷凍機(jī)油黏度和溶解制冷劑濃度混合物特性(丹尼爾曲線)

國(guó)內(nèi)知名壓縮機(jī)制造企業(yè)，對(duì)環(huán)烷基DRG10W冷凍機(jī)油產(chǎn)品進(jìn)行冰箱壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定，結(jié)果如圖5、表8所示。試驗(yàn)后壓縮機(jī)的活塞、曲軸、閥片、連桿、活塞銷(xiāo)等機(jī)械零件磨損正常，臺(tái)架試驗(yàn)后無(wú)積炭和沉淀產(chǎn)生[14]。這說(shuō)明產(chǎn)品具有優(yōu)良的熱/化學(xué)穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性，可以完全滿(mǎn)足全封閉冰箱壓縮機(jī)的實(shí)際工況要求。環(huán)烷基DRG10W冷凍機(jī)油2020年8月投入了工業(yè)化裝機(jī)應(yīng)用，用戶(hù)反饋良好。

圖5 ESD80A(L)壓縮機(jī)壽命臺(tái)架試驗(yàn)后零件照片

表8 壽命臺(tái)架試驗(yàn)后零件表面磨損等級(jí)判定[15]

3 結(jié)論

依托克拉瑪依優(yōu)質(zhì)的環(huán)烷基原油資源，采用 “加氫脫金屬-加氫處理-臨氫降凝-補(bǔ)充精制”高壓串聯(lián)全氫型工藝技術(shù)得到了適宜的環(huán)烷基礦物潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，該基礎(chǔ)油具有理想的環(huán)烷基組成結(jié)構(gòu)特征。再通過(guò)功能添加劑的補(bǔ)強(qiáng)，使產(chǎn)品具有更好的抗磨損性能、與制冷劑共存時(shí)的化學(xué)穩(wěn)定性特征，符合GB/T 16630-2012標(biāo)準(zhǔn)、DIN 51503-1、 JIS K2211-2009的要求。滿(mǎn)足冰箱壓縮機(jī)制造企業(yè)特殊要求，通過(guò)國(guó)內(nèi)知名壓縮機(jī)企業(yè)臺(tái)架性能測(cè)試及工業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊。