節(jié)能環(huán)保冰箱冷凍機(jī)油研制

張霞玲，王燕，王凱明，張美瓊

(中國石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著節(jié)能減排、消費(fèi)升級(jí)、技術(shù)創(chuàng)新帶來的基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)等因素的推動(dòng)，作為世界上電冰箱生產(chǎn)和消費(fèi)大國之一，中國冰箱市場(chǎng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)的趨勢(shì)更加明顯。在冰箱節(jié)能技術(shù)的設(shè)計(jì)方案中，最直接有效的節(jié)能方法是通過采用高效的壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。目前環(huán)保制冷劑R600a高效壓縮機(jī)多采用往復(fù)式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，提高壓縮機(jī)性能系數(shù)對(duì)降低冰箱能耗具有重要意義。為了達(dá)到壓縮機(jī)節(jié)能增效的目的，采用黏度等級(jí)為5 mm2/s的低黏度冷凍機(jī)油(簡稱L-DRG5冷凍機(jī)油)來提高壓縮機(jī)的性能系數(shù)COP值。

現(xiàn)階段，國內(nèi)制冷行業(yè)市場(chǎng)上流通的適用于環(huán)保制冷劑R600a高效壓縮機(jī)的冷凍機(jī)油主要是合成型油——烷基苯。專利文獻(xiàn)查詢結(jié)果也顯示：到目前為止，市場(chǎng)上還沒有L-DRG5礦物型冷凍機(jī)油產(chǎn)品，更沒有采用傳統(tǒng)礦物油制備L-DRG5冷凍機(jī)油的文獻(xiàn)報(bào)道。所以，為了緊跟市場(chǎng)需求，研制出L-DRG5礦物型冷凍機(jī)油極為迫切。

1 技術(shù)指標(biāo)制訂

在制定技術(shù)指標(biāo)的過程中，考慮到目前我國尚無L-DRG5冷凍機(jī)油國家標(biāo)準(zhǔn)，研制時(shí)參照了《冷凍機(jī)油》GB/T 16630-2012中對(duì)L-DRG系列冷凍機(jī)油產(chǎn)品的具體要求，結(jié)合公司生產(chǎn)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，制定了L-DRG5冷凍機(jī)油技術(shù)性能指標(biāo)。主要指標(biāo)如表1所示。

表1 L-DRG5冷凍機(jī)油主要技術(shù)指標(biāo)

表1(續(xù))

從表1可以看出，研制油的研究難點(diǎn)在于選取合適的基礎(chǔ)油，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)組成一是解決基礎(chǔ)油黏度小、閃點(diǎn)要求高的矛盾；二是解決基礎(chǔ)油組成與熱穩(wěn)定性之間的關(guān)系；三是解決油品與制冷劑R-600a的潤滑性匹配問題。

2 L-DRG5冷凍機(jī)油的研制

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

冷凍機(jī)油主要性能：低溫流動(dòng)性、閃點(diǎn)以及溶解性的優(yōu)劣，都與油品的組成有密切的關(guān)系。而油品的烴組成結(jié)構(gòu)則與油品的加工工藝、精制深度有直接關(guān)系，所以選擇合適的基礎(chǔ)油加工工藝是非常重要的。

根據(jù)表1產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的特點(diǎn)，考慮到生產(chǎn)裝置的可操作性以及油品性質(zhì)的穩(wěn)定性，基礎(chǔ)油主要采用不同工藝路線生產(chǎn)的低溫性能、黏溫性能、潤滑性能優(yōu)良的潤滑油適宜餾分調(diào)合而成。調(diào)合后的基礎(chǔ)油與目前市場(chǎng)上使用的合成油(參比油)性質(zhì)對(duì)比分析如表2所示。

表2 基礎(chǔ)油性質(zhì)分析

由表2可以看出，通過平衡基礎(chǔ)油的黏度、低溫流動(dòng)性(傾點(diǎn)、絮凝點(diǎn))及溶解性的關(guān)系，調(diào)合后L-DRG5冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油的性質(zhì)均能滿足質(zhì)量指標(biāo)要求；低溫流動(dòng)性(傾點(diǎn)、絮凝點(diǎn))、閃點(diǎn)以及溶解性都與參比油相當(dāng)。

2.2 添加劑配方研究

對(duì)于全封閉壓縮機(jī)來講，由于體積小，運(yùn)行條件苛刻，所使用的冷凍機(jī)油在壓縮機(jī)中會(huì)經(jīng)歷高、低溫的連續(xù)循環(huán)過程，為了保證油品的使用壽命和壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，所以要求油品具有好的潤滑性和穩(wěn)定性。本研究采用抗氧化添加劑、抗磨添加劑、抗泡沫添加劑進(jìn)行合理配伍，進(jìn)一步提高冷凍機(jī)油的潤滑性和穩(wěn)定性。

2.2.1 抗氧添加劑的評(píng)選

抗氧劑可以抑制油品氧化，在潤滑油中添加少量抗氧劑便可防止油品氧化，延長油品使用壽命。實(shí)驗(yàn)室采用熱氧化穩(wěn)定性試驗(yàn)、差示掃描量熱法(DSC)考察抗氧劑對(duì)油品氧化性能的影響程度。

(1)考察抗氧劑對(duì)油品氧化性能的影響程度

本研究采用熱氧化穩(wěn)定性試驗(yàn)來考察添加不同類型抗氧劑對(duì)油品熱氧化穩(wěn)定性的影響以及添加不同劑量酚型抗氧劑的油品抵抗氧化的能力，見圖1、圖2。其中，圖2為了在一張圖中將氧化后油品性質(zhì)變化趨勢(shì)表現(xiàn)出來，將部分過小的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同程度的放大，圖2中“×100”和“×10”分別表示將試驗(yàn)數(shù)據(jù)放大100倍和10倍。

圖1 不同類型抗氧劑對(duì)油品熱氧化安定性的影響

由圖1可以看出：不同類型抗氧劑對(duì)氧化油品的酸值均有不同程度的改善，尤其是酚型抗氧劑加入可以很大程度地降低氧化后油品的酸值。

圖2 酚型抗氧劑對(duì)油品熱氧化安定性的影響

由圖2可以看出添加酚型抗氧劑 A的油品抵抗氧化的能力，抗氧劑 A的加入不僅可以改善油品的顏色，降低氧化后油品的酸值，而且還可以減少氧化后油品的黏度變化。同時(shí)油品氧化后抗氧劑含量發(fā)生了變化，即油品氧化后抗氧劑都有不超過 20%的衰耗。

(2)差示掃描量熱法，考察抗氧劑的作用效果

差示掃描量熱法是一種熱分析技術(shù), 主要利用在不同溫度和壓力下, 樣品與參比物熱電偶間的熱流量差來評(píng)價(jià)待測(cè)物質(zhì)的氧化熱力學(xué)安定性。

本研究利用該方法考察抗氧劑 A的添加量對(duì)基礎(chǔ)油的抗氧化安定性能的影響，見圖3。

圖3 抗氧化劑加入量評(píng)選

由圖3可以看出，隨著抗氧劑 A添加量的增加,油品的氧化誘導(dǎo)期均隨之上升, 說明增加抗氧劑 A的濃度可以改善基礎(chǔ)油的氧化安定性。氧化誘導(dǎo)期曲線也充分說明抗氧劑0.3%的添加量可滿足經(jīng)濟(jì)性的要求?？紤]到油品氧化后抗氧劑有近 20% 的衰耗，優(yōu)選抗氧劑A加入量0.4% 作為評(píng)價(jià)油品最經(jīng)濟(jì)、合理的加入量。

2.2.2 抗磨添加劑的評(píng)選

隨著新型無氯制冷劑的使用及制冷壓縮機(jī)小型化及高效化的發(fā)展，新型無氯制冷劑R600a不能夠象含氟制冷劑R-12一樣提供加壓特性[1]，它與礦物油的溶解性非常好(根據(jù)相似相溶原理)，這種過度的溶解，降低油品的運(yùn)動(dòng)黏度和潤滑性，因此僅靠基礎(chǔ)油的潤滑性是不夠的。系統(tǒng)中的冷凍機(jī)油抗磨性能的保證必需依托添加劑性能給予補(bǔ)強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)室采用法萊克斯(Falex)極壓負(fù)荷試驗(yàn)、銅片腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)和四球機(jī)試驗(yàn)，綜合評(píng)選合適的抗磨劑，同時(shí)考察抗磨劑的作用效果。見表3、表4。

表3 抗磨劑評(píng)選試驗(yàn)結(jié)果

從表3分析結(jié)果看，不同類型抗磨劑在相同比例下，基礎(chǔ)油中加入抗磨劑 B，其抗腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性和潤滑性都優(yōu)于抗磨劑 C和D ；與參比油對(duì)比，抗磨劑 B在抗腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)與其相當(dāng)。

表4 抗磨劑加入量評(píng)選試驗(yàn)

從表4分析結(jié)果看，隨著抗磨劑添加量的增加, 油品的磨斑直徑逐漸減小, 說明增加抗磨劑的濃度強(qiáng)化了油品的潤滑性能?？鼓?B不小于0.8%的加入量可以滿足設(shè)備對(duì)油品潤滑性的要求。與表3參比油的對(duì)比，抗磨劑 B在潤滑性方面的表現(xiàn)與其相當(dāng)。

2.2.3 抗泡添加劑的評(píng)選

潤滑油基礎(chǔ)油經(jīng)過精制后仍會(huì)有少量極性物質(zhì)殘留，這些極性物質(zhì)和部分添加劑會(huì)使油品在循環(huán)潤滑系統(tǒng)中產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象，會(huì)影響潤滑油的泵送以及破壞油膜強(qiáng)度和穩(wěn)定性，造成機(jī)器的磨損事故?？古輨┑淖饔檬且种婆菽漠a(chǎn)生，以免形成穩(wěn)定的泡沫[2]。實(shí)驗(yàn)室采用泡沫傾向/穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行抗泡劑的評(píng)選。在基礎(chǔ)油中，添加不同類型的抗泡劑，考察其對(duì)基礎(chǔ)油抗泡性的影響，見圖4、表5。

圖4 抗泡劑評(píng)選試驗(yàn)結(jié)果

從圖4測(cè)試結(jié)果看，基礎(chǔ)油和含有抗氧劑、抗磨劑的基礎(chǔ)油的高溫發(fā)泡傾向性不大，低溫區(qū)抗泡傾向性較差；E、G、H抗泡劑對(duì)油品的低溫抗泡性能改善不大，F(xiàn)抗泡劑對(duì)油品的低溫抗泡沫傾向影響較大，能夠滿足油品對(duì)抗泡沫傾向的要求。

表5 抗泡劑含量與抗泡性能的關(guān)系

從表 5分析結(jié)果看，基礎(chǔ)油在加入不同劑量抗泡劑 F后，其抗泡沫傾向和穩(wěn)定性有不同程度的降低，對(duì)比進(jìn)口參比油的抗泡性能，當(dāng)抗泡劑 F加入6 μg/g 時(shí)的抗泡沫傾向和穩(wěn)定性改善效果最佳，與參比油相當(dāng)。

3 研制油品性能評(píng)價(jià)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，利用公司現(xiàn)有的潤滑油基礎(chǔ)油組分，采用調(diào)合工藝制備產(chǎn)品小樣進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)，見表6。

表6 L-DRG5冷凍機(jī)油產(chǎn)品性能

由表6可以看出，研制產(chǎn)品L-DRG5冷凍機(jī)油性能與參比油相當(dāng)。其理化性質(zhì)均能滿足研制指標(biāo)的要求。為了進(jìn)一步比較研制產(chǎn)品與參比油的性能差異，對(duì)實(shí)驗(yàn)室貯存穩(wěn)定性及高溫成焦性兩方面進(jìn)行了油品模擬性能的對(duì)比，見圖5和圖6。圖5為研制油品與參比油的貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)對(duì)比，圖6為研制油品與參比油的高溫成焦性試驗(yàn)對(duì)比。

從圖5和圖6可以看出：(1)常溫條件下敞口放置30天后，研制油品的顏色變化與參比油相當(dāng)，貯存穩(wěn)定性優(yōu)良；(2)高溫成焦性，采用成焦板斜板間歇模式進(jìn)行試驗(yàn)(金屬鋁板溫400 ℃，間歇式(開4 min，停4 min)、運(yùn)行100 min)試驗(yàn)后試驗(yàn)板成漆成膠傾向顯示研制油品高溫成焦傾向性小且與參比油相當(dāng)。

參比油 研制油品

參比油 研制油品

4 應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果

冷凍機(jī)油的綜合性能，需要在壓縮機(jī)上進(jìn)一步考察油品在壓縮機(jī)上的工作可靠性和耐久性。研制產(chǎn)品L-DRG5冷凍機(jī)油已由國內(nèi)知名冰箱壓縮機(jī)廠完成壓縮機(jī)壽命臺(tái)架試驗(yàn)。研制油與壓縮機(jī)材料(橡膠件、引出線組件、綁線、聚酯薄膜、漆包線)相容性試驗(yàn)后未出現(xiàn)絮狀物析出；在機(jī)型ESD 80AL上50萬次開停機(jī)、500 h加速壽命、2000 h加速壽命均測(cè)試合格。試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：L-DRG5冷凍機(jī)油的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足專用壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況的要求。其能效比與在用油的水平相當(dāng)。同時(shí)也證明了在解決了低黏度油品的抗磨性能的前提下，礦物型L-DRG5冷凍機(jī)油是可以應(yīng)用在新型節(jié)能冰箱壓縮機(jī)上面。

5 結(jié)論

(1)采用加氫組合工藝生產(chǎn)的適宜潤滑油基礎(chǔ)油，通過調(diào)整基礎(chǔ)油組成構(gòu)成、優(yōu)化添加劑復(fù)配方案等方式，可以研制并生產(chǎn)滿足以碳?xì)涔べ|(zhì)異丁烷(R600a)為制冷介質(zhì)的高效壓縮機(jī)用油。

(2) 實(shí)際使用試驗(yàn)驗(yàn)證：L-DRG5冷凍機(jī)油各項(xiàng)性能指標(biāo)完全可以滿足以碳?xì)涔べ|(zhì)異丁烷(R600a)為制冷介質(zhì)的高效壓縮機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際使用工況，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。