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中国是电冰箱生产和消费大国,2011年起,国内冰箱保有量已经超过4亿台。家用电冰箱多采用往复式压缩机驱动,提高压缩机性能系数对降低冰箱能耗具有重要意义。
往复压缩机易损部件多,改善润滑性能,减小压缩机运动过程的摩擦系数可提高压缩机性能系数 。
纳米粉体材料是一种良好的抗减摩添加剂,可用于改善压缩机的摩擦性能 。应用纳米材料解决制冷工程中的一些难题成为研究的热点 。
王瑞祥等利用50nm左右的NiFe2O4粉体制备冷冻机油,解决与HFCs制冷剂的互溶性问题 。
毕胜山等将TiO2、Al2O3纳米材料应用于冰箱制冷系统中,发现冷冻速度变快,耗电量减小明显。
邢美波等制备的富勒烯纳米冷冻机油具有良好的分散性和稳定性,将其分别添加到2台家用制冷压缩机中,COP值分别提高5.6%和5.3%。
贾涛等制备的MoFe2O4-NiFe2O4纳米冷冻机油,可以提高能源的利用率保证制冷系统的可靠性。过渡族金属氧化物NiFe2O4具有较低的介电损失、良好的抗氧化性能和抗腐蚀性等特点。
本文选用NiFe2O4和OLFs作为冷冻机油添加剂,分别用SRV(II)摩擦磨损和四球摩擦试验机模拟往复压缩机活塞与气缸运动情境下的摩擦性能,并对油品进行压缩机性能测试。
纳米粒子具有很大的表面能而易于团聚沉降,且无机纳米粒子是非油溶性物质,具有较高硬度,在摩擦过程中容易发生磨粒磨损,引发润滑效果的恶化。
提高纳米粒子在润滑油中的分散性和稳定性是应用纳米流体的首要因素 。由于冷冻机油自身介电常数较低,对体系内分散或凝聚作用较小,所以需要添加表面活性剂来改善冷冻机油介电常数。
选择非离子型表面活性剂:山梨糖醇甘油酸脂(Span80)对纳米材料进行表面修饰,减弱界面间作用力,使其稳定的分散在KFR22冷冻机油中。
采用机械研磨和超声分散的方法,按所需比例将纳米粉体分散于冷冻机油中。在耐驰试验砂磨机(MINICER993.0490)上先加入基液,再依次缓慢加入纳米粉体、分散剂,利用Span80对纳米粉体表面进行修饰,研磨时间120min。
在室温下,采用超声波振荡仪分散30min,使纳米冷冻机油分散均匀,在静置条件下,悬浮液可以稳定存放数周。经过表面改性的NiFe2O4纳米冷冻机油的TEM扫描,粒径为30nm,呈球状分布,纯度≥99%。
SRV(II)型高温摩擦磨损试验机采用往复式运动,可以控制温度、载荷、运动距离和往复频率。在SRV试验过程中采用线接触摩擦副接触形式,线接触摩擦试验中,上、下试样材质均为45#钢,上试样尺寸为22mm×15mm,下试样为24mm×7.88mm的标准圆盘。
试验采用一次性少量加油的供油方式,使用塑料滴管加入0.5mL冷冻机油,覆盖工作表面,样品浓度取0.1g/L。试验过程中,摩擦系数由SRV试验机全程自动记录。整个过程确保冷冻机油油温达到80℃,使试验温度与实际运行工况保持一致。
SRV摩擦试验分为磨合期和稳定期。跑合初期会经历磨合升温的过程,受温度变化的影响冷冻机油摩擦系数不稳定,磨合期为3min,在3min后摩擦系数变化趋势变缓,此时温度稳定在80℃。
参考Stribeck曲线,在合理的活塞与气缸间隙下,通常将所用的润滑油改为更低粘度的润滑油,不仅可以显著提高冰箱压缩机的性能指标,而且满足可靠性的要求。
由于纳米冷冻机油在高温条件下粘度大小与纯油区别不大[14] ,且设备运行参数一定,可忽略粘度和系统的影响。所以摩擦系数的降低是由于添加的纳米粉体造成的。纳米粉体均匀分布到摩擦件表面,隔离摩擦件金属的直接接触,提高了冷冻机油的润滑能力。
可以看出,采用NiFe2O4/OLFs的冷冻机油,减摩效果优于未添加纳米粉体的纯油,纳米油相较纯油摩擦系数降低了约65%,减摩效果明显。
这说明在往复运动中NiFe2O4/OLFs复合添加剂产生了协同效应,加入冷冻机油后产生增效作用压缩机不制冷怎么维修,从其结构考虑可能是由于OLFs对纳米NiFe2O4粉体有包覆效果,使油膜的承载能力增强,达到减摩润滑的效果。
为使纯油摩擦性能进一步提升,可采用NiFe2O4和OLFs复配的方法组成复合添加剂,对基础润滑油进行改性。
往复运动造成的摩擦损失在往复压缩机机械损失中只是其中一部分,还需考察纳米冷冻机油的摩擦特性,以此确定合适的纳米冷冻机油浓度。依据国家现行标准SH/T0762-2005,可以利用四球摩擦试验机对添加NiFe2O4/OLFs的冷冻机油进行测试。
所使用的4个钢球直径均为12.7mm,转速为1200r/min,载荷392N,温度50℃±2℃,运行时间60min。每组测试结束后取下钢球,对表面进行擦拭清洗。同时,对以上过程进行重复性试验压缩机不制冷怎么维修,保证最终获得的数据误差在5%以内。
比较了不同浓度NiFe2O4/OLFs纳米油摩擦系数随时间的变化情况。添加NiFe2O4/OLFs粉体不仅可以降低基础油的摩擦系数,同时还可以提高基础油的摩擦稳定性。无添加剂时,纯油的摩擦系数为0.097。
当浓度为2g/L时,摩擦系数为0.079,相比纯油降低了18%,可能由于纳米粉体呈球状,在滑动摩擦过程中,发生滚动摩擦代替滑动摩擦的“滚珠轴承”效应。
通过比较发现,随着纳米粉体浓度的增大,纳米油的动摩擦系数标准差(std)逐渐降低,说明纳米油的摩擦稳定性逐渐提高。
当浓度为2g/L时,纳米油动摩擦系数标准差(std)为0.0052,达到最小值。
上述现象说明纳米NiFe2O4/OLFs粉体克服了不稳定因素,能够均匀分散在冷冻机油中,提高了冷冻机油的摩擦性能。
为获得纳米NiFe2O4/OLFs冷冻机油对往复式压缩机的性能影响,依据国家标准GB/T5773-2004对上述纳米油进行压缩机性能测试。
压缩机及测试设备均由珠海某压缩机有限公司提供,从生产线上随机取一批次型号为EMR32CLP的往复压缩机,分别标记为1,#2#,3#样机组,纳米油与纯油分别加入上述1#,2#,3#样机组进行性能测试,所用制冷剂为R600a。
对上述减摩效果和稳定性评价综合考虑选取2g/L作为测试样浓度,为保证试验准确性,先进行纯油测试,再进行纳米油测试。
利用间接测量法进行压缩机性能测试。
文献研究表明,量热器出口制冷剂比焓、膨胀前实测制冷剂液体比焓和规定工况下压缩机吸气比焓对压缩机制冷量测量不确定度影响较大 。
所以在测试过程中,一定要确保各个工况点达到稳定后,再进行数据采集。
可知,使用纳米油可以明显降低往复式压缩机的输入功率。1#,2#,3#样机输入功率相比纯油平均降低了4.7%。输入功率的降低是由于纳米粉体的添加可以改善冷冻机油的润滑特性,使摩擦功耗降低。
李冠男等认为由于纳米粉体随冷冻机油进入各摩擦副间,增强了油膜的承载能力,减少金属表面直接接触,提高了流体润滑的比例,减小了摩擦耗功,使输入功率下降。
本试验结果也再次证明纳米粉体能够使得压缩机所需功耗降低,使压缩机的性能得到提升。
通过比较纯油样机及纳米冷冻机油样机制冷量的变化,可知纳米油对往复式压缩机制冷量影响较小。1#,2#,3#样机制冷量相比纯油平均提高了0.42%。
制冷量受泄漏系数、容积效率、密封效果的共同影响 ,根据规范规定容积式制冷压缩机性能测试系统的油循环量与制冷剂量之比不超过2%,受油分离器的影响制冷剂含油引起的误差不会超过制冷量的1% 。
本试验所用纳米油浓度较低,同时受制冷剂稀释的作用使得参与压缩机循环的纳米粉体较少,纳米冷冻机油对制冷量的影响可以忽略。
从上述试验结果可知,使用纳米NiFe2O4/OLFs冷冻机油可以降低往复压缩机的输入功率,提高往复压缩机的稳定性和可靠性,使压缩机性能系数得到显著提升,节能效果明显。
在往复运动摩擦试验条件下,纳米NiFe2O4/OLFs冷冻机油相较纯油摩擦系数降低了约65%。考虑纳米粉体均匀分散在冷冻机油中,使油膜的承载能力增强,达到减摩润滑的效果。
在四球摩擦试验条件下,纳米NiFe2O4/OLFs添加剂可以明显提高冷冻机油的摩擦稳定性。
纳米NiFe2O4/OLFs油应用于冰箱用往复式压缩机中使得输入功率平均降低了4.7%,制冷量平均提升了0.45%,性能系数平均提高了约5.3%。其中对压缩机输入功率影响较大,说明纳米流体改善了压缩机的润滑状态使得压缩机摩擦功耗降低。
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