纳米冷冻机油的制备及其在转子压缩机中的应用

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中国分类号： TH45 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.04.008Preparation of Nanorefrigeration Oil and Applied in Rotor CompressorWANG Rui-xiang ，XING Mei.bo ，ZHANG Min ，XIE Li.chang ，LIAO Yi ，LONG Xiao.dan(1.Beijing Municipality Key Lab of HVAC&R，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；2.Zhuhai Landa Compressor Co.Ltd，Zhuhai 519015，China)Abstract： Four kinds of nanorefrigeration oil with good dispersion stability were prepared by physicochemical methods and ap-plied in rotor compressor.After performance test of compressor，there is diferent afect of four sorts of nanorefrigeration oil onperformance of compressor，the refrigerating capacity wil be improved by appearance of nanoparticles which the maximum is0.79% ；reducing input power drasticaly that the maximum is 2.35% ；the coeficient of perform ance is improved by 2.06% av-eragely，the maximum is 2.97% .The compressorsbehaviour is norm al after accelerated life test.In all，the rotor compressorscan mn eficiently and safely with adding nmloparticles。

Key words： nanopartieles；nanorefrigeration oil；compressor1 前言提高制冷装置的效率和可靠性是减少制冷系统能源消耗的有效通径。利用纳米粒子添加剂改善物质性质或利用纳米材料的特殊性质，从而达到优良的品质是近年来的研究热点 。J。研究发现：TiO 纳米粒子的添加可以解决矿物类冷冻机油与环保制冷剂的相溶性，同时其回油率高于酯类油与环保制冷剂体系 ；将 NiFe O 纳米粒子应用于空调系统中将有效提高矿物油与环保制冷剂的相溶性和能源效率 J。毕胜山等将纳米粒子应用于家用电冰箱中，发现 TiO：-R600a体系的性能优于R600a体系，其冷冻速度和能源效率均有所提高 。TiO -R134a与矿物油体系比R134a与酯类油体系节能26.1% 。通过-系列的摩擦试验表明，矿物油中添加纳米富勒烯C60将减少金属表面的接触，提高其摩擦性能，从而提高了压缩机的效率和可靠性 H J。因此，在收稿 日期： 2012-12-06基金项目： 北京市自然科学基金重点项 目/北京市教育科技重点项目(Kz20o610016o09)；北京市属市管高等学校人才强教深化计划资助项目(PHR201007127)2013年第41卷第 4期 流 体 机 械 35制冷系统中应用纳米粒子是解决制冷系统中环境保护和提高能效的有效创新手段。

纳米材料由于晶粒极细，处于晶界和晶粒内缺陷中心的原子及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，使纳米材料在润滑与摩擦学方面具有特殊的降摩减摩和高复合能力。若将纳米粒子用作润滑油添加剂，可有效减轻摩擦件之间的磨损 J，从而提高压缩机的效率。由于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，必须采用-些物理化学的分散方法将其分散到冷冻机油中。理想的纳米冷冻机油体系应是均匀分散的系统，不出现团聚、沉降以及分层等现象。

本文针对纳米粒子在制冷系统中应用的2个关键问题：纳米冷冻机油的制备及其对压缩机性能、可靠性的影响开展试验研究。试验研究结果可为纳米粒子在制冷系统中的应用提供借鉴和参考。

2 纳米粒子的表面改性将纳米颗粒分散到冷冻机油中，使其成为分散稳定性良好的分散体系是应用纳米流体的首要问题。过渡族金属氧化物和半导体微粒具备耐电压性能、较低的介电损失、抗氧化性能和抗腐蚀性等方面的性能特点，因此选择 NiFe：O 、CuO、Ti O作为制备纳米冷冻机油所需纳米基体材料。纳米材料具有高的比表面积和表面能，分子间存在很强的吸引力，在溶液中很容易团聚形成二次、三次或更大的颗粒，沉降到容器底部，从而不能发挥其应有的纳米效应。所以，需要对纳米粒子进行表面修饰使其稳定的分散在冷冻机油中。本文以纳米 NiFe O 的表面修饰为例进行分析，选择非离子型表面活性剂：山梨糖醇甘油酸酯 Span 80作为分散剂对纳米 NiFe O 进行表面修饰。图 l为经过 Span 80修饰前后纳米 NiFe O 粒子的红外吸收谱图。对比两光谱发现，经过 Span 80的表面修饰后，纳米颗粒自身的特征吸收峰得到了加强，而且在3000-2800 cm.1及 1800.800 em-1波段出现了新 的较强的有机吸收峰。这说明纳米NiFe O 颗粒在经过 Span80的表面修饰后，颗粒表面上连接有 Span80中的有机基团，从而使纳米颗粒由亲水疏油变成疏水亲油，将提高其在冷冻机油中的分散稳定性。

1.20.60.0O 2000波数(cm 1图 1 经过 Span 8O修饰前后纳米 NiFe O 的红外光谱3 纳米冷冻机油的制备本文利用研磨和超声波振荡的方法将纳米粒子在冷冻机油中进行分散。在纳米 NiFe O 中加入适量冷冻机油进行研磨 30min，继续加入冷冻机油，超声分散 30min，取出样品在室温下放置60min，再进行超声分散 30rain。图2为经过表面改性的 NiFe O 纳米冷冻机油的透射电镜扫描图♂果表明，按照上述步骤制备样品为球形粒子，粒径约为 35nm。

图2 纳米 NiFe2O4样品的TEM照片按照以上制备方法，本文制备出4种纳米冷冻机油，用于考察其应用于压缩机的情况。其中，A和B采用不同浓度的 CuO/NiFe O 复合纳米粒子，c采用TiO /NiFe：O 复合纳米粒子，D采用单-纳米粒子 NiFe O 。其分散稳定性采用沉降观测法分析，图3为试验结果。由图可知，纳米冷冻机油A和B的分散稳定性较差，纳米冷冻机油D的分散稳定性最好，4种纳米冷冻机油的基本信息如表1。由于在系统运行中冷冻机油是不断循环运动着的，相当于处于搅拌中，因此，纳米颗2013年第 41卷第4期 流 体 机 械 37纳米冷冻机油，加速磨损实验前后压缩机的性能系数均有明显提高。这不仅对能源的有效利用具有重要的意义，而且改造成本的回收年限也可以得到保证。

A B (： D冷冻机油样品图6 性能系数 COP的变化对采用 4种纳米冷冻机油 的样机进行 了1000h的加速磨损试验，以考察其实用性。由图4～ 6可知，加速寿命试验后压缩机的性能参数良好，表现正常。

对常规机的性能测试、采用纳米冷冻机油加速磨损试验前后的性能试验，每-组试验均进行2-3次，将性能参数取平均值得到表2。

表 2 压缩机性能参数平均值纳米冷冻 纳米冷冻 纳米冷冻 纳米冷冻 项目机油 A 机油 B 机油C 机油 D平均制 常规机 3282.2 3282.2 3464.65 3549.43冷量 寿命试验前 3297.55 3294.75 3467.15 3577.53(W) 寿命试验后 3244.2 3289.7 3481.9 3578.17平均输 常规机 l080.05 l080.O5 1l16.65 1172.73入功率 寿命试验前 1061.45 lO54.9 l111.55 l145.2(W) 寿命试验后 1O68 1063.5 1083.1 l41.53常规机 3.04 3.04 3.11 3.03性能系数 COP 寿命试验前 3.11 3.12 3.12 3.12寿命试验后 3.04 3.1O 3.21 3.13由表 2可以清楚的看到4种纳米冷冻机油对转子压缩机制冷量、功率及性能系数的影响。其中，采用纳米冷冻机油 A后，制冷量提高了0.47%；输入功率降低了1.72%；性能系数 COP提高约2.30%。采用纳米冷冻机油 B后，制冷量提高了0.38%；输入功率降低 了 2.33%；COP提高约2.63%，采用纳米冷冻机油 C的压缩机样机的性能系数与常规机相当，COP提高了0.32%。采用冷冻机油 D后压缩机型号为 QX-C202E030gA的样机，制冷量提高了0.79%；输入功率降低了2.35%；性能系数提高了2.97%，压缩机型号为 Qx-C217E030g的性能系数提高了2.54%。

不同制备方案的纳米冷冻机油对压缩机性能的影 响效果 不相 同，其 中，纳米冷 冻 机油 D(NiFe O )的效果最明显。这可能与纳米粒子本身的性质、含量、所用分散剂以及其在冷冻机油中的分散稳定性有关，需要进-步的试验研究。

5 结论(1)经过改性后的纳米粒子在冷冻机油中的分散稳定性良好，可以稳定数月之久。其中，纳米冷冻机油 D的分散稳定性最好；(2)添加了纳米冷冻机油的压缩机制冷量均有提高，输入功率均降低，性能系数平均提高2.06%。这可能由于纳米粒子良好的摩擦性能和传热性能；(3)不同的纳米粒子对压缩机性能的影响效果不同，其中，纳米冷冻机油D(NiFe O )效果最明显。采用纳米冷冻机油 D的压缩机制冷量提高了0.79%；输入 功率降低 了 2.35%；COP提高 了2.97%。这可能与纳米粒子本身的性质、含量、所用分散剂以及其在冷冻机油中的分散稳定性有关；(4)加速寿命试验后，压缩机运行正常，说明添加纳米粒子后，压缩机可以安全稳定地运行，并且可以有效提高压缩机的性能。