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极化冷冻机油添加剂的节能性分析
发布者：马素贞,杨伟,刘传聚  发布时间：2006-3-23
（同济大学暖通空调及燃气研究所 上海 200092）

摘 要 本文分析了极化冷冻机油添加剂（PROA）的节能机理，讨论了目前对极化冷冻机油添加剂研究中存在的一些争议。并结合工程实例对实际运行的冷水机组进行了现场测试，对添加前后系统能耗进行了比较分析，结果表明，极化冷冻机油添加剂具有一定的节能效果。
关键词 极化冷冻机油添加剂；节能；冷水机组；现场测试
Energy Efficiency Analysis of Polarized Refrigerant Oil Additive
By Ma Suzhen，Liu Chuanju and Yang wei
Tongji University，Shanghai，200092，China
Abstract This paper analyzes the energy efficiency mechanism of Polarized Refrigerant Oil Additive (PROA). Some disputes in study on PROA recently are discussed. Then the performance and energy consumption of the system before and after treatment are compared by a field test. And the result shows that it can save energy for the system with PROA.
Keywords Polarized Refrigerant Oil Additive (PROA)；energy efficiency；chiller；field test
1 引言
随着社会和经济的发展，空调的应用越来越多，随之而来的是空调能耗越来越高，空调用电量也越来越多，空调成为构成电力负荷高峰的重要因素。因此，降低电力空调的能耗，提高其能效比是目前空调节能的重点工作，也是缓解我国能源供需矛盾的一个有效途径。
据文献[1]介绍，极化冷冻机油节能添加剂（PROA）是利用“极性活化分子”技术以改善制冷系统效率的专利冷冻机油添加剂。它可以提高冷水机组的效率，降低运行成本。1996年经美国能源部推荐推广至民用，被试机组达到了良好的节能效果。极化冷冻机油节能添加剂适用于各类压缩机：活塞式、涡旋式、螺杆式和离心式制冷机组等。
国内外一些极化冷冻机油添加剂公司声称，对冷水机组来说，添加之后能耗可以降低5%~20%，平均为12.3%[2-3]，有的甚至更高。如果确实有这样显著的节能效果，那么每年就可以节约可观的能源，这完全符合我国能源的可持续发展战略。但目前对制冷剂添加剂的节能效果到底有多少尚未有定论。
2 冷冻机油添加剂节能机理
提高热交换器的传热效率是提高空调制冷设备能效比的一个主要途径。蒸发器和冷凝器是制冷系统的主要热交换设备，经过长时间的运行后，冷冻油在换热管壁上形成油膜，妨碍了正常热传递效应，影响制冷效果，增加了电能消耗（图1）。因此消除换热器管壁上的油膜，可以提高热交换器的换热效果，从而有效降低能耗。
冷冻机油添加剂（PROA）利用系统中残留的润滑油作为活性极化分子的载体，静电附着在蒸发器和冷凝器的金属表面，置换阻碍热传递的油膜。把绝热的制冷剂油分子层替换成导热的添加剂分子层，这样增强了蒸发器或冷凝器表面的热传导效果，提高了空调和制冷单元的效率，有利于节能（图2）。此外，由于PROA在金属表面形成一层极其细微的分子薄膜，从而提高了整个系统运转部件的润滑性能，降低了压缩机的噪音及磨损程度，延长制冷装置使用寿命。[4]
3 目前对冷冻机油添加剂节能性的研究和争议
极化冷冻机油添加剂CS-PROA（Compress shield Polarized Refrigerant Oil Additive）是一种氯化 -石蜡活性剂，它是由美国国防系统研究开发的一项高科技节能产品，1990年获美国专利。
图1.油分子积聚在金属表面阻碍传热 图2. CS-PROA分子置换油分子
目前市场上有几种冷冻机油添加剂，它们的性质和换热机理基本上是相似的。有一点不同的是，有的产品含氯元素，有的不含。生产含氯添加剂的厂家声称，氯元素增加了添加剂的润滑性，即与金属的亲合力，从而增强了置换油膜的能力；不含氯的厂家声称，氯对系统的性能有副作用，氯具有吸湿性——吸水后，会在系统中生成酸，从而对系统造成腐蚀。此外，他们还指出，氯会破环大气中的臭氧层，加剧“臭氧危机”[2]。
置疑之一，添加剂可与所有制冷剂和冷冻油配合使用。
根据厂家规定，设备不同需用的润滑油也不同。冷冻机油生产商和摩擦学专家都不相信会有提高所有冷冻油/制冷剂系统性能的添加剂。
文献[5]研究了冷冻机油添加剂PROATEQ对R134a/POE及R123/环烃矿物油的沸腾换热特性的影响及添加剂对润滑油的置换能力。研究结果表明，前者换热特性增强明显，但后者添加前后变化不大。
置疑之二，国内外一些极化冷冻机油添加剂公司声称，对冷水机组来说，添加之后能耗可以降低5%~20%，平均为12.3%，有的甚至更高。
Oak Ridge National Laboratory(ORNL)、Intertek Testing Services (field test)、theUniversity of Florida和the Florida Solar Energy Center分别做了测试[2]，结果均表明添加后系统的效率或性能几乎没有显著提高。为了评价“CS-PROA分子可以置换油膜从而增强换热效果”这一说法，就必须搞清油膜的影响是否显著。ORNL研究表明，冷凝器的换热效率提高10%，系统的效率才提高1%；同样蒸发器的效率提高25%，系统的效率才提高1%。另一方面，厂家声称，添加后提高了压缩机的润滑能力从而节能。但是压缩机著名制造商Copeland Corp发现压缩机由于摩擦损失造成的能耗不过占总能耗的4%，因此即使压缩机的摩擦损失减小25%，总效率也只是增加1%。
因此，两种方式的节能加起来，总能耗也只是降低5-7%（摩擦损失的4%+换热效率损失的1-3%），最有可能的节能效果是0-3%。
4 冷冻机油添加剂节能效果测试与评价
上海某电子有限公司对冷水机组进行了添加CS-PROA的节能改造，作者对该机组添加前后的性能参数进行了现场测试，并根据上海市能源标准化技术委员会、上海市的SJB001－2004《制冷机组及热泵机组节能效果评价方法》对添加前后的实际节能效果给出了评价。
4.1上海某电子集团公司冷冻机房概况
该公司的冷冻机房共有10台特灵公司1997年生产的离心式冷水机组，在当时的负荷条件下实际运行5台。选用2号冷水机组进行添加剂节能效果试验，该机组的额定制冷量为4037kW（1150冷吨），压缩机额定功率为790kW，制冷剂为R123，润滑油为Trane油，每年平均运行3000h。2005年9月29日，向该机组中加入了极化冷冻机油节能添加剂。我们分别于2005年9月27日、2005年11月9日和2006年2月27日对该机组进行了现场测试。
4.2 测试方案
2005年9月27日～9月28日，我们进行了添加前的测试；11月9日～11月10日，我们进行了添加后的测试。两次测试前后的负荷率相接近，且都保证了运行工况的稳定。两次测试均连续进行24小时，采样间隔周期取为1小时，测试期间并无明显异常的数据出现。
在冷冻水进水管上使用便携式超声波流量计进行流量测量，在冷冻水进出水管上使用标准水银温度计进行水温测量。压缩机的电压和电流在压缩机配备的电压表和电流表上直接读取。
4.3 测试数据整理及结果分析
按照SJB001－2004《制冷机组及热泵机组节能效果评价方法》中的方法，对测得的数据进行分析整理：
1 冷水机组的实际制冷量Q
（2-1）
式中： ——冷水流量 ；
——冷水出水温度 ℃；
——冷水进水温度 ℃；
——冷水密度 ； ——水的比热容 。
考虑到测试工况条件参数的变化，对添加后的冷量变化进行可比性修正：
（2-3）
式中： －当 （蒸发温度） 1℃，则 ＝1 （4～5）％；
－当 （冷凝温度） 1℃，则 ＝1 （1～1.2）％；
2 冷水机组的性能系数COP为：
（2-3）
式中，P－压缩机的平均有效功率，kW。
3 添加CS-PROA后系统的节能率为：
节能率＝（COP后－COP前）／COP后×100％ （2-4）
数据整理结果见表1。
表1 添加前后各性能参数的变化情况
2-冷水机组 冷冻水进水水温℃ 冷冻水出水水温℃ 冷冻水量m3/h 制冷量kW 电流A 压缩机
功率kW COP 修正COP
添加前 11.2 5.8 537 3383.1 66.9 755.16 4.48 4.48
添加后 11.4 6.0 523 3294.9 69.1 777.10 4.24 4.24
添加后制冷量减小了88.2kW，变化率为-2.6％；电流平均值增加了2.2 A，变化率为3.3%；压缩机功率增大了21.9kW变化率为2.9％；COP减小0.24，变化率为-5.7％。
从表1可以看出，添加冷冻机油添加剂之后，2号冷水机组的制冷量减小了2.6％，COP降低了5.7％，压缩机的运行电流增加了3.3％。这些数据都表明，添加后系统的性能反而降低了，能耗增加了。
国内外一些极化冷冻机油添加剂测试实例表明，对冷水机组来说，添加之后能耗可以降低5%~20%，平均为12.3%。但笔者在实际的现场测试中，却出现了能耗增加的结果。针对出现的问题，笔者从各方面进行了分析。
第一，可能是由于添加量不够。根据文献[1]，2号冷水机组的理论添加量为575盎司（16.3kg），最小添加量可以是308盎司(8.7kg)，但实际添加了288盎司(8.2kg)。笔者认为，如果冷冻机油添加剂确实具有节能效果，那么添加剂的添加量会影响系统的节能率。
据该公司的运行管理人员介绍，2号冷水机组添加CS－PROA过程中，电流迅速增加，管理人员担心压缩机烧坏，因此，中断了冷冻机油添加剂的添加。此外，添加后电流由原来的87％升高到93％；添加后油压升高很多，手动调低油压后，又发生了低油压关机事故。
第二，可能是压缩机内部构件出现了堵塞、油的性能发生变化或杂质含量太高等。
第三，冷冻机油添加剂的节能效果并不显著。
经过对各构件的细致检查和各方面的认真分析后，认为可能得原因是：氟利昂过滤网堵塞，造成了过度压降。因此，在对堵塞的过滤网进行清洗之后，我们于2006年2月27日又对其做了一次测试，测试结果见表2。
表2 添加前后各性能参数的变化情况（清洗过滤网之后）
2-冷水机组 冷冻水进水水温℃ 冷冻水出水水温℃ 冷冻水量m3/h 制冷量kW 电流A 压缩机
功率kW COP 修正COP
添加前 11.2 5.8 537 3383.1 66.9 755.16 4.48 4.48
添加后 11.2 6.2 575 3354.2 62.3 713.66 4.70 4.57
添加后制冷量减小了28.9kW，变化率为-0.8％；电流平均值减小了4.6 A，变化率为-6.9%；压缩机功率降低了41.5kW，变化率为-5.5％；COP增大了0.09，变化率为2％。
从表2可以看出，2号冷水机组的制冷量变化很小，COP升高了2％，压缩机的运行电流减小了6.9％。这些数据表明，添加后系统的性能提高了，能耗降低了。
5 结论
为提高制冷设备的效率，尝试了对冷水机组添加冷冻机油添加剂。本文通过初步的理论分析和现场测试，得到如下结果：
（1）冷冻机油添加剂可以增强蒸发器与冷凝器表面的热传导效果，提高空调和制冷单元的效率，从而降低运行成本。
（2）我们的现场实测结果表明，COP提高了2％，压缩机运行电流降低了6.9％。因此某些厂商宣称的节能效果并没有在该项目中得到验证。
可以说，添加剂的节能效果目前还需要大量严密的实验来验证。此外，对添加剂的研究还有很多工作要做，比如影响冷冻机油添加剂节能效果的因素，冷冻机油添加剂与制冷剂、润滑油与压缩机和制冷系统所用材料的相容性等问题，这都有待我们进一步去研究。
参考文献
1 刘玉萍，姜宪国. 极化冷冻机油添加剂（CS-PROA）[J]．上海节能，2004，6：29－30
2 www.energyideas.org/documents/ Factsheets/PTR/CompressShield.pdf．Product & Technology Review
3 孟祥进. 极性制冷剂FRIFGAD的节能原理及应用效果[J]. 制冷，2001，20（1）：65－66
4 刘玉萍，姜宪国. 空调节能添加剂的应用[J]. 上海节能，2005，3：54－58
5 http://www.bfrl.nist.gov/pdf/NISTIR7132.pdf． Effect of Refrigerant Oil Additive on R134 and R123 Boiling Heat Transfer Performance and Related Issues for GSA
« 马素贞，女，1983年7月生，在读硕士研究生 200092 上海市同济大学暖通空调及燃气研究所
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