芮勝軍 張 華 黃理浩

(上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所 上海 200093)

1 引 言

制冷工質(zhì)充注是制冷裝置系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)安裝后，必須先進(jìn)行檢漏、抽真空和充注制冷工質(zhì)，然后才能進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。本裝置是在設(shè)計(jì)五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提出的一種方案，自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)的設(shè)計(jì)靈感源于經(jīng)典復(fù)疊制冷循環(huán)，其原理為:單級(jí)壓縮，多級(jí)分凝，自動(dòng)復(fù)疊［1］。即混合工質(zhì)經(jīng)一次壓縮后，按沸點(diǎn)高低順序在多級(jí)分離器中逐級(jí)分離，使沸點(diǎn)最低的制冷工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器，制取預(yù)定的低溫［2］。本實(shí)驗(yàn)需要充注的5種制冷工質(zhì)分別為:R600a、R23、R14、R728 以及 R740，五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的工作原理如圖1所示［3］。

2 充注裝置具體實(shí)施方式

2.1 裝置設(shè)計(jì)思路

制冷工質(zhì)的充注方法常用的有電流法和稱(chēng)重法［4］，電流法是以壓縮機(jī)的滿(mǎn)載電流值為標(biāo)準(zhǔn)，充注過(guò)程中若充注的電流符合規(guī)定值，則表示制冷工質(zhì)充注量合適。與電流法相比較，稱(chēng)重法直接將裝有制冷工質(zhì)的鋼瓶置于臺(tái)秤上，記下充注前后的質(zhì)量，則可得到制冷工質(zhì)的充注量，這種方法操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)用較廣。但對(duì)于較高精度的臺(tái)秤而言，其測(cè)量范圍有限，只對(duì)其載重范圍內(nèi)的輕質(zhì)鋼瓶適用，對(duì)于大鋼瓶則無(wú)法實(shí)現(xiàn)，例如本實(shí)驗(yàn)中涉及的R740、R728以及R14都是無(wú)法直接通過(guò)稱(chēng)重法進(jìn)行充注的，為了解決這樣的問(wèn)題，一種方法就是將其導(dǎo)入小鋼瓶。由于小鋼瓶的耐壓有限，這些低沸點(diǎn)氣體常溫下壓力均較高，使每次充注量小，效率也降低了，而且容易造成泄漏和浪費(fèi)，也有可能混雜進(jìn)其它的氣體成分，造成制冷工質(zhì)純度下降。

基于以上原因，利用工程熱力學(xué)原理，設(shè)計(jì)出了一套制冷工質(zhì)充注裝置。所充制冷工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)如表1所示［5］，從該表中可以看出，R740、R728和R14的臨界溫度都較低，在環(huán)境溫度下，且壓力不太高時(shí)，氣體的狀態(tài)遠(yuǎn)離臨界狀態(tài)，可以近似的按照理想氣體處理。

圖1 五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)圖Fig.1 Five stage auto-cascade refrigeration system diagram

表1 所充制冷工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)Table 1 Basic thermodynamic properties of filling refrigerant

所設(shè)計(jì)的裝置采用測(cè)溫、測(cè)壓的制冷工質(zhì)充注方法，將制冷工質(zhì)鋼瓶與一中間儲(chǔ)氣罐相連接，然后再接到系統(tǒng)注入口。充注時(shí)記下環(huán)境溫度和充注前后儲(chǔ)氣罐壓力，根據(jù)溫度、壓力計(jì)算其密度。儲(chǔ)氣罐的容積已定，通過(guò)計(jì)算則可得到制冷工質(zhì)的充注量。制冷工質(zhì)充注方法又可分為低壓充注法和高壓充注法。低壓充注法比較容易控制制冷工質(zhì)的充注量，安全而且不易損壞部件，但充注時(shí)間較長(zhǎng)，而且制冷工質(zhì)呈氣態(tài)，必須經(jīng)過(guò)干燥器處理才能除去制冷工質(zhì)中的微量水分;高壓充注法充注時(shí)間短，但較難控制充注量，特別是小型設(shè)備，所以適用于制冷工質(zhì)充注量較大的制冷系統(tǒng)。由于本裝置是在五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提出的一種方案，所充制冷工質(zhì)較少，通常為幾十克，所以適宜采用低壓充注法。

所設(shè)計(jì)的充注裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示［4，6］。充注系統(tǒng)是由虛線內(nèi)的部分構(gòu)成，包括箱體、儲(chǔ)氣罐、干燥過(guò)濾器、壓力表、毛細(xì)管以及兩個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥。充注箱體左側(cè)通過(guò)一段毛細(xì)管連接制冷工質(zhì)鋼瓶，使用毛細(xì)管主要有兩個(gè)方面的原因:首先，如果鋼瓶?jī)?nèi)的氣體壓力過(guò)高，閥門(mén)打開(kāi)瞬間極易損壞壓力表;其次，制冷工質(zhì)氣體壓力過(guò)大，充注速度過(guò)快，不易控制充注量。充注箱體右側(cè)與壓縮機(jī)的低壓端相連。干燥過(guò)濾器內(nèi)裝有活性碳和變色硅膠，中間儲(chǔ)氣罐通過(guò)毛細(xì)管接有精密壓力表。兩個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥分別位于箱體的入口端和出口端。

圖2 充注裝置系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of filling device system

2.2 制冷工質(zhì)充注過(guò)程

所設(shè)計(jì)的充注裝置分兩個(gè)充注線路，A線路為R740、R728以及R14的充注流程，B線路為其余輕質(zhì)鋼瓶直接用高精度電子臺(tái)秤采用稱(chēng)重法進(jìn)行充注。多流程混合制冷工質(zhì)的充注方法如圖3所示。

圖3 多流程混合制冷工質(zhì)的充注方法Fig.3 Filling method of multi-process mixed refrigerant

A流程的原理為:將制冷工質(zhì)鋼瓶與一中間儲(chǔ)氣罐相連接再接到系統(tǒng)注入口。充注時(shí)記下環(huán)境溫度和充注前后儲(chǔ)氣罐壓力，根據(jù)溫度、壓力分別算出其對(duì)應(yīng)的比體積，而儲(chǔ)氣罐的容積已定，計(jì)算即得制冷工質(zhì)的充注量。手動(dòng)調(diào)節(jié)閥1打開(kāi)，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥2關(guān)閉，打開(kāi)制冷工質(zhì)鋼瓶，制冷工質(zhì)由左側(cè)入口通過(guò)毛細(xì)管緩慢進(jìn)入充注箱，經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器干燥后，進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，記錄環(huán)境溫度T0。當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力到達(dá)一定數(shù)值的時(shí)候，關(guān)閉手動(dòng)調(diào)節(jié)閥1。記錄此時(shí)壓力表數(shù)值P1。打開(kāi)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥2，向右側(cè)的制冷系統(tǒng)充注制冷工質(zhì)，當(dāng)壓力表讀數(shù)降到一定數(shù)值的時(shí)候，關(guān)閉手動(dòng)調(diào)節(jié)閥2，再記下此時(shí)壓力表的數(shù)值P2，完成一次充注。

B流程的原理為:將鋼瓶與壓縮機(jī)低溫端進(jìn)行連接，電子稱(chēng)打開(kāi)，記錄此時(shí)電子稱(chēng)穩(wěn)定讀數(shù)m1;緩緩旋開(kāi)鋼瓶閥門(mén)，觀察電子稱(chēng)讀數(shù)至適當(dāng)數(shù)值關(guān)閉閥門(mén)，記錄電子稱(chēng)穩(wěn)定讀數(shù)m2;則充注制冷工質(zhì)質(zhì)量為:Δm=m1－m2。

3 制冷工質(zhì)充注量的計(jì)算

3.1 用理想氣體計(jì)算

根據(jù)前文的介紹，所充制冷工質(zhì)氣體R740、R728和R14的狀態(tài)遠(yuǎn)離臨界狀態(tài)，可以近似的按照理想氣體處理。應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程［7］:

對(duì)質(zhì)量為m(千克)的氣體:

則:

上式中:p為制冷工質(zhì)的絕對(duì)壓力，MPa;V為儲(chǔ)氣罐的容積，m3;m為工質(zhì)的質(zhì)量，kg;R為每種氣體的氣體常數(shù)，J/(kg·K)，T0為環(huán)境溫度，K;Δp為充注前后的壓力差，MPa;Δm為充注制冷工質(zhì)的質(zhì)量，kg。

在本實(shí)驗(yàn)中儲(chǔ)氣罐的容積為0.001 m3，環(huán)境溫度T0為291.15 K，所以充注的制冷工質(zhì)質(zhì)量與充注前后制冷工質(zhì)的壓力差成正比。本實(shí)驗(yàn)中的計(jì)算結(jié)果如表2所示，根據(jù)所充制冷工質(zhì)的壓差就可以得到其質(zhì)量。

表2 所充制冷工質(zhì)的質(zhì)量基數(shù)(1)Table 2 Basic quality of filling refrigerant(1)

3.2 用REFPROP軟件按照實(shí)際氣體方程計(jì)算

應(yīng)用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的制冷工質(zhì)物性計(jì)算軟件 REFPROP8.0［8-9］，按照實(shí)際氣體方程，計(jì)算出環(huán)境溫度為T(mén)0、壓力為p1時(shí)制冷工質(zhì)的密度ρ1。同樣計(jì)算出T0環(huán)境溫度下，壓力為p2時(shí)，制冷工質(zhì)的密度 ρ2。

又因?yàn)閮?chǔ)氣罐的容積V一定，可以分別求出壓力為p1和p2時(shí)儲(chǔ)氣罐中制冷工質(zhì)的質(zhì)量m1、m2:

則制冷工質(zhì)充注量為:

m1、m2為充注前后儲(chǔ)氣罐中制冷工質(zhì)的質(zhì)量，kg;ρ2、ρ1為充注前后儲(chǔ)氣罐中制冷工質(zhì)的密度;V為儲(chǔ)氣罐的容積，m3，Δm為充注制冷工質(zhì)質(zhì)量，kg。

表3為按照實(shí)際氣體方程CSD方程、MBWR方程、Helmhltz自由能狀態(tài)方程、P-T方程、M-H方程等計(jì)算出的結(jié)果。

表3 所充制冷工質(zhì)的質(zhì)量基數(shù)(2)Table 3 Basic quality of filling refrigerant(2)

由表2和表3可以看出，兩種方法對(duì)于R740和R728計(jì)算出的充注量幾乎沒(méi)有差別。而對(duì)于R14，兩種方法計(jì)算出的誤差為1.24%，這主要是因?yàn)楸?按照理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，而表3按照實(shí)際氣體方程CSD方程、MBWR方程、Helmhltz自由能狀態(tài)方程、P-T方程、M-H方程等計(jì)算，相對(duì)準(zhǔn)確一些?？梢灶A(yù)測(cè)，對(duì)于R600a和R23，通過(guò)這兩種方法計(jì)算出的結(jié)果差別更大，因?yàn)槠渑R界狀態(tài)溫度與環(huán)境溫度差別較小，不能作為理想氣體，必須按照實(shí)際氣體進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié) 論

混合制冷工質(zhì)充注裝置是多組分制冷工質(zhì)系統(tǒng)的必要設(shè)備，測(cè)量原理是通過(guò)計(jì)量定容器內(nèi)氣體在充注前后的壓差根據(jù)工質(zhì)物性計(jì)算出充注質(zhì)量。特點(diǎn)是容積固定，溫度影響小(1/300)且可補(bǔ)償，壓力測(cè)量精度高，計(jì)量精度高。裝置簡(jiǎn)單，解決多元混合制冷工質(zhì)充注難題;制冷工質(zhì)充注精度高，精度到0.01 g;加工、使用和控制簡(jiǎn)便;對(duì)充注的制冷工質(zhì)有過(guò)濾和干燥功能。

同現(xiàn)有技術(shù)相比，此制冷工質(zhì)充注系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)是:解決了一些制冷系統(tǒng)因制冷工質(zhì)鋼瓶過(guò)重，而難以準(zhǔn)確計(jì)算制冷工質(zhì)充注量的問(wèn)題。具有制冷工質(zhì)充注精度高，加工、使用和控制簡(jiǎn)便以及維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

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