吳 撼 唐黎明

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

1 引言

隨著混合工質(zhì)自復(fù)疊制冷循環(huán)等新技術(shù)的發(fā)展，壓縮式制冷循環(huán)能夠達(dá)到的深冷溫區(qū)不斷取得突破，目前已經(jīng)能達(dá)到低于80 K的液氮溫區(qū)。由于混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置具有低溫端無運(yùn)動部件，穩(wěn)定性好且制冷量高的特點(diǎn)，因而可以在天然氣液化領(lǐng)域進(jìn)行工程應(yīng)用。在機(jī)組運(yùn)行的過程中，壓縮機(jī)內(nèi)的潤滑油會隨著制冷劑一起在系統(tǒng)中循環(huán)，在深冷條件下潤滑油會發(fā)生固化并產(chǎn)生油堵，造成機(jī)組故障甚至引發(fā)事故。因而要求機(jī)組運(yùn)行時(shí)制冷劑中含油量極低，研究制冷劑中低濃度含油量的測試方法，及時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)制冷劑中潤滑油的含量以采取相應(yīng)措施對保證機(jī)組長期平穩(wěn)運(yùn)行也顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)外很多研究人員針對制冷劑中油含量的測試方法做出了大量的研究，并制定了一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)有的測試方法，測試制冷劑中潤滑油含量的方法可以歸納為取樣測試法和在線實(shí)時(shí)測試法。

取樣測試法在目前的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)檢測中采用較廣，多以美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會制定的ASHRAE standard 41.4(ASHRAE，1996)為準(zhǔn)。

在線實(shí)時(shí)測試法是根據(jù)不同混合比的制冷劑潤滑油混合物具有不同的物理特性的原理通過采用相應(yīng)的傳感器來直接測試潤滑油在制冷劑中的含量。常用的在線測試傳感器主要有光折射率傳感器，聲速傳感器，電容傳感器，紫外分光度測試儀等。

雖然目前國內(nèi)外很多學(xué)者提出了諸多測試方法，但是混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置因其油含量低以及溫區(qū)范圍的限制，對測試油含量的精度和適用溫度范圍提出了諸多要求。本文通過對現(xiàn)有的測試方法進(jìn)行歸納并對比分析，得出各類測試方法的優(yōu)勢和弊端，并對適用于混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置的測試方法進(jìn)行探討。

2 取樣測試法

2.1 移取直接稱量法

移取直接稱量是目前應(yīng)用最為廣泛且最為常用的取樣測試法。根據(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE Standard41.4(ASHRAE，1996)，移取直接稱量需要耐高壓取樣鋼瓶、高精度分析天平、電熱板、烘箱、吸油紙、燒杯、真空泵以及有機(jī)溶劑等。

移取直接稱量的一般測試步驟如下:

(1)預(yù)先評估整個制冷裝置的制冷劑以及潤滑油充注量，避免取出樣品超過總系統(tǒng)制冷劑量的1%。根據(jù)系統(tǒng)容量大小選取合適容積的取樣鋼瓶。

(2)將選定容積的取樣鋼瓶用有機(jī)溶劑洗滌完成并烘干。然后抽真空冷卻至室溫稱取空重。

(3)待制冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，將抽好真空的取樣鋼瓶連接至管路取樣點(diǎn)，并將取樣鋼瓶置于冰水浴中。打開連接閥門，待取樣瓶充注約80%時(shí)關(guān)閉閥門，取下取樣件。在取樣瓶表面干燥后稱取質(zhì)量。

(4)緩慢開啟取樣鋼瓶一端的針閥以保證只有蒸氣從取樣瓶中排出，待排氣結(jié)束后關(guān)閉針閥，將取樣鋼瓶繼續(xù)抽真空處理。當(dāng)取樣鋼瓶內(nèi)氣壓穩(wěn)定后靜置一段時(shí)間然后直接稱取余重，并與取樣鋼瓶空重求差得到潤滑油質(zhì)量。

移取直接稱量適用于任意一種制冷劑與潤滑油的組合，能同時(shí)滿足氣態(tài)制冷劑與液態(tài)制冷劑中潤滑油含量的測試，且該方法可以在較大溫區(qū)范圍內(nèi)測試，測試裝置也較易獲取。其中表1列出了ASHRAE standard41.4標(biāo)準(zhǔn)中不同樣本大小對應(yīng)的油含量檢測下限。因而該種測試方法可以滿足絕大部分混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置的油含量測試，但是該種方法在測試潤滑油含量極低的系統(tǒng)時(shí)，會受制于分析天平的精度且較易產(chǎn)生人為誤差。

表1 檢測極限Table 1 Detection limits

在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，后來的研究人員也基于該標(biāo)準(zhǔn)對測試方法進(jìn)行了改良以更好的適應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程中的具體要求。開利公司的Kyungki Min，Insoo Hwang［1］設(shè)計(jì)出一種新的測試裝置，即將油分離器與潤滑油收集器用管路連接，同時(shí)在兩者之間增設(shè)一個針閥，用于將潤滑油收集器中的制冷劑氣體排出至油分離器中進(jìn)一步除去油分。然后對裝置進(jìn)行抽真空處理，使裝置內(nèi)制冷劑盡量排盡。最后稱取余重與裝置空重求差獲得潤滑油質(zhì)量并計(jì)算油含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測試精度可以到達(dá) ±0.3%，達(dá)到ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中允許誤差低于1%的要求，但是改種方法引入新的裝置，且清洗徹底較為困難，不適合多次反復(fù)使用。

2.2 混合取樣法

混合取樣的方法的基本原理即是將所有的油溶解在已知量的溶劑里面，從溶液中取出一小部分樣品，通過確定樣品中油的含量來推算原來潤滑油的總量。該方法能有效避免制冷劑中其它雜質(zhì)對測試的干擾。所用的溶劑可以是有機(jī)溶劑也可以是與油相匹配的的互溶性制冷劑。混合取樣法的測試裝置圖如圖1所示。測試步驟即首先對待測部件進(jìn)行放氣抽真空處理，求得制冷劑的含量，然后將待測部件連接入測試裝置，開啟循環(huán)泵，待擴(kuò)散均勻后取一部分樣品對其進(jìn)行蒸餾處理，最后稱重求差，按照比例求出待測部件中油的質(zhì)量。該種測試方法首先由UIUC的 Steffer Peuker和 Hrnjak P S［2］提出，并通過實(shí)驗(yàn)得出該種方法的測試精度可以達(dá)到±0.2%。因而該種方法同樣適用于測試混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置中低濃度的油含量，同時(shí)該種方法也可以有效地避免測試過程中雜質(zhì)的混入，能進(jìn)一步提高測試精度，且無溫度限制。

圖1 混合取樣法測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing device for mix and sample method

2.3 紅外光度法

紅外光度法［3］是精密測試油含量的常用方法，主要用來檢測氣體中油分含量，其精度可以滿足含油量為0.001ˉ10 mg/m3氣體的測試。該方法又可細(xì)分為紅外分光光度法和非分散紅外光度法。其原理即是利用油類物質(zhì)中的主要成分長鏈烷烴或者芳烴在 2 930 cm－1、2 960 cm－1、3 060 cm－1處均有特征吸收峰且其吸收滿足朗伯-比爾定律這一特性進(jìn)行測試。測試過程首先是選取適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)油與吸收溶劑配制一系列梯度濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。然后分別測定其在 2 930 cm－1、2 960 cm－1、3 060 cm－1波長的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。最后將吸收后的樣品油溶液定容，仍然測定其在 2 930 cm－1、2 960 cm－1、3 060 cm－1波長的吸光度，并最終在標(biāo)準(zhǔn)曲線上得出油含量。

2.4 紫外分光光度法

紫外分光光度法［4］即是利用油類物質(zhì)含有帶共軛雙鍵和苯環(huán)的烴類化合物在紫外區(qū)域有特征吸收且滿足這一特性朗伯-比爾定律這一特性進(jìn)行測試。其中帶有共軛雙鍵的化合物主要吸收波長為215ˉ230 nm，帶有苯環(huán)的芳香族化合物主要吸收波長為250ˉ260 nm。不同品種的油吸收值不同，需對檢測波長進(jìn)行選擇。測試步驟與紅外分光度測試法基本相同。紫外分光光度法與紅外光度法常用來測試含油量較低的系統(tǒng)，因而在條件允許下，可以優(yōu)先選用該類光學(xué)儀器法，用以測試復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中尤其是蒸發(fā)器中潤滑油的含量以確保測試的準(zhǔn)確性。

3 在線實(shí)時(shí)測試法

由于取樣測試存在只能在機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行測試以及測試過程耗時(shí)且較難反復(fù)拆裝諸多缺陷，在線實(shí)時(shí)測試法正越來越多地引起人們的關(guān)注，近年來的研究也逐步增多。Baustian J J［5］首先對在線實(shí)時(shí)測試法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并根據(jù)制冷劑與潤滑油混合物的諸多物理屬性提出了測試途徑，例如通過測試混合物的密度、介電常數(shù)、光折射率、聲速、粘度、光譜吸收特性、比熱、蒸氣壓等來確定混合物中油分含量。

3.1 電容傳感器測試

電容傳感器測試法即是利用不同濃度的制冷劑和潤滑油的混合物具有不同介電常數(shù)這一特性進(jìn)行測試。在具體操作中，主要是通過測試被待測制冷劑潤滑油混合液充滿的電容板之間的電容并與未填充混合液的電容相比來確定混合液的介電常數(shù)，因而改種方法僅限于測試液相混合物中潤滑油的含量。

馬里蘭大學(xué)的Yunho Hwang［6］等利用這一特性，針對CO2和PAG的混合物開發(fā)出一種新型的介電常數(shù)傳感器。測試結(jié)果顯示，在潤滑油濃度在0ˉ7%的范圍內(nèi)，測試的精度為±0.5%。該種測試方法適用于測試含潤滑油較少的系統(tǒng)，同時(shí)對測試對象的溫度限制較少，對于混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置，可以測試?yán)淠我约肮?jié)流元件進(jìn)口段的制冷劑中油含量。

3.2 光折射率傳感器測試

采用光折射率傳感器來測試制冷劑潤滑油混合物中的油分含量是目前應(yīng)用最為廣泛的在線實(shí)時(shí)測試手段。其原理即是利用不同濃度的制冷劑潤滑油混合物對同一束光有不同的折射角這一特性進(jìn)行測試，其中測試光折射率的途徑主要有4鐘，一種是通過測試介質(zhì)中折射光光強(qiáng)度的變化來探測光折射率，一種是探測光的路徑變化，一種是探測臨界角，最后一種是通過探測干涉條紋來獲取光折射率。光折射率傳感器測試原理圖如圖2所示。

在光折射率傳感器測試方面，研究主要集中在美國和日本。UIUC的Ty A Newell［7］在前人利用折光儀研究吸收式制冷的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和拓展，研發(fā)出一種用于測試一般壓縮式制冷循環(huán)的光折射率測試裝置。并對R134a/PAG的混合物進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，測試的靈敏度可以高達(dá) 0.1%，精度為±0.8%。

圖2 光折射率測試原理圖Fig.2 Principle of refractive index measurement

日本靜岡大學(xué)的Mitsuhiro Fukuta等針對采用光折射率傳感器測試油分濃度做了大量的研究工作［8］。利用自己設(shè)計(jì)研發(fā)的光折射率傳感器分別就不同制冷劑/潤滑油組合在同一溫度下進(jìn)行了濃度測試，以及同種制冷劑/潤滑油在不同溫度下進(jìn)行了濃度測試，測試結(jié)果表明，混合物中制冷劑濃度與光折射率線性非常好。光折射率傳感器的精度可以達(dá)到0.000 5，測試精度可以達(dá)到 ±0.2%。

雖然光折射率傳感器精度較高，且測試較為靈活，能夠測試動態(tài)參數(shù)，但是其只能測試液態(tài)混合物且存在折射率量程測試限制。由于光折射率傳感器存在一定的溫度適用范圍，且一般在0℃以上，對于混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置，該種測試方法較適合于測試溫度稍高且為液相的流段。

3.3 聲速傳感器測試

聲速測量的原理即是基于聲音在潤滑油和制冷劑中傳播速度相差兩到三倍這一特性。通過測定給定長度的聲速信號傳播時(shí)間來最終確定超聲波信號在制冷劑潤滑油混合物中的傳播速度，進(jìn)而確定潤滑油在制冷劑中的含量。

在聲速傳感器測試方面，UIUC的Meyer J J和Jabardo JM S［9］對R134a/POE的混合物利用聲速傳感器對油分油分濃度進(jìn)行了測試，其中聲速測試裝置被安裝于冷凝器出口冷凝液段的正上方。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在油分濃度在0ˉ9.11%的范圍內(nèi)，測試的精度可以達(dá)到±0.26%。

美國普渡大學(xué)的Eckhard A Groll等［10］利用自己開發(fā)的聲速測試裝置對R22/AB的混合物進(jìn)行了測試，精度可以達(dá)到5%。法國的Lottin O［11］等利用聲速傳感器對R410a/POE的混合物進(jìn)行了測試，在油分濃度在0ˉ5%的范圍內(nèi)，測試的精度可以達(dá)到±0.5%。雖然聲速傳感器測試精度較高，安裝較為便捷，但是只能測試液態(tài)的制冷劑與潤滑油混合物且受溫度波動較大，校準(zhǔn)需要較長時(shí)間。因而對于混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置，主要可以測試?yán)淠我约肮?jié)流元件進(jìn)口段的液態(tài)制冷劑中油含量。

3.4 旁路粘度計(jì)測試

旁路粘度計(jì)測試的原理主要是基于制冷系統(tǒng)所采用的潤滑油的粘度要比相對應(yīng)的制冷劑粘度高出數(shù)倍，足夠大的差值使得這一方法成為可能。

Baustian J J［12］利用旁路流量計(jì)對由 R22 和環(huán)烷油組成的制冷劑和潤滑油混合物的油分濃度進(jìn)行了測量。通過測試油分濃度隨混合物的粘度的變化曲線作為基準(zhǔn)來確定油分濃度。結(jié)果顯示，測試的最小誤差為1%ˉ2%。該方法相對誤差較大，可以測試對精度要求不高的混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置。

3.5 高精度密度計(jì)測試

高精度密度計(jì)測試法即是通過測試混合物密度，并同時(shí)測得狀態(tài)點(diǎn)的溫度壓力進(jìn)而求得一種組分的密度，最終計(jì)算油的含量。在實(shí)際操作中，待測流體被引入一個震動狀態(tài)的U型管密度計(jì)或一個直管密度計(jì)中進(jìn)行測量。

Bayani A［13］等采用一個高精度的，直振動管式的密度計(jì)對R134a/PAG的混合物進(jìn)行了在線測試。結(jié)果顯示，在潤滑油油分濃度在0ˉ6%的范圍內(nèi)，測試的誤差最小可以達(dá)到±0.2%。雖然高精度密度計(jì)測試較為直接，但是測試點(diǎn)的混合液狀態(tài)很難穩(wěn)定，尤其對于混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置，不易確定是否達(dá)到飽和狀態(tài)，因而精確度較低，且測試儀器需要較長時(shí)間來校準(zhǔn)。

3.6 光譜吸收傳感器測試

光譜吸收傳感器即是利用液態(tài)的制冷劑在250 nm以下對紫外線光沒有吸收特性，而幾乎所有的潤滑油都能吸收這一特性來測試制冷劑中潤滑油的含量。日本電裝公司的Kutsuna K［14］等利用這一特點(diǎn)開發(fā)出一種在線的紫外分光光度儀，并對R134a/PAG的混合物進(jìn)行測試，測試精度可高達(dá)±0.1%。Suzuki S等［15］則利用紅外分光度對制冷劑中潤滑油含量進(jìn)行了測試。

光譜吸收傳感器測試精度最高，且能準(zhǔn)確測試濃度的瞬態(tài)變化，足以滿足混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷裝置低濃度且制冷溫度較低的特點(diǎn)。但是這種傳感裝置較為昂貴，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)較易被損壞。

在前人研究的基礎(chǔ)上，UIUC的Scott S Wujek［16］分析對比了3種測試油分濃度的方法。分別是密度計(jì)法，光折射率法和光譜吸收法。結(jié)果顯示，光折射率法測得濃度與實(shí)際濃度有最高的吻合度，誤差僅為±0.3%。因而在實(shí)際測試過程中，要根據(jù)裝置的特點(diǎn)，合理的選取測試方法。

4 結(jié)論

結(jié)合混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷系統(tǒng)油含量低且制冷溫度較低的特點(diǎn)，通過對制冷劑中潤滑油含量的兩類測試方法中常用的技術(shù)手段進(jìn)行介紹與歸納，分析了各種測試技術(shù)手段的優(yōu)勢和弊端。最終得出以下結(jié)論:

(1)取樣測試更易實(shí)現(xiàn)，測試溫度范圍較廣，操作簡便且目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完善，測試精度足以達(dá)到測試要求，可以測試混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷系統(tǒng)中任意部件中的油含量。但是在測試過程中容易造成制冷劑和潤滑油的浪費(fèi)甚至可能產(chǎn)生大氣污染，且操作過程費(fèi)時(shí)，易引起機(jī)組運(yùn)行波動，中間誤差產(chǎn)生環(huán)節(jié)較多。在檢測極低濃度的油含量時(shí)需要更高精度的光學(xué)儀器，投入較大。

(2)在線即時(shí)測試在保證瞬態(tài)測試的同時(shí)，也能擁有較高的精度，測試過程簡便，能夠直接測取潤滑油在制冷劑中的含量，穩(wěn)定可靠。但是在混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷系統(tǒng)中，光折射率傳感器測試及聲速傳感器測試等由于溫區(qū)范圍的限制，主要可以用來測試高溫段液態(tài)管路中的含油量，且在線實(shí)時(shí)測試儀器一般較難獲取，且大規(guī)模投入到工業(yè)檢測中十分昂貴，同時(shí)需要大量的時(shí)間進(jìn)行前期校準(zhǔn)且測試范圍一般所有限制。

綜合上述分析，可以得出結(jié)論:取樣測試作為傳統(tǒng)的制冷劑中含油量測試手段，在今后的混合工質(zhì)自復(fù)疊低溫制冷系統(tǒng)中低濃度油含量的檢測中，仍將被廣泛采用。在線實(shí)時(shí)測試手段作為新興的測試技術(shù)，雖然在溫度、精度上有諸多限制，但是對于瞬態(tài)測試有較強(qiáng)的適用性，同時(shí)測試耗費(fèi)時(shí)間少，能大大提升測試的效率。因而發(fā)展前景較為廣闊。

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