王志坤 蔡寧 高文琪 楊雙 陳龍

中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司 北京 100176

0 引言

隨著科技的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到用于空調(diào)、冰箱等制冷器具中的氟利昂族制冷劑對臭氧層具有破壞性作用，為了保護(hù)環(huán)境，《蒙特利爾協(xié)定書》要求對所有的氟利昂類制冷劑進(jìn)行控制，以此達(dá)到保護(hù)臭氧層的目的。這給了相關(guān)專家學(xué)者找尋和開發(fā)新型制冷劑的動(dòng)力。目前，具有良好環(huán)保作用的可燃制冷劑已廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冰箱等制冷器具中，但因可燃制冷劑具有可燃性，其泄漏安全問題引起了國內(nèi)外相關(guān)研究人員的高度關(guān)注[1]。

GB 4706.32-2012《家用和類似用途電氣的安全 熱泵、空調(diào)器和除濕機(jī)的特殊要求》[2]中對使用可燃制冷劑的熱泵、空調(diào)和除濕機(jī)提出了要求，附錄FF中詳細(xì)介紹了可燃制冷劑模擬泄漏試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和相關(guān)要求[3]，以此為基礎(chǔ)開發(fā)了制冷劑泄漏模擬裝置，該裝置通過電腦軟件進(jìn)行自動(dòng)化控制，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)勻速定量釋放，自動(dòng)采集制冷劑質(zhì)量和濃度，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)保存至電腦，方便數(shù)據(jù)的查看和過程追溯，有良好的使用價(jià)值。由于可燃制冷劑種類眾多，本文以制冷劑R32為例對比裝置進(jìn)行說明，其他類型制冷劑類似。

1 試驗(yàn)要求和測試方法

GB 4706.32-2012中規(guī)定了制冷工質(zhì)為可燃制冷劑的制冷器具需要進(jìn)行“泄漏模擬”測試[4]。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：

可燃制冷劑泄漏模擬需要在制冷系統(tǒng)中最危險(xiǎn)的部位上進(jìn)行，例如，制冷系統(tǒng)管路的連接處、大于90度的彎頭，或者是在制冷系統(tǒng)中的薄壁上、極易損傷處、彎頭尖銳部位等進(jìn)行試驗(yàn)[2]。在環(huán)溫為20℃～25℃的條件下，通過用毛細(xì)管以每分鐘泄漏器具總充注量的25%±5%的速率向上述危險(xiǎn)部位注入制冷劑[5]。

在制冷劑注入期間以及注入后，帶電元件周圍的可燃制冷劑濃度不能大于最低可燃濃度的75%；同時(shí)，如果元件周圍的可燃制冷劑濃度大于最低可燃濃度的50%，那么達(dá)到該濃度的時(shí)長不能大于5 min，若制冷劑注入時(shí)長小于5 min，則不能超過注入時(shí)間[2]。

2 可燃制冷劑泄漏模擬裝置的開發(fā)及應(yīng)用

2.1 可燃制冷劑泄漏模擬裝置的開發(fā)

可燃制冷劑泄漏模擬裝置主要由電腦、精密電子秤、制冷劑鋼瓶、比例調(diào)節(jié)閥、壓力表、電磁閥、控制電氣元件、氣體濃度分析儀等元件組成，可以精確、勻速地向器具的最危險(xiǎn)部位釋放制冷劑蒸汽，模擬器具薄弱部位制冷劑泄漏時(shí)的現(xiàn)象。其中，采用C#語言設(shè)計(jì)了一套較為完善可靠的控制軟件，通過大量模擬試驗(yàn)建立起了一套完整的數(shù)據(jù)模型，該控制軟件通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出制冷劑釋放量對應(yīng)的比例調(diào)節(jié)閥的開度，協(xié)調(diào)各元件的工作流程，從而達(dá)到精確控制制冷劑流量的目的。

為保證試驗(yàn)人員的安全，本檢驗(yàn)裝置還可通過遠(yuǎn)程控制接口實(shí)現(xiàn)可燃制冷劑泄漏模擬試驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。計(jì)算機(jī)可放置到試驗(yàn)室外，可設(shè)置測試相關(guān)參數(shù)，并對測試過程及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的全自動(dòng)測試。設(shè)備原理圖如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

圖1 可燃制冷劑模擬泄漏裝置原理圖

圖2 設(shè)備實(shí)物圖

2.2 主要試驗(yàn)設(shè)備及儀器

（1）精密電子稱

電子稱是該泄漏模擬裝置的核心測量元件，直接關(guān)系到可燃制冷劑釋放量的控制精度。因?yàn)殡娮映拥氖褂铆h(huán)境為有可燃?xì)怏w的環(huán)境，所以需要選擇使用高容量電池的防爆電子稱，以保證測試環(huán)境安全，同時(shí)電子稱提供通訊接口，計(jì)算機(jī)可通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。針對可燃制冷劑R32，本裝置選用了防爆等級為ExibⅡCT3Gb的電子秤。主要參數(shù)：最大稱重：20 kg；精度：±1 g。

（2）氣體濃度分析儀

目前常用的是采用非分光紅外吸收法設(shè)備，該氣體濃度分析儀具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)，可對制冷劑濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。此外，針對不同的制冷劑進(jìn)行檢測時(shí)，需要更換不同的氣體濃度分析儀，可滿足同一裝置進(jìn)行多種制冷劑測試的要求。下面為制冷劑為R32時(shí)氣體濃度分析儀的主要參數(shù)：

測量組分：CH2F2；量程范圍：0～15%；最小分辨率：0.1%；線性誤差極限：±2%FS。

（3）比例調(diào)節(jié)閥

比例調(diào)節(jié)閥和控制器是精確控制制冷劑釋放量的重要部件，一般情況下，閥門在中間量程時(shí)控制精度最好，因此量程的選擇對試驗(yàn)的精確度非常重要。本裝置針對單一制冷劑R32選用的比例調(diào)節(jié)閥能夠滿足制冷劑釋放量范圍為450 g～1800 g的家用空調(diào)測試。

（4）其他元件

在選擇本裝置的其他元件時(shí)，都盡量使用了具有防爆功能電氣元件或者滅弧類電氣元件。例如開關(guān)選用了型號為SW-10的防爆開關(guān)、配電箱使用了型號為BJX51的防爆箱等。

可燃制冷劑泄漏模擬裝置下方安裝有四個(gè)萬向輪，方便移動(dòng)。

2.3 可燃制冷劑泄漏模擬裝置的應(yīng)用

2.3.1 可燃制冷劑空調(diào)器性能試驗(yàn)室的基本要求

使用制冷工質(zhì)為可燃制冷劑的房間空調(diào)器進(jìn)行制冷劑泄漏模擬試驗(yàn)時(shí)，考慮到該試驗(yàn)需要在試驗(yàn)室中完成，試驗(yàn)過程中不可避免會有一定量的可燃制冷劑泄漏到試驗(yàn)室環(huán)境中去，所以為確保試驗(yàn)人員的安全以及試驗(yàn)裝置的安全，避免發(fā)生爆炸或火災(zāi)，GB 4706.32-2012標(biāo)準(zhǔn)附錄FF中對試驗(yàn)室做了如下規(guī)定：

可燃制冷劑的泄漏模擬試驗(yàn)需要在通風(fēng)比較好的房間中開展，同時(shí)，該房間還需要有較大的空間便于試驗(yàn)的進(jìn)行[2]。

試驗(yàn)用房間所需最小體積為[2]：

式中：

V-體積（m3）（天花板高度不小于2.2 m）；

m-制冷劑質(zhì)量（kg）；

LFL-附錄BB中的最低可燃濃度（kg/m3）。

R32的最低可燃濃度為0.306 kg/m3，由公式（1）計(jì)算得到試驗(yàn)室體積不小于18.95 m3。

2.3.2 可燃制冷劑泄露模擬試驗(yàn)

進(jìn)行可燃制冷劑泄漏模擬試驗(yàn)之前，需要對試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行選擇，并向生產(chǎn)廠家索要樣機(jī)的制冷系統(tǒng)爆炸圖，便于快速找到合理的試驗(yàn)點(diǎn)。

本文以某品牌1 P家用熱泵型房間空調(diào)器為例，其制冷劑R32的充注量約為650 g。將該樣機(jī)安裝于體積為168 m3的焓差試驗(yàn)室中，并將焓差試驗(yàn)室的工況設(shè)置為23℃，待工況穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3為制冷劑泄露模擬試驗(yàn)時(shí)的樣機(jī)狀態(tài)。試驗(yàn)期間樣機(jī)以額定電壓供電，在正常工作狀態(tài)下工作。經(jīng)過多次試驗(yàn)確定該樣機(jī)易發(fā)生制冷劑泄漏的關(guān)鍵點(diǎn)為室內(nèi)機(jī)制冷劑回路連接處的焊接點(diǎn)。確定易發(fā)生制冷劑泄漏點(diǎn)后，將模擬裝置上的制冷劑注入毛細(xì)管接到樣機(jī)制冷劑回路焊接點(diǎn)上，同時(shí)將氣體濃度分析儀的采樣管接入電控板盒內(nèi)，方便試驗(yàn)中可燃制冷劑氣體濃度的采集。試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后，打開樣機(jī)，啟動(dòng)可燃制冷劑泄漏模擬裝置，通過軟件控制調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥開度，毛細(xì)管以每分鐘泄漏器具總充注量的25%左右的速率向樣機(jī)焊接點(diǎn)處充注制冷劑，直至試驗(yàn)結(jié)束。

圖3 可燃制冷劑泄露模擬試驗(yàn)

2.3.3 可燃制冷劑泄漏模擬裝置軟件的控制與操作

如圖4所示，可燃制冷劑泄漏模擬測試軟件界面控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式。測試前選擇自動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)泄漏模擬裝置的自動(dòng)化釋放，在試驗(yàn)開始前需要在電腦的測試軟件上輸入制冷劑釋放量（如圖4）。試驗(yàn)開始后，軟件根據(jù)輸入值，通過內(nèi)部算法計(jì)算出比例調(diào)節(jié)閥的開度，將比例調(diào)節(jié)閥調(diào)到相應(yīng)的位置。然后制冷劑鋼瓶上的電磁閥自動(dòng)打開，開始釋放可燃制冷劑，同時(shí)記錄下制冷劑初始泄漏時(shí)間t1，制冷劑罐初始重量g1，當(dāng)釋放達(dá)到規(guī)定時(shí)間或者釋放量后，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)記錄下泄漏結(jié)束時(shí)間t2，泄漏結(jié)束時(shí)制冷劑罐的重量g2。氣體分析儀從系統(tǒng)開始釋放制冷劑時(shí)采集制冷劑的濃度，直到測試結(jié)束。測試期間一旦檢測到制冷劑的濃度超標(biāo)，則裝置立即報(bào)警，試驗(yàn)立刻自動(dòng)停止，避免造成人身及財(cái)產(chǎn)安全事故。

圖4 測試軟件輸入界面

式中：

gl-制冷劑的泄漏量，單位為克（g）；

g1-制冷劑罐初始重量，單位為克（g）；

g2-泄漏結(jié)束時(shí)制冷劑罐的重量，單位為克（g）。

式中：

t-制冷劑的泄漏時(shí)間，單位為秒（s）；

t1-制冷劑初始泄漏時(shí)間，單位為秒（s）；

t2-泄漏結(jié)束時(shí)的時(shí)間，單位為秒（s）。

當(dāng)制冷劑的泄漏量gl等于設(shè)定量，制冷劑釋放時(shí)間200 s＜t＜300 s時(shí)，表明制冷劑已經(jīng)完全釋放，試驗(yàn)自動(dòng)結(jié)束。

2.3.4 可燃制冷劑泄漏模擬裝置驗(yàn)證

圖5是模擬制冷劑R32泄漏650 g時(shí)的釋放曲線。其中，紅色曲線為壓力線，綠色曲線為制冷劑釋放曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.32-2012中的要求，對制冷系統(tǒng)中最危險(xiǎn)薄弱部位進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要以每分鐘總充注量的20%～30%的泄漏速率充注制冷劑。從制冷劑釋放曲線結(jié)果圖上可以看到制冷劑模擬泄漏裝置在釋放過程中制冷劑減少量曲線較為平滑，釋放過程中釋放量均勻，從表1采集到的釋放量數(shù)據(jù)能夠清楚看到每分鐘的釋放量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，由于該廠家的電源盒密封嚴(yán)密，濃度測試儀的數(shù)值為0%V/V，沒有達(dá)到R32的最低可燃濃度14.4%V/V，泄漏量和泄漏所用時(shí)間都在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，充分證實(shí)該制冷劑泄漏模擬裝置的可靠性與測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 制冷劑釋放數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文介紹了一種可燃制冷劑泄漏模擬試驗(yàn)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，通過計(jì)算機(jī)、精密電子秤、比例調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了制冷劑的泄漏量可控可調(diào)，質(zhì)量可靠，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可燃制冷劑泄漏模擬泄漏試驗(yàn)過程的自動(dòng)化，避免了人員手動(dòng)操作帶來的危險(xiǎn)性，整個(gè)試驗(yàn)過程安全，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。