混合制冷工質充注裝置設計與分析計算

芮勝軍 張 華 黃理浩

(上海理工大學制冷技術研究所 上海 200093)

1 引 言

制冷工質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，必須先進行檢漏、抽真空和充注制冷工質，然后才能進行系統(tǒng)調試。本裝置是在設計五級自動復疊制冷系統(tǒng)設計時提出的一種方案，自動復疊制冷循環(huán)的設計靈感源于經(jīng)典復疊制冷循環(huán)，其原理為:單級壓縮，多級分凝，自動復疊［1］。即混合工質經(jīng)一次壓縮后，按沸點高低順序在多級分離器中逐級分離，使沸點最低的制冷工質進入蒸發(fā)器，制取預定的低溫［2］。本實驗需要充注的5種制冷工質分別為:R600a、R23、R14、R728 以及 R740，五級自動復疊制冷系統(tǒng)的工作原理如圖1所示［3］。

2 充注裝置具體實施方式

2.1 裝置設計思路

制冷工質的充注方法常用的有電流法和稱重法［4］，電流法是以壓縮機的滿載電流值為標準，充注過程中若充注的電流符合規(guī)定值，則表示制冷工質充注量合適。與電流法相比較，稱重法直接將裝有制冷工質的鋼瓶置于臺秤上，記下充注前后的質量，則可得到制冷工質的充注量，這種方法操作簡單，測量準確，應用較廣。但對于較高精度的臺秤而言，其測量范圍有限，只對其載重范圍內的輕質鋼瓶適用，對于大鋼瓶則無法實現(xiàn)，例如本實驗中涉及的R740、R728以及R14都是無法直接通過稱重法進行充注的，為了解決這樣的問題，一種方法就是將其導入小鋼瓶。由于小鋼瓶的耐壓有限，這些低沸點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，也有可能混雜進其它的氣體成分，造成制冷工質純度下降。

基于以上原因，利用工程熱力學原理，設計出了一套制冷工質充注裝置。所充制冷工質的基本熱力性質如表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，氣體的狀態(tài)遠離臨界狀態(tài)，可以近似的按照理想氣體處理。

圖1 五級自動復疊制冷系統(tǒng)圖Fig.1 Five stage auto-cascade refrigeration system diagram

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

所設計的裝置采用測溫、測壓的制冷工質充注方法，將制冷工質鋼瓶與一中間儲氣罐相連接，然后再接到系統(tǒng)注入口。充注時記下環(huán)境溫度和充注前后儲氣罐壓力，根據(jù)溫度、壓力計算其密度。儲氣罐的容積已定，通過計算則可得到制冷工質的充注量。制冷工質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的充注量，安全而且不易損壞部件，但充注時間較長，而且制冷工質呈氣態(tài)，必須經(jīng)過干燥器處理才能除去制冷工質中的微量水分;高壓充注法充注時間短，但較難控制充注量，特別是小型設備，所以適用于制冷工質充注量較大的制冷系統(tǒng)。由于本裝置是在五級自動復疊制冷系統(tǒng)設計時提出的一種方案，所充制冷工質較少，通常為幾十克，所以適宜采用低壓充注法。

所設計的充注裝置結構如圖2所示［4，6］。充注系統(tǒng)是由虛線內的部分構成，包括箱體、儲氣罐、干燥過濾器、壓力表、毛細管以及兩個手動調節(jié)閥。充注箱體左側通過一段毛細管連接制冷工質鋼瓶，使用毛細管主要有兩個方面的原因:首先，如果鋼瓶內的氣體壓力過高，閥門打開瞬間極易損壞壓力表;其次，制冷工質氣體壓力過大，充注速度過快，不易控制充注量。充注箱體右側與壓縮機的低壓端相連。干燥過濾器內裝有活性碳和變色硅膠，中間儲氣罐通過毛細管接有精密壓力表。兩個手動調節(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 制冷工質充注過程

所設計的充注裝置分兩個充注線路，A線路為R740、R728以及R14的充注流程，B線路為其余輕質鋼瓶直接用高精度電子臺秤采用稱重法進行充注。多流程混合制冷工質的充注方法如圖3所示。

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

A流程的原理為:將制冷工質鋼瓶與一中間儲氣罐相連接再接到系統(tǒng)注入口。充注時記下環(huán)境溫度和充注前后儲氣罐壓力，根據(jù)溫度、壓力分別算出其對應的比體積，而儲氣罐的容積已定，計算即得制冷工質的充注量。手動調節(jié)閥1打開，手動調節(jié)閥2關閉，打開制冷工質鋼瓶，制冷工質由左側入口通過毛細管緩慢進入充注箱，經(jīng)過干燥過濾器干燥后，進入儲氣罐，記錄環(huán)境溫度T0。當儲氣罐壓力到達一定數(shù)值的時候，關閉手動調節(jié)閥1。記錄此時壓力表數(shù)值P1。打開手動調節(jié)閥2，向右側的制冷系統(tǒng)充注制冷工質，當壓力表讀數(shù)降到一定數(shù)值的時候，關閉手動調節(jié)閥2，再記下此時壓力表的數(shù)值P2，完成一次充注。

B流程的原理為:將鋼瓶與壓縮機低溫端進行連接，電子稱打開，記錄此時電子稱穩(wěn)定讀數(shù)m1;緩緩旋開鋼瓶閥門，觀察電子稱讀數(shù)至適當數(shù)值關閉閥門，記錄電子稱穩(wěn)定讀數(shù)m2;則充注制冷工質質量為:Δm=m1－m2。

3 制冷工質充注量的計算

3.1 用理想氣體計算

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

對質量為m(千克)的氣體:

則:

上式中:p為制冷工質的絕對壓力，MPa;V為儲氣罐的容積，m3;m為工質的質量，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為充注制冷工質的質量，kg。

在本實驗中儲氣罐的容積為0.001 m3，環(huán)境溫度T0為291.15 K，所以充注的制冷工質質量與充注前后制冷工質的壓力差成正比。本實驗中的計算結果如表2所示，根據(jù)所充制冷工質的壓差就可以得到其質量。

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

3.2 用REFPROP軟件按照實際氣體方程計算

應用美國國家標準與技術研究院的制冷工質物性計算軟件 REFPROP8.0［8-9］，按照實際氣體方程，計算出環(huán)境溫度為T0、壓力為p1時制冷工質的密度ρ1。同樣計算出T0環(huán)境溫度下，壓力為p2時，制冷工質的密度 ρ2。

又因為儲氣罐的容積V一定，可以分別求出壓力為p1和p2時儲氣罐中制冷工質的質量m1、m2:

則制冷工質充注量為:

m1、m2為充注前后儲氣罐中制冷工質的質量，kg;ρ2、ρ1為充注前后儲氣罐中制冷工質的密度;V為儲氣罐的容積，m3，Δm為充注制冷工質質量，kg。

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

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

由表2和表3可以看出，兩種方法對于R740和R728計算出的充注量幾乎沒有差別。而對于R14，兩種方法計算出的誤差為1.24%，這主要是因為表2按照理想氣體狀態(tài)方程計算，而表3按照實際氣體方程CSD方程、MBWR方程、Helmhltz自由能狀態(tài)方程、P-T方程、M-H方程等計算，相對準確一些。可以預測，對于R600a和R23，通過這兩種方法計算出的結果差別更大，因為其臨界狀態(tài)溫度與環(huán)境溫度差別較小，不能作為理想氣體，必須按照實際氣體進行計算。

4 結 論

混合制冷工質充注裝置是多組分制冷工質系統(tǒng)的必要設備，測量原理是通過計量定容器內氣體在充注前后的壓差根據(jù)工質物性計算出充注質量。特點是容積固定，溫度影響小(1/300)且可補償，壓力測量精度高，計量精度高。裝置簡單，解決多元混合制冷工質充注難題;制冷工質充注精度高，精度到0.01 g;加工、使用和控制簡便;對充注的制冷工質有過濾和干燥功能。

同現(xiàn)有技術相比，此制冷工質充注系統(tǒng)的顯著優(yōu)點是:解決了一些制冷系統(tǒng)因制冷工質鋼瓶過重，而難以準確計算制冷工質充注量的問題。具有制冷工質充注精度高，加工、使用和控制簡便以及維修方便等優(yōu)點。

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3 芮勝軍，張 華，張海東，等.自動復疊制冷系統(tǒng)混合工質運行成分分析［C］.2011年中國制冷學會學術年會論文集，南京:2011.

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5 陳光明，陳國邦.制冷與低溫原理(第2版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

6 張 華，劉訓海，劉紅紹，等.一種高精度制冷工質充灌裝置:中國，200710047016.8［P］.2008-03-05.

7 沈維道，童鈞耕.工程熱力學(第4版)［M］.北京:高等教育出版社，2007.

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