基于R32制冷劑泄漏模擬測(cè)試裝置的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

王志坤 蔡寧 高文琪 楊雙 陳龍

中家院（北京）檢測(cè)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(shí)到用于空調(diào)、冰箱等制冷器具中的氟利昂族制冷劑對(duì)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(duì)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(kāi)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(wèn)題引起了國(guó)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(duì)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(kāi)發(fā)了制冷劑泄漏模擬裝置，該裝置通過(guò)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(guò)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(duì)比裝置進(jìn)行說(shuō)明，其他類型制冷劑類似。

1 試驗(yàn)要求和測(cè)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(cè)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(guò)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(zhǎng)不能大于5 min，若制冷劑注入時(shí)長(zhǎng)小于5 min，則不能超過(guò)注入時(shí)間[2]。

2 可燃制冷劑泄漏模擬裝置的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

2.1 可燃制冷劑泄漏模擬裝置的開(kāi)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(yǔ)言設(shè)計(jì)了一套較為完善可靠的控制軟件，通過(guò)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(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出制冷劑釋放量對(duì)應(yīng)的比例調(diào)節(jié)閥的開(kāi)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(guò)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(cè)試相關(guān)參數(shù)，并對(duì)測(cè)試過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。針對(duì)可燃制冷劑R32，本裝置選用了防爆等級(jí)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(duì)制冷劑濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。此外，針對(duì)不同的制冷劑進(jìn)行檢測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)試驗(yàn)的精確度非常重要。本裝置針對(duì)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(cè)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(kāi)關(guān)選用了型號(hào)為SW-10的防爆開(kāi)關(guān)、配電箱使用了型號(hào)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(wàn)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(guò)程中不可避免會(huì)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(duì)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(kāi)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(duì)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(guò)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(kāi)樣機(jī)，啟動(dòng)可燃制冷劑泄漏模擬裝置，通過(guò)軟件控制調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥開(kāi)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(cè)試軟件界面控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式。測(cè)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(kāi)始前需要在電腦的測(cè)試軟件上輸入制冷劑釋放量（如圖4）。試驗(yàn)開(kāi)始后，軟件根據(jù)輸入值，通過(guò)內(nèi)部算法計(jì)算出比例調(diào)節(jié)閥的開(kāi)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(kāi)，開(kāi)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(kāi)始釋放制冷劑時(shí)采集制冷劑的濃度，直到測(cè)試結(jié)束。測(cè)試期間一旦檢測(cè)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(cè)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(duì)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(guò)程中制冷劑減少量曲線較為平滑，釋放過(guò)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(cè)試儀的數(shù)值為0%V/V，沒(méi)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(cè)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(jiǎn)單可靠，通過(guò)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(guò)程的自動(dòng)化，避免了人員手動(dòng)操作帶來(lái)的危險(xiǎn)性，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程安全，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。