基于R32制冷劑泄漏模擬測試裝置的開發(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的試驗方法和相關(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)行自動化控制，能夠自動實現(xiàn)勻速定量釋放，自動采集制冷劑質(zhì)量和濃度，并自動將數(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[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，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)到該濃度的時長不能大于5 min，若制冷劑注入時長小于5 min，則不能超過注入時間[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部位釋放制冷劑蒸汽，模擬器具薄弱部位制冷劑泄漏時的現(xiàn)象。其中，采用C#語言設(shè)計了一套較為完善可靠的控制軟件，通過大量模擬試驗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。

為保證試驗人員的安全，本檢驗裝置還可通過遠(yuǎn)程控制接口實現(xiàn)可燃制冷劑泄漏模擬試驗系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。計算機(jī)可放置到試驗室外，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，實現(xiàn)試驗的全自動測試。設(shè)備原理圖如圖1所示，實物如圖2所示。

圖1 可燃制冷劑模擬泄漏裝置原理圖

圖2 設(shè)備實物圖

2.2 主要試驗設(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。因為電子秤的使用環(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，同時電子稱提供通訊接口，計算機(jī)可通過接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集。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，可對制冷劑濃度進(jìn)行實時檢測。此外，針對不同的制冷劑進(jìn)行檢測時，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，閥門在中間量程時控制精度最好，因此量程的選擇對試驗的精確度非常重要。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，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萬向輪，方便移動。

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時，考慮到該試驗需要在試驗室中完成，試驗過程中不可避免會有一定量的可燃制冷劑泄漏到試驗室環(huán)境中去，所以為確保試驗人員的安全以及試驗裝置的安全，避免發(fā)生爆炸或火災(zāi)，GB 4706.32-2012標(biāo)準(zhǔn)附錄FF中對試驗室做了如下規(guī)定：

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

試驗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）計算得到試驗室體積不小于18.95 m3。

2.3.2 可燃制冷劑泄露模擬試驗

進(jìn)行可燃制冷劑泄漏模擬試驗之前，需要對試驗樣機(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點。

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的焓差試驗室中，并將焓差試驗室的工況設(shè)置為23℃，待工況穩(wěn)定后進(jìn)行試驗。

圖3為制冷劑泄露模擬試驗時的樣機(jī)狀態(tài)。試驗期間樣機(jī)以額定電壓供電，在正常工作狀態(tài)下工作。經(jīng)過多次試驗確定該樣機(jī)易發(fā)生制冷劑泄漏的關(guān)鍵點為室內(nèi)機(jī)制冷劑回路連接處的焊接點。確定易發(fā)生制冷劑泄漏點后，將模擬裝置上的制冷劑注入毛細(xì)管接到樣機(jī)制冷劑回路焊接點上，同時將氣體濃度分析儀的采樣管接入電控板盒內(nèi)，方便試驗中可燃制冷劑氣體濃度的采集。試驗準(zhǔn)備就緒后，打開樣機(jī)，啟動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)焊接點處充注制冷劑，直至試驗結(jié)束。

圖3 可燃制冷劑泄露模擬試驗

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和手動兩種控制方式。測試前選擇自動控制可以實現(xiàn)泄漏模擬裝置的自動化釋放，在試驗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）。試驗開始后，軟件根據(jù)輸入值，通過內(nèi)部算法計算出比例調(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打開，開始釋放可燃制冷劑，同時記錄下制冷劑初始泄漏時間t1，制冷劑罐初始重量g1，當(dāng)釋放達(dá)到規(guī)定時間或者釋放量后，電磁閥自動關(guān)閉，同時記錄下泄漏結(jié)束時間t2，泄漏結(jié)束時制冷劑罐的重量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)，則裝置立即報警，試驗立刻自動停止，避免造成人身及財產(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)束時制冷劑罐的重量，單位為克（g）。

式中：

t-制冷劑的泄漏時間，單位為秒（s）；

t1-制冷劑初始泄漏時間，單位為秒（s）；

t2-泄漏結(jié)束時的時間，單位為秒（s）。

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

2.3.4 可燃制冷劑泄漏模擬裝置驗證

圖5是模擬制冷劑R32泄漏650 g時的釋放曲線。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)中最危險薄弱部位進(jìn)行試驗時，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裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，通過計算機(jī)、精密電子秤、比例調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器實現(xiàn)了制冷劑的泄漏量可控可調(diào)，質(zhì)量可靠，同時實現(xiàn)了可燃制冷劑泄漏模擬泄漏試驗過程的自動化，避免了人員手動操作帶來的危險性，整個試驗過程安全，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。