自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的組分在線測量方法

摘要：針對自復(fù)疊制冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中組分濃度難以實(shí)時連續(xù)測量的問題，提出了一種混合工質(zhì)循環(huán)濃度在線測量方法，用于精確測量系統(tǒng)內(nèi)組分循環(huán)濃度、熱力學(xué)參數(shù)及系統(tǒng)能效。在線測量方法基于系統(tǒng)內(nèi)部件的組分、質(zhì)量和能量守恒關(guān)系，基于溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)測量組分循環(huán)濃度。搭建自復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，在柜內(nèi)溫度－58.6～－40.4℃的實(shí)驗(yàn)工況下驗(yàn)證了在線測量方法的可行性，并與氣相色譜單時靜態(tài)采樣方法對比驗(yàn)證組分在線測量方法的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明：溫度是影響組分的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測試值與在線測量值偏差小于3K，組分循環(huán)濃度的在線測量值與氣相色譜采樣測量值對比最大偏差為4.45%。不確定度計算結(jié)果顯示，組分循環(huán)濃度的在線測量不確定度低于2.0%，能效比和制冷量的在線測量不確定度低于7.5%。所提在線測量方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的組分循環(huán)濃度，與氣相色譜單時靜態(tài)采樣相比，可獲取組分濃度的動態(tài)連續(xù)變化趨勢，為從組分層面深入分析混合工質(zhì)熱力系統(tǒng)的性能變化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：自復(fù)疊制冷系統(tǒng)；在線測量方法；混合工質(zhì)；循環(huán)濃度

中圖分類號：TB64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202504013 文章編號：0253-987X（2025）04-0139-09

Online Measurement Method for Components of Auto-Cascade Refrigeration System

LI Yinlong， JING Dongliang， LIU Guoqiang， YAN Gang

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：In response to the challenge of real-time continuous measurement of component concentrations during the operation of auto-cascade refrigeration systems， an online measurement method for the circulating concentration of mixed refrigerant is proposed to accurately measure the circulating component concentrations， thermodynamic parameters， and system efficiency. The online measurement method is based on the composition， mass and energy conservation of components within the system. The circulating concentration of compositions is measured based on temperature， pressure and mass flow rate. An experimental platform for the auto-cascade refrigeration system is established to validate the feasibility of the online measurement method under experimental conditions with cabinet temperatures ranging from －58.6℃ to －40.4℃. The accuracy of the online measurement of the composition is further verified using gas chromatography single-time static sampling methods. The research findings indicate that temperature， a crucial parameter affecting the composition， shows a deviation of less than 3K between the experimental and online measurement values. The maximum deviation between the online measurement values of the composition concentration and the sampling measurement values is 4.45%. The uncertainty calculations show that the online measurement uncertainty of composition circulating concentration is below 2.0%， while the online measurement uncertainty of energy efficiency ratio and refrigeration capacity is below 7.5%. The proposed online measurement method can accurately predict the circulating concentration of the mixed refrigerant in auto-cascade refrigeration systems. In comparison with gas chromatography single-time static sampling， it allows for dynamic continuous trends in component concentrations， providing a basis for in-depth analysis of performance changes in mixed refrigerant thermodynamic systems at the component level.

Keywords：auto-cascade refrigeration system; online measurement method; mixed refrigerant; circulating concentration

超低溫環(huán)境廣泛用于疫苗與珍貴藥品存儲等，據(jù)國際制冷所統(tǒng)計，2020年底疫苗存儲超過70億，適宜的儲存溫度范圍為-90～8℃^［1］。對于－40℃以下的制冷溫區(qū)，采用純質(zhì)的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)受限于壓縮機(jī)的應(yīng)用，較低的蒸發(fā)溫度帶來了較高排氣壓力和溫度，系統(tǒng)性能急劇下降^［2］。為此，復(fù)疊循環(huán)被提出，該循環(huán)由中間換熱器連接高溫級和低溫級^［3］，由于每級都需配置壓縮機(jī)，增加了設(shè)備的投資成本和控制策略的復(fù)雜性。相比而言，應(yīng)用混合工質(zhì)并采用單臺壓縮機(jī)的自復(fù)疊制冷循環(huán)（ARC）獲得了關(guān)注^［4］，自復(fù)疊系統(tǒng)內(nèi)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)組分的主動調(diào)控，還能在較高的溫度下回收潤滑油，具有更高的可靠性^［5］。

目前諸多研究聚焦于循環(huán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，文獻(xiàn)［6-7］ 聚焦于改進(jìn)分離器的布局，旨在提升組分的分離效率。Li等^［8］引入了渦流管以減少節(jié)流過程損失。苑佳佳等^［9］提出自復(fù)疊雙壓縮循環(huán)以降低壓縮機(jī)功耗。然而，由于理論分析中缺乏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究，需考慮未經(jīng)驗(yàn)證的假設(shè)，特別是關(guān)鍵部件壓縮機(jī)均采用了基于純制冷劑的經(jīng)驗(yàn)公式。混合工質(zhì)的優(yōu)化選擇同樣影響ARC系統(tǒng)的能效，文獻(xiàn)［10-13］中均指出應(yīng)用混合工質(zhì)的制冷系統(tǒng)在不同工況下對應(yīng)的最優(yōu)組分濃度存在較大差別。制冷劑的選擇是系統(tǒng)理論設(shè)計階段中最重要的工作，理論中的一些假設(shè)提供了系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計，例如組分的完全分離和固定的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但這些假設(shè)在實(shí)驗(yàn)研究中被證明了不合理性，采用混合工質(zhì)的系統(tǒng)中常出現(xiàn)組分偏移，文獻(xiàn)［14-16］對組分偏移現(xiàn)象進(jìn)行了定量測試，這使得組分循環(huán)濃度預(yù)估變得困難，組分循環(huán)濃度的不確定性增加了系統(tǒng)能效評估的復(fù)雜性。盡管文獻(xiàn)［17-18］實(shí)驗(yàn)中獲得了直接測試的熱力參數(shù)變化，但是由于組分的不確定性，系統(tǒng)運(yùn)行能效未能評估。文獻(xiàn)［19-20］實(shí)驗(yàn)中依靠熱平衡法來評估ARC系統(tǒng)的能效，但不能揭示系統(tǒng)能效與組分循環(huán)濃度之間的內(nèi)在關(guān)系。

由于組分濃度難以確定，所以能效評估變得復(fù)雜，這主要源于組分之間復(fù)雜的相變行為。在相變過程中，組分揮發(fā)性的差異導(dǎo)致了參數(shù)的非線性變化，所以難以預(yù)測和測量不同相中的組分濃度。此外，溫度和壓力的波動影響流體的焓、熵和比熱容等熱力學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)與組分濃度有關(guān)，所以溫度、壓力參數(shù)不能直接預(yù)測組分濃度。由于混合制冷劑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋范圍有限，經(jīng)驗(yàn)建模和計算模擬存在局限性，采用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型時，通常會耗費(fèi)大量的計算資源，如何快速測試組分循環(huán)濃度是一個亟待解決的問題。

混合制冷劑成分的測量方法一直是研究熱點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，最成熟的方法是氣相色譜法，實(shí)現(xiàn)混合工質(zhì)的組分分離，并進(jìn)行定量檢測，盡管測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，但該方法是離散化且通常比較耗時，采樣測量會泄漏系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑。Wada等^［21］提出了一種光吸收方法，該方法允許非接觸式測量，但非實(shí)時檢測方法，其靈敏度通常不高。Fukuta等^［22］測量了混合物的折射率以估算濃度，但需要先進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)，無法避免雜質(zhì)的影響。Baustian等^［23］采用了一種高精度的黏度法，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來獲得混合物的黏度，測量效率相對較低。Hwang等^［24］提出進(jìn)行實(shí)時測量的低成本電容方法，這種方法需要介電常數(shù)有足夠的差異。Lebreton等^［25］介紹了一種可進(jìn)行實(shí)時測量并擴(kuò)展到兩相混合物的聲速測量方法，但儀器需要不斷校準(zhǔn)以確保測量精度。這些方法通過專業(yè)設(shè)備放大物理信號以檢測混合物，并且需要開發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)庫或特定混合物實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，測量方法成本高昂。

為實(shí)現(xiàn)對ARC系統(tǒng)的循環(huán)組分濃度、熱力學(xué)參數(shù)及能效的在線實(shí)時測量，Llopis等^［26］開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)方法測量研究，首次將一種在線測量方法應(yīng)用于采用R600a/R1150的ARC系統(tǒng)，為確保測試結(jié)果的穩(wěn)定性，進(jìn)行了回?zé)崞鞑季值母倪M(jìn)。本文基于ARC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)流程，提出了一種在線測量方法以實(shí)現(xiàn)循環(huán)組分濃度的精確測量。搭建單級自復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，并采用氣相色譜組分測試方法，對在線方法的測量準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。在線測量方法在減少測試成本的基礎(chǔ)上，實(shí)時測量了混合工質(zhì)的循環(huán)濃度，獲得了能效的實(shí)時變化，可為熱力系統(tǒng)的優(yōu)化方向提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺

1.1 自復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用單級自復(fù)疊制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)內(nèi)包括主要部件壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、分離器、復(fù)疊換熱器、膨脹閥，制冷系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機(jī)為往復(fù)式壓縮機(jī)。冷凝器為翅片換熱器，長為400mm，寬為240mm，高為307mm，銅管尺寸為9.52mm×0.75mm，蒸發(fā)器內(nèi)置于215L的保溫箱體內(nèi)，箱體采用80mm高密度膨脹聚氨酯隔熱，實(shí)驗(yàn)各部件間的連接管路采用寬為40mm的保溫棉隔熱。復(fù)疊換熱器為并焊換熱器，管長為15m，熱側(cè)管徑為6mm，冷側(cè)管徑為9.52mm，換熱器外側(cè)增加100mm的聚氨酯保溫層，分離器采用旋流式分離器，用于分離氣液兩相制冷劑。實(shí)驗(yàn)采用碳?xì)漕惢旌瞎べ|(zhì)R600a/R170，該工質(zhì)具有良好的環(huán)保性，符合目前制冷劑的替代趨勢，工熱熱物性參數(shù)如表1所示。

自復(fù)疊系統(tǒng)的循環(huán)流程如下：首先，壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷凝器部分冷凝的制冷劑進(jìn)入分離器，總流組分的制冷劑分離為富含高沸點(diǎn)組分的液相流和富含低沸點(diǎn)組分的氣相流，分離器進(jìn)口的視液鏡內(nèi)可觀察呈兩相狀態(tài)，氣相流進(jìn)入復(fù)疊換熱器熱側(cè)，被完全冷凝；之后，進(jìn)入電子膨脹閥1，降溫降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器進(jìn)口達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的最低溫度，制冷劑吸收保溫箱內(nèi)熱量以兩相狀態(tài)流出蒸發(fā)器，分離器液相出口制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥2，與蒸發(fā)器出口制冷劑混合；最后，混合流進(jìn)入復(fù)疊換熱器冷側(cè)，混合流提供了熱側(cè)冷凝所需要的冷量，吸熱達(dá)到過熱狀態(tài)后進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口，被壓縮至高溫高壓氣體，完成循環(huán)過程。

表2為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的測量范圍及精度，記錄了壓縮機(jī)、冷凝器、復(fù)疊換熱器和蒸發(fā)器進(jìn)出口的溫度和壓力，記錄了分離器液相出口和節(jié)流后溫度。系統(tǒng)內(nèi)包括6個壓力傳感器，分別為壓縮機(jī)吸氣壓力p1、排氣壓力p2、冷凝器出口壓力p3、復(fù)疊換熱器熱側(cè)出口壓力p4、蒸發(fā)器進(jìn)口壓力p5和出口壓力p6，測試了每個部件的壓降，避免管路壓降造成的參數(shù)偏差。另外，包括14個溫度傳感器，11個溫度傳感器布置于管路上，測試了壓縮機(jī)吸氣和排氣溫度t1、t2，冷凝器出口溫度t3，復(fù)疊換熱器熱側(cè)進(jìn)口和出口溫度t4、t5，冷側(cè)進(jìn)口和出口溫度t6、t7，蒸發(fā)器進(jìn)口和出口溫度t8、t9，相分離器液相出口溫度t10和膨脹閥2出口溫度t11，3個溫度傳感器設(shè)置于保溫箱內(nèi)，分別為t12、t13、t14。按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 20154—2014 ^［27］低溫保存箱內(nèi)在1/6H、1/3H和5/6H高度處分別布置，水平方向?yàn)?/2 L。其中H、L代表柜體的高和寬。箱內(nèi)溫度為3個溫度測試的平均值，壓縮機(jī)出口和復(fù)疊換熱器熱側(cè)出口安裝了質(zhì)量流量計，分別測試了m t 、m v 。壓縮機(jī)功率的測試采用功率計，測試了壓縮機(jī)功耗W。實(shí)驗(yàn)平臺內(nèi)溫度測量采用 T 型熱電偶，精度為±0.5℃。壓力傳感器的測量精度為滿量程的±0.1%，低壓壓力為0～1000kPa，高壓壓力為0～4000kPa，功率計量程為0～4000W，精度為±0.25%。

1.2 氣相色譜分析方法

混合工質(zhì)組分濃度測量的常用方法是氣相色譜法，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，從純氣相管路中進(jìn)行組分采樣，之后進(jìn)行儀器檢測。測試流程如下：對采樣容器抽真空，利用控制閥和微量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)行微量樣品采集；調(diào)整氣相色譜儀的氫氣、空氣和氮?dú)獾倪M(jìn)氣流量；設(shè)定FID的工質(zhì)檢測方法；設(shè)置檢測器測試溫度；進(jìn)行基線校正、峰識別、計算峰面積等數(shù)據(jù)采集與處理；進(jìn)行樣品信息分析，輸出測試結(jié)果。

氣相色譜法的檢測方法強(qiáng)烈依賴專家經(jīng)驗(yàn)，需在系統(tǒng)運(yùn)行過程中采樣，樣品量需要達(dá)到儀器的測試標(biāo)準(zhǔn)，會造成系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量減少。自復(fù)疊制冷系統(tǒng)無論是對制冷劑的充注量還是充注配比都較為敏感，當(dāng)前大部分系統(tǒng)采用可燃制冷劑，按照目前制冷劑的替代進(jìn)展，歐洲強(qiáng)制采用純天然制冷劑，特別是碳?xì)漕愔评鋭蓸臃椒◣砹酥评鋭┛扇嫉娘L(fēng)險。

1.3 測量不確定度

由于測量儀器精度的限制、操作技術(shù)差異等因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在不確定性。不確定度分析可以定量評價隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，使用測量不確定度來評估不確定度^［28］。

對于直接測量的參數(shù) x ，假設(shè)概率均勻分布，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u C （x）=u2 A （x）+u2 B （x）（1）

u A （x）=∑ni=1（xi－）2n（n－1）（2）

u B （x）=a3（3）

式中： u A （x）為 A 類不確定度，通過對重復(fù)觀測值進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到觀測值標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計估計；u B （x）為 B 類不確定度，由假設(shè)概率分布的標(biāo)準(zhǔn)差計算；為變量x的平均值；n為測量次數(shù)；a為分布半寬。

計算結(jié)果表明，0～4MPa壓力傳感器的不確定度為±2.4kPa，0～1MPa壓力傳感器的不確定度為±0.58kPa，溫度傳感器的不確定度為±0.29℃，0～15kg/h質(zhì)量流量計的不確定度為±0.044kg/h，0～30kg/h 質(zhì)量流量計的不確定度為±0.088kg/h，功率計的不確定度為±5.77W，氣相色譜法的不確定度為0.29%。

2 在線測量方法

實(shí)驗(yàn)儀器的測量僅能獲得壓力、溫度、流量及耗功等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于最關(guān)鍵的組分濃度測試還無法完成，因此在線測量方法被提出，以實(shí)現(xiàn)組分的連續(xù)精確測量。在線測量方法滿足以下條件：混合工質(zhì)的組分守恒與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量、能量守恒相關(guān)，依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)組分守恒、質(zhì)量守恒以及能量守恒的關(guān)系，可通過建立數(shù)學(xué)模型獲得不同支路的制冷劑組分；質(zhì)量流量計的測試位置需保證測試的穩(wěn)定性，流量計只能測試純氣相狀態(tài)和純液相狀態(tài)，特別是液相測試，只有穩(wěn)定的液相且有一定的過冷度，才能夠保證測試的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，純液相狀態(tài)只有復(fù)疊換熱器的熱側(cè)出口；為避免潤滑油對制冷劑組分循環(huán)濃度的影響，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)排氣口設(shè)置了高效的油分離器；REFPROP V.10數(shù)據(jù)庫提供了混合工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)計算，依據(jù)實(shí)驗(yàn)測試參數(shù)即可確定熱力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)基本的理論模型，制冷劑狀態(tài)點(diǎn)熱力參數(shù)計算式為

（p，t，h，q，…）=f（x1，x2，w，…）（4）

式中：p、t、h、q分別為壓力、溫度、焓值、干度；x1、x2為已知參數(shù)；w為制冷劑組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

氣液分離器有質(zhì)量、能量和組分守恒關(guān)系，無論氣相和液相出口是否存在氣液夾帶的情況，守恒關(guān)系計算式如下

m t =m l +m v （5）

m t h t =m l h l +m v h v （6）

m t zt1=m l z l 1+m v z v 1（7）

式中：m t 、m v 、m l 為總流、氣相流和液相流的組分制冷劑流量， g·s ^－1；h t 、h v 、h l 為氣液分離器進(jìn)口和出口總流、氣相流和液相流的制冷劑焓值， kJ·kg ^－1；z t 、z v 、z l 為氣液分離器進(jìn)口和出口總流、氣相流和液相流的制冷劑組分配比。

復(fù)疊換熱器兩側(cè)的換熱關(guān)系式如下

Q v =m v （h chx-hi －h(huán) chx-ho ）（8）

Q t =m t （h chx-ci －h(huán) chx-co ）（9）

式中：Q v 、Q t 分別為熱側(cè)、冷側(cè)的換熱量， W ；h chx-hi 、h chx-ho 分別為熱側(cè)進(jìn)口和熱側(cè)出口的焓， kJ·kg ^－1；h chx-ci 、h chx-co 分別為冷側(cè)進(jìn)口和冷側(cè)出口的制冷劑焓， kJ·kg ^－1。

制冷量計算式為

Q e =m v （h eva-o －h(huán) eva-i ）（10）

式中：Q e 為系統(tǒng)制冷量， W ；h eva-o 、h eva-i 為蒸發(fā)器進(jìn)口和出口的制冷劑焓值，kJ·kg^－1。

自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的能效比為

ε=Q e W a （11）

式中： W a 為壓縮機(jī)的實(shí)際耗功，W。

在線測試方法避免了制冷劑的泄漏，同時減少了檢測的成本和時間。基于系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量、能量和組分守恒關(guān)系，用氣相流量計測試壓縮機(jī)排氣的總流量，用液相流量計測試純液相流量，假設(shè)未知的總流組分配比和氣相流組分配比，假設(shè)的制冷劑組分需滿足氣液分離器的組分、質(zhì)量、能量守恒方法，同時需滿足復(fù)疊換熱器的能量守恒。復(fù)疊換熱器的熱側(cè)為氣相流組分的冷凝換熱過程，冷側(cè)為總流組分的蒸發(fā)換熱過程，當(dāng)總流組分和氣相流、液相流組分確定后，即可對蒸發(fā)器的制冷量進(jìn)行計算。結(jié)合壓縮機(jī)的功率測試數(shù)據(jù)，即可對系統(tǒng)能效進(jìn)行評估，在線測量方法的計算流程如圖2所示，圖中方括號為測量值，虛線方括號為輸出值。

在線測量方法以實(shí)驗(yàn)測試展開，系統(tǒng)充注了360g的R600、R170，并在（25±0.5）℃的環(huán)境中運(yùn)行。柜內(nèi)溫度和壓縮機(jī)的吸、排氣壓力變化如圖3所示，實(shí)驗(yàn)初始為空載過程，最終溫度為－58.9℃。當(dāng)溫度在±0.5K范圍內(nèi)持續(xù)約1h，認(rèn)為處于穩(wěn)定狀態(tài)，之后通過調(diào)節(jié)電加熱輸入功率來改變箱內(nèi)溫度，最終選定的機(jī)柜溫度為－58.6、－55.2、－51.5、－46.2、－40.4℃。在壓縮機(jī)啟動階段，制冷劑被迅速壓縮到高壓側(cè)，使排氣壓力達(dá)到1800kPa，吸氣壓力迅速下降，隨著制冷劑冷凝，通過電子膨脹閥的制冷劑質(zhì)量流量逐漸增加，導(dǎo)致吸氣和排氣壓力升高。隨著柜內(nèi)溫度逐漸降低，吸、排氣壓力下降，直到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。圖4為選擇的溫度點(diǎn)對應(yīng)的壓縮機(jī)吸排氣壓力和蒸發(fā)器進(jìn)、出口的壓力。

壓縮機(jī)吸氣壓力由149.6kPa升高至171.4kPa，壓縮機(jī)的排氣壓力變化比較明顯，－58.6℃的排氣壓力為1 058.7kPa，－40.4℃的排氣壓力為1206.7kPa。蒸發(fā)器進(jìn)出口的壓力隨著箱內(nèi)溫度的上升而上升，并且蒸發(fā)器的壓降增加，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，理論計算中未考慮蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流動壓降是不合理的，蒸發(fā)器內(nèi)的壓降影響制冷量的計算。由于復(fù)疊換熱器冷側(cè)的壓降，蒸發(fā)器出口至壓縮機(jī)的吸氣口之間存在較大的壓降，因此實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)布置了較多的壓力測點(diǎn)，確保準(zhǔn)確計算復(fù)疊換熱器冷側(cè)的負(fù)荷。

在線測量方法的驗(yàn)證通過如下兩個方面：估算未知狀態(tài)點(diǎn)的熱力參數(shù)，并與實(shí)驗(yàn)測試參數(shù)對比驗(yàn)證；在線測量方法計算所得總流組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與采樣方法測試的壓縮機(jī)排氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比。

圖5為在線測量方法計算所得狀態(tài)點(diǎn)溫度，包括t6、t8、t10、t11，可知在線測量方法對系統(tǒng)內(nèi)的狀態(tài)點(diǎn)估計有較高的精度，溫度的偏差均小于3 K 。 t8、t11預(yù)估有所差異是因?yàn)檫@兩個點(diǎn)處于兩相狀態(tài)，具有較大的不確定度。因此，所提在線方法具有較高的準(zhǔn)確性，可用于評估自復(fù)疊制冷系統(tǒng)。

圖6展示了在線測量方法計算得到的總組分和氣相色譜法采樣測試的對比結(jié)果，可知在線測量方法與采樣方法之間存在較小誤差。柜內(nèi)溫度為－40.4℃時，在線測量方法與采樣測量方法之間的相對誤差為4.45%。在－58.6、－46.2℃時，誤差分別為1.75%、1.23%。在－55.2、－51.5℃時，誤差均小于1.0%，所以必須考慮采樣方法的不確定性，在線測量方法對組分濃度的準(zhǔn)確性具有較好的預(yù)估效果。

組分與能效比不確定度的計算方法引用文獻(xiàn)［26］的方法，即參數(shù)的不確定度由每個參數(shù)偏差的幾何算術(shù)平均值確定，計算式如下

Ii=∑nj=1I2j（12）

Ij=Xj+－X0+Xj－－X02（13）

式中：j為傳感器參數(shù)；n為傳感器參數(shù)數(shù)量；X0為測量值得到的計算值；Xj+為測量值加上儀器不確定度得到的計算值；Xj－為測量值減去儀器不確定度得到的計算值。以組分計算為例，計算式如下

It=zt+－z0+zt－－z02=

f（t+εt，p，ρ）－z0+f（t－εt，p，ρ）－z02（14）

式中：It為溫度測試引起的不確定度；z0為溫度測試值計算得到的組分；zt+為溫度測量值加上其測量誤差εt計算得到的組分；zt－為溫度測量值減去其測量誤差εt計算得到的組分。相同的不確定度測量也可以應(yīng)用到由壓力和流量，利用在線測量方法中對總流組分和氣相流或液相流組分共用到了12個傳感器，Q e 的測量增加了3個傳感器，ε在此基礎(chǔ)上增加了功率測量的不確定度。

圖7為在線測量方法計算得到的ε、Q e 以及總流、氣相流中 R600a、R170 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不確定度。對于Q e 、ε，在－58.6 ℃ 存在最大的不確定度，ε的不確定度為7.12 % ，Q e 的不確定度為6.95 % 。在－40.4 ℃ 時，ε、Q e 有最小的不確定度，分別為3.46%、3.14%。對于總流、氣相流中組分的測量，由于測試參數(shù)一致，計算得到的不確定度比較接近，均在2%以下。

圖8為在線測量方法計算得到的不同柜內(nèi)溫度對應(yīng)的總流組分、氣相流組分和液相流組分。R600a/R170的充注比例為65%、35%，總流循環(huán)中高沸點(diǎn)組分R600a偏移到了55%以下，低沸點(diǎn)組分R170偏移到了45%以上，組分之間的偏移使得實(shí)驗(yàn)級別的系統(tǒng)能效無法達(dá)到理論循環(huán)的能效，基于組分的偏移規(guī)律才能指導(dǎo)組分的初始充注。在較低的柜內(nèi)溫度下，高沸點(diǎn)組分R600a參與循環(huán)的比例增加，而低沸點(diǎn)組分R170則相反，由此帶來了排氣壓力和排氣溫度的降低。

隨著柜內(nèi)溫度的上升，總流中低沸點(diǎn)R170逐漸增加，排氣壓力隨之上升。相應(yīng)地，進(jìn)入蒸發(fā)器的R170質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過了R600a，液相流中R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過了60%，盡管氣液分離效率不高，但是起到了組分分離的效果。較低溫度下蒸發(fā)器內(nèi)的R170質(zhì)量分?jǐn)?shù)在降低，意味著蒸發(fā)溫度降低的潛力在下降，在本實(shí)驗(yàn)的研究中，進(jìn)一步降低箱內(nèi)溫度變得困難。分離效率降低造成液相流中混合了部分氣相制冷劑，在整個溫度變化范圍內(nèi)，液相流中制冷劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較小，與文獻(xiàn)［26］研究結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

針對ARC系統(tǒng)運(yùn)行過程中組分濃度難以實(shí)時連續(xù)測量的問題，本文提出了一種混合工質(zhì)在線測量方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在線測量方法的可行性，并計算了方法的不確定度，得到如下主要結(jié)論。

（1）在線測量方法實(shí)現(xiàn)了組分濃度的實(shí)時測量，避免了采樣測量方法造成的系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量變化。基于混合工質(zhì)的系統(tǒng)內(nèi)組分、質(zhì)量、能量守恒準(zhǔn)則，在線測量了系統(tǒng)內(nèi)組分的循環(huán)濃度，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能效的在線評估。

（2）以應(yīng)用R600a/R170的ARC系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在線測量方法的可行性，保溫箱體內(nèi)部溫度從－40.4℃到－58.6℃，采用6個壓力傳感器和11個溫度傳感器全方面測試了部件的熱力參數(shù)。

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在線測量方法的準(zhǔn)確性，溫度是影響組分測量的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測試與在線測量之間的偏差小于3K。氣相色譜采樣的組分測量方法與在線測量方法之間的最大偏差小于4.5%，組分在線測量的不確定度小于2.0%，制冷量和能效比的不確定度小于7.5%。

混合工質(zhì)循環(huán)濃度是采用混合工質(zhì)能效評估的重要依據(jù)，在線測量方法能夠?qū)崟r、高效地測量混合工質(zhì)的循環(huán)濃度，避免了采樣方法造成的工質(zhì)泄漏對系統(tǒng)的影響，為應(yīng)用混合工質(zhì)的熱力系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

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（編輯 趙煒）