CN105987860B - 测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的装置和方法。该装置包括平衡釜、制冷剂注入系统、循环系统、温度控制系统、密度计以及温度和压力测量系统。与现有技术相比，本发明的测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法和装置，不仅方法和装置易于实现，更重要的是，本发明通过测量平衡釜内液体的密度和其他常规参数，并采用了不同于现有技术的相关算法，更精准地计算出冷冻机油中的溶解度；另外，采用循环系统将平衡釜内的液体从釜出口再引入釜入口，加速制冷剂和冷冻机油的混合溶解，更快地达到气液相平衡。特别是，本发明的方法和装置可以适用于更广的温度范围和压力范围，基本上完全满足实际使用需求。

Description

测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法及装置

技术领域

本发明属于测量装置技术领域，涉及一种测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法及装置。

背景技术

出于全球节能和环境友好性的追求，在蒙特利尔会议和京都议定书签订后，人们加速了淘汰原有HCFCs型制冷剂，开发新型环保型制冷剂的步伐。

新制冷剂开发中，除了对新型制冷剂本身的热力学性质的研究，包括饱和蒸汽压、饱和气体导热系数、饱和液体粘度等参数的研究，以及在整个空调或热泵系统中对新制冷剂效果的改善外，还需要确认制冷剂和配合使用的冷冻机油的混合性能，并根据混合性能的研究对冷冻机油进行选择评价和改善，其中制冷剂与冷冻机油的溶解性能是混合性能的一个重要指示指标，并直接影响了制冷剂与冷冻机油混合物粘度。在实际压缩机及空调系统的运行中，制冷剂和冷冻机油的混合物的溶解性能在压缩机内摩擦磨损、冷却、密封以及整个空调系统油循环率上都起到重要的作用。

但是，由于制冷剂在常温常压中以气体状态存在，而在空调和压缩机的运行过程中，在不同的部件位置存在不同的温度和压力情况，所以制冷剂和冷冻机油的混合物的溶解性能并不能简单的通过加入比例进行考察，而且需要考察不同的压力、温度和制冷剂注入量的溶解度情况，因此开发出一种可以快速获得不同温度下各种制冷剂在冷冻机油中的溶解度数据的测量方法和装置尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法及装置，可以获得各种制冷剂在冷冻机油中的溶解度数据。

本发明一方面提供了一种测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的装置，该装置包括：平衡釜，其包括用于容置制冷剂和冷冻机油的气液相平衡釜腔，以及与该釜腔连通的釜入口和釜出口；制冷剂注入系统，其将制冷剂注入所述釜腔并测控制冷剂的注入量；循环系统，其用于将所述釜腔内的液体从所述釜出口引出，再引入所述釜入口；温度控制系统，用于控制所述釜腔和所述循环系统内的温度；密度计，其用于测量从所述釜出口引出混合液体的密度；温度和压力测量系统，其用于测量所述釜腔内的温度和压力；所述制冷剂注入系统还包括真空泵，其用于对整个所述制冷剂注入系统、所述釜腔和所述循环系统进行抽真空处理。

优选的，所述循环系统包括连通所述釜出口和釜入口的循环管道，以及设置在所述循环管道上的循环泵，所述循环泵将所述釜腔内的混合液体从所述釜出口引出，再引入所述釜入口。

优选的，所述密度计设置在所述循环管道上。

优选的，所述循环泵为高压循环泵，其设计压力为0～16Mpa，额定流量为4升/分钟。

优选的，所述温度控制系统采用空气浴的温度控制方式。

优选的，所述制冷剂注入系统包括制冷剂气源，一端连通所述制冷剂气源、另一端连通所述釜入口的制冷剂注入管道，以及设置在所述制冷剂注入管道上用于测量制冷剂注入量的质量流量计。

优选的，所述温度和压力测量系统包括用于测量所述釜腔内的温度的温度传感器，用于测量所述釜腔内的气体压力的压力传感器，以及实时记录所述温度传感器和所述压力传感器所测量数据的数据记录仪。

本发明另一方面提供了一种采用上述装置测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法，该方法包括以下步骤：S1、在所述釜腔中加入已知质量的冷冻机油；S2、采用所述真空泵对所述制冷剂注入系统、所述釜腔和所述循环系统进行抽真空处理；S3、采用所述制冷剂注入系统将一定量的制冷剂注入所述釜腔；S4、采用所述温度控制系统调控所述釜腔内温度，并保持恒温；开启所述循环系统将所述釜腔内的液体从所述釜出口引出，再引入所述釜入口，进行循环；S5、待所述釜腔内达到气液相平衡，采用所述密度计测量从所述釜出口引出液体的密度，通过所述温度和压力测量系统获得所述釜腔内的温度和压力；S6、根据步骤S5所测得的釜腔内液体密度、所述釜腔内的温度和压力，通过计算获得在该温度和压力下，所述制冷剂在所述冷冻机油中的溶解度。

优选的，在所述步骤S6中，溶解度的计算过程如下：首先，根据所述步骤S5中所测得釜腔内的温度和压力，获得所述制冷剂的比容积v；再根据公式(1)：

获得所述步骤S5中釜腔内达到气液相平衡时的气体体积V_rg；

最后根据公式(2)：

获得所述步骤S5中釜腔内达到气液相平衡时制冷剂在冷冻机油中的溶解度S；其中，V表示所述釜腔的总容积；ρ_混表示所述步骤S5所测得的釜腔内液体密度；m_oil表示加入到所述釜腔中的冷冻机油的总质量；m_r表示注入到所述釜腔中的制冷剂的总质量。

本发明再一方面提供了一种采用上述装置在测量制冷剂在冷冻机油中溶解度方面的应用，该装置可以用于测量温度范围为-20～120℃，压力范围为0～6.0MPa的条件下制冷剂在冷冻机油中溶解度。

与现有技术相比，本发明的测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法和装置，不仅方法和装置易于实现，更重要的是，本发明采用了不同于现有技术的特别算法，通过测量平衡釜内液体的密度和其他常规参数，更精准地计算出冷冻机油中的溶解度；另外，采用循环系统将平衡釜内的液体从釜出口再引入釜入口，加速制冷剂和冷冻机油的混合溶解，更快地达到气液相平衡。特别是，本发明的方法和装置可以适用于更广的温度范围和压力范围，基本上完全满足实际使用需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明实施例的测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的装置的示意图；

图2为本发明实施例的测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法的流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

如图1所示，本发明实施例的测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的装置100包括：平衡釜10、真空泵20、制冷剂注入系统30、温度控制系统40、循环系统50、密度计60、温度和压力测量系统70。

平衡釜10包括气液相平衡釜腔11、以及与该釜腔11连通的釜入口12和釜出口13。在本实施例中，平衡釜10可以采用高压平衡釜。

真空泵20用于对釜腔11、制冷剂注入系统30和循环系统50进行抽真空处理。真空泵20可以对所有与釜入口12连通的管腔进行抽真空处理。

制冷剂注入系统30将制冷剂注入釜腔11并测控制冷剂的注入量。在本实施例中，制冷剂注入系统30包括制冷剂气源31，一端连通制冷剂气源31、另一端连通釜入口12的制冷剂注入管道32，以及设置在制冷剂注入管道32上用于测量制冷剂的注入量的质量流量计33。具体来说，质量流量计33包括测量质量流量的部分，以及PLC和电磁阀，三者联动从而对制冷剂注入流量进行采集和控制，可以采用现有技术中已有的质量流量计。

温度控制系统40用于控制釜腔11内的温度。在本实施例中，温度控制系统40采用空气浴的温度控制方式，其可以包括高低温交变箱等。采用空气浴的温度控制方式，便于在其底部安装其他传感器，以及观察平衡釜10釜腔11内的液面和循环系统50。

循环系统50用于将釜腔11内的液体从釜出口13引出，再返回到釜入口12，进行循环。采用循环系统50，将釜腔11底部的液体引出，再从釜入口12返回釜腔11，可以加速制冷剂气体与冷冻机油的混合，加快釜腔11内达到气液相平衡的速度。

在本实施例中，循环系统50包括连通釜出口13和釜入口12的循环管道51，以及设置在循环管道51上的循环泵52，循环泵52将釜腔11内的液体从釜出口13泵出，再泵入釜入口12。在本实施例中，循环泵52为高压循环泵，其设计压力为0～16Mpa，额定流量为4升/分钟。

密度计60用于测量从釜出口13引出液体的密度。在本实施例中，密度计60设置在循环管道51上，且位于循环泵52与釜入口12之间。

在一个变形实施例中，循环系统中不安装密度计，而是再安装另一管路从釜腔11内引出少量液体，并在该管路上安装密度计测量引出液体的密度。

在现有技术中，如果待达到气液相平衡后，打开平衡釜10，再测量釜腔11内液体的密度，这样的测量方式破坏了釜腔11内的平衡，制冷剂大量逸出，无法获得准确的混合溶液密度数据。或者，如上述变形实施例，安装另一管路从釜腔11内引出少量液体进行测量，但这也会对釜腔11内的气液相平衡稍微产生一些影响，可能需要等待二次平衡。又或者避开溶液密度测量，在高压平衡釜上安装视镜，通过目视参观液面位置推算溶液体积，但目视误差较大，加上液面存在扰动，使得测量的数据不够准确。

而在本实施例的装置中，釜腔11内的液体在不断循环的过程中最终达到气液相平衡，而将密度计60设置在循环管道51上，结合循环过程和在线的密度计监测，就能直接测得平衡时釜腔11内液体的密度，不需要破坏釜腔11内的平衡，测得的密度数据更精准。因此，本实施例的装置，采用简单的结构既快速实现了制冷剂气体与冷冻机油的混合，又准确地测量了釜腔11内液体的密度。

温度和压力测量系统70用于测量釜腔11内的温度和压力。在本实施例中，温度和压力测量系统70包括用于测量釜腔11内的温度的温度传感器71，用于测量釜腔11内的压力的压力传感器72，以及实时记录(并且报告操作者)温度传感器71和压力传感器72的测量数据的数据记录仪73。

采用本实施例的装置来测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法，包括以下步骤：

S1、在釜腔11中加入已知质量的冷冻机油。

S2、采用真空泵20对釜腔11、制冷剂注入系统30和循环系统50进行抽真空处理。在本实施例中，通过调节管道阀门，真空泵20可以对整个制冷剂注入管道32和整个循环管道51进行抽真空。

S3、采用制冷剂注入系统30将一定量的制冷剂注入釜腔11。

S4、采用温度控制系统40调控釜腔11内温度，并保持恒温；开启循环系统50将釜腔11内的液体从釜出口13引出，再从釜入口12返回釜腔11。在本实施例中，循环系统50中，液体流速为0.2～20L/min。

S5、待釜腔11内达到气液相平衡，采用密度计60测量从釜出口12引出液体的密度，通过温度和压力测量系统70获得釜腔11内的温度和压力。

S6、根据S5所测得的釜腔11内液体密度、釜腔11内的温度和压力，通过计算获得在该温度和压力下，制冷剂在冷冻机油中的溶解度。

下面详述采用本实施例的装置来测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法。

在测量正式开始之前，先向干净的平衡釜10的釜腔11内通入一定气体，测量釜腔11内的总容积V。测量开始后，在平衡釜10的釜腔11内加入一定量的冷冻机油(利用天平称量实际质量)。通过真空泵20对釜腔11、整个制冷剂注入管道32以及整个循环管道51进行抽真空进行抽真空处理，并检测整个装置的密封效果。打开制冷剂气源31(例如装有制冷剂的高压气罐)的阀门，制冷剂气体经制冷剂注入管道32，从釜入口12注入釜腔11，同时，制冷剂注入管道32上的质量流量计33测量制冷剂的注入量。

注入完毕后，通过温度控制系统40设定平衡釜10的环境温度，并保持恒温。开启循环泵52，将釜腔11内的液体从釜出口13泵出，再泵入釜入口12，釜腔11内液体循环流动，加快热平衡速度。

经过一段时间后，釜腔11内达到气液相平衡，此时，通过温度传感器71和压力传感器72所测量的釜腔11内的温度和压力的实时数据基本保持稳定；记录此时的温度和压力数据，以及密度计60所测量的循环管道51中液体的密度(即釜腔11内液体的密度)。

在气液相平衡的状态，一部分制冷剂溶入冷冻机油中形成液态混合物，一部分制冷剂以气态的形式存在于釜腔11内、液态混合物的上方；因此，通过测得液态混合物的质量，再减去冷冻机油的质量，即为溶解在冷冻机油中制冷剂的质量，从而就能计算出制冷剂在冷冻机油中的溶解度。

液态混合物的整体质量可以通过液体密度和液体体积加以计算获得，但简单的对液面的观察虽然可以提供溶液体积信息，但误差较大，所以需要结合平衡状态下制冷剂气体特性和溶液密度加以计算。

首先，根据气液相平衡时，所测得的釜腔11内的温度和压力数据，获得该特定制冷剂的比容v。

例如，根据特定制冷剂的压力－热焓关系曲线图，从温度和压力条件可以推算出容器内制冷剂的气体比容积v(m³/kg)，即单位质量的气体的体积。关于这一点，是本领域技术人员所熟知的。

然后，根据公式(1)：

获得所述步骤S5中釜腔内达到气液相平衡时的气体体积V_rg；

最后根据公式(2)：

获得所述步骤S5中釜腔内达到气液相平衡时制冷剂在冷冻机油中的溶解度S；

其中，V表示所述釜腔的总容积；ρ_混表示所述步骤S5所测得的釜腔内液体密度；m_oil表示加入到所述釜腔中的冷冻机油的总质量；m_r表示注入到所述釜腔中的制冷剂的总质量。

本实施例的装置和方法可以用于测量温度范围为-20～120℃，压力范围为0～6.0MPa的条件下制冷剂在冷冻机油中溶解度。考虑到空调系统及其压缩机正常运行过程中，压缩机油池温度和排气温度一般在60～110℃范围内，系统和压缩机压力在使用除CO₂外的各制冷剂时，一般在0～5.0MP范围内，该装置的测量范围基本上可以完全满足实际使用需求。

综上可知，本发明的测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法和装置，不仅方法和装置易于实现，更重要的是，本发明采用了不同于现有技术的特别算法，通过测量平衡釜内液体的密度和其他常规参数，更精准地计算出冷冻机油中的溶解度；另外，采用循环系统将平衡釜内的液体从釜出口再引入釜入口，加速制冷剂和冷冻机油的混合溶解，更快地达到气液相平衡。特别是，本发明的方法和装置可以适用于更广的温度范围和压力范围，基本上完全满足实际使用需求。

Claims (8)

1.一种测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的装置，其特征在于，该装置包括：

平衡釜，其包括用于容置制冷剂和冷冻机油的气液相平衡釜腔，以及与该釜腔连通的釜入口和釜出口，所述釜入口位于所述釜腔的顶部，所述釜出口位于所述釜腔的底部；

制冷剂注入系统，其将制冷剂通过所述釜入口注入所述釜腔并测控制冷剂的注入量；

循环系统，其用于将所述釜腔内的液体从所述釜出口引出，再引入所述釜入口；

温度控制系统，用于控制所述釜腔和所述循环系统内的温度；

密度计，其用于测量从所述釜出口引出混合液体的密度；

温度和压力测量系统，其用于测量所述釜腔内的温度和压力；

所述制冷剂注入系统还包括真空泵，其用于对整个所述制冷剂注入系统、所述釜腔和所述循环系统进行抽真空处理；

其中，所述循环系统包括连通所述釜出口和釜入口的循环管道，以及设置在所述循环管道上的循环泵，所述循环泵将所述釜腔底部的混合液体从所述釜出口引出，再引入所述釜入口，所述密度计设置在所述循环管道上。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述循环泵为高压循环泵，其设计压力为0～16Mpa，额定流量为4升/分钟。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述温度控制系统采用空气浴的温度控制方式。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述制冷剂注入系统包括制冷剂气源，一端连通所述制冷剂气源、另一端连通所述釜入口的制冷剂注入管道，以及设置在所述制冷剂注入管道上用于测量制冷剂注入量的质量流量计。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述温度和压力测量系统包括用于测量所述釜腔内的温度的温度传感器，用于测量所述釜腔内的气体压力的压力传感器，以及实时记录所述温度传感器和所述压力传感器所测量数据的数据记录仪。

6.一种采用如权利要求1所述装置来测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、在所述釜腔中加入已知质量的冷冻机油；

S2、采用所述真空泵对所述制冷剂注入系统、所述釜腔和所述循环系统进行抽真空处理；

S3、采用所述制冷剂注入系统将一定量的制冷剂注入所述釜腔；

S4、采用所述温度控制系统调控所述釜腔内温度，并保持恒温；开启所述循环系统将所述釜腔内的液体从所述釜出口引出，再引入所述釜入口，进行循环；

S5、待所述釜腔内达到气液相平衡，采用所述密度计测量从所述釜出口引出液体的密度，通过所述温度和压力测量系统获得所述釜腔内的温度和压力；

S6、根据步骤S5所测得的釜腔内液体密度、所述釜腔内的温度和压力，通过计算获得在该温度和压力下，所述制冷剂在所述冷冻机油中的溶解度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：在所述步骤S6中，溶解度的计算过程如下：

首先，根据所述步骤S5中所测得釜腔内的温度和压力，获得所述制冷剂的比容积ν；

再根据公式(1)：

获得所述步骤S5中釜腔内达到气液相平衡时的气体体积V_rg；

最后根据公式(2)：

获得所述步骤S5中釜腔内达到气液相平衡时制冷剂在冷冻机油中的溶解度S；

其中，V表示所述釜腔的总容积；ρ_混表示所述步骤S5所测得的釜腔内液体密度；m_oil表示加入到所述釜腔中的冷冻机油的总质量；m_γ表示注入到所述釜腔中的制冷剂的总质量。

8.一种采用如权利要求1所述装置在测量制冷剂在冷冻机油中溶解度方面的应用，其特征在于：该装置可以用于测量温度范围为-20～120℃，压力范围为0～6.0MPa的条件下制冷剂在冷冻机油中溶解度。