CN108369038B - 检测制冷系统的制冷剂充注损失的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定制冷系统的充注损失的方法,所述方法包括以下步骤:将环境温度、箱盒温度和压缩机速度输入到所述制冷系统的电子控制器中;以及通过应用具有表示正常操作条件的第一T‑Map的算法来计算在蒸发器上的第一空气侧温差。所述控制器然后可以确认满足检测先决条件。在确认后,所述控制器通过应用具有表示制冷剂充注损失的第二T‑Map的所述算法来计算在所述蒸发器上的第二空气侧温差。如果所述第一空气侧温差小于所述第二空气侧温差,那么就可以从所述控制器采取动作。
Description
发明背景
本公开涉及制冷系统,并且更具体地涉及检测制冷剂充注损失的方法。
在典型的制冷系统中,制冷剂流过压缩机并以高压离开。然后,加压制冷剂可以流过冷凝器,在冷凝器中,制冷剂可以从蒸气冷凝成液体,从而分配热量。呈液体形式的制冷剂从冷凝器流过膨胀阀,在膨胀阀处,其经历压力降。制冷剂从膨胀阀流过蒸发器,在蒸发器处,其从蒸发器吸收热量并返回到蒸气形式。
不同类型的制冷系统可利用不同的制冷剂并以不同的压力操作。一种类型的系统是可使用CO2作为制冷剂的跨临界制冷系统。这样的系统典型地以范围可为从1000psia至1800psia的高压操作。不幸地,操作压力越高,制冷剂泄漏的风险越高。此外,所有制冷系统都对制冷剂充注损失敏感并可能会失去操作效率或完全停止运行。此制冷剂充注损失的检测的改进是所要的。
发明概述
一种确定制冷系统的充注损失的方法包括:将供应/返回空气温度、环境温度、箱盒温度和压缩机速度输入到所述制冷系统的电子控制器中;计算在蒸发器上的实时空气侧温差;通过应用具有表示正常操作条件的第一T-Map的算法来计算在所述蒸发器上的第一空气侧温差;确认满足检测先决条件;通过应用具有表示制冷剂充注损失的第二T-Map的所述算法来计算在所述蒸发器上的第二空气侧温差;如果所述实时空气侧温差小于所述第一空气侧温差,那么采取动作;以及如果所述实时空气侧温差小于所述第二空气侧温差,那么采取动作。
除了前述实施方案之外,所述方法包括输入蒸发器多速风扇速度。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述算法应用多项式。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述第一T-Map和所述第二T-Map被预编程到所述控制器中并且提供多个常量对压缩机速度的曲线拟合。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述多个常量是作为所述多项式的部分应用到环境温度和箱盒温度变量的六个常量。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述检测先决条件是测量到的压缩机速度大于预定义压缩机速度。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述检测先决条件是所述第一空气侧温差大于预定义温差。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述检测先决条件是在从初始系统启动和初始下拉起经过预定义时间间隔后确定所述第一空气侧温差。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述检测先决条件是多个检测先决条件中的一个并且至少包括测量到的压缩机速度大于预定义压缩机速度、所述第一空气侧温差大于预定义温差和在从初始系统启动和初始下拉起经过预定义时间间隔后确定所述第一空气侧温差。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述第一T-Map和所述第二T-Map表示蒸发器空气侧温差对环境温度、箱盒温度、压缩机速度和制冷剂充注。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述制冷系统是跨临界制冷系统。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述方法包括输入蒸发器变速风扇速度。
一种根据另一非限制性实施方案的制冷系统包括:电子控制器,所述电子控制器包括:预编程的第一T-Map和预编程的第二T-Map,二者表示蒸发器空气侧温差对环境温度、箱盒温度、压缩机速度和制冷剂充注操作条件,并且其中所述第一T-Map表示正常操作条件,并且所述第二T-Map表示制冷剂充注损失,以及预编程的先决条件,所述预编程的先决条件被配置成在基于制冷剂充注损失而发起动作之前得到满足;并且其中所述电子控制器被配置成基于所述相应的第一T-map和第二T-map而计算第一蒸发器空气侧温差和第二蒸发器空气侧温差,并且如果所述第一空气侧温差小于所述第二空气侧温差,那么发起动作。
除了前述实施方案之外,所述制冷系统是跨临界制冷系统。
替代或另外地,在前述实施方案中,所述制冷剂是CO2。
前述特征和元件可以各种组合进行组合而不排他性地进行组合,除非另有明确指示。这些特征和元件及其操作将根据以下描述和附图而变得更为清楚。然而,应当理解,以下描述和附图旨在本质上是示例性的而不是限制性的。
附图简述
本领域的技术人员将从以下对所公开的非限制性实施方案的详细描述清楚各种特征。随附于详细描述的附图可以简述如下:
图1是作为本公开的一个非限制性示例性实施方案的利用运输制冷单元的制冷式集装箱的透视图;
图2是运输制冷单元的制冷系统的示意图;
图3是T-Map正常和T-Map充注损失数据的表;以及
图4是确定制冷系统的充注损失的方法的流程图。
详细描述
参照图1,制冷式集装箱10的示例性实施方案具有温度受控的货物空间12,温度受控的货物空间的气氛通过与货物空间12相关联的运输制冷单元14的操作来被制冷。在制冷式集装箱10的所示的实施方案中,运输制冷单元14安装在制冷式集装箱10的壁中,在常规实践中,典型地安装在前壁18中。然而,制冷单元14可以安装在制冷式集装箱10的顶板、地板或其它壁中。另外,制冷式集装箱10具有至少一个出入门16,易腐货物(例如新鲜或冷冻食品)可经由出入门来装载到制冷式集装箱10的货物空间12中和从其中取出。
现在参照图图2,示意性地示出了适用于运输制冷单元14中的制冷系统20的实施方案,其用于将从温度受控的货物空间12吸入并供应回温度受控的货物空间的空气制冷。虽然本文将结合常用于通过船舶、铁路、陆地或以联运方式来运输易腐货物的类型的制冷式集装箱10来描述制冷系统20,但应理解,制冷系统20也可在运输制冷单元中用来将用于运输易腐的新鲜或冷冻货物的卡车、拖车等的货物空间制冷。制冷系统20也适用于调节将被供应到住宅、办公楼、医院、学校、餐馆或其它设施内的气候受控的舒适区的空气。制冷系统20也可用于将被供应到商业机构中的陈列柜、商品柜、冷冻柜、冷藏室或其它易腐和冷冻产品存储区域的空气制冷。
制冷系统20可以包括可以是多级的压缩机30、可以是进行排热的热交换器的排热器40、闪蒸罐60、可以是吸收制冷剂热量的热交换器的蒸发器50以及制冷剂管线22、24和26,制冷剂管线在主制冷剂回路中以串联制冷剂流顺序连接上述部件。高压膨胀装置(HPXV)45(诸如像电子膨胀阀)在制冷剂管线24中设置在闪蒸罐60的上游和排热器40的下游。与蒸发器50可操作地相关联的蒸发器膨胀装置(EVXV)55(诸如像电子膨胀阀)在制冷剂管线24中设置在闪蒸罐60的下游和蒸发器50的上游。
压缩机30用于压缩制冷剂并使制冷剂循环通过主制冷剂回路,并且可以是具有第一压缩级30a和第二级30b的单个多级制冷剂压缩机(例如,往复式压缩机或涡旋式压缩机),其中从第一压缩级30a排出的制冷剂传递到第二压缩级30b以进一步压缩。可选地,压缩机30可以包括一对单独的压缩机,其中一个构成第一压缩级30a,而另一个构成第二压缩级30b,这对单独的压缩机经由制冷剂管线在主制冷剂回路中以串联流关系而连接,制冷剂管线将构成第一压缩级30a的压缩机的排放出口连接成与构成第二压缩级30b的压缩机的吸入入口制冷剂流连通以进一步压缩。在双压缩机实施方案中,压缩机可以是涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、往复式压缩机、旋转式压缩机或任何其它类型的压缩机或任何此类压缩机的组合。在两个实施方案中,在第一压缩级30a中,制冷剂蒸气从较低压力压缩到中间压力,并且在第二压缩级30b中,制冷剂蒸气从中间压力压缩到较高压力。
压缩机30可由变速电机32驱动,变速电机由输送通过变频驱动器34的电流供电。电流可从外部电源(未示出)(诸如像船载电站)或从附接到容器的前部的燃料驱动的发动机牵引的发电机单元(诸如柴油发动机驱动的发电机组)供应到变速驱动器34。变速压缩机30的速度可通过改变由变频驱动器34输出到压缩机驱动电机32的电流的频率来改变。然而,应当理解,压缩机30在其它实施方案中可以包括定速压缩机。
排热器40可以包括翅片管式热交换器42,从第二压缩级30b排出的热高压制冷剂(即,最终压缩充注)以与次级流体(最常见地,由风扇44吸入通过热交换器42的环境空气)成热交换关系而通过翅片管热交换器。翅片管式热交换器42可以包括例如翅片和圆管式热交换盘管或翅片和扁平微通道管式热交换器。在所示实施方案中,由变频驱动器48供电的变速电机46驱动与排热热交换器40相关联的风扇44。
当制冷系统20以跨临界循环操作时,从第二压缩级30b排出并通过排热器40的制冷剂的压力(本文中称为高压侧压力)超过制冷剂的临界点,并且排热器40起气体冷却器的作用。然而,应当理解,如果制冷系统20仅以亚临界循环操作,那么从压缩机排出并通过排热器40制冷剂的压力低于制冷剂的临界点,并且排热器40起冷凝器的作用。由于本文公开的操作方法涉及制冷系统20以跨临界循环操作,因此排热器本文中也称为气体冷却器40。
蒸发器50还可包括翅片管盘管式热交换器52,诸如翅片和圆管式热交换器或翅片和扁平微通道管式热交换器。无论制冷系统是以跨临界循环还是次临界循环操作,蒸发器50都起到制冷剂蒸发器的作用。在进入蒸发器50之前,通过制冷剂管线24的制冷剂穿过蒸发器膨胀阀55,诸如像电子膨胀阀或恒温膨胀阀,并膨胀到较低的压力和较低的温度以进入热交换器52。在液体制冷剂穿过热交换器52时,液体制冷剂以与加热流体成热交换关系而通过,从而使液体制冷剂蒸发并典型地过热至所要的程度。离开热交换器52的低压蒸气制冷剂通过制冷剂管线26到达第一压缩级30a的吸入入口。加热流体可以是由相关联风扇54从气候受控的环境(诸如与运输制冷单元相关联的易腐/冷冻货物存储区域、或商业机构的食物陈列或存储区域、或与空调系统相关联的建筑物舒适区)吸取的空气,其将被冷却并通常也进行除湿,并且因此被返回到气候受控的环境。
在气体冷却器40与蒸发器50之间的制冷剂管线24中设置在蒸发器膨胀阀55的上游和高压膨胀阀45的下游的闪蒸罐60起节能器和接收器的作用。闪蒸罐60限定腔室62,已穿过高压膨胀装置45的膨胀制冷剂进入其中并分离成液体制冷剂部分和蒸气制冷剂部分。液体制冷剂收集在腔室62中并且从此处通过蒸发器膨胀阀55以计量方式通过制冷剂管线24的下游支腿来流过蒸发器50。
蒸气制冷剂收集在液体制冷剂上方的腔室62中并且可从此处通过节能器蒸气管线64以用于将制冷剂蒸气注入压缩过程的中间级。节能器流量控制装置或阀65(诸如像具有打开位置和关闭位置的电磁阀(ESV))插置在节能器蒸气管线64中。当制冷系统20以节能模式操作时,节能器流量控制装置65就被打开,从而允许制冷剂蒸气从闪蒸罐60通过节能器蒸气管线64而进入压缩过程的中间级。当制冷系统20以标准非节能模式运行时,节能器流量控制装置65就被关闭,从而防止制冷剂蒸气从闪蒸罐60通过节能器蒸气管线64而进入压缩过程的中间级。
在压缩机30具有由制冷剂管线以串联流关系连接的两个压缩机(一个是第一压缩级30a,另一个是第二压缩级30b)的实施方案中,蒸气注入管线64与制冷剂管线连通以将第一压缩级30a的出口互连到第二压缩级30b的入口。在压缩机30包括具有使第一压缩级30a供给第二压缩级30b的单个压缩机的实施方案中,制冷剂蒸气注入管线64可通过通向压缩室的专用端口来直接地通向到压缩过程的中间级。
制冷系统20还包括控制器100,控制器与多个流量控制阀45、55和65可操作地相关联,流量控制阀插置在如先前所述的各种制冷剂管线中。如在常规实践中那样,除了监控环境空气温度(T环境)、供应箱盒空气(TSBAIR)和返回箱盒空气(TRBAIR)之外,控制器100还借助于与控制器100可操作地相关联并设置在整个制冷系统20的选定位置处的各种传感器来监控各种压力和温度以及操作参数。例如,压力传感器102可与用于测量压力排放(Pd)的压缩机30相关联地设置,或可与气体冷却器40相关联地设置以感测在气体冷却器40的热交换盘管42的出口处的制冷剂的压力,所述压力等同于(Pd);温度传感器104可与气体冷却器40相关联地设置以测量离开气体冷却器40的热交换盘管42的制冷剂的温度(Tgc);温度传感器106可与蒸发器50相关联地设置以感测离开蒸发器50的热交换器52的制冷剂的温度(TEVAPout);并且压力传感器108可与第一压缩级30a的吸入入口相关联地设置以感测供给到第一压缩级30a的制冷剂的压力(Ps)。压力传感器102和108可以是常规压力传感器,诸如像压力换能器,并且温度传感器104和106可以是常规温度传感器,诸如像热电偶或热敏电阻。
如本文所用的术语“控制器”是指用于控制的任何方法或系统,并且应当被理解为涵盖微处理器、微控制器、编程数字信号处理器、集成电路、计算机硬件、计算机软件、电子电路、专用集成电路、可编程逻辑器件、可编程门阵列、可编程阵列逻辑、个人计算机、芯片和离散模拟、数字或可编程部件的任何其它组合、或能够提供处理功能的其它装置。
控制器100被配置成以各种操作模式(包括若干容量模式)来控制制冷系统20的操作。容量模式是系统操作模式,其中制冷负荷强加在系统上,以要求压缩机在负荷状况下操作来满足冷却需求。在无负荷模式下,强加在系统上的冷却需求低至可产生足够的冷却容量来满足压缩机30在无负荷状况下运行时的冷却需求。控制器100还被配置成控制变速驱动器34以改变输送到压缩机驱动电机的电流的频率,以便响应于容量需求而改变压缩机30的速度。
如先前所指出,在运输制冷应用中,制冷系统20必须能够以高容量操作来在装载时快速下拉货箱内的温度,并且必须能够在运输期间维持箱盒温度在非常窄的范围(诸如像低至+/-0.25℃(+/-0.45°F))内的过程中以极低容量操作。取决于被装运的特定货物,所需箱盒空气温度的范围可从低至-34.4℃(-30°F)至高达30℃(86°F)。因此,控制器100将响应于冷却容量需求而选择性地操作制冷系统,诸如在初始下拉和恢复下拉期间、在针对非冷冻的易腐产品的节能易腐模式或标准非节能易腐模式下、以及在针对冷冻产品的节能冷冻模式或标准非节能冷冻模式下。
当箱盒温度维持在设定点箱盒温度左右的窄范围内时,控制器100还可选择性地以无负荷模式操作制冷系统20。典型地,通过监控和设定点控制供应箱盒空气(即,离开蒸发器50的空气)的温度(TSBAIR)和返回箱盒空气(即,进入蒸发器50的空气)的温度(TRBAIR)中的一者或两者来间接地控制箱盒温度。
虽然未示出,但是制冷系统20还可包括中间冷却器来作为空气冷却器40的部分,并且其设置在第一压缩级30a的排放出口与第二压缩级30b的入口之间的主制冷剂回路中,由此从第一压缩级30a的排放出口通向第二压缩级30b的入口的部分地压缩的(中压)制冷剂蒸气(气体)以与冷却介质流(诸如例如但不限于由气体冷却器风扇44产生的冷却空气流)成热交换关系通过。
由于跨临界制冷系统20以范围通常为约1000psia至1800psia的高压操作达相当长的时间,因此制冷剂泄漏的风险就会高于低压制冷系统。制冷剂损失可能导致失去冷却,这可能增加货物损坏的风险。本公开提供了一种在制冷系统遭受显著的冷却损失之前检测充注损失(即,制冷剂泄漏)的方法,从而在造成货物损坏之前提供时间来校正该状况。
在蒸发器50上的实时空气侧温差(dTa)(即,TRBAIR-TSBAIR)可通过如下所述的若干变量和参数来确定而不考虑系统操作模式:
(1)dTa=f(T环境,T箱盒,rpm_comp,rpm_evapfan,M充注)
其中(T环境)是环境温度,(T箱盒)是货箱温度,(rpm_comp)是压缩机速度,(rpm_evapfan)是蒸发器风扇速度,(M充注)是制冷剂充注。
空气侧温差(dTa)因此可通常表达为环境温度(T环境)、箱盒温度(T箱盒)、压缩机速度(rpm_comp)、蒸发器风扇速度(rpm_evapfan)和制冷剂充注(M充注)的函数。由于经由纯理论分析来建立等式的困难、时间和费用,因此可以应用方法曲线拟合。与纯借助于广泛实验测试来实现等式形式相较来说,许多模拟运行使得能够采用更有效的理论数学模型进行这种优化。
然后在所选择的各种条件下运行模型,以便涵盖制冷产品的典型操作范围。通过在规定条件下运行,可针对每个条件来确定空气侧温差(dTa)以及环境温度(T环境)、箱盒温度(T箱盒)、压缩机速度(rpm)、蒸发器风扇速度(rpm_evapfan)和制冷剂充注(M充注)。当完成所有条件时,就可创建空气侧温差对环境温度、箱盒温度、压缩机速度、蒸发器风扇速度和制冷剂充注的图(即,T-Map)。然后可基于该图而建立曲线拟合以获得空气侧温差的相关性。此相关性可以是二阶多项式等式。
例如,可以生成两个T-Map,参见图3。第一T-Map可表示正常制冷系统20操作(T-Map Normal)。第二T-Map可表示充注损失条件(T-Map Charge Loss)。对于这两种状况,二阶多项式等式可足够准确来估计在每个压缩机速度校正(从最小频率到最大频率)时的空气侧温差(dTa),然后可经由插值来获得在任何其它速度下的空气侧温差(dTa)。二阶多项式等式可以是:
(2)dTa=CF蒸发器风扇*[a0+a1(T环境)+a2(T箱盒)+a3(T环境)2+a4(T箱盒)2+a5(T环境xT箱盒)]
其中(CF蒸发器风扇)是基于蒸发器风扇速度的校正因子,是蒸发器风扇速度比(蒸发器风扇速度/最大蒸发器风扇速度)的函数。
为了建立可接受的置信水平,可以建立可检测充注损失的条件,从而避免错误检测。一般,在制冷系统20的高容量操作条件而不是低操作条件期间,可以较高置信度水平检测充注损失。此外,模拟表明,T-Map预测在高容量操作中也具有更高的准确性。因此,为了限定检测时间窗,当触发充注损失检测时,就可建立几条规则。此类规则可以包括:
a)压缩机速度或VFD:更高的压缩机速度表示更大的冷却容量。为了触发充注损失检测,压缩机30速度可能需要大于预定义速度。
b)在正常充电条件下的空气侧温差(即,T-Map Normal):为了触发充注损失检测,通过T-Map Normal计算出的空气侧温差应当大于预定义值。
c)间下拉运行:T-Map函数是基于曲线拟合的稳态模拟结果,因此当系统在高动态下操作时,在启动和初始下拉时间段内不适用或不准确。充注损失检测应当在启动和初始下拉后的某个时间上开始。
参照图4,可利用如先前论述的T-Map将充注损失检测算法预编程到控制器100中。例如,充注损失检测方法可以包括控制器100接收测量到的变量,诸如:箱盒温度(T箱盒)、压缩机速度(rpm)、蒸发器风扇速度(rpm_evapfan)和制冷剂充注(M充注),如步骤200。对于步骤202,控制器100可基于测量到的供应/返回空气温度而计算空气侧温差(dTa)。作为步骤204,控制器可以检查是否满足检测先决条件。如果“否”,那么该方法返回到步骤200,如果“是”,那么该方法前进到步骤206。如步骤206,控制器基于预编程的T-Map Normal和等式(1)而计算第一空气侧温差(dT1)。如步骤208,控制器100将测量到的空气侧温差(dT)和第一计算出的空气侧温差(dT1)进行比较。如果测量到的空气侧温差不小于第一空气侧温差乘以校正因子k(例如0.9),那么该方法返回到步骤200。否则,该方法继续到步骤210以触发充注检查警报。如步骤212,控制器基于预编程T-Map Charge Loss和等式(1)而计算第二空气侧温差。如步骤214,控制器100将测量到的空气侧温差与第二空气侧温差进行比较。如果测量到的空气侧温差不小于第二空气侧温差,那么该方法返回到步骤212。如果测量到的空气侧温差小于第二空气侧温差,那么该方法前进到步骤216。如步骤216,控制器100可发起表明充注损失的警报。
虽然本公开已参照示例性实施方案进行描述,但是本领域的技术人员应当理解,在不背离本发明的精神和范围的情况下,可以做出各种改变并且可以用等效物进行取代。另外,在不背离本公开的基本范围的情况下,可以应用各种修改以使本公开的教示适于特定状况、应用和材料。因此,本公开不限于本文所公开的特定实例,但是包括落在随附权利要求的范围内的所有实施方案。
Claims (11)
1.一种确定制冷系统的充注损失的方法,所述方法包括:
将离开/进入蒸发器的空气温度、环境温度、箱盒温度和压缩机速度输入到所述制冷系统的电子控制器中;
计算在蒸发器上的实时空气侧温差;
确认满足检测先决条件;
通过应用具有表示正常操作条件的第一T-Map的算法来计算在所述蒸发器上的第一空气侧温差;
通过应用具有表示制冷剂充注损失的第二T-Map的所述算法来计算在所述蒸发器上的第二空气侧温差;
如果所述实时空气侧温差小于所述第一空气侧温差,那么采取触发充注检查警报的动作;以及
如果所述实时空气侧温差小于所述第二空气侧温差,那么采取发起表明充注损失的警报的动作,
其中,所述第一T-Map和所述第二T-Map表示蒸发器空气侧温差对环境温度、箱盒温度、压缩机速度、蒸发器风扇速度和制冷剂充注的图。
2.如权利要求1所述的方法,所述方法还包括:
输入蒸发器多速风扇速度。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述算法应用多项式。
4.如权利要求3所述的方法,其中所述第一T-Map和所述第二T-Map被预编程到所述电子控制器中并且提供多个常量对压缩机速度的曲线拟合。
5.如权利要求4所述的方法,其中所述多个常量是作为所述多项式的部分应用到环境温度和箱盒温度变量的六个常量。
6.如权利要求1所述的方法,其中所述检测先决条件是测量到的压缩机速度大于预定义压缩机速度。
7.如权利要求1所述的方法,其中所述检测先决条件是所述第一空气侧温差大于预定义温差。
8.如权利要求1所述的方法,其中所述制冷系统是跨临界制冷系统。
9.一种制冷系统,所述制冷系统包括:
电子控制器,所述电子控制器包括:
预编程的第一T-Map和预编程的第二T-Map,二者表示蒸发器空气侧温差对环境温度、箱盒温度、压缩机速度、蒸发器风扇速度和制冷剂充注的图,并且其中所述第一T-Map表示正常操作条件,并且所述第二T-Map表示制冷剂充注损失条件,以及
预编程的先决条件,所述预编程的先决条件被配置成在基于制冷剂充注损失而发起动作之前得到满足;并且
其中所述电子控制器被配置成基于所述相应的第一T-map和第二T-map而计算蒸发器第一空气侧温差和蒸发器第二空气侧温差,并且
如果实时空气侧温差小于所述第一空气侧温差,那么采取触发充注检查警报的动作;以及
如果实时空气侧温差小于所述第二空气侧温差,那么采取发起表明充注损失的警报的动作。
10.如权利要求9所述的制冷系统,其中所述制冷系统是跨临界制冷系统。
11.如权利要求10所述的制冷系统,其中所述制冷系统的制冷剂是CO2。
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