CN110702557B - 一种制冷剂/润滑油vle可视化实验系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统及其测量方法，包括循环系统、恒温槽、温度测量系统、压力测量系统、抽真空系统和制冷剂瓶；循环系统包括可视化平衡釜、齿轮泵和样品罐，可视化平衡釜设在恒温槽内的介质中，其两侧采用高硼硅玻璃视窗，并通过管道分别与样品罐和齿轮泵相连接，样品罐与齿轮泵之间通过管道相连接，样品罐的两端设有阀门，可在管道中拆卸，进而取下样品罐，样品罐和齿轮泵安装在大气环境中，并进行保温处理；温度测量系统分别与恒温槽、样品罐相连接；压力测量系统、抽真空系统、制冷剂瓶分别与可视化平衡釜相连接。本发明可有效提高制冷剂/润滑油VLE的测量精度。

Description

一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及相平衡测试的技术领域，尤其是指一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统及其测量方法。

背景技术

制冷剂/润滑油混合物的VLE性质，决定了二者混合物的溶解度、粘度、导热系数、表面张力等物性参数，对于新型低GWP替代制冷剂在制冷系统中的规模化、商业化应用，以及制冷系统的设计及其优化起到至关重要的作用。

目前，制冷剂/润滑油的VLE测量的方法主要分为等体积饱和法和单一相循环法两种。虽然等体积饱和法的实验系统简单，操作方便，但在计算制冷剂在润滑油中的溶解度时，需做出以下假定：若溶解到润滑油中的制冷剂为液相，则需假定液相的制冷剂与润滑油为理想混合；若溶解到润滑油中的制冷剂为气相，则需假定溶解到润滑油中制冷剂的摩尔体积为在无限稀释情况下的偏摩尔体积。另外，等体积饱和法还需要标定实验系统的容积，由于平衡釜存在死体积，而且大多数实验装置使用不锈钢加工而成，对气体存在吸附作用。无论是使用水还是气体作为标定介质，特别是对于小容积的平衡釜，标定精度较难控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于单一相循环法的制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统及其测量方法，可有效提高制冷剂/润滑油VLE的测量精度。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统，包括循环系统、恒温槽、温度测量系统、压力测量系统、抽真空系统和制冷剂瓶；所述循环系统包括可视化平衡釜、齿轮泵和样品罐，所述可视化平衡釜设在恒温槽内的介质中，其两侧采用高硼硅玻璃视窗，并通过管道分别与样品罐和齿轮泵相连接，所述样品罐与齿轮泵之间通过管道相连接，且所述样品罐的两端设有阀门，能够在管道中拆卸，进而取下样品罐，所述样品罐和齿轮泵安装在大气环境中，并进行保温处理；所述温度测量系统分别与恒温槽、样品罐相连接；所述压力测量系统、抽真空系统、制冷剂瓶分别与可视化平衡釜相连接；实验时，充注制冷剂和润滑油到可视化平衡釜中，开启齿轮泵，当温度和压力的波动在不确定度内波动时，则达到热力学平衡，此时，取下样品罐，通过称重分析法即可得到制冷剂在润滑油中的溶解度。

进一步，所述齿轮泵与可视化平衡釜之间、样品罐与可视化平衡釜之间、制冷剂瓶与可视化平衡釜之间及抽真空系统与可视化平衡釜之间连接的管道上均安装有阀门，且暴露在大气环境中的管道安装有保温套管。

进一步，所述恒温槽为可视化恒温槽，并配置有制冷模块、制热模块、搅拌装置和控温模块，恒温槽设定的温度从233.15～383.15K，温度的波动低于4mK。

进一步，所述温度测量系统包括计算机、多通道测温仪、第一铂电阻和第二铂电阻；所述第一铂电阻和第二铂电阻分别通过多通道测温仪与计算机相连接；所述第一铂电阻伸入恒温槽内的介质中，其作用是检测可视化平衡釜的温度；所述第二铂电阻安装在样品罐内，其作用是为了检验循环系统温度的均匀性。

所述压力测量系统采用绝压变送器，所述绝压变送器安装在可视化平衡釜的上顶盖，并分别与多通道测温仪和可视化平衡釜相连接，通过多通道测温仪记录可视化平衡釜的压力数据；所述可视化平衡釜的上顶盖通过六角螺栓可拆卸地安装在平衡釜筒体上，该可视化平衡釜的工作压力为0～10MPa，工作温度为263.15～373.15K；所述齿轮泵的转速为500～6000RPM，工作压力为0～2.1MPa，其作用在于给制冷剂/润滑油的混合物提供一个循环的动力。

进一步，所述抽真空系统包括相连的真空泵和油气分离器，所述油气分离器内部为一个伞形结构。

本发明提供了上述制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，包括以下步骤：

1)向可视化平衡釜中加入润滑油，在此过程中要尽量防止润滑油暴露在大气环境中，充注完毕后，通过抽真空系统对可视化平衡釜抽真空到润滑油的蒸气压以下；

2)向可视化平衡釜中充注制冷剂；

3)设定恒温槽温度，开启齿轮泵，当第一铂电阻和第二铂电阻温度趋于一致，且温度及压力规定时间内保持在不确定度以内波动，即认为系统达到平衡状态，此时，观察可视化平衡釜内是否有沉淀或者分层产生，若有沉淀或者分层产生，则证明制冷剂和润滑油不互溶，记录温度、压力数据；若没有沉淀或者分层产生，则证明制冷剂和润滑油互溶，记录温度、压力数据；

4)关闭齿轮泵，取下样品罐称重，记录总质量后，连接油气分离器并进行抽真空，抽到接近润滑油的蒸气压，在抽真空过程中需特别注意不能把润滑油抽出，而后再对样品罐及油气分离器称重；

5)计算步骤3)记录的温度、压力数据下的制冷剂在润滑油中的溶解度；

6)重新安装样品罐，对在步骤4)操作过程中暴露在大气环境中的实验系统部分管道抽真空到润滑油的蒸气压以下，重复步骤3)～5)，即可得到不同温度下溶解度的数据。

进一步，计算制冷剂在润滑油中的溶解度采用以下公式：

m_r＝m_s1-m_s2-m_o2

m_l＝m_s2+m_o2-m_s

m_o2＝m_o1-m_o

式中：x_r为制冷剂在润滑油中的溶解度；m_r、m_l、m_s、m_s1、m_s2分别为制冷剂的质量、润滑油的质量、样品罐的净重、样品罐第一次称重的质量、样品罐第二次称重的质量；m_o、m_o1、m_o2分别为油气分离器的净重、油气分离器第一次称重的质量、油气分离器中残留润滑油的质量；M_r为制冷剂的摩尔质量；M_l为润滑油的摩尔质量。

进一步，在步骤4)中，抽真空到润滑油的蒸气压，认为此时样品罐中的制冷剂全部被抽出，只含有润滑油。

进一步，在步骤1)之前还包括以下步骤：

清洗可视化平衡釜、样品罐及油气分离器，测量样品罐和油气分离器的净重和测试实验系统的气密性。

进一步，使用丙酮清洗可视化平衡釜、样品罐及油气分离器，并对样品罐和油气分离器抽真空至0.001Pa，记录样品罐和油气分离器的净重；在实验开始操作之前，向实验系统充注高压的CO₂，静置一段时间，若压力波动一直在不确定度以内，则认为实验系统气密性良好。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、适用于任何制冷剂/润滑油VLE测量，通过玻璃视窗可以观察制冷剂/润滑油的相平衡状态情况。

2、不需要标定各实验装置的容积，避免了因容积标定不准确而引起的测量误差。

3、通过称重分析法获得溶解度的数据，避免了传统的等体积饱和法的系统误差。

总之，本发明极大地提高了制冷剂/润滑油的VLE测量精度，为研究者测量制冷剂/润滑油的VLE性质提供了一种可靠的方法。

附图说明

图1为本发明的实验系统示意图。

图中：1为可视化平衡釜，2为恒温槽，3为绝压变送器，4为样品罐，5为齿轮泵，6为制冷剂瓶，7为真空泵，8为多通道测温仪，9为计算机，P1为第一铂电阻，P2为第二铂电阻，V1～V5为阀门。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1所示，本实施例所提供的制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统，包括循环系统、恒温槽2、温度测量系统、压力测量系统、抽真空系统和制冷剂瓶6；循环系统包括可视化平衡釜1、齿轮泵5和样品罐4，可视化平衡釜1设在恒温槽2内的介质中，其两侧采用高硼硅玻璃视窗，并通过管道与样品罐4和齿轮泵5连接，样品罐4与齿轮泵5之间通过管道相连接，样品罐4的两端设有阀门，可在管道中拆卸，进而取下样品罐4，样品罐4和齿轮泵5安装在大气环境中，并进行保温处理；温度测量系统分别与恒温槽2、样品罐4相连接；压力测量系统、抽真空系统、制冷剂瓶6分别与可视化平衡釜1相连接。

工作原理：充注制冷剂和润滑油到可视化平衡釜1中，打开齿轮泵5，当温度和压力的波动在不确定度内波动时，则达到热力学平衡，此时，取下样品罐4，通过称重分析法即可得到制冷剂在润滑油中的溶解度，避免了因容积标定不准确而带来的测量误差。可视化平衡釜1的工作压力为0～10MPa，工作温度为263.15～373.15K；齿轮泵5的转速为500～6000RPM，工作压力为0～2.1MPa，其作用在于给制冷剂/润滑油的混合物提供一个循环的动力。

齿轮泵5与可视化平衡釜1之间、样品罐4与可视化平衡釜1之间、制冷剂瓶6与可视化平衡釜1之间及抽真空系统与可视化平衡釜1之间连接的管道上均安装有阀门，为图中V2～V5，且暴露在大气环境中的管道上安装有保温套管进行保温处理。

所述恒温槽2采用可视化恒温槽，配有制冷模块、制热模块、搅拌装置和控温模块，恒温槽设定的温度可以从233.15～383.15K，温度的波动低于4mK。

所述温度测量系统包括计算机9、多通道测温仪8和第一铂电阻P1、第二铂电阻P2，第一铂电阻P1和第二铂电阻P2分别通过多通道测温仪8与计算机9相连接；第一铂电阻P1为二等标准铂电阻，伸入恒温槽2内的介质中，其作用是检测可视化平衡釜1的温度；第二铂电阻P2为1/10DIN铂电阻，安装在样品罐4内，其作用是为了检验循环系统温度的均匀性。

所述压力测量系统采用绝压变送器3，绝压变送器3安装在可视化平衡釜1的上顶盖，并分别与多通道测温仪8和可视化平衡釜1相连接，可通过多通道测温仪8记录可视化平衡釜1的压力数据。其中，可视化平衡釜1的上顶盖通过六角螺栓可拆卸地安装在平衡釜筒体上。

所述抽真空系统包括相连的真空泵7和油气分离器(图中未画出)，油气分离器内部设计为一个伞形结构。

本实施例也提供了上述制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，包括如下步骤：

1)使用丙酮清洗可视化平衡釜1、样品罐4及油气分离器，并对样品罐4和油气分离器抽真空至0.001Pa，记录样品罐4和油气分离器的净重。

2)在实验开始操作之前，向实验系统充注高压的CO₂，静置一夜，若压力波动一直在不确定度以内，则认为实验系统气密性良好。

3)打开可视化平衡釜1的上顶盖，向可视化平衡釜1中加入适量的润滑油，在此过程中要尽量防止润滑油暴露在大气环境中，充注完毕后，对可视化平衡釜1抽真空到润滑油的蒸气压以下。

4)打开阀门V4，充注适量的制冷剂。

5)设定恒温槽2的温度，开启齿轮泵5，当第一铂电阻P1和第二铂电阻P2温度趋于一致，且温度及压力长时间(30分钟以上)保持在不确定度以内波动，即可认为系统达到平衡状态，此时，观察可视化平衡釜1内是否有沉淀或者分层产生，若有沉淀或者分层产生，则证明制冷剂和润滑油不互溶，记录温度、压力数据；若没有沉淀或者分层产生，则证明制冷剂和润滑油互溶，记录温度、压力数据。

6)关闭齿轮泵5、阀门V2和V3，取下样品罐4称重，记录总质量后，连接油气分离器并进行抽真空，抽到接近润滑油的蒸气压(认为此时样品罐4中只含有润滑油)，在此过程中需特别注意不能把润滑油抽出，而后再次对样品罐4及油气分离器称重。

7)计算步骤5)记录的温度、压力数据下的制冷剂在润滑油中的溶解度。

8)重新安装样品罐4，对在步骤6)操作过程中暴露在大气环境中的实验系统部分管道(取下样品罐4时，管道上阀门V2和V3也会关闭，所以只有V2至V3这一段管道暴露在大气环境中，只需要把这一段管道抽真空即可)抽真空到润滑油的蒸气压以下，具体做法是：连接抽真空系统和阀门V1，打开阀门V1，抽真空至润滑油的蒸气压以下，关闭阀门V1和真空泵7，而后打开阀门V2和V3，重复步骤5)～7)，即可得到不同温度下溶解度的数据。

下面我们以测量R290/角鲨烷VLE数据为例，在实验开始前，先使用丙酮清洗可视化平衡釜1、样品罐4和油气分离器，检测实验系统的气密性，并对样品罐4和油气分离器抽真空至0.001Pa，记录二者的净重；然后向可视化平衡釜1中加入角鲨烷，抽真空到1Pa以下，以排除润滑油中不溶性的杂质，打开阀门V4，充注适量的制冷剂；设定恒温槽2温度，并开启齿轮泵5，通过玻璃视窗观察相平衡状态，当第一铂电阻P1和第二铂电阻P2温度趋于一致，且温度及压力长时间(30分钟以上)保持在不确定度(第一铂电阻P1±10mK；第二铂电阻P2±100mK；压力±2.4kPa)以内波动，则认为系统达到平衡状态，使用多通道测温仪8记录温度和压力的数据，关闭齿轮泵5、阀门V2和V3，取下样品罐4，记录样品罐的总质量后，连接油气分离器并进行抽真空，抽到1Pa(认为此时样品罐4中只含有润滑油)，分别记录样品罐4的质量和油气分离器的质量。

R290在角鲨烷中的溶解度可由式(1)、(2)、(3)、(4)联立计算得出：

m_r＝m_s1-m_s2-m_o2 (2)

m_l＝m_s2+m_o2-m_s (3)

m_o2＝m_o1-m_o (4)

式中：x_r为制冷剂在润滑油中的溶解度；m_r、m_l、m_s、m_s1、m_s2分别为制冷剂的质量、润滑油的质量、样品罐的净重、样品罐第一次称重的质量、样品罐第二次称重的质量；m_o、m_o1、m_o2分别为油气分离器的净重、油气分离器第一次称重的质量、油气分离器中残留润滑油的质量；M_r为R290的摩尔质量；M_l为角鲨烷的摩尔质量。

本发明原则上适用于压力范围0～2.1MPa，温度范围263.15～373.15K任何制冷剂/润滑油VLE数据的测定。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，所述制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统包括循环系统、恒温槽、温度测量系统、压力测量系统、抽真空系统和制冷剂瓶；所述循环系统包括可视化平衡釜、齿轮泵和样品罐，所述可视化平衡釜设在恒温槽内的介质中，其两侧采用高硼硅玻璃视窗，并通过管道分别与样品罐和齿轮泵相连接，所述样品罐与齿轮泵之间通过管道相连接，且所述样品罐的两端设有阀门，能够在管道中拆卸，进而取下样品罐，所述样品罐和齿轮泵安装在大气环境中，并进行保温处理；所述温度测量系统分别与恒温槽、样品罐相连接；所述压力测量系统、抽真空系统、制冷剂瓶分别与可视化平衡釜相连接；实验时，充注制冷剂和润滑油到可视化平衡釜中，开启齿轮泵，当温度和压力的波动在不确定度内波动时，则达到热力学平衡，此时，取下样品罐，通过称重分析法即可得到制冷剂在润滑油中的溶解度；所述抽真空系统包括相连的真空泵和油气分离器，所述油气分离器内部为一个伞形结构；

其特征在于，所述测量方法，包括以下步骤：

1)向可视化平衡釜中加入润滑油，在此过程中要尽量防止润滑油暴露在大气环境中，充注完毕后，通过抽真空系统对可视化平衡釜抽真空到润滑油的蒸气压以下；

2)向可视化平衡釜中充注制冷剂；

3)设定恒温槽温度，开启齿轮泵，当第一铂电阻和第二铂电阻温度趋于一致，且温度及压力规定时间内保持在不确定度以内波动，即认为系统达到平衡状态，此时，观察可视化平衡釜内是否有沉淀或者分层产生，若有沉淀或者分层产生，则证明制冷剂和润滑油不互溶，记录温度、压力数据；若没有沉淀或者分层产生，则证明制冷剂和润滑油互溶，记录温度、压力数据；

4)关闭齿轮泵，取下样品罐称重，记录总质量后，连接油气分离器并进行抽真空，抽到接近润滑油的蒸气压，在抽真空过程中需特别注意不能把润滑油抽出，而后再对样品罐及油气分离器称重；

5)计算步骤3)记录的温度、压力数据下的制冷剂在润滑油中的溶解度；其中，计算制冷剂在润滑油中的溶解度采用以下公式：

m_r＝m_s1-m_s2-m_o2

m_l＝m_s2+m_o2-m_s

m_o2＝m_o1-m_o

式中：x_r为制冷剂在润滑油中的溶解度；m_r、m_l、m_s、m_s1、m_s2分别为制冷剂的质量、润滑油的质量、样品罐的净重、样品罐第一次称重的质量、样品罐第二次称重的质量；m_o、m_o1、m_o2分别为油气分离器的净重、油气分离器第一次称重的质量、油气分离器中残留润滑油的质量；M_r为制冷剂的摩尔质量；M_l为润滑油的摩尔质量；

6)重新安装样品罐，对在步骤4)操作过程中暴露在大气环境中的实验系统部分管道抽真空到润滑油的蒸气压以下，重复步骤3)～5)，即可得到不同温度下溶解度的数据。

2.根据权利要求1所述的一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，其特征在于：在步骤4)中，抽真空到润滑油的蒸气压，认为此时样品罐中的制冷剂全部被抽出，只含有润滑油。

3.根据权利要求1所述的一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，其特征在于，在步骤1)之前还包括以下步骤：

清洗可视化平衡釜、样品罐及油气分离器，测量样品罐和油气分离器的净重和测试实验系统的气密性。

4.根据权利要求3所述的一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，其特征在于：使用丙酮清洗可视化平衡釜、样品罐及油气分离器，并对样品罐和油气分离器抽真空至0.001Pa，记录样品罐和油气分离器的净重；在实验开始操作之前，向实验系统充注高压的CO₂，静置一段时间，若压力波动一直在不确定度以内，则认为实验系统气密性良好。

5.根据权利要求1所述的一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，其特征在于：所述齿轮泵与可视化平衡釜之间、样品罐与可视化平衡釜之间、制冷剂瓶与可视化平衡釜之间及抽真空系统与可视化平衡釜之间连接的管道上均安装有阀门，且暴露在大气环境中的管道安装有保温套管。

6.根据权利要求1所述的一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，其特征在于：所述恒温槽为可视化恒温槽，并配置有制冷模块、制热模块、搅拌装置和控温模块，恒温槽设定的温度从233.15～383.15K，温度的波动低于4mK。

7.根据权利要求1所述的一种制冷剂/润滑油VLE可视化实验系统的测量方法，其特征在于：所述温度测量系统包括计算机、多通道测温仪、第一铂电阻和第二铂电阻；所述第一铂电阻和第二铂电阻分别通过多通道测温仪与计算机相连接；所述第一铂电阻伸入恒温槽内的介质中，其作用是检测可视化平衡釜的温度；所述第二铂电阻安装在样品罐内，其作用是为了检验循环系统温度的均匀性；

所述压力测量系统采用绝压变送器，所述绝压变送器安装在可视化平衡釜的上顶盖，并分别与多通道测温仪和可视化平衡釜相连接，通过多通道测温仪记录可视化平衡釜的压力数据；所述可视化平衡釜的上顶盖通过六角螺栓可拆卸地安装在平衡釜筒体上，该可视化平衡釜的工作压力为0～10MPa，工作温度为263.15～373.15K；所述齿轮泵的转速为500～6000RPM，工作压力为0～2.1MPa，其作用在于给制冷剂/润滑油的混合物提供一个循环的动力。

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