CN114542954A - 一种工质充装系统及工质充装的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工质充装领域，具体而言，涉及一种工质充装系统及工质充装的方法。所述的工质充装系统，包括：第一工质储存装置、第二工质储存装置、第一真空装置和第二真空装置；其中，所述第一工质储存装置和所述第二工质储存装置相连接；所述第一工质储存装置与所述第一真空装置和所述第二真空装置分别通过第一管路和第二管路相连接；所述第二管路上还设置有三通换向阀门，所述三通换向阀门用于连接所述第一工质储存装置、所述第二真空装置和待充工质的工件；所述第一管路与所述第二管路相连接，并且在连接点处互通。所述的工质充装系统，设置合理，安全性高，能够实现工质的精准充装。

Description

一种工质充装系统及工质充装的方法
技术领域
本发明涉及工质充装领域，具体而言，涉及一种工质充装系统及工质充装的方法。
背景技术
常见的环路热管充装工质的方法有2种：常温充装和低温充装。常温充装适用于常温环路热管和常温下工质饱和压力比较高的低温环路热管。而低温充装主要用于低温环路热管，它是通过一边冷却已经进入管体内的工质气体、一边再充入新的工质气体，直到充入的工质量达到预先计算的要求，低温充装往往需要多次反复地往热管内充入工质。
一般工作在100-200K温区内的工质，其常温下的饱和蒸汽压都比较低，在这种情况下，采用常温充装，往往充入的工质气体量达不到设计的要求。而采用低温充装则需要时刻地控制充入工质量，而且反复多次充装往往会带来比较大的误差。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个方面，涉及一种工质充装系统，包括：第一工质储存装置、第二工质储存装置、第一真空装置和第二真空装置；
其中，所述第一工质储存装置和所述第二工质储存装置相连接；
所述第一工质储存装置与所述第一真空装置和所述第二真空装置分别通过第一管路和第二管路相连接；
所述第二管路上还设置有三通换向阀门，所述三通换向阀门用于连接所述第一工质储存装置、所述第二真空装置和待充工质的工件；
所述第一管路与所述第二管路相连接，并且在连接点处互通。
所述的工质充装系统，装置设置合理，工质充装过程的安全性高，能够实现工质的精准充装。
本发明的另一个方面，还涉及一种工质充装的方法，适用于所述的工质充装系统，包括以下步骤：
对第一工质储存装置进行第一换气处理，第二工质储存装置向所述第一换气处理后的所述第一工质储存装置内充装工质；
对待充装的工件进行第二换气处理；所述第二换气处理后，所述第一工质储存装置向所述待充装的工件内充装工质。
所述的工质充装方法，操作简单，安全性高，不凝性气体含量低，工质充装的精度高。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的工质充装系统，包括：第一工质储存装置、第二工质储存装置、第一真空装置和第二真空装置，结构设置合理，能够有效减少不凝性气体的含量，严格控制充装时的温度，充装过程的背压和充装流量稳定，工质充装过程的安全性高，能够实现工质的精准充装。
(2)本发明所提供的工质充装的方法，适用于所述的工质充装系统，该方法操作简单，充装时的安全性高，不凝性气体含量低，工质充装的精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的工质充装系统的结构示意图；
图2为乙烷的压力温度曲线图；
图3为20℃下乙烷气体密度随温度的变化图。
附图标记：
1-第一工质储存装置、2-第二工质储存装置、3-第一真空装置、4-第二真空装置、5-三通换向阀门、6-待充工质的工件、7-第一截止阀门、8-第二截止阀门、9-第三截止阀门、10-背压阀门、11-第一气体流量检测装置、12-减压阀门、13-第四截止阀门、14-温度传感装置、15-第二气体流量检测装置、16-液体感应装置。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面，涉及一种工质充装系统，包括：第一工质储存装置、第二工质储存装置、第一真空装置和第二真空装置；
其中，所述第一工质储存装置和所述第二工质储存装置相连接；
所述第一工质储存装置与所述第一真空装置和所述第二真空装置分别通过第一管路和第二管路相连接；
所述第二管路上还设置有三通换向阀门，所述三通换向阀门用于连接所述第一工质储存装置、所述第二真空装置和待充工质的工件；
所述第一管路与所述第二管路相连接，并且在连接点处互通。
所述的工质充装系统，各部分设置合理，工质充装过程的安全性高，能够实现工质的精准充装。
工质乙烷是一种含2个碳原子的无色无臭的可燃气体烷烃，分子式CH3CH3，熔点为-183.3℃，沸点为-88.6℃，相对密度为0.45(-45/4℃)，爆炸极限为3％～16％(体积)，易溶于醚，溶于醇、苯和氯仿，不溶于水。乙烷的压力温度曲线如图2所示，在低温下容易与水生成固态水合物，加压易液化，临界温度为32.2℃，临界压力为4.87MPa。由于乙烷具有以上特殊的物理性质，因此充装乙烷时需要依赖精密的充装系统。
本发明依照气体充装的原理进行充装，按照理想气体的状态方程，进行充装。计算热管在工作状态的充装量m，具体的计算方法包括：
P2V2＝m2R2T2
P3V3＝m3R2T3
m＝m3-m2＝P2V2/R2T2-P3V3/R2T3
其中，P为工质气体压力，m为工质质量，T为工质温度，V为标准容器体积。
为了简化计算过程，采用以下方法：
(1)控制体积变化，采用标准体积的钢瓶作为第一工质储存装置，其中钢瓶的体积根据多次充装进行复核调整；
(2)控制温度变化，保证在充装过程中，第一工质储存装置的温度保持一致，工质的充装质量可以直接对应到压力变化。
经过简化，得到工质的充装质量为：
m＝m3-m2＝(P2-P3)V2/R2T2
其中：V、R、T均为定值，R根据标准气体方程进行计算。
经过对钢瓶的体积进行复核调整后，乙烷气体钢瓶规格采用2kg/4L，钢瓶压力为3MPa左右。
优选地，在所述第一管路上，所述连接点与所述第一工质储存装置之间设置有第一截止阀门。
优选地，所述连接点与所述第一真空装置之间设置有第二截止阀门。
优选地，在所述第二管路上，所述连接点与所述第二真空装置之间设置第三截止阀门。
优选地，所述三通换向阀门与所述第一工质储存装置之间设置背压阀门和第一气体流量检测装置。
在所述三通换向阀门与所述第一工质储存装置之间设置背压阀门，充装前，通过背压阀控制背压，保证充装背压恒定，从图3中可以看出，压力变化0.01MPa时，密度变化约为0.0002g/mL，储罐4L，保证的充装精度在0.1g需要控制储罐压力精度在0.001MPa，因此需要选取精度在0.001MPa以上的压力传感器来控制第一工质储存装置。
在所述三通换向阀门与所述第一工质储存装置之间设置第一气体流量检测装置，第一气体流量检测装置的精度高，根据充装流量调节质量流量计开度，保证充装过程中质量流量可控和精确测量，可精确测量最小流量为0.025g/s的充装液体，流量计调节阀的开度可控制在总量程的0.1％；
优选地，所述第二工质储存装置和所述第一工质储存装置之间设置减压阀门和第四截止阀门。
优选地，所述第一工质储存装置上设置温度传感装置、第二气体流量检测装置和液体感应装置。
本发明的工质充装系统严格控制温度充装温度，采用半导体制冷装置，控制温度在260K，控温精度可达0.1℃。
本发明的工质充装系统，减小管路长度和管径，管路内径为1.8mm，以减少充装管路内的残留工质，降低误差。按照充装管路为50mm计算，残留工质量为0.04g。
本发明的工质充装系统，由PLC控制器控制其进行工作。
本发明的另一个方面，还涉及一种工质充装的方法，适用于所述的工质充装系统，包括以下步骤：
对第一工质储存装置进行第一换气处理，第二工质储存装置向所述第一换气处理后的所述第一工质储存装置内充装工质；
对待充装的工件进行第二换气处理；所述第二换气处理后，所述第一工质储存装置向所述待充装的工件内充装工质。
所述的工质充装方法，操作简单且安全性高，不凝性气体含量低，工质充装的精度高。
优选地，所述第一换气处理后，所述第一工质储存装置的温度为259.9～260.1K。
优选地，所述第一工质储存装置向所述待充装的工件内充装工质时，所述待充装工件的温度为235～240K。
优选地，所述第一换气处理具体包括：
利用所述第一真空装置对所述第一工质储存装置抽真空，所述第一工质储存装置的真空度≤10Pa时，关闭所述第一真空装置，启动所述第二真空装置；所述第一工质储存装置的真空度≤10-2Pa时，关闭所述第二真空装置；关闭所述第二真空装置后，向所述第一工质储存装置中充装工质；充装工质后将所述第一工质储存装置中的气体排出。
优选地，所述第一换气处理进行5～7次。
不凝性气体是指混在制冷系统里的空气、氢、氮、润滑油蒸气等。这些气体随制冷剂在系统中循环，不随制冷剂一起冷凝，也不产生制冷效应。因此，在工质充装时，应尽量降低不凝性气体的含量。
为降低不凝性气体的含量，采用高纯乙烷，经过多次置换以保证待充装件内不凝性气体含量达到最低。经过一次置换可置换95％以上的气体，经过5次置换，不凝性气体含量可控制在(1-0.95)5×100％＝0.00003125％一下，基本可以忽略不计。
优选地，所述第二换气处理具体包括：
利用所述第一真空装置对所述待充装工件进行抽真空，所述待充装工件的真空度为＜10Pa时，关闭所述第一真空装置，启动所述第二真空装置；所述待充装工件的真空度≤10-1Pa时，关闭所述第二真空装置。
具体工质充装的过程如下：
步骤1，PLC控制器开启第一截止阀门和第二截止阀门，控制第一真空装置对第一工质储存装置进行抽真空，当第一工质储存装置内的真空度达到10pa以下时，关闭第二截止阀门，开启第三截止阀门，控制第二真空装置对第一工质储存装置进行抽真空，当标准容器内的真空度达到10-2pa以下时，关闭第一截止阀门和第三截止阀门，停止抽真空；
步骤2，控制减压阀门和第四截止阀门打开，同时将充装有高纯气体的第二工质储存装置上的阀门打开，第二工质储存装置内的高纯气体通入第一工质储存装置内；
步骤3，当压力传感器检测到第一工质储存装置内的气压，达到设定气压值时，控制第四截止阀门关闭，另一方面控制第三截止阀门和三通换向阀门打开，此时三通换向阀门中的第一端口与第三端口打开并连通，而第二端口关闭，将第一工质储存装置内的气体排出；
步骤4，重复步骤S1至S3，直至将第一工质储存装置内的空气排干净为止，开启制冷机，再对第一工质储存装置进行灌装工质；
步骤5，将待充装工质的工件放在充装平台上，将待充装工质的工件的充装进口与三通换向阀门的第三端口进行紧密连接；
步骤6，PLC控制器一方面控制三通换向阀门进行切换，使得三通换向阀门的第二端口与第三端口打开并连通，另一方面控制第一截止阀门打开并控制第一真空装置工作，当待充装工质的工件内的真空度达到第二真空装置开启条件时，控制三通换向阀门打开，并控制第二真空装置工作；
步骤7，当待充装工质的工件内的真空度达到10-1pa以下时，PLC控制器一方面控制第一截止阀门和三通换向阀门关闭，并控制第一真空装置和第二真空装置停止工作；另一方面控制第三截止阀门打开和控制三通换向阀门进行切换，使得三通换向阀门的第一端口与第三端口打开并连通，第一工质储存装置中的工质充入待充装工质的工件内，在充装过程中对待充装工质的工件进行制冷，保证待充装工质的工件的内部压力始终低于标第一工质储存装置的内部压力；
步骤8，第一气体流量检测装置对充入工件内的工质进行计量，当向工件充入的工质达到设定充装量时，PLC控制器控制第三截止阀关闭，关闭计量增压泵，完成对工件的充装。
下面将结合具体的实施例和对比例对本发明做进一步的解释和说明。
实施例1
本实施例提供的一种工质充装系统如图1所示，包括：第一工质储存装置1、第二工质储存装置2、第一真空装置3和第二真空装置4；
其中，所述第一工质储存装置1和所述第二工质储存装置2相连接；所述第一工质储存装置1与所述第一真空装置3和所述第二真空装置4分别通过第一管路和第二管路相连接；所述第二管路上还设置有三通换向阀门5，所述三通换向阀门5用于连接所述第一工质储存装置1、所述第二真空装置4和待充工质的工件6；所述第一管路与所述第二管路相连接，并且在连接点处互通；
在所述第一管路上，所述连接点与所述第一工质储存装置1之间设置有第一截止阀门7；所述连接点与所述第一真空装置3之间设置有第二截止阀门8；
在所述第二管路上，所述连接点与所述第二真空装置4之间设置第三截止阀门9；所述三通换向阀门5与所述第一工质储存装置1之间设置背压阀门10和第一气体流量检测装置11；
所述第二工质储存装置2和所述第一工质储存装置1之间设置减压阀门12和第四截止阀门13；所述第一工质储存装置1上设置温度传感装置14、第二气体流量检测装置15和液体感应装置16。
实施例2
本实施例提供的充装工质的方法，包括以下步骤：
1、利用所述第一真空装置3对所述第一工质储存装置1抽真空，所述第一工质储存装置1的真空度≤10Pa时，关闭所述第一真空装置3，启动所述第二真空装置4；所述第一工质储存装置1的真空度≤10-2Pa时，关闭所述第二真空装置4；关闭所述第二真空装置4后，向所述第一工质储存装置1中充装工质；充装工质后将所述第一工质储存装置1中的气体排出；
2、重复5次步骤1，控制所述第一工质储存装置1的温度为259.9～260.1K；
3、第二工质储存装置2向所述第一换气处理后的所述第一工质储存装置1内充装工质；
4、利用所述第一真空装置3对所述待充装工件进行抽真空，所述待充装工件的真空度为＜10Pa时，关闭所述第一真空装置3，启动所述第二真空装置4；所述待充装工件的真空度≤10-1Pa时，关闭所述第二真空装置4；
5、所述第一工质储存装置1向所述待充装的工件内充装工质，所述第一工质储存装置1向所述待充装的工件内充装工质时，所述待充装工件的温度为235～240K。
对比例1
本对比例提供的充装工质的方法，与实施例2相比，区别仅在于第一换气处理的次数为1次。
分别采用实施例2与对比例1的充装工质的方法，对同一规格热管进行充装，完成充装后，采用相同测试方法进行测试，结果对比如下；
测试方法：
将热管水平放置，两端置于隔热支架之上，其余部分悬空。在热管的一端的使用陶瓷加热片加热，加热功率为15W，并测量热管另一端与加热段的温差，待到热管温度稳定，记录该温差。
实施例2结果：温差2.6℃；
对比例1结果：温度10.2℃；
置换次数为一次时，充装工质中约含有5％的不凝气体，热管运行过程中，这些不凝气体会聚集到热管的冷凝段，而这一段不凝气体无法参与两相循环，称之为无效段，无效段的存在导致热管两端的温差变大，即热阻增加，所以实施例2中规定的置换次数具备必要性和相当的技术效果。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (10)

1.一种工质充装系统，其特征在于，包括：第一工质储存装置、第二工质储存装置、第一真空装置和第二真空装置；
其中，所述第一工质储存装置和所述第二工质储存装置相连接；
所述第一工质储存装置与所述第一真空装置和所述第二真空装置分别通过第一管路和第二管路相连接；
所述第二管路上还设置有三通换向阀门，所述三通换向阀门用于连接所述第一工质储存装置、所述第二真空装置和待充工质的工件；
所述第一管路与所述第二管路相连接，并且在连接点处互通。
2.根据权利要求1所述的工质充装系统，其特征在于，在所述第一管路上，所述连接点与所述第一工质储存装置之间设置有第一截止阀门；
和/或，所述连接点与所述第一真空装置之间设置有第二截止阀门。
3.根据权利要求1所述的工质充装系统，其特征在于，在所述第二管路上，所述连接点与所述第二真空装置之间设置第三截止阀门；
和/或，所述三通换向阀门与所述第一工质储存装置之间设置背压阀门和第一气体流量检测装置。
4.根据权利要求1所述的工质充装系统，其特征在于，所述第二工质储存装置和所述第一工质储存装置之间设置减压阀门和第四截止阀门。
5.根据权利要求1所述的工质充装系统，其特征在于，所述第一工质储存装置上设置温度传感装置、第二气体流量检测装置和液体感应装置。
6.一种工质充装的方法，适用于权利要求1～5任一项所述的工质充装系统，其特征在于，包括以下步骤：
对第一工质储存装置进行第一换气处理，第二工质储存装置向所述第一换气处理后的所述第一工质储存装置内充装工质；
对待充装的工件进行第二换气处理；所述第二换气处理后，所述第一工质储存装置向所述待充装的工件内充装工质。
7.根据权利要求6所述的充装工质的方法，其特征在于，所述第一换气处理后，所述第一工质储存装置的温度为259.9～260.1K；
优选地，所述第一工质储存装置向所述待充装的工件内充装工质时，所述待充装工件的温度为235～240K。
8.根据权利要求6所述的充装工质的方法，其特征在于，所述第一换气处理具体包括：
利用所述第一真空装置对所述第一工质储存装置抽真空，所述第一工质储存装置的真空度≤10Pa时，关闭所述第一真空装置，启动所述第二真空装置；所述第一工质储存装置的真空度≤10-2Pa时，关闭所述第二真空装置；关闭所述第二真空装置后，向所述第一工质储存装置中充装工质；充装工质后将所述第一工质储存装置中的气体排出。
9.根据权利要求6所述的充装工质的方法，其特征在于，所述第一换气处理进行5～7次。
10.根据权利要求6所述的充装工质的方法，其特征在于，所述第二换气处理具体包括：
利用所述第一真空装置对所述待充装工件进行抽真空，所述待充装工件的真空度为＜10Pa时，关闭所述第一真空装置，启动所述第二真空装置；所述待充装工件的真空度≤10- 1Pa时，关闭所述第二真空装置。
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