CN115859867B - 一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，包括以下步骤：S1、制冷系统建立；S2、一次热平衡状态建立；S3、一次热平衡状态参数提取；S4、二次热平衡状态建立；S5、二次热平衡状态参数提取；S6、充注量计算：得到理想充注量计算公式；S7、充注时机确定；S8、充注量修正。本发明根据R23载冷剂的性能以及R23制冷系统的工作条件，提出了两次热平衡状态的平衡状态公式，并根据两次的热平衡状态的平衡状态公式得到R23载冷剂的体积，利用R23载冷剂的体积不变这一条件得到理想充注量计算公式，进而得出每次需要充注的R23载冷剂充注量，提高了飞机测试气候环境实验室的制冷工作效率。

Description

一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法

技术领域

本发明涉及飞机测试技术领域，具体是涉及一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法。

背景技术

制冷技术目前广泛的应用于商业、人民生活、工业生产、农牧业、建筑工程、医疗卫生、空间技术、科学研究、低温物理研究等领域，制冷产品在温度、制冷量、启动速度、可靠性、能耗、体积等方面均有进步。但在某些领域用传统制冷方法无法解决，例如飞机测试用的气候环境实验室，需要的制冷量大，精度要求高，温度跨度大，使用的制冷剂种类多，给制冷环境的布设带来了很多阻碍。

制冷机组为飞机测试用的气候环境实验室提供冷源的设备，是实现气候环境实验室基础环境模拟的核心设备，其中冷媒的选择依据制冷剂和载冷剂的物理性能和化学性能，除考虑两者的匹配性、初始投资成本、运行效率等因素外，还必须紧密结合制冷系统整体方案进行权衡。气候环境实验室使用的制冷剂为R23和R507两种制冷剂，其中R23满足实验舱低温工况-55℃~25℃的温度要求。由于系统管路复杂，阀门、法兰、仪器仪表等众多，不可避免的存在制冷剂泄露的情况，同时在维修保养过程中也会正常释放制冷剂，发生以上两种情况都有可能再次充注制冷剂，由于制冷剂的物理性质复杂，尤其低温制冷剂的R23在使用过程中状态变化较大，且制冷剂R23应用的二元复叠制冷系统系统庞大，适当的制冷剂量是制冷机组运行的重要保证，由于系统容器、部件、管路、阀门、容器等繁多，在有补充制冷剂需求时，存在获取准确的制冷剂加注量的困难，其中最为关键的是如何确定制冷系统的容积。实验室的制冷系统安装有齐全的温度传感器、压力传感器、液位的传感器、温度表、压力表、液位显示计等仪器仪表，制冷系统匹配的压力容器都有生产厂家提供的详细资料和图纸，实验室应用的基础环境模拟监测系统能采集、保存、检索制冷系统的数据。这些都为实现制冷系统容积的计算提供了数据支撑。因此，制定出相应的制冷剂加注标准和方法是至关重要也是急需解决的。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法。

本发明的技术方案是：

一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，包括以下步骤：

S1、制冷系统建立：所述制冷系统包括R23制冷系统和R507制冷系统，所述R23制冷系统包括通过管路相互连通的低温蒸发器和低温冷凝器，所述低温蒸发器一侧设有R23载冷剂储罐，所述管路上设有阀门和补液阀，位于所述补液阀与低温蒸发器之间设有第一压力表；

S2、一次热平衡状态建立：打开R23载冷剂储罐的进口阀和出口阀，打开管路上的阀门，使R23载冷剂储罐与管路连通形成循环通路，直至管路、低温蒸发器和低温冷凝器中的压力保持平衡，且管路内部温度与环境温度相同，实现R23制冷系统的一次热平衡状态；

S3、一次热平衡状态参数提取：通过第一压力表获取管路内压力数据P₁，单位为KPa，同时获取一次热平衡状态下的管路内部温度T₁，单位为K，将装有液态R23载冷剂的贮存罐与补液阀连接，记录此时贮存罐内部液态R23载冷剂的质量m₁，单位为kg，则得到一次热平衡状态公式：

P₁V=m₁rT₁

式中，r为比例常数，V为R23载冷剂的体积，单位为m³；

S4、二次热平衡状态建立：打开贮存罐的控液球阀，同时打开补液阀，将贮存罐内部的R23载冷剂通入到管路中，直至贮存罐出口处的第二压力表显示的压力与第一压力表显示的压力差值为0.1~0.2MPa，关闭补液阀，使管路、低温蒸发器和低温冷凝器中的压力重新保持平衡，且管路内部温度与环境温度相同，实现R23制冷系统的二次热平衡状态；

S5、二次热平衡状态参数提取：通过第一压力表获取管路内压力数据P₂，单位为KPa，同时获取二次热平衡状态下的管路内部温度T₂，单位为K，记录此时贮存罐内部液态R23载冷剂的质量m₂，单位为kg，则得到二次热平衡状态公式：

P₂V=m₂rT₂

联立一次热平衡状态公式和二次热平衡状态公式，其中T₁=T₂=T，单位为K，则得到热平衡变形公式：

（P₂-P₁）V=（m₂-m₁）rT

进而可得：V=（m₂-m₁）rT/（P₂-P₁），求出R23载冷剂的体积V；

S6、充注量计算：根据已经确定的R23载冷剂的体积V，在每次维修或保养后可以计算出所要补充的R23载冷剂的质量△m，单位为kg，得到理想充注量计算公式：

△m=（P'-P''）V/rT

式中，P'为R23制冷系统正常工作时管路内部的压力，P''为R23制冷系统在每次维修或保养后管路内部的压力。

进一步地，所述阀门为气动节流阀。

说明：通过气动节流阀方便管路内载冷剂调节。

进一步地，所述步骤S3中r=R/M，其中，R为热力学常数，取值为8.314J/(mol•k)，M为R23载冷剂CHF₃的分子量，取值为70.02，进而求得r为0.11874。

说明：通过引用克拉伯龙方程中的热力学常数从而为热平衡状态公式提供理论基础。

进一步地，还包括步骤S7、充注时机确定；

S7、充注时机确定：定期对R23制冷系统内部进行停机检查，将R23制冷系统停机后分别选取5℃、15℃以及常温三个温度条件，测定每个温度条件下的管路内部压力，并与在每个温度条件下对应R23载冷剂密度波动范围内最小密度所对应的额定压力进行对比，如果测定的每个温度条件下的管路内部压力均小于该温度条件下的额定压力，则需要对R23制冷系统进行R23载冷剂充注。

说明：通过对充注时机进行优化，从而找到合适的充注时机以及避免频繁检查，提高工作效率。

更进一步地，所述定期指的是20~30个工作日，由上一次充注后开始计算。

说明：通过进一步优化检查日期从而确保管路内部载冷剂不会发生缺少量过大或者长时间缺少的现象发生。

更进一步地，所述常温指的是25~28℃。

说明：通过选定常温温度能够有效反映出管路内部压力与额定压力之间的差值。

更进一步地，所述R23载冷剂密度波动范围为60~65kg/m³。

说明：该密度波动范围为R23载冷剂的常规密度波动范围。

优选地，还包括步骤S8、充注量修正；

S8、充注量修正：对步骤S6中的理想充注量计算公式进行修正，由于理想充注量计算公式忽略了气体之间的相互作用力影响，故理论R23载冷剂的体积V比实测的体积偏大，因此，修正后的理想充注量计算公式为：

△m=K（P'-P''）V/rT

式中，K为修正系数，K=0.8-0.005d+0.004△P，其中，d为工作日天数，由上一次充注后开始计算，△P为测定的常温条件下的管路内部压力与常温条件下的额定压力之间的差值，单位为KPa。

说明：通过对理想充注量计算公式进行修正，使其能更加接近真实的充注情况，发生理论与实际偏离的原因是理想充注量计算公式忽略了气体之间的作用力和气体分子占据的体积，但是理想充注量计算公式便于计算且进行修正后更为方便准确，在生产实践中无需频繁停机监测，可利用修正后的理想充注量计算公式进行计算，引入了工作日和压力差的影响因素是修正系数更加接近真实值。

进一步地，步骤S1中还包括在管路上设置双螺杆压缩机。

说明：通过双螺杆压缩机的设置从而实现R23制冷系统中循环载冷剂的功能。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法以热力学理论公式为基础，根据R23载冷剂的性能以及R23制冷系统的工作条件，提出了两次热平衡状态的平衡状态公式，并根据两次的热平衡状态的平衡状态公式得到R23载冷剂的体积，利用R23载冷剂的体积不变这一条件得到理想充注量计算公式，进而得出每次需要充注的R23载冷剂充注量，计算方法方便快捷，无需频繁进行停机监测以及打开R23载冷剂储罐进行测定充注量，节省了很多工序，提高了飞机测试气候环境实验室的制冷工作效率；

（2）本发明的飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法通过对理想充注量计算公式进行修正，使其能更加接近真实的充注情况，发生理论与实际偏离的原因是理想充注量计算公式忽略了气体之间的作用力和气体分子占据的体积，但是理想充注量计算公式便于计算且进行修正后更为方便准确，在生产实践中无需频繁停机监测，可利用修正后的理想充注量计算公式进行计算，引入了工作日和压力差的影响因素使修正系数更加接近真实值，不仅能够实现定期快速监测，而且能够对充注量进行准确计算，避免因加多载冷剂造成浪费，或者因少加而造成系统运转困难。

附图说明

图1是本发明的飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法中制冷系统示意图；

图2是本发明实施例3的飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法流程图；

图3是本发明的飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法中R23载冷剂密度波动范围为60~65kg/m³下的额定压力。

其中，1-R23制冷系统，2-R507制冷系统，3-管路，31-阀门，32-补液阀，33-第一压力表，34-双螺杆压缩机，4-低温蒸发器，5-低温冷凝器，6-R23载冷剂储罐，61-进口阀，62-出口阀，7-贮存罐，71-控液球阀，72-第二压力表。

具体实施方式

实施例1：一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，包括以下步骤：

S1、制冷系统建立：制冷系统包括R23制冷系统1和R507制冷系统2，R23制冷系统1包括通过管路3相互连通的低温蒸发器4和低温冷凝器5，低温蒸发器4一侧设有R23载冷剂储罐6，管路3上设有阀门31和补液阀32，阀门31为气动节流阀，位于补液阀32与低温蒸发器4之间设有第一压力表33，在管路3上设置双螺杆压缩机34；

S2、一次热平衡状态建立：打开R23载冷剂储罐6的进口阀61和出口阀62，打开管路3上的阀门31，使R23载冷剂储罐6与管路3连通形成循环通路，直至管路3、低温蒸发器4和低温冷凝器5中的压力保持平衡，且管路3内部温度与环境温度相同，实现R23制冷系统1的一次热平衡状态；

S3、一次热平衡状态参数提取：通过第一压力表33获取管路3内压力数据P₁，单位为KPa，同时获取一次热平衡状态下的管路3内部温度T₁，单位为K，将装有液态R23载冷剂的贮存罐7与补液阀32连接，记录此时贮存罐7内部液态R23载冷剂的质量m₁，单位为kg，则得到一次热平衡状态公式：

P₁V=m₁rT₁

式中，r为比例常数，r=R/M，其中，R为热力学常数，取值为8.314J/(mol•k)，M为R23载冷剂CHF₃的分子量，取值为70.02，进而求得r为0.11874，V为R23载冷剂的体积，单位为m³；

S4、二次热平衡状态建立：打开贮存罐7的控液球阀71，同时打开补液阀32，将贮存罐7内部的R23载冷剂通入到管路3中，直至贮存罐7出口处的第二压力表72显示的压力与第一压力表33显示的压力差值为0.1~0.2MPa，关闭补液阀32，使管路3、低温蒸发器4和低温冷凝器5中的压力重新保持平衡，且管路3内部温度与环境温度相同，实现R23制冷系统1的二次热平衡状态；

S5、二次热平衡状态参数提取：通过第一压力表33获取管路3内压力数据P₂，单位为KPa，同时获取二次热平衡状态下的管路3内部温度T₂，单位为K，记录此时贮存罐7内部液态R23载冷剂的质量m₂，单位为kg，则得到二次热平衡状态公式：

P₂V=m₂rT₂

联立一次热平衡状态公式和二次热平衡状态公式，其中T₁=T₂=T，单位为K，则得到热平衡变形公式：

（P₂-P₁）V=（m₂-m₁）rT

进而可得：V=（m₂-m₁）rT/（P₂-P₁），求出R23载冷剂的体积V；

S6、充注量计算：根据已经确定的R23载冷剂的体积V，在每次维修或保养后可以计算出所要补充的R23载冷剂的质量△m，单位为kg，得到理想充注量计算公式：

△m=（P'-P''）V/rT

式中，P'为R23制冷系统1正常工作时管路3内部的压力，P''为R23制冷系统1在每次维修或保养后管路3内部的压力。

实施例2：本实施例与实施例1不同之处在于：还包括步骤S7、充注时机确定。

S7、充注时机确定：定期对R23制冷系统1内部进行停机检查，定期指的是25个工作日，由上一次充注后开始计算，将R23制冷系统1停机后分别选取5℃、15℃以及常温三个温度条件，本实施例的常温为26℃，测定每个温度条件下的管路3内部压力，并与在每个温度条件下对应R23载冷剂密度波动范围内最小密度所对应的额定压力进行对比，R23载冷剂密度波动范围为60~65kg/m³，如果测定的每个温度条件下的管路3内部压力均小于该温度条件下的额定压力，则需要对R23制冷系统1进行R23载冷剂充注。

实施例3：本实施例与实施例2不同之处在于：还包括步骤S8、充注量修正。

S8、充注量修正：对步骤S6中的理想充注量计算公式进行修正，由于理想充注量计算公式忽略了气体之间的相互作用力影响，故理论R23载冷剂的体积V比实测的体积偏大，因此，修正后的理想充注量计算公式为：

△m=K（P'-P''）V/rT

式中，K为修正系数，K=0.8-0.005d+0.004△P，其中，d为工作日天数，由上一次充注后开始计算，△P为测定的常温条件下的管路3内部压力与常温条件下的额定压力之间的差值，单位为KPa。

实施例4：本实施例与实施例2不同之处在于：步骤S7中参数选择不同。

S7、充注时机确定：定期对R23制冷系统1内部进行停机检查，定期指的是20个工作日，由上一次充注后开始计算，将R23制冷系统1停机后分别选取5℃、15℃以及常温三个温度条件，本实施例的常温为25℃，测定每个温度条件下的管路3内部压力，并与在每个温度条件下对应R23载冷剂密度波动范围内最小密度所对应的额定压力进行对比，R23载冷剂密度波动范围为60~65kg/m³，如果测定的每个温度条件下的管路3内部压力均小于该温度条件下的额定压力，则需要对R23制冷系统1进行R23载冷剂充注。

实施例5：本实施例与实施例2不同之处在于：步骤S7中参数选择不同。

S7、充注时机确定：定期对R23制冷系统1内部进行停机检查，定期指的是30个工作日，由上一次充注后开始计算，将R23制冷系统1停机后分别选取5℃、15℃以及常温三个温度条件，本实施例的常温为28℃，测定每个温度条件下的管路3内部压力，并与在每个温度条件下对应R23载冷剂密度波动范围内最小密度所对应的额定压力进行对比，R23载冷剂密度波动范围为60~65kg/m³，如果测定的每个温度条件下的管路3内部压力均小于该温度条件下的额定压力，则需要对R23制冷系统1进行R23载冷剂充注。

实验例：将实施例3中的方法及相应的参数应用到实际生产中，R23制冷系统1的初次充注量为10000kg，分别在2019年3月调试阶段、2020年7月和2021年5月维护保养阶段进行了充注，R23载冷剂的历次充注情况见表1，其中在2021年5月之前尚未使用本发明的充注方法，而在2021年5月开始充注时进行了现场称重，R23制冷系统的充注量比较精确，可作为步骤S1~S6中的数据参考，具体充注记录统计见表2。如图3所示为R23载冷剂密度波动范围为60~65kg/m³下的额定压力。

表1 历次充注情况

表2 具体充注记录统计

由表1和表2中数据可以得出，

△m=（P'-P''）V/rT

△m=3024kg，T=26℃=299K，P''=1900KPa，P'=1540KPa，求出V=298m³；

再根据首次充注的参数计算实际体积：V=10000*0.11874*286.7/1250±40

得出V的实际范围在263m³～281m³，从实际测算和理论推导，可知有一定的偏差，发生偏离的原因是理想状态方程忽略了气体之间的作用力和气体分子占据的体积，因此需要对其进行修正。

下一次注入时间为2022年1月，期间共使用了50个工作日，在第25个工作日进行停机检查时，5℃、15℃以及常温三个温度条件下的管路3内部压力均在R23载冷剂密度波动范围对应的压力范围内，而在第50个工作日进行停机检查时，15℃以及常温两个温度条件所对应的管路3内部压力均小于R23载冷剂密度波动范围对应的压力范围，且常温下对应的压力为1.74MPa，而R23载冷剂密度为60kg/m³时对应的额定压力为1.78MPa，因此需要进行充注；

充注量按照步骤S8中的修正后的的理想充注量计算公式计算得出：

△m=K（P'-P''）V/rT=（0.8-0.005d+0.004△P）（P'-P''）V/rT=0.71*（1900-1780）*298/0.11874*299=715.13kg

而实际测定的结果为712.85，差距不超过0.3%，说明本发明的计算方法可以较为准确得出每次的充注量。

Claims (8)

1.一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制冷系统建立：所述制冷系统包括R23制冷系统（1）和R507制冷系统（2），所述R23制冷系统（1）包括通过管路（3）相互连通的低温蒸发器（4）和低温冷凝器（5），所述低温蒸发器（4）一侧设有R23载冷剂储罐（6），所述管路（3）上设有阀门（31）和补液阀（32），位于所述补液阀（32）与低温蒸发器（4）之间设有第一压力表（33）；

S2、一次热平衡状态建立：打开R23载冷剂储罐（6）的进口阀（61）和出口阀（62），打开管路（3）上的阀门（31），使R23载冷剂储罐（6）与管路（3）连通形成循环通路，直至管路（3）、低温蒸发器（4）和低温冷凝器（5）中的压力保持平衡，且管路（3）内部温度与环境温度相同，实现R23制冷系统（1）的一次热平衡状态；

S3、一次热平衡状态参数提取：通过第一压力表（33）获取管路（3）内压力数据P₁，单位为KPa，同时获取一次热平衡状态下的管路（3）内部温度T₁，单位为K，将装有液态R23载冷剂的贮存罐（7）与补液阀（32）连接，记录此时贮存罐（7）内部液态R23载冷剂的质量m₁，单位为kg，则得到一次热平衡状态公式：

P₁V=m₁rT₁

式中，r为比例常数，V为R23载冷剂的体积，单位为m³；

S4、二次热平衡状态建立：打开贮存罐（7）的控液球阀（71），同时打开补液阀（32），将贮存罐（7）内部的R23载冷剂通入到管路（3）中，直至贮存罐（7）出口处的第二压力表（72）显示的压力与第一压力表（33）显示的压力差值为0.1~0.2MPa，关闭补液阀（32），使管路（3）、低温蒸发器（4）和低温冷凝器（5）中的压力重新保持平衡，且管路（3）内部温度与环境温度相同，实现R23制冷系统（1）的二次热平衡状态；

S5、二次热平衡状态参数提取：通过第一压力表（33）获取管路（3）内压力数据P₂，单位为KPa，同时获取二次热平衡状态下的管路（3）内部温度T₂，单位为K，记录此时贮存罐（7）内部液态R23载冷剂的质量m₂，单位为kg，则得到二次热平衡状态公式：

P₂V=m₂rT₂

联立一次热平衡状态公式和二次热平衡状态公式，其中T₁=T₂=T，单位为K，则得到热平衡变形公式：

（P₂-P₁）V=（m₂-m₁）rT

进而可得：V=（m₂-m₁）rT/（P₂-P₁），求出R23载冷剂的体积V；

S6、充注量计算：根据已经确定的R23载冷剂的体积V，在每次维修或保养后可以计算出所要补充的R23载冷剂的质量△m，单位为kg，得到理想充注量计算公式：

△m=（P'-P''）V/rT

式中，P'为R23制冷系统（1）正常工作时管路（3）内部的压力，P''为R23制冷系统（1）在每次维修或保养后管路（3）内部的压力。

2.根据权利要求1所述的一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，其特征在于，所述阀门（31）为气动节流阀。

3.根据权利要求1所述的一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，其特征在于，所述步骤S3中r=R/M，其中，R为热力学常数，取值为8.314J/(mol•k)，M为R23载冷剂CHF₃的分子量，取值为70.02，进而求得r为0.11874。

4.根据权利要求1所述的一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，其特征在于，还包括步骤S7、充注时机确定；

S7、充注时机确定：定期对R23制冷系统（1）内部进行停机检查，将R23制冷系统（1）停机后分别选取5℃、15℃以及常温三个温度条件，测定每个温度条件下的管路（3）内部压力，并与在每个温度条件下对应R23载冷剂密度波动范围内最小密度所对应的额定压力进行对比，如果测定的每个温度条件下的管路（3）内部压力均小于该温度条件下的额定压力，则需要对R23制冷系统（1）进行R23载冷剂充注；

所述常温指的是25~28℃。

5.根据权利要求4所述的一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，其特征在于，所述定期指的是20~30个工作日，由上一次充注后开始计算。

6.根据权利要求4所述的一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，其特征在于，所述R23载冷剂密度波动范围为60~65kg/m³。

7.根据权利要求4所述的一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，其特征在于，还包括步骤S8、充注量修正；

S8、充注量修正：对步骤S6中的理想充注量计算公式进行修正，由于理想充注量计算公式忽略了气体之间的相互作用力影响，故理论R23载冷剂的体积V比实测的体积偏大，因此，修正后的理想充注量计算公式为：

△m=K（P'-P''）V/rT

式中，K为修正系数，K=0.8-0.005d+0.004△P，其中，d为工作日天数，由上一次充注后开始计算，△P为测定的常温条件下的管路（3）内部压力与常温条件下的额定压力之间的差值，单位为KPa。

8.根据权利要求1所述的一种飞机测试用实验室制冷系统制冷剂充注量计算方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括在管路（3）上设置双螺杆压缩机（34）。

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