制冷剂中循环油中浓度测量检测方案(其它工程控制)

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Co2-环保制冷剂! Anton Paar 全球变暖潜势从 10900 到1CO2-环保制冷剂 相关：汽车行业、冷却系统测试台中心、大型冷却工厂二 当人们在讨论“臭氧层被破坏”、“温室气体”和“全球变暖”等问题时，制冷剂总是逃不开的话题。多年来，冷却工艺和液体开发表明， CO2从技术和环保方面看似乎是最合适的制冷剂。 目前，所有冷却设备中运用的是按一定比例搭配的制冷剂与润滑油，称为 OCR。对于这种工艺和设备，可靠地测量 OCR 至关重要。 1￥冷却剂的历史演变 1882年， Carl von Linde 制造出第一台“碳酸制冷机”并在埃森市 Krupp 公司投入使用。当时没有人怀疑，这种天然制冷剂会在未来120年掀起惊涛骇浪。到二十世纪末，二氧化碳 (CO2)是同氨(NH3)和二氧化硫(SO2)一并使用的标准制冷剂。 1907年，在德语国家/地区有23家公司直接从事二氧化碳制冷器制造。 1930年，不断的发展让人们认识到卤代烃作为制冷剂的有利特性，并在当时实现了卤代烃大规模工业化生产。因此，二十世纪三十年代初，氯氟烃 (CFC)全面替代了市场上的二氧化碳、碳氢化合物和二氧化硫等天然工质。 出色的传热特性和高汽化焓，再加上化学特性稳定、无毒和非易燃的特性，使CFC(例如R11和R12)获得“安全制冷剂”之称。 人们已知道，不加控制地大量排放这些物质会破坏平流层的臭氧层。 自此以来，科学家一直在努力研究可替代制冷剂-特性媲美 CFC的部分卤代氢氟碳化合物，比如R22 或R134。 一直到“温室气体”和“全球变暖”这些关键词出现后，臭氧层被破坏的话题才告终结。人们用 GWP值(全球变暖潜势)来记录制冷剂对全球变暖的影响程度。 充装和处理冷却剂的冷却设备或工厂会由于泄漏或循环损耗，致使少量冷却剂排放到大气，由此直接造成温室效应。(1) 如图1中所示，R12的全球变暖潜势替为11000，R134a为1430， R1234yf 为 4， 而 CO2的 GWP为1(2). 图1：不同制冷剂的 GWP(全球变暖潜势) 由于人们不再生产和使用完全和部分卤代氢氟碳化合物制冷剂，所以 CO2 (R744)等自然物质再次受到广泛的推广和使用。 从能源和生态方面， CO2都是独有的重要可替代物。 使用二氧化碳的制冷系统能够高效运行，并且由于高系统压力(高压压缩机、高压节流阀)，技术方面会保持在可控范围内。。(1) 2 OCR - 油循环速率 制冷和空调系统采用制冷剂作为工作流体，并在冷却回路中对它们进行压缩和膨胀。压缩机需要使用油进行润滑，不过一部分油会从压缩机中排出并通过该系统进行循环。 作为总流体的一部分循环的油的流速称为油循环速率或油循环率(OCR)。 这类少量寄生流体会影响流体特性，例如焓、热导性和粘度，并且可能影响精确测量热交换器和系统性能的能力(3)。图2显示了 OCR 对冷却能力的影响。 图2：OCR对系统性能的影响 人们渴望有一种可证实的强大工具能够实时在线测量这种作为部分工作流体循环的少量油的浓度。 不能准确测量各种运行条件下的油循环速率，则无法完全基于工作流体制冷剂部分的特性准确创造热力学平衡。 (4) 3 ￥冷却过程概览 冷却系统中普遍采用的工作原理是利用蒸发热、基于压缩的冷却过程。 该过程使用制冷剂旨在通过冷却回路将热量传送到周围空气。目前，最常用的制冷剂是 R134a，尤其是汽车行业。工业冷却系统中通常使用铵 (R717)以及 R134a。根据欧盟要求， GWP 高的制冷剂(例如R134a)必须替换为 GWP 小于150的制冷剂，例如 R1234yf 或R744 (CO2)。 除低 GWP之外，制冷剂还必须具备较低的臭氧破坏潜势 (ODP)， 并且不会危及人类和自然。 冷却工艺中使用润滑油来润滑压缩机移动部件及密封系统。这种油应与制冷剂具有良好的溶混性，并且粘度低。各种不同的油可分为三组，它们之间的主要差别在于与制冷剂的溶混性：聚二醇(PAG)、多元酯(POE)、聚烯烃(PAO)。 每种物质都需要能量才能从液态转换为气态。在热能方面，这种能量称为焓。 这种物理特征是冷却过程下面四个主要步骤的基础： 蒸发 ■ 压缩 冷凝 Anton Paar 图3：冷却过程 图3显示了包括所述四个主要步骤的冷却过程，标为1至4.图4的焓/能量和压力图中简化显示了这四个主要步骤。 热含量或能量 图4：简简化的冷却过程的四个步骤 提示： 焓是热力学系统的一种特性。系统的焓等于系统内能与其压力和体积的乘积之和。焓的测量单位为焦耳(J)。 焓包括系统内能(即创建系统所需的能量)以及为替换环境和建立体积与压力所需的工作能量。(5) 蒸发步骤从图4左下角①开始，一直到右侧的②。下面的线代表蒸发过程。蒸发器中的制冷剂压力(y轴)保持稳定。 比焓增加代表蒸发过程的热增量，这可以解释为制冷剂的“比能含量”，沿x轴测量。 图右侧显示的是压缩步骤，从②到③。向上倾斜的线表示压力急剧而稳定地升高。在此过程中，向系统供电以运行压缩机。 图上方的水平线③到④表示冷凝(气体冷却)步骤。蒸发期间吸收的热量-以及压缩期间增加的热量-被排出系统。在冷凝过程，制冷剂的状态发生变化，直到完全变为液态。 通常，还会对液体进一步冷却，以便制冷剂在离开冷凝器后进行低温冷却。在相变过程中，压力或温度不变。 该循环的最后一步是膨胀，从④到①，表现为图左侧的制冷剂压力下降。在制冷剂通过计量装置(膨胀阀或毛细管)时，压力下降。 在膨胀过程中，制冷剂状态从低温冷却的液体变为液体和蒸汽混合物。在此过程中，制冷剂不会吸入或排放任何热能或工作能量，所以代表该过程的线是垂直的。比焓不变。 4 使用 Coz作为制冷剂-超临界但完美 来看可替代当前最常用的制冷剂 R134a 的物质，在要求全球变暖潜势低的前提下，您可以找到 R1234yf， 可用于目前大多数空调系统，无需任何更改或改装。主要缺点： R1234yf 在发生事故的情况下易燃! CO2，不易燃，化学特性不活跃，环保，并具备较高 的容积冷却能力主要缺点： CO2不能用于现有的空调系统，需要对设计进行巨大改动。 使用 CO2制冷的主要挑战在于工作压力相对较高(130至150 bar)，约比R134a 或 R1234yf 的工作压力高5倍。图5显示了使用 CO2的跨临界(超临界)周期，显示了 CO2呈不同液态液液体、蒸汽、2相的区域和超临界区域。 提示： ( 以下相变图是 一 种用来显示状态(压力、温度、体积等)的图表类型，显示从热力学角度发生的明显相变(固相、液相、气相)和平衡共存的状态。(6) ) 超临界流体指在超越其临界点的温度和压力条件下呈现 的物质(请参阅以下相变图)，在此状态下不存在明显 的液相和气相。 接近临界点时，压力或温度会发生小幅变化，导致密度 出现较大变化，从而使超临界流体的许多特性能够“微 调”. ( CO2和水是最常用的超临界流体，分别用于脱除咖啡 因和发电。(7) ) 图5：CO2的压力-焓图表 使用传统制冷剂(例如R134a)的冷却过程与此的主要差别在于， CO2 的工作过程在超越临界点的温度和压力条件下运行： CO2 的Tc=31°C/CO2的pc=73.8 bar 这意味着，使用 CO2的冷却过程在 CO2的超临界(跨临界)状态下运行。 在超越临界点的状态下执行排热过程，这更像是气体冷却，而不是制冷剂冷凝。图6的 CO2 和 R134a 的焓-压力图显示了冷法周期的不同状态。 与温度不变的次临界冷凝过程不同，在整个跨临界排热过程中，温度会下降。跨临界周期中没有冷凝，该过程被称作气体冷却。在低环境条件下，该过程可能在低于临界点的状态下运行，由此可能出现冷凝，而不是气体冷却。 Enthalpy[Btal] 图6：跨临界(CO2)和次临界 (R134a)冷却周期对比。 5 安东帕的 OCR 测量解决方案 5.1 在 CO2中测量 OCR 在：CO2中测量 OCR 需使用高压密度传感器L-Dens 7400 HAS HP版本(图7)。 图7：L-Dens 7400 HAS HP版本 为了成功应用 CO2， 安东帕提供可耐受高达180 bar 压力的高压密度传感器。安东帕基于U 型振荡管的原理测量密度。振荡频率与介质的密度呈正比关系。该密度取决于油浓度、介质的温度和压力，如图8和图9中所示。 图8：CO2密度与压力 图9：CO2密度与油浓度比率 该过程的温度和压力会严重影响密度读值。为了最大限度地保证两种方法的测量精度，务必要测量制冷剂的温度和压力，并在计算 OCR 时考虑这些参数。建议按图10中所示在CO冷却周期中安装 L-Dens 7400 和压力传感器。 图10：在CO2冷却周期中安装 L-Dens 7400 经验表明，完美适用于任何其他制冷剂的声速(另请参见5.2)无法对使用 CO2测量 OCR 提供可靠的结果。在某些运行条件下，油和制冷剂之间还会由于过度饱和而发生相位分离。众所周知，声速不适合用来测量不同类的液体或多相液体。 5.2 在PFC 中测量 OCR 在PFC 中测量 OCR 需使用声速传感器 L-Sonic 6100(图11)。 图11： L-Sonic6100 对于常规制冷剂(例如 R134a、R1234yf、R404、R32等)，通过测量声速可确定 OCR。测量原理依据的是声波在每种介质和浓度下的特定传播速度取决于温度和压力(图12)。 图12：声速与压力 图13显示了在 PFC 冷却周期安装的 L-Sonic 6100 和压力传感器。 制冷剂/油混合物在测量前必须完全液化 图13：在PFC冷却周期中安装 L-Sonic 6100 优点概览： "实时获取油浓度信息，不必等待实验室结果 优化了测量原理，有利于提高测试效率 m 避免人为错误和采样错误 客户定制化解决方案 制冷剂使用不受限制(包括CO2) m 数十年的浓度测量经验 全球400多套已安装系统 6 安东帕面向 CO2的 OCR配方 为了开发 OCR 配方，必须在指定测量范围内对制冷剂和润滑油进行相应的测量。配方本身是由安东帕基于所获得的测量数据进行相应计算和开发得出的。 为了测试配方的测量和计算结果，需要指定配方开发和适用的温度、压力和浓度范围。 除已确定的常规制冷剂(例如 R1234yf 或 R134a) 的配方之外，对于 R744(示例：R744中的润滑油ACC HV)还有2种配方适用： R744 中的 ACC HV配方1[%] 配方1的有效范围： 温度：0-44℃ 压力：60-130 bar (绝对压力) R744 highTP 中的 ACC HV 配方2[%] 配方2的有效范围： 温度：35-55℃ 压力：95-130bar(绝对压力) 润滑油 ACC HV： 0 - 10% 图14：R744 中的 ACC HV的有效配方范围 7 总结 关于哪种制冷剂合适的讨论从未停歇。但人们从未讨论过谁是合适的 OCR 测量供应商：安东帕。安东帕的测量系统强大可靠、无需维护且易于集成。您可以实时获取空调系统中的油浓度比率信息。凭借声速传感器L-Sonic 6100，安东帕可为传统制冷剂提供完美的解决方案。此外，对于使用 CO2的空调系统，安东帕也能提供适当的传感器技术：高度精确的密度传感器L-Dens 7400。这两种类型的传感器均可连接到同一个二次表mPDS 5，也可以通过传感器内作为独立解决方案集成的 Pico 3000 发射器进行配置 8 参考资料 1. Gernemann， Andreas. Dissertation . Konzeption，Aufbau und energetische Bewertung einerzweistufigen CO2-Kalteanlage zurKaltebereitstellung in gewerblichen Normal-undTiefkuhlanlagen (Supermarkt). Essen ： s.n.， 2003. 2. Parsch， Willi/Brunsch， Bernd. LuK Kolloquium.Der CO2 Kompressor-Neue Technologie fur kuhleKopfe und warme FuBe. Buhl/Baden ： s.n.，2002. 3. Michael Stalter， Rainer Burger.Olzirkulationsmessungen in Kfz-Kaltemittel-Kreislaufen. KI Kalte Luft Klimatechnik. Oktober 2007 4. Wujek， Scott/ Hrnjak， Predrag/ Seeton，Christopher.Proceedings of FEDSM2007 5th JointASME/JSME Fluids Engineering Conference. OnlineMeasurement Techniques for Determining OilCirculation Rate. San Diego： s.n.， 2007. 5. Wikipedia "Enthalpy".https：//en.wikipedia.org/wiki/Enthalpy.[Online] 022018. 6. Wikipedia "Phase diagram"..https：//en.wikipedia.org/wiki/Phase_diagram. [Online]022018. 7. Wikipedia "Supercritical fluid".https：//en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid.[Online]022018. 8.Olkonzentration. 请联系安东帕有限公司 电话：+43316257-0process@anton-paar.com|www.anton-paar.com DPIAH-Awww.anton-paar.com 当人们在讨论“臭氧层被破坏”、“温室气体”和“全球变暖”等问题时，制冷剂总是逃不开的话题。多年来，冷却工艺和液体开发表明，CO2 从技术和环保方面看似乎是最合适的制冷剂。目前，所有冷却设备中运用的是按一定比例搭配的制冷剂与润滑油，称为 OCR。对于这种工艺和设备，可靠地测量 OCR 至关重要。