确定三元制冷剂中混合物组分的方法和系统

摘要

一种确定制冷系统中三元制冷剂组分的方法。在假定膨胀循环是等焓的,并假定在膨胀前后三元混合物内的两种组分之比保持恒定的条件下,用该方法计算三元制冷剂的组分。

说明书

II.本发明的背景

A、本发明的领域

本发明涉及使用三元制冷剂，并具有一个包括把制冷剂从液相膨胀为液相和气相的膨胀器的循环的制冷或者空调系统。具体地说，本发明提供了一种全新的确定三元制冷剂组分的方法和系统。

含氯氟烃制冷剂，例如二氯二氟甲烷(“R-22”)，危害地球的臭氧层。因此，从事空调和制冷的技术人员，长期以来一直在寻找与含氯氟烃制冷剂效果相同，但是使用时不危害环境的制冷剂组分。这种探索导致发现了三元制冷剂，如“R-407”，这是一种二氟甲烷(“R-32”)，五氟乙烷(“R-125”)和1，1，1，2-四氟乙烷(“R-134a”)按重量比23/25/52混合组成的三元混合物，其特性与R-22相同。R-407C，R-134a，R-125，R-32，R-22和许多其它的缩写，由美国供热、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)指定，并在工业上通用和使用于本发明中。

使用三元制冷剂也有一些问题。制冷系统周期性泄露，引起分馏，必然会使制冷剂组分变化。使用三元制冷剂的问题之一是不能确定三元制冷剂是否分馏和已经分馏的程度。

测量三元制冷剂的组分，如R-407C，比测量二元制冷剂的组分更为复杂，这是因为每一种组分都使热力学状态方程增加一个自由度，为了解方程，需要增加更多的过程变量。一种简单的确定三元制冷剂组分的方法将大大便于新的三元制冷剂的使用和应用。

B.现有技术的描述

测量热力学性质的方法是公知的，状态方程用于计算制冷剂的组分。例如，授予Sumida的美国专利No.5,626,026描述了一种控制制冷系统的多相过程。Sumida描述了一种计算制冷剂组分的系统，来控制制冷系统中的压缩机和膨胀阀。但是，Sumida描述的这种方法不能够直接应用于三元制冷剂。

III.本发明的概述

本发明的目的是提供一种确定正在运行的制冷系统中三元制冷剂组分的非常简单的方法，及一种实施该方法的系统。

确定一个带有膨胀装置的制冷系统中的三元制冷剂组分的方法包括：在具有一个膨胀装置的制冷循环中提供一种三元制冷剂，该制冷剂包括第一组分，第二组分和第三组分；测量膨胀装置上游液相三元制冷剂的上游温度；在膨胀装置中使该制冷剂膨胀，以便三元制冷剂在膨胀装置下游以气相和液相出现；测量膨胀装置下游三元制冷剂的下游温度和下游压力；用热力学状态方程计算三元制冷剂组分，其中计算步骤假设焓只是温度的函数，膨胀阀上游液相中和膨胀阀下游液相和气相中的第一组分与第二组分之比是常数。

确定制冷剂循环中三元制冷剂组分的系统包括：一个与制冷循环流动连接的膨胀装置，用于将三元制冷剂从液相膨胀至液相和气相；一个用于测量膨胀装置上游的液相三元制冷剂混合物温度的第一温度检测装置；用于分别测量膨胀装置下游的气相和液相三元制冷剂温度和压力的第二温度检测装置和一个压力检测装置，及一个在收到第一温度检测装置，第二温度检测装置，和压力检测装置的输入，而不收到其它过程变量的输入后，根据焓只是温度的函数，膨胀装置上游液相中和膨胀装置下游液相和气相中的第一组分与第二组分之比是常数的假定，计算三元制冷剂组分的计算器。

如下面所详细描述的，本发明的方法和系统尤其适用于确定开始充入R-407C及类似制冷剂的制冷系统中的制冷剂组分。一旦计算出组分，计算得出的值可以用于各种目的，包括系统控制和再充填过程。

本发明的其它目的和优点将在下面的说明书中提出，从说明书中变的显而易见，并能够通过实施本发明来获知。本发明的目的和优点将通过后述权利要求中的部件和它们的组合来实现和获得。

显然，如权利要求所述，前面的概括性描述和后面的详细描述只是示例和说明，并不能限制本发明。

引进的附图构成说明书的一部分，它与说明书一起描述本发明的一个实施例，用于说明本发明的原理。

IV.附图简要说明

图1是一种制冷系统的示意图。

图2是描述制冷剂组分特性的一个示例的“压焓双曲线”的压焓图；其中梯形a-b-c-d表示一个示例的制冷循环；c-d线代表一个示例的等焓膨胀。

V.最佳实施例的描述

图1描述的是包括一个压缩机3，冷凝器5，膨胀装置7(下面有时称为“膨胀阀”)，和蒸发器9的示例的制冷系统或者循环。制冷系统的测量装置包括第一温度检测装置或传感器13，第二温度检测装置或传感器15，及一个压力检测装置或传感器17。在该最佳实施例中，测量装置只提供计算器如微处理器19所要求输入的过程变量。换句话说，简图、表或图形族可以用于从输入的上述过程变量中计算三元制冷剂组分。

如图1所示，压缩机3，冷凝器5，膨胀装置7和蒸发器9通过管线连接为一个循环。显然对于普通技术人员来说，在制冷系统中增加其它元件是显而易见的。例如，可以将一个集液器加入压缩机上游，来控制供给压缩机的制冷剂的质量。

图2中的梯形a-b-c-d描述了制冷系统的热力学运行。在常压下，蒸发器9中的制冷剂蒸发从环境吸收热量，如线d-a所示。蒸气在压缩机3中压缩，然后热量在恒压冷凝过程中放出，如线b-c所示。线c-d描述的是在膨胀阀中发生的等焓膨胀。

在本发明中，液相三元制冷剂膨胀之前的温度由温度测量装置13测量。只要被测量液体的状态基本上与进入膨胀装置的相同。尽管装置13能够置于膨胀装置上游的其它位置，但是只要测量液体的状态与膨胀阀进口的状态基本相同，所以装置13最好紧挨膨胀装置进口。在膨胀之后，液相和气相的温度和压力由第二温度检测装置15和压力检测装置17测量。而且，装置15和17最好紧邻膨胀装置下游侧，尽管这些测量可以在另一个制冷剂状态基本上等于排出膨胀装置的制冷剂状态的位置上进行。

进行组分计算涉及图2中的线c-d。膨胀只在理论上是等焓的。本发明的计算假定了一个等焓膨胀，发明人得出的结论足够精确，以至于能够提供涉及三元制冷剂组分(如R-407C)的有益信息。

在本发明的方法中，含有第一组分，第二组分和第三组分的三元制冷剂以液体进入膨胀装置7。由于压力下降，制冷剂离开“压焓双曲线”(线E)左侧的液相区，进入双曲线下的所谓两相区。在垂线c-d和线E相交成为两相区的点处，为一种完全由压力、温度和焓描述的二元系统。但是二元系统有附加组分提出的附加自由度。发明人得出的结论是，可以对三元组分系统作出廉价和简便的评估，其中两种组分之比保持相对恒定。

本发明的原理是假定第一组分和第二组分之比保持恒定。发明人得出结论，该假定准确地用于三元混合物，如R-407C。该假定以及等焓膨胀的假定只使用上游温度和下游温度和压力作为输入的过程变量，就可计算三元制冷剂的组分。

在一个优选的实施例中，三元制冷剂主要由二氟甲烷(R-32)，五氟乙烷(R-125)，和1，1，1，2四氟乙烷(R-134a)组成，也可以是R-407C。在该最佳实施例中，R-32与R-125之比假定为常数。在此发明人已经认识到，公知制冷剂的这些组分具有相同的挥发性，形成共沸点混合物。因此，为了达到上述目的，可以采用这两种组分的混合物作为一种必须的组分。

一旦选择了象R-407C这样的制冷剂，检测了上述参数，并应用了上述假定，可以使用一定数量的相关状态方程来确定制冷剂的组分，尤其是确定其中各种组分的重量比。如在本领域所公知的那样，一旦采用这些假定，可以采用商用计算程序进行计算。组分计算算法的选择对于本领域的普通技术人员来说是非常容易的。只通过实例，可以直接用国家标准和测试研究院(NIST)的子程序RERPROP6来集中物理性能数据，获得组分重量比。

利用本发明的方法和系统获得的结果可以用来控制制冷系统，提供最佳效果。此外，概括地表示在图1中的永久方法和系统能够用来对制冷剂组分进行周期性取样，确定是否由于泄漏已经引起制冷剂分馏。一旦知道了具体组分，就可以再充填制冷剂，以便具有最佳相对组分重量比。

在另一个最佳实施例中，该方法和系统可以用来确定是否系统在泄漏之后已经分馏。例如，传感器和/或计算器可以设计为临时的装置和系统，以便在需要时能够可拆卸地安装到制冷剂系统中。例如，制冷剂循环可以设计成包括膨胀装置上游和下游的出口，检测装置可以暂时连接这些出口。在应用中，计算器与第一和第二温度检测装置13，15和压力检测装置17的过程变量输出可操作地连接。传感器和计算器可以设计成便携装置。这种便携式布置将使本发明的方法和装置，在已经检测出泄漏，和操作者想要知道三元制冷剂是否分馏和/或已经分馏的程度时，能够立即投入使用，而不涉及出现在该系统中的控制装置。检测装置和计算器可以临时插入装在制冷系统内的出口中。

考虑到本发明已经公开的说明和实施例，本发明的其它实施例是显而易见的。本发明的说明和实例只是作为示例，本发明的实际范围和精神限定在后述的权利要求书中。