基于R32制冷剂泄漏模拟测试装置的开发及应用

王志坤 蔡宁 高文琪 杨双 陈龙

中家院（北京）检测认证有限公司 北京 100176

0 引言

随着科技的发展，人们逐渐认识到用于空调、冰箱等制冷器具中的氟利昂族制冷剂对臭氧层具有破坏性作用，为了保护环境，《蒙特利尔协定书》要求对所有的氟利昂类制冷剂进行控制，以此达到保护臭氧层的目的。这给了相关专家学者找寻和开发新型制冷剂的动力。目前，具有良好环保作用的可燃制冷剂已广泛应用于空调、冰箱等制冷器具中，但因可燃制冷剂具有可燃性，其泄漏安全问题引起了国内外相关研究人员的高度关注[1]。

GB 4706.32-2012《家用和类似用途电气的安全 热泵、空调器和除湿机的特殊要求》[2]中对使用可燃制冷剂的热泵、空调和除湿机提出了要求，附录FF中详细介绍了可燃制冷剂模拟泄漏试验的试验方法和相关要求[3]，以此为基础开发了制冷剂泄漏模拟装置，该装置通过电脑软件进行自动化控制，能够自动实现匀速定量释放，自动采集制冷剂质量和浓度，并自动将数据保存至电脑，方便数据的查看和过程追溯，有良好的使用价值。由于可燃制冷剂种类众多，本文以制冷剂R32为例对比装置进行说明，其他类型制冷剂类似。

1 试验要求和测试方法

GB 4706.32-2012中规定了制冷工质为可燃制冷剂的制冷器具需要进行“泄漏模拟”测试[4]。标准中规定：

可燃制冷剂泄漏模拟需要在制冷系统中最危险的部位上进行，例如，制冷系统管路的连接处、大于90度的弯头，或者是在制冷系统中的薄壁上、极易损伤处、弯头尖锐部位等进行试验[2]。在环温为20℃～25℃的条件下，通过用毛细管以每分钟泄漏器具总充注量的25%±5%的速率向上述危险部位注入制冷剂[5]。

在制冷剂注入期间以及注入后，带电元件周围的可燃制冷剂浓度不能大于最低可燃浓度的75%；同时，如果元件周围的可燃制冷剂浓度大于最低可燃浓度的50%，那么达到该浓度的时长不能大于5 min，若制冷剂注入时长小于5 min，则不能超过注入时间[2]。

2 可燃制冷剂泄漏模拟装置的开发及应用

2.1 可燃制冷剂泄漏模拟装置的开发

可燃制冷剂泄漏模拟装置主要由电脑、精密电子秤、制冷剂钢瓶、比例调节阀、压力表、电磁阀、控制电气元件、气体浓度分析仪等元件组成，可以精确、匀速地向器具的最危险部位释放制冷剂蒸汽，模拟器具薄弱部位制冷剂泄漏时的现象。其中，采用C#语言设计了一套较为完善可靠的控制软件，通过大量模拟试验建立起了一套完整的数据模型，该控制软件通过数学模型计算出制冷剂释放量对应的比例调节阀的开度，协调各元件的工作流程，从而达到精确控制制冷剂流量的目的。

为保证试验人员的安全，本检验装置还可通过远程控制接口实现可燃制冷剂泄漏模拟试验系统远程控制。计算机可放置到试验室外，可设置测试相关参数，并对测试过程及数据进行处理分析，实现试验的全自动测试。设备原理图如图1所示，实物如图2所示。

图1 可燃制冷剂模拟泄漏装置原理图

图2 设备实物图

2.2 主要试验设备及仪器

（1）精密电子称

电子称是该泄漏模拟装置的核心测量元件，直接关系到可燃制冷剂释放量的控制精度。因为电子秤的使用环境为有可燃气体的环境，所以需要选择使用高容量电池的防爆电子称，以保证测试环境安全，同时电子称提供通讯接口，计算机可通过接口实现数据的实时采集。针对可燃制冷剂R32，本装置选用了防爆等级为ExibⅡCT3Gb的电子秤。主要参数：最大称重：20 kg；精度：±1 g。

（2）气体浓度分析仪

目前常用的是采用非分光红外吸收法设备，该气体浓度分析仪具有快速响应的特点，可对制冷剂浓度进行实时检测。此外，针对不同的制冷剂进行检测时，需要更换不同的气体浓度分析仪，可满足同一装置进行多种制冷剂测试的要求。下面为制冷剂为R32时气体浓度分析仪的主要参数：

测量组分：CH2F2；量程范围：0～15%；最小分辨率：0.1%；线性误差极限：±2%FS。

（3）比例调节阀

比例调节阀和控制器是精确控制制冷剂释放量的重要部件，一般情况下，阀门在中间量程时控制精度最好，因此量程的选择对试验的精确度非常重要。本装置针对单一制冷剂R32选用的比例调节阀能够满足制冷剂释放量范围为450 g～1800 g的家用空调测试。

（4）其他元件

在选择本装置的其他元件时，都尽量使用了具有防爆功能电气元件或者灭弧类电气元件。例如开关选用了型号为SW-10的防爆开关、配电箱使用了型号为BJX51的防爆箱等。

可燃制冷剂泄漏模拟装置下方安装有四个万向轮，方便移动。

2.3 可燃制冷剂泄漏模拟装置的应用

2.3.1 可燃制冷剂空调器性能试验室的基本要求

使用制冷工质为可燃制冷剂的房间空调器进行制冷剂泄漏模拟试验时，考虑到该试验需要在试验室中完成，试验过程中不可避免会有一定量的可燃制冷剂泄漏到试验室环境中去，所以为确保试验人员的安全以及试验装置的安全，避免发生爆炸或火灾，GB 4706.32-2012标准附录FF中对试验室做了如下规定：

可燃制冷剂的泄漏模拟试验需要在通风比较好的房间中开展，同时，该房间还需要有较大的空间便于试验的进行[2]。

试验用房间所需最小体积为[2]：

式中：

V-体积（m³）（天花板高度不小于2.2 m）；

m-制冷剂质量（kg）；

LFL-附录BB中的最低可燃浓度（kg/m³）。

R32的最低可燃浓度为0.306 kg/m³，由公式（1）计算得到试验室体积不小于18.95 m³。

2.3.2 可燃制冷剂泄露模拟试验

进行可燃制冷剂泄漏模拟试验之前，需要对试验样机进行选择，并向生产厂家索要样机的制冷系统爆炸图，便于快速找到合理的试验点。

本文以某品牌1 P家用热泵型房间空调器为例，其制冷剂R32的充注量约为650 g。将该样机安装于体积为168 m³的焓差试验室中，并将焓差试验室的工况设置为23℃，待工况稳定后进行试验。

图3为制冷剂泄露模拟试验时的样机状态。试验期间样机以额定电压供电，在正常工作状态下工作。经过多次试验确定该样机易发生制冷剂泄漏的关键点为室内机制冷剂回路连接处的焊接点。确定易发生制冷剂泄漏点后，将模拟装置上的制冷剂注入毛细管接到样机制冷剂回路焊接点上，同时将气体浓度分析仪的采样管接入电控板盒内，方便试验中可燃制冷剂气体浓度的采集。试验准备就绪后，打开样机，启动可燃制冷剂泄漏模拟装置，通过软件控制调节比例调节阀开度，毛细管以每分钟泄漏器具总充注量的25%左右的速率向样机焊接点处充注制冷剂，直至试验结束。

图3 可燃制冷剂泄露模拟试验

2.3.3 可燃制冷剂泄漏模拟装置软件的控制与操作

如图4所示，可燃制冷剂泄漏模拟测试软件界面控制方式有自动和手动两种控制方式。测试前选择自动控制可以实现泄漏模拟装置的自动化释放，在试验开始前需要在电脑的测试软件上输入制冷剂释放量（如图4）。试验开始后，软件根据输入值，通过内部算法计算出比例调节阀的开度，将比例调节阀调到相应的位置。然后制冷剂钢瓶上的电磁阀自动打开，开始释放可燃制冷剂，同时记录下制冷剂初始泄漏时间t1，制冷剂罐初始重量g1，当释放达到规定时间或者释放量后，电磁阀自动关闭，同时记录下泄漏结束时间t2，泄漏结束时制冷剂罐的重量g2。气体分析仪从系统开始释放制冷剂时采集制冷剂的浓度，直到测试结束。测试期间一旦检测到制冷剂的浓度超标，则装置立即报警，试验立刻自动停止，避免造成人身及财产安全事故。

图4 测试软件输入界面

式中：

gl-制冷剂的泄漏量，单位为克（g）；

g1-制冷剂罐初始重量，单位为克（g）；

g2-泄漏结束时制冷剂罐的重量，单位为克（g）。

式中：

t-制冷剂的泄漏时间，单位为秒（s）；

t1-制冷剂初始泄漏时间，单位为秒（s）；

t2-泄漏结束时的时间，单位为秒（s）。

当制冷剂的泄漏量gl等于设定量，制冷剂释放时间200 s＜t＜300 s时，表明制冷剂已经完全释放，试验自动结束。

2.3.4 可燃制冷剂泄漏模拟装置验证

图5是模拟制冷剂R32泄漏650 g时的释放曲线。其中，红色曲线为压力线，绿色曲线为制冷剂释放曲线。根据标准GB 4706.32-2012中的要求，对制冷系统中最危险薄弱部位进行试验时，需要以每分钟总充注量的20%～30%的泄漏速率充注制冷剂。从制冷剂释放曲线结果图上可以看到制冷剂模拟泄漏装置在释放过程中制冷剂减少量曲线较为平滑，释放过程中释放量均匀，从表1采集到的释放量数据能够清楚看到每分钟的释放量均在标准范围内，由于该厂家的电源盒密封严密，浓度测试仪的数值为0%V/V，没有达到R32的最低可燃浓度14.4%V/V，泄漏量和泄漏所用时间都在标准要求的范围内，能够满足标准要求，充分证实该制冷剂泄漏模拟装置的可靠性与测试结果的准确性。

表1 制冷剂释放数据

3 结论

本文介绍了一种可燃制冷剂泄漏模拟试验装置，该装置结构简单可靠，通过计算机、精密电子秤、比例调节阀、压力传感器实现了制冷剂的泄漏量可控可调，质量可靠，同时实现了可燃制冷剂泄漏模拟泄漏试验过程的自动化，避免了人员手动操作带来的危险性，整个试验过程安全，检测结果准确。