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CN207923723U - 用于检测hvacr系统中的制冷剂污染的系统 - Google Patents

用于检测hvacr系统中的制冷剂污染的系统 Download PDF

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CN207923723U CN201721236435.1U CN201721236435U CN207923723U CN 207923723 U CN207923723 U CN 207923723U CN 201721236435 U CN201721236435 U CN 201721236435U CN 207923723 U CN207923723 U CN 207923723U
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J·A·莫杰瑞恩
R·牛顿
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Trane International Inc
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Abstract

一种用于检测HVACR系统中的制冷剂是否被污染的系统。该系统包括检测器，其检测蒸汽空间中的制冷剂气体的性质并将检测到的性质与未污染制冷剂气体的参考性质进行比较。如果检测到的性质与参考性质不同，则检测器确定在制冷剂气体中存在污染物。由检测器检测的性质可以是通过制冷剂气体的声速或制冷剂气体的导热率。

Description

用于检测HVACR系统中的制冷剂污染的系统
技术领域
本公开总体上涉及加热、通风、空调和制冷(“HVACR”)系统和方法，更具体地涉及在HVACR系统和方法中使用的制冷剂的污染检测。
背景技术
HVACR系统通常使用制冷剂来对传热介质进行冷却、加热或除湿。用于 HVACR系统的制冷剂包括但不限于HCFC、HFC、HCFO或HFO制冷剂或这些制冷剂的混合物。当制冷剂被污染或者被HVACR系统所用的制冷剂以外的其他材料伪造时，HVACR系统将无法充分运行。更糟糕的是，如果污染物或假冒制冷剂，例如甲基氯(R-40)具有高毒性或易燃性的潜力，则HVACR系统可能容易受到破坏或爆炸。
实用新型内容
本文描述的实施例涉及用于检测加热、通风、空调和制冷(“HVACR”) 单元中制冷剂污染的系统或方法。
在一些实施例中，提供了一种用于检测HVACR系统中制冷剂气体污染的系统，其包括：含有制冷剂气体的蒸汽空间；和与蒸汽空间连接的检测器，其检测蒸汽空间中的制冷剂气体的性质、将检测到的性质与用于HVACR系统的未污染制冷剂气体的参考性质进行比较、以及如果检测到的性质与参考性质不同，则确定在蒸汽空间的制冷剂气体中存在污染物。在一些实施例中，如果检测到的性质和参考性质之间的差异大于预定阈值，则检测到的性质被确定为与参考性质不同。在一些实施例中，蒸汽空间是HVACR系统的传热回路中的部件内的制冷剂储存器或容积、HVACR系统的传热回路中包括的流体管线、或与传热回路连通的制冷剂容器。
在一些实施例中，系统还可以包括与检测器通信的控制器，其接收来自检测器的污染物存在于蒸汽空间的制冷剂气体中的确定并且产生输出存在污染物的警告的指令；以及与所述控制器通信的输出装置，其响应于接收到来自所述控制器的指令，输出所述蒸汽空间的制冷剂气体中存在污染物的警告。
在一些实施例中，制冷剂气体的性质是当来自蒸汽空间的制冷剂气体通过试剂时试剂的颜色。试剂与潜在的污染物反应，从而具有颜色变化，而试剂不会通过将颜色改变而与用于HVACR系统的未受污染的制冷剂气体反应。在一些实施例中，检测器可以包括内部传感器，其评估检测到的试剂的颜色的色调和值，将检测到的颜色的值和色调水平与参考的值和色调水平进行比较，以及如果检测到的颜色的值和色调水平与参考颜色的值和色调水平不同，则确定在蒸汽空间的制冷剂气体中存在污染物。在一些实施例中，如果检测到的颜色的值色调水平以及参考颜色的值和色调水平之间的差异大于(多个)预定阈值，则检测到的颜色被确定为与参考颜色不同。在一些实施例中，试剂可以是铬酸钠或高锰酸钠。在一些实施例中，检测器可以包括观察镜，通过其可以观察到试剂的颜色变化。在一些实施例中，检测器还包括指示器，其指示用于HVACR 系统的未受污染的制冷剂气体的试剂的参考颜色。
在一些实施例中，制冷剂气体的性质是通过制冷剂气体的声速。声速可以通过关系式给出，其中v是通过制冷剂气体的声速，γ是绝热常数， R是气体常数，M是制冷剂气体的分子量，T是绝对温度。在一些实施例中，检测器可以包括输出声波的换能器、接收透射或反射的声波的接收器、以及感测制冷剂气体的温度的传感器。检测器可以被配置为检测通过蒸汽空间中的制冷剂气体的声速；将检测到的声速与用于HVACR系统的未受污染的制冷剂气体的参考声速进行比较；并且如果检测到的声速与参考声速不同，则确定污染物存在于蒸汽空间的制冷剂气体中。如果测得的声速和参考声速之间的差异大于预定阈值，则检测器可以确定检测到的声速与参考声速不同。检测器可以被配置为使用超声波干涉仪来检测蒸汽空间的制冷剂气体中的声音的双向行进时间。检测器可以被配置为使用测量的通过制冷剂气体的声速来计算制冷剂气体的分子量，并且使用所计算的分子量来确定制冷剂气体中的污染物的量比。
在一些实施例中，检测器可以包括导电材料，导电材料与污染物反应，从而具有其阻抗的变化，同时导电材料不与用于HVACR系统的未受污染的制冷剂气体反应。在一些实施例中，制冷剂的性质可以是当蒸汽空间的制冷剂气体接触导电材料时导电材料的阻抗。检测器可以配置为向导电材料施加恒定电流。金属可以具有条状或线状的形状。
在一些实施例中，制冷剂气体的性质是制冷剂气体的导热率。检测器可以包括电路，例如包括多个电加热细丝的惠斯登电桥电路。在一些实施例中，检测器可以包括来自蒸汽空间的制冷剂气体通过其的样品单元和用于HVACR系统的未受污染的制冷剂气体通过其的参考单元。检测器可以检测来自同一单元中的蒸汽空间中制冷剂气体的导热率和参考单元中未污染的制冷剂气体的参考导热率，将检测到的同一单元中的制冷剂气体的导热率与参考导热率比较，以及如果检测到的同一单元中的制冷剂气体的导热率不同于参考导热率，则确定污染物存在于蒸汽空间的制冷剂中。
在一些实施例中，检测器可以包括电路，诸如惠斯登电桥电路，其包括设置在温度控制的单元中的多个电加热细丝。在一些实施例中，当来自蒸汽空间的制冷剂气体通过第一组电加热细丝时，该电路可以检测第一组电加热细丝的电阻，以及当未污染制冷剂气体用于HVACR系统时检测第二组加热细丝的参考电阻、将检测到的第一组电加热细丝的电阻与参考电阻进行比较，并且如果检测到的第一组电加热细丝的电阻与参考电阻不同，则产生可测量的电压变化。响应于检测到可测量的电压变化，检测器可以确定来自蒸汽空间的制冷剂气体中存在污染物。在一些实施例中，惠斯登电桥电路包括样品部分和参考部分，并且第一组电加热细丝可以设置在样品部分中，并且第二组电加热细丝可以设置在参考部分中。
在一些实施例中，提供了一种用于检测HVACR系统中的制冷剂污染的方法，其包括：通过检测器检测HVACR系统的蒸汽空间中的制冷剂气体的性质；将检测到的性质与用于HVACR系统的未污染制冷剂气体的参考性质进行比较；如果检测到的性质不同于参考性质，则确定污染物存在于蒸汽空间的制冷剂气体中。
考虑以下详细描述和附图，系统、方法和控制概念的其他特征和方面将变得显而易见。
附图简要说明
现在参考附图，其中相同的附图标记表示全文相应的部分。
图1A示出可以实现本文所述的实施例的示例性HVACR系统的示意图。
图1B示出根据实施例的可以在HVACR系统中使用的示例性制冷剂容器的主视图。
图2示出根据实施例的示例性HVACR系统的示意性框图。
图3A示出根据实施例的检测HVACR系统中的制冷剂污染的方法的流程图。
图3B示出根据实施例的如何基于该确定来输出在HVACR系统的制冷剂中存在污染物的警告的流程图。
图4A示出根据实施例的用于检测HVACR系统中的制冷剂污染的颜色检测器的主视图。
图4B示出了颜色检测器的立体图。
图4C示出了根据实施例的用于检测HVACR系统中的制冷剂的污染的另一示例性颜色检测器。
图5示出根据实施例的用于检测HVACR系统中的制冷剂气体的污染的示例性声速检测器的示意图。
图6示出通过R134a、R1234yf、R1234ze(E)、R513A和R516A以及 R-40的每一个的声速。
图7示出根据实施例的通过R134a 15和/或R-40的制冷剂混合物的声速的曲线图。
图8示出根据实施例的用于检测HVACR系统中的制冷剂气体的污染的示例性电检测器中包括的电路板。
图9A示出根据实施例的用于检测HVACR系统中的制冷剂气体的污染的示例性导热率检测器的示意图。
图9B示出可以包括在导热率检测器中的惠斯登电桥电路的示意图。
图9C示出可以在导热率检测器中使用的单元的一部分。
图9D示出根据实施例的用于导热率检测器的细丝的示例性单元的一部分。
图10示出了R134a、R1234yf、R1234ze(E)、R513A和R516A以及R-40 各自的导热率。
图11示出了根据实施例的R134a和/或R-40的制冷剂混合物的导热率。
具体实施方式
本公开总体上涉及加热、通风、空调和制冷(“HVACR”)系统。更具体地说，本公开涉及用于检测在HVACR系统中使用的制冷剂中的污染以及 HVACR系统中的泄漏的系统和方法。
通常，HVACR系统使用制冷剂来对诸如水，空气或流体的传热介质进行冷却、加热、除湿或加湿。HVACR系统的制冷剂包括但不限于HCFC、HFC、 HCFO或HFO制冷剂或这些制冷剂的混合物。例如，用于HVACR系统的制冷剂可以包括但不限于R134a和具有低全球变暖潜能值(“GWP”)的类似制冷剂，例如R1234yf、R1234ze(E)、R513A和R516A。然而，通常使用具有类似蒸汽压力和较低生产成本的材料，例如CH3Cl(R-40)来假冒用于 HVACR系统的制冷剂。然而，例如，假冒制冷剂R-40与通常含有铝和锌并采用制冷剂HFC-134a(R-134a)、HCFC-22(R-22)等的近来的HVACR系统不兼容。如果在HVACR系统中使用R-40，则R-40将在HVACR系统中与铝和锌反应，并引起系统可靠性问题。此外，一些反应产物可能是严重危险的，并且由于假冒制冷剂的高毒性或易燃性潜力，一些反应产物可能会致使 HVACR系统易受损坏或爆炸的影响。此外，污染物可能通过泄漏引入HVACR 系统。如果使用HVACR系统制冷剂以外的其他材料将制冷剂污染或者假冒制冷剂，则HVACR系统无法正常工作。
在HVACR系统中检测制冷剂污染的现有方法通常需要在HVACR系统中采集制冷剂样品并进行气相色谱工作或需要昂贵的分析测试设备。这些现有的检测方法是昂贵和耗时的。本实用新型提供了快速、有效、节省成本的系统或方法，用于确定HVACR系统中是否存在污染物或假冒制冷剂，或者是否已经将这些污染物或假冒制冷剂引入到HVACR系统中。
在此描述了用于检测HVACR系统中制冷剂气体污染的系统。在一些实施例中，该系统可以包括含有制冷剂气体的蒸汽空间；以及检测器，其连接到所述蒸汽空间并且配置为检测所述蒸汽空间中的所述制冷剂气体的性质，将所检测到的性质与未污染的制冷剂气体的参考性质进行比较，并且如果所检测到的性质与参考性质不同，则确定该制冷剂气体中存在污染物。在一些实施例中，系统可以包括与检测器通信的控制器和与控制器通信的输出装置。控制器可以接收来自检测器的制冷剂气体中存在污染物的确定并产生输出存在污染的警告的指令。响应于从控制器接收到指令，输出装置可以输出指示在制冷剂气体中存在污染的警告。
此外，还提供了用于检测HVACR系统中的制冷剂污染的方法。该方法可以包括通过检测器检测HVACR系统的蒸汽空间中的制冷剂气体的性质；将检测到的性质与制冷剂气体的参考性质进行比较；并且如果检测到的性质与参考性质不同，则确定在HVACR系统的蒸汽空间的制冷剂气体中存在污染物。蒸汽空间可以是HVACR系统的传热回路中的部件内的制冷剂储存器或容积、 HVACR系统的传热回路中的流体管线或制冷剂容器。
HVACR系统
图1A示出了根据一些实施例的HVACR系统中包括的示例性传热回路 100的示意图。该传热回路100可以应用于用于控制空间中(通常称为调节空间) 的环境状况(例如，温度、湿度、空气质量等)的各种加热、通风、空调和制冷(HVACR)系统。传热回路100可以具体地配置成能够以冷却模式操作的冷却系统(例如，空调系统)。或者，传热回路100可以具体地配置成可以在冷却模式和加热/除霜模式下操作的热泵系统。
传热回路100通常包括压缩机101、冷凝器102、膨胀装置103、蒸发器 104和多个流体管线105,106,107,108。传热回路100的各部件流体连接。传热回路100是示例性的并且可以被修改以包括附加的部件。在一些实施例中，传热回路100还可以包括诸如接收罐、蓄能器等的制冷剂储存器、节能器热交换器、一个或多个流量控制装置、干燥器、抽吸-液体热交换器等。
传热回路100根据一般已知的原理运行。传热回路100可以配置成加热或冷却传热流体或介质(例如，诸如但不限于水等的液体)，在这种情况下，传热回路100通常可以代表液体冷却器系统。传热回路100可替代地被配置成加热或冷却传热介质或流体(例如诸如但不限于空气等的气体)，在这种情况下，传热回路100通常可以代表空调设备或热泵。
在运行中，气态的制冷剂流到压缩机101。压缩机101将制冷剂气体从相对较低压力的气体压缩到较高压力的气体。相对较高的压力和较高温度的气体从压缩机101排出并流过冷凝器102。根据通常已知的原理，制冷剂流过冷凝器102并将热量排出到传热介质(例如水，空气，等)，从而冷却制冷剂。此时处于液态的冷却的制冷剂流到膨胀装置103。膨胀装置103降低制冷剂的压力。结果，一部分制冷剂被转化为气态。现在处于混合液态和气态的制冷剂流向蒸发器104。制冷剂流过蒸发器104并从传热介质(例如水，空气等)吸收热量来加热制冷剂，以及将其转换为气态。气态制冷剂然后返回到压缩机101。因此，制冷剂可以以气态流过流体管线105，以液态流过流体管线106，以液态流过流体管线107，并且以液态和气态的组合流过流体管线108。当传热回路100例如在冷却模式(例如，当压缩机101启动中)中运行时，上述过程继续进行。
在一些实施例中，HVACR系统可以包括用于储存制冷剂气体或将制冷剂气体供应到传热回路100的制冷剂容器。图1B示出了根据一些实施例的 HVACR系统中的示例性制冷剂容器110。
污染物检测系统
图2示出了根据一些实施例的用于检测HVACR系统210中的制冷剂气体的污染的系统200和与HVACR系统210通信的输出装置220。用于检测制冷剂气体的污染的系统可以包括含有制冷剂气体的蒸汽空间211和检测器212。蒸汽空间211可以是传热回路100中的制冷剂储存器或流体管线，或者与传热回路100连通的制冷剂容器。检测器212可以是比色检测器、声速检测器、电检测器、热导检测器等。系统200还可以包括控制器和输出装置220，以便向使用者通知制冷剂气体中是否存在污染物。检测器212可以连接到蒸汽空间 211。检测器212可以与控制器213通信。
图2的系统200还可以用于检测HVACR系统210中包含液态制冷剂或制冷剂液体通过的部件中的制冷剂液体的污染。当系统200检测制冷剂液体的污染时，系统200包括包含制冷剂液体或制冷剂液体通过的液体空间，而不是在 HVACR系统210中的蒸汽空间211。
图3A示出了根据一些实施例的检测HVACR系统210中的制冷剂污染的方法的流程图。如果启动了HVACR系统的检测(步骤310)，则检测器212 检测HVACR系统210的蒸汽空间211中的制冷剂气体的性质(步骤312)。在步骤314，检测器212将检测到的性质与未污染制冷剂气体的参考性质进行比较(步骤314)。如果检测到的性质与参考性质不同(步骤316)，则检测器212确定在HVACR系统的蒸汽空间中的制冷剂气体中存在污染物(步骤 318)。当检测到的性质和参考性质之间的差大于预定阈值时，检测器212可以识别出检测到的性质与参考性质不同(步骤316)。或者，控制器213可以代替检测器212执行步骤314、316、318。
图3B示出了根据一些实施例的流程图，其示出如何输出在蒸汽空间212 的制冷剂气体中存在污染物的警告。响应于接收到在步骤318中对制冷剂气体中存在污染物的确定，控制器213产生输出在制冷剂气体中存在污染物的警告的指令(步骤320)，并将其发送到输出装置220。响应于从控制器213接收到的指令，输出装置220可以输出在蒸汽空间211的制冷剂气体中存在污染物的警告(步骤322)。
比色检测
在一些实施例中，用于检测HVACR系统中的制冷剂污染的制冷剂气体的性质可以是当试剂与HVACR系统中的制冷剂气体组合时的试剂的颜色。在这样的实施例中，用于检测制冷剂污染的系统可以包括蒸汽空间和颜色检测器。颜色检测器可以包括试剂，例如反应性化学物质，其将与制冷剂中的污染物或假冒制冷剂起反应并改变其颜色(例如，色调和/或颜色的值)或导致其颜色的损失。然而，未污染的制冷剂不与试剂反应，并且试剂的颜色不会改变。因此，如果检测到的试剂的颜色与用于制冷剂气体的试剂的参考颜色不同，则颜色检测器可以检测到制冷剂气体中存在污染。如果在蒸汽空间的当前制冷剂气体中检测到的试剂的颜色的值和/或色调水平与HVACR系统使用的未受污染的制冷剂气体中的试剂的参考颜色的值和/或色调水平之间的差异大于预定阈值，则颜色检测器可以识别出试剂中存在有效的颜色变化。用于检测制冷剂污染的系统还可以包括控制器和输出装置，用于传递在HVACR系统的制冷剂气体中存在污染物的警告。响应于接收到制冷剂气体中存在污染物的确定，控制器产生输出污染物存在于制冷剂气体中的警告的指令并将其发送到输出装置。响应于从控制器接收到指令，输出装置可以输出污染物存在于蒸汽空间的制冷剂气体中的警告。HVACR系统中的蒸汽空间可以是传热回路中的制冷剂储存器或流体管线，或者与用于将制冷剂气体供给到传热回路的与传热回路连通的制冷剂容器。
图4A和4B分别示出了根据一些实施例的用于对制冷剂污染进行比色检测的示例性颜色检测器400的前视图和立体图。如图4A所示，颜色检测器400 包括观察窗401和连接到观察窗401的圆筒形制冷剂管402。观察窗401可以包括颜色检测部分403和颜色指示器404。颜色检测部分403包括试剂并当来自HVACR系统的制冷剂气体中存在污染物时，显示试剂的颜色变化。颜色指示器404可以示出指示制冷剂气体中的污染物的类型和/或量比的颜色的参考值和/或色调水平。可以通过观察窗401观察试剂的这种颜色变化，以确定 HVACR系统中的制冷剂气体中是否存在污染物。
颜色检测器400还可以包括内部传感器。当蒸汽空间中的制冷剂气体通过试剂时，内部传感器可以评估检测到的试剂的颜色的值和/或色调水平。内部传感器可以进一步将试剂的颜色的值和/或色调水平与HVACR系统中使用的未受污染的制冷剂气体中的试剂的参考颜色的值和/或色调水平进行比较，并且如果该水平和参考水平之间的差异大于预定阈值，则确定在制冷剂气体中存在污染物。通过圆筒形制冷剂管402，颜色检测器400可以被应用在HVACR系统的蒸汽空间中。将颜色检测器400应用于HVACR系统的蒸汽空间中可以确保在用于检测的反应中使用少量制冷剂，这最小化对HVACR系统中的制冷剂的不利影响。
对于这种比色检测，可以使用许多化学反应来指示在HVACR系统的制冷剂中存在某些化学物质或某一类化学物质。例如，对于经常用作假冒制冷剂的诸如R-40(CH3Cl)的污染物，可以使用铬酸钠(Na2CrO4)、高锰酸钠(Na2CrO4) 等作为试剂。铬酸钠(Na2CrO4)为黄色，但与R-40反应时会变成白色/灰色。高锰酸钠(Na2CrO4)最初是紫色的。然而，当它与R-40反应时，它将变为无色。此外，诸如含氯的R-40的污染物可暴露于铬酸钠固体进行检测。这种暴露将导致形成对某些材料起反应的氯(Cl2)气体，这会改变其颜色。图4C示出了根据一些实施例的用于HVACR系统的另一示例性颜色检测器的德尔格 (Draeger)管检测器410。德尔格管检测器410可在存在潜在污染物的的情况下显示出颜色变化。可以使用各种其它类型的颜色检测器来对HVACR系统中的制冷剂气体中的污染进行比色检测。
在操作中，颜色检测器400可以被配置为当来自HVACR系统的蒸汽空间的制冷剂气体通过颜色检测器400中的试剂时检测颜色检测部分403中的试剂的颜色。如果制冷剂气体中存在污染物或HVACR系统中存在假冒制冷剂气体，该试剂将与污染物或假冒制冷剂反应，从而其具有颜色变化。如果制冷剂气体中没有污染物，则不会改变其颜色。颜色检测器400可以被配置为允许人通过观察窗401监视制冷剂气体的颜色变化。人可以通过观察窗401观察试剂的颜色变化，并将检测到的试剂颜色与由颜色指示器404指示的参考颜色比较，以确定HVACR系统中的制冷剂气体中是否存在污染物。
或者，当颜色检测器400检测颜色检测部分403中的试剂的颜色时，其可以被配置为通过内部传感器来测量试剂的颜色的值和/或色调水平。此外，颜色检测器400可以被配置为将所测量的水平与在HVACR系统中使用的未受污染的制冷剂气体中的试剂的颜色的参考值和/或色调水平进行比较。颜色检测器 400可被配置为如果测量水平和参考水平之间的差大于预定阈值，则确定在制冷剂气体中存在污染物。
颜色检测器400还可以用于检测HVACR系统的包含液态制冷剂或制冷剂液体通过的部件中的制冷剂液体的污染。当颜色检测器400对制冷剂液体的污染进行检测时，通过颜色检测器400的圆筒形制冷剂管402将颜色检测器400 应用到包含处于液体状态的制冷剂的HVACR系统的液体空间中。
颜色检测器400可以应用于HVACR系统控制系统。当颜色检测器400检测到试剂颜色的变化时，与颜色检测器400通信的控制器213可以产生输出警报或警告的指令，并将其发送到图2中与控制器213通信的输出装置220。响应于该指令，诸如但不限于显示器或扬声器的输出装置220可以输出指示在 HVACR系统中使用的制冷剂气体中存在污染物的警告。当输出装置220输出警告时，HVACR系统的维修人员将被引导以对HVACR系统中的制冷剂气体进行采样，或进行一些其他程序以确定HVACR系统中使用的制冷剂气体中的试剂颜色变化的来源是什么。此外，便携式设备可以用与所描述的颜色检测器 400集成的控制器一起制成，使得污染检测系统可以由操作者应用于远程单元、制冷剂气缸或制冷剂回收装置，以检查是否存在污染物。
声速检测
在一些实施例中，用于检测HVACR系统中的制冷剂污染的制冷剂气体的性质可以是HVACR系统中制冷剂气体的声速。可以通过使用用于HVAC单元的未受污染的制冷剂气体与受污染的制冷剂气体之间的声速的差异来检测制冷剂气体中的污染。在这样的实施例中，用于检测制冷剂污染的系统可以包括蒸汽空间和声速检测器。HVACR系统中的蒸汽空间可以是HVACR系统的部件内的制冷剂储存器或容积、HVACR系统的传热回路中的流体管线或与传热回路连通用于向传热回路供应制冷剂气体的制冷剂容器。
声速检测器可以检测HVACR系统中蒸汽空间的制冷剂气体中的声速。声速是通过介质传播的声波(即制冷剂气体)每单位时间行进的距离。理想气体中的声速可以通过以下关系给出：
其中v是通过制冷剂气体的声速，γ是绝热常数(特定气体的特性)，R 是通用气体常数(8.314J/mol K)，M是制冷剂气体的分子量(kg/mol)， T为绝对温度。从上述等式可以用声速来检测气体分子量的小变化。
声速检测器可以将HVACR系统中蒸汽空间的制冷剂气体中的检测声速与 HVACR系统中使用的未被污染的制冷剂气体的参考声速进行比较。表1示出了处于气体状态的各种制冷剂中的参考声速。
表1.气体状态下各种制冷剂的声速
如果检测到的声速与制冷剂气体的参考声速不同，则声速检测器可以确定 HVACR系统的蒸汽空间中的制冷剂气体中存在污染物。当检测到的声速与参考声速之间的差大于预定阈值时，声速检测器可以识别出检测到的声速与参考声速不同。用于检测制冷剂污染的系统可以进一步包括控制器和输出装置，以传递污染物存在于制冷剂气体中的警告。响应于接收到制冷剂气体中存在污染物的确定，控制器产生输出污染物存在于制冷剂气体中的警告的指令并将其发送到输出装置。响应于从控制器接收到指令，输出装置可以输出污染物存在于蒸汽空间的制冷剂气体中的警告。
此外，声速检测器可以使用检测到的通过制冷剂气体的声速来计算制冷剂气体的分子量。如果HVACR系统的蒸汽中的制冷剂气体的平均分子量与 HVACR系统中使用的未受污染的制冷剂气体的参考分子量不同，则指示是错误的制冷剂、受污染的制冷剂或混合成份的变化。声速检测器还可以使用当前制冷剂气体的计算分子量和HVACR系统中使用的未污染制冷剂气体的参考分子量来确定制冷剂气体中污染物的量比。
图5示出根据一些实施例的用于检测HVACR系统中制冷剂气体的污染的示例声速检测系统的示意图。在一个实施例中，声速检测系统可以使用超声波干涉仪作为声速检测器来检测制冷剂气体中的声速。其他检测器可用于检测 HVACR系统的制冷剂中的污染物。超声波干涉仪测量通过存在制冷剂气体的蒸汽空间的声音的双向行进时间。在一个实施例中，蒸汽空间可以是HVACR 系统中气体状态的流体管线。蒸汽空间也可以是HVACR系统中的制冷剂储存器、与HVACR系统连通的制冷剂容器等。
如图5所示，声速检测器500可以包括将声音信号(例如，声波506)输出到用于制冷剂气体505的蒸汽空间(例如，流体管线)504中的换能器501 和接收透射或反射过来的声波506的接收器502。检测器500还可以包括用于感测HVACR系统的蒸汽空间中的温度的传感器503。当来自换能器501的声波506传播通过HVACR系统的蒸汽空间504中的制冷剂气体505时，声波506 遇到蒸汽空间504的壁。然后，声波506的一部分能量透射穿过蒸汽空间504/制冷剂气体505界面，而声波的另一部分能量被反射回接收器502。声波506 的能量在透射波和反射波之间分开的程度是蒸汽空间504的壁与制冷剂气体 505之间的阻抗(Z)差的函数。阻抗(Z)可以由声速和每种材料的密度的乘积给出。在这种情况下，流体管线中的反射波可以同相或相位相差1/2波长，这取决于管道的材料或制冷剂气体的阻抗有多高，或管道材料的阻抗和制冷剂气体的阻抗哪一个更高。
在操作中，声速检测器500可以配置为检测通过HVACR系统的蒸汽空间中的制冷剂气体505的声速。检测通过制冷剂气体的声速的方法有很多种。例如，声速检测器500可以测量声音通过例如含有制冷剂气体505的制冷剂气体流体管线(例如504)的双向行进时间，以检测声速。声速检测器500可以被配置为将检测到的声速与未污染的制冷剂气体的参考声速进行比较。声速检测器500可以被配置为如果检测到的声速与参考声速不同，则确定在制冷剂气体中存在污染物。当检测到的声速与参考声速之间的差大于预定阈值时，声速检测器500可以识别出检测到的声速与参考声速不同。声速检测器500还可以被配置为使用检测到的通过制冷剂气体的声速来计算制冷剂气体的分子量。声速检测器500可以被配置成如果HVACR系统的蒸汽中的制冷剂气体的平均分子量与HVACR系统中使用的未污染制冷剂气体的参考分子量不同，则确定存在错误的制冷剂、受污染的制冷剂或蒸汽空间的制冷剂气体中混合成分的变化。声速检测器还可以使用蒸汽空间中的制冷剂气体的计算分子量和在HVACR系统中使用的未受污染的制冷剂气体的参考分子量来确定制冷剂气体中污染物的量比。
在一些实施例中，在HVACR系统的蒸汽空间中可能存在内部回波。在这种情况下，如图5所示，从蒸汽空间504的背面504B返回的第一声波也会产生从背面504B反射并返回到接收器502的声波。声波将不会出现异相，因为在背面504B内部弹射时不改变其相位。当回波声波遇到通过蒸汽空间504的下一个声波脉冲时，它们与下一个声波脉冲相互作用，相长或相消。为了产生相长干涉，蒸汽空间504中相应空间的表面之间的波长数可以是整数或半整数。当返回的回波的振幅最大化和最小化时，可以确定声音脉冲之间的声波次数。从该数据可以获得声波的双向行进时间。还需要知道温度以将其与关于特定制冷剂的声速的参考数据进行比较。传感器503可以检测流体管线中的温度。如果声速检测器500不包括传感器503，则可以包括含有在HVACR系统中使用的未被污染的制冷剂气体的参考单元，在其中可以获得制冷剂气体的参考声速。在这种情况下，可以将从HVACR系统中的制冷剂气体获得的数据与从参考单元获得的参考声速进行比较，以检测声速的差异。
声速检测器500还可以用于检测HVACR系统的包含液态制冷剂或制冷剂液体通过的部件中的制冷剂液体的污染。在这种情况下，声速检测器500可以包括将声音信号例如声波506输出到用于制冷剂液体505的液体空间(例如，流体管线)504中的换能器501和接收透射或反射的声波506的接收器502。在一个实施例中，声波506可以行进穿过流体管线的前表面504A。如上所述的根据本实用新型的各种声速检测器可以应用于HVACR系统控制系统。当声速检测器检测到制冷剂中的声速变化时，与声速检测器通信的控制器213可以产生输出警报或警告的指令并将其发送到与图2中的控制器213通信的输出装置220。响应于这些指令，诸如但不限于显示器或扬声器的输出装置220可以输出警告，指示在HVACR系统中使用的制冷剂气体中存在污染物。当输出装置220输出警告时，HVACR系统的维修人员将被引导以对HVACR系统中的制冷剂气体进行采样，或进行一些其他程序来确定在HVACR系统中使用的制冷剂气体中的声速变化的来源是什么。此外，可以由与上述声速检测器集成的控制器制成便携式装置，使得污染检测系统可以被操作者应用于远程单元、制冷剂气缸或制冷剂回收装置，以检查污染物的存在。
图6示出了一个实施例中在25℃和1atm下通过处于气相的R134a、 R1234yf、R1234ze(E)、R513A和R516A、以及R-40中每一个的声速。在一些实施方案中，R1234yf、R1234ze(E)、R513A和R516A中的一种或多种可用作R134a的全球变暖潜能值低(“GWP”)的替代物。每个制冷剂的声速从REFPROP v9.1获得。如前所述，使用R-134a的HVAC 30系统中的制冷剂可能被R-40假冒，因为R-40具有相似的蒸汽性质以及相对于R134a或其替代物而言是便宜的。然而，R-40是易燃的，并且在低水平下是有毒的，因此在 ASHRAE标准34中被分类为B2。在一个实施例中，R-40是被设计为利用R134a 制冷剂或其低GWP替代物之一制冷剂的HVACR系统中的污染物。
如图6所示，通过R-40的声速约为246m/s。通过R134a或其低全球变暖潜能值替代物的声速在151米/秒至162米/秒之间。因此，相对于R-40的声速，R-40具有比R134a和其低GWP替代物在52％(对于R134a)和63％(对于R1234(E)和R1234yf)之间更大的声速。因此，用于使用诸如R134a和/ 或其低GWP替代物之一的制冷剂的HVACR系统的声速检测器可以确定制冷剂是否含有污染物(例如，R-40)。
图7示出了在一个实施例中，在25℃和1atm下通过R-40和R134a的各种混合物的声速。使用REFPROP v9.1对各种混合物的声速进行建模。划线和点划线表示随着R-40的质量分数变化，R-40和R134a的制冷剂混合物的声速值(m/s)。随着包括更多的R-40，制冷剂混合物的声速增加。
图7中的划线表示制冷剂混合物相对于通过R134a的声速的声速。如划线所示，制冷剂混合物的声速是R-40质量分数的线性函数。R134a的其他低GWP 替代物也以REFPROP作为与R-40的制冷剂混合物建模。低GWP替代物中的每一个在R-40的质量分数与低GWP替代物和R-40的制冷剂混合物的声速之间具有类似的线性关系。
如图7中的垂直划线和水平划线所示，在一个实施例中，能够检测制冷剂的声速的5％变化的检测器(例如，声速检测器500)将能够检测何时制冷剂具有10％或更多的污染物，例如R-40。在一个实施例中，能够检测制冷剂的声速的2％变化的检测器将能够检测何时制冷剂具有4％或以上的诸如R-40的污染物。在一个实施中，能够检测制冷剂的声速的10％变化的检测器将能够检测制冷剂何时含有20％或以上的污染物，例如R-40。
阻抗检测
可以通过确定用于HVACR系统的制冷剂气体与污染物之间的电阻抗的差异来检测HVACR系统中制冷剂气体中的污染。在这样的实施例中，用于检测 HVACR系统中制冷剂污染的制冷剂气体的性质可以是与HVACR系统的蒸汽空间中的制冷剂组合时的导电材料的阻抗。用于检测制冷剂污染的系统可以包括蒸汽空间和电检测器。HVACR系统中的蒸汽空间可以是传热回路的部件内的制冷剂储存器或容积、传热回路中的流体管线、或者与传热回路连通从而向传热回路供给制冷剂气体的制冷剂容器。
电检测器可以包括与潜在的污染物或假冒制冷剂具有反应的导电材料，但它不会与用于HVACR系统的未受污染的制冷剂气体反应。当电检测器被应用到HVACR系统的蒸汽空间中的制冷剂气体时，电检测器可以检测导电材料的阻抗。电检测器可以将检测到的阻抗与用于HVACR系统的未污染制冷剂气体中的导电材料的参考阻抗进行比较，并且如果检测到的阻抗不同于参考阻抗，则确定蒸汽空间中的制冷剂气体中存在污染物。当检测到的阻抗与制冷剂气体的参考阻抗之差大于预定阈值时，电检测器可以识别出检测到的阻抗与参考阻抗不同。
图8示出了根据一些实施例的用于检测HVACR系统中的制冷剂气体污染的示例性电检测器600的电路板部分。电检测器可以包括电路板601、金属部分602和电线603。电线603连接到金属602，用于检测制冷剂气体中金属602 的阻抗。金属602与制冷剂气体中的潜在污染物反应并改变其阻抗。然而，金属602不与用于HVACR系统的未受污染的制冷剂气体反应。例如，为了检测制冷剂气体中的潜在污染物R-40，金属602可以由包括但不限于与R-40反应的锌、镁或其他材料的材料制成。如果在应用电检测器的HVACR系统的蒸汽空间中存在R-40，则R-40将与金属602反应并在金属602的表面上形成铁- 氯化物或有机金属化合物。然后，R-40将改变金属602的阻抗。金属602在形状上可以形成为例如但不限于条状物、线状物或类似物。
在操作中，电检测器可以被配置为从HVACR系统的蒸汽空间检测制冷剂气体中的金属602的阻抗。电检测器可以被配置为将金属602的阻抗与未受污染的制冷剂气体中的金属602的参考阻抗进行比较。电检测器可以被配置为如果检测到的金属阻抗与参考阻抗不同，则确定制冷剂气体中存在污染物。当检测到的阻抗和参考阻抗之间的差异大于预定阈值时，电检测器可以识别出检测到的金属阻抗与参考阻抗不同。在一个实施例中，电流有时被施加在电检测器 600中，以适当地检测金属602的阻抗变化。在一个实施例中，电流可以恒定地施加在电检测器600中。此外，金属602的阻抗可以是通过检测制冷剂气体中的金属的电压和/或阻抗来获得。金属602的阻抗可以由连接到金属602的电路板601来检测和监测。金属602的阻抗变化表示金属602已经与包括在 HVACR系统的制冷剂中的反应性污染物反应。因此，电检测器可以确定 HVACR系统的制冷剂是否被污染。此外，基于检测到的阻抗和金属602的参考阻抗之间的差异，电检测器可以确定HVACR系统中的制冷剂气体中存在什么样的污染物和/或以多少量比的污染物存在于制冷剂气体。
对于阻抗检测，电检测器可以在一些实施例中应用于非运行HVACR系统的蒸汽空间。在某些情况下，当HVACR系统不运行时，电检测器可以是有效的，以避免在金属结构的冷却和/或HVACR系统的润滑剂污染下的变化。
电检测器600还可用于检测HVACR系统的包含液态制冷剂或制冷剂液体通过的部件中的制冷剂液体的污染。在这种情况下，用于检测制冷剂污染的系统可以包括含有制冷剂液体的液体空间和电检测器600。电检测器可以包括用于检测制冷剂液体中的金属602的阻抗的金属部分602。金属602与制冷剂液体中的潜在污染物反应并改变其阻抗，同时金属602不与用于HVACR系统的未受污染的制冷剂液体反应。
如上所述的根据本实用新型的各种电检测器可以应用于HVACR系统控制系统。当电检测器检测到制冷剂气体中的导电材料的电阻抗的变化时，与电检测器通信的控制器213可产生输出警报或警告的指令，并将其发送到如图2所示的与控制器213通信的输出装置220。响应于这些指令，诸如但不限于显示器或扬声器的输出装置220可以输出警告，指示在HVACR系统中使用的制冷剂气体中存在污染物。当输出装置220输出警告时，HVACR系统的维修人员将被引导以对HVACR系统中的制冷剂气体进行采样，或进行一些其他程序以确定在HVACR系统中使用的制冷剂气体中导电材料的电阻抗变化的来源是什么。此外，便携式装置可以由与根据本实用新型的电检测器集成的控制器制成，使得污染检测系统可以由操作者应用于远程单元、制冷剂气缸或制冷剂回收装置，以检查污染物的存在。
导热率检测
在一些实施例中，用于检测HVACR系统中的制冷剂气体的污染的制冷剂的性质是HVACR系统中制冷剂气体的导热率。在这样的实施例中，用于检测制冷剂气体污染的系统可以包括蒸汽空间和导热率检测器(TCD)。HVACR 系统中的蒸汽空间可以是传热回路中的制冷剂容积或储存器、传热回路中的流体管线、或者与传热回路连通并用于向传热回路供给制冷剂气体的制冷剂容器。可以通过用TCD检测用于HVACR系统的制冷剂气体与污染物或假冒制冷剂之间的导热率差异来检测制冷剂的污染。TCD可以是总体性能检测器。TCD 可以是用于气液色谱的化学特异性检测器，例如卡他计热导检测器 (Katharometer)。TCD可以检测HVACR系统中蒸汽空间的制冷剂气体中的导热率。表2显示了各种制冷剂气体的导热率。
表2.制冷剂气体的导热率
TCD可以将检测到的制冷剂气体的导热率与用于HVACR系统的未污染制冷剂气体的参考导热率进行比较。如果检测到的导热率不同于参考导热率，则TCD可以确定在HVACR系统中的蒸汽空间的制冷剂气体中存在污染物。当检测到的导热率和参考导热率之间的差大于预定阈值时，TCD可以识别出检测到的导热率不同于参考导热率。
图9A示出了根据一些实施例的用于检测HVACR系统中的制冷剂气体的污染的示例性TCD 700的示意图。TCD 700可以包括用于感测用于HVACR系统的制冷剂气体和未污染的制冷剂气体之间的导热率差异的电路710(例如，惠斯登电桥电路，其包括两对电加热细丝711,712,713,714)。TCD 700还可以包括电源720、放大器730(可以包括电阻731)和/或其他部件(未示出)。 TCD可以与记录或检测显示器740通信。
图9B示出了用于感测要测量的样品气体与参考气体之间的导热率差异的示例性电路710的示意图。当电路710是惠斯登电桥电路时，它使用四个匹配的细丝711,712,713,714，其根据通过它的气体的导热率改变电阻。参考气体，例如用于HVACR系统的未受污染的制冷剂气体流到细丝711和714。待测量的样品气体，例如来自HVACR系统的蒸汽空间的实际制冷剂气体，或载气和样品气体的组合可以流到细丝712和713。箭头715是参考气体的流向，箭头 716是样品气体的流向。参考气流和样品气流在电路710中进行温度控制。当所有四根细丝711,712,713,714的电阻相同时，如惠斯登电桥电路710中间所示的Vout为零，这意味着所有细丝都由与参考气体相同的气体通过。在这种情况下，存在从细丝711,712,713,714到检测器主体(未示出)的稳定热流。然而，当与参考气体不同的样品气体716在半桥上通过，即细丝713,712时，Vout的值与样品气体716的成分相关。当样品气流716和参考气流715之间的导热率存在差异时，电路710的各细丝加热并改变其电阻。该电阻变化由电路710检测。然后，电路710可产生可测量的电压变化Vout。电路710操作以检测电阻变化并根据一般已知的原理产生可测量的电压变化。
图9C示出了用于感测样品气体和参考气体之间的导热率差的另一示例性惠斯登电桥电路710'。在图9C中，电路710'包括四个电加热细丝711'，712'， 713'，714'。当通过细丝714'的参考气流715'和通过细丝713'的样品气流716”具有不同的导热率时，电路710'会产生由TCD 700检测的可测量的电压变化 Vout信号。
图9D示出了根据一些实施例的电路710的每个细丝的示例性单元750的一部分。单元750的一部分可以包括气流752的输入，气流753的输出和细。

Claims (15)

1.一种用于检测HVACR系统中的制冷剂污染的系统，其特征在于，包括：
含有制冷剂气体的蒸汽空间；以及
检测器，所述检测器连接到所述蒸汽空间、检测所述蒸汽空间中的制冷剂气体的性质、将检测到的性质与用于HVACR系统的未污染制冷剂气体的参考性质进行比较、以及如果检测到的性质与所述参考性质不同，则确定污染物存在于所述蒸汽空间的制冷剂气体中，
其中检测到的所述制冷剂气体的性质是通过所述制冷剂气体的声速和所述制冷剂气体的导热率之一。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测器配置成确定所述检测到的性质与所述参考性质之间的差异，并且如果检测到的性质和所述参考性质之间的差异大于预定阈值，则确定所述蒸汽的空间的制冷剂气体中存在污染。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
控制器，所述控制器配置成接收来自所述检测器的污染物存在于所述蒸汽空间中的制冷剂气体的确定、并且生成用于警告所述蒸汽空间中存在污染物的指令；以及
输出装置，所述输出装置配置成接收来自所述控制器的所述指令，并输出污染物存在于所述蒸汽空间的制冷剂气体中的所述警告。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蒸汽空间是所述HVACR系统的制冷剂储存器或传热回路中包含的流体管线，或与所述传热回路连通的制冷剂容器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷剂气体的性质是通过所述HVACR系统的蒸汽空间中的制冷剂气体的声速。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，通过所述制冷剂气体的声速由以下关系式表示：其中v是通过所述制冷剂气体的声速，γ是绝热常数，R是气体常数，M是所述制冷剂气体的分子量，T为绝对温度。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述检测器包括输出声波的换能器、接收透射或反射声波的接收器、以及检测所述蒸汽空间中的制冷剂气体的温度的热传感器。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述检测器还使用超声波干涉仪检测通过所述蒸汽空间的制冷剂气体的声音的双向行进时间，以获得通过所述蒸汽空间中的所述制冷剂气体的声速。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述检测器使用测量的通过所述蒸汽空间中的制冷剂气体的声速来计算所述制冷剂气体的分子量，并且使用所计算的分子量确定所述蒸汽空间中的制冷剂气体中的污染物的量比。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷剂气体的性质是所述制冷剂气体的导热率。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述检测器是卡他计热导检测器。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述检测器通过检测电加热细丝的电压和电阻的变化来检测所述蒸汽空间中的制冷剂气体的导热率与所述未污染制冷剂气体的参考导热率之间的差异。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，
所述检测器包括包含多个电加热细丝的电路，所述多个电加热细丝包括：
制冷剂气体通过的第一组电加热细丝，以及
未污染制冷剂气体通过的第二组电加热细丝，用于所述HVACR系统的未污染制冷剂气体的参考导热率从所述第二组电加热细丝获得。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述污染物是氯甲烷(“R-40”)。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷剂气体是选自由R-134a、R-1234yf、R-1234ze(E)、R-513A和R-516A组成的组中的至少一种。
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