【技术】制冷剂回收、净化和充注
制冷设备维护和维修过程中通常涉及制冷剂的回收和定量充注，传统的制冷剂回收和充注方式主要依靠维修人员的技术和经验，常出现制冷剂泄漏或故意排放、制冷剂的过充或不足等问题，危害环境、浪费资源、影响设备性能。基于这些问题，本文介绍一种制冷剂回收、净化和充注系统，以实现制冷剂自动回收、不凝气体排放、制冷剂净化、系统抽真空、液态自然充注、液态加压充注、气态自然充注、气态加压充注等功能。
1、制冷剂回收
制冷剂回收是将待维修或报废制冷系统中制冷剂回收至回收容器中。根据回收管中制冷剂的状态不同可分为液态回收法、气态回收法、复合回收法等。
1.1 液态回收法
是将制冷系统中的液态制冷剂通过抽吸、加压等方式回收至容器中，如液泵回收法（抽吸）、加压回收法（加压）、气液推拉法（抽吸和加压联合使用）。液态回收法回收速度快（气液推拉法为甚），可回收系统中大部分液态制冷剂，但有残余，回收不彻底，一般适用于大中型系统中制冷剂的回收。
1.2 气态回收法
主要有气体冷却回收法和气体压缩冷凝法。前者使回收容器中的制冷剂冷凝降压，在压力差的作用下，制冷系统中的制冷剂向回收容器转移，实现制冷剂的回收，该方法回收时间长，适用于小容量系统中制冷剂的回收；后者利用压缩机抽吸气态制冷剂，并经冷凝器冷凝至液体，实现回收，与前者相比回收速度快，效率高，回收较为彻底，一般适用于大中型系统中制冷剂的回收。
1.3 复合回收法
是结合液态回收法和气态回收法两者的优势，先利用气液推拉法回收制冷系统中的液态制冷剂；当系统中残存少量气态制冷剂时，再利用气体压缩冷凝法回收。该方法提高了制冷剂回收效率，使回收更彻底，但系统结构复杂，适用于大型制冷系统的制冷剂彻底回收。
2、制冷剂净化
回收的制冷剂中必定含有一定量的油分、水分以及杂质，如果这些物质不清除，进入存储装置势必造成污染，回充至制冷装置中将影响其工作性能，因此必须经过净化处理。
制冷剂净化主要有２种途径：
一是集中净化，所得制冷剂的纯度高，但工艺复杂，需要专门的设备；
二是简易净化，即回收装置自带简易净化功能，净化后再回充。
两者对比，后者由于结构简单，操作灵活，在制冷设备的维修中应用广泛。
常用的净化技术手段为：
利用油分离器去除制冷剂中的油液，利用过滤器过滤杂质，利用干燥器吸收水分。该技术手段方便快捷，但再生制冷剂纯度不高，一般回充至原设备中再利用。
3、制冷剂定量充注
3.1 传统的定量充注方法
传统的制冷剂定量充注方法主要有：
①基于制冷剂充注过程中钢瓶内制冷剂的质量变化（用秤称量）达到预期值的质量充注法；
②基于制冷剂充注过程中系统压力达到预期值（用压力表测）的压力充注法；
③基于制冷剂充注后，系统运行电流达到预期值（用电流表测）的电流充注法。上述充注方法设备简单，但对操作者的技术能力、经验水平等方面的要求较高。
3.2 基于液位检测的定量充注技术
基于液位检测的定量充注技术，即在规则的容器中检测液位的变化，以此控制制冷剂充注量，达到精确充注的目的。目前利用液位检测的定量充注技术很多，但适用于低温液体（如低温制冷剂）液位检测的主要有压差式、超声波式、浮子式及电容式等检测技术。
压差式液位检测技术利用容器底部液体压力和容器顶部气体压力的压差，使半导体扩散硅薄膜产生形变，引起电桥不平衡，根据电路输出与液位高度相对应的电压获取液位信号；超声波式液位检测技术利用超声波的物理性质，采用脉冲回波法检测液位。在制冷剂回收容器中，下层为液体，上层为气体，由于受到气液分层的影响，导致测量结果出现误差。
浮子式液位检测技术一般用于大型容器内液位的测量，且安装要求较高、易磨损、精度低，不利于在制冷剂容器中使用。电容式液位检测技术利用电容器极板间电容值与所测介质介电常数之间的线性关系检测非导体液体液位，适用性强，应用较为广泛，在钢瓶中液氮液位检测、蓄电池中电解液液位检测、锅炉中水位检测、ＬＮＧ储罐中液位检测等方面有相关研究。制冷剂为非导体液体，在制冷剂容器内，上层是气态制冷剂，下层为液态制冷剂，电容式液位检测装置（主要由内电极、外电极和绝缘环组成）安装如图１所示，液面与电容值符合下列关系。
以上式中：ｄ 为内电极外径（ｍ）；Ｄ 为外电极内径（ｍ）；εｇ 为极板间气态制冷剂的介电常数（Ｆ／ｍ）；εｌ为极板间液态制冷剂的介电常数（Ｆ／ｍ）；Ｌ为制冷剂最高液位值（ｍ）；Ｈ１ 为制冷剂充注初始液位值（ｍ）；Ｃ１ 为制冷剂液位为Ｈ１ 时的电容值（Ｆ）；Ｈ２ 为制冷剂充注终了液位值（ｍ）；Ｃ２ 为制冷剂液面高度为Ｈ２时电容值（Ｆ）；Ｃｘ 为液面高度从Ｈ１降至Ｈ２ 时的电容变化值（Ｆ）。
由式（３）可知，Ｓ′为定值，由电容的变化值Ｃｘ可推算出液位变化值ΔＨ ；制冷剂回收容器的有效界面截面积为Ａ，制冷剂的密度为ρ，则制冷剂的充注量为质量ｍ＝ΔＨＡρ。
电容式制冷剂定量充注检测系统由电容式传感器、信号变送器和充注量显示器组成，见图２。电容式传感器检测液位变化值，信号变送器包括模数转换器和单片机，其作用是采集和处理来自传感器的电信号，并进行放大、模数转换以及其他计算工作，最终在充注量显示器上显示制冷剂充注量。
基于电容式液位检测技术的定量充注系统具有结构简单、稳定性好、灵敏度高等特点，适用于低温制冷剂回收容器内的液位检测。
4、制冷剂充注装置设计及控制方式
4.1 设计
根据上述分析，这里介绍一种制冷剂充注装置，该装置具有制冷剂回收、制冷剂净化、制冷剂定量充注等功能。在功能实现方面，制冷剂回收采用改进的气体压缩冷凝法；制冷剂净化采用回收前的预净化与回收后的内循环净化相结合的模式；在制冷剂定量充注过程中采用基于电容式液位检测技术的定量充注法。该装置的系统原理见图３。
由图３可见，装置由２组过滤干燥器、２组油分离器、压缩机、盘管式回热器（由蒸发器和冷凝器组成）、毛细管、回收容器和电磁阀（Ｖ１～Ｖ１８）等组成。过滤干燥器与系统通过螺纹连接，以便于滤芯和干燥剂的更换；油分离器底部设有卸放阀（图中未标注）；压缩机的启停及电磁阀的动作由ＰＬＣ控制，其中阀Ｖ１４有关闭、微开、全开３种模式。回收容器设不凝气体聚集区（不凝气体分子量小于制冷剂，在容器上部聚集）、放气阀Ｖ１６。系统中压力、液位、温度、时间的检测与控制，由压力传感器、液位传感器（电容式）、温度传感器、时间继电器完成。
4.2 控制方式
系统采用ＰＬＣ控制，设系统抽真空、制冷剂回收、不凝气体排放、制冷剂净化、液态自然充注、液态加压充注、气态自然充注、气态加压充注８大功能模块，分别对应８个功能按键，控制其动作过程。
１）系统抽真空：
电磁阀Ｖ６和Ｖ８开启，其他阀关闭，启动压缩机，制冷系统中的空气经电磁阀Ｖ６，压缩机和Ｖ８排出，抽真空时间由时间继电器控制。
２）制冷剂回收：
此时电磁阀Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７，Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１２和Ｖ１３开启，其他阀关闭，压缩机启动，制冷剂由制冷设备，Ｖ１，油分离器Ａ，过滤干燥器Ａ，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，蒸发器，Ｖ５，压缩机，Ｖ７，Ｖ９，油分离器Ｂ，Ｖ１０，冷凝器，Ｖ１２和Ｖ１３至回收容器，回收运行时间由时间继电器控制。过滤干燥器和油分离器实现制冷剂的预净化；蒸发器和冷凝器实现热量交换，保证吸入压缩机的均为气体制冷剂，有利于防止液击；冷凝器实现制冷剂的冷凝，保证充入回收容器内的均为液体制冷剂。
３）不凝气体排放：
当回收容器内压力高于所测温度下的饱和压力时，阀Ｖ１６开启，排出不凝气体，回收容器内压力下降；当压力降至所测温度下的饱和压力时，阀Ｖ１６关闭。
４）制冷剂净化：
电磁阀Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７，Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１４和Ｖ１５开启，其他阀关闭，压缩机启动，回收容器内的制冷剂经Ｖ１４，干燥过滤器Ｂ，Ｖ１５，Ｖ３，毛细管，蒸发器，Ｖ５，压缩机，Ｖ７，Ｖ９，油分离器Ｂ，Ｖ１０，冷凝器，Ｖ１２和Ｖ１３至回收容器，在循环过程中实现制冷剂的再净化，净化时间由时间继电器控制。在此过程中蒸发器和冷凝器实现热量交换，一方面使蒸发温度升高以利于防止液击，另一方面使冷凝温度降低，保证回收容器内制冷剂均为液体。
５）液态自然充注：
预先设定制冷剂充注量，电磁阀Ｖ１７开启，其他阀关闭，液态制冷剂在回收容器内压力作用下经Ｖ１７流入被充注制冷设备，达到预设充注量为止。
６）液态加压充注：
在液态自然充注过程中，当回收容器内压力与被充注制冷设备中压力趋于均衡，但未达到预设充注量时，启动液态加压充注，电磁阀Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７，Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１４（微开），Ｖ１５和Ｖ１７开启，其他阀关闭，压缩机启动。一方面由于Ｖ１４处于“微开”状态，回收容器内有少量制冷剂经Ｖ１４，干燥过滤器Ｂ，Ｖ１５，Ｖ３，毛细管，蒸发器，Ｖ５，压缩机，Ｖ７，Ｖ１１，Ｖ１２和Ｖ１３到回收容器，利用压缩机出口的少量的高温高压制冷剂给回收容器升温加压；另一方面回收容器的升温加压促进液态制冷剂由Ｖ１７充注至制冷设备中，达到预设充注量为止。
７）气态自然充注：
预先设定制冷剂充注量，电磁阀Ｖ１３和Ｖ１８开启，其他阀关闭，回收容器内气态制冷剂在自身压力作用下，经Ｖ１３和Ｖ１８流入被充注制冷设备，达到预设充注量为止。
８）气态加压充注：
在气态自然充注过程中，当回收容器内压力与被充注制冷设备中压力趋于均衡，但未达到预设充注量时，启动气态加压充注，电磁阀Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７，Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１４，Ｖ１５和Ｖ１８开启，其他阀关闭，压缩机启动，回收容器内的制冷剂经Ｖ１４，干燥过滤器Ｂ，Ｖ１５，Ｖ３，毛细管，蒸发器，Ｖ５，压缩机，Ｖ７，Ｖ１１，Ｖ１２和Ｖ１８流入被充注制冷设备，利用压缩机加压向制冷设备充注气态制冷剂，达到预设充注量为止。
该装置的研究，目前仅处于理论研究阶段，今后将继续开展该装置的相关试验及应用研究。