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如何将制冷剂年泄漏量转化为氦气漏率

氦检是车载制冷剂部件检漏常用的方法,氦检检测的是氦气泄露率,单位通常是mbar*L/s或者pa*m3/s,而制冷剂泄漏量的要求单位通常定义为 g/y,在密封结构选择及生产管控过程中需要对两者进行映射以保证泄漏量满足要求。

以前,作为车厂研发工程师,从未关注过氦检指标,只知道两者有一个标准的计算方法。直到最近检索一些资料,才发现有些数据看不懂,于是好好研究了一下具体的转换过程,分享如下:

首先将制冷剂泄漏量转化为气体漏率

利用如下关系式

QR134a=P0*Vm*g*T/M*t*T0

其中:

P0为标准大气压,P0=1.013 x 105 pa

T0为0℃对应开尔文温度,T0=273 k

Vm为1摩尔(mol)气体占有的体积,Vm=22.4 L = 22.4 x 10-3 m3 

T为当前温度对应的开尔文温度,一般设置T为室温20℃,T=293 k

g为年泄漏量,比如定义要求某制冷剂接口位置泄漏量为 g=10 g/y (克/年)

t为时间单位,比如定义泄漏量为g/y,则时间 t=365*24*60*60 = 31536000 s(一年总共 31536000秒)

M为制冷剂的摩尔质量,R134a的 M=102.03 g

基于以上公式计算可得,10g/y的R134a制冷剂泄漏量,对应泄露率为:

QR134a=(1.013 x 105 x 22.4 x 10-3 x 10 x 293) / (102.03 x 3153600 x 273) = 7.57 x 10-6(pa*m3/s) = 7.57 x 10-5(mbar*L/s)

接下来需要对He的泄露率与R134a的漏率进行映射

笔者查询了论文:气体介质、压强及校准方法对真空漏孔漏率的影响(免费获取原文链接),在常压情况下,漏孔泄漏的特性为粘滞流,根据粘滞流特性,漏率与压力平方差成正比,与流过物质的粘度系数成反比,与氦气浓度成正比。

基于以上的理论,氦的漏率可以用如下表达式表达:

QHe=C*QR134a*(ηR134aHe)*[(P22-P12)/(P42-P32)]

其中:

C为氦检所用氦气的浓度(%),假设氦浓度100%,C=1

ηR134a为制冷剂R134a的粘度系数 ,ηR134a=1.2x 10-5 pa*s

ηHe为氦的粘度系数 ,ηHe=1.86x 10-5 pa*s

P2、P1为被测样件充氦气的高压侧压力和低压侧压力(绝对压力),假设采用真空箱测试,被测件充气压力1.1MPa(A),则P2=1.1, P1=0

P4、P3为被测样件工作时的高压侧压力和低压侧压力(绝对压力),假设压缩机工作在1.1MPa(A)压力下,环境压力为大气压,则P4=1.1, P3=0.1

可求得10g/y的R134a制冷剂泄漏量对应氦检漏率指标为:

QHe=1 x 7.57 x 10-6 x (1.2 x 10-5 / 1.86x 10-5 ) x [(1.12-02)/(1.12-0.12)]=4.9 x 10-6(pa*m3/s)

后记

读者如果感兴趣,可以进一步使用如上的计算方式计算CO2系统部件的氦检漏率,按照超临界循环排气压力15MPa的工作压力计算,CO2系统部件漏率指标大概是R134a的60~70分之一,由此可知二氧化碳热泵系统在车上应用所面临的工程挑战有多大。

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