12.2.1 概述
新型冠状病毒（COVID-19）持续蔓延，超过2.2亿人感染的全球“大流行”，已经改变了全人类的生活方式，新冠疫苗的接种已成为常态。然而确保新冠疫苗活性的贮藏及运输中转仓储对超低温制冷系统的苛刻要求，成为“疫情时代”的又一大难题。如Moderna的冠状病毒疫苗mRNA-1273贮藏温度为-20℃；辉瑞公司的BN1162b2和BioNTech更是要求-70℃的制冷温度；中国目前上市的灭活疫苗也需要2～8℃的冷链环境。各国均陆续制定了《新冠病毒疫苗货物运输指南》，对稳定超低温—低温的疫苗环境监测作出了具体规定。冷凝剂精确加注是确保超低温—低温冷链环境的重要环节，为如何实现冷凝剂高效利用、助力节能减排与抗击疫情，带来了挑战与机遇。
超低温—低温制冷系统通常采用低沸点冷凝剂加注进行热交换的循环过程，主要是气液混合共沸物，如R170（乙烷）和R1150（乙烯），具有易燃特点，安全防护要求高。目前冷凝剂的加注控制主要借助冷媒秤的人工加注方法，造成新冠疫苗在存储库房或中转库房等场所的人力、安全和效率的矛盾突出。在加注—热交换过程中的流型、流量特性，对冷凝剂利用率及制冷温度起到决定性影响。实现冷凝剂加注—热交换的流型辨识与流量参数实时监测，是预防泄漏引发安全事故、冷凝剂精确高效利用、保持稳定超低温环境、保证疫苗长时间活性的关键环节。同时，本技术在清洁能源、生命科学等超低温领域，均有广泛应用前景。
2019年全球冷凝剂的年消耗规模到达210亿美元，抑制新冠病毒需覆盖70%～85%的人口，恢复疫情前状态还需要7.4年。在新冠疫苗的全球覆盖式接种局面下，未来几年冷凝剂的需求将呈数十倍增长，2025预计达到3000亿美元的巨大市场规模。当前气—液混合冷凝剂加注过程测量的冷媒秤，每年需求量30万～40万台，在冷凝市场中的价值预计每年达到20亿美元。针对跨尺度（厘米级、毫米级、微米级）下的冷凝剂流动，采用冷媒秤的冷凝剂加注监测存在测不准、实时性差、效率低和安全防护难等难题，研制冷凝多相流（RMF）流型辨识、流量在线监测可以提高冷凝剂的利用效率30%～35%，对于优化传统市场、降低能耗、推进“节能环保”国家重大发展战略具有重要意义。
超低温冷凝剂在加注及制冷过程中具有高压跨尺度流动、流型多态性、流量非线性及参数多变性的特点，如图12-1所示。
（1）高压跨尺度。冷凝剂的注入饱和压力高达2MPa，且流动管道具有厘米级、毫米级、微米级的跨尺度变截面特点。
（2）流型多态性。主要有间歇流、搅动流、波状流、环状流和分层流。
（3）流量非线性。冷凝剂流型的气/液两相之间相界面随机多变，相界面形状和相分布随着流动过程不确定。
（4）参数多变性。物理参数如黏度、密度、尺度及速度等多参数耦合，并随着介质成分配比不同发生改变。
图12-1 冷凝剂加注过程试验图、流型分布图
（a）过程试验图；（b）流型分布图
①—间歇流；②—搅动流；③—波状流；④—环状流；⑤—分层流
RMF浓度指单位截面冷凝剂质量与体积的比值，是表征流型/流量状态与制冷效率的重要参数。如图12-2所示，气—液态混合冷凝剂的RMF浓度大小关系冷凝流型的转变、流动压力、多相流量的分布状态，决定制冷温度的非线性变化。因此，挖掘不确定RMF的浓度特征，进行瞬态RMF浓度精确实时检测，是分析超低温制冷系统中冷凝剂加注—热交换过程流型—流量与制冷效率的重要途径。
当前，国内外知名企业如西门子、海尔对制冷过程的智能检测主要通过温度反馈形成控制系统及物联网系统。本研究项目创新性地提出对加注过程的冷凝剂进行智能监测，实现新冠疫苗超低温制冷系统的温度直接控制，达到实时、高精度、在线及信息化的要求。目前行业市场占有率最高的美国CPS公司、中
图12-2 RMF浓度与流型、温度及压力分布关系图
（a）RMF浓度与冷凝流型分布关系；（b）RMF浓度与制冷温度非线性关系
国精创电器等采用冷媒秤的方式，对冷凝剂加注过程的RMF进行人工称重的质量控制，如图12-3所示。然而对超低温新冠病毒疫苗的贮藏，存在安全隐患大、效率低、不可控的瓶颈，传统RMF浓度检测原理主要有光学法、电学法、声学法和核磁共振法等。但电学法易受介质影响，光学法因其穿透力有限适合低浓度检测，射线、核磁共振与微波法的成本高昂、结构复杂使得应用受限。
超声波在多相流体中传播时，其能量的衰减和相位变化表征多相流浓度参数，具有嵌入式、结构非破坏性、安全性高、效率高等优点。针对高压环境，采用超声—压力融合的RMF浓度检测机制是本研究项目解决新冠疫苗超低温贮藏RMF流型—流量监测的主要技术途径。目前，超低温RMF浓度检测的核
图12-3 称重法冷凝剂注入流量分析原理
心与技术难点在于建立冷凝剂加注—热交换过程中，饱和压降状态下RMF浓度分布与超声衰减特性的映射模型，特别是冷凝剂的跨尺度（厘米级、毫米级与微米级）流动，建立超声波脉冲在信号感知、浓度信号处理、功耗、体积及系统集成，从检测机理、模型构建及技术手段上进行研究与突破，实现微纳尺度、非接触、超声—压力融合的超低温RMF瞬态浓度在线智能检测系统，形成重要科学仪器平台。