CN109163917B - 一种跨临界co2热泵加速寿命实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨临界CO2热泵加速寿命实验系统及方法，包括，第一步：确定最恶劣工况的运行参数；第二步，确定经济成本允许下的样本数量；第三步，根据威布尔寿命分布确定加速因子；第四步，进行实验，得到其中至少一个机组损坏的测试时长；第五步：热泵机组正常运行一年，采集一年内的运行环境温度，确定运行温度对应的运行时长以及对应的加速因子；第六步：预测热泵运行的实际寿命。本发明方法在跨临界CO2热泵寿命预测中误差小且经济高效。

Description

一种跨临界CO2热泵加速寿命实验系统及方法

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，特别涉及一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统及方法。

背景技术

随着经济的发展，能源成为人类赖以生存和发展的主要物质基础，而在世界各国，能源短缺问题日益明显，成为经济快速发展的障碍。节能、低碳作为当今社会发展的主流方向，指引着各行各业技术应用的发展方向。其次，环境问题同样制约着人类社会的快速发展，传统制冷剂对臭氧层的破坏和对全球气温别暖的影响备受关注。跨临界CO₂热泵系统在提供高温热水的同时，不仅环境友好，而且具有节约能源的特性，作为能源领域的发展方向，具有广阔的发展前景。

跨临界CO₂热泵具有运动机械，其长时间的运行，压缩机作为其最主要的运动机械，一旦发生疲劳损坏，整个机组将处于瘫痪状态。此外，跨临界CO₂热泵因其跨临界的特性，其工作压力往往比较高，排气压力一般都在10MPa左右，甚至更高，这无疑加速了压缩机的疲劳特性，其寿命的预测将更为重要。另一方面，跨临界CO₂热泵系统因其在跨临界区域等温线的变化特性，存在最优的排气压力，使得热泵机组的能效比最大，且最优的排气压力随着环境温度和出水温度的变化而变化，在保证能效比最大的前提下，跨临界CO₂热泵系统的实时控制，将使得跨临界CO₂热泵系统的排气压力随着环境温度和出水不断变化着的，因此，跨临界CO₂热泵在一般情况下并非运行在设计工况下，排气压力和排气温度不断变化，这些都将都CO₂热泵的主要运动部件压缩机产生寿命上的影响。另一方面，跨临界CO₂热泵因其独特的跨临界循环，工作压力比常规热泵或制冷机组都要高很多，热泵机组寿命的预测和研究将显得非常有意义。

目前，关于CO₂热泵机组的寿命研究相对较少，尚且没有专门的研究针对跨临界CO₂热泵机组。目前，现有的技术大多以经验为主，采取各个部件可靠性的研究给出热泵机组的寿命预测，多为部件的供应商给出的寿命预测，结合相关经验，给出跨临界CO₂热泵机组的寿命。同时，常规的寿命研究方法很难直接应用到跨临界CO₂热泵机组上，CO₂热泵机组较常规机组初期投资成本较高，一般需要采用的样本数比较大，有时需要高达几十台的CO₂热泵机组进行破坏性试验；采用常规的寿命研究方法显得非常没有经济性，代价太高。本发明针对CO₂热泵实时控制的能效最优工况，考虑CO₂热泵机组的成本性，提出了一种新的有效的跨临界 CO₂热泵机组寿命预测方法，为跨临界CO₂热泵机组的使用给出理论指导，以及末端用户群的供水供暖的稳定性给予保障。

发明内容

本发明目的在于提供一种跨临界CO2热泵加速寿命实验系统及方法，根据热泵运行实时控制的最优能效预测跨临界CO₂热泵的实际寿命。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统，包括依次循环连接的压缩机、截止阀、气体冷却器、节流阀、第一截止阀和蒸发器；压缩机的排气口设有压力表和温度表；第一截止阀和节流阀之间的管路与压缩机的吸气口之间通过带第二截止阀的管路连接；第一截止阀和节流阀之间的管路上设有压力表。

一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法，包括以下步骤：

第一步：确定CO₂热泵在最恶劣工况下运行的环境温度T_air/℃，用户设定的出水温度T_{w_o}/℃；

第二步：确定跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统的样本数量为N；

第三步：根据威布尔寿命分布以及样本数量确定加速因子AF，同时根据确定的加速因子 AF确定压缩机的排气压力和排气温度；

第四步：按照第三步确定的压缩机的排气压力和排气温度对N各样本同时进行测试，得到第一个样本损坏的测试时长h_{_Test}/小时；

第五步：跨临界CO₂热泵机组正常运行一年，采集一年内的运行环境温度，并以1℃为间隔，确定从最低温度到最高温度对应的环境温度T_{air_1}、T_{air_2}…T_{air_n}运行工况下对应的运行时长h_1、h_2…h_n以及对应的加速因子AF₁、AF₂…AF_n；

第六步：预测热泵运行的实际寿命，为：

进一步的，根据所提供的样本数量反向计算所需加速因子，计算方法为：以该工况的最优排气压力为初始值，0.01MPa为步长，依次增加排气压力，并在每一步中计算加速因子和满足威布尔分布的样本数量N`，直至N`≤N。

进一步的，实验时，首先通过调节节流阀(7)以满足加速状态下的排气压力，再通过关闭排气出口的截止阀(2)和调节节流阀(7)释放气冷内部分工质进入蒸发器(4)，同时依靠调节第二截止阀(5)和第一截止阀(6)，将工质通过压缩机压缩至排气管道，以满足高压排气压力的调节。

进一步的，实验时，若跨临界CO₂热泵机组实际运行的出水温度不是定值，则同样以1℃为间隔，以出水温度上下限为区间将区间分割为若干小区间m；与环境温度形成m*n个组合，每个区间对应的加速因子分别为AFc_1、AFc_2…AFc_mn，其对应的一年内运行时长为h_{c_1}、 h_{c_2}…h_{c_MN}；则机组实际寿命为：

进一步的，N＝2或3。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

现有技术针对跨临界CO₂热泵的使用寿命尚且没有明确的确定方法，而跨临界CO₂热泵机组在高压下运行，在冬季供暖或热水供应中占据重要的地位，热泵机组的损坏停机将造成供暖的故障甚至瘫痪，对于寒冷地区冬季的生活质量产生重要的影响。同时，跨临界CO₂热泵机组因其独特的特性，存在一个最优的工作压力，而这个最优的排气压力与环境温度、气冷出口温度相关。因此，对于一个跨临界CO₂热泵系统而言，保障系统能效比最大的实时控制逻辑将使得热泵机组运行的排气压力是时刻变化着的。基于此，常规的寿命评价方法在寿命预测中将会产生较大的误差。另一方面，CO₂热泵机组价格较高，很难采取大批量的加速寿命实验，样本的数量往往受到经济成本的条件限制。具有破坏性质的加速寿命实验对于CO₂热泵机组来说成本太高；本发明所需的样本数量较少，仅需要2-3组CO₂热泵机组进行试验，相对于现有技术来讲更加经济高效。

附图说明

图1为本发明一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统的示意图；

图2为跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法的流程图。

具体实施方式

一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法，包括以下步骤：

第一步：确定CO₂热泵机组实际运行环境中，最恶劣工况下运行的环境温度T_air/℃，以及热泵机组的出水温度T_{w_o}/℃。

第二步：确定样本数量为N，N为考虑经济成本下的一个整数。一般情况下，由于CO₂热泵机组的成本比较高，破环性的加速寿命研究代价较大，因此，比较可行的方案，N取值尽可能的小，可取2～3。

第三步：根据威布尔分布及样本数量确定所需的加速因子AF，同时确定排气压力和排气温度。

第四步：按照所确定的加速工况进行测试，得到其中至少一个机组损坏的测试时长h_{_Test}/ 小时。

第五步：热泵机组正常运行一年，采集一年内的运行环境温度，并以1℃为间隔，确定 T_{air_1}、T_{air_2}…T_{air_n}、环境温度运行工况下对应的运行时长h_1、h_2…h_n以及对应的加速因子 AF₁、AF₂…AF_n。

第六步：预测热泵运行的实际寿命，为：

进一步的，第三步中根据威布尔分布和所能提供的样本数量来计算跨临界CO₂热泵机组所需的加速因子，计算方法为：以该最恶劣工况下的最优排气压力为初始值，0.01MPa为步长，依次增加排气压力，并在每一步中计算加速因子和满足威布尔分布的样本数量N`，直至N`≤N。

进一步的，第四步中根据所确定的加速因子，确定加速寿命工况参数的依据为LS加速模型，按照公式3-1计算所需要的排气压力以及排气温度，从而进行加速寿命实验工作。

进一步的，第四步中所确定的加速因子往往比较大，因此排气压力也比较高，一般的系统即使的节流阀开度为0也很难达到所需要的压力。本发明按照附图1所示一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统实现。该跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统，包括依次循环连接的压缩机1、截止阀2、气体冷却器3、节流阀7、截止阀6、蒸发器4；压缩机1的排气口设有压力表和温度表；截止阀6和节流阀7之间的管路与压缩机1的吸气口之间通过带截止阀5的管路连接。

实验时，首先通过调节节流阀7以满足加速状态下的排气压力，再通过关闭排气出口的截止阀2和调节节流阀7释放气冷内部分工质进入蒸发器4，同时依靠调节截止阀5和截止阀6，尽可能的将工质通过压缩机压缩至排气管道，以满足高压排气压力的调节。

若热泵机组实际运行的出水温度也不是定值，例如，供暖出水温度发生改变或其他区域所需热水温度发生改变，这里的最优工况所对应的排气压力将发生变化，仅仅以环境温度作为区间很难直接预测跨临界CO2热泵的寿命。本发明则同样以1℃为间隔，以出水温度上下限为区间将其分割为若干小区间M。与环境温度形成m*n个组合，每个区间对应的加速因子分别为AFc_1、AFc_2…AFc_mn，其对应的一年内运行时长为h_{c_1}、h_{c_2}…h_{c_mn}。则机组实际寿命为：

Claims (5)

1.一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法，其特征在于，基于一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统；所述跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统，包括依次循环连接的压缩机(1)、截止阀(2)、气体冷却器(3)、节流阀(7)、第一截止阀(6)和蒸发器(4)；压缩机(1)的排气口设有压力表和温度表；第一截止阀(6)和节流阀(7)之间的管路与压缩机(1)的吸气口之间通过带第二截止阀(5)的管路连接；第一截止阀(6)和节流阀(7)之间的管路上设有压力表；

所述跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法包括以下步骤：

第一步：确定CO₂热泵在最恶劣工况下运行的环境温度T_air/℃，用户设定的出水温度T_{w_o}/℃；

第二步：确定跨临界CO₂热泵加速寿命实验系统的样本数量为N；

第三步：根据威布尔寿命分布以及样本数量确定加速因子AF，同时根据确定的加速因子AF确定压缩机的排气压力和排气温度；

第四步：按照第三步确定的压缩机的排气压力和排气温度对N个样本同时进行测试，得到第一个样本损坏的测试时长h_{_Test}/小时；

第五步：跨临界CO₂热泵机组正常运行一年，采集一年内的运行环境温度，并以1℃为间隔，确定从最低温度到最高温度对应的环境温度T_{air_1}、T_{air_2}…T_{air_n}运行工况下对应的运行时长h_1、h_2…h_n以及对应的加速因子AF₁、AF₂…AF_n；

第六步：预测热泵运行的实际寿命，为：

2.根据权利要求1所述的一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法，其特征在于，根据所提供的样本数量反向计算所需加速因子，计算方法为：以该工况的最优排气压力为初始值，0.01MPa为步长，依次增加排气压力，并在每一步中计算加速因子和满足威布尔分布的样本数量N`，直至N`≤N。

3.根据权利要求1所述的一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法，其特征在于，实验时，首先通过调节节流阀(7)以满足加速状态下的排气压力，再通过关闭排气出口的截止阀(2)和调节节流阀(7)释放气体冷却器(3)内部分工质进入蒸发器(4)，同时依靠调节第二截止阀(5)和第一截止阀(6)，将工质通过压缩机压缩至排气管道，以满足高压排气压力的调节。

4.根据权利要求1所述的一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法，其特征在于，实验时，若跨临界CO₂热泵机组实际运行的出水温度不是定值，则同样以1℃为间隔，以出水温度上下限为区间将区间分割为若干小区间m；与环境温度形成m*n个组合，每个区间对应的加速因子分别为AFc_1、AFc_2…AFc_mn，其对应的一年内运行时长为h_{c_1}、h_{c_2}…h_{c_MN}；则机组实际寿命为：

5.根据权利要求1所述的一种跨临界CO₂热泵加速寿命实验方法，其特征在于，N＝2或3。

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