内压作用下ＣＯ2跨临界制冷热泵系统的可靠性分析

摘要：根据可靠性理论和材料力学理论,指出了在较高的系统运行压力条件下,影响CO2跨临界制冷热泵系统可靠性的因素;得出了管路可靠度随其所受内 压不同时的变化规律。根据这些影响因素及变化规律,指出了提高CO2跨临界制冷热泵系统可靠性的途径是:适当的增加管壁厚度,或者加大所选材料的许用应 力,或两者同时增大。这些为进一步研究和开发CO2跨临界制冷热泵系统提供了必要的理论依据。

1 引言

与常规制冷热泵系统相比,CO2跨临界制冷热泵系统技术上的主要难题之一就是系统运行压力较高,其高压常达10MPa左右。现有的常规制冷空调系统中并不 存在如此高的压力,这必然使业内许多人士一提起CO2跨临界制冷热泵系统,就担忧其管路及换热器等部件在高压下的可靠性,即而对该系统的发展前景持怀疑态 度。

实际上,在现代化工工程,为提高设备的生产能力,常通过增加其反应的压力来加快反应速度和提高转化率。常见的高压化工过程有氨的合成 (15～100MPa)、尿素的合成(12～40MPa)、甲醇的合成(10～100MPa)、石油的加氢裂化(10～21MPa)、乙烯的高压聚合 (100～250MPa)等。这些化工过程都存在大量的高压管路和部件,它们的运行压力甚至远高于CO2跨临界制冷热泵系统。由于这些高压过程都具有几十 年稳定安全运行的历史,所以有理由指出:管路及换热器等部件在高压下的可靠性,并不能也不应该成为CO2跨临界制冷热泵系统开发与发展的阻碍因素。所以, 对CO2跨临界制冷热泵系统的可靠性进行分析,自然就具有很强的理论和实用价值。

由于小型CO2制冷专用压缩机已经研制成功并已有样机产生,所以管路和换热器高压下运行的可靠性就显得尤为重要。现有高压换热器大多为壳管形式,对空调制 冷系统而言,完全有理由把相对较高压力的制冷剂设置在管内一侧;换热器封头形式虽多,但各种形式封头的可靠性远远大于同直径圆筒的可靠性。而圆筒其实就是 大直径管路,因此换热器的可靠性分析,也就是各种直径管路的可靠性分析。CO2跨临界制冷热泵系统的可靠性分析,归根结底就是对系统管路的可靠性分析。

2管路的可靠性分析基础

2.1可靠度系数β当应力和强度均服从正态分布时,零部件的可靠度系数β定义为[1]: