空氣源熱泵
空氣源熱泵熱水器的可靠性研究
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者:地大熱能 發(fā)表時間:2021-11-04 11:51:30瀏覽次數(shù):1839
1 引言
空氣源熱泵熱水器是新一代節(jié)能型熱水器,其制熱效率是電熱水器的2 ~ 3 倍,在發(fā)達國家使用比例高達80% 左右。然而,我國在2009 年9 月1 日起實施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB /T23137- 2008《家用和類似用途熱泵熱水器》的引導(dǎo)下,熱泵熱水器產(chǎn)品開始發(fā)展,市場份額在2009 年初不足3%, 2010 年剛超過5%。熱泵熱水器在國內(nèi)發(fā)展比較緩慢的主要原因是: 技術(shù)難度大,受影響因素多,產(chǎn)品的可靠性不易保障。雖然熱泵熱水器系統(tǒng)和熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理相同,但是運行工況更惡劣、運行溫度范圍更寬。熱泵空調(diào)將室外低溫空氣中的熱量泵到室內(nèi)空氣環(huán)境中,室內(nèi)溫度運行的范圍一般在18 ~ 30℃之間; 但熱泵熱水器室內(nèi)側(cè)水箱中的熱水溫度范圍為5 ~55℃,此種運行溫度范圍對熱泵熱水器系統(tǒng)提出了更高的要求。同時這些產(chǎn)品工作環(huán)境復(fù)雜多變,節(jié)能效果受季節(jié)影響很大,如果直接借用熱泵空調(diào)技術(shù),產(chǎn)品的可靠性很難得到保障; 例如熱泵系統(tǒng)頻繁高溫高壓保護,導(dǎo)致壓縮機的頻繁停啟,會降低壓縮機的可靠性; 蒸發(fā)器結(jié)霜時導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)運行工況變差,頻繁化霜會導(dǎo)致系統(tǒng)制熱效果變差; 冷媒泄漏、高低壓保護開關(guān)故障等導(dǎo)致售后維修量大; 還有北方地區(qū)在冬季時段用熱泵熱水器供熱水時,裝置運行工況比較惡劣,機組性能系數(shù)較低,如果機組冷凝器和蒸發(fā)器匹配不當(dāng),則機組的可靠性會大大降低,直接影響產(chǎn)品的節(jié)能效果。本文將深入分析影響空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品可靠性的原因,研究提升其可靠性的模型和方法。
2 空氣源熱泵熱水器可靠性的影響因素分析
可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。空氣源熱泵熱水器的可靠性要求是在額定功率下、在規(guī)定的氣溫范圍內(nèi)( 一般為5℃ 以上) 把自來水加熱到設(shè)定溫度( 一般為50 ~ 60℃左右) 的加熱速度。但一些空氣源熱泵熱水器由于各種原因達不到這個要求,主要有以下幾個方面:
( 1) 空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,長期以來研發(fā)人員主要關(guān)心產(chǎn)品功能的實現(xiàn),對其可靠性很少進行研究,而產(chǎn)品的設(shè)計是決定了產(chǎn)品固有可靠性;( 2) 目前我國空氣源熱泵熱水器處于市場培
育階段,多數(shù)企業(yè)是小批量生產(chǎn),很多工序采用手工作業(yè),降低了產(chǎn)品的可靠性水平。例如,熱泵機組中連接壓縮機、電磁換向四通閥、蒸發(fā)器、換熱器和氣液分離器等部件的銅管折彎以及銅管的焊接,采用手工完成,人為因素會影響整個機組可靠性水平;( 3) 空氣源熱泵熱水器的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)制定和實施時間比較晚。空氣源熱泵熱水器的很多零部件都是使用空調(diào)的配件,還沒有全部按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計制造。空氣源熱泵熱水器和空調(diào)的工作環(huán)境不同,空氣源熱泵熱水器的工作環(huán)境惡劣些。例如空氣源熱泵熱水器直接采用空調(diào)壓縮機,勢必會影響壓縮機的壽命以及可靠性水平;( 4) 空氣源熱泵熱水器的安裝和使用維護,特別是使用維護方面,存在很多問題進而影響到其使用過程可靠性。例如,機組安裝的位置要符合規(guī)定要求,蒸發(fā)器要定期清理等,否則會影響其可靠性;( 5) 可靠性工程是一項復(fù)雜系統(tǒng)工程,大多數(shù)的研發(fā)人員和企業(yè)的管理者對它不很了解,這樣就很難將可靠性技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品中。
基于以上的原因,將可靠性工程技術(shù)應(yīng)用到空氣源熱泵熱水器的設(shè)計生產(chǎn)過程,對提高空氣源熱泵熱水器的可靠性水平,具有重要的意義。
3 空氣源熱泵熱水器可靠性模型
建立家用型空氣源熱泵熱水器的可靠性模型時不僅要考慮可能發(fā)生的故障引起的維修及保障要求,也就是基本可靠性模型; 也要考慮在執(zhí)行任務(wù)的過程中完成規(guī)定功能的概率,也就是任務(wù)可靠性模型。
基本可靠性模型是用以估計產(chǎn)品及其組成單元可能發(fā)生的故障引起的維修及其保障要求,是一個全串聯(lián)模型[4]。系統(tǒng)儲備單元越多,其基本可靠性越低。因此,對基本可靠性而言,應(yīng)該盡可能減少儲備。對家用型熱泵熱水器進行結(jié)構(gòu)分析,由于家用型的壓縮機和氣液分離器是一體的,所以基本可靠性框圖初步建立如圖1 中( a) 所示: 任務(wù)可靠性模型是用以估計產(chǎn)品在執(zhí)行任務(wù)過程中完成規(guī)定功能的概率,描述完成任務(wù)過程中,產(chǎn)品各單元的預(yù)定作用并度量工作有效性的一種可靠性模型[4]。顯然,系統(tǒng)儲備單元越多,其可靠性就越高。并聯(lián)裝置的可靠性要高于其串聯(lián)裝置的可靠性; 家用型空氣源熱泵熱水器的制熱任務(wù)剖面的任務(wù)可靠性框圖初步建立如圖1 中( b) 所示。
根據(jù)建立的基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖建立基本可靠性數(shù)學(xué)模型和任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型[4]。主要依據(jù)概率論的知識,根據(jù)分析基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖得知,基本可靠性模型各部分是全串聯(lián)的,而任務(wù)可靠性模型是串并混聯(lián)的,由此運用概率論知識得知其數(shù)學(xué)模型分別如下:
RS = R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11× R12R13 R14R15 R16R17( 1)Rms = R1R2R3R4
[1 - ( 1 - R5) ( 1 - R6) ]× R7R8R9R10R11R12R13R14- R15R16R17( 2)式中RS———基本可靠性度
Rms———制熱系統(tǒng)任務(wù)可靠度
Ri———各單元的可靠度,i = 1,2,3,…, 17,0 < Ri < 1假設(shè)系統(tǒng)各單元壽命服從指數(shù)分布,圖中各單元上方的數(shù)字為單元的故障率λi( 0 < λi) ,當(dāng)所有單元相同,且壽命均服從指數(shù)分布,故障監(jiān)測裝置及轉(zhuǎn)換裝置可靠度為1 時,系統(tǒng)基本可靠度為:
Rs( t) =Π17i = 1e - λi t = exp( -Σ17i = 1λi t) ( 3)因為t > 0 ,0< λi
所以e - λi t < 1 可見故障率λ 越高,系統(tǒng)的基本可靠性和任務(wù)可靠性都降低。
根據(jù)這個數(shù)學(xué)模型可以很清楚的了解到提高哪些零部件的可靠度最有利于系統(tǒng)的可靠度Rs提高,即用最小成本獲得最大的可靠度。對于Rms也是如此,在此不再贅述。
4 空氣源熱泵熱水器的故障模式分析和故障樹分析4. 1 故障模式分析
在整個家用型空氣源熱泵熱水器運行期間,凡是使系統(tǒng)工作工況不能滿足規(guī)定要求的事件都稱為故障事件。空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)是由管道連接的各種設(shè)備而組成相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統(tǒng),如果系統(tǒng)中有一個部件出現(xiàn)故障,則會影響其它部件的工作,進而影響整個系統(tǒng)。家用型空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)有不同層次的系統(tǒng)組成,如制熱系統(tǒng),除霜系統(tǒng)等。熱水器系統(tǒng)出現(xiàn)的故障很多、也很復(fù)雜,根據(jù)不同的特征進行歸類; 根據(jù)故障顯現(xiàn)程度,可分為顯性故障和隱形故障。如: 風(fēng)機停轉(zhuǎn),水管漏水等容易察覺的故障屬于顯性故障; 換熱器結(jié)垢等不易察覺的故障稱為隱性故障。
根據(jù)故障對系統(tǒng)造成的影響程度,可分為軟故障和硬故障。如電機燒壞等設(shè)備完全失效的故障稱為硬故障。儀表漂移等設(shè)備性能下降等故障成為軟故障。
4. 2 故障樹分析
制熱系統(tǒng)是家用型空氣源熱泵熱水器的核心,同時也是容易發(fā)生故障的單元。制熱系統(tǒng)由壓縮機、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁四通閥、風(fēng)機、控制部分等組成; 其中節(jié)流裝置由毛細管和電子膨脹閥并聯(lián)組成。把制熱系統(tǒng)故障作為頂事件,導(dǎo)致頂事件發(fā)生的事件又有許多基本事件,根據(jù)具體情況分析得到制熱系統(tǒng)的故障樹如圖2 中虛框所示。評價故障樹的最好方法就是利用它的最小割集[5],確定故障樹最小割集的算法有布爾代數(shù)化簡法和矩陣排列法等,這里采用布爾代數(shù)化簡法求其最小割集。
圖2 中虛框所示的故障樹可運用布爾代數(shù)邏
輯運算簡化:
Z3 = Y1 + Y2 + Y3 + X7 + X8 + X9 + X10= X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6+ X7 + X8 + X9 + X10其中“+”表示邏輯加法,“·”表示邏輯乘法所以該故障樹的最小割集為: { X1 } ,{ X2 } ,{ X3 } ,{ X4 } ,{ X5、X6 } ,{ X7 } ,{ X8 } ,{ X9 } ,{ X10} 。假設(shè)在各個底層事件發(fā)生的概率差別不大的條件下,根據(jù)每個最小割集的階數(shù),階數(shù)越小的最小割集最重要,可見要提高制熱系統(tǒng)的可靠性,提高壓縮機、蒸發(fā)器、電磁四通閥、冷凝器等的可靠性是提高整個制熱系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。節(jié)流裝置采用毛細管節(jié)流裝置和電子膨脹閥并聯(lián)組成,能提高其任務(wù)可靠度。
家用型空氣源熱泵熱水器的故障由多個單元
故障引起,引起各個單元發(fā)生故障的原因又有很多小故障。主要由制熱系統(tǒng)、除霜系統(tǒng)等部分組成。把空氣源熱泵熱水器的故障作為頂事件,從上到下逐層逐級可建立故障樹,如圖2 所示。圖2 中的故障樹可運用布爾代數(shù)邏輯運算簡化:
T = Z1 + Z2 + Z3= ( Y1 + Y2 + Y3 + X7 + X8 + X9+ X10) + ( Y1 + Y2 + Y3 + X7 + X8+ X10) + X11 + X12= X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7+ X8 + X9 + X10 + X11 + X12其中Z1 = X11 + X12Z2 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7 +X8 + X10Z3 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7 +X8 + X9 + X10“+”表示邏輯加法,“·”表示邏輯乘法
由此可見該故障樹最小割集為{ X1} ,{ X2} ,{ X3 } ,{ X4 } ,{ X5、X6 } ,{ X7 } ,{ X8 } ,{ X9 } ,{ X10} ,{ X11} ,{ X12} 。如果把除霜系統(tǒng)的故障作為頂事件,那么由Z2 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7 + X8 + X10 得知其最小割集為{ X1} ,{ X2 } ,{ X3 } ,{ X4 } ,{ X5、X6 } ,{ X7 } ,{ X8 } ,{ X10} 。同時也是制熱系統(tǒng)和除霜系統(tǒng)所共有部分,其中的任意個發(fā)生故障,都將會導(dǎo)致制熱系統(tǒng)和除霜系統(tǒng)的故障發(fā)生,因此其可靠性對整個系統(tǒng)的可靠性尤為關(guān)鍵。
實際上各個單元之間相互影響,壓縮機故障可能是由其他單元故障引起的,如高低壓開關(guān)故障,會導(dǎo)致壓縮機工作環(huán)境的高低壓保護失去作用,進而可能引起壓縮機故障。
5 空氣源熱泵熱水器的可靠性設(shè)計
根據(jù)客戶的需求,制定出關(guān)于空氣源熱泵熱水器的可靠性定性和定量的指標(biāo),然后再通過系統(tǒng)可靠性模型、可靠性分配和預(yù)測技術(shù)對可靠性進行預(yù)計,最后通過分析、試驗對產(chǎn)品的設(shè)計進行改進,把可靠性的定量要求體現(xiàn)到產(chǎn)品的技術(shù)文件中。空氣源熱泵熱水器的可靠性設(shè)計流程如圖3 所示。從節(jié)約成本、節(jié)省時間、見效快的方面考慮,分為上市產(chǎn)品和研發(fā)產(chǎn)品,對它們分別采取不同的可靠性研究方法。然而上市產(chǎn)品的可靠性分析可以作為新研發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計參考,上市產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)分配可做為新研發(fā)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)分配的參考。
( 1) 上市產(chǎn)品,大都具有比較完善的數(shù)據(jù),如故障模式、故障影響、故障檢測方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。
從節(jié)約成本和減少工作量的角度考慮,一般采用故障模式及其影響分析( FMEA) 和故障樹分析( FTA) 等; 先找出制約可靠度提高的關(guān)鍵問題,針對問題進行專項攻關(guān)改進; 然后再通過設(shè)計評審對改進進行研究,保證改進確實能夠提高產(chǎn)品的可靠性水平; 最后通過可靠性試驗驗證是否達到了預(yù)定的可靠性要求,同時建立起該產(chǎn)品可靠性經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫,也為以后建立該產(chǎn)品的可靠性標(biāo)準(zhǔn)打下基礎(chǔ)和同類或類似新產(chǎn)品的開發(fā)提供可靠性方面的參考。
( 2) 研發(fā)產(chǎn)品,首先分析市場的需求以及客
戶的需要來確定產(chǎn)品的定性和定量的可靠性指標(biāo); 然后參考同類或類似上市產(chǎn)品的故障分析結(jié)果,進行可靠性指標(biāo)的分配和預(yù)計; 再經(jīng)過對比分析可靠性預(yù)計與可靠性指標(biāo),如不能滿足客戶要求,修正各部分的可靠性指標(biāo)或者修正設(shè)計方案,直到滿足要求為止??煽啃灶A(yù)計和分配指標(biāo)如圖4 所示。
6 空氣源熱泵熱水器的可靠性增長
為了提高空氣源熱泵熱水器的可靠性水平,必須把可靠性工作合理地安排在整個產(chǎn)品壽命周期內(nèi),特別在產(chǎn)品研制階段,運用可靠性工程技術(shù),才能達到預(yù)期的目的。上市產(chǎn)品和研發(fā)產(chǎn)品的可靠性增長研究方法不同,其中對上市產(chǎn)品的可靠性分析結(jié)果,可作為開發(fā)設(shè)計新產(chǎn)品的可靠性設(shè)計的參考,這樣有助于迅速開發(fā)出高可靠性的新產(chǎn)品。
6. 1 上市產(chǎn)品
因為過去的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品主要進行功能設(shè)計,很少采用可靠性設(shè)計,可靠性難以滿足用戶的要求,這就迫使生產(chǎn)商要對產(chǎn)品進行改進,改進設(shè)計流程如圖5 所示。
最有效的方法就是加強生產(chǎn)商和用戶的溝通,通過不斷對產(chǎn)品使用信息的反饋,找出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié),進行產(chǎn)品的改造[6]。首先,用戶在使用產(chǎn)品過程中,要記錄好運行和維修情況; 然后將產(chǎn)品的故障信息反饋給制造商,制造商應(yīng)該將用戶的反饋信息分別送給相關(guān)研發(fā)人員,然后研發(fā)人員根據(jù)反饋的信息,通過對生產(chǎn)過程中可靠性的監(jiān)控和分析,進行故障原因的查找和產(chǎn)品的改進設(shè)計。隨著故障數(shù)據(jù)的累積,研發(fā)人員可以對數(shù)據(jù)進行分析,形成該產(chǎn)品的可靠性設(shè)計規(guī)范。
6. 2 研發(fā)產(chǎn)品
對新產(chǎn)品的可靠性設(shè)計用同類或相似產(chǎn)品的可靠性設(shè)計規(guī)范作為參考,如下進行:
( 1) 空氣源熱泵熱水器的研制階段要用同類
或相似產(chǎn)品的可靠性設(shè)計規(guī)范作為參考,提出定性與定量的可靠性要求,確定合適的方案、可靠性指標(biāo)和考核方法; 研制過程中應(yīng)當(dāng)按照計劃開展可靠性設(shè)計、分析和試驗工作; 產(chǎn)品設(shè)計成型階段,必須測試產(chǎn)品的可靠性,確保達到要求的可靠性指標(biāo)。必須加強產(chǎn)品研發(fā)過程中的可靠性試驗,通過試驗檢驗產(chǎn)品當(dāng)中存在的問題,及時進行相應(yīng)的改進設(shè)計;( 2) 空氣源熱泵熱水器的生產(chǎn)階段,要鑒定在批量生產(chǎn)條件下可靠性保證措施的有效性; 生產(chǎn)階段應(yīng)保證批量生產(chǎn)中各種裝備的可靠性,重點跟蹤和控制空氣源熱泵熱水器關(guān)鍵部件和關(guān)鍵工序的可靠性。由于產(chǎn)品在整個研制階段可靠性是一個增長的過程,如果一個環(huán)節(jié)失控,產(chǎn)品可靠性可能會達不到要求,因此必須對其采取全程監(jiān)控,加強可靠性管理。
總之,可靠性設(shè)計決定了產(chǎn)品的固有可靠性,為了提高空氣源熱泵熱水器可靠性水平,首先應(yīng)該使企業(yè)中的研發(fā)人員及時掌握可靠性設(shè)計方法,從源頭上提高產(chǎn)品的可靠性水平; 其次根據(jù)可靠性的設(shè)計要求,制定出合理的加工工藝; 在產(chǎn)品成型后,不僅要進行功能試驗,還要按照可靠性試驗的要求,對其進行可靠性試驗,及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中可靠性較低的部件; 對于重要的、可靠性差的空氣源熱泵熱水器部件,對其進行失效機理分析; 如果現(xiàn)有技術(shù)水平可以改進的應(yīng)該改進,如果技術(shù)上難以保證或經(jīng)濟上不合算的部件,則必須制定相應(yīng)的預(yù)防性維修任務(wù),以減少故障發(fā)生的頻率。
7 結(jié)語
空氣源熱泵熱水器是一種高效節(jié)能裝置,但在實際推廣使用的過程中,暴露了產(chǎn)品可靠性不高的缺點。針對這種情況,指出了目前空氣源熱泵熱水器可靠性不高具體的原因; 在分析空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,建立了基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型,并分析了基本可靠度和任務(wù)可靠度之間的制約關(guān)系; 通過故障模式分析和故障樹分析,找出了制約其可靠性提高的關(guān)鍵部件; 最后論述可靠性設(shè)計和可靠性增長等技術(shù)在空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品設(shè)計中的具體應(yīng)用; 為提高產(chǎn)品可靠性提供了技術(shù)保障。
最后由于技術(shù)進步日新月異,未來空氣源熱泵熱水器的功能趨向多樣化,對產(chǎn)品的可靠性會提出新的更高要求; 但隨著對其可靠性的深入研究,必將提高其運行性能。
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