摘要： 本文旨在探討二氧化碳熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)及銅管焊接技術(shù) ，以及壓力變送器在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用及焊接注意事項(xiàng)。首先介紹了二氧化碳熱泵系統(tǒng)的工作原理、管道銅管焊接技術(shù)、壓力變送器的應(yīng)用。最后通過(guò)管路焊接異常案例分享及機(jī)理分析，使讀者對(duì)二氧化碳熱泵系統(tǒng)管道焊接要求的復(fù)雜性更加深入理解，減少人為操作帶來(lái)的質(zhì)量隱患，促進(jìn)如二氧化碳熱泵這樣環(huán)保節(jié)能的制冷設(shè)備更多更好地服務(wù)千家萬(wàn)戶(hù)。

  1. 引言

• 概述：

     熱泵是一種能夠?qū)崮軓囊粋€(gè)低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移到一個(gè)高溫區(qū)域的裝置，類(lèi)似于逆向的制冷循環(huán)。二氧化碳熱泵是采用“二氧化碳”作為介質(zhì)的熱泵系統(tǒng)。

• 優(yōu)點(diǎn)：

          ①環(huán)保：二氧化碳?xì)怏w取之不盡，且不會(huì)造成環(huán)境污染。

          ②高效能：CO2熱泵能夠在相對(duì)較低的溫度下運(yùn)行，同時(shí)也具有較高的熱效率，所以適用于多種應(yīng)用。

          ③多功能性：根據(jù)需要，既可制熱也可用于冷卻。

          ④能源節(jié)約： 利用外部環(huán)境的低溫?zé)崃縼?lái)提供加熱，在能源節(jié)約方面具有潛力。

• 局限：

      二氧化碳熱泵因其臨界溫度較低和臨界壓力較高的特性，因而對(duì)材料選用、密封及連接等方面的要求就很高，隨之而來(lái)其制造成本也較高。 目前世界范圍內(nèi)各個(gè)國(guó)家對(duì)于綠色生態(tài)環(huán)保越來(lái)越重視以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，相信以上這些問(wèn)題很快會(huì)得到解決。

2. 二氧化碳熱泵的工作原理

圖1 二氧化碳熱泵示意圖

它的工作原理類(lèi)似于傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)，但使用二氧化碳作為介質(zhì)可以具有一些特殊的優(yōu)勢(shì)。

• 壓縮：系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)，液態(tài)或氣態(tài)的二氧化碳被抽取到壓縮機(jī)中。在這個(gè)過(guò)程中，二氧化碳從低壓態(tài)轉(zhuǎn)換成高壓態(tài)，釋放熱量。

• 冷凝：高壓態(tài)的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入冷凝器，通過(guò)與外部空氣或水接觸，釋放熱量并冷卻，使其變成高壓液體。

• 膨脹閥：高壓液體二氧化碳通過(guò)進(jìn)入膨脹閥節(jié)流，降低壓力，導(dǎo)致部分液體揮發(fā)成氣體，從而使溫度下降。

• 蒸發(fā)：當(dāng)?shù)蛪簯B(tài)的二氧化碳?xì)怏w在這里與外部環(huán)境交換熱量，吸收熱量并從外部環(huán)境吸熱，這時(shí)二氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化為低溫、低壓的液體。

   通過(guò)循環(huán)這些步驟，二氧化碳熱泵系統(tǒng)能夠從低溫環(huán)境中吸收熱量，通過(guò)壓縮和冷凝的過(guò)程升高溫度，然后釋放熱量到高溫環(huán)境中。這使得二氧化碳熱泵可以用于供暖、制冷以及熱水等。

3． 二氧化碳熱泵銅管管路焊接的要求

二氧化碳熱泵系統(tǒng)通常使用銅管（導(dǎo)熱性能和耐腐蝕性能俱佳）作為熱交換器和管路的材料。以下是二氧化碳熱泵銅管管路焊接的一些常見(jiàn)要求和注意事項(xiàng)：

• 安全操作：在進(jìn)行焊接前，確保你已經(jīng)穿戴好適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)裝備，如焊接面罩、手套、防火服等，以防止受傷和避免火災(zāi)。

• 管道預(yù)備：確保要焊接的銅管外表干凈，沒(méi)有污垢、油脂或氧化物。

• 焊接設(shè)備：使用適合焊接銅管的焊接設(shè)備和材料，如銀焊劑。確保設(shè)備正常工作，焊槍和火焰能夠穩(wěn)定地工作。

l適當(dāng)?shù)暮附蛹夹g(shù)：選擇適當(dāng)?shù)暮附蛹夹g(shù)，常見(jiàn)的有火焰焊接、TIG焊接等。 

• 預(yù)熱：在開(kāi)始焊接前，通常需要對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，以減少熱應(yīng)力和冷凝物的產(chǎn)生。確保預(yù)熱溫度適當(dāng)，但不要過(guò)度加熱，以免損壞銅管。

• 焊接溫度和時(shí)間控制：控制好焊接的溫度和時(shí)間，避免過(guò)度加熱或過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的焊接，以免影響銅管的性能。

• 焊接技巧：保持的焊接速度，力度均勻，務(wù)使焊縫均勻、牢固。

• 冷卻和清潔：焊接完成后，讓焊縫自然冷卻，避免突然冷卻導(dǎo)致應(yīng)力集中。然后，使用適當(dāng)?shù)那鍧崉┣鍧嵑附訁^(qū)域，以去除焊渣和氧化物。

• 檢查和測(cè)試：如果可能，進(jìn)行壓力測(cè)試以確保管道系統(tǒng)的密封性。

• 遵循規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)所在地區(qū)的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行焊接操作，以確保工作符合法規(guī)和安全要求。

      請(qǐng)注意：二氧化碳熱泵銅管管路的焊接，需要確保焊接質(zhì)量和系統(tǒng)性能，最好請(qǐng)專(zhuān)業(yè)焊接人員進(jìn)行操作，最佳實(shí)踐是根據(jù)具體的應(yīng)用要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行焊接操作。一旦發(fā)生焊接質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)后續(xù)的問(wèn)題排查及故障處理都會(huì)帶來(lái)很大有麻煩，處理起來(lái)難度很大。往往會(huì)造成材料報(bào)廢，工期延誤等嚴(yán)重后果。

4． 熱泵系統(tǒng)管路焊接完成后進(jìn)行加壓，抽負(fù)壓的重要意義

    熱泵系統(tǒng)管路焊接完成后進(jìn)行加壓和抽負(fù)壓的目的是為了檢測(cè)管道系統(tǒng)的密封性能和穩(wěn)定性。這個(gè)過(guò)程可以幫助確保系統(tǒng)在正式運(yùn)行之前沒(méi)有任何泄漏或其他問(wèn)題，具體如下：

• 需要抽調(diào)內(nèi)部的其余氣體，為向系統(tǒng)內(nèi)加注“制冷劑”做準(zhǔn)備。

• 排除空氣和雜質(zhì)： 將殘留在熱泵系統(tǒng)內(nèi)部的“不凝性”氣體抽出，例如，空氣，潤(rùn)滑油蒸汽等，這些不隨制冷劑一起冷凝，所以需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行真空和干燥處理。

• 檢測(cè)泄漏： 可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行真空撿漏，以負(fù)壓形式檢查系統(tǒng)的真空狀態(tài)，若規(guī)定時(shí)間沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的負(fù)壓值，就需要查找系統(tǒng)的“漏氣口”位置，并進(jìn)行修復(fù)。

總之，加壓和抽負(fù)壓是熱泵系統(tǒng)安裝完成后，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵步驟之一。

5． 二氧化碳熱泵系統(tǒng)使用壓力變送器的重要作用。

在二氧化碳熱泵系統(tǒng)中，壓力變送器起著重要作用，其主要功能是測(cè)量和監(jiān)控系統(tǒng)中的壓力變化，并將測(cè)量到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為成電信號(hào)，以便系統(tǒng)可以進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié)。其作用包括：

• 壓力監(jiān)測(cè)： 壓力變送器可以測(cè)量二氧化碳熱泵系統(tǒng)中不同部分的壓力，如壓縮機(jī)、膨脹閥等。通過(guò)監(jiān)測(cè)這些壓力變化，系統(tǒng)可以了解到介質(zhì)在不同狀態(tài)下的壓力情況，從而更好地控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

• 安全控制：當(dāng)壓力超出安全范圍時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)接收到的信號(hào)采取相應(yīng)的措施，如停止壓縮機(jī)運(yùn)行，以避免系統(tǒng)損壞或危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

• 性能優(yōu)化：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力變化，從而優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行性能。例如，在不同的負(fù)荷條件下，系統(tǒng)可以根據(jù)壓力變送器提供的信息調(diào)整壓縮機(jī)的工作速度或膨脹閥的開(kāi)度，以達(dá)到更高的效率和能源利用率。

• 反饋控制： 壓力變送器提供的信號(hào)可以作為反饋，用于系統(tǒng)控制算法的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可以根據(jù)壓力變送器的信號(hào)來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整工作參數(shù)，以保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

 總之，壓力變送器在二氧化碳熱泵系統(tǒng)中起著監(jiān)測(cè)、安全控制和性能優(yōu)化的重要作用，有助于確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并提高能效。

6． 二氧化碳熱泵系統(tǒng)用的壓力變送器在管路焊接過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

      在二氧化碳熱泵系統(tǒng)中使用的壓力變送器在管路焊接過(guò)程中需要注意一些重要事項(xiàng)，以確保系統(tǒng)的安全性和性能。

以下是一些建議：

• 保護(hù)壓力變送器： 在進(jìn)行管路焊接之前，務(wù)必將壓力變送器從管道中拆下，并在安全的地方進(jìn)行保護(hù)。焊接過(guò)程中的高溫和火焰可能對(duì)變送器的部件造成損害。

• 避免直接熱源： 確保焊接火焰或其他熱源不直接照射到壓力變送器，以防止其過(guò)熱或損壞?？梢允褂媚透邷夭牧线M(jìn)行遮擋。

• 防止振動(dòng)和沖擊： 在焊接過(guò)程中，避免對(duì)壓力變送器施加任何不必要的振動(dòng)或沖擊，以防止機(jī)械損壞或松動(dòng)。

• 電氣隔離： 如果可能，拆下壓力變送器上的電纜連接，并確保電纜端子得到適當(dāng)?shù)母綦x，以防止電氣部分受到損害。

• 避免金屬顆粒和灰塵： 焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生金屬顆粒和灰塵，這些顆粒可能進(jìn)入壓力變送器內(nèi)部并影響其正常運(yùn)行。可以在焊接附近使用適當(dāng)?shù)钠琳蟻?lái)阻止這些顆粒的進(jìn)入。

• 防止液體侵入： 避免讓焊接過(guò)程中產(chǎn)生的液體進(jìn)入壓力變送器內(nèi)部，因?yàn)橐后w可能對(duì)電子元件造成損害。

• 檢查密封： 安裝前，應(yīng)確保其密封件和連接部位沒(méi)有受到損壞，并且在連接時(shí)使用適當(dāng)?shù)拿芊獠牧稀?/p>

• 焊接技術(shù)： 使用適當(dāng)?shù)暮附蛹夹g(shù)和方法，以最大程度地減少對(duì)周?chē)h(huán)境和設(shè)備的影響?？梢钥紤]使用局部焊接來(lái)降低熱影響區(qū)域。 

焊接壓力變送器時(shí)，必須采取有效的降溫措施，使變送器本體殼體根部溫度不能超過(guò)115℃，“裹濕毛巾”是其中一例，還有其他方法，例如使用循環(huán)水冷卻（需配合相應(yīng)的工裝夾具）等等。

• 測(cè)試和校準(zhǔn)： 在焊接完成后，重新安裝壓力變送器并進(jìn)行測(cè)試和校準(zhǔn)，以確保其性能和精度不受影響。

• 遵循制造商建議： 應(yīng)始終遵循壓力變送器制造商提供的指南和建議，以確保在焊接過(guò)程中采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

請(qǐng)注意，這些建議僅供參考。在進(jìn)行焊接操作之前，務(wù)必查閱相關(guān)的設(shè)備文檔和制造商指南，以確保采取適當(dāng)?shù)拇胧┍Ｗo(hù)壓力變送器和系統(tǒng)。

7. 二氧化碳熱泵系統(tǒng)中使用的壓力變送器在管路焊接應(yīng)用示例

圖2   二氧化碳?xì)夤奚系膲毫χ甘颈恚ǘ趸嫉睦涿酱?hào)為R-744）

a管道焊接過(guò)程之加熱熔焊過(guò)程

b焊接過(guò)程中用“濕毛巾”對(duì)焊接部位進(jìn)行降溫

c管道安裝壓力變送器前，用濕毛巾對(duì)其進(jìn)行包裹，防止焊接過(guò)程中局部高溫?fù)p壞密封部件

d壓力變送器焊接安裝在管道中的過(guò)程（濕布浸水包裹）

圖3  焊接過(guò)程圖示

8. 壓力變送器焊接失效分析案例與機(jī)理分析

 有了前面介紹，相信大家對(duì)二氧化碳熱泵系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)作應(yīng)該有了一定程度的了解。但在實(shí)踐過(guò)程中，受限于作業(yè)環(huán)境、焊接設(shè)備、作業(yè)方法、工人技能差異等因素，難免還會(huì)出現(xiàn)一些意外狀況。為了說(shuō)明銅管路系統(tǒng)焊接技術(shù)的復(fù)雜性，特將過(guò)去遇到的一次管路焊接不良引起系統(tǒng)報(bào)警故障作為實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

圖4 CS-PT1350

上圖所示的這款產(chǎn)品CS-PT1350是我們西安中星測(cè)控有限公司開(kāi)發(fā)的一款非常成熟的面向空調(diào)制冷領(lǐng)域的壓力變送器。它采用國(guó)際先進(jìn)的壓力傳感器和高性能調(diào)理芯片，4～20 mA電流輸出，信號(hào)輸出與壓力成比例。它具有高過(guò)載、寬溫度范圍、過(guò)壓及反向電壓保護(hù)、抗電磁兼容、抗振動(dòng)和沖擊等特點(diǎn)，在多聯(lián)機(jī)和二氧化碳熱泵領(lǐng)域得到廣泛大量應(yīng)用，目前累計(jì)生產(chǎn)出貨數(shù)十萬(wàn)臺(tái)以上。有次接到一個(gè)國(guó)外客戶(hù)反映，在現(xiàn)場(chǎng)焊接調(diào)試過(guò)程中有只產(chǎn)多產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)加壓、抽負(fù)壓后出現(xiàn)“泄漏“現(xiàn)象！并發(fā)送了現(xiàn)場(chǎng)”泄漏“故障照片見(jiàn)上圖。注。該顧客是我們的老用戶(hù)，之前已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)過(guò)多批，且一直使用良好。

    接到顧客反映的問(wèn)題后，我司售后、QA部門(mén)立即進(jìn)行質(zhì)量追溯，經(jīng)查該批產(chǎn)品過(guò)程記錄正常，出貨前也經(jīng)過(guò)100%泄漏測(cè)試合格。經(jīng)過(guò)與顧客溝通，復(fù)原焊接調(diào)試的過(guò)程，顧客反映的情況是整個(gè)焊接過(guò)程工人按章操作，壓力變送器在焊接過(guò)程也采取了降溫措施，按照“5M1E“進(jìn)行人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)進(jìn)行排查無(wú)誤。我司在第一時(shí)間采取緊急調(diào)貨措施解決問(wèn)題的同時(shí)，為了徹底查實(shí)故障原因，聯(lián)系顧客將”故障品“退回我司進(jìn)行分析。

考慮到顧客是該機(jī)種的的老用戶(hù)，且在這之前一直使用良好，我們對(duì)該批產(chǎn)品從進(jìn)料檢驗(yàn)到出貨整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量追溯，確保不放過(guò)任何一個(gè)可疑點(diǎn)，經(jīng)過(guò)公司上下認(rèn)真檢查，但未發(fā)現(xiàn)過(guò)程有任何不合規(guī)的的地方。

在收到故障件后，我司立即組織技術(shù)、質(zhì)量、工藝骨干進(jìn)行全面檢測(cè)分析，包括常溫、壓力過(guò)載測(cè)試、高低溫環(huán)境試驗(yàn)、介質(zhì)溫度變化測(cè)試等手段，結(jié)果也都正常，均未能復(fù)現(xiàn)顧客所反映的故障現(xiàn)象。

最后經(jīng)與顧客再溝通后，根據(jù)顧客提供的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試環(huán)境及方法，我司通過(guò)技術(shù)人員利用有限元仿真軟件模擬了焊接過(guò)程(下圖5)并在現(xiàn)實(shí)中重新搭建了一套一模一樣的“應(yīng)用環(huán)境”，結(jié)果成功復(fù)原出了顧客現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)時(shí)焊接安裝的情景：當(dāng)“焊接時(shí)間”與“降溫措施”分別出現(xiàn)人為異?！安▌?dòng)”時(shí)，隨之壓力變送器復(fù)現(xiàn)出了“泄漏”故障，見(jiàn)下圖6，該異?，F(xiàn)象同顧客反映的情況完全一致。

a CS-PT1350建模

b 焊接過(guò)程密封圈溫度場(chǎng)

圖5 有限元仿真模擬焊接溫度場(chǎng)

  最后將分析試驗(yàn)的的情況向顧客進(jìn)行反映后，顧客方面立即進(jìn)行重新調(diào)查復(fù)盤(pán)，最終確認(rèn)是其管路焊接過(guò)程工藝實(shí)施環(huán)節(jié)“失控”，經(jīng)過(guò)校正，同批次顧客處剩余的全部5000只壓力變送器安裝調(diào)試未再發(fā)生泄漏事故，系統(tǒng)調(diào)試及最終顧客使用全部合格。

圖6 壓力變送器復(fù)現(xiàn)出“泄漏”現(xiàn)象

機(jī)理分析：

     壓力變送器產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，為防止出現(xiàn)泄漏，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)密封材料的尺寸、性能及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都有嚴(yán)格的規(guī)定，從材料進(jìn)廠到生產(chǎn)裝配、測(cè)試經(jīng)過(guò)層層嚴(yán)格把關(guān)后才能交付顧客使用。而在這其中“關(guān)鍵”的橡膠密封圈材料根據(jù)不同的介質(zhì)，對(duì)環(huán)境溫度有著嚴(yán)格的規(guī)定。當(dāng)焊接時(shí)間超出規(guī)定要求，或管道焊接溫度傳導(dǎo)施加在壓力變送器殼體上，散熱條件不足以使熱量得到及時(shí)擴(kuò)散，溫度持累積升高到超出密封圈正常允許溫度， 并在隨后的加壓、抽負(fù)壓過(guò)程中，使壓力變送器內(nèi)部密封圈“密封功能”失效，導(dǎo)致“泄漏”情況發(fā)生。 對(duì)于制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，“泄漏”是非常嚴(yán)重的質(zhì)量事故，也正因?yàn)槿绱?，必須進(jìn)行“系統(tǒng)性”地防范，除了壓力變送器本身生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量保證之外，制冷系統(tǒng)管道“焊接質(zhì)量”就顯得非常重要！

本文旨在通過(guò)對(duì)二氧化碳熱泵系統(tǒng)及焊接應(yīng)用的介紹及應(yīng)用案例分享，希望對(duì)推廣環(huán)保節(jié)能的二氧化碳熱泵系統(tǒng)、提高大家對(duì)制冷系統(tǒng)銅管道焊接的了解，減少質(zhì)量事故，避免不必要的損失，為我國(guó)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造發(fā)展壯大，貢獻(xiàn)自己的一點(diǎn)微薄之力。