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太陽能熱水系統用熱管的壽命試驗方法

發布時間：2020-05-07 09:04:33

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摘要 本文針對太陽能熱水系統用熱管，采用恒定應力加速壽命模型，設計出科學、可行的實驗過程和數據處理方法，并通過設定的示例予以說明。本文介紹的加速壽命試驗方法，假設熱管的失效是由溫度這一單因素引起的，并且溫度越高，壽命越短；加速模型采用阿倫尼烏斯公式，各水平數據采用最小二乘法擬合，最終通過外推得到工作溫度點下的可靠壽命。本文的研究對于太陽能熱水系統用熱管的生產廠家和用戶均有所啟發。

關鍵詞 太陽能；熱管；壽命

1、 介紹
熱管是一種高效的傳熱元件，在太陽能熱水系統中已經有大量的應用，并取得了很好的效果。但太陽能熱水系統用熱管（以下簡稱熱管）的壽命一直沒有比較好的結論，甚至尚未開展相關科學、可靠的壽命試驗。對于熱管壽命的研究，已有所涉及，但太陽能熱水系統用熱管的壽命試驗未見報道。對于加速壽命，很多行業已經制定了相關的標準，規范壽命試驗。
太陽能熱水系統用熱管，預測其在正常工作溫度70℃下，平均壽命為3萬小時，為了獲得平均壽命的估計值，預計壽命試驗要安排在6萬小時左右，相當于7年以上。因此按照文獻的方法，難以實現。本文介紹了一種采用恒定應力加速壽命模型，基于溫度應力水平的阿倫尼烏斯公式法，并配合設定的示例予以說明。

2、 試驗準備工作
目前初步認為太陽能熱水系統用熱管，提高溫度可以加速老化，從而使熱管提前進入失效狀態。通過溫度摸底試驗可知，在270℃的高溫狀態下，熱管仍為溫度引起的水解、氣體解析和滲透等因素而造成的失效。因此選擇270℃為最高溫度水平，100℃為最低溫度水平，選取10個溫度水平，按照倒數等間距方案布置，既：T1=100℃=373K，T10=270℃=543K。間距為

△=(1/373-1/543)/9=9.326*10-50C-1

則
T2=(1/T1-△)-1=386.44K=113℃；T3=(1/T1-2△)-1=401K=127℃

同理：T4=143℃；T5=160℃；T6=179℃；T7=198℃；T8=220℃；T9=244℃。

選定上述10個溫度點作為加速壽命試驗的測試點，在這10個溫度點下，各安排一組加速壽命。
在進行壽命試驗前，應首先明確失效準則，既是合格熱管的性能參數，建議按照文獻的方法和指標執行。其次，初步估計受試樣品的失效時間間隔，也就是每個溫度下，一次老化的時間。
由于熱管的失效無法在進行老化試驗中在線自動檢測，因此只能估計具體的失效時間。但估計的失效時間與測試周期有密切的關系。不同的溫度水平要有不同的測試周期和測試樣品數量。一般情況下，溫度低的實驗點要多安排一些測試樣品。對于測試時間的估算，可以先取3只熱管作基礎，進行時間摸底試驗，即在各溫度點下，放入1小時后，是否出現失效熱管和失效的根數。如果全部失效，說明1小時對于該溫度下的熱管時間過長，如果無失效說明時間過短。對于時間過長，重換熱管進行摸底試驗，如果過短，再放入1小時（不換熱管），如果仍無失效，再放入1小時，如果連續24小時后仍無失效，取消該溫度水平的測試。以首次出現失效熱管時間的60%作為基礎時間間隔。由于熱管的失效往往出現先多后少，既遞減的規律，所以安排時間間隔先密后疏。具體熱管失效是否為遞減規律，仍需要安排試驗驗證。

1.jpg
圖1 熱管失效數量與時間的關系

具體試驗方法為：取中間溫度點180℃，取20-30支熱管。每小時檢驗一次，取出不合格熱管。如果30支熱管中，第一小時有6支失效（單位時間失效數：6支），將剩余24支熱管放回老化爐，2小時后又有8支失效（單位時間失效數：4支）。將剩余16支放回老化爐，5小時后，又有4支失效（單位時間失效數：0.8支），將剩余12只合格熱管放回老化爐，10小時后，又有6支失效（單位時間失效數：0.6支），將剩余6只合格熱管放入老化爐20小時，全部失效（單位時間失效數：0.3支）。這基本可以判斷，熱管的失效是遞減速率，如圖1所示。具體數值須由實驗得到。假設不同溫度下，首次出現失效的時間見表1：
表1 壽命試驗安排表

溫度℃
100
113
127
143
160
179
198
220
244
270
支數
50
30
25
20
18
16
12
12
10
10
首次失效時間h
22
18
10
8
5
4
3.6
3
2.2
1.8
基礎時間h
13.2
10.8
6
4.8
3
2.4
2.16
1.8
1.32
1.08
第1次實驗時間h
13.2
10.8
6
4.8
3
2.4
2.16
1.8
1.32
1.08
第2次實驗時間h
26.4
21.6
12
9.6
6
4.8
4.32
3.6
2.64
2.16
第3次實驗時間h
66
54
30
24
15
12
10.8
9
6.6
5.4
第4次實驗時間h
132
108
60
48
30
24
21.6
18
13.2
10.8
第5次實驗時間h
264
216
120
96
60
48
43.2
36
26.4
21.6
第6次實驗時間h
660
540
300
240
150
120
108
90
66
54

安排基礎時間間隔是上述時間的60%，其后的時間間隔按照1、2、5、10、20、50、100…的規律安排，如表1所示。
試驗停止的時間，對于高溫部分的試驗來說，最好做到所有樣品全部失效。但對于低溫部分的實驗，由于時間較長，可能達到幾十天，因此可以中途停止試驗，但失效數必須超過50%。
接下來組織試驗，嚴格按照上述規定的時間和溫度執行。首先選取樣品。實驗用熱管必須在同一批中隨機抽取，禁止跨批次抽取，也不允許人為地選擇樣品。樣品選擇數量可按照溫度從高到低分別為：10、10、12、12、16、18、20、25、30、50，共計203支，如表1所示，也可適當增加。總的原則是溫度越低，試驗管越多。首先按照文獻的標準檢驗實驗用熱管的熱性能指標，并詳細記錄（最好能將數值記錄下來，而不是僅僅記錄是否合格）。
加速壽命的基本思路是先進行高溫測試，如果有多臺老化爐，可以同時對稱進行，既先進行溫度最高和最低的一對，如有奇數臺，可以將低溫部分先進行一組?？傊?，原則是使實驗盡快結束。
3、 加速壽命試驗方法
下面假設只有一臺老化爐，進行高溫實現，既T10=270℃的實驗，取得最初的數據，以作為后續試驗的調整準備材料。

表2 T10水平失效記錄
測試時間h
1.08
2.16
5.4
失效數 支
4
4
2

首先將合格的熱管取規定數量（10支），放到老化爐中。老化爐要預熱到一定溫度，可以使熱管放入后盡快達到設定溫度。老化爐內溫度要均勻。記錄老化爐頭尾溫度和測量誤差。熱管要盡量溫度均勻，避免老化過程中的溫度不均勻造成壽命試驗的偏差。1.08小時后取出熱管，冷卻后測量熱管熱性能。詳細記錄每根熱管的熱性能參數。取出失效樣品，然后放入老化爐中，2.16小時后取出，重復上述過程。直到所有熱管均失效，停止試驗，假定結果如表2所示。
其他溫度點的壽命試驗過程相同。如果試驗時間較長，需計劃放入時間，以確保按計劃取出。如上一組實驗下午5點取出，測試熱性能須1小時，如果下午6點放入，需凌晨4點取出。如果加班，可考慮晚10點放入，第二天早上8點取出。如果不加班，可考慮早上8點放入，晚上6點取出。熱管在未作試驗靜置時，應妥善保管，避免人為損壞或接觸高溫。
失效時間的估計：如在某一測試周期內，有n個樣品失效，對于第一階段，按照算術均勻法估計時間，對于其它階段，按照對數均勻法估計失效時間。對于表2所示的失效數量，失效時間估計如下。
估計失效時間，對于第一階段，1.08小時內，采用算術均勻法，時間間隔為h=0.216小時：J1T10=0.216小時、J2T10=0.432小時、J3T10=0.648小時、J4T10=0.864小時；

對于第二階段，采用對于均勻法，時間間隔：h=1/5(1n2.16-1n1.08)=0.138629，J5T10=1.24小時、J6T10=1.43小時、J7T10=1.64小時、J8T10=1.88小時。

同理，對于第三階段時間間隔：h=0.30543，J9T10=2.93小時、J10T10=3.98小時。
設熱管的壽命服從威布爾分布[9]，其分布函數為：


F(J)=1-exp[-(J/η)m],J>=0

其中J：時間，m,η:參數
可以得到在270℃水平下，失效概率分布如表3所示：
表3失效概率分布表

時間h
0.216
0.432
0.648
0.864
1.24
1.43
1.64
1.88
2.93
3.98
分布
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1

根據上表，可以擬合得到m=1.21261，η=1.4688，結果如圖2所示。

2.jpg
3.jpg
圖2 威布爾分布擬合曲線
圖3 阿倫尼烏斯公式擬合曲線

對于威布爾分布，可靠度為r的可靠壽命為：

Jr=ηexp((1/m)1n1n(1/r))

本文取可靠度為0.98，其可靠壽命為：Jr=0.0588小時。

按照上述方法可以得到不同溫度下的可靠壽命，設定如表4所示：
表4 不同溫度下的可靠壽命

溫度℃
100
113
127
143
160
179
198
220
244
270
壽命h
1560
488
162.5
50.6
16.2
5.088
1.75
0.566
0.188
0.0588

加速模型采用阿倫尼烏斯(Arrhenius)公式，簡化如下：

lnk=Aexp(B/T)

其中lnk為可靠壽命，a和b是常數，t是絕對溫度，既攝氏溫度加273.15。將上述不同溫度下的可靠壽命帶入阿倫尼烏斯公式，擬合得到A=1.3286*10-11，B=12066.8179。擬合結果如圖3所示。
因而可以得到在正常工作溫度70℃下，可靠度0.98的可靠壽命為24795小時，按照每天光照8小時，每年晴天280天計算，該批熱管在工作11年后，仍有98%屬于合格品。
4、 結論
本文以一組設定的太陽能熱水系統用熱管為例，假設了試驗條件和試驗結果，詳細地說明了實驗過程，實驗操作方法、試驗數據處理等各個試驗流程中涉及的問題。為生產廠家和用戶安排試驗提供了方法上的保障。
致謝：南京工業大學青年教師創新基金；江蘇省高校自然科學基礎研究項目，編號“08KJB560001”
參考文獻
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6、 中華人民共和國國家標準光學和光學儀器環境試驗方法彈跳或恒加速度與高溫、低溫綜合試驗GB/T 12085.16-1995
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8、 中華人民共和國國家標準 熱管壽命試驗方法 GB/T 14813-93
9、 Ralph B D’Agositino, Michael A Stephens. Goodness-of-fit techniques (Statistics textbooks and monographs; Vol 68). MARCEL DEKKER INC, New York. 1986
10、 傅獻彩 沈文霞 姚天楊 等. 物理化學 上冊 第五版. 北京：高等教育出版社  2005

 

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