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太阳能热水系统用热管的寿命试验方法

发布时间：2020-05-07 09:04:33

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摘要 本文针对太阳能热水系统用热管，采用恒定应力加速寿命模型，设计出科学、可行的实验过程和数据处理方法，并通过设定的示例予以说明。本文介绍的加速寿命试验方法，假设热管的失效是由温度这一单因素引起的，并且温度越高，寿命越短；加速模型采用阿伦尼乌斯公式，各水平数据采用最小二乘法拟合，最终通过外推得到工作温度点下的可靠寿命。本文的研究对于太阳能热水系统用热管的生产厂家和用户均有所启发。

关键词 太阳能；热管；寿命

1、 介绍
热管是一种高效的传热元件，在太阳能热水系统中已经有大量的应用，并取得了很好的效果。但太阳能热水系统用热管（以下简称热管）的寿命一直没有比较好的结论，甚至尚未开展相关科学、可靠的寿命试验。对于热管寿命的研究，已有所涉及，但太阳能热水系统用热管的寿命试验未见报道。对于加速寿命，很多行业已经制定了相关的标准，规范寿命试验。
太阳能热水系统用热管，预测其在正常工作温度70℃下，平均寿命为3万小时，为了获得平均寿命的估计值，预计寿命试验要安排在6万小时左右，相当于7年以上。因此按照文献的方法，难以实现。本文介绍了一种采用恒定应力加速寿命模型，基于温度应力水平的阿伦尼乌斯公式法，并配合设定的示例予以说明。

2、 试验准备工作
目前初步认为太阳能热水系统用热管，提高温度可以加速老化，从而使热管提前进入失效状态。通过温度摸底试验可知，在270℃的高温状态下，热管仍为温度引起的水解、气体解析和渗透等因素而造成的失效。因此选择270℃为最高温度水平，100℃为最低温度水平，选取10个温度水平，按照倒数等间距方案布置，既：T1=100℃=373K，T10=270℃=543K。间距为

△=(1/373-1/543)/9=9.326*10-50C-1

则
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℃。

选定上述10个温度点作为加速寿命试验的测试点，在这10个温度点下，各安排一组加速寿命。
在进行寿命试验前，应首先明确失效准则，既是合格热管的性能参数，建议按照文献的方法和指标执行。其次，初步估计受试样品的失效时间间隔，也就是每个温度下，一次老化的时间。
由于热管的失效无法在进行老化试验中在线自动检测，因此只能估计具体的失效时间。但估计的失效时间与测试周期有密切的关系。不同的温度水平要有不同的测试周期和测试样品数量。一般情况下，温度低的实验点要多安排一些测试样品。对于测试时间的估算，可以先取3只热管作基础，进行时间摸底试验，即在各温度点下，放入1小时后，是否出现失效热管和失效的根数。如果全部失效，说明1小时对于该温度下的热管时间过长，如果无失效说明时间过短。对于时间过长，重换热管进行摸底试验，如果过短，再放入1小时（不换热管），如果仍无失效，再放入1小时，如果连续24小时后仍无失效，取消该温度水平的测试。以首次出现失效热管时间的60%作为基础时间间隔。由于热管的失效往往出现先多后少，既递减的规律，所以安排时间间隔先密后疏。具体热管失效是否为递减规律，仍需要安排试验验证。

1.jpg
图1 热管失效数量与时间的关系

具体试验方法为：取中间温度点180℃，取20-30支热管。每小时检验一次，取出不合格热管。如果30支热管中，第一小时有6支失效（单位时间失效数：6支），将剩余24支热管放回老化炉，2小时后又有8支失效（单位时间失效数：4支）。将剩余16支放回老化炉，5小时后，又有4支失效（单位时间失效数：0.8支），将剩余12只合格热管放回老化炉，10小时后，又有6支失效（单位时间失效数：0.6支），将剩余6只合格热管放入老化炉20小时，全部失效（单位时间失效数：0.3支）。这基本可以判断，热管的失效是递减速率，如图1所示。具体数值须由实验得到。假设不同温度下，首次出现失效的时间见表1：
表1 寿命试验安排表

温度℃
100
113
127
143
160
179
198
220
244
270
支数
50
30
25
20
18
16
12
12
10
10
首次失效时间h
22
18
10
8
5
4
3.6
3
2.2
1.8
基础时间h
13.2
10.8
6
4.8
3
2.4
2.16
1.8
1.32
1.08
第1次实验时间h
13.2
10.8
6
4.8
3
2.4
2.16
1.8
1.32
1.08
第2次实验时间h
26.4
21.6
12
9.6
6
4.8
4.32
3.6
2.64
2.16
第3次实验时间h
66
54
30
24
15
12
10.8
9
6.6
5.4
第4次实验时间h
132
108
60
48
30
24
21.6
18
13.2
10.8
第5次实验时间h
264
216
120
96
60
48
43.2
36
26.4
21.6
第6次实验时间h
660
540
300
240
150
120
108
90
66
54

安排基础时间间隔是上述时间的60%，其后的时间间隔按照1、2、5、10、20、50、100…的规律安排，如表1所示。
试验停止的时间，对于高温部分的试验来说，最好做到所有样品全部失效。但对于低温部分的实验，由于时间较长，可能达到几十天，因此可以中途停止试验，但失效数必须超过50%。
接下来组织试验，严格按照上述规定的时间和温度执行。首先选取样品。实验用热管必须在同一批中随机抽取，禁止跨批次抽取，也不允许人为地选择样品。样品选择数量可按照温度从高到低分别为：10、10、12、12、16、18、20、25、30、50，共计203支，如表1所示，也可适当增加。总的原则是温度越低，试验管越多。首先按照文献的标准检验实验用热管的热性能指标，并详细记录（最好能将数值记录下来，而不是仅仅记录是否合格）。
加速寿命的基本思路是先进行高温测试，如果有多台老化炉，可以同时对称进行，既先进行温度最高和最低的一对，如有奇数台，可以将低温部分先进行一组。总之，原则是使实验尽快结束。
3、 加速寿命试验方法
下面假设只有一台老化炉，进行高温实现，既T10=270℃的实验，取得最初的数据，以作为后续试验的调整准备材料。

表2 T10水平失效记录
测试时间h
1.08
2.16
5.4
失效数 支
4
4
2

首先将合格的热管取规定数量（10支），放到老化炉中。老化炉要预热到一定温度，可以使热管放入后尽快达到设定温度。老化炉内温度要均匀。记录老化炉头尾温度和测量误差。热管要尽量温度均匀，避免老化过程中的温度不均匀造成寿命试验的偏差。1.08小时后取出热管，冷却后测量热管热性能。详细记录每根热管的热性能参数。取出失效样品，然后放入老化炉中，2.16小时后取出，重复上述过程。直到所有热管均失效，停止试验，假定结果如表2所示。
其他温度点的寿命试验过程相同。如果试验时间较长，需计划放入时间，以确保按计划取出。如上一组实验下午5点取出，测试热性能须1小时，如果下午6点放入，需凌晨4点取出。如果加班，可考虑晚10点放入，第二天早上8点取出。如果不加班，可考虑早上8点放入，晚上6点取出。热管在未作试验静置时，应妥善保管，避免人为损坏或接触高温。
失效时间的估计：如在某一测试周期内，有n个样品失效，对于第一阶段，按照算术均匀法估计时间，对于其它阶段，按照对数均匀法估计失效时间。对于表2所示的失效数量，失效时间估计如下。
估计失效时间，对于第一阶段，1.08小时内，采用算术均匀法，时间间隔为h=0.216小时：J1T10=0.216小时、J2T10=0.432小时、J3T10=0.648小时、J4T10=0.864小时；

对于第二阶段，采用对于均匀法，时间间隔：h=1/5(1n2.16-1n1.08)=0.138629，J5T10=1.24小时、J6T10=1.43小时、J7T10=1.64小时、J8T10=1.88小时。

同理，对于第三阶段时间间隔：h=0.30543，J9T10=2.93小时、J10T10=3.98小时。
设热管的寿命服从威布尔分布[9]，其分布函数为：


F(J)=1-exp[-(J/η)m],J>=0

其中J：时间，m,η:参数
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

时间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

根据上表，可以拟合得到m=1.21261，η=1.4688，结果如图2所示。

2.jpg
3.jpg
图2 威布尔分布拟合曲线
图3 阿伦尼乌斯公式拟合曲线

对于威布尔分布，可靠度为r的可靠寿命为：

Jr=ηexp((1/m)1n1n(1/r))

本文取可靠度为0.98，其可靠寿命为：Jr=0.0588小时。

按照上述方法可以得到不同温度下的可靠寿命，设定如表4所示：
表4 不同温度下的可靠寿命

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

加速模型采用阿伦尼乌斯(Arrhenius)公式，简化如下：

lnk=Aexp(B/T)

其中lnk为可靠寿命，a和b是常数，t是绝对温度，既摄氏温度加273.15。将上述不同温度下的可靠寿命带入阿伦尼乌斯公式，拟合得到A=1.3286*10-11，B=12066.8179。拟合结果如图3所示。
因而可以得到在正常工作温度70℃下，可靠度0.98的可靠寿命为24795小时，按照每天光照8小时，每年晴天280天计算，该批热管在工作11年后，仍有98%属于合格品。
4、 结论
本文以一组设定的太阳能热水系统用热管为例，假设了试验条件和试验结果，详细地说明了实验过程，实验操作方法、试验数据处理等各个试验流程中涉及的问题。为生产厂家和用户安排试验提供了方法上的保障。
致谢：南京工业大学青年教师创新基金；江苏省高校自然科学基础研究项目，编号“08KJB560001”
参考文献
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2、 陶汉中, 韦兴, 尹芳芳. 太阳能热水系统用热管性能要求及功率测试方法[J]. 太阳能 2010年 第4期（总第156期）32-36页,54页
3、 于晓峰, 陶汉中, 金叶佳. 家用太阳能热水系统的防冻胀方案[J]. 太阳能 2010年 第6期（总第158期）38-43
4、 张红, 庄骏. 热管内部强化传热安全及寿命的研究[J]. 南京化工大学学报 1999年第21卷第1期68-73
5、 中华人民共和国第四机械工业部. 小功率电子管加速寿命试验方法 SJ1703-81
6、 中华人民共和国国家标准光学和光学仪器环境试验方法弹跳或恒加速度与高温、低温综合试验GB/T 12085.16-1995
7、 日本工業規格 Accelerated life test methods for phosphoric acid fuel cell JIS C 8802：2003
8、 中华人民共和国国家标准 热管寿命试验方法 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、 傅献彩 沈文霞 姚天杨 等. 物理化学 上册 第五版. 北京：高等教育出版社  2005

 

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