本發明屬于跨臨界co2熱泵，具體涉及一種跨臨界co2熱泵用高壓釬焊板式氣冷器的結構設計方法。

背景技術：

1、二氧化碳（co2）作為一種自然工質，有著非常優良的熱力學性質，是一種具有潛力的可替代環保工質。跨臨界co2熱泵系統以co2為冷媒，通過“壓縮-放熱-減壓-吸熱-再壓縮”的co2跨臨界逆卡諾循環，可以在制冷的同時獲得高品質的熱源（生產高溫熱水或水蒸氣），快速大溫差制冷制熱。若將該技術用于工業領域，可將廢熱變為能源，代替鍋爐等高耗能設備，節能降碳，實現低品位工業余熱升級的制熱端零能耗、零成本、零排放的目標,?即供熱電氣化。因此，跨臨界co2熱泵技術在推動能源的利用和轉換中大有可為。

2、我國目前已實現了部分中小型co2熱泵系統的商業化，但主要應用于co2熱泵熱水器、co2熱泵干燥、汽車空調及冷凍機組等家用或商用領域，在工業領域用大型兆瓦級跨臨界co2熱泵系統的研發還很少。總體來說，由于co2較低的臨界溫度（31.1℃）和較高的臨界壓力（7.39mpa），其技術門檻較高，裝置制造成本高昂，限制了其大規模應用。特別是對于系統中的關鍵核心裝備-高壓co2氣冷器，由于其工作壓力高（最高可達14mpa）、傳熱機理復雜（co2在假臨界區物性劇烈變化）、緊湊度要求高，該設備研制難度較大。

3、擴散焊板式換熱器具有可同時承受高溫高壓的優點，但過高的制造成本限制了其廣泛應用。而釬焊板式換熱器雖然承壓能力相對較弱，但結構緊湊、換熱效率高，而且壓降小、生產效率高、成本低，更適合跨臨界co2熱泵高壓氣冷器的應用場景。

4、然而，目前我國的釬焊板換熱器廠家生產的產品主要針對氟利昂機組（最高設計壓力5mpa左右），尚無法突破制冷用釬焊板式換熱器設計壓力14mpa的承載極限，也未見市場上有成熟的國產高壓釬焊板式co2氣冷器產品。另外，目前有部分產品（如alfa?lavalaxp27、alfa?laval?axp52、alfa?lavalaxp112、kelvion?gbh-hp系列、swep?b16dw等）使用外部框架板結構實現了較高的產品承載壓力，但這種設計違背了全釬焊板式換熱器制造效率高、結構緊湊又輕便的設計理念；而過于注重提高產品結構強度，單純地增加板片厚度及釬料厚度也不可取。

5、因此，根據高壓釬焊板式氣冷器結構的特殊要求，提供一套全新且完整的高壓釬焊板式氣冷器結構設計方法，是跨臨界co2熱泵技術及裝備的商業化進程中的重要環節。

技術實現思路

1、本發明是為了解決上述問題，提供一種跨臨界co2熱泵用高壓釬焊板式氣冷器的結構設計方法。

2、本發明采用了以下技術方案：

3、一種跨臨界co2熱泵用高壓釬焊板式氣冷器的結構設計方法，若干人字形波紋板交替反向堆疊，且相鄰波紋板的波峰釬焊連接，構成所述高壓釬焊板式氣冷器的設計區；定義所述人字形波紋板中的波紋夾角為 β，波紋的兩個相鄰波峰中心距即波紋節距為 p，單張人字形波紋板中波峰與波谷之間的垂直距離即波紋深度為 b，單張人字形波紋板中頂面到底面的垂直距離即板片厚度為 t；

4、定義由相鄰波紋板波峰釬焊連接后，波谷構成的空間為承載單元，所述承載單元的正投影面積為 as，正投影面積中釬料附著面積為 at；

5、設計方法包括以下步驟：

6、s1.根據經驗設定波紋節距為 p的值，根據以下公式計算所述釬料附著區面積 at的最小值，并獲取所述釬料附著區邊長 l；

7、；

8、；

9、；

10、式中，p為設計壓力，p≥14mpa；為相鄰兩張波紋板相釬接的釬焊接頭材料的許用應力，單位為mpa；

11、s2.?根據經驗設定波紋深度 b的值，依據壓力容器橢圓形封頭強度設計理論計算出板片厚度 t的當前值 t m：

12、；

13、；

14、式中為設計溫度下板片材料的許用應力， k為橢圓形封頭形狀系數，根據gb/t?150.3-2024?表7-1取值；

15、s3.?根據經驗設定板片厚度 t的范圍[tmin,tmax]，若 t m∈[tmin,tmax]，則固定當前波紋節距 p、波紋深度 b和板片厚度 t m的值；否則，調整波紋節距 p和/或波紋深度 b的值，直到 t m∈[tmin,tmax]；

16、s4.基于有限元分析，計算設計結構在經 n次循環壓力疲勞工況下的最大應力幅值 salt1；依據奧氏體不銹鋼的設計 s- n曲線，獲取所述 s- n曲線中 n次循環下的許用應力幅salt2，若 salt1≤salt2，則確認所述波紋節距 p、波紋深度 b、板片厚度 t m的值，完成設計；若 salt1＞salt2，則調整波紋節距 p或調整波紋深度 b和板片厚度 t m的值，直到 salt1≤salt2，得到確認的波紋節距 p、波紋深度 b、板片厚度 t m的值，完成設計。

17、優選的，所述人字形波紋板為雙面波紋板，人字形波紋為軸對稱設置，且對稱軸沿板片長度方向居中布置。

18、優選的，所述波紋節距 p的經驗范圍在2.5~5.0?mm，所述波紋深度 b的經驗范圍在1.2~1.8?mm。

19、優選的，所述許用應力的值按照材料性能手冊或制造商提供的技術資料確定；所述步驟s1中，許用應力以釬焊接頭材料為純銅t2或t1，工作溫度150℃≤ t≤200℃取值；所述步驟s2中，許用應力以封頭材料為316l，工作溫度 t≤200℃取值。

20、優選的，所述步驟s3中，設定板片厚度 t的范圍[tmin,tmax]具體為0.3mm≤ t≤0.8mm，且 t為十分位小數；將計算得到的所述 t m的值向上取一位小數整，再進行比較。

21、優選的，所述步驟s3中，調整波紋節距 p和/或波紋深度 b的值按照擇一或同時進行單次調整，波紋節距 p的單次調整幅度為0.1?mm，波紋深度 b的單次調整幅度為0.05?mm。

22、優選的，所述步驟s4中，用于計算 salt的設計結構取相鄰的9個承載單元進行有限元分析。

23、優選的，所述步驟s4中，當 salt1＞salt2時，先在設計結構中找到局部應力最大點的位置，若該最大點位于焊接接頭處，則保持波紋深度 b和板片厚度 t m不變，僅調整波紋節距 p以增加釬料鋪展面積，波紋節距 p的單次調整幅度為0.1?mm；否則，保持波紋節距 p不變，調整波紋深度 b和板片厚度 t m，所述波紋深度 b的單次調整幅度為0.05?mm，板片厚度 t m的單次調整幅度為0.1?mm。

24、本技術的有益效果在于：

25、本技術針對高壓釬焊板式氣冷器的承壓核心區域—波紋板換熱區域，形成了基于失效模式的設計方法，考慮到銅釬焊不銹鋼時其接頭組織元素未發生明顯擴散，其接頭強度較低的事實，發明人認為主要失效模式在于銅接頭的強度失效和不銹鋼薄板的塑性變形失效，在此基礎上提出了基于經典強度理論的解析計算方法，并簡化了計算模型，從而得出了協同考慮波紋深度、波紋節距、波紋曲線、板片厚度的結構設計方法。此外，針對目前高壓釬焊板式氣冷器可能發生機械疲勞失效但未被廣泛引起重視的現狀，提出了基于有限元分析設計方法的不銹鋼薄板壓力疲勞校核準則。通過以上兩個方面，實現了高壓釬焊板式氣冷器的高可靠結構設計。

26、另外，通過本設計方法的實施，也在一定程度上實現了產品的精準設計，降低了產品制造成本。