摘要： 本文旨在探讨二氧化碳热泵系统特点及铜管焊接技术 ，以及压力变送器在热泵系统中的应用及焊接注意事项。首先介绍了二氧化碳热泵系统的工作原理、管道铜管焊接技术、压力变送器的应用。最后通过管路焊接异常案例分享及机理分析，使读者对二氧化碳热泵系统管道焊接要求的复杂性更加深入理解，减少人为操作带来的质量隐患，促进如二氧化碳热泵这样环保节能的制冷设备更多更好地服务千家万户。

  1. 引言

• 概述：

     热泵是一种能够将热能从一个低温区域转移到一个高温区域的装置，类似于逆向的制冷循环。二氧化碳热泵是采用“二氧化碳”作为介质的热泵系统。

• 优点：

          ①环保：二氧化碳气体取之不尽，且不会造成环境污染。

          ②高效能：CO2热泵能够在相对较低的温度下运行，同时也具有较高的热效率，所以适用于多种应用。

          ③多功能性：根据需要，既可制热也可用于冷却。

          ④能源节约： 利用外部环境的低温热量来提供加热，在能源节约方面具有潜力。

• 局限：

      二氧化碳热泵因其临界温度较低和临界压力较高的特性，因而对材料选用、密封及连接等方面的要求就很高，随之而来其制造成本也较高。 目前世界范围内各个国家对于绿色生态环保越来越重视以及科学技术的快速发展，相信以上这些问题很快会得到解决。

2. 二氧化碳热泵的工作原理

图1 二氧化碳热泵示意图

它的工作原理类似于传统的热泵系统，但使用二氧化碳作为介质可以具有一些特殊的优势。

• 压缩：系统开始时，液态或气态的二氧化碳被抽取到压缩机中。在这个过程中，二氧化碳从低压态转换成高压态，释放热量。

• 冷凝：高压态的二氧化碳气体进入冷凝器，通过与外部空气或水接触，释放热量并冷却，使其变成高压液体。

• 膨胀阀：高压液体二氧化碳通过进入膨胀阀节流，降低压力，导致部分液体挥发成气体，从而使温度下降。

• 蒸发：当低压态的二氧化碳气体在这里与外部环境交换热量，吸收热量并从外部环境吸热，这时二氧化碳气体转化为低温、低压的液体。

   通过循环这些步骤，二氧化碳热泵系统能够从低温环境中吸收热量，通过压缩和冷凝的过程升高温度，然后释放热量到高温环境中。这使得二氧化碳热泵可以用于供暖、制冷以及热水等。

3． 二氧化碳热泵铜管管路焊接的要求

二氧化碳热泵系统通常使用铜管（导热性能和耐腐蚀性能俱佳）作为热交换器和管路的材料。以下是二氧化碳热泵铜管管路焊接的一些常见要求和注意事项：

• 安全操作：在进行焊接前，确保你已经穿戴好适当的个人防护装备，如焊接面罩、手套、防火服等，以防止受伤和避免火灾。

• 管道预备：确保要焊接的铜管外表干净，没有污垢、油脂或氧化物。

• 焊接设备：使用适合焊接铜管的焊接设备和材料，如银焊剂。确保设备正常工作，焊枪和火焰能够稳定地工作。

l适当的焊接技术：选择适当的焊接技术，常见的有火焰焊接、TIG焊接等。 

• 预热：在开始焊接前，通常需要对管道进行预热，以减少热应力和冷凝物的产生。确保预热温度适当，但不要过度加热，以免损坏铜管。

• 焊接温度和时间控制：控制好焊接的温度和时间，避免过度加热或过长时间的焊接，以免影响铜管的性能。

• 焊接技巧：保持的焊接速度，力度均匀，务使焊缝均匀、牢固。

• 冷却和清洁：焊接完成后，让焊缝自然冷却，避免突然冷却导致应力集中。然后，使用适当的清洁剂清洁焊接区域，以去除焊渣和氧化物。

• 检查和测试：如果可能，进行压力测试以确保管道系统的密封性。

• 遵循规范和标准：根据所在地区的相关规范和标准执行焊接操作，以确保工作符合法规和安全要求。

      请注意：二氧化碳热泵铜管管路的焊接，需要确保焊接质量和系统性能，最好请专业焊接人员进行操作，最佳实践是根据具体的应用要求和相关标准来进行焊接操作。一旦发生焊接质量问题，对后续的问题排查及故障处理都会带来很大有麻烦，处理起来难度很大。往往会造成材料报废，工期延误等严重后果。

4． 热泵系统管路焊接完成后进行加压，抽负压的重要意义

    热泵系统管路焊接完成后进行加压和抽负压的目的是为了检测管道系统的密封性能和稳定性。这个过程可以帮助确保系统在正式运行之前没有任何泄漏或其他问题，具体如下：

• 需要抽调内部的其余气体，为向系统内加注“制冷剂”做准备。

• 排除空气和杂质： 将残留在热泵系统内部的“不凝性”气体抽出，例如，空气，润滑油蒸汽等，这些不随制冷剂一起冷凝，所以需要对系统进行真空和干燥处理。

• 检测泄漏： 可以对系统进行真空捡漏，以负压形式检查系统的真空状态，若规定时间没有达到规定的负压值，就需要查找系统的“漏气口”位置，并进行修复。

总之，加压和抽负压是热泵系统安装完成后，确保系统正常运行的关键步骤之一。

5． 二氧化碳热泵系统使用压力变送器的重要作用。

在二氧化碳热泵系统中，压力变送器起着重要作用，其主要功能是测量和监控系统中的压力变化，并将测量到的压力信号转换为成电信号，以便系统可以进行相应的控制和调节。其作用包括：

• 压力监测： 压力变送器可以测量二氧化碳热泵系统中不同部分的压力，如压缩机、膨胀阀等。通过监测这些压力变化，系统可以了解到介质在不同状态下的压力情况，从而更好地控制系统的运行。

• 安全控制：当压力超出安全范围时，系统可以通过接收到的信号采取相应的措施，如停止压缩机运行，以避免系统损坏或危险情况的发生。

• 性能优化：实时监测压力变化，从而优化系统的运行性能。例如，在不同的负荷条件下，系统可以根据压力变送器提供的信息调整压缩机的工作速度或膨胀阀的开度，以达到更高的效率和能源利用率。

• 反馈控制： 压力变送器提供的信号可以作为反馈，用于系统控制算法的调节。系统可以根据压力变送器的信号来动态地调整工作参数，以保持稳定的运行状态。

 总之，压力变送器在二氧化碳热泵系统中起着监测、安全控制和性能优化的重要作用，有助于确保系统稳定运行并提高能效。

6． 二氧化碳热泵系统用的压力变送器在管路焊接过程中的注意事项。

      在二氧化碳热泵系统中使用的压力变送器在管路焊接过程中需要注意一些重要事项，以确保系统的安全性和性能。

以下是一些建议：

• 保护压力变送器： 在进行管路焊接之前，务必将压力变送器从管道中拆下，并在安全的地方进行保护。焊接过程中的高温和火焰可能对变送器的部件造成损害。

• 避免直接热源： 确保焊接火焰或其他热源不直接照射到压力变送器，以防止其过热或损坏。可以使用耐高温材料进行遮挡。

• 防止振动和冲击： 在焊接过程中，避免对压力变送器施加任何不必要的振动或冲击，以防止机械损坏或松动。

• 电气隔离： 如果可能，拆下压力变送器上的电缆连接，并确保电缆端子得到适当的隔离，以防止电气部分受到损害。

• 避免金属颗粒和灰尘： 焊接过程会产生金属颗粒和灰尘，这些颗粒可能进入压力变送器内部并影响其正常运行。可以在焊接附近使用适当的屏障来阻止这些颗粒的进入。

• 防止液体侵入： 避免让焊接过程中产生的液体进入压力变送器内部，因为液体可能对电子元件造成损害。

• 检查密封： 安装前，应确保其密封件和连接部位没有受到损坏，并且在连接时使用适当的密封材料。

• 焊接技术： 使用适当的焊接技术和方法，以最大程度地减少对周围环境和设备的影响。可以考虑使用局部焊接来降低热影响区域。 

焊接压力变送器时，必须采取有效的降温措施，使变送器本体壳体根部温度不能超过115℃，“裹湿毛巾”是其中一例，还有其他方法，例如使用循环水冷却（需配合相应的工装夹具）等等。

• 测试和校准： 在焊接完成后，重新安装压力变送器并进行测试和校准，以确保其性能和精度不受影响。

• 遵循制造商建议： 应始终遵循压力变送器制造商提供的指南和建议，以确保在焊接过程中采取适当的保护措施。

请注意，这些建议仅供参考。在进行焊接操作之前，务必查阅相关的设备文档和制造商指南，以确保采取适当的措施保护压力变送器和系统。

7. 二氧化碳热泵系统中使用的压力变送器在管路焊接应用示例

图2   二氧化碳气罐上的压力指示表（二氧化碳的冷媒代号为R-744）

a管道焊接过程之加热熔焊过程

b焊接过程中用“湿毛巾”对焊接部位进行降温

c管道安装压力变送器前，用湿毛巾对其进行包裹，防止焊接过程中局部高温损坏密封部件

d压力变送器焊接安装在管道中的过程（湿布浸水包裹）

图3  焊接过程图示

8. 压力变送器焊接失效分析案例与机理分析

 有了前面介绍，相信大家对二氧化碳热泵系统整个运作应该有了一定程度的了解。但在实践过程中，受限于作业环境、焊接设备、作业方法、工人技能差异等因素，难免还会出现一些意外状况。为了说明铜管路系统焊接技术的复杂性，特将过去遇到的一次管路焊接不良引起系统报警故障作为实例进行说明。

图4 CS-PT1350

上图所示的这款产品CS-PT1350是我们西安中星测控有限公司开发的一款非常成熟的面向空调制冷领域的压力变送器。它采用国际先进的压力传感器和高性能调理芯片，4～20 mA电流输出，信号输出与压力成比例。它具有高过载、宽温度范围、过压及反向电压保护、抗电磁兼容、抗振动和冲击等特点，在多联机和二氧化碳热泵领域得到广泛大量应用，目前累计生产出货数十万台以上。有次接到一个国外客户反映，在现场焊接调试过程中有只产多产品在经过加压、抽负压后出现“泄漏“现象！并发送了现场”泄漏“故障照片见上图。注。该顾客是我们的老用户，之前已经购买过多批，且一直使用良好。

    接到顾客反映的问题后，我司售后、QA部门立即进行质量追溯，经查该批产品过程记录正常，出货前也经过100%泄漏测试合格。经过与顾客沟通，复原焊接调试的过程，顾客反映的情况是整个焊接过程工人按章操作，压力变送器在焊接过程也采取了降温措施，按照“5M1E“进行人、机、料、法、环、测进行排查无误。我司在第一时间采取紧急调货措施解决问题的同时，为了彻底查实故障原因，联系顾客将”故障品“退回我司进行分析。

考虑到顾客是该机种的的老用户，且在这之前一直使用良好，我们对该批产品从进料检验到出货整个过程进行了严格的质量追溯，确保不放过任何一个可疑点，经过公司上下认真检查，但未发现过程有任何不合规的的地方。

在收到故障件后，我司立即组织技术、质量、工艺骨干进行全面检测分析，包括常温、压力过载测试、高低温环境试验、介质温度变化测试等手段，结果也都正常，均未能复现顾客所反映的故障现象。

最后经与顾客再沟通后，根据顾客提供的现场安装调试环境及方法，我司通过技术人员利用有限元仿真软件模拟了焊接过程(下图5)并在现实中重新搭建了一套一模一样的“应用环境”，结果成功复原出了顾客现场当时焊接安装的情景：当“焊接时间”与“降温措施”分别出现人为异常“波动”时，随之压力变送器复现出了“泄漏”故障，见下图6，该异常现象同顾客反映的情况完全一致。

a CS-PT1350建模

b 焊接过程密封圈温度场

图5 有限元仿真模拟焊接温度场

  最后将分析试验的的情况向顾客进行反映后，顾客方面立即进行重新调查复盘，最终确认是其管路焊接过程工艺实施环节“失控”，经过校正，同批次顾客处剩余的全部5000只压力变送器安装调试未再发生泄漏事故，系统调试及最终顾客使用全部合格。

图6 压力变送器复现出“泄漏”现象

机理分析：

     压力变送器产品设计之初，为防止出现泄漏，设计师在设计过程中对密封材料的尺寸、性能及产品结构都有严格的规定，从材料进厂到生产装配、测试经过层层严格把关后才能交付顾客使用。而在这其中“关键”的橡胶密封圈材料根据不同的介质，对环境温度有着严格的规定。当焊接时间超出规定要求，或管道焊接温度传导施加在压力变送器壳体上，散热条件不足以使热量得到及时扩散，温度持累积升高到超出密封圈正常允许温度， 并在随后的加压、抽负压过程中，使压力变送器内部密封圈“密封功能”失效，导致“泄漏”情况发生。 对于制冷系统来说，“泄漏”是非常严重的质量事故，也正因为如此，必须进行“系统性”地防范，除了压力变送器本身生产过程质量保证之外，制冷系统管道“焊接质量”就显得非常重要！

本文旨在通过对二氧化碳热泵系统及焊接应用的介绍及应用案例分享，希望对推广环保节能的二氧化碳热泵系统、提高大家对制冷系统铜管道焊接的了解，减少质量事故，避免不必要的损失，为我国制冷系统的设计、制造发展壮大，贡献自己的一点微薄之力。