1、冷媒流量與四通閥可靠換向關(guān)系的分析基金項目：寧波市自然科學(xué)基金（編號：2009A610097），浙江省博士后扶優(yōu)項目（編號：2009-bsh-19）作者簡介：劉志勝（1980-），男，本科，工程師。收稿日期：2010-12-27劉志勝1 杜京昌2 魏愛國1 程德威1,2（1.奧克斯電氣有限公司 城市 郵編補充；2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 城市 郵編）【摘 要】 四通閥是壓差驅(qū)動閥，依靠活塞兩端的壓力差推動活塞來實現(xiàn)換向，四通閥換向壓力差與系統(tǒng)的冷媒流量有關(guān)。通過建立模型并結(jié)合實驗，量化分析四通閥可靠換向與系統(tǒng)冷媒流量的關(guān)系。【關(guān)鍵詞】 熱泵；四通閥；中間狀態(tài)；冷媒流量中圖分類號 文獻標(biāo)

2、識碼補充中圖分類號和文獻標(biāo)識碼Analysis about the Relationship of Refrigerant Flow and the Reliable of Four-way Valve ReversingLiu Zhisheng1 Du Jingchang1,2 Wei Aiguo1 Cheng Dewei1,2( 1.AUX Electric Co., Ltd, ; 2.Huazhong University of Science and Technology, Institute of Energy and Power Engineering )【Abstract】 Th

3、e Four-way Valve is a kind of pressure-driven valve, which depends on the pressure difference from end to end across the piston to push the piston and achieve commutation. The pressure difference for the commutation of the Four-way Valve is related to the refrigerant flow of the system. In this pape

4、r, by modeling and binding experiments, to make quantitative analysis about the exact relationships between the reliable commutation of the Four-way Valve and the refrigerant flow of the system.【Keywords】 Heat pump; Four-way Reserving Valve; Intermediate state; Flow of refrigerant0 引言四通閥是熱泵空調(diào)重要的組成部件

5、之一，熱泵空調(diào)通過四通閥實現(xiàn)制冷與制熱的轉(zhuǎn)換，從而滿足用戶在不同季節(jié)對室內(nèi)溫度的要求。四通閥是壓差驅(qū)動閥，依靠活塞兩端的壓力差推動活塞實現(xiàn)換向1。因此，保證四通閥可靠換向直接影響到用戶舒適性要求以及節(jié)能的目的。四通閥換向壓力差和系統(tǒng)的冷媒流量有關(guān)：系統(tǒng)的冷媒流量如果大于設(shè)定值，通過四通閥的冷媒，流動形成的壓力損失就可保證四通閥換向；如果壓力差達(dá)不到設(shè)定要求，四通閥就會不換向或者卡在閥體中間處于串氣狀態(tài)，造成系統(tǒng)制冷制熱功能失效2。本文通過實驗，在變頻空調(diào)系統(tǒng)中驗證系統(tǒng)冷媒流量與四通閥換向壓力差之間的關(guān)系。1 四通閥換向原理的介紹1.1 四通閥的基本原理四通閥是壓差驅(qū)動閥，它通過D管和S管的壓力

6、差來驅(qū)動主滑閥移動3。四通閥的先導(dǎo)閥處于制冷狀態(tài)時（如下圖14），活塞腔處于高壓狀態(tài)，活塞腔處于低壓狀態(tài)，活塞腔間的壓力差推動主滑閥在四通閥的右側(cè)，四通閥的S管和E管連通，四通閥的D管和C管連通，此時空調(diào)系統(tǒng)處于制冷狀態(tài)。四通閥的先導(dǎo)閥處于制熱狀態(tài)時（如下圖24），活塞腔處于低壓狀態(tài)，活塞腔處于高壓狀態(tài)，活塞腔間的壓力差推動主滑閥在四通閥的左側(cè)，四通閥的S管和C管連通，四通閥的D管和E管連通，此時空調(diào)系統(tǒng)處于制熱狀態(tài)。毛細(xì)管；先導(dǎo)滑閥；壓縮彈簧；活塞腔；主滑閥圖1 制冷循環(huán) 圖2 制熱循環(huán)Fig.1 Refrigeration cycle Fig.2 Heating cycle1.2 四通閥換

7、向的條件6圖3 中間狀態(tài)示意圖Fig.3 Intermediate state diagram將圖中相應(yīng)符號按文中修改為斜體及下標(biāo)四通換向的基本條件是活塞兩端的壓力差（F1-F2）必須大于摩擦阻力f，否則，四通閥將不會換向。當(dāng)左右活塞腔的壓力差大于摩擦阻力f時，四通閥換向開始后，四通閥的主滑閥以一定的加速度運動，當(dāng)主滑閥運動到中間位置時，四通閥的E、S、C三條接管相互導(dǎo)通，壓縮機排出的冷媒從四通閥D接管直接經(jīng)E、C接管流向S接管（壓縮機回氣口），使壓力差快速降低，形成瞬時串氣狀態(tài)。此時，若壓力差降低后，小于f，四通閥就可能卡在中間位置，一直處在串氣狀態(tài)。我們稱四通閥的正好處于閥體中心位置的狀態(tài)

8、為中間狀態(tài)（如圖34）。因為旁通量大，中間狀態(tài)時四通閥換向最困難。四通閥的換向是靠系統(tǒng)流量來保證的。對于特定的四通閥，即使主滑閥卡在中間位置，如果流量達(dá)到一定數(shù)值，通過流動阻力損失形成的壓力差，也能大于f，從而推動主滑閥繼續(xù)運動。因此，中間流量狀態(tài)壓差的大小是四通閥換向的關(guān)鍵。2 實驗裝置和數(shù)學(xué)建模2.1 實驗裝置圖4 實驗裝置Fig.4 Experimental device實驗裝置是一個R410A變頻分體式空調(diào)系統(tǒng)，包括如下部件：變頻渦旋壓縮機1，四通閥2，冷凝器3，氣管截止閥4，液管截止閥5，節(jié)流裝置6，室內(nèi)機7、8、9分別是四通閥D管和E管上的壓力傳感器。室內(nèi)機和室外機放在同一個工況室

9、內(nèi)，工況室利用溫濕度調(diào)節(jié)裝置進行溫濕度調(diào)節(jié)，干濕球溫度變化控制在士0.5內(nèi)5。利用在不同壓差下開關(guān)四通閥的電磁閥，可以使四通閥的主滑閥處在中間流量狀態(tài)，由于室內(nèi)機和室外機在同一個工況室內(nèi)機，是同內(nèi)部的壓力相等，在中間流量狀態(tài)時，冷媒只在四通閥D，S管間流動。假設(shè)冷媒從四通閥D接管經(jīng)E、C接管流向S接管的流量相同，則可以根據(jù)冷媒的流速計算出D管和S管間的壓力差。本裝置根據(jù)額定制冷量6選用四通閥型號為SHF-H35672，適用制冷能力為28kW，四通閥活塞面積A0=15.2cm2，E、S、C管內(nèi)徑為20cm，D管內(nèi)徑為10cm。四通閥處于中間狀態(tài)時從主閥體到E管的流通面積為0.15959cm2。壓

10、縮機型號E405DHD-38D2Y，排氣容積為VS=38cm3/rev，容積效率=96%。2.2 四通閥驅(qū)動數(shù)學(xué)建模忽略四通閥的泄漏量7，渦旋式壓縮機的理論輸氣體積流量為： （1）式中：，分別表示容積效率，頻率，吸氣容積。制冷劑的實際質(zhì)量流量q為： （2）式中：，和分別為實際輸氣體積流量、輸氣系數(shù)和吸氣質(zhì)量體積。制冷劑在管路中的平均流動速度為： （3）式中，為系統(tǒng)中流通管道的面積。局部壓力損失8 （4）式中，為局部阻力系數(shù)；為冷媒的密度，可通過查冷媒的物性表獲得。四通閥在中間流量狀態(tài)時壓力損失 （5）式中：分別，分別為冷媒在D管到閥體的壓力損失，冷媒在閥體上下流動的壓力損失，冷媒從閥體進入E管

11、時壓力損失，冷媒從E管進入主滑閥蓋碗時的壓力損失，冷媒進入S時的壓力損失。則四通閥推動力必須滿足條件： （6）四通閥在中間流量狀態(tài)時實測壓力數(shù)值 （7）式中：，為四通閥D管和S管的測得壓力。3 試驗結(jié)果和分析3.1 四通閥處于中間流量狀態(tài)時摩擦力在四通閥處于中間狀態(tài)時逐漸升高壓縮機的頻率，提高系統(tǒng)流量。在壓縮機頻率50Hz歷時16s左右，四通閥換向，高壓壓力和低壓壓差突然變大。換向前=17.01bar，=16.27bar,=0.74bar，|F1-F2|=113N圖5 四通閥換向過程Fig.5 Process of Four-way valves commutation重繪該圖四通閥處于中間狀

12、態(tài)時摩擦力：f<|F1-F2|=113N （8）3.2 四通閥處于中間流量狀態(tài)壓力損失的計算環(huán)境干球溫度24，濕球溫度18，在四通閥處于中間狀態(tài)時，在不同頻率下理論計算壓力損失和實測數(shù)值壓差的數(shù)據(jù)對比如表1。表1 壓力損失比較Table 1 Comparison of pressure loss壓縮機頻率30Hz35Hz40Hz45Hz50HzPD（bar）1.5916.0516.3216.5617.01PS（bar）15.6715.7815.9716.0816.27PL-total（bar）0.190.260.340.430.54Ptotal（bar）0.190.270.350.480

13、.74（壓縮機頻率）圖6 中間狀態(tài)壓力差實測值與理論值比較曲線Fig.6 Intermediate state pressure difference compared the measured value with the theoretical value從上圖可以看出在30Hz45HZ，計算壓力差和實測數(shù)值基本吻合。在50Hz時實測數(shù)值比理論數(shù)值偏大，并且四通閥開始換向。這可能和四通閥開始偏離了中間狀態(tài)有關(guān)，導(dǎo)致壓差逐漸增大。壓縮機頻率為50HZ時四通閥剛好可以換向，則四通閥處于中間狀態(tài)時摩擦力：f=|F1-F2|=PL-totalA0=82N （9）3.3 不同工況下四通閥處于中間流量

14、時能夠換向的最小頻率調(diào)整工況時在不同干球溫度下，測量能夠使中間狀態(tài)可靠換向的壓縮機頻率測試數(shù)據(jù)如表2。表2 換向頻率對照Table 2 Comparison of commutation frequency溫度51015202530計算頻率94Hz80Hz68Hz58Hz50Hz43Hz實測頻率90Hz78Hz65Hz56Hz50Hz40Hz（工況室干球溫度）圖7 中間狀態(tài)的四通閥換向溫度與頻率的關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between the temperature and the frequency for intermediate state of the f

15、our-way valve計算頻率按照中間狀態(tài)時四通閥摩擦力f=82N進行計算。從實驗數(shù)據(jù)來看，四通閥實測頻率比計算頻率要小，但變化趨勢基本一致。4 結(jié)論（1）四通閥的可靠換向和制冷系統(tǒng)的冷媒流量和環(huán)境溫度有關(guān)。四通閥在冷媒流量小或者環(huán)境溫度比較低的情況下，有可能卡在中間，處于中間狀態(tài)，系統(tǒng)不能正常制冷制熱。（2）在室內(nèi)室外環(huán)境溫度一致的情況下，壓縮機排氣可能只在排氣管、四通閥和吸氣管之間流動，不利于四通閥換向。在這種情況下，需要提升壓縮機頻率，增大冷媒流量，確保四通閥的可靠換向。（3）對于本研究用四通閥，在額定制熱工況，系統(tǒng)冷媒流量小于額定流量28%時，會出現(xiàn)四通閥卡住的現(xiàn)象。對于變頻空調(diào)系統(tǒng)，在小負(fù)荷運行的時候，需要進行四通閥保障運轉(zhuǎn)，升頻使四通閥換向后再降頻，進行正常運轉(zhuǎn)。參考文獻：1 陳穎,鄧先和,丁小江.空調(diào)用四通換向閥的工作特性和換向性能分析J.制冷,2002,(3):56-59.2 邵建文,蔣慶,谷小紅.空調(diào)雙穩(wěn)態(tài)四通閥性能匹配測試系統(tǒng)J.中國計量學(xué)院學(xué)報,2009,(3):223-226.3 李蘇.熱泵空調(diào)四通閥損壞分析及