冷媒流量与四通阀可靠换向关系的分析

1、冷媒流量与四通阀可靠换向关系的分析基金项目：宁波市自然科学基金（编号：2009A610097），浙江省博士后扶优项目（编号：2009-bsh-19）作者简介：刘志胜（1980-），男，本科，工程师。收稿日期：2010-12-27刘志胜1 杜京昌2 魏爱国1 程德威1,2（1.奥克斯电气有限公司 城市 邮编补充；2.华中科技大学能源与动力工程学院 城市 邮编）【摘 要】 四通阀是压差驱动阀，依靠活塞两端的压力差推动活塞来实现换向，四通阀换向压力差与系统的冷媒流量有关。通过建立模型并结合实验，量化分析四通阀可靠换向与系统冷媒流量的关系。【关键词】 热泵；四通阀；中间状态；冷媒流量中图分类号 文献标

2、识码补充中图分类号和文献标识码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 引言四通阀是热泵空调重要的组成部件

5、之一，热泵空调通过四通阀实现制冷与制热的转换，从而满足用户在不同季节对室内温度的要求。四通阀是压差驱动阀，依靠活塞两端的压力差推动活塞实现换向1。因此，保证四通阀可靠换向直接影响到用户舒适性要求以及节能的目的。四通阀换向压力差和系统的冷媒流量有关：系统的冷媒流量如果大于设定值，通过四通阀的冷媒，流动形成的压力损失就可保证四通阀换向；如果压力差达不到设定要求，四通阀就会不换向或者卡在阀体中间处于串气状态，造成系统制冷制热功能失效2。本文通过实验，在变频空调系统中验证系统冷媒流量与四通阀换向压力差之间的关系。1 四通阀换向原理的介绍1.1 四通阀的基本原理四通阀是压差驱动阀，它通过D管和S管的压力

6、差来驱动主滑阀移动3。四通阀的先导阀处于制冷状态时（如下图14），活塞腔处于高压状态，活塞腔处于低压状态，活塞腔间的压力差推动主滑阀在四通阀的右侧，四通阀的S管和E管连通，四通阀的D管和C管连通，此时空调系统处于制冷状态。四通阀的先导阀处于制热状态时（如下图24），活塞腔处于低压状态，活塞腔处于高压状态，活塞腔间的压力差推动主滑阀在四通阀的左侧，四通阀的S管和C管连通，四通阀的D管和E管连通，此时空调系统处于制热状态。毛细管；先导滑阀；压缩弹簧；活塞腔；主滑阀图1 制冷循环 图2 制热循环Fig.1 Refrigeration cycle Fig.2 Heating cycle1.2 四通阀换

7、向的条件6图3 中间状态示意图Fig.3 Intermediate state diagram将图中相应符号按文中修改为斜体及下标四通换向的基本条件是活塞两端的压力差（F1-F2）必须大于摩擦阻力f，否则，四通阀将不会换向。当左右活塞腔的压力差大于摩擦阻力f时，四通阀换向开始后，四通阀的主滑阀以一定的加速度运动，当主滑阀运动到中间位置时，四通阀的E、S、C三条接管相互导通，压缩机排出的冷媒从四通阀D接管直接经E、C接管流向S接管（压缩机回气口），使压力差快速降低，形成瞬时串气状态。此时，若压力差降低后，小于f，四通阀就可能卡在中间位置，一直处在串气状态。我们称四通阀的正好处于阀体中心位置的状态

8、为中间状态（如图34）。因为旁通量大，中间状态时四通阀换向最困难。四通阀的换向是靠系统流量来保证的。对于特定的四通阀，即使主滑阀卡在中间位置，如果流量达到一定数值，通过流动阻力损失形成的压力差，也能大于f，从而推动主滑阀继续运动。因此，中间流量状态压差的大小是四通阀换向的关键。2 实验装置和数学建模2.1 实验装置图4 实验装置Fig.4 Experimental device实验装置是一个R410A变频分体式空调系统，包括如下部件：变频涡旋压缩机1，四通阀2，冷凝器3，气管截止阀4，液管截止阀5，节流装置6，室内机7、8、9分别是四通阀D管和E管上的压力传感器。室内机和室外机放在同一个工况室

9、内，工况室利用温湿度调节装置进行温湿度调节，干湿球温度变化控制在士0.5内5。利用在不同压差下开关四通阀的电磁阀，可以使四通阀的主滑阀处在中间流量状态，由于室内机和室外机在同一个工况室内机，是同内部的压力相等，在中间流量状态时，冷媒只在四通阀D，S管间流动。假设冷媒从四通阀D接管经E、C接管流向S接管的流量相同，则可以根据冷媒的流速计算出D管和S管间的压力差。本装置根据额定制冷量6选用四通阀型号为SHF-H35672，适用制冷能力为28kW，四通阀活塞面积A0=15.2cm2，E、S、C管内径为20cm，D管内径为10cm。四通阀处于中间状态时从主阀体到E管的流通面积为0.15959cm2。压

10、缩机型号E405DHD-38D2Y，排气容积为VS=38cm3/rev，容积效率=96%。2.2 四通阀驱动数学建模忽略四通阀的泄漏量7，涡旋式压缩机的理论输气体积流量为： （1）式中：，分别表示容积效率，频率，吸气容积。制冷剂的实际质量流量q为： （2）式中：，和分别为实际输气体积流量、输气系数和吸气质量体积。制冷剂在管路中的平均流动速度为： （3）式中，为系统中流通管道的面积。局部压力损失8 （4）式中，为局部阻力系数；为冷媒的密度，可通过查冷媒的物性表获得。四通阀在中间流量状态时压力损失 （5）式中：分别，分别为冷媒在D管到阀体的压力损失，冷媒在阀体上下流动的压力损失，冷媒从阀体进入E管

11、时压力损失，冷媒从E管进入主滑阀盖碗时的压力损失，冷媒进入S时的压力损失。则四通阀推动力必须满足条件： （6）四通阀在中间流量状态时实测压力数值 （7）式中：，为四通阀D管和S管的测得压力。3 试验结果和分析3.1 四通阀处于中间流量状态时摩擦力在四通阀处于中间状态时逐渐升高压缩机的频率，提高系统流量。在压缩机频率50Hz历时16s左右，四通阀换向，高压压力和低压压差突然变大。换向前=17.01bar，=16.27bar,=0.74bar，|F1-F2|=113N图5 四通阀换向过程Fig.5 Process of Four-way valves commutation重绘该图四通阀处于中间状

12、态时摩擦力：f<|F1-F2|=113N （8）3.2 四通阀处于中间流量状态压力损失的计算环境干球温度24，湿球温度18，在四通阀处于中间状态时，在不同频率下理论计算压力损失和实测数值压差的数据对比如表1。表1 压力损失比较Table 1 Comparison of pressure loss压缩机频率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（压缩机频率）图6 中间状态压力差实测值与理论值比较曲线Fig.6 Intermediate state pressure difference compared the measured value with the theoretical value从上图可以看出在30Hz45HZ，计算压力差和实测数值基本吻合。在50Hz时实测数值比理论数值偏大，并且四通阀开始换向。这可能和四通阀开始偏离了中间状态有关，导致压差逐渐增大。压缩机频率为50HZ时四通阀刚好可以换向，则四通阀处于中间状态时摩擦力：f=|F1-F2|=PL-totalA0=82N （9）3.3 不同工况下四通阀处于中间流量

14、时能够换向的最小频率调整工况时在不同干球温度下，测量能够使中间状态可靠换向的压缩机频率测试数据如表2。表2 换向频率对照Table 2 Comparison of commutation frequency温度51015202530计算频率94Hz80Hz68Hz58Hz50Hz43Hz实测频率90Hz78Hz65Hz56Hz50Hz40Hz（工况室干球温度）图7 中间状态的四通阀换向温度与频率的关系曲线Fig.7 The relationship between the temperature and the frequency for intermediate state of the f

15、our-way valve计算频率按照中间状态时四通阀摩擦力f=82N进行计算。从实验数据来看，四通阀实测频率比计算频率要小，但变化趋势基本一致。4 结论（1）四通阀的可靠换向和制冷系统的冷媒流量和环境温度有关。四通阀在冷媒流量小或者环境温度比较低的情况下，有可能卡在中间，处于中间状态，系统不能正常制冷制热。（2）在室内室外环境温度一致的情况下，压缩机排气可能只在排气管、四通阀和吸气管之间流动，不利于四通阀换向。在这种情况下，需要提升压缩机频率，增大冷媒流量，确保四通阀的可靠换向。（3）对于本研究用四通阀，在额定制热工况，系统冷媒流量小于额定流量28%时，会出现四通阀卡住的现象。对于变频空调系统，在小负荷运行的时候，需要进行四通阀保障运转，升频使四通阀换向后再降频，进行正常运转。参考文献：1 陈颖,邓先和,丁小江.空调用四通换向阀的工作特性和换向性能分析J.制冷,2002,(3):56-59.2 邵建文,蒋庆,谷小红.空调双稳态四通阀性能匹配测试系统J.中国计量学院学报,2009,(3):223-226.3 李苏.热泵空调四通阀损坏分析及