風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組四通閥應(yīng)用分析及實(shí)驗(yàn)研究

王傳華，孫 思，羅偉新，卓明勝，張龍愛

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組四通閥應(yīng)用分析及實(shí)驗(yàn)研究

王傳華，孫 思，羅偉新，卓明勝，張龍愛

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

當(dāng)前環(huán)保冷媒R410A風(fēng)冷冷 （熱）水機(jī)組逐步大面積用于生產(chǎn)熱水，對(duì)比此類機(jī)組運(yùn)行條件及系統(tǒng)與普通空調(diào)的差異性的變化，研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)四通閥應(yīng)用存在差異性；本文著重從四通閥材料、結(jié)構(gòu)及控制等方面進(jìn)行研究并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，得出在四通閥應(yīng)用方面的相關(guān)結(jié)論。

風(fēng)冷冷 （熱）水機(jī)組；四通閥；應(yīng)用分析；實(shí)驗(yàn)研究

1 引言

風(fēng)冷冷 （熱）水機(jī)組具有夏季制冷、冬季供熱，無(wú)需安裝冷卻塔，易于模塊化集成使用等特點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代初進(jìn)入我國(guó)以來(lái)，其應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

近年來(lái)，隨著對(duì)生活質(zhì)量追求的提高，人們對(duì)生活熱水的需求日益增強(qiáng)；熱水發(fā)生設(shè)備不僅在家用領(lǐng)域開始普及，在商用服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用也正在快速發(fā)展。大型公共建筑對(duì)生活熱水的需求促使風(fēng)冷冷 （熱）水機(jī)組越來(lái)越多地用于制取熱水，為滿足洗浴要求，熱水溫度一般需達(dá)到55℃以上。為達(dá)到這個(gè)水溫，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，冷凝溫度一般達(dá)到63℃至68℃。

另外，根據(jù)2007年9月召開的《蒙特利爾議定書》第19次締約方會(huì)議決議，發(fā)達(dá)國(guó)家于2020年全部淘汰氫氯氟烴，發(fā)展中國(guó)家于2030年全部淘汰氫氯氟烴。隨著傳統(tǒng)制冷劑R22淘汰期限的臨近，各大空調(diào)企業(yè)加快了環(huán)保冷媒的研究步伐，其中R410A是目前應(yīng)用最為成熟的環(huán)保冷媒，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)這兩種冷媒的物性差異，在同一冷凝溫度下，R410A冷媒的壓力更高，一般為R22冷媒的1.6倍左右。

將環(huán)保冷媒的R410A風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組用于制取生活熱水，由于熱水溫度較高及冷媒物性的原因，系統(tǒng)壓力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)空調(diào)用途的R22工質(zhì)機(jī)組，其元器件的承壓、抗壓差等能力也將受到更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，而四通閥作為系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件，在所有元器件中，其故障率較高。本文從四通閥材料、結(jié)構(gòu)及其控制等方面進(jìn)行研究，以期提供一些提高其可靠性的思路。

為方便表述，以下R410A工質(zhì)熱水用途風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組簡(jiǎn)稱R410A熱水機(jī)，傳統(tǒng)R22工質(zhì)空調(diào)用途風(fēng)冷冷 （熱水）機(jī)組簡(jiǎn)稱普通機(jī)組。

2 R410A熱水機(jī)與普通機(jī)組運(yùn)行條件對(duì)比分析

如前所述，熱水溫度較高、冷媒物性差異這兩個(gè)因素導(dǎo)致R410A熱水機(jī)壓力比普通機(jī)組高很多。為方便對(duì)比，分別在名義工況、極限高壓工況、極限壓差工況下對(duì)比這兩種機(jī)組的壓力情況 （工況對(duì)比見表1、壓力對(duì)比見圖1、圖2）。

表1 R410A熱水機(jī)與普通機(jī)組工況對(duì)比表（一般設(shè)計(jì)值）Table 1 Comparison on working conditions between R410A water heater and common water heater（empirical value）

圖1 冷凝壓力對(duì)比Figure 1 condensing pressure comparison

圖2 壓差對(duì)比Figure 2 pressure difference comparison

從以上對(duì)比可以看出，R410A熱水機(jī)的運(yùn)行壓力及壓差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通機(jī)組，分別達(dá)到4.45MPa及3.70MPa（表壓）。

3 R410A熱水機(jī)四通閥應(yīng)用分析

3.1 四通閥應(yīng)用現(xiàn)狀

目前各大廠家生產(chǎn)的四通閥，最大工作壓力一般不超過4.18MPa，最大換向壓差不超過3.15MPa。這種四通閥用在普通機(jī)組上沒有問題，但用在R410A熱水機(jī)上則可靠性很難保證。

為驗(yàn)證目前四通閥應(yīng)用的可靠性，采用一臺(tái)名義制冷量為80kW的R410A熱水機(jī)，按照表1所示的名義工況、極限高壓工況、極限壓差工況分別測(cè)試72h，結(jié)果極限壓差工況測(cè)試到第21h時(shí)出現(xiàn)四通閥卡死現(xiàn)象。對(duì)卡死四通閥進(jìn)行解剖，見圖3、圖4。

從圖中看出，四通閥滑塊變形、活塞沖翻，這兩點(diǎn)均為高壓破壞。

圖3 滑塊失效圖Figure 3 the slider failure

3.2 四通閥改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.2.1 材料改進(jìn)

四通閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖5，主閥主要由筒體、滑塊及活塞組件組成，其承壓、抗壓差能力見表2。

圖4 活塞失效圖Figure 4 the piston failure

圖5 四通閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 5 4-way valve structure

從表2可以看出，四通閥元件中，滑塊材料是最為薄弱的環(huán)節(jié)。

表2 四通閥材料承壓、抗壓差能力table 2 Pressure bearing and pressure difference resistance of 4-way valve

表3 PPS與PTFE材料性能對(duì)比表table 3 Performance comparison between PPS and PTFE materials

從表3可以看出，PPS材料的耐溫性能、耐壓性能及機(jī)械強(qiáng)度均優(yōu)于PTFE及尼龍，且PTFE具有 “冷流性”，在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)載荷作用下會(huì)發(fā)生蠕變。為加強(qiáng)四通閥的承壓及抗壓差能力，需對(duì)滑塊材料進(jìn)行改進(jìn)，目前較理想的替代材料為PPS（PTFE、尼龍及PPS的材料性能對(duì)比見表3）。

3.2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

液擊是四通閥較為常見的失效形式，R410A熱水機(jī)由于其運(yùn)行壓差大，液擊問題表現(xiàn)得更明顯，且危害更大?？挂簱裟芰σ环矫嫒Q于四通閥本身的強(qiáng)度，另一方面取決于中間流量的大小。

目前四通閥設(shè)計(jì)兼顧變頻系統(tǒng)及定頻系統(tǒng)兩個(gè)方面，中間流量設(shè)計(jì)較小，導(dǎo)致抗液擊能力較差。實(shí)際上，變頻系統(tǒng)由于低頻啟動(dòng)問題，需要較小的中間流量來(lái)保證四通閥正常換向；但定頻系統(tǒng)為滿載啟動(dòng)，保證正常換向所需要的中間流量可以大很多。

對(duì)于定頻系統(tǒng)，為加強(qiáng)四通閥抗液擊能力，需要注意適當(dāng)提高其中間流量。表4為筆者推薦的四通閥中間流量與壓縮機(jī)匹數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)值。

表4 四通閥中間流量與壓縮機(jī)匹數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系table 4 Relationship between 4-way valve flow and compressor capacity（HP）

3.2.3 控制改進(jìn)

如前所述，R410A熱水機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大壓差已經(jīng)超出四通閥的抗壓差能力或接近其抗壓差極限，對(duì)四通閥的可靠性帶來(lái)了很大風(fēng)險(xiǎn)。為提高四通閥可靠性，可以對(duì)四通閥的換向控制進(jìn)行改進(jìn)，由原來(lái)的定時(shí)換向改為根據(jù)壓差換向。其基本思路見圖6至圖13。

圖6 開機(jī)控制 （改進(jìn)前）Figure 6 start-up control（before the improvement）

圖7 開機(jī)控制 （改進(jìn)后）Figure 7 start-up control（after the improvement）

3.3 改進(jìn)效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述三個(gè)方面的改進(jìn)效果，采用一臺(tái)名義制冷量為80kW的R410A熱水機(jī)，安裝改進(jìn)之后的四通閥并采用改進(jìn)后的控制進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法：按照表1所示的名義工況、極限高壓工況、極限壓差工況，以各運(yùn)行2h為一個(gè)循環(huán)，一共循環(huán)200次（每個(gè)循環(huán)內(nèi)的壓力變化見圖14）。測(cè)試完成后對(duì)四通閥進(jìn)行解剖，各部件完好，見圖15、圖16。

從測(cè)試及解剖情況可以看出，改進(jìn)后，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的極端惡劣工況測(cè)試，四通閥完好無(wú)損，可靠性較高。

圖8 關(guān)機(jī)控制 （改進(jìn)前）Figure 8 power-off control（before the improvement）

圖9 關(guān)機(jī)控制 （改進(jìn)后）Figure 9 power-off control（after the improvement）

圖10 進(jìn)入化霜控制（改進(jìn)前）Figure 10 enter the defrosting control（before the improvement）

圖11 進(jìn)入化霜控制（改進(jìn)后）Figure 11 enter the defrosting control（after themprovement）

圖12 退出化霜控制（改進(jìn)前）Figure 12 exit the defrosting control（before the improvement）

4 結(jié)論

通過以上分析、驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

1）R410A工質(zhì)熱水用途風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組相對(duì)于傳統(tǒng)的R22工質(zhì)空調(diào)用途機(jī)組，其運(yùn)行條件發(fā)生了很大變化，主要表現(xiàn)為壓力升高、壓差變大；

2）R410A工質(zhì)熱水用途風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組四通閥滑塊材料不宜采用PTFE、尼龍，可以采用承壓能力更好的PPS；為提高抗液擊能力，定頻系統(tǒng)四通閥應(yīng)適當(dāng)加大中間流量；由于該機(jī)組在某些工況下運(yùn)行時(shí)壓差過大，應(yīng)對(duì)四通閥的換向控制進(jìn)行改進(jìn)，由定時(shí)換向改為根據(jù)壓差換向；

圖13 退出化霜控制（改進(jìn)后）Figure 13 exit the defrosting control（before the improvement）

圖14 單個(gè)循環(huán)內(nèi)壓力變化Figure 14 the pressure change of a single loop

圖15 滑塊Figure 15 slider

圖16 活塞Figure 16 piston

3）R410A工質(zhì)風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組越來(lái)越多地用于熱水用途，但很多元器件并未做相應(yīng)改進(jìn)，還是按照原來(lái)的壓力及壓差條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性風(fēng)險(xiǎn)大。本文僅對(duì)四通閥進(jìn)行了研究分析，電子膨脹閥、電磁閥、單向閥等其他元器件也應(yīng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行條件的變化做相應(yīng)的改進(jìn)，以適應(yīng)機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］張龍愛，陳忠杰，王傳華.空氣源熱泵冷 （熱）水機(jī)組用干式殼管換熱器防凍性能研究 ［J］.制冷與空調(diào)，2012，（5）：28-31.

［2］馬最良，姚楊，姜益強(qiáng)，等.熱泵技術(shù)應(yīng)用理論基礎(chǔ)與實(shí)踐［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

［3］陳東，謝繼紅.熱泵熱水裝置 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

［4］吳業(yè)正，韓寶琦.制冷原理及設(shè)備 （第二版）［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1997

Experimental Study and App lication Analysis on the Four-way Valve of the Air-cooled Heat Pum ps

WANG Chuanghua，SUN Si，LUOWeisheng，ZHUO Mingsheng，ZHANG Longai
（Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai5190707）

Recently the air-cooled chiller（heat pump）which uses R410A as refrigerant has been widely applied for production of hotwater.Compared operational conditions and systematic differences of this kind of units，this paper figures out there aremuch application diversities for the four-way valve.Then，this papermakes large studies on the material，structure and control of the four-way valves and proves this conclusion through experimental tests.In the end，this paper summarizes some conclusions on application of the four-way valve.

Air-cooled chiller（heat pump）；Four-way valve；Application analysis；Experimental study

TH137.52+3［文獻(xiàn)標(biāo)示碼］A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.002

ISSN1005-9180（2015）03-007-06

2015-2-28；

2015-4-5

王傳華（1987-），男，工程師，研究方向：空氣源熱泵機(jī)組研究。Email：wangchuanhua885@163.com