中間流量對四通閥抗液擊能力的分析及實驗研究

王傳華

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

四通閥是熱泵機組實現(xiàn)冷媒流向轉換的重要零部件，是除壓縮機、風機等核心系統(tǒng)元件外的另一動作部件[1]，其可靠性研究是熱泵空調機組的一項重要課題。

四通閥液擊是指在換向過程中，由于液體流速急劇改變形成巨大沖擊力（6 MPa以上）導致四通閥內部元件損壞的現(xiàn)象[2]。其形成的因素（條件及過程）有三個：一是壓縮機排氣口至四通閥之間或四通閥內部存在大量液體；二是四通閥換向過程大量的液體仍存在于或流經四通閥；三是液體動量改變導致的沖量超過內部元件的破壞極限。這三個因素，只要能杜絕其中任何一個，即可防止液擊的發(fā)生。目前行業(yè)內對于四通閥液擊失效，從安裝結構及控制方面來預防的研究比較多[3]，這兩方面的優(yōu)化對于液擊預防的成效也比較明顯，但只能防止液擊發(fā)生的因素一及因素二，并不能徹底杜絕液擊的發(fā)生。

在某些特殊情況下，無法避免排氣管及四通閥的積液，也無法避免四通閥換向過程中有大量液體存在或流經。此時必須對四通閥中間流量做出正確選型，確保液體流速改變導致的沖擊力低于四通閥內部元件的破壞極限。

1 液擊的預防措施

1.1 結構設計

為了防止液體集聚在四通閥及排氣管路中，應按圖1所示進行結構設計[4]：①四通閥豎直安裝并高于室內機組或蒸發(fā)器；②排氣管路高于吸氣管路（圖1中實線為錯誤管路設計，虛線為正確管路設計）。這樣設計的目的在于，通過四通閥及排氣管的高位設計，使得機組在放置的過程中，冷媒盡量少地集聚在四通閥及排氣管上，即在一定程度上防止液擊條件的形成。

圖1 防液擊結構設計示意圖

1.2 控制設計

即使按照2.1要求進行結構設計，由于冷媒在系統(tǒng)中的遷移特性，液態(tài)冷媒在某些情況下（如室外機換熱器或冷凝器處于相對高溫條件）仍有可能往排氣管及四通閥集聚，若此時開機運行制熱，四通閥換向瞬間就有可能產生液擊。

為了防止此情況下的液擊，需設計四通閥延時換向控制，即壓縮機開啟后，四通閥不能馬上換向，而是有一定時間的延遲，等排氣管及四通閥上的液態(tài)冷媒排走后再進行換向。這種情況是液擊條件一已經發(fā)生，但可在條件二上進行防止。一般建議的延遲時間見表1。

表1 四通閥延遲換向時間

1.3 中間流量設計

1.2所述的四通閥延遲換向控制，可以預防大部分情況下的液擊；但仍有一些特殊情況無法避免。

我們知道，正常情況下，開機制熱的過程是，壓縮機開啟前四通閥滑塊位于ES側——壓縮機開啟（四通閥線圈處于掉電狀態(tài)），液態(tài)冷媒通過DC排走——延遲一定時間后，液態(tài)冷媒排干凈，電磁線圈上電——先導閥換向——主閥換向[5]。（四通閥結構如圖2所示）

圖2 四通閥結構示意圖

但是，如果壓縮機開啟前，四通閥滑塊位置處于CS側，則在壓差作用下，壓縮機一開啟，四通閥就會進行換向。其過程為：壓縮機開啟前四通閥滑塊位于CS側——壓縮機開啟（四通閥線圈處于掉電狀態(tài)），四通閥在壓差作用下?lián)Q向——延遲一定時間后，電磁線圈上電——先導閥換向——主閥不動作?？梢?，在這種情況下，四通閥在線圈上電前就進行了換向，導致延遲換向的控制沒有達到排液的目的，有可能導致液擊。

這種情況下，液擊條件一及條件二均已發(fā)生，只能通過條件三來防止。此時，只能加大中間流量設計，減小液體動量變化導致的沖擊力。

2 中間流量介紹

中間流量是指滑塊處于圖3所示的中間位置時，高壓氣體從滑塊與閥座之間流過的流量，中間流量取決于流通通道的大小，一般在9.8 kpa壓差下測得。

圖3 四通閥中間流量示意圖

設計中間流量的作用在于，在有液體流經換向時起到泄壓作用，防止液擊破壞[6]。目前行業(yè)內對中間流量一般要求要有，但其值的大小要求，鮮有研究。

3 中間流量設計要求

如上所述，液擊是由于液體速度突變導致的沖擊破壞，若把其簡化為單相流體的沖擊過程，則此過程中的受力可用動量定理[7]來計算。即，

式中：

F—液擊產生的沖擊力，單位：N；

t—液體速度變化的時間，單位：s；

M—管道積液的質量，單位：kg；

V2—變化后的流速，單位：m/s；

V1—初始流速，單位：m/s。

式中：

P—四通閥元件的受力壓強，單位：Pa；

S—四通閥元件的受力面積，單位：m2。

式中：

Sd—四通閥滑塊處于一端時的流通面積，單位：m2；

Sm—四通閥滑塊處于中間位置時的流通面積，單位：m2。

綜合（1）、（2）、（3）可得，

即，為了防止液擊，中間流量設計所要求的滑塊與閥座間隙值可由公式（4）求得。

以一個12 HP的定頻風冷熱泵系統(tǒng)為例，假設：

1）采用名義制冷量為35 kW的四通閥：排氣口直徑為28 mm，閥體筒體直徑25 mm長度200 mm，活塞承壓極限為6 MPa，活塞直徑20 mm；

2）活塞閥碗為四通閥內部承壓最差的元件，則液擊破壞壓強為6 MPa；

3）發(fā)生液擊前，四通閥整個筒體內充滿液體；

4）整個沖擊發(fā)生的時間為0.5 s；

5）發(fā)生液擊時，系統(tǒng)對應的冷凝溫度及蒸發(fā)溫度分別為40 ℃、0 ℃，排氣流速為10 m/s。

按照以上假設條件，由公式（4）計算得出，四通閥滑塊與閥座間隙應不低于0.74 mm2，此即為該系統(tǒng)對應的中間流量設計要求。

4 實驗效果驗證

為驗證不同中間流量對四通閥抗液擊能力的影響，以6臺12 HP的定頻風冷熱泵機組為樣機，其中3臺機組安裝小流量四通閥（滑塊與閥座間隙為0.5 mm2，如圖4），另外3臺安裝大流量四通閥（滑塊與閥座間隙為0.8 mm2，如圖5）。

圖4 小流量四通閥（設計間隙0.5 mm2）

圖5 大流量四通閥（設計間隙0.8 mm2）

6臺樣機在同樣的工況下進行不同操作測試，結果發(fā)現(xiàn)2#樣機四通閥出現(xiàn)液擊損壞。具體情況見表2。2#樣機測試后活塞閥碗及連桿失效照片見圖6。

表2 對比實驗驗證

圖6 閥碗及連桿失效照片

2#樣機之所以會出現(xiàn)液擊損壞，其原因主要為：

1）放置時，由于環(huán)境溫度周期性升降，冷媒在系統(tǒng)中往溫度低的部位遷移，其中有一部分往排氣管路遷移——所有6臺樣機都存在此種情況。

2）機組在環(huán)溫-5 ℃、進水40 ℃工況下運行2 h后待機，四通閥滑塊此時是停留在制熱位置的，即停在CS管上面。下次開機時，只要壓縮機啟動，建立壓差達到四通閥的換向壓差，四通閥就會進行換向，而無需等到線圈上電，即四通閥沒有排液時間——2#樣機及5#樣機存在此種情況。

2#樣機及5#樣機均達到液擊條件，但只有2#出現(xiàn)損壞而5#完好。其原因正是在于四通閥中間流量的差異。5#樣機四通閥滑塊間隙為0.8 mm2，大于要求的0.74 mm2，故而能夠避免液擊失效。

5 結論

通過以上分析及對比測試情況，可得出以下結論：

1）雖然結構及控制上的優(yōu)化可以減少液擊發(fā)生的概率，但不能完全杜絕液擊的發(fā)生。在某些情況下，如開機前四通閥滑塊處于制熱位置，且四通閥或排氣管路中存有一定量的液體，此時開機四通閥會馬上換向，由于沒有排液時間從而造成四通閥發(fā)生液擊的風險較大。

2）中間流量的大小對四通閥的抗液擊能力起著至關重要的作用，其值必須保證在在滿足液擊條件時有足夠的泄壓能力，使得在有液體流經換向的情況下，液體的沖擊力小于四通閥內部元件的承壓極限。如本文中對12 HP定頻風冷熱泵系統(tǒng)所進行的計算，其四通閥滑塊與閥座的間隙值不應小于0.74 mm2。

3）中間流量除了對抗液擊能力有影響外，還對四通閥的換向性能有影響。防止液擊要求較大的中間流量，而換向性能要求中間流量不能過大。本文只對中間流量與液擊之間的關系進行了討論，實際設計中，中間流量的大小還應考慮到換向性能，確保四通閥不應中間流量過大而出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象。