關(guān)于單向閥在兩管方案零冷水燃?xì)鉄崴鲬?yīng)用的分析研究

吳桂安 李志敏 陳 俊 鄧飛忠 仇明貴

（華帝股份有限公司 中山 528400）

引言

隨著零冷水技術(shù)在燃?xì)鉄崴魃贤茝V應(yīng)用結(jié)合目前大部分中國(guó)家庭管路布局的實(shí)際情況,兩管方案零冷水燃?xì)鉄崴饕蚱淇蓪?shí)現(xiàn)即開即熱的功能完全顛覆了傳統(tǒng)燃?xì)鉄崴髟谙M(fèi)者心里的印象結(jié)合其安裝簡(jiǎn)便的特征，自問世以來在熱水器市場(chǎng)掀起了追捧熱潮。而兩管方案機(jī)型要實(shí)現(xiàn)零冷水功能需設(shè)置遠(yuǎn)端閥門從而保證熱水器在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行水路的開關(guān)控制，單向閥因其固有的機(jī)械特性完美地實(shí)現(xiàn)了零冷水燃?xì)鉄崴髟谘h(huán)加熱過程水路單向?qū)ǖ男枨?，所以在零冷水燃?xì)鉄崴髦械玫綇V泛應(yīng)用。

現(xiàn)普遍采用的單向閥結(jié)構(gòu)主要是通過彈性材料所產(chǎn)生的預(yù)壓力進(jìn)行單向密封，當(dāng)閥芯左右兩側(cè)流體壓力相等時(shí)，閥芯在彈性材料預(yù)壓力作用下對(duì)閥體進(jìn)行單向密封，從而在不同水流道間形成截止閥門，當(dāng)需要流道導(dǎo)通時(shí)則需通過外力輸入克服彈簧潛在預(yù)壓力打開閥門，因此選擇合適的單向閥對(duì)兩管方案的燃?xì)鉄崴鳂O為重要。

1 單向閥工作原理

單向閥又稱止回閥，通過其內(nèi)部閥芯結(jié)構(gòu)控制流體只能往一個(gè)方向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同管路間的截止或?qū)üδ?。為了保證其工作過程的可靠性，需要求閥體正向流動(dòng)阻力小、反向密封性能好、動(dòng)作靈敏，如圖1所示。

圖1 單向閥工作原理

對(duì)于兩管方案燃?xì)鉄崴鞫裕〞翰豢紤]水管壓損），P2為冷水管流體壓力，P1為熱水管流體壓力，正常條件下P1=P2，P4=0故在封閥力P3作用下閥體始終處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)P1+P4≥P2+P3，閥體處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)左右流道可形成相互連通單一流道。

2 單向閥封閥力與竄水問題的關(guān)系

由于管道內(nèi)阻力存在且離進(jìn)水口越遠(yuǎn)產(chǎn)生阻力越大，最終導(dǎo)致串水現(xiàn)象出現(xiàn)。假設(shè)進(jìn)水壓力為P、管道阻力含沿程阻力hf及局部阻力h、封閥力P0。

相關(guān)計(jì)算公式如下：

式中：

hf —沿程阻力損失；

h —局部阻力損失；

λ —沿程阻力系數(shù)；

l —管長(zhǎng)；

d —管徑；

v —斷面平均流速；

g —重力加速度；

ε—局部阻力系數(shù)；

Re —雷諾數(shù)；

u —運(yùn)動(dòng)粘度；

Q —流量。

將（3）、（4）、（5）代入（1）計(jì)算可知[4]：

當(dāng)P-hf-h+P0＜P時(shí)，即P0＜hf+h時(shí)熱水器會(huì)產(chǎn)生串水現(xiàn)象。

2.1 單向閥封閥力對(duì)熱水器循環(huán)流量影響

圖2為兩管方案零冷水燃?xì)鉄崴靼惭b示意圖，單向閥安裝在水流管道最遠(yuǎn)端，當(dāng)機(jī)器需要對(duì)管道內(nèi)冷水進(jìn)行提前預(yù)熱時(shí)，熱水器內(nèi)循環(huán)水泵啟動(dòng)，水泵抽力P≥P3時(shí)，單向閥門打開，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)預(yù)熱功能。

圖2 兩管方案零冷水燃?xì)鉄崴靼惭b示意圖

2.2 不同封閥力對(duì)系統(tǒng)循環(huán)流量影響

為進(jìn)一步研究在不同封閥力下單向閥對(duì)于燃?xì)鉄崴餮h(huán)流量的影響，對(duì)各直流水泵各功率占比進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)條件:采用24 V直流水泵，9 m揚(yáng)程；循環(huán)管長(zhǎng)60 m、管道直徑6分管。測(cè)試結(jié)果如表1、圖3所示。

由表1、圖3所述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：①當(dāng)封閥力一定時(shí)，隨著水泵功率的增加，循環(huán)水流量也隨之增大；②水泵功率一定時(shí)，隨著單向閥選用封閥力增大時(shí)，循環(huán)水流量會(huì)相應(yīng)減??；③按目前燃?xì)鉄崴鲉⒐α髁俊?.5 L/min要求，只考慮整機(jī)循環(huán)過程水泵有效功率范圍，單向封封閥力應(yīng)該取小值為宜；④如要求循環(huán)流量大，按以上試驗(yàn)機(jī)型所采用循環(huán)水泵分析，有效功率段應(yīng)該選用在80 %以上。

表1 單向閥封閥力與循環(huán)流量的關(guān)系

圖3 單向閥封閥力在不同水泵功率下與循環(huán)流量的關(guān)系

2.3 單向閥封閥力對(duì)兩管零冷水竄水問題的影響

對(duì)于兩管方案零冷水燃?xì)鉄崴?，如果熱水器采用后制開關(guān)時(shí)，正常條件下冷水管與熱水管內(nèi)壓力是相等的，此時(shí)單向閥受彈簧力的作用處于截止?fàn)顟B(tài)，但當(dāng)用戶用冷水時(shí)會(huì)導(dǎo)致冷水管內(nèi)壓力變小，如果P1＞P2+P3單向閥打開從而出現(xiàn)串水現(xiàn)象。為得出封閥力對(duì)竄水的影響程度，采用如圖4所示實(shí)驗(yàn)方案，選用60 m長(zhǎng)循環(huán)管道，分別在冷水管道5 m（1）、15 m（2）、30 m（3）處設(shè)置冷水出水閥門進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)方案示意圖

試驗(yàn)條件:采用24 V直流水泵，9 m揚(yáng)程；循環(huán)管長(zhǎng)60 m、管道直徑6分管，單向閥封閥力分別選用0.02 MPa、0.05 MPa、0.065 MPa進(jìn)行測(cè)試；30 m。

（3）處為單向閥冷水出口；其測(cè)試結(jié)果如表2、圖5所示。

表2 不同出水點(diǎn)處單向閥封閥力對(duì)整機(jī)流量的影響

圖5 不同單向閥封閥力在不同流量，不同位置條件下的竄水流量曲線

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出：①當(dāng)封閥力一定時(shí)，隨著冷水口出水流量增加，串水流量也隨之增大；②出水流量一定時(shí)，隨著距離冷水進(jìn)水端越遠(yuǎn)，串水流量隨之增加；③不同流量條件下，單向閥封閥力越小，串水流量越大；④啟功流量為2.5 L/min要求，一定條件下，用戶冷水時(shí)也會(huì)造成熱水器啟動(dòng)從而出現(xiàn)用戶想用冷水卻出現(xiàn)熱水的問題。

3 結(jié)論

對(duì)于兩管方案的零冷水燃?xì)鉄崴?，單向閥封閥力的選型是相互矛盾的事情，一方面受水泵功率的限制需選擇封閥力不宜過大的閥體，另一方面考慮冷水端用水時(shí)造成的串水現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器啟動(dòng)。在兩管方案機(jī)型設(shè)計(jì)開發(fā)或安裝使用時(shí)必需考慮以下幾點(diǎn)：

1）避免因稍微的串水現(xiàn)象造成整機(jī)誤啟動(dòng)，故需對(duì)整機(jī)啟動(dòng)流量大小進(jìn)行評(píng)估；

2）單向閥裝在最遠(yuǎn)端，此處冷水出水最容易觸發(fā)串水現(xiàn)象，故建議在單向閥冷水端增加限流閥；

3）從本文的試驗(yàn)可看出，選擇封閥力約0.05 MPa時(shí)，系統(tǒng)在相當(dāng)水泵功率下循環(huán)流量可保證的同時(shí)，串水流量也能得到很好的控制；

4）兩管方案零冷水燃?xì)鉄崴魅糁粏为?dú)采用機(jī)械式單向閥控制，由于封閥力受限其在特定條件下會(huì)出現(xiàn)串水并導(dǎo)致整機(jī)錯(cuò)誤啟動(dòng)，如想徹底解決此問題需考慮其他輔助方案，如在冷水端串聯(lián)膨脹箱體進(jìn)行壓差補(bǔ)給、單向閥處增加水流信號(hào)反饋避免機(jī)器產(chǎn)生誤動(dòng)作等。