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(jī)組實(shí)現(xiàn)冷媒流向轉(zhuǎn)換的重要零部件，是除壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)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(diào)機(jī)組的一項(xiàng)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(dǎo)致四通閥內(nèi)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(jī)排氣口至四通閥之間或四通閥內(nèi)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(jīng)四通閥；三是液體動量改變導(dǎo)致的沖量超過內(nèi)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(nèi)對于四通閥液擊失效，從安裝結(jié)構(gòu)及控制方面來預(yù)防的研究比較多[3]，這兩方面的優(yōu)化對于液擊預(yù)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(jīng)。此時(shí)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(dǎo)致的沖擊力低于四通閥內(nèi)部元件的破壞極限。

1 液擊的預(yù)防措施

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了防止液體集聚在四通閥及排氣管路中，應(yīng)按圖1所示進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]：①四通閥豎直安裝并高于室內(nèi)機(jī)組或蒸發(fā)器；②排氣管路高于吸氣管路（圖1中實(shí)線為錯誤管路設(shè)計(jì)，虛線為正確管路設(shè)計(jì)）。這樣設(shè)計(jì)的目的在于，通過四通閥及排氣管的高位設(shè)計(jì)，使得機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1.2 控制設(shè)計(jì)

即使按照2.1要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jī)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(shí)開機(jī)運(yùn)行制熱，四通閥換向瞬間就有可能產(chǎn)生液擊。

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

表1 四通閥延遲換向時(shí)間

1.3 中間流量設(shè)計(jì)

1.2所述的四通閥延遲換向控制，可以預(yù)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(jī)制熱的過程是，壓縮機(jī)開啟前四通閥滑塊位于ES側(cè)——壓縮機(jī)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(shí)間后，液態(tài)冷媒排干凈，電磁線圈上電——先導(dǎo)閥換向——主閥換向[5]。（四通閥結(jié)構(gòu)如圖2所示）

圖2 四通閥結(jié)構(gòu)示意圖

但是，如果壓縮機(jī)開啟前，四通閥滑塊位置處于CS側(cè)，則在壓差作用下，壓縮機(jī)一開啟，四通閥就會進(jìn)行換向。其過程為：壓縮機(jī)開啟前四通閥滑塊位于CS側(cè)——壓縮機(jī)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(shí)間后，電磁線圈上電——先導(dǎo)閥換向——主閥不動作?？梢姡谶@種情況下，四通閥在線圈上電前就進(jìn)行了換向，導(dǎo)致延遲換向的控制沒有達(dá)到排液的目的，有可能導(dǎo)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(shí)，只能加大中間流量設(shè)計(jì)，減小液體動量變化導(dǎo)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(shí)，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(shè)計(jì)中間流量的作用在于，在有液體流經(jīng)換向時(shí)起到泄壓作用，防止液擊破壞[6]。目前行業(yè)內(nèi)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(shè)計(jì)要求

如上所述，液擊是由于液體速度突變導(dǎo)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(jì)算。即，

式中：

F—液擊產(chǎn)生的沖擊力，單位：N；

t—液體速度變化的時(shí)間，單位：s；

M—管道積液的質(zhì)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(qiáng)，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(shí)的流通面積，單位：m2；

Sm—四通閥滑塊處于中間位置時(shí)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(shè)計(jì)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(fēng)冷熱泵系統(tǒng)為例，假設(shè)：

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(nèi)部承壓最差的元件，則液擊破壞壓強(qiáng)為6 MPa；

3）發(fā)生液擊前，四通閥整個筒體內(nèi)充滿液體；

4）整個沖擊發(fā)生的時(shí)間為0.5 s；

5）發(fā)生液擊時(shí)，系統(tǒng)對應(yīng)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(shè)條件，由公式（4）計(jì)算得出，四通閥滑塊與閥座間隙應(yīng)不低于0.74 mm2，此即為該系統(tǒng)對應(yīng)的中間流量設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證

為驗(yàn)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(fēng)冷熱泵機(jī)組為樣機(jī)，其中3臺機(jī)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(shè)計(jì)間隙0.5 mm2）

圖5 大流量四通閥（設(shè)計(jì)間隙0.8 mm2）

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

表2 對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 閥碗及連桿失效照片

2#樣機(jī)之所以會出現(xiàn)液擊損壞，其原因主要為：

1）放置時(shí)，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(jī)都存在此種情況。

2）機(jī)組在環(huán)溫-5 ℃、進(jìn)水40 ℃工況下運(yùn)行2 h后待機(jī)，四通閥滑塊此時(shí)是停留在制熱位置的，即停在CS管上面。下次開機(jī)時(shí)，只要壓縮機(jī)啟動，建立壓差達(dá)到四通閥的換向壓差，四通閥就會進(jìn)行換向，而無需等到線圈上電，即四通閥沒有排液時(shí)間——2#樣機(jī)及5#樣機(jī)存在此種情況。

2#樣機(jī)及5#樣機(jī)均達(dá)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(jī)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(jié)論

通過以上分析及對比測試情況，可得出以下結(jié)論：

1）雖然結(jié)構(gòu)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(jī)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(shí)開機(jī)四通閥會馬上換向，由于沒有排液時(shí)間從而造成四通閥發(fā)生液擊的風(fēng)險(xiǎn)較大。

2）中間流量的大小對四通閥的抗液擊能力起著至關(guān)重要的作用，其值必須保證在在滿足液擊條件時(shí)有足夠的泄壓能力，使得在有液體流經(jīng)換向的情況下，液體的沖擊力小于四通閥內(nèi)部元件的承壓極限。如本文中對12 HP定頻風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)所進(jìn)行的計(jì)算，其四通閥滑塊與閥座的間隙值不應(yīng)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(guān)系進(jìn)行了討論，實(shí)際設(shè)計(jì)中，中間流量的大小還應(yīng)考慮到換向性能，確保四通閥不應(yīng)中間流量過大而出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象。