董建鍇，姜益強，姚 楊，宋孟杰

(哈爾濱工業(yè)大學熱泵空調(diào)技術研究所，150090哈爾濱，djkheb@163.com)

熱泵型空調(diào)器兼有制冷和供熱2種功能.四通換向閥是實現(xiàn)上述2種工作方式轉(zhuǎn)換的關鍵部件.通過四通換向閥的換向可以實現(xiàn)制冷循環(huán)流動和逆向的制熱循環(huán)流動.一般情況下，四通換向閥工作性能比較穩(wěn)定，是空調(diào)器中不易發(fā)生故障的部件.但在實際使用過程中，換向不良或串氣是最常見的故障.隨著變頻壓縮機和變?nèi)萘繅嚎s機的普及，換向閥的這一故障越來越突出.故障的出現(xiàn)將會導致空調(diào)性能的下降，對機組本身造成一定的影響.

四通換向閥廠家主要以空氣為介質(zhì)來測試換向閥的壓降及內(nèi)部泄漏特性，以此來代替在實際熱泵系統(tǒng)中的特性.針對四通換向閥特性研究的文獻很少.Young［1］和Goldschmidt等［2-3］在對熱泵系統(tǒng)效率損失的研究中首次提出了換向閥對系統(tǒng)性能的損失.Damasccno等［4］對35種不同的換向閥進行制冷劑泄漏實驗，實驗結(jié)果與以空氣測試裝置進行測試所得的結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者有較大的差異，因此認為不能用空氣代替制冷劑來進行泄漏測試.同時還分析了四通換向閥對熱泵系統(tǒng)性能的影響，比較了不同材料及容量的四通換向閥的壓降、傳熱及泄漏損失特性系數(shù)［5］. Krishnan［6］把壓縮機和四通換向閥看作一個“混合單元”，精心設計了4個實驗步驟，通過大量實驗來衡量四通換向閥對系統(tǒng)性能的影響.Marks［7］用制冷劑焓差法測量了熱泵系統(tǒng)中換向閥的傳熱損失，研究了多種材料對四通換向閥傳熱損失的影響.Hargraves［8］采用一種焓平衡的方法測定了換向閥由高壓側(cè)向低壓側(cè)的傳熱損失.Dabiri［9］在熱泵穩(wěn)態(tài)仿真中，針對換向閥模型只考慮了壓降和換熱兩個參數(shù)，得到系統(tǒng)對換向閥不敏感的結(jié)論，但未涉及制冷劑泄漏.在國內(nèi)，陳穎等［10］通過理論分析和實驗研究，分析了造成換向不良的諸多原因，給出了四通換向閥順利滑動換向的2個條件.宋徐輝等［11］通過實驗和模擬發(fā)現(xiàn)四通換向閥使家用熱泵系統(tǒng)的COP下降了25%左右.李蘇［12］對四通換向閥損壞的原因進行了分析并提出了解決方案.薛振明等［13］給出了四通換向閥容量測試過程中，空氣測量數(shù)據(jù)到實際公稱容量值的換算關系，得到了滿意的結(jié)果.商萍君等［14］對正常狀態(tài)下的四通換向閥進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)在制冷和制熱工況下，四通換向閥造成的系統(tǒng)平均性能損失分別為6.04%和7.59%，平均吸氣壓降損失分別為5.49%和7.31%，平均排氣壓力損失分別為0.53%和0.27%.

國內(nèi)外關于四通換向閥泄露對熱泵系統(tǒng)性能特性影響的文章主要集中在四通閥單體部件的測漏實驗、數(shù)值仿真，以及四通閥泄露原因的分析，并且關于四通閥泄露的研究主要通過數(shù)值仿真完成.本文通過對四通換向閥在泄露條件與正常條件下的對比實驗研究，得到了泄露和正常條件下的熱泵空調(diào)機組的不同實驗特性參數(shù)，為熱泵機組四通閥故障監(jiān)測和機組性能診斷提供了有益的參考.

1 實驗原理及實驗設計

1.1 四通換向閥工作原理

四通換向閥結(jié)構(gòu)見圖1.當它處于通電制熱狀態(tài)時，高壓氣體通過毛細管8進入活塞腔.由于兩端活塞腔的壓差，在高壓氣體的推動下，活塞及主滑閥右移，使C管和S管相通，D管和E管相通，從而完成了制熱循環(huán).同理，在四通換向閥處于斷電制冷狀態(tài)時，由于活塞腔兩端壓差，使活塞及主滑閥左移，使C管和D管相通，S管和E管相通，從而完成制冷循環(huán).

圖1 四通換向閥結(jié)構(gòu)示意

1.2 四通換向閥正常工作要素

(1)提供給線圈的電壓需在額定范圍以內(nèi);(2)閥體及閥芯通道、毛細管、密封圈不應變形，以保證滑閥順暢移動;(3)換向時活塞兩端必須保證有足夠的壓力差以克服滑閥的摩擦阻力;(4)閥體內(nèi)應清潔以保證不會卡住主滑閥;(5)換向時活塞兩端產(chǎn)生壓力的介質(zhì)為氣體，不能為液體，這一點對渦旋壓縮機組尤為重要.

1.3 實驗系統(tǒng)設計

實驗系統(tǒng)主要由壓縮機、室內(nèi)機、毛細管、室外機和經(jīng)檢查C管和S管存在一定泄漏量的四通換向閥組成.實驗過程中，首先將相同型號完好的四通換向閥進行試驗，然后再將存在泄漏的四通換向閥換上，進行對比試驗.實驗中制冷工質(zhì)采用R22，壓縮機額定輸入功率為850 W，室內(nèi)風機與室外風機額定風量分別為 450 m3/h和3 600 m3/h.實驗中布置了壓力傳感器(量程為3.0 MPa，精度為 ±0.007 5 MPa)、溫度傳感器(±0.1℃)、濕度傳感器(±1.0%RH)和風速傳感器(±0.2 m/s).其布置如圖2所示.

圖2 實驗系統(tǒng)原理圖及測點布置

為了獲得制冷劑完全流動下的溫度、壓力變化，以及消除管壁厚度對溫度測量結(jié)果的影響，將壓力傳感器用毛細管連接在制冷劑管路中，將鉑電阻的鉑片直接插入焊接到制冷劑管路中的?5的銅管中，內(nèi)灌入氧化銀粉末作為導熱劑.在系統(tǒng)壓力、溫度等參數(shù)穩(wěn)定后，開啟安捷倫34980A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實驗數(shù)據(jù)采集.實驗過程中，通過控制人工小室的供熱量、供冷量以及加濕量，從而保證室外側(cè)換熱器環(huán)境溫度為(5.0±0.5)℃，相對濕度為60%±5%，室內(nèi)側(cè)換熱器所處環(huán)境溫度為(18.0±0.5)℃，進行多組重復實驗.

2 實驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 壓縮機吸排氣壓力特性分析

圖3所示為相同環(huán)境條件下的兩組實驗過程中壓縮機吸排氣壓力的變化.四通換向閥正常運行時，壓縮機的排氣壓力穩(wěn)定在1.82 MPa，吸氣壓力穩(wěn)定在0.45 MPa.四通換向閥存在泄漏時，壓縮機的排氣壓力只能達到0.85 MPa，吸氣壓力則低至0.10 MPa，接近大氣壓.這是因為在制熱工況下，四通換向閥泄露導致排氣中部分制冷劑直接短路到壓縮機的吸氣端和室外機的出口端，使進入室內(nèi)換熱器制冷劑流量和壓力迅速降低，從而冷凝壓力也隨之降低;高溫蒸汽制冷劑進入室外換熱器，導致傳熱溫差變小，產(chǎn)生蒸汽量也變小，同時高壓蒸汽制冷劑進入室外機出口端，阻礙了低壓制冷劑流向壓縮機進口端.從而使得參與循環(huán)的制冷劑質(zhì)量流量較之四通換向閥正常狀態(tài)時大為減少.因此導致壓縮機吸氣壓力減小，吸氣量不足，進而導致排氣壓力降低.

圖3 壓縮機吸排氣壓力

2.2 壓縮機吸排氣溫度特性分析

四通換向閥正常運行時，壓縮機的吸排氣溫度分別穩(wěn)定在-2.4℃和72.8℃，溫度波動較小.四通換向閥存在泄露時，狀態(tài)1條件下，壓縮機的排氣溫度由初始的 44.8℃逐漸升高到141.2℃，吸氣溫度則由 18.7℃逐漸升高到38.4℃，最后壓縮機保護性停機.狀態(tài)2條件下，壓縮機的排氣溫度由開機時的22.2℃逐漸升高到105.3℃，吸氣溫度則由18.0℃逐漸升高到31.4℃.由于室內(nèi)外模擬溫度的變化導致狀態(tài)1和狀態(tài)2排氣溫度不同，但兩狀態(tài)下壓縮機的吸排氣溫度變化趨勢相同.具體見圖4.壓縮機的吸排氣溫度之所以不斷上升，主要是由于部分高溫壓縮機排氣直接短路到壓縮機的吸氣端，此部分高溫制冷劑不斷的與室外機出口的制冷劑混合后回到壓縮機，導致吸氣溫度不斷上升，同時由于回到壓縮機的制冷劑流量不足，經(jīng)壓縮機做功后，排氣溫度逐漸上升.此過程中，四通閥和壓縮機的壁面溫度都保持在較高水平.

圖4 壓縮機吸排氣溫度

2.3 室內(nèi)機進出風特性分析

由圖5可以看出，四通換向閥正常運行時，室內(nèi)機進出風溫差保持在18.8℃，而四通換向閥存在泄露時，室內(nèi)機進出風溫差則低至0.9℃.向室內(nèi)散熱量僅為正常時的4.8%.這是因為，四通換向閥在泄露狀態(tài)下，排氣壓力的降低導致流經(jīng)室內(nèi)機的制冷劑質(zhì)量流量減少，使得制冷劑在室內(nèi)機的放熱能力降低，在室內(nèi)機風量不變的情況下，室內(nèi)機進出風溫差必然降低.

2.4 壓縮機耗功特性分析

由圖6可見，四通換向閥正常狀態(tài)下，壓縮機輸入功率為844.0 W.四通換向閥泄露狀態(tài)下，壓縮機輸入功率為 494.9 W.為正常狀態(tài)下的58.6%.泄露狀態(tài)下參與循環(huán)的制冷劑質(zhì)量流量較低，回到壓縮機的制冷劑量不足，從而導致壓縮機耗功減少.但此時，壓縮機壁面溫度較高，導致向室外環(huán)境散熱量較大，造成了能量的浪費.

圖5 室內(nèi)機進出風溫差

圖6 壓縮機功率

3 結(jié)語

通過四通換向閥在泄露與正常狀態(tài)下的熱泵系統(tǒng)實驗臺對比實驗研究，獲得了四通換向閥泄露對熱泵機組性能的影響，得出了四通換向閥泄露時對熱泵機組吸排氣壓力和溫度、室內(nèi)機進出風溫差以及壓縮機輸入功率的影響.由實驗結(jié)果可知:在此實驗四通閥泄露狀態(tài)下，壓縮機的吸排氣壓力降低，尤其是吸氣壓力降低到大氣壓;壓縮機的吸排氣溫度均不斷上升，直到壓縮機保護性停機;熱泵機組向室內(nèi)的送風溫差低至0.9℃，壓縮機輸入功率為正常狀態(tài)下的58.6%.此實驗數(shù)據(jù)為四通換向閥的生產(chǎn)檢測和熱泵機組的故障診斷提供有益的參考.

［1］YOUNG D J.Development of a northern climate residential air-source heat pump［J］.ASHRAE Transaction，1980，86:65-70.

［2］GOLDSCHMIDT V W，NGUYEN H，SCHARD R R R，et al.Reverse valve leakage rates and impacts in system performance［C］//Proceedings of the 6th Heat Pump Technology Conference.Oklahoma:Oklahoma State U-niversity，1982:1-8.

［3］GOLDSCHMIDT V W，SCHARF R R R，WHITE L. Measurement of refrigerant leakage in reversing valves［J］.ASHRAE Transaction，1984，90:36-41.

［4］DAMASCENO G，LEE W，WHITE L，et al.Heat transfer pressure drop and leakage in reversing valves characterizing parameters［J］.ASHRAE Transaction，1986，92:61-70.

［5］DAMASCENO G D S，LEE W N T，ROOKE S P，et al. Performance of heat pump reversing valves and comparison through characterizing parameters［J］.ASHRAE Transaction，1988，94:50-56.

［6］KRISHNAN R R.Evaluating reversing valve performance in heat pump systems［J］.ASHRAE Transaction，1986，92:76-81.

［7］MARKS R T.The effect of different materials on heat transfer of reversing valves［J］.ASHRAE Transaction，1986，92:81-87.

［8］HARGRAVES D P.A refrigerant enthalpy method for measuring reversing valve heat transfer［J］.ASHRAE Transaction，1986，92:96-101.

［9］DABIRI A E.A steady-state computer simulation model for air-to-air heat pumps［J］.ASHRAE Transaction，1982，88:102-108.

［10］陳穎，鄧先和，丁小江，等.空調(diào)用四通換向閥的工作特性和換向性能分析［J］.制冷，2002，80(21):56 -59.

［11］宋徐輝，葛宏明，陳芝，等.四通換向閥對家用熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響［J］.上海交通大學學報，1998，32(4):14-17.

［12］李蘇.熱泵空調(diào)四通換向閥損壞分析及設計改進［J］.制冷與空調(diào)，2005，5:89-90.

［13］薛振明，丁國良，陳芝久.熱泵型空調(diào)器四通換向閥容量的測定及換算［J］.上海交通大學學報，2000，34(9):1179-1181.

［14］商萍君，董玉軍，袁秀玲.四通換向閥的實驗研究［J］.制冷空調(diào)與電力機械，2006，2:7-10.