四通換向閥泄漏對熱泵性能影響實(shí)驗(yàn)

董建鍇，姜益強(qiáng)，姚 楊，宋孟杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱泵空調(diào)技術(shù)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(shí)現(xiàn)上述2種工作方式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件.通過四通換向閥的換向可以實(shí)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(shí)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(jī)和變?nèi)萘繅嚎s機(jī)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(dǎo)致空調(diào)性能的下降，對機(jī)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(shí)際熱泵系統(tǒng)中的特性.針對四通換向閥特性研究的文獻(xiàn)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(jìn)行制冷劑泄漏實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以空氣測試裝置進(jìn)行測試所得的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者有較大的差異，因此認(rèn)為不能用空氣代替制冷劑來進(jìn)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(jī)和四通換向閥看作一個“混合單元”，精心設(shè)計(jì)了4個實(shí)驗(yàn)步驟，通過大量實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)際公稱容量值的換算關(guān)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(guān)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(shí)驗(yàn)、數(shù)值仿真，以及四通閥泄露原因的分析，并且關(guān)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(shí)驗(yàn)研究，得到了泄露和正常條件下的熱泵空調(diào)機(jī)組的不同實(shí)驗(yàn)特性參數(shù)，為熱泵機(jī)組四通閥故障監(jiān)測和機(jī)組性能診斷提供了有益的參考.

1 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 四通換向閥工作原理

四通換向閥結(jié)構(gòu)見圖1.當(dāng)它處于通電制熱狀態(tài)時，高壓氣體通過毛細(xì)管8進(jìn)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(xì)管、密封圈不應(yīng)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(yīng)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(diǎn)對渦旋壓縮機(jī)組尤為重要.

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)、毛細(xì)管、室外機(jī)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(shí)驗(yàn)過程中，首先將相同型號完好的四通換向閥進(jìn)行試驗(yàn)，然后再將存在泄漏的四通換向閥換上，進(jìn)行對比試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中制冷工質(zhì)采用R22，壓縮機(jī)額定輸入功率為850 W，室內(nèi)風(fēng)機(jī)與室外風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量分別為 450 m3/h和3 600 m3/h.實(shí)驗(yàn)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(fēng)速傳感器(±0.2 m/s).其布置如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖及測點(diǎn)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(xì)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(dǎo)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集.實(shí)驗(yàn)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(jìn)行多組重復(fù)實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 壓縮機(jī)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(shí)驗(yàn)過程中壓縮機(jī)吸排氣壓力的變化.四通換向閥正常運(yùn)行時，壓縮機(jī)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(jī)的排氣壓力只能達(dá)到0.85 MPa，吸氣壓力則低至0.10 MPa，接近大氣壓.這是因?yàn)樵谥茻峁r下，四通換向閥泄露導(dǎo)致排氣中部分制冷劑直接短路到壓縮機(jī)的吸氣端和室外機(jī)的出口端，使進(jìn)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(jìn)入室外換熱器，導(dǎo)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(jìn)入室外機(jī)出口端，阻礙了低壓制冷劑流向壓縮機(jī)進(jìn)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(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣壓力減小，吸氣量不足，進(jìn)而導(dǎo)致排氣壓力降低.

圖3 壓縮機(jī)吸排氣壓力

2.2 壓縮機(jī)吸排氣溫度特性分析

四通換向閥正常運(yùn)行時，壓縮機(jī)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(jī)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(jī)保護(hù)性停機(jī).狀態(tài)2條件下，壓縮機(jī)的排氣溫度由開機(jī)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(dǎo)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(jī)的吸排氣溫度變化趨勢相同.具體見圖4.壓縮機(jī)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(jī)排氣直接短路到壓縮機(jī)的吸氣端，此部分高溫制冷劑不斷的與室外機(jī)出口的制冷劑混合后回到壓縮機(jī)，導(dǎo)致吸氣溫度不斷上升，同時由于回到壓縮機(jī)的制冷劑流量不足，經(jīng)壓縮機(jī)做功后，排氣溫度逐漸上升.此過程中，四通閥和壓縮機(jī)的壁面溫度都保持在較高水平.

圖4 壓縮機(jī)吸排氣溫度

2.3 室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)特性分析

由圖5可以看出，四通換向閥正常運(yùn)行時，室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差保持在18.8℃，而四通換向閥存在泄露時，室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)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?yàn)?，四通換向閥在泄露狀態(tài)下，排氣壓力的降低導(dǎo)致流經(jīng)室內(nèi)機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量減少，使得制冷劑在室內(nèi)機(jī)的放熱能力降低，在室內(nèi)機(jī)風(fēng)量不變的情況下，室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差必然降低.

2.4 壓縮機(jī)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(jī)輸入功率為844.0 W.四通換向閥泄露狀態(tài)下，壓縮機(jī)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(jī)的制冷劑量不足，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功減少.但此時，壓縮機(jī)壁面溫度較高，導(dǎo)致向室外環(huán)境散熱量較大，造成了能量的浪費(fèi).

圖5 室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差

圖6 壓縮機(jī)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(shí)驗(yàn)臺對比實(shí)驗(yàn)研究，獲得了四通換向閥泄露對熱泵機(jī)組性能的影響，得出了四通換向閥泄露時對熱泵機(jī)組吸排氣壓力和溫度、室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差以及壓縮機(jī)輸入功率的影響.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:在此實(shí)驗(yàn)四通閥泄露狀態(tài)下，壓縮機(jī)的吸排氣壓力降低，尤其是吸氣壓力降低到大氣壓;壓縮機(jī)的吸排氣溫度均不斷上升，直到壓縮機(jī)保護(hù)性停機(jī);熱泵機(jī)組向室內(nèi)的送風(fēng)溫差低至0.9℃，壓縮機(jī)輸入功率為正常狀態(tài)下的58.6%.此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為四通換向閥的生產(chǎn)檢測和熱泵機(jī)組的故障診斷提供有益的參考.

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