四通换向阀泄漏对热泵性能影响实验

董建锴，姜益强，姚 杨，宋孟杰

(哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所，150090哈尔滨，djkheb@163.com)

热泵型空调器兼有制冷和供热2种功能.四通换向阀是实现上述2种工作方式转换的关键部件.通过四通换向阀的换向可以实现制冷循环流动和逆向的制热循环流动.一般情况下，四通换向阀工作性能比较稳定，是空调器中不易发生故障的部件.但在实际使用过程中，换向不良或串气是最常见的故障.随着变频压缩机和变容量压缩机的普及，换向阀的这一故障越来越突出.故障的出现将会导致空调性能的下降，对机组本身造成一定的影响.

四通换向阀厂家主要以空气为介质来测试换向阀的压降及内部泄漏特性，以此来代替在实际热泵系统中的特性.针对四通换向阀特性研究的文献很少.Young［1］和Goldschmidt等［2-3］在对热泵系统效率损失的研究中首次提出了换向阀对系统性能的损失.Damasccno等［4］对35种不同的换向阀进行制冷剂泄漏实验，实验结果与以空气测试装置进行测试所得的结果进行比较，发现两者有较大的差异，因此认为不能用空气代替制冷剂来进行泄漏测试.同时还分析了四通换向阀对热泵系统性能的影响，比较了不同材料及容量的四通换向阀的压降、传热及泄漏损失特性系数［5］. Krishnan［6］把压缩机和四通换向阀看作一个“混合单元”，精心设计了4个实验步骤，通过大量实验来衡量四通换向阀对系统性能的影响.Marks［7］用制冷剂焓差法测量了热泵系统中换向阀的传热损失，研究了多种材料对四通换向阀传热损失的影响.Hargraves［8］采用一种焓平衡的方法测定了换向阀由高压侧向低压侧的传热损失.Dabiri［9］在热泵稳态仿真中，针对换向阀模型只考虑了压降和换热两个参数，得到系统对换向阀不敏感的结论，但未涉及制冷剂泄漏.在国内，陈颖等［10］通过理论分析和实验研究，分析了造成换向不良的诸多原因，给出了四通换向阀顺利滑动换向的2个条件.宋徐辉等［11］通过实验和模拟发现四通换向阀使家用热泵系统的COP下降了25%左右.李苏［12］对四通换向阀损坏的原因进行了分析并提出了解决方案.薛振明等［13］给出了四通换向阀容量测试过程中，空气测量数据到实际公称容量值的换算关系，得到了满意的结果.商萍君等［14］对正常状态下的四通换向阀进行了实验研究，发现在制冷和制热工况下，四通换向阀造成的系统平均性能损失分别为6.04%和7.59%，平均吸气压降损失分别为5.49%和7.31%，平均排气压力损失分别为0.53%和0.27%.

国内外关于四通换向阀泄露对热泵系统性能特性影响的文章主要集中在四通阀单体部件的测漏实验、数值仿真，以及四通阀泄露原因的分析，并且关于四通阀泄露的研究主要通过数值仿真完成.本文通过对四通换向阀在泄露条件与正常条件下的对比实验研究，得到了泄露和正常条件下的热泵空调机组的不同实验特性参数，为热泵机组四通阀故障监测和机组性能诊断提供了有益的参考.

1 实验原理及实验设计

1.1 四通换向阀工作原理

四通换向阀结构见图1.当它处于通电制热状态时，高压气体通过毛细管8进入活塞腔.由于两端活塞腔的压差，在高压气体的推动下，活塞及主滑阀右移，使C管和S管相通，D管和E管相通，从而完成了制热循环.同理，在四通换向阀处于断电制冷状态时，由于活塞腔两端压差，使活塞及主滑阀左移，使C管和D管相通，S管和E管相通，从而完成制冷循环.

图1 四通换向阀结构示意

1.2 四通换向阀正常工作要素

(1)提供给线圈的电压需在额定范围以内;(2)阀体及阀芯通道、毛细管、密封圈不应变形，以保证滑阀顺畅移动;(3)换向时活塞两端必须保证有足够的压力差以克服滑阀的摩擦阻力;(4)阀体内应清洁以保证不会卡住主滑阀;(5)换向时活塞两端产生压力的介质为气体，不能为液体，这一点对涡旋压缩机组尤为重要.

1.3 实验系统设计

实验系统主要由压缩机、室内机、毛细管、室外机和经检查C管和S管存在一定泄漏量的四通换向阀组成.实验过程中，首先将相同型号完好的四通换向阀进行试验，然后再将存在泄漏的四通换向阀换上，进行对比试验.实验中制冷工质采用R22，压缩机额定输入功率为850 W，室内风机与室外风机额定风量分别为 450 m3/h和3 600 m3/h.实验中布置了压力传感器(量程为3.0 MPa，精度为 ±0.007 5 MPa)、温度传感器(±0.1℃)、湿度传感器(±1.0%RH)和风速传感器(±0.2 m/s).其布置如图2所示.

图2 实验系统原理图及测点布置

为了获得制冷剂完全流动下的温度、压力变化，以及消除管壁厚度对温度测量结果的影响，将压力传感器用毛细管连接在制冷剂管路中，将铂电阻的铂片直接插入焊接到制冷剂管路中的Ø5的铜管中，内灌入氧化银粉末作为导热剂.在系统压力、温度等参数稳定后，开启安捷伦34980A数据采集系统进行实验数据采集.实验过程中，通过控制人工小室的供热量、供冷量以及加湿量，从而保证室外侧换热器环境温度为(5.0±0.5)℃，相对湿度为60%±5%，室内侧换热器所处环境温度为(18.0±0.5)℃，进行多组重复实验.

2 实验数据及分析

2.1 压缩机吸排气压力特性分析

图3所示为相同环境条件下的两组实验过程中压缩机吸排气压力的变化.四通换向阀正常运行时，压缩机的排气压力稳定在1.82 MPa，吸气压力稳定在0.45 MPa.四通换向阀存在泄漏时，压缩机的排气压力只能达到0.85 MPa，吸气压力则低至0.10 MPa，接近大气压.这是因为在制热工况下，四通换向阀泄露导致排气中部分制冷剂直接短路到压缩机的吸气端和室外机的出口端，使进入室内换热器制冷剂流量和压力迅速降低，从而冷凝压力也随之降低;高温蒸汽制冷剂进入室外换热器，导致传热温差变小，产生蒸汽量也变小，同时高压蒸汽制冷剂进入室外机出口端，阻碍了低压制冷剂流向压缩机进口端.从而使得参与循环的制冷剂质量流量较之四通换向阀正常状态时大为减少.因此导致压缩机吸气压力减小，吸气量不足，进而导致排气压力降低.

图3 压缩机吸排气压力

2.2 压缩机吸排气温度特性分析

四通换向阀正常运行时，压缩机的吸排气温度分别稳定在-2.4℃和72.8℃，温度波动较小.四通换向阀存在泄露时，状态1条件下，压缩机的排气温度由初始的 44.8℃逐渐升高到141.2℃，吸气温度则由 18.7℃逐渐升高到38.4℃，最后压缩机保护性停机.状态2条件下，压缩机的排气温度由开机时的22.2℃逐渐升高到105.3℃，吸气温度则由18.0℃逐渐升高到31.4℃.由于室内外模拟温度的变化导致状态1和状态2排气温度不同，但两状态下压缩机的吸排气温度变化趋势相同.具体见图4.压缩机的吸排气温度之所以不断上升，主要是由于部分高温压缩机排气直接短路到压缩机的吸气端，此部分高温制冷剂不断的与室外机出口的制冷剂混合后回到压缩机，导致吸气温度不断上升，同时由于回到压缩机的制冷剂流量不足，经压缩机做功后，排气温度逐渐上升.此过程中，四通阀和压缩机的壁面温度都保持在较高水平.

图4 压缩机吸排气温度

2.3 室内机进出风特性分析

由图5可以看出，四通换向阀正常运行时，室内机进出风温差保持在18.8℃，而四通换向阀存在泄露时，室内机进出风温差则低至0.9℃.向室内散热量仅为正常时的4.8%.这是因为，四通换向阀在泄露状态下，排气压力的降低导致流经室内机的制冷剂质量流量减少，使得制冷剂在室内机的放热能力降低，在室内机风量不变的情况下，室内机进出风温差必然降低.

2.4 压缩机耗功特性分析

由图6可见，四通换向阀正常状态下，压缩机输入功率为844.0 W.四通换向阀泄露状态下，压缩机输入功率为 494.9 W.为正常状态下的58.6%.泄露状态下参与循环的制冷剂质量流量较低，回到压缩机的制冷剂量不足，从而导致压缩机耗功减少.但此时，压缩机壁面温度较高，导致向室外环境散热量较大，造成了能量的浪费.

图5 室内机进出风温差

图6 压缩机功率

3 结语

通过四通换向阀在泄露与正常状态下的热泵系统实验台对比实验研究，获得了四通换向阀泄露对热泵机组性能的影响，得出了四通换向阀泄露时对热泵机组吸排气压力和温度、室内机进出风温差以及压缩机输入功率的影响.由实验结果可知:在此实验四通阀泄露状态下，压缩机的吸排气压力降低，尤其是吸气压力降低到大气压;压缩机的吸排气温度均不断上升，直到压缩机保护性停机;热泵机组向室内的送风温差低至0.9℃，压缩机输入功率为正常状态下的58.6%.此实验数据为四通换向阀的生产检测和热泵机组的故障诊断提供有益的参考.

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