风冷冷（热）水机组四通阀应用分析及实验研究

王传华，孙 思，罗伟新，卓明胜，张龙爱

（珠海格力电器股份有限公司，珠海519070）

风冷冷（热）水机组四通阀应用分析及实验研究

王传华，孙 思，罗伟新，卓明胜，张龙爱

（珠海格力电器股份有限公司，珠海519070）

当前环保冷媒R410A风冷冷 （热）水机组逐步大面积用于生产热水，对比此类机组运行条件及系统与普通空调的差异性的变化，研究发现其对四通阀应用存在差异性；本文着重从四通阀材料、结构及控制等方面进行研究并通过实验加以验证，得出在四通阀应用方面的相关结论。

风冷冷 （热）水机组；四通阀；应用分析；实验研究

1 引言

风冷冷 （热）水机组具有夏季制冷、冬季供热，无需安装冷却塔，易于模块化集成使用等特点，自20世纪90年代初进入我国以来，其应用得到了长足的发展。

近年来，随着对生活质量追求的提高，人们对生活热水的需求日益增强；热水发生设备不仅在家用领域开始普及，在商用服务领域的应用也正在快速发展。大型公共建筑对生活热水的需求促使风冷冷 （热）水机组越来越多地用于制取热水，为满足洗浴要求，热水温度一般需达到55℃以上。为达到这个水温，机组运行时，冷凝温度一般达到63℃至68℃。

另外，根据2007年9月召开的《蒙特利尔议定书》第19次缔约方会议决议，发达国家于2020年全部淘汰氢氯氟烃，发展中国家于2030年全部淘汰氢氯氟烃。随着传统制冷剂R22淘汰期限的临近，各大空调企业加快了环保冷媒的研究步伐，其中R410A是目前应用最为成熟的环保冷媒，近年来得到了广泛的应用。根据这两种冷媒的物性差异，在同一冷凝温度下，R410A冷媒的压力更高，一般为R22冷媒的1.6倍左右。

将环保冷媒的R410A风冷冷（热）水机组用于制取生活热水，由于热水温度较高及冷媒物性的原因，系统压力将远远高于传统空调用途的R22工质机组，其元器件的承压、抗压差等能力也将受到更严峻的考验，而四通阀作为系统中的运动部件，在所有元器件中，其故障率较高。本文从四通阀材料、结构及其控制等方面进行研究，以期提供一些提高其可靠性的思路。

为方便表述，以下R410A工质热水用途风冷冷（热）水机组简称R410A热水机，传统R22工质空调用途风冷冷 （热水）机组简称普通机组。

2 R410A热水机与普通机组运行条件对比分析

如前所述，热水温度较高、冷媒物性差异这两个因素导致R410A热水机压力比普通机组高很多。为方便对比，分别在名义工况、极限高压工况、极限压差工况下对比这两种机组的压力情况 （工况对比见表1、压力对比见图1、图2）。

表1 R410A热水机与普通机组工况对比表（一般设计值）Table 1 Comparison on working conditions between R410A water heater and common water heater（empirical value）

图1 冷凝压力对比Figure 1 condensing pressure comparison

图2 压差对比Figure 2 pressure difference comparison

从以上对比可以看出，R410A热水机的运行压力及压差要远远高于普通机组，分别达到4.45MPa及3.70MPa（表压）。

3 R410A热水机四通阀应用分析

3.1 四通阀应用现状

目前各大厂家生产的四通阀，最大工作压力一般不超过4.18MPa，最大换向压差不超过3.15MPa。这种四通阀用在普通机组上没有问题，但用在R410A热水机上则可靠性很难保证。

为验证目前四通阀应用的可靠性，采用一台名义制冷量为80kW的R410A热水机，按照表1所示的名义工况、极限高压工况、极限压差工况分别测试72h，结果极限压差工况测试到第21h时出现四通阀卡死现象。对卡死四通阀进行解剖，见图3、图4。

从图中看出，四通阀滑块变形、活塞冲翻，这两点均为高压破坏。

图3 滑块失效图Figure 3 the slider failure

3.2 四通阀改进设计

3.2.1 材料改进

四通阀结构简图见图5，主阀主要由筒体、滑块及活塞组件组成，其承压、抗压差能力见表2。

图4 活塞失效图Figure 4 the piston failure

图5 四通阀结构简图Figure 5 4-way valve structure

从表2可以看出，四通阀元件中，滑块材料是最为薄弱的环节。

表2 四通阀材料承压、抗压差能力table 2 Pressure bearing and pressure difference resistance of 4-way valve

表3 PPS与PTFE材料性能对比表table 3 Performance comparison between PPS and PTFE materials

从表3可以看出，PPS材料的耐温性能、耐压性能及机械强度均优于PTFE及尼龙，且PTFE具有 “冷流性”，在长时间连续载荷作用下会发生蠕变。为加强四通阀的承压及抗压差能力，需对滑块材料进行改进，目前较理想的替代材料为PPS（PTFE、尼龙及PPS的材料性能对比见表3）。

3.2.2 结构改进

液击是四通阀较为常见的失效形式，R410A热水机由于其运行压差大，液击问题表现得更明显，且危害更大。抗液击能力一方面取决于四通阀本身的强度，另一方面取决于中间流量的大小。

目前四通阀设计兼顾变频系统及定频系统两个方面，中间流量设计较小，导致抗液击能力较差。实际上，变频系统由于低频启动问题，需要较小的中间流量来保证四通阀正常换向；但定频系统为满载启动，保证正常换向所需要的中间流量可以大很多。

对于定频系统，为加强四通阀抗液击能力，需要注意适当提高其中间流量。表4为笔者推荐的四通阀中间流量与压缩机匹数对应关系经验值。

表4 四通阀中间流量与压缩机匹数对应关系table 4 Relationship between 4-way valve flow and compressor capacity（HP）

3.2.3 控制改进

如前所述，R410A热水机运行时的最大压差已经超出四通阀的抗压差能力或接近其抗压差极限，对四通阀的可靠性带来了很大风险。为提高四通阀可靠性，可以对四通阀的换向控制进行改进，由原来的定时换向改为根据压差换向。其基本思路见图6至图13。

图6 开机控制 （改进前）Figure 6 start-up control（before the improvement）

图7 开机控制 （改进后）Figure 7 start-up control（after the improvement）

3.3 改进效果验证

为验证上述三个方面的改进效果，采用一台名义制冷量为80kW的R410A热水机，安装改进之后的四通阀并采用改进后的控制进行测试。测试方法：按照表1所示的名义工况、极限高压工况、极限压差工况，以各运行2h为一个循环，一共循环200次（每个循环内的压力变化见图14）。测试完成后对四通阀进行解剖，各部件完好，见图15、图16。

从测试及解剖情况可以看出，改进后，经过长时间的极端恶劣工况测试，四通阀完好无损，可靠性较高。

图8 关机控制 （改进前）Figure 8 power-off control（before the improvement）

图9 关机控制 （改进后）Figure 9 power-off control（after the improvement）

图10 进入化霜控制（改进前）Figure 10 enter the defrosting control（before the improvement）

图11 进入化霜控制（改进后）Figure 11 enter the defrosting control（after themprovement）

图12 退出化霜控制（改进前）Figure 12 exit the defrosting control（before the improvement）

4 结论

通过以上分析、验证，可以得出以下结论：

1）R410A工质热水用途风冷冷（热）水机组相对于传统的R22工质空调用途机组，其运行条件发生了很大变化，主要表现为压力升高、压差变大；

2）R410A工质热水用途风冷冷（热）水机组四通阀滑块材料不宜采用PTFE、尼龙，可以采用承压能力更好的PPS；为提高抗液击能力，定频系统四通阀应适当加大中间流量；由于该机组在某些工况下运行时压差过大，应对四通阀的换向控制进行改进，由定时换向改为根据压差换向；

图13 退出化霜控制（改进后）Figure 13 exit the defrosting control（before the improvement）

图14 单个循环内压力变化Figure 14 the pressure change of a single loop

图15 滑块Figure 15 slider

图16 活塞Figure 16 piston

3）R410A工质风冷冷（热）水机组越来越多地用于热水用途，但很多元器件并未做相应改进，还是按照原来的压力及压差条件进行设计，可靠性风险大。本文仅对四通阀进行了研究分析，电子膨胀阀、电磁阀、单向阀等其他元器件也应根据机组运行条件的变化做相应的改进，以适应机组的发展趋势。

［1］张龙爱，陈忠杰，王传华.空气源热泵冷 （热）水机组用干式壳管换热器防冻性能研究 ［J］.制冷与空调，2012，（5）：28-31.

［2］马最良，姚杨，姜益强，等.热泵技术应用理论基础与实践［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009

［3］陈东，谢继红.热泵热水装置 ［M］.北京：化学工业出版社，2009

［4］吴业正，韩宝琦.制冷原理及设备 （第二版）［M］.西安：西安交通大学出版社，1997

Experimental Study and App lication Analysis on the Four-way Valve of the Air-cooled Heat Pum ps

WANG Chuanghua，SUN Si，LUOWeisheng，ZHUO Mingsheng，ZHANG Longai
（Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai5190707）

Recently the air-cooled chiller（heat pump）which uses R410A as refrigerant has been widely applied for production of hotwater.Compared operational conditions and systematic differences of this kind of units，this paper figures out there aremuch application diversities for the four-way valve.Then，this papermakes large studies on the material，structure and control of the four-way valves and proves this conclusion through experimental tests.In the end，this paper summarizes some conclusions on application of the four-way valve.

Air-cooled chiller（heat pump）；Four-way valve；Application analysis；Experimental study

TH137.52+3［文献标示码］A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.002

ISSN1005-9180（2015）03-007-06

2015-2-28；

2015-4-5

王传华（1987-），男，工程师，研究方向：空气源热泵机组研究。Email：wangchuanhua885@163.com