四通换向阀容量测算方法研究

赵爱国，贺宇辰，王顶东，杨弋，林崇卫，李维槽

（1-合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031；2-浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江诸暨 311835）

四通换向阀容量测算方法研究

赵爱国*1，贺宇辰2，王顶东1，杨弋1，林崇卫2，李维槽2

（1-合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031；2-浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江诸暨 311835）

电磁四通换向阀的容量是与热泵型制冷设备匹配的主要依据，直接影响制冷量和系统能效比。通过测试流经四通阀的空气流量，利用相似原理推算流经四通阀的制冷剂流量，并与容量实验数据对比，结果表明流量测算值与实验值平均偏差为4.4%，空气流量法可以快速并较准确地测算四通阀的容量。

四通换向阀；制冷剂流量；容量

0 引言

电磁四通阀在热泵型空调系统中主要起制冷、制热模式切换的作用[1-2]，其与系统的匹配直接影响压缩机制冷量和系统能效比的发挥[3]。目前，关于四通阀的性能研究主要集中在内泄漏特性[4-5]、传热损失[6-7]以及压降[8]对热泵系统性能的影响。然而，四通阀与系统的匹配也至关重要，目前主要考察其容量性能，而容量则主要由容量实验台测得。但是，由于一般容量实验台的测试较为复杂且范围有限[9]，且随热泵型制冷设备的大型化和定制化，无法实现大型四通阀容量的准确测定和系统的最优化匹配。同时为优化电磁四通阀的设计和系统的快速选型，需要采取能快速测算四通阀容量的方法。

ARI标准（制冷用电磁阀）[10]中提出，利用水（空气）密度和压差的乘积与水（空气）流量间的关系，反推得到液态（气态）制冷剂的流量，进而通过制冷系统运行工况下的焓差，推算电磁阀的容量。从流体经过电磁阀时的状态变化角度考虑，由于电磁阀不产生节流作用，只控制回路的通与断，与流经四通阀的流体状态变化相似，因此本文提出了一种快速推算四通阀容量的新方法，主要采用水和空气测算DSF4型、DSF9型和DSF11型四通阀的容量，并与容量实验台的测试数据对比，验证此方法的可行性。

1 实验原理

1.1 实验设备

依据热泵型四通阀标准[11]，四通阀的容量主要由低压侧流经低压侧接管E-S的低压过热制冷剂的流量推算得出，考虑到气态物质的相似性，本文采用空气测量来推算四通阀的容量。实验设备的原理图及照片如图1所示。

图1 四通阀流量测量示意图及照片

空气流量测试台各部件测试精度如下：进出口压差为±0.5%FS；温度为±0.1 ℃；空气流量精度为0.5级。采用不同的实验台分段测量。由于流量是通过流量计直接测得，且不经过换算，因此各四通阀流量测定的不确定度可以通过式(1)计算得出：

式中：

Δm——仪器的测试的偏差；

m——四通阀的测试流量。

DSF9型四通阀空气流量的测试相对不确定度为2.13%。

容量实验台系统如图2所示。系统制冷量为1 kW～15 kW（标况），采用制冷剂为R410A，低压侧接管压差可控在0.005 MPa ～0.035 MPa内，流量测试精度为±0.2%，压差测试精度为±0.25%，压力测试精度为±0.25%，温度测试精度为±0.1 ℃，温度控制精度为±0.1 ℃。制冷容量计算方程为：

图2 容量实验台测试系统示意图

则容量测试的相对不确定度为：

式中：

ω——质量流量，kg/S；

h1——蒸发器入口比焓，kJ/kg；

h2——蒸发器出口比焓，kJ/kg；

ΔQ——容量误差，kJ；

Δω——质量流量误差，kg/S；

Δh1——入口比焓误差，kJ/kg；

Δh2——出口比焓误差，kJ/kg。

其中h1和h2通过NIST REFPROP 8.0计算得出，当温度精度为±0.1 ℃，压力精度为±0.25%时，表中R410A比焓的不确定度为0.1 kJ/kg，那么DSF9型四通阀容量的测试相对不确定度为0.617%。

1.2 测试方法

四通阀空气流量测试时，首先安装在如图1的装置上，空气从E管进，S管出；首先将E管的入口压力调至72.1×104Pa，同时维持压力恒定在±3.43×104Pa，通过调节手动阀门和压力调节阀控制经过四通阀低压侧接管E-S的压降，依次增量为0.343×104Pa、0.686×104Pa、1.372×104Pa、3.43×104Pa和6.86×104Pa，记录每次试验时的阀前压力、阀体压降，控制流量；为规避磁环效应，再次调节压力降，由6.86×104Pa递减调节至0.343×104Pa，取相同压降下的读数平均值为试验结果（但同一测点的两个读数之间偏差不超过3%）。

容量台测试四通阀容量时，首先将四通阀的低压侧接管和高压侧接管接入台位中，并对测试单元抽真空15 min，之后静置15 min观察测试单元是否有泄漏，确认无泄漏后再打开阀门将四通阀连入系统中，按表1设定好测试工况，开机待系统稳定后（约2 h），记录制冷剂在低压侧接管E-S内的流量数据，取7 min流量的平均值（每15 s记录一次），之后设定低压侧接管E-S的压差进行下一组实验。

表1 测试工况及对应工况下的热物性参数

2 数据分析

将升压和降压过程中两次测得同一压降下的空气温度、流量、压降分别取平均值，记Ti、ωw、Δpi，并按四通阀入口处的空气压力和温度查询对应的密度ρi，三种四通阀的实验数据列于表2。其中Hw为空气的密度和压降的乘积如下式所示：

表2 电磁四通阀空气流量数据

对Hw和ωw进行数据耦合，发现Hw和ωw之间满足实验关联式：

式中，a值为根据实验数据得到的拟合参数；A为四通阀的流通面积，m2；表3列出了由实验数据拟合得到的各四通阀a值以及流通面积A。

表3 实验关联式拟合参数

由于空气和气态制冷剂的状态相同，均为可压缩气体，借鉴制冷用电磁阀容量的推算方法[10]，考察流过相同流量的气体Hw相同时，流量是否也相同，从而验证该方法能否用于测算电磁四通阀的容量。将表3中的拟合参数和四通阀容量测试工况下的入口密度和进出口压差代入式(4)和式(5)，得到结果与容量台实测值列于图3。

图3 四通阀流量的计算值与实验值对比

图3比较了DSF4型、DSF9型和DSF11型四通阀的容量测试实验数据和计算数据。从表中数据看出，四通阀流量的计算值与容量台实验值相近，两者最大偏差-10.08%，最小偏差1%，平均偏差4.4%，证明此方法适用于电磁四通阀的容量测算。在工程应用中，采用空气流量法推算容量，可快速确定四通阀的容量，尤其对于大型定制型四通阀，可快速匹配系统，防止因不匹配引起的系统能效降低。

3 结论

采用空气流量测试法推算四通阀的容量，比较了DSF4型、DSF9型和DSF11型四通阀的容量计算值和实验值，发现空气流量测试法可较准确的推算流过四通阀的制冷剂流量，为快速测试四通阀容量和系统定制化匹配提供参考。

参考文献：

[1] 何金瑛. 热泵用四通换向阀结构原理和应用[J]. 制冷技术, 1993, 13(4): 17-20.

[2] 吴献忠. 热泵用四通换向阀的对比试验研究[J]. 制冷技术, 1993, 13(2): 20-22.

[3] 葛宏明. 热泵系统四通换向阀特性研究[D]. 上海: 上海交通大学, 1998.

[4] 董建锴, 姜益强, 姚杨, 等. 四通换向阀泄漏对热泵性能影响试验[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2011, 43(2): 80-83.

[5] 翁文兵, 林宣乐, 吴兆林. 四通换向阀内泄漏分析研究[J]. 上海理工大学学报, 1998, 20(3): 281-285.

[6] 柴婷, 胡海涛, 丁国良. 基于传热损失分析的四通换向阀优化设计[J]. 制冷技术, 2012, 32(1): 33-38.

[7] 柴婷，胡海涛，丁国良. 四通换向阀中采用新型材料的节能效果[J]. 制冷学报, 2012, 33(3): 49-53.

[8] 刘剑, 施光林. SHF-20A型四通换向阀低压侧流道的优化设计[J]. 液压与气动, 2007, 12: 27-29.

[9] 曹霞, 陈芝久. 热泵四通换向阀容量实验台的研制[J].上海交通大学学报, 2002, 36(2): 1484-1487.

[10] ARI standard 760-2001 Solenoid valvess for use with volatile refrigerants[S].

[11] JB/T 7230-1994 热泵用四通电磁换向阀[S].

Investigation on Capacity Measurement Method for Four-way Reversing Valve

ZHAO Ai-guo*1, HE Yu-chen2, WANG Ding-dong1, YANG Yi1, LIN Chong-Wei, LI Wei-cao2
(1-Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230031, China; 2- Zhejiang Dunan Artificial Environmental CO. LTD, Zhuji, Zhejiang 311835, China)

The capacity of electromagnetic four-way reversing valve is the key factor to fit the heat pump type refrigeration equipment, which will influence the refrigerating capacity and energy efficiency ratio (EER) of the system. In this paper, the tested mass flow of air through the four-way valve is used to calculate the flow rate of refrigerant through the four-way valve by using similar principle. Comparing the calculated values with experimental data, the result shows that the average deviation between them is about 4.4%, and the air flow measurement method can calculate the capacity of four-way reversing valve quickly and accurately.

Four-way reversing valve; Refrigerant flow; Capacity

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.205

*赵爱国（1964-），男，高级工程师，学士。研究方向：制冷空调技术。联系地址：合肥市长江西路888号。联系电话：18055112715。E-mail：ahzag@126.com。