中间流量对四通阀抗液击能力的分析及实验研究

王传华

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

四通阀是热泵机组实现冷媒流向转换的重要零部件，是除压缩机、风机等核心系统元件外的另一动作部件[1]，其可靠性研究是热泵空调机组的一项重要课题。

四通阀液击是指在换向过程中，由于液体流速急剧改变形成巨大冲击力（6 MPa以上）导致四通阀内部元件损坏的现象[2]。其形成的因素（条件及过程）有三个：一是压缩机排气口至四通阀之间或四通阀内部存在大量液体；二是四通阀换向过程大量的液体仍存在于或流经四通阀；三是液体动量改变导致的冲量超过内部元件的破坏极限。这三个因素，只要能杜绝其中任何一个，即可防止液击的发生。目前行业内对于四通阀液击失效，从安装结构及控制方面来预防的研究比较多[3]，这两方面的优化对于液击预防的成效也比较明显，但只能防止液击发生的因素一及因素二，并不能彻底杜绝液击的发生。

在某些特殊情况下，无法避免排气管及四通阀的积液，也无法避免四通阀换向过程中有大量液体存在或流经。此时必须对四通阀中间流量做出正确选型，确保液体流速改变导致的冲击力低于四通阀内部元件的破坏极限。

1 液击的预防措施

1.1 结构设计

为了防止液体集聚在四通阀及排气管路中，应按图1所示进行结构设计[4]：①四通阀竖直安装并高于室内机组或蒸发器；②排气管路高于吸气管路（图1中实线为错误管路设计，虚线为正确管路设计）。这样设计的目的在于，通过四通阀及排气管的高位设计，使得机组在放置的过程中，冷媒尽量少地集聚在四通阀及排气管上，即在一定程度上防止液击条件的形成。

图1 防液击结构设计示意图

1.2 控制设计

即使按照2.1要求进行结构设计，由于冷媒在系统中的迁移特性，液态冷媒在某些情况下（如室外机换热器或冷凝器处于相对高温条件）仍有可能往排气管及四通阀集聚，若此时开机运行制热，四通阀换向瞬间就有可能产生液击。

为了防止此情况下的液击，需设计四通阀延时换向控制，即压缩机开启后，四通阀不能马上换向，而是有一定时间的延迟，等排气管及四通阀上的液态冷媒排走后再进行换向。这种情况是液击条件一已经发生，但可在条件二上进行防止。一般建议的延迟时间见表1。

表1 四通阀延迟换向时间

1.3 中间流量设计

1.2所述的四通阀延迟换向控制，可以预防大部分情况下的液击；但仍有一些特殊情况无法避免。

我们知道，正常情况下，开机制热的过程是，压缩机开启前四通阀滑块位于ES侧——压缩机开启（四通阀线圈处于掉电状态），液态冷媒通过DC排走——延迟一定时间后，液态冷媒排干净，电磁线圈上电——先导阀换向——主阀换向[5]。（四通阀结构如图2所示）

图2 四通阀结构示意图

但是，如果压缩机开启前，四通阀滑块位置处于CS侧，则在压差作用下，压缩机一开启，四通阀就会进行换向。其过程为：压缩机开启前四通阀滑块位于CS侧——压缩机开启（四通阀线圈处于掉电状态），四通阀在压差作用下换向——延迟一定时间后，电磁线圈上电——先导阀换向——主阀不动作。可见，在这种情况下，四通阀在线圈上电前就进行了换向，导致延迟换向的控制没有达到排液的目的，有可能导致液击。

这种情况下，液击条件一及条件二均已发生，只能通过条件三来防止。此时，只能加大中间流量设计，减小液体动量变化导致的冲击力。

2 中间流量介绍

中间流量是指滑块处于图3所示的中间位置时，高压气体从滑块与阀座之间流过的流量，中间流量取决于流通通道的大小，一般在9.8 kpa压差下测得。

图3 四通阀中间流量示意图

设计中间流量的作用在于，在有液体流经换向时起到泄压作用，防止液击破坏[6]。目前行业内对中间流量一般要求要有，但其值的大小要求，鲜有研究。

3 中间流量设计要求

如上所述，液击是由于液体速度突变导致的冲击破坏，若把其简化为单相流体的冲击过程，则此过程中的受力可用动量定理[7]来计算。即，

式中：

F—液击产生的冲击力，单位：N；

t—液体速度变化的时间，单位：s；

M—管道积液的质量，单位：kg；

V2—变化后的流速，单位：m/s；

V1—初始流速，单位：m/s。

式中：

P—四通阀元件的受力压强，单位：Pa；

S—四通阀元件的受力面积，单位：m2。

式中：

Sd—四通阀滑块处于一端时的流通面积，单位：m2；

Sm—四通阀滑块处于中间位置时的流通面积，单位：m2。

综合（1）、（2）、（3）可得，

即，为了防止液击，中间流量设计所要求的滑块与阀座间隙值可由公式（4）求得。

以一个12 HP的定频风冷热泵系统为例，假设：

1）采用名义制冷量为35 kW的四通阀：排气口直径为28 mm，阀体筒体直径25 mm长度200 mm，活塞承压极限为6 MPa，活塞直径20 mm；

2）活塞阀碗为四通阀内部承压最差的元件，则液击破坏压强为6 MPa；

3）发生液击前，四通阀整个筒体内充满液体；

4）整个冲击发生的时间为0.5 s；

5）发生液击时，系统对应的冷凝温度及蒸发温度分别为40 ℃、0 ℃，排气流速为10 m/s。

按照以上假设条件，由公式（4）计算得出，四通阀滑块与阀座间隙应不低于0.74 mm2，此即为该系统对应的中间流量设计要求。

4 实验效果验证

为验证不同中间流量对四通阀抗液击能力的影响，以6台12 HP的定频风冷热泵机组为样机，其中3台机组安装小流量四通阀（滑块与阀座间隙为0.5 mm2，如图4），另外3台安装大流量四通阀（滑块与阀座间隙为0.8 mm2，如图5）。

图4 小流量四通阀（设计间隙0.5 mm2）

图5 大流量四通阀（设计间隙0.8 mm2）

6台样机在同样的工况下进行不同操作测试，结果发现2#样机四通阀出现液击损坏。具体情况见表2。2#样机测试后活塞阀碗及连杆失效照片见图6。

表2 对比实验验证

图6 阀碗及连杆失效照片

2#样机之所以会出现液击损坏，其原因主要为：

1）放置时，由于环境温度周期性升降，冷媒在系统中往温度低的部位迁移，其中有一部分往排气管路迁移——所有6台样机都存在此种情况。

2）机组在环温-5 ℃、进水40 ℃工况下运行2 h后待机，四通阀滑块此时是停留在制热位置的，即停在CS管上面。下次开机时，只要压缩机启动，建立压差达到四通阀的换向压差，四通阀就会进行换向，而无需等到线圈上电，即四通阀没有排液时间——2#样机及5#样机存在此种情况。

2#样机及5#样机均达到液击条件，但只有2#出现损坏而5#完好。其原因正是在于四通阀中间流量的差异。5#样机四通阀滑块间隙为0.8 mm2，大于要求的0.74 mm2，故而能够避免液击失效。

5 结论

通过以上分析及对比测试情况，可得出以下结论：

1）虽然结构及控制上的优化可以减少液击发生的概率，但不能完全杜绝液击的发生。在某些情况下，如开机前四通阀滑块处于制热位置，且四通阀或排气管路中存有一定量的液体，此时开机四通阀会马上换向，由于没有排液时间从而造成四通阀发生液击的风险较大。

2）中间流量的大小对四通阀的抗液击能力起着至关重要的作用，其值必须保证在在满足液击条件时有足够的泄压能力，使得在有液体流经换向的情况下，液体的冲击力小于四通阀内部元件的承压极限。如本文中对12 HP定频风冷热泵系统所进行的计算，其四通阀滑块与阀座的间隙值不应小于0.74 mm2。

3）中间流量除了对抗液击能力有影响外，还对四通阀的换向性能有影响。防止液击要求较大的中间流量，而换向性能要求中间流量不能过大。本文只对中间流量与液击之间的关系进行了讨论，实际设计中，中间流量的大小还应考虑到换向性能，确保四通阀不应中间流量过大而出现窜气现象。