四通換向閥容量測(cè)算方法研究

趙愛(ài)國(guó)，賀宇辰，王頂東，楊弋，林崇衛(wèi)，李維槽

（1-合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031；2-浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨 311835）

四通換向閥容量測(cè)算方法研究

趙愛(ài)國(guó)*1，賀宇辰2，王頂東1，楊弋1，林崇衛(wèi)2，李維槽2

（1-合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031；2-浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨 311835）

電磁四通換向閥的容量是與熱泵型制冷設(shè)備匹配的主要依據(jù)，直接影響制冷量和系統(tǒng)能效比。通過(guò)測(cè)試流經(jīng)四通閥的空氣流量，利用相似原理推算流經(jīng)四通閥的制冷劑流量，并與容量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明流量測(cè)算值與實(shí)驗(yàn)值平均偏差為4.4%，空氣流量法可以快速并較準(zhǔn)確地測(cè)算四通閥的容量。

四通換向閥；制冷劑流量；容量

0 引言

電磁四通閥在熱泵型空調(diào)系統(tǒng)中主要起制冷、制熱模式切換的作用[1-2]，其與系統(tǒng)的匹配直接影響壓縮機(jī)制冷量和系統(tǒng)能效比的發(fā)揮[3]。目前，關(guān)于四通閥的性能研究主要集中在內(nèi)泄漏特性[4-5]、傳熱損失[6-7]以及壓降[8]對(duì)熱泵系統(tǒng)性能的影響。然而，四通閥與系統(tǒng)的匹配也至關(guān)重要，目前主要考察其容量性能，而容量則主要由容量實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得。但是，由于一般容量實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試較為復(fù)雜且范圍有限[9]，且隨熱泵型制冷設(shè)備的大型化和定制化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大型四通閥容量的準(zhǔn)確測(cè)定和系統(tǒng)的最優(yōu)化匹配。同時(shí)為優(yōu)化電磁四通閥的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的快速選型，需要采取能快速測(cè)算四通閥容量的方法。

ARI標(biāo)準(zhǔn)（制冷用電磁閥）[10]中提出，利用水（空氣）密度和壓差的乘積與水（空氣）流量間的關(guān)系，反推得到液態(tài)（氣態(tài)）制冷劑的流量，進(jìn)而通過(guò)制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況下的焓差，推算電磁閥的容量。從流體經(jīng)過(guò)電磁閥時(shí)的狀態(tài)變化角度考慮，由于電磁閥不產(chǎn)生節(jié)流作用，只控制回路的通與斷，與流經(jīng)四通閥的流體狀態(tài)變化相似，因此本文提出了一種快速推算四通閥容量的新方法，主要采用水和空氣測(cè)算DSF4型、DSF9型和DSF11型四通閥的容量，并與容量實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證此方法的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

依據(jù)熱泵型四通閥標(biāo)準(zhǔn)[11]，四通閥的容量主要由低壓側(cè)流經(jīng)低壓側(cè)接管E-S的低壓過(guò)熱制冷劑的流量推算得出，考慮到氣態(tài)物質(zhì)的相似性，本文采用空氣測(cè)量來(lái)推算四通閥的容量。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理圖及照片如圖1所示。

圖1 四通閥流量測(cè)量示意圖及照片

空氣流量測(cè)試臺(tái)各部件測(cè)試精度如下：進(jìn)出口壓差為±0.5%FS；溫度為±0.1 ℃；空氣流量精度為0.5級(jí)。采用不同的實(shí)驗(yàn)臺(tái)分段測(cè)量。由于流量是通過(guò)流量計(jì)直接測(cè)得，且不經(jīng)過(guò)換算，因此各四通閥流量測(cè)定的不確定度可以通過(guò)式(1)計(jì)算得出：

式中：

Δm——儀器的測(cè)試的偏差；

m——四通閥的測(cè)試流量。

DSF9型四通閥空氣流量的測(cè)試相對(duì)不確定度為2.13%。

容量實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)制冷量為1 kW～15 kW（標(biāo)況），采用制冷劑為R410A，低壓側(cè)接管壓差可控在0.005 MPa ～0.035 MPa內(nèi)，流量測(cè)試精度為±0.2%，壓差測(cè)試精度為±0.25%，壓力測(cè)試精度為±0.25%，溫度測(cè)試精度為±0.1 ℃，溫度控制精度為±0.1 ℃。制冷容量計(jì)算方程為：

圖2 容量實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

則容量測(cè)試的相對(duì)不確定度為：

式中：

ω——質(zhì)量流量，kg/S；

h1——蒸發(fā)器入口比焓，kJ/kg；

h2——蒸發(fā)器出口比焓，kJ/kg；

ΔQ——容量誤差，kJ；

Δω——質(zhì)量流量誤差，kg/S；

Δh1——入口比焓誤差，kJ/kg；

Δh2——出口比焓誤差，kJ/kg。

其中h1和h2通過(guò)NIST REFPROP 8.0計(jì)算得出，當(dāng)溫度精度為±0.1 ℃，壓力精度為±0.25%時(shí)，表中R410A比焓的不確定度為0.1 kJ/kg，那么DSF9型四通閥容量的測(cè)試相對(duì)不確定度為0.617%。

1.2 測(cè)試方法

四通閥空氣流量測(cè)試時(shí)，首先安裝在如圖1的裝置上，空氣從E管進(jìn)，S管出；首先將E管的入口壓力調(diào)至72.1×104Pa，同時(shí)維持壓力恒定在±3.43×104Pa，通過(guò)調(diào)節(jié)手動(dòng)閥門(mén)和壓力調(diào)節(jié)閥控制經(jīng)過(guò)四通閥低壓側(cè)接管E-S的壓降，依次增量為0.343×104Pa、0.686×104Pa、1.372×104Pa、3.43×104Pa和6.86×104Pa，記錄每次試驗(yàn)時(shí)的閥前壓力、閥體壓降，控制流量；為規(guī)避磁環(huán)效應(yīng)，再次調(diào)節(jié)壓力降，由6.86×104Pa遞減調(diào)節(jié)至0.343×104Pa，取相同壓降下的讀數(shù)平均值為試驗(yàn)結(jié)果（但同一測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)讀數(shù)之間偏差不超過(guò)3%）。

容量臺(tái)測(cè)試四通閥容量時(shí)，首先將四通閥的低壓側(cè)接管和高壓側(cè)接管接入臺(tái)位中，并對(duì)測(cè)試單元抽真空15 min，之后靜置15 min觀察測(cè)試單元是否有泄漏，確認(rèn)無(wú)泄漏后再打開(kāi)閥門(mén)將四通閥連入系統(tǒng)中，按表1設(shè)定好測(cè)試工況，開(kāi)機(jī)待系統(tǒng)穩(wěn)定后（約2 h），記錄制冷劑在低壓側(cè)接管E-S內(nèi)的流量數(shù)據(jù)，取7 min流量的平均值（每15 s記錄一次），之后設(shè)定低壓側(cè)接管E-S的壓差進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

表1 測(cè)試工況及對(duì)應(yīng)工況下的熱物性參數(shù)

2 數(shù)據(jù)分析

將升壓和降壓過(guò)程中兩次測(cè)得同一壓降下的空氣溫度、流量、壓降分別取平均值，記Ti、ωw、Δpi，并按四通閥入口處的空氣壓力和溫度查詢(xún)對(duì)應(yīng)的密度ρi，三種四通閥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表2。其中Hw為空氣的密度和壓降的乘積如下式所示：

表2 電磁四通閥空氣流量數(shù)據(jù)

對(duì)Hw和ωw進(jìn)行數(shù)據(jù)耦合，發(fā)現(xiàn)Hw和ωw之間滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

式中，a值為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的擬合參數(shù)；A為四通閥的流通面積，m2；表3列出了由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的各四通閥a值以及流通面積A。

表3 實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式擬合參數(shù)

由于空氣和氣態(tài)制冷劑的狀態(tài)相同，均為可壓縮氣體，借鑒制冷用電磁閥容量的推算方法[10]，考察流過(guò)相同流量的氣體Hw相同時(shí)，流量是否也相同，從而驗(yàn)證該方法能否用于測(cè)算電磁四通閥的容量。將表3中的擬合參數(shù)和四通閥容量測(cè)試工況下的入口密度和進(jìn)出口壓差代入式(4)和式(5)，得到結(jié)果與容量臺(tái)實(shí)測(cè)值列于圖3。

圖3 四通閥流量的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖3比較了DSF4型、DSF9型和DSF11型四通閥的容量測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)看出，四通閥流量的計(jì)算值與容量臺(tái)實(shí)驗(yàn)值相近，兩者最大偏差-10.08%，最小偏差1%，平均偏差4.4%，證明此方法適用于電磁四通閥的容量測(cè)算。在工程應(yīng)用中，采用空氣流量法推算容量，可快速確定四通閥的容量，尤其對(duì)于大型定制型四通閥，可快速匹配系統(tǒng)，防止因不匹配引起的系統(tǒng)能效降低。

3 結(jié)論

采用空氣流量測(cè)試法推算四通閥的容量，比較了DSF4型、DSF9型和DSF11型四通閥的容量計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值，發(fā)現(xiàn)空氣流量測(cè)試法可較準(zhǔn)確的推算流過(guò)四通閥的制冷劑流量，為快速測(cè)試四通閥容量和系統(tǒng)定制化匹配提供參考。

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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

*趙愛(ài)國(guó)（1964-），男，高級(jí)工程師，學(xué)士。研究方向：制冷空調(diào)技術(shù)。聯(lián)系地址：合肥市長(zhǎng)江西路888號(hào)。聯(lián)系電話：18055112715。E-mail：ahzag@126.com。