52. Четырехходовой соленоидный клапан обращения цикла

Опубликовано: 26.08.2018

Во время нефтяного кризиса 1973-го года резко возрос спрос на установку большого числа тепловых насосов. Большинство тепловых насосов оборудованы четырехходовым соленоидным вентилем обращения цикла, используемым либо для перевода насоса на летний режим (охлаждение), либо для охлаждения наружной батареи в зимнем режиме (подогрев).

Предметом настоящего раздела является изучение работы четырехходового соленоидного клапана обращения цикла (V4V), устанавливаемого на большинстве классических тепловых насосов типа "воздух-воздух", а также систем оттайки с помощью обращения цикла (см. рис. 60.14), с целью эффективного управления направлениями движения потоков.

А) Работа V4V

Изучим схему (см. рис. 52.1) одного из таких клапанов, состоящего из большого четырехходового главного клапана и малого трехходового управляющего клапана, смонтированного на корпусе главного клапана. В данный момент нас интересует главный четыреххо-довой клапан.

Вначале отметим, что из четырех штуцеров главного клапана три находятся рядом друг с другом (причем всасывающая магистраль компрессора всегда соединяется со средним из этих трех штуцеров), а четвертый штуцер находится с другой стороны клапана (к нему подсоединяется нагнетающая магистраль компрессора).

Заметим также, что в некоторых моделях V4V штуцер всасывания может быть смещен относительно центра клапана.

'Т\ Однако нагнетающая (поз. 1) и всасы-\3J вающая (поз. 2) магистрали компресора ВСЕГДА подключаются так, как указано на схеме рис

Внутри главного клапана сообщение между различными каналами обеспечивается с помощью подвижного золотника (поз. 3), скользящего вместе с двумя поршнями (поз. 4). В каждом поршне просверлено небольшое отверстие (поз. 5) и, кроме того, каждый поршень снабжен иглой (поз. 6).

Наконец, в корпус главного клапана врезаны 3 капилляра (поз. 7) в местах, показанных на рис. 52.1, которые соединены с управляющим электроклапан

ности, если не изучить в совершенстве принцип работы клапана.

Каждый представленный нами элемент при работе V4V играет свою роль. То есть, если хотя бы один из этих элементов выйдет из строя, он может оказаться причиной очень трудно обнаруживаемой неисправ-

Рассмотрим теперь, как работает главный клапан...

Если V4V не смонтирован на установке, при подаче напряжения на электроклапан вы будете ожидать отчетливого щелчка, но золотник не сдвинется. Действительно, чтобы золотник внутри главного клапана сдвинулся, абсолютно необходимо обеспечить в нем разность давлений. Почему так, мы сейчас увидим.

Нагнетающая Рнаг и всасывающая Рвсас магистрали компресора всегда подключены к главному клапану так, как показано на схеме {рис. 52.2). В данный момент мы смоделируем работу трехходового управляющего электроклапана с помощью двух ручных вентилей: одного закрытого (поз. 5), а другого открытого (поз. 6). В центре главного клапана Рнаг развивает усилия, действующие на оба поршня одинаково: одно толкает золотник влево (поз. 1), другое вправо (поз. 2), в результате чего оба этих усилия взаимно уравновешиваются. Напомним, что в обоих поршнях просверлены маленькие отверстия.

Следовательно Рнаг может проходить через отверстие в левом поршне, и в полости (поз. 3) позади левого поршня также установится Рнаг, которое толкает золотник вправо. Конечно, одновременно Рнаг проникает и через отверстие в правом поршне в полость позади него (поз. 4). Однако, поскольку вентиль 6 открыт, а диаметр капилляра, соединяющего полость (поз. 4) со всасывающей магистралью гораздо больше диаметра отверстия в поршне, молекулы газа, прошедшие через отверстие, мгновенно будут всосаны во всасывающую магистраль. Поэтому давление в полости позади правого поршня (поз. 4) будет равно давлению Рвсас во всасывающей магистрали.

Таким образом, более мощная сила, обусловленная действием Рнаг, будет направлена слева направо и заставит золотник переместиться вправо, сообщая негне-тающую магистраль с левым штуцером (поз. 7), а всасывающую магистраль с правым штуцером (поз. 8).

Если теперь Рнаг направить в полость позади правого поршня (закрыть вентиль 6), а Рвсас в полость позади левого поршня (открыть вентиль 5), то преобладающее усилие будет направлено справа налево и золотник переместится влево (см. рис. 52.3).

При этом он сообщает нагнетающую магистраль с правым штуцером (поз. 8), а всасывающую магистраль с левым штуцером (поз. 7), то есть в точности наоборот по сравнению с предыдущим вариантом.

Конечно, использование двух ручных вентилей для обратимости рабочего цикла предусматривать нельзя. Поэтому сейчас мы приступим к изучению трехходового управляющего электроклапана, наиболее подходящего для автоматизации процесса обращения цикла.

Мы видели, что перемещение золотника возможно только в том случае, если существует разность между значениями Рнаг и Рвсас- Управляющий трехходовой электроклапан предназначен только для того, чтобы стравить давление либо из одной, либо из другой полости подачи поршней главного клапана. Поэтому управляющий электроклапан будет иметь очень небольшие размеры и остается неизменным для любых диаметров главного клапана.

Центральный вход этого клапана является общим выходом и соединяется с полостью всасывания {см. рис. 52.4).

Если напряжение на обмотку не подано, правый вход закрыт, а левый сообщен с полостью всасывания. И напротив, когда на обмотку подается напряжение, правый вход сообщен с полостью всасывания, а левый закрыт.

Изучим теперь простейший холодильный контур, оборудованный четырехходовым клапаном V4V (см. рис. 52.5).

Обмотка электромагнита управляющего электроклапана не запитана и его левый вход сообщает полость главного клапана, позади левого поршня золотника, с магистралью всасывания (напомним, что диаметр отверстия в поршне гораздо меньше диаметра капилляра, соединяющего магистраль всасывания с главным клапаном). Поэтому, в полости главного клапана, слева от левого поршня золотника, устанавливается Рвсас.

Поскольку справа от золотника при этом устанавливается Рнаг, под действием разности давлений золотник резко перемещается внутри главного клапана влево.

Достигнув левого упора, игла поршня (поз. А) перекрывает отверстие в капилляре, связывающем левую полость с полостью Рвсас, препятствуя тем самым прохождению газа, так как в этом теперь нет необходимости. В самом деле, наличие постоянной утечки между полостями Рнаг и Рвсас может оказывать только вредное влияние на работу компрессора

Заметим, что давление в левой полости главного клапана при этом вновь достигает значения Рнаг, но, поскольку в правой полости также установилось Рнаг, золотник больше не сможет изменить своего положения.

Теперь запомним как следует расположение конденсатора и испарителя, а также направление движения потока в капиллярном расширительном устройстве.

Перед тем, как продолжить чтение, попробуйте представить, что будет происходить, если на обмотку электромагнитного клапана подать напряжение

При подаче электропитания на обмотку электроклапана, правая полость главного клапана сообщается с магистралью всасывания и золотник резко перемещается вправо. Дойдя до упора, игла поршня прерывает отток газа в магистраль всасывания, перекрывая отверстие капилляра, соединяющего правую полость главного клапана с полостью всасывания.

В результате перемещения золотника нагнетающая магистраль теперь направлена к бывшему испарителю, который стал конденсатором. Точно так же, бывший конденсатор стал испарителем, и всасывающая магистраль теперь подсоединена к нему. Заметим, что хладагент в этом случае движется через капилляр в обратном направлении (см. рис. 52.6).

Чтобы избежать ошибок в названиях теплообменников, которые по очереди становятся то испарителем, то конденсатором, лучше всего называть их наружной батареей (теплообменник, расположенный вне помещения) и внутренней батареей (теплообменник, расположенный внутри помещения).

Б) Опасность гидроудара

При нормальной работе конденсатор заполнен жидкостью. Однако мы увидели, что в момент обращения цикла конденсатор практически мгновенно становится испарителем. То есть, в этот момент появляется опасность попадания в компрессор большого количества жидкости, даже если ТРВ полностью закрыт.

Во избежание такой опасности необходимо, как правило, на всасывающей магистрали компрессора устанавливать отделитель жидкости.

Отделитель жидкости сконструирован таким образом, чтобы в случае возникновения наплыва жидкости на выходе из главного клапана, главным образом, при обращении цикла, не допустить ее попадания в компрессор. Жидкость остается на дне отделителя, в то время как отбор давления во всасывающую магистраль производится в его верхней точке, что полностью исключает опасность попадания жидкости в компрессор.

Вместе с тем, мы видели, что масло (а следовательно, и жидкость) должно постоянно возвращаться в компрессор по линии всасывания. Чтобы дать маслу такую возможность, в нижней части всасывающего патрубка предусматривается калиброванное отверстие (иногда капилляр)...

Когда жидкость (масло или хладагент) задерживается на дне отделителя жидкости, она, через калиброванное отверстие всасывается, медленно и постепенно возвращаясь в компрессор в таких количествах, которые оказываются недостаточными, чтобы привести к нежелательным последствиям.

В) Возможные неисправности

Одна из самых сложных неисправностей клапана V4 V связана с ситуацией, когда золотник заклинивает в промежуточном положении (см. рис. 52.8).

В этот момент все четыре канала сообщаются между собой, что приводит к более или менее полному, в зависимости от положения золотника при заклинивании, перепуску газа из магистрали нагнетания в полость всасывания, что сопровождается появлением всех признаков неисправности типа "слишком слабый компрессор": снижению хо-лодопроизводительности, падению давления конденсации, росту давления кипения (см. раздел 22. "Слишком слабый компрессор ").

Такое заклинивание может произойти случайно и обусловлено оно самой конструкцией главного клапана. В самом деле, поскольку золотник имеет возможность свободного перемещения внутри клапана, он может сдвинуться и вместо того, чтобы находиться у одного из упоров, остаться в промежуточном положении в результате вибраций или механических ударов (например, после транспортировки).

Если клапан V4V еще не установлен и, следовательно, есть возможность подержать его в руках, монтажник ОБЯЗАТЕЛЬНО должен проверить положение золотника, заглянув вовнутрь клапана через 3 нижних отверстия (см. рис. 52.9).

Таким образом, он сможет очень просто обеспечить нормальное положение золотника, поскольку после того, как клапан будет припаян, смотреть вовнутрь станет слишком поздно!

Если золотник расположен неправильно (рис. 52.9, справа), его можно будет привести в желаемое состояние, постукивая одним концом клапана по деревянному бруску или куску резины (см. рис. 52.10).

Никогда не стучите клапаном о металлическую деталь, так как при этом вы рискуете повредить оконечность клапана или совсем ее разрушить.

С помощью этого очень простого приема вы сможете, например, установить золотник клапана V4V в положение охлаждения (нагнетающая магистраль сообщается с наружным теплообменником) при замене неисправного V4V на новый в реверсивном кондиционере (если это происходит в разгаре лета).

Причиной заклинивания золотника в промежуточном положении могут быть также многочисленные дефекты конструкции главного клапана или вспомогательного электроклапана.

Например, если корпус главного клапана был поврежден при ударах и получил деформацию в цилиндрической части, такая деформация будет препятствовать свобод- а ному перемещению золотника.

Один или несколько капилляров, соединяющих полости главного клапана с низконпорной частью контура, могут засориться ы или погнуться, что приведет к уменьшению их проходного сечения и не позволит обеспечить достаточно быстрый сброс давления в полостях позади поршней золотника, нарушая тем самым его нормальную работу (напомним еще раз, что диаметр этих капилляров должен быть существенно больше диаметра отверстий, просверленных в каждом из поршней).

Следы чрезмерного пережога на корпусе клапана и плохой внешний вид паяных соединений являются объективным показателем квалификации монтажника, производившего пайку с помощью газовой горелки. Действительно, во время пайки следует обязательно защищать корпус главного клапана от нагревания, обертывая его мокрой тряпкой или смоченной асбестовой бумагой, так как поршни и золотник снабжены уплотняющими нейлоновыми (фторопластовыми) кольцами, которые одновременно улучшают скольжение золотника внутри клапана. При пайке, если температура нейлона превысит 100°С, он утрачивает свои способности герметизации и антифрикционные характеристики, прокладка получает непоправимые повреждения, что сильно повышает вероятность заклинивания золотника при первой же попытке переключения клапана.

Напомним, что быстрое перемещение золотника при обращении цикла происходит под действием разности между Рнаг и Рвсас. Следовательно, перемещение золотника становится невозможным, если эта разность АР слишком мала (обычно ее минимально допустимое значение составляет около 1 бар). Таким образом, если управляющий электроклапан задействуется тогда, когда перепад АР недостаточен (например, при запуске компрессора), золотник не сможет беспрепятственно перемещаться и появляется опасность его заклинивания в промежуточном положении.

Заедание золотника может также происходить из-за нарушений в работе управляющего электроклапана, например, при недостаточном напряжении питания или неправильном монтаже механизма электромагнита. Заметим, что вмятины на сердечнике электромагнита (вследствие ударов) или его деформация (при разборке или в результате падения) не позволяют обеспечить нормальное скольжение втулки сердечника, что также может привести к заеданию клапана.

Не лишне напомнить, что состояние холодильного контура должно быть абсолютно безупречным. В самом деле, если в обычном холодильном контуре крайне нежелательно присутствие частичек меди, следов припоя или флюса, то для контура с четырехходовым клапаном - тем более. Они могут заклинить его или закупорить отверстия в поршнях и капиллярные каналы клапана V4V. Поэтому, прежде чем приступить к демонтажу или сборке такого контура, постарайтесь продумать максимум предосторожностей, которые вы должны соблюсти.

Наконец, подчеркнем, что клапан V4V настоятельно рекомендуется монтировать в горизонтальном положении, чтобы избежать даже незначительного опускания золотника под действием собственного веса, так как это может вызывать постоянные утечки через иглу верхнего поршня, когда золотник будет находиться в верхнем положении. Возможные причины заклинивания золотника представлены на рис. 52.11.

Теперь встает вопрос. Что делать, если золотник заклинило?

Перед тем, как требовать от клапана V4V нормальной работы, ремонтник должен вначале обеспечить условия этой работы со стороны контура. Например, недостаток хладагента в контуре, обуславливая падение как Рнаг, так и Рвсас, может повлечь за собой слабый перепад ДР, недостаточный для свободного и полного переброса золотника.

Если внешний вид V4V (отсутствие вмятин, следов ударов и перегрева) представляется удовлетворительным и есть уверенность в отсутствии неисправностей электрооборудования (очень часто такие неисправности приписывают клапану V4V, тогда как речь идет только о дефектах электрики), ремонтник должен задаться следующим вопросом:

К какому теплообменнику (внутреннему или наружному) должна подходить нагнетающая магистраль компрессора и в каком положении (справа или слева) должен находиться золотник при данном режиме работы установки (нагрев или охлаждение) и данной ее конструкции (нагрев или охлаждение при обесточенном управляющем электроклапане)?

Когда ремонтник уверенно определил требуемое нормальное положение золотника (справа или слева), он может попытаться поставить его на место, слегка, но резко, постукивая по корпусу главного клапана с той стороны, где должен находиться золотник, киянкой или деревянным молотком (если нет киянки, никогда не применяйте обычный молоток или ку-валдочку, предварительно не приложив к клапану деревянную проставку, иначе вы рискуете серьезно повредить корпус клапана, см. рис. 52.12).

В примере на рис. 52.12 удар киянки справа заставляет золотник переместиться вправо (к сожалению, разработчики, как правило, не оставляют вокруг главного клапана пространства для нанесения удара!).

Действительно, нагнетающий патрубок компрессора должен быть очень горячим (опасайтесь ожогов, так как в некоторых случаях его температура может достигать Ю0°С). Всасывающий же патрубок, как правило, холодный. Следовательно, если золотник сдвинут вправо, штуцер 1 должен иметь температуру, близкую к температуре нагнетающего патрубка, или, если золотник сдвинут влево, близкую к температуре всасывающего патрубка.

Мы видели, что небольшое количество газов из линии нагнетания (следовательно, очень горячих) проходит в течение короткого отрезка времени, когда происходит переброс золотника, по двум капиллярам, один из которых соединяет полость главного клапана с той стороны, где находится золотник, с одним из входов электроклапана, а другой соединяет выход управляющего электроклапана со всасывающей магистралью компрессора. Дальше прохождение газов прекращается, поскольку игла поршня, дошедшего до упора, перекрывает отверстие капилляра и предотвращает попадпние в него газов. Поэтому нормальная температура капилляров (которые можно потрогать кончиками пальцев), также как и температура корпуса управляющего электроклапана, должны быть почти одинаковыми с температурой корпуса главного клапана.

Если ощупывание дает другие результаты, не остается ничего другого, как попытаться разобраться в них.

Допустим, при очередном техническом обслуживании ремонтник обнаруживает небольшой рост давления всасывания и небольшое падение давления нагнетания. Поскольку левый нижний штуцер горячий, он делает вывод о том, что золотник находится справа. Ощупывая капилляры, он замечает, что правый капилляр, а также капилляр, соединяющий выход электроклапана со всасывающей магистралью, имеют повышенную температуру.

На основании этого он может сделать вывод о том, что между полостями нагнетания и всасывания существует постоянная утечка и, следовательно, игла правого поршня не обеспечивает герметичности (см. рис. 52.14).

Он решает повысить давление нагнетания (например, закрывая картоном часть конденсатора), чтобы увеличить разность давлений и тем самым попробовав прижать золотник к правому упору. Затем он производит переброску золотника влево, чтобы убедиться в нормальной работе клапана V4V, после чего возвращает золотник в начальное положение (повышая давление нагнетания, если разность давлений недостаточна, и проверяя реакцию V4V на работу управляющего электроклапана).

Таким образом, на основании указанных экспериментов он может сделать соответствующие выводы (в том случае, если расход утечки продолжает оставться значительным, нужно будет предусматривать замену главного клапана).

В давление нагнетания очень низкое, а давление всасывания аномально высокое. Поскольку все четыре штуцера клапана V4V довольно горячие, ремонтник делает вывод о том, что золотник заклинило в промежуточном положении.

Ощупывание капилляров показывает ремонтнику, что все 3 капилляра горячие, следовательно причина неисправности кроется в управляющем клапане, в котором одновременно оказались открытыми оба проходных сечения.

В этом случае следует полностью проверить все узлы управляющего клапана (механический монтаж электромагнита, электрические цепи, напряжение питания, потребляемый ток, состояние сердечника электромагнита)

и многократно попробовать, включая и выключая клапан, возвратить его в рабочее состояние, удалив возможные посторонние частицы из-под одного или обоих его седел (если дефект не устраняется, нужно будет заменить управляющий клапан).

Что касается катушки электромагнита управляющего клапана (и вообще, катушек любых электромагнитных клапанов), некоторые начинающие ремонтники хотели бы получить рекомендации по поводу того, как определить, работает катушка или нет. В самом деле, для того, чтобы катушка возбуждала магнитное поле, недостаточно подать на нее напряжение, так как внутри катушки может иметь место обрыв провода.

Некоторые монтажники устанавливают жало отвертки на крепежный винт катушки, чтобы оценить силу магнитного поля (однако это не всегда удается), другие снимают катушку и следят за сердечником электромагнита, прислушиваясь к характерному стуку, сопровождающему его перемещение, третьи, сняв катушку, вводят в отверстие для сердечника отвертку, чтобы убедиться в том, что она втягивается под действием силы магнитного поля.

Воспользуемся случаем, чтобы сделать небольшое уточнение...

В качестве примера рассмотрим классическую катушку электромагнитного клапана с номи-^| нальным напряжением питания 220 В.

Как правило, разработчиком допускается длительное повышение напряжения по отношению к номиналу не более, чем на 10% (то есть около 240 вольт), без риска чрезмерного перегрева обмотки и гарантируется нормальная работа катушки при длительном падении напряжения не более, чем на 15% (то есть 190 вольт). Эти допустимые пределы отклонения напряжения питания электромагнита легко объяснимы. Если напряжение питания слишком высокое, обмотка сильно нагревается и может сгореть. И напротив, при низком напряжении, магнитное поле оказывается слишком слабым и не позволит обеспечить втягивание сердечника вместе со штоком клапана внутрь катушки (см. раздел 55. "Различные проблемы электрооборудования ").

Если предусмотренное для нашей катушки напряжение питания составляет 220 В, а номинальная мощность равна 10 Вт, можно предположить, что она будет потреблять ток I = Р / U, то есть 1 = 10 / 220 = 0,045 Ар (или 45 мА).

Напряжение подано I = 0,08 А А,

Сильная опасность перегорания катушки

На самом деле, катушка будет потреблять ток около 0,08 А (80 мА), так как для переменного тока Р = U x I x coscp, а для катушек электромагнитов coscp, как правило, близок к 0,5.

Если из катушки, находящейся под напряжением, извлечь сердечник, то потребляемый ток возрастет до 0,233 А (то есть, почти в 3 раза больше, чем номинальное значение). Поскольку выделяющееся при прохождении тока тепло пропорционально квадрату силы тока, значит катушка будет нагреваться в 9раз больше, чем в номинальных условиях, что сильно увеличивает опасность ее сгорания.

Если в катушку, находящуюся под напряжением, вставить металлическую отвертку, магнитное поле втянет ее вовнутрь и потребляемый ток слегка упадет (в рассматриваемом примере до 0,16 А, то есть в два раза больше номинального значения, см. рис. 52.16).

Запомните, что никогда не следует демонтировать катушку электромагнита, находящуюся под напряжением, так как она может очень быстро сгореть.

Хорошим способом определения целостности обмотки и проверки наличия напряжения питания является использование токоизмерителъных клещей (трансформаторных клещей), которые раскрывают и придвигают к катушке для обнаружения магнитного поля, создаваемого ею при нормальной работе

Если катушка возбуждена, стрелка амперметра отклоняется

Трансформаторные клещи, реагируя по своему назначению на изменение магнитного потока возле катушки, позволяют, в случае ее неисправности, зарегистрировать достаточно высокую величину силы тока на амперметре {которая, впрочем, абсолютно ничего не означает), что быстро дает уверенность в исправности электрических цепей электромагнита.

Заметим, что использование открытых трансформаторных токоизмерительных клещей допустимо для любых обмоток, питающихся переменным током (электромагниты, трансформаторы, двигатели...), в момент, когда проверяемая обмотка не находится в непосредственной близости от другого источника магнитного излучения.