關于單向閥在兩管方案零冷水燃氣熱水器應用的分析研究

吳桂安 李志敏 陳 俊 鄧飛忠 仇明貴

（華帝股份有限公司 中山 528400）

引言

隨著零冷水技術在燃氣熱水器上推廣應用結合目前大部分中國家庭管路布局的實際情況,兩管方案零冷水燃氣熱水器因其可實現即開即熱的功能完全顛覆了傳統燃氣熱水器在消費者心里的印象結合其安裝簡便的特征，自問世以來在熱水器市場掀起了追捧熱潮。而兩管方案機型要實現零冷水功能需設置遠端閥門從而保證熱水器在不同工作狀態下進行水路的開關控制，單向閥因其固有的機械特性完美地實現了零冷水燃氣熱水器在循環加熱過程水路單向導通的需求，所以在零冷水燃氣熱水器中得到廣泛應用。

現普遍采用的單向閥結構主要是通過彈性材料所產生的預壓力進行單向密封，當閥芯左右兩側流體壓力相等時，閥芯在彈性材料預壓力作用下對閥體進行單向密封，從而在不同水流道間形成截止閥門，當需要流道導通時則需通過外力輸入克服彈簧潛在預壓力打開閥門，因此選擇合適的單向閥對兩管方案的燃氣熱水器極為重要。

1 單向閥工作原理

單向閥又稱止回閥，通過其內部閥芯結構控制流體只能往一個方向流動，從而實現不同管路間的截止或導通功能。為了保證其工作過程的可靠性，需要求閥體正向流動阻力小、反向密封性能好、動作靈敏，如圖1所示。

圖1 單向閥工作原理

對于兩管方案燃氣熱水器而言（暫不考慮水管壓損），P2為冷水管流體壓力，P1為熱水管流體壓力，正常條件下P1=P2，P4=0故在封閥力P3作用下閥體始終處于截止狀態；當P1+P4≥P2+P3，閥體處于導通狀態，此時左右流道可形成相互連通單一流道。

2 單向閥封閥力與竄水問題的關系

由于管道內阻力存在且離進水口越遠產生阻力越大，最終導致串水現象出現。假設進水壓力為P、管道阻力含沿程阻力hf及局部阻力h、封閥力P0。

相關計算公式如下：

式中：

hf —沿程阻力損失；

h —局部阻力損失；

λ —沿程阻力系數；

l —管長；

d —管徑；

v —斷面平均流速；

g —重力加速度；

ε—局部阻力系數；

Re —雷諾數；

u —運動粘度；

Q —流量。

將（3）、（4）、（5）代入（1）計算可知[4]：

當P-hf-h+P0＜P時，即P0＜hf+h時熱水器會產生串水現象。

2.1 單向閥封閥力對熱水器循環流量影響

圖2為兩管方案零冷水燃氣熱水器安裝示意圖，單向閥安裝在水流管道最遠端，當機器需要對管道內冷水進行提前預熱時，熱水器內循環水泵啟動，水泵抽力P≥P3時，單向閥門打開，從而實現循環預熱功能。

圖2 兩管方案零冷水燃氣熱水器安裝示意圖

2.2 不同封閥力對系統循環流量影響

為進一步研究在不同封閥力下單向閥對于燃氣熱水器循環流量的影響，對各直流水泵各功率占比進行測試，試驗條件:采用24 V直流水泵，9 m揚程；循環管長60 m、管道直徑6分管。測試結果如表1、圖3所示。

由表1、圖3所述試驗數據可知：①當封閥力一定時，隨著水泵功率的增加，循環水流量也隨之增大；②水泵功率一定時，隨著單向閥選用封閥力增大時，循環水流量會相應減小；③按目前燃氣熱水器啟功流量≥2.5 L/min要求，只考慮整機循環過程水泵有效功率范圍，單向封封閥力應該取小值為宜；④如要求循環流量大，按以上試驗機型所采用循環水泵分析，有效功率段應該選用在80 %以上。

表1 單向閥封閥力與循環流量的關系

圖3 單向閥封閥力在不同水泵功率下與循環流量的關系

2.3 單向閥封閥力對兩管零冷水竄水問題的影響

對于兩管方案零冷水燃氣熱水器，如果熱水器采用后制開關時，正常條件下冷水管與熱水管內壓力是相等的，此時單向閥受彈簧力的作用處于截止狀態，但當用戶用冷水時會導致冷水管內壓力變小，如果P1＞P2+P3單向閥打開從而出現串水現象。為得出封閥力對竄水的影響程度，采用如圖4所示實驗方案，選用60 m長循環管道，分別在冷水管道5 m（1）、15 m（2）、30 m（3）處設置冷水出水閥門進行測試試驗。

圖4 實驗方案示意圖

試驗條件:采用24 V直流水泵，9 m揚程；循環管長60 m、管道直徑6分管，單向閥封閥力分別選用0.02 MPa、0.05 MPa、0.065 MPa進行測試；30 m。

（3）處為單向閥冷水出口；其測試結果如表2、圖5所示。

表2 不同出水點處單向閥封閥力對整機流量的影響

圖5 不同單向閥封閥力在不同流量，不同位置條件下的竄水流量曲線

由上述試驗數據可得出：①當封閥力一定時，隨著冷水口出水流量增加，串水流量也隨之增大；②出水流量一定時，隨著距離冷水進水端越遠，串水流量隨之增加；③不同流量條件下，單向閥封閥力越小，串水流量越大；④啟功流量為2.5 L/min要求，一定條件下，用戶冷水時也會造成熱水器啟動從而出現用戶想用冷水卻出現熱水的問題。

3 結論

對于兩管方案的零冷水燃氣熱水器，單向閥封閥力的選型是相互矛盾的事情，一方面受水泵功率的限制需選擇封閥力不宜過大的閥體，另一方面考慮冷水端用水時造成的串水現象可能會導致機器啟動。在兩管方案機型設計開發或安裝使用時必需考慮以下幾點：

1）避免因稍微的串水現象造成整機誤啟動，故需對整機啟動流量大小進行評估；

2）單向閥裝在最遠端，此處冷水出水最容易觸發串水現象，故建議在單向閥冷水端增加限流閥；

3）從本文的試驗可看出，選擇封閥力約0.05 MPa時，系統在相當水泵功率下循環流量可保證的同時，串水流量也能得到很好的控制；

4）兩管方案零冷水燃氣熱水器若只單獨采用機械式單向閥控制，由于封閥力受限其在特定條件下會出現串水并導致整機錯誤啟動，如想徹底解決此問題需考慮其他輔助方案，如在冷水端串聯膨脹箱體進行壓差補給、單向閥處增加水流信號反饋避免機器產生誤動作等。