旁通阀设计选型与失效分析

旁通阀设计选型与失效分析

张强 ,邓飞忠

华帝股份有限公司

摘  要：本文针对产品中旁通阀芯导致的市场问题产生，从旁通阀工作原理、旁通阀芯选型以及失效形式进行论述，从而为行业从业者提供解决策略，从源头上提升产品品质。

关键词：旁通阀芯；设计选型；失效现状

1旁通阀芯的作用

在家用壁挂炉产品上，为保证整机燃烧、运行过程中的可靠性，通常会在采暖出水管到采暖回水管之间，设置一个可以定压开启的单向阀，该单向阀一般设置于水泵进水口后端，由于其安装位置在主采暖管道的旁路上，因此被称为“旁通阀”。旁通阀的安装位置如图1所示。

图1旁通阀安装位置示意图

1.1旁通阀结构原理

旁通阀主要由阀体、阀芯与弹簧及其密封圈组成，内部结构如图2所示。其中阀体用于固定阀芯和弹簧的相对位置，阀芯用于控制流体的流动方向，弹簧用于控制阀芯开启的压力以及相对应压力下的阀芯开度。

图2旁通阀结构示意图

1.2旁通阀工作场景

如整机外围管路因人为关闭或其他异常导致管路不通，启动采暖水泵后，当水流达到旁通阀开启压力值时，采暖水流可以通过旁通阀形成水流回路，从而保护整机及水泵不受损坏。在低温环境下，即使采暖系统外部管路关闭时，依然可以有效地执行整机内部循环功能，避免整机因管路冻结而损坏。

2旁通阀芯的选型

旁通阀在整个产品采暖运行过程中起重要作用，而旁通阀芯的工作机理是定压开启，即当整机外部管路堵塞到一定程度时才能够开启，提供这一开启压力的动力源主要是采暖水泵，因此，旁通阀芯的设计选型与采暖水泵和采暖系统阻力直接相关。目前采暖系统阻力通用设计均按照室内采暖系统设计阻力≤3m标准进行[1]，意味着旁通阀的选型也以该参考值为依据，而我国家用壁挂炉产品在实际场景中，仍存在部分系统阻力超过该设计基准值，导致旁通阀工作点偏离设置，因此在实际设置旁通阀时应尽可能大地保证采暖水泵的输出，提高用户的采暖满意度。

下面以某品牌24kW产品为试验样本，其采暖最小负荷为8kW；配置6m管道屏蔽泵进行设计选型分析，水泵流量扬程变化情况如图3所示。根据其流量扬程变化曲线，采用数据拟合分析方法，将X设为流量，Y设为扬程，根据现有曲线得出拟合方程Y=0.193X+6.87。

图3 6m水泵流量扬程图

用M表示最低采暖回差10K条件下依然能够保持产品连续供暖燃烧的最低水量。

==9.86L/min

η—采暖小负荷效率值，取86%

C—水的比热容，取4.187

△T—采暖回差温度，取10k

经过理论计算可知，采暖流量≥10.2L/min时，产品能够在10k的采暖回差情况下连续稳定运行，不会出现频繁起停的现象，代入上文水泵的扬程流量拟合方程可知，在采暖系统最低水量M条件下，其对应的水泵计算扬程为：

y=4.9m

即对应水泵的工作点处于4.9m附近，结合上文旁通单向阀的作用，此时旁通单向阀应处于关闭状态。

因此，理论选型应是旁通阀在0.05MPa下时应处于关闭状态，压力超过0.055MPa时应处于全开状态，但考虑到目前弹簧式旁通阀芯的加工特性，无法满足上述关闭和开启精度要求，通常会把关闭和开启压力差拉大，同时考虑到6m采暖水泵的最高扬程在5.8m左右，因此，在实际产品设计中，通常将6m采暖水泵旁通阀开启和关闭设置为：0.045MPa下关闭，0.055MPa下开启流量≥3L/min。

旁通阀理想的工作状态应是在系统流量低于设计最小流量时，旁通阀全开，保证整机能够正常燃烧运行，而不会出现瞬时高温启停现象；在系统流量高于设计最小流量时，旁通阀关闭不泄露，保证采暖热水的有效输出，如下图4所示，P0为设计最小流量。

图4旁通阀理想工作状态状态                    图5旁通阀实际工作状态

但在实际使用中，弹簧式旁通阀的特性开启特性如图5所示，由于部分产品的旁通阀选型不合理，导致在用户采暖系统阻力偏大时，水泵运行点处于旁通阀“启闭临界段”，容易导致旁通阀芯处于开启和关闭的临界状态，从而产生“哒哒”异响；

进一步发现，当该旁通阀芯设置位置靠近水泵进水口，其旁通阀芯更加容易处于开启和关闭的临界；

更进一步发现，当旁通阀提前开始后，会导致采暖系统有效热输出减少，容易导致用户末端不热，降低用户的采暖满意度。

综上所述，旁通阀芯的设计选型绝不是直接应用理论数值且无关紧要，必须综合考虑产品的最小采暖负荷、水泵特性以及旁通阀芯的设置位置进行合理选择。

3旁通阀芯不良导致的常见现象

3.1耗气

若旁通阀开启压力选择太低，则会导致整机采暖时，旁通回路提前开启，外部采暖流量偏低，整机热量无法大量地带入到采暖末端系统，导致系统采暖升温慢或完全无法上升，同时由于整机内部旁通路的提前开启，会导致整机水泵内循环做工，产品启动频繁，最终给用户的感觉就是既费气又不舒适，产生投诉。

3.2异响

如图5所示，弹簧式旁通阀芯存在“启闭临界段”，在部分情况下，由于旁通阀开启选择不合理，水泵运行后系统水路阻力会让旁通阀芯处于这一“启闭临界段”内，同时水泵在工作过程中，由于旁通阀芯的开启和关闭，实际工况点会存在上下偏移。因此，旁通阀芯一旦处于启闭临界段，则基本上无法自然消除，主要现象为连续产生“哒哒”的异常响声。

3.3防冻失效

对于部分壁挂炉和市政供暖集中使用的地区（例如延安），市政集中供暖开启的情况下，用户往往会将壁挂炉的采暖进出水关闭，以免损坏壁挂炉，此时，户外冷空气会从壁挂炉烟管流入整机内部。当整机内部各点探头检测到温度低于防冻保护温度时，整机应该启动防冻运行或燃烧升温保护，此时若旁通阀芯设定开启压力太高，在水泵运行时无法及时打开，则会导致整机内部采暖水无法正常循环而产生防冻失效，从而导致主换热器或其他水路部件冻裂。

4总结

旁通阀芯作为采暖系统中很小的零部件，极易被人忽视，且相关研究文献也极少，但旁通阀芯的正确选型对采暖系统平稳、安全运行起着至关重要的作用，因此本文由市场问题导入到产品设计反思，希望能够引起广大设计人员讨论，共同推进燃气采暖热水炉行业产品品质提升。

参考文献

【1】匡微波,汪为彪.壁挂炉水泵匹配度研究[C].中国燃气具行业年会论文集，2020.

［2］【2】郭全. ，燃气壁挂炉锅炉及其应用技术[M]. 中国建筑工业出版社, 2008.6

【3】[1] 郭全. 燃气壁挂炉锅炉及其应用技术[M]. 中国建筑工业出版社, 2008.6.

[2] 郝帅.，基于对燃气壁挂炉特点及应用分析[J].技术与市场,2019,26(03):)：94-95.

【4】[5] GB25034-2020《燃气采暖热水炉》.中国标准出版社..2021.11

【5】战国庆，家庭独立采暖系统标准配置及工程应用实例【J】2005