基于內(nèi)部流動抑制的小型家用制冷設(shè)備降噪技術(shù)研究

劉永輝, 劉益才, 尹鳳福, 王小新, 劉 華, 丁國良

(1.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,上海 200030; 2.海爾集團技術(shù)研發(fā)中心,山東 青島 266103;3.中南大學(xué) 制冷與低溫研究所, 長沙 410083;4.青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266061)

基于內(nèi)部流動抑制的小型家用制冷設(shè)備降噪技術(shù)研究

劉永輝1,2, 劉益才3, 尹鳳福4, 王小新4, 劉 華2, 丁國良1

(1.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,上海 200030; 2.海爾集團技術(shù)研發(fā)中心,山東 青島 266103;3.中南大學(xué) 制冷與低溫研究所, 長沙 410083;4.青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266061)

制冷劑流動噪聲特別是毛細管噴發(fā)噪聲是影響冰箱、冷柜等小型家用制冷設(shè)備聲品質(zhì)的主要因素，然而制冷劑流動噪聲由于理論難度高、隱蔽性強，較少有專門的系統(tǒng)研究?；谥评鋭┝鲃犹匦院土黧w網(wǎng)絡(luò)理論開展了某型號冷凍柜的流動噪聲發(fā)生機理理論研究；基于理論分析結(jié)果，提出了一種改進的的毛細管過渡管結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；實驗研究結(jié)果表明該改進設(shè)計措施能夠有效抑制毛細管出口的噴射噪聲，對整機噪聲有約3 dB(A)的消聲量。該研究成果豐富了小型制冷系統(tǒng)內(nèi)部流動設(shè)計理論和噪聲抑制機理，能夠為指導(dǎo)小型家電制冷系統(tǒng)新過渡管消聲裝置設(shè)計和改善聲品質(zhì)提供重要參考。

小型家用制冷設(shè)備；流動噪聲；CFD；毛細管；實驗研究

冰箱、冷柜等小型家用制冷設(shè)備作為每個家庭的生活必需品，在帶來便利的同時，也給居民造成了噪聲影響。傳統(tǒng)的家電產(chǎn)品噪聲研究主要集中在“降噪”，即如何將噪聲數(shù)值盡量降低。隨著時代的發(fā)展，人們不再僅僅滿足于噪聲值大小的下降，而且對“煩惱度”即聲品質(zhì)方面提出了更高的要求。

圖1為海爾冰箱產(chǎn)品用戶抱怨噪聲類型分析。可以看出，用戶對傳統(tǒng)的壓縮機噪聲抱怨最大，約占50.7%；其次是制冷劑的流動聲和噴射聲(聲品質(zhì)相關(guān))，約占33.1%；管路振動噪聲排在第三位，約占5.7%。由于壓縮機是最主要的噪聲源，因此壓縮機方面的降噪技術(shù)很早就得到重視和研究[1-5]，而制冷管路振動可以通過傳統(tǒng)的振動理論和CAE/CFD仿真手段加以預(yù)測和解決[6-8]。然而制冷劑流動噪聲由于理論難度高、隱蔽性強，較少有專門的系統(tǒng)研究[9-12]；但是危害性日益凸顯，成為整個行業(yè)目前亟待解決的前沿課題。

圖1 海爾冰箱產(chǎn)品用戶抱怨噪聲類型分析

本文以市場反饋問題較多的某型號冷凍柜為例，開展小型家用制冷設(shè)備流動噪聲發(fā)生機理理論和實驗研究。首先基于制冷劑流動特性理論[13]和毛細管“六段流阻”模型[14]對毛細管內(nèi)部流動特性進行了數(shù)值計算，在此基礎(chǔ)上基于流體網(wǎng)絡(luò)理論[15]并運用CFD仿真商業(yè)軟件Fluent對毛細管出口與蒸發(fā)器過渡段進行了仿真分析；根據(jù)上述理論研究結(jié)果對毛細管過渡管進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出一種改進的毛細管直管過渡管結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。物理實驗驗證了本文研究方法的可行性和正確性。

1 小型家用制冷設(shè)備毛細管噴射噪聲機理研究

1.1 研究對象

選取某型號冷凍柜為研究對象開展相關(guān)理論和實驗研究，如圖2所示。該冷凍柜正常工作時整機噪聲為38～39 dB(A)，從噪聲數(shù)值來看并不高，但是很多用戶反饋該產(chǎn)品隨著環(huán)境溫度和工況的變化時整體噪聲不很穩(wěn)定，容易產(chǎn)生一些難聽、不規(guī)則的嘯叫聲和突發(fā)的噪聲，嚴重擾亂了人們的日常生活。

1.2 制冷系統(tǒng)毛細管內(nèi)部流動性能計算

大量噪聲實驗的結(jié)論表明，制冷系統(tǒng)的突發(fā)噪聲主要發(fā)生在毛細管的出口部位；由于該類噪聲的頻率正好處在人耳敏感性較大的中頻段(500～2 000 Hz)，直接決定了用戶體驗和對家電產(chǎn)品聲品質(zhì)的評價。因此上述某型號冷凍柜產(chǎn)生的一些難聽、不規(guī)則的嘯叫聲和突發(fā)的噪聲，很可能就由毛細管噴射噪聲所致。馮濤，張少華等進一步指出，在制冷循環(huán)系統(tǒng)中,在冷凝器與毛細管以及毛細管與蒸發(fā)器的接口處,由于流場特性產(chǎn)生突變,會出現(xiàn)流動噪聲,而毛細管的結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)各部分的噪聲有明顯的影響。毛細管結(jié)構(gòu)的改變即是流動特性的改變，因此研究毛細管內(nèi)的流動特性對于抑制制冷裝置的內(nèi)部流動噪聲具有十分重要的意義。目前毛細管理論模型方面的研究較多[16-19]，劉益才等[14]在充分考慮毛細管在制冷系統(tǒng)內(nèi)的實際應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，建立了“六段流阻”毛細管模型，該模型將毛細管焊接回氣管的非絕熱段以及毛細管進出口突變段的影響包括在內(nèi)，相比以往毛細管模型更為接近實際。因此本文采用毛細管“六段流阻”性能仿真模型。圖3為“六段流阻”性能仿真模型示意圖，一般冰箱或冷柜制冷系統(tǒng)中制冷劑沿毛細管進行流動，可分為以下6個阻力損失階段：入口突縮段(1-C-2)、絕熱單相流段(2-3)、有回?zé)岬膯蜗嗔鞫?3-4)、絕熱單相流段(4-5)、絕熱兩相流段(5-6)、出口突擴段(6-7)。

(a) 產(chǎn)品外觀

(b) 內(nèi)部系統(tǒng)

圖3 “六段流阻”非絕熱毛細管理論模型

選用某型號冷凍柜的設(shè)計工況：冷凝溫度Tcn=55 ℃(Pcn=1.45×105Pa)，蒸發(fā)溫度Te=-23 ℃(Pcn=1.45×105Pa)，毛細管入口溫度Tsc=32 ℃；毛細管總長3.5 m，其中與壓縮機吸氣管換熱前的毛細管長度為0.47 m，與壓縮機吸氣管換熱的毛細管長度為0.85 m；毛細管內(nèi)徑7×10-4m，壓縮機吸氣管內(nèi)徑為4.8×10-3m；制冷劑為R600a；毛細管粗糙度為4.6×10-7。

根據(jù)“六段流阻”模型描述進行毛細管流動性能數(shù)值計算，詳細的數(shù)學(xué)模型參見文獻[14]。數(shù)值計算結(jié)果表明制冷劑在毛細管出口處的流動速率為56.91 m/s，干度為0.128。這說明制冷劑在毛細管出口處的流動狀態(tài)為湍流和兩相流。

1.3 毛細管出口與蒸發(fā)器過渡段的CFD仿真分析及改進設(shè)計

在對毛細管流動性能數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，接下來對毛細管出口與蒸發(fā)器過渡段的流體性能進行CFD仿真理論計算，根據(jù)仿真計算結(jié)果，提出一種改進的毛細管過渡管結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1) 原始設(shè)計(錐形過渡管)

毛細管內(nèi)半徑R1為0.35 mm(忽略銅管壁厚)，套入一個錐形過渡管中，該過渡管總長度為120 mm，其中錐形結(jié)構(gòu)長度為40 mm，內(nèi)半徑R2由1 mm逐漸變化到2.4 mm，毛細管套入過渡管的深度為30 mm，如圖4所示。

圖4 毛細管過渡管原始設(shè)計(錐形)(mm)

基于CFD仿真商業(yè)軟件Fluent對毛細管裝置進行了數(shù)值仿真。首先根據(jù)制冷劑R600a在毛細管出口處的狀態(tài)參數(shù)，建立了過渡管的氣液兩相流動模型；建立了二維軸對稱結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型，采用四邊形網(wǎng)格；入口處采用速度邊界條件，設(shè)定出口為壓力邊界條件(Outflow)；采用k-ε標準湍流模型[15]，并選取混合模型作為兩相流模型；不考慮流動換熱的影響，其邊界對應(yīng)的條件為Wall。

針對毛細管過渡管(原始設(shè)計)的速度流場分布如圖5所示。由圖5可以看出，毛細管半徑從0.35 mm擴大到1 mm，截面積的突變導(dǎo)致射流發(fā)生，射流周圍的高速氣流會在貼近壁面處產(chǎn)生嚴重的流動漩渦；在1 mm～2.4 mm截面積逐漸增大的過程中，流動漩渦的擾動不斷增強，嚴重破壞了制冷劑原來的流動狀態(tài)。

圖5 毛細管過渡管(原始設(shè)計)速度流場圖

圖6為毛細管過渡管(原始設(shè)計)制冷劑沿軸向上的平均速度大小，可以看出，毛細管出口處的平均速度大小在一開始由于截面突變迅速下降；然后在過渡管截面積逐漸增大(內(nèi)徑從1 mm～2.4 mm)的過程中，由于流動漩渦的擾動不斷增強，導(dǎo)致制冷劑沿軸向速度大小在一定范圍內(nèi)上下波動；最后過渡管出口的速度大小約為8.614 m/s。圖7為毛細管過渡管(原始設(shè)計)的湍動能分析結(jié)果，湍動能在達到峰值90.302 m2/s2之后，下降較慢，而且有明顯的波動；其平均湍動能為19.75 m2/s2。

圖6 毛細管過渡管(原始設(shè)計)沿軸向平均速度大小

圖7 毛細管過渡管(原始設(shè)計)湍動能大小

2) 改進設(shè)計 (直管過渡管)

根據(jù)CFD仿真計算結(jié)果，本文提出一種改進的毛細管過渡管結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，即直管過渡管，如圖8所示。直管過渡管改進設(shè)計方案的具體尺寸為：毛細管內(nèi)半徑R1為0.35 mm(忽略銅管壁厚)，套入長度為200 mm、內(nèi)半徑R2為1.0 mm的細直銅管中，毛細管套入過渡管的深度為30 mm。

圖8 毛細管過渡管改進設(shè)計 (直管)

采用直管過渡管改進設(shè)計后的速度流場分布如圖9所示，可以看出，毛細管半徑從0.35 mm擴大到1 mm，截面積的突變導(dǎo)致射流發(fā)生，射流周圍的高速氣流會在貼近壁面處產(chǎn)生嚴重的流動漩渦。這點與毛細管過渡管原始設(shè)計(錐形)相同。然而隨著直管過渡管的長度逐漸增大，流動漩渦的擾動不斷減弱，說明直管過渡管有效地抑制住了流動漩渦的增強擾動，保持住了制冷劑原來的流動狀態(tài)。

圖9 毛細管過渡管(改進設(shè)計)速度流場圖

圖10為毛細管過渡管(改進設(shè)計)制冷劑沿軸向上的平均速度大小，與圖6相比，毛細管出口處的平均速度大小在一開始由于截面突變也會迅速下降；然而隨著直管過渡管的長度逐漸增大，有效地抑制住了流動漩渦的增強擾動，保持住了制冷劑原來的流動狀態(tài)，因此制冷劑沿直管過渡管軸向速度大小基本保持不變；最后直管過渡管出口的速度大小為6.38 m/s，比原始設(shè)計(錐形過渡管)(見圖6)降低約26%，這對于降低流體噪聲更為有利。

圖10 毛細管過渡管(改進設(shè)計)沿軸向平均速度大小

圖11 毛細管過渡管(改進設(shè)計)湍動能大小

圖11為毛細管過渡管(改進設(shè)計)的湍動能分析結(jié)果，與原始設(shè)計(錐形過渡管)相比改進設(shè)計(直管過渡管)最大的湍動能為102.066 m2/s2，提高了大約13%。但是湍動能均在達到峰值之后迅速下降達到平滑穩(wěn)定并保持一個相對低的數(shù)值，其平均湍動能為9 m2/s2，比原始設(shè)計(錐形過渡管)下降約54.4%。由于毛細管長度在整個制冷系統(tǒng)中占比很小(小于1%)，在后續(xù)對模擬結(jié)果的比較當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，過渡管更改的前后，對于流體阻力產(chǎn)生的影響并不明顯，基本呈現(xiàn)相同狀態(tài)，不再贅述。

2 實驗驗證

為了驗證本文研究方法的正確性和有效性，按照圖8制作了改進后的毛細管過渡管(即直管過渡管)，并對某型號冷凍柜的多臺實驗樣機在安裝新舊過渡管的整機噪聲水平進行對比測試，發(fā)現(xiàn)其得到結(jié)果僅有微小差別，可以認為具有較好的一致性。本文選取其中一臺的實驗數(shù)據(jù)做出如下分析說明。圖12為選取的某一實驗樣機及新毛細管消聲器布置圖，圖13為實驗樣機制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12 冷凍柜實驗樣機及新毛細管過渡管布置

圖13 冷凍柜實驗樣機制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該樣機的實驗在海爾集團檢測中心的標準消聲室里進行，采用丹麥B&K公司的噪聲測試和頻譜分析系統(tǒng)進行測試[20]。測試樣機放置在消聲室中央，冷凍柜樣機高度約2/3處的前后左右四側(cè)1 m距離處各布置1個麥克風(fēng)；測試時的環(huán)境溫度為20.5 ℃，濕度為70%，大氣壓為1.011 8×105Pa；冷凍柜溫控開關(guān)置于第4檔。圖14(a)為冷凍柜原始樣機正常工作時噪聲時域曲線，可以看出，冷凍柜在運行周期后半段噪聲突然變大。為了進一步確定突發(fā)噪聲發(fā)生的位置，測試得到了冷凍柜原始樣機的噪聲頻域曲線，如圖14(b)所示，可以看出，500～1 600 Hz之間的噪聲頻譜出現(xiàn)異常增大。

(a) 時域曲線

(b) 頻域曲線

圖15(a)為改進設(shè)計后冷凍柜正常工作時的噪聲時域曲線，可以看出冷凍柜在運行周期內(nèi)的噪聲時域曲線變得更加平滑，與圖14(a)相比，有效消除了運行周期后半段的突發(fā)噪聲。我們還測試得到了冷凍柜改進設(shè)計的噪聲頻域曲線，如圖15(b)所示，500～1 600 Hz之間的噪聲頻譜變得更加平滑。

表1為改進設(shè)計前后冷凍柜穩(wěn)定工作時整機噪聲測試結(jié)果，改進設(shè)計后冷凍柜穩(wěn)定工作時整機噪聲由原來的38.7 dB(A)下降為35.6 dB(A)，下降了將近3 dB(A)；并且從蒸發(fā)器的冷凍速度來看，制冷性能在毛細管過渡管的改變前后未發(fā)生明顯變化。

3 結(jié) 論

基于制冷劑流動特性和流體網(wǎng)絡(luò)理論開展了小型家用制冷設(shè)備流動噪聲發(fā)生機理理論和實驗研究，基于理論分析結(jié)果，提出了一種改進的的毛細管過渡管結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；豐富了小型制冷系統(tǒng)內(nèi)部流動設(shè)計理論和噪聲抑制機理。實驗研究結(jié)果表明本文計方法的可行性和正確性。本文提出的改進設(shè)計措施通過調(diào)整毛細管出口和蒸發(fā)器進口之間的相對位置，改變了毛細管出口的霧狀流動狀態(tài)；通過降低毛細管出口噴射噪聲大小，平抑整機尖峰噪聲，有效提升了小型家用制冷設(shè)備聲品質(zhì)和用戶體驗；整機A聲級噪聲值由原來的38.7 dB(A)降低到35.6 dB(A)，達到行業(yè)領(lǐng)先水平。

(a) 時域曲線

(b) 頻域曲線

Tab.1 The noise of prototype freezer under the steady working state before and after improvement

探頭位置原機/dB(A)改進設(shè)計后/dB(A)右側(cè)2926.9后側(cè)27.424.5左側(cè)2623.6前側(cè)2420.5平均聲壓級26.623.49聲功率級38.735.6

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Noise reduction technique for small type household refrigerators based on refrigerant flow suppression

LIU Yonghui1,2, LIU Yicai3, YIN Fengfu4, WANG Xiaoxin4, LIU Hua2, DING Guoliang1

(1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030，China; 2. Haier Group Technique R&D Center, Qingdao 266103, China; 3. School of Energy Science and Engineering, Central South China University, Changsha 410083，China;4.College of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061，China)

The refrigerant flow noise, especial, the capillary burst noise is the main factor affecting the sound quality of small type household refrigerators. However, the refrigerant flow noise does not receive special studying due to its higher theoretical difficulty and stronger tacit nature. Here, firstly the mechanism of the refrigerant flow noise of a certain refrigerator was studied based on the refrigerant flow characteristics theory and the fluid network theory. Then based on the theoretical analysis results, an improved design scheme for the transition pipe structure of capillary was proposed. Finally, the test results showed that this improvement can effectively suppress the burst noise of capillary outlet and reduce the overall noise level by 3dB(A).The study results enriched the noise suppression theory and the internal flow design theory of small type freezers, they provided a reference for the design of a new muffler of small type household refrigerators and improvement of their sound quality.

small type household refrigerator; flow noise; CFD; capillary; test study

山東省博士后創(chuàng)新項目專項資金(201302002)

2016-05-09 修改稿收到日期：2016-09-18

劉永輝 男，博士后，高工，1978年10月生

劉益才 男，教授，1968年9月生，E-mail: lyc0301@163.com

TB651

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.023