應(yīng)用容積可變轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的多聯(lián)機(jī)空調(diào)降噪研究

施清清，趙旭敏，2，3，周伯儒，葉曉飛，丁少鵬

（1.珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070；2.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519000；3.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519000）

0 引言

容積可變轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)可以通過(guò)變?nèi)莨苈分兄评鋭└叩蛪毫D(zhuǎn)換，控制增容氣缸滑片的制動(dòng)和運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)增容氣缸的卸載和工作，快速實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣缸工作容積的大幅轉(zhuǎn)變［1］。多聯(lián)機(jī)空調(diào)應(yīng)用容積可變轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，能有效解決普通多聯(lián)機(jī)空調(diào)綜合能效偏低問題及制熱能力不足的問題［2］，但其制熱工作過(guò)程中容易出現(xiàn)室內(nèi)機(jī)管路脈動(dòng)嗡嗡噪聲及室外機(jī)壓縮機(jī)啟動(dòng)不連續(xù)撞擊噪聲。本文針對(duì)上述2 種噪聲進(jìn)行研究，并對(duì)降噪設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了降噪方案的可行性。

1 室內(nèi)機(jī)噪聲機(jī)理研究及方案驗(yàn)證

1.1 機(jī)理研究

容積可變轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)搭配多聯(lián)機(jī)空調(diào)，在制熱工作過(guò)程中，壓縮機(jī)需要雙缸運(yùn)行來(lái)保證較大的制熱量，此時(shí)系統(tǒng)高壓閥開啟，低壓閥關(guān)閉，變?nèi)莨艿母邏涸催B接在油分與室內(nèi)機(jī)之間［3-4］，如圖1 所示。變?nèi)莨苤械母邏褐评鋭榕艢夤苤械母邏褐评鋭┩ㄟ^(guò)油分后注入，變?nèi)莨芎团艢夤芫c室內(nèi)機(jī)聯(lián)通，變?nèi)莨苤械母邏褐评鋭┐_保了滑片可以抵住滾子并做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制增容氣缸壓縮制冷劑工作得以正常運(yùn)行，其中壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 制熱運(yùn)行原理Fig.1 Schematic diagram of heating operation

圖2 壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Compressor internal structure diagram

容積可變轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)搭配多聯(lián)機(jī)空調(diào)在制熱運(yùn)行過(guò)程中，室內(nèi)出現(xiàn)不連續(xù)共振嗡嗡聲，聲音品質(zhì)較差。通過(guò)排查發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)吊頂里面的制冷劑流通管路嗡嗡聲明顯，觸摸脈沖振感較大。

在額定制熱工況下，即室內(nèi)側(cè)20 ℃，室外側(cè)7 ℃，以壓縮機(jī)運(yùn)行頻率79 Hz 為例，對(duì)制冷劑流通管路進(jìn)行近聲場(chǎng)噪聲測(cè)試，噪聲頻譜如圖3 所示。其FFT 噪聲頻譜特性為79 Hz 峰值和158 Hz 峰值凸顯，大小分別為31.0 dB 和24.7 dB，且凸顯噪聲峰值頻率為壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的整數(shù)1，2 倍頻。

圖3 79 Hz 近聲場(chǎng)FFT 噪聲頻譜Fig.3 Noise spectrum of near sound field FFT at 79 Hz

通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率發(fā)現(xiàn)，隨著頻率升高，制冷劑流通管路觸摸脈沖振感越強(qiáng)，室內(nèi)共振嗡嗡聲越大，且頻譜上其1，2 倍頻峰值增大，見表1。

表1 不同頻率1，2 倍頻峰值Tab.1 One or two times the peak frequency of different frequencies

經(jīng)過(guò)分析，在此過(guò)程中滑片高速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)變?nèi)莨苤械闹评鋭┊a(chǎn)生反向沖擊，產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)通過(guò)變?nèi)莨苤苯觽鞑サ绞覂?nèi)制冷劑流通管路，激發(fā)管路振動(dòng)，產(chǎn)生共振嗡嗡聲音，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率越高，產(chǎn)生的反向沖擊越大，壓力脈動(dòng)越大，與前面分析對(duì)應(yīng)。

1.2 方案驗(yàn)證

基于以上現(xiàn)象和機(jī)理研究分析，特制定以下2 個(gè)方案進(jìn)行降噪驗(yàn)證，方案1：關(guān)閉高壓閥；方案2：優(yōu)化變?nèi)莨苈泛褪覂?nèi)吊頂管路的相對(duì)聯(lián)接位置。

1.2.1 關(guān)閉高壓閥

結(jié)合現(xiàn)象和機(jī)理研究分析，試驗(yàn)確定了空調(diào)制冷劑壓力脈動(dòng)的噪聲發(fā)生源。對(duì)測(cè)試多聯(lián)機(jī)空調(diào)的高壓電磁閥手動(dòng)關(guān)閉處理，室內(nèi)不連續(xù)共振嗡嗡聲完全消失，聲品質(zhì)較好。根據(jù)室內(nèi)機(jī)近聲場(chǎng)FFT 測(cè)試頻譜，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的1，2 倍頻噪聲峰值分別由31.0，24.7 dB 下降為10.6，10.7 dB，改善效果非常明顯，頻譜如圖4 所示。進(jìn)一步打開高壓閥試驗(yàn)，室內(nèi)不連續(xù)共振嗡嗡聲出現(xiàn)，室內(nèi)機(jī)近聲場(chǎng)FFT 測(cè)試頻譜同樣如圖3 所示。

圖4 室內(nèi)側(cè)近聲場(chǎng)FFT 頻譜Fig.4 Indoor near sound field FFT noise spectrum

1.2.2 優(yōu)化變?nèi)莨苈泛褪覂?nèi)吊頂管路的相對(duì)聯(lián)接位置

1.2.2.1 模型建立

為保證仿真計(jì)算模型與實(shí)際模型的一致性，本文根據(jù)分塊劃分的思想進(jìn)行流場(chǎng)網(wǎng)格劃分，劃分采用四面體和六面體網(wǎng)格結(jié)合的方式。為滿足計(jì)算收斂性及準(zhǔn)確性，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格質(zhì)量保證在0.3 以上。由于油分濾網(wǎng)部分較薄，此處不劃分網(wǎng)格，在后面計(jì)算設(shè)置時(shí)以濾網(wǎng)邊界設(shè)置。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格模型Fig.5 Mesh model

1.2.2.2 計(jì)算設(shè)置

本文仿真采用單相流計(jì)算，模擬流體材料選取R410A 冷媒，流體變密度可壓縮。湍流模型采用工程常用的RNG k-ε雙方程湍流模型，非穩(wěn)態(tài)過(guò)程求解瞬時(shí)的壓力脈動(dòng)；有限容積法進(jìn)行空間離散、非耦合隱式方案求解；對(duì)流項(xiàng)采用中心差分格式；采用SIMPLE 求解器進(jìn)行壓力-速度耦合問題計(jì)算。

邊界條件設(shè)定如下：入口邊界給定壓力邊界，根據(jù)前期流固耦合計(jì)算所得的變?nèi)莨蕹隹趬毫γ}動(dòng)編寫文件輸入（即為改進(jìn)前A 處壓力脈動(dòng)曲線所示），溫度為95 ℃；出口為速度邊界，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)得流量及管路截面積計(jì)算所得。通過(guò)監(jiān)測(cè)粗管出口壓力，得到其壓力變化曲線，即為改進(jìn)后高壓源位置A 測(cè)的相對(duì)壓力脈動(dòng)；轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)79 Hz（4 740 r/min）恒定頻率運(yùn)行；濾網(wǎng)邊界條件：壓力階躍模型（porous-jump），其模型僅考慮濾網(wǎng)帶來(lái)的壓降，適用于流動(dòng)阻力壓降及損失功耗的計(jì)算，其壓降公式如下：

其中壓力損失包括黏性損失和慣性損失，α是多孔介質(zhì)的滲透率，表示膜的滲透性大小，它的倒數(shù)叫做黏性阻力系數(shù)；C2即慣性阻力系數(shù)又叫做壓強(qiáng)躍升系數(shù)，Δm 為濾網(wǎng)厚度。本次仿真設(shè)置滲透率α為2.7×1010，濾網(wǎng)厚度Δm 為0.000 1 m，壓力階躍系數(shù)C2為0（即忽略慣性損失）。

1.2.2.3 結(jié)果分析

對(duì)空調(diào)油分進(jìn)口、出口進(jìn)行壓力脈動(dòng)變化仿真，仿真云圖如圖6 所示，壓力脈動(dòng)變化如圖7 所示，改進(jìn)前后出口/進(jìn)口壓力脈動(dòng)從106.60%下降至31.51%，降低70%，脈動(dòng)改善明顯。

圖6 油分內(nèi)部壓力脈動(dòng)仿真云圖Fig.6 Simulation nephogram of oil internal pressure pulsation

圖7 高壓源位置管路壓力脈動(dòng)Fig.7 Pipeline pressure pulsation at high pressure source position

根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化變?nèi)莨苈泛褪覂?nèi)吊頂管路的相對(duì)聯(lián)接位置，將變?nèi)莨艿母邏涸丛O(shè)置在油分前，如圖8 所示。高壓閥開啟后，變?nèi)莨艿母邏褐评鋭┓聪驔_擊首先通過(guò)油分，管路內(nèi)部壓力脈動(dòng)通過(guò)油分進(jìn)行緩沖再進(jìn)入到室內(nèi)流通管路，從而降低制冷劑壓力脈動(dòng)對(duì)室內(nèi)流通管路的影響，降低管路的振動(dòng)，室內(nèi)不連續(xù)共振嗡嗡聲亦消失，聲品質(zhì)較好。

圖8 改進(jìn)方案Fig.8 Improvement scheme

同時(shí)將高壓源位置由A 改進(jìn)到B，測(cè)試改進(jìn)方案室內(nèi)機(jī)近聲場(chǎng)噪聲，其噪聲頻譜壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的1，2 倍頻噪聲峰值分別從31.0，24.7 dB 下降到17.8，13.5 dB，改善效果非常明顯。改進(jìn)方案FFT 噪聲頻譜如圖9 所示。

圖9 改進(jìn)方案室內(nèi)側(cè)近聲場(chǎng)FFT 頻譜Fig.9 An improved scheme of indoor near sound field FFT noise spectrum operating at the frequency

1.3 小結(jié)

空調(diào)制熱工況運(yùn)行，容積可變壓縮機(jī)雙缸運(yùn)行，高壓電磁閥打開，排氣管直接聯(lián)通壓縮機(jī)變?nèi)萸唬够梢噪S滾子進(jìn)行周期性直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中滑片對(duì)變?nèi)莨苈穬?nèi)部高壓制冷劑產(chǎn)生反向沖擊，反向沖擊產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)通過(guò)變?nèi)莨苓M(jìn)一步傳播到室內(nèi)制冷劑流通管路，激發(fā)管路振動(dòng)，產(chǎn)生共振嗡嗡聲音，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率越高，產(chǎn)生的反向沖擊越大，壓力脈動(dòng)越大，激勵(lì)也會(huì)隨之增大，室內(nèi)機(jī)嗡嗡聲越加明顯。關(guān)閉高壓電磁閥后，室內(nèi)機(jī)嗡嗡聲消失，確定了機(jī)理分析的準(zhǔn)確性。

通過(guò)優(yōu)化變?nèi)莨苈泛褪覂?nèi)吊頂管路的相對(duì)聯(lián)接位置，設(shè)置變?nèi)莨苈犯邏洪y在油分前，通過(guò)油分緩沖壓縮機(jī)變?nèi)萸换姆礇_脈動(dòng)，從而降低室內(nèi)機(jī)管路的制冷劑脈動(dòng)，減少脈動(dòng)對(duì)室內(nèi)管路的振動(dòng)激勵(lì)，從而降低1，2 倍頻噪聲峰值，消除室內(nèi)不連續(xù)共振嗡嗡聲。

2 室外機(jī)噪聲機(jī)理研究及方案驗(yàn)證

2.1 機(jī)理研究

容積可變轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)搭配多聯(lián)機(jī)空調(diào)在制熱運(yùn)行過(guò)程中，外機(jī)開機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)壓縮機(jī)異響，現(xiàn)場(chǎng)噪聲時(shí)頻信號(hào)采集如圖10 所示，分析為壓縮機(jī)內(nèi)部不連續(xù)撞擊噪聲。通過(guò)空調(diào)吸氣管路聯(lián)接可視化玻璃透鏡，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)處于吸氣帶液的狀態(tài)，分析為壓縮機(jī)氣缸壓縮液體運(yùn)行，導(dǎo)致滾子和滑片時(shí)而脫離、時(shí)而接觸，產(chǎn)生金屬撞擊噪聲［5-11］。

圖10 時(shí)頻信號(hào)Fig.10 Time-frequency signal

進(jìn)一步分別測(cè)試壓縮機(jī)上氣缸和下氣缸滑片尾部處外殼振動(dòng)加速度，發(fā)現(xiàn)其下氣缸滑片處振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)與壓縮機(jī)運(yùn)行頻率相同的間歇波動(dòng)，且時(shí)域信號(hào)振動(dòng)加速度幅值達(dá)800 m/s2，測(cè)試頻譜如圖11 所示。上氣缸滑片處沒有該現(xiàn)象出現(xiàn)，振動(dòng)加速度測(cè)試正常，確定了該不連續(xù)金屬撞擊噪聲主要由下氣缸產(chǎn)生。

圖11 振動(dòng)加速度Fig.11 Vibration acceleration

2.2 方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間低溫不工作時(shí)，壓縮機(jī)內(nèi)部和空調(diào)管路累積一定量的液態(tài)制冷劑?？照{(diào)低溫啟動(dòng)時(shí)吸排氣溫度較低，液態(tài)制冷劑難以快速氣化，壓縮機(jī)制熱工作過(guò)程，下氣缸吸入液態(tài)制冷劑，由于液體不能壓縮，且此時(shí)排氣壓力也較小，變?nèi)莨苈分械闹评鋭毫o(wú)法保證滑片抵住滾子并做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致滾子和滑片脫離。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，空調(diào)低溫啟動(dòng)時(shí)，先關(guān)閉高壓閥，此時(shí)壓縮機(jī)僅上氣缸運(yùn)行，沒有不連續(xù)撞擊噪聲產(chǎn)生。運(yùn)行3～5 min 后，壓縮機(jī)排氣溫度和壓力上升，此時(shí)通過(guò)觀察試可視化玻璃透鏡，沒有液態(tài)制冷劑流動(dòng)。打開高壓閥，下氣缸參與工作，同樣沒有出現(xiàn)不連續(xù)異響。測(cè)試下氣缸滑片處外殼位置振動(dòng)加速度，其時(shí)域信號(hào)幅值為45 m/s2，如圖12 所示。改進(jìn)前為800 m/s2，改進(jìn)后降低了94.4%。

圖12 振動(dòng)加速度Fig.12 Vibration acceleration

2.3 小結(jié)

多聯(lián)機(jī)空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間低溫靜置后，在制熱啟動(dòng)過(guò)程中，由于空調(diào)管路和壓縮機(jī)內(nèi)部均存在一定量的液態(tài)制冷劑，且排氣溫度和壓力均較低，雙缸工作時(shí)，下氣缸容易發(fā)生滾子和滑片脫離，產(chǎn)生不連續(xù)撞擊噪聲。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，空調(diào)啟動(dòng)過(guò)程先單缸運(yùn)行3～5 min，此時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度和壓力上升，減少液態(tài)制冷劑的含量并保證變?nèi)莨苈分械闹评鋭毫梢钥刂苹肿L子并做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再打開高壓閥，轉(zhuǎn)換雙缸運(yùn)行，可以有效控制異響。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)用容積可變轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的多聯(lián)機(jī)空調(diào)具有明顯的綜合能效優(yōu)勢(shì)，本文研究解決了制熱工作過(guò)程中出現(xiàn)的室內(nèi)機(jī)管路脈動(dòng)嗡嗡噪聲及室外機(jī)壓縮機(jī)啟動(dòng)不連續(xù)撞擊噪聲。

（2）確定了室內(nèi)機(jī)管路脈動(dòng)嗡嗡噪聲主要原因是，多聯(lián)機(jī)空調(diào)在高速運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)增容氣缸產(chǎn)生的反向制冷劑壓力脈動(dòng)通過(guò)變?nèi)莨苈穫鬟f到室內(nèi)吊頂管路，激發(fā)吊頂管路振動(dòng)，引起室內(nèi)共振嗡嗡聲。通過(guò)優(yōu)化變?nèi)莨苈泛褪覂?nèi)吊頂管路的相對(duì)聯(lián)接位置，利用油分可有效緩沖壓縮機(jī)增容氣缸產(chǎn)生的反向制冷劑壓力脈動(dòng)往室內(nèi)吊頂管路的傳播，從而大大降低了吊頂管路振動(dòng)?？照{(diào)油分進(jìn)出口壓力脈動(dòng)降低70%，噪聲頻譜壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的1，2 倍頻噪聲峰值分別降低13.2，11.2 dB，有效改善了室內(nèi)共振嗡嗡聲。

（3）確定了室外機(jī)壓縮機(jī)啟動(dòng)不連續(xù)撞擊噪聲主要原因是，多聯(lián)機(jī)空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間低溫靜置后，在制熱啟動(dòng)過(guò)程中，由于空調(diào)管路和壓縮機(jī)內(nèi)部均存在一定量的液態(tài)制冷劑，且排氣溫度和壓力均較低，啟動(dòng)即雙缸工作時(shí)，下氣缸容易發(fā)生滾子和滑片脫離，產(chǎn)生不連續(xù)撞擊噪聲。空調(diào)啟動(dòng)過(guò)程先單缸運(yùn)行3～5 min，此時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度和壓力上升，減少了液態(tài)制冷劑的含量，再打開高壓閥，轉(zhuǎn)換雙缸運(yùn)行，測(cè)得下氣缸滑片處外殼位置振動(dòng)加速度，其時(shí)域信號(hào)幅值從800 m/s2減小至45 m/s2，降低了94.4%，撞擊聲消失，不連續(xù)撞擊異響得以有效控制。