制冷劑流態(tài)對短管節(jié)流閥噪音影響的實驗研究

郜哲明，周紹華，詹飛龍，丁國良，張浩，劉艷濤

（1-廣東美的制冷設備有限公司，廣東佛山 528311；2-上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

0 引言

隨著家用空調器普及程度逐漸提高，消費者對空調噪音品質的要求也在逐漸提高[1-3]。對于家用空調器產品的設計，除了要有好的性能和安全指標外，還需要降低空調器的噪音[4-6]?？照{器運行時產生的噪音源包括壓縮機、風機、換熱器和管路系統(tǒng)等；而隨著壓縮機和風機技術的不斷發(fā)展，壓縮機振動噪音及風機氣動噪音的降噪措施不斷得到完善，使得管路系統(tǒng)中的制冷劑流動噪音逐漸成為空調器的主要噪聲源[7-8]。

制冷劑流動噪音容易出現在制冷劑狀態(tài)變化比較劇烈的部件中。在整個空調管路系統(tǒng)中，節(jié)流元件是導致制冷劑壓力變化最大的部件；而短管節(jié)流閥作為一種家用空調器中廣泛使用的節(jié)流元件，其節(jié)流噪音是空調管路系統(tǒng)制冷劑噪音的主要來源。制冷劑流經短管節(jié)流閥時，由于流道截面突縮突擴，制冷劑狀態(tài)從進口的高壓態(tài)節(jié)流成低壓態(tài)，這個劇烈的狀態(tài)變化可能產生兩相流噪音。為了能夠降低短管節(jié)流閥中的制冷劑流動噪音，必須首先掌握制冷劑節(jié)流噪音的發(fā)聲機理。

短管節(jié)流閥內制冷劑節(jié)流噪聲的發(fā)聲機理與兩相制冷劑的流動型態(tài)密切相關。兩相制冷劑在管路中的基本流型涵蓋分層流、彈狀流、環(huán)狀流和泡狀流等。已有針對空調管路系統(tǒng)中制冷劑流動噪音的研究表明，管路入口處形成的兩相制冷劑間歇流型或彈狀流型是引起節(jié)流元件產生流動噪音的最主要原因[9]。當管路中的兩相制冷劑流型由穩(wěn)定的分層流或環(huán)狀流向不穩(wěn)定的間歇流或彈狀流轉化時，流動噪音的聲壓級強度明顯加強[10]。因此，掌握短管節(jié)流閥內制冷劑流動噪音發(fā)聲機理的關鍵是了解節(jié)流閥兩相制冷劑流型的變化規(guī)律。

現有針對兩相制冷劑流型的研究通常是為了獲得流型圖以及各流型之間的轉化條件[11-14]，缺乏流型變化對流動噪音影響規(guī)律的研究。LI等[15]研究了R32在水平管道內的冷凝換熱特性，實驗觀察到了塞狀流、彈狀流、波狀流和環(huán)狀流等流型以及這些流型之間的轉化條件，并與經典Yang-Shieh經驗流型圖進行了對比。JIGE等[16]研究了R32在不同管徑的水平光管內流動沸騰換熱特性，結果表明在不同管徑條件下流型圖差異較大。

現有針對節(jié)流元件內的流動噪音機理的研究主要是針對電子膨脹閥或熱力膨脹閥，缺乏對于短管節(jié)流閥內的流動噪音機理的研究。對于電子膨脹閥，兩相制冷劑流經電子膨脹閥時產生的壓力劇變是導致流動噪音的根本原因[17]；兩相制冷劑通過節(jié)流段時產生的瞬時壓降越大，制冷劑中的氣泡振蕩及破裂程度就越劇烈，輻射的噪音就越強[18]。對于熱力膨脹閥，除了壓力劇烈變化引起流動噪音外，閥體共振也是引起噪音的主要因素[19]。

本文的目的是對家用空調器中常用的短管節(jié)流閥的流動噪音特性進行實驗研究，分析制冷劑流動狀態(tài)對流動噪音影響的規(guī)律，為指導整機降噪提供設計依據。

1 短管節(jié)流閥流動噪音實驗方法

1.1 實驗目的

本實驗的目的是，在常見的制冷劑工況和入口流型條件下，測量流經短管節(jié)流閥的制冷劑流動噪音，分析流動噪音的發(fā)聲規(guī)律。變化的制冷劑工況參數包括入口流量和入口干度，入口流型變化包括層狀流、彈狀流、環(huán)狀流和泡狀流等基本兩相流型。

1.2 流動噪音測試方案

通過調節(jié)制冷劑工況參數，引導制冷劑進入節(jié)流閥測試段，觀測制冷劑流動型態(tài)并測量流動噪音。整個流動噪音測試裝置包括噪音測試段和制冷劑循環(huán)系統(tǒng)兩個部分，如圖1所示。

圖1 節(jié)流閥內流動噪音測試裝置

噪音測試段用于向短管節(jié)流閥測試樣件提供具有一定干度和流型的制冷劑，并測量流經短管節(jié)流閥的制冷劑流動噪音。從制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中引入的單相制冷劑首先通過預加熱段進行加熱，形成具有一定干度的兩相制冷劑；然后兩相制冷劑進入可視化段中，并通過外部的攝像機來對兩相制冷劑的流型進行拍攝；隨后兩相制冷劑進入到節(jié)流閥中，其中節(jié)流閥被隔音箱罩住，并通過聲級計來對節(jié)流閥內的流動噪音聲壓級及頻譜進行采集。

制冷劑循環(huán)系統(tǒng)用于提供具有一定流量和壓力的R410A制冷劑，包括制冷劑回路和冷卻水回路，如圖2所示。制冷劑回路由壓縮機系統(tǒng)、冷凝段、過冷器、儲液罐系統(tǒng)、蒸發(fā)段和過熱器等設備組成，實現制冷劑的蒸發(fā)與冷凝過程。壓縮機出口的高溫高壓氣體依次經過冷凝段和過冷器后被冷卻為過冷液體，并儲存在儲液罐系統(tǒng)中；來自儲液罐系統(tǒng)中的制冷劑液體通過制冷劑質量流量計后依次經過蒸發(fā)段和過熱段，被加熱成過熱氣體，并回到壓縮機系統(tǒng)內完成循環(huán)。冷卻水回路由水箱、冷水機組和水泵等設備組成，為制冷劑回路提供所需的冷量。水箱中的冷水經變頻水泵增壓、針閥調節(jié)流量后進入過冷器將過熱氣體冷卻為過冷液態(tài)，之后回到水箱完成循環(huán)。水箱與冷水機組相連保證水箱內水溫恒定。

圖2 制冷劑循環(huán)系統(tǒng)原理

從制冷劑循環(huán)系統(tǒng)進入到噪音測試段的制冷劑入口點設置在儲液罐系統(tǒng)中的制冷劑質量流量計的末端，從噪音測試段返回到制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑出口點設置在制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)段末端。

1.3 實驗樣件與工況

實驗樣件為家用空調器中常用的短管節(jié)流閥，如圖3所示。在制冷劑從右往左流動過程中，制冷劑驅動閥芯移動至閥座的左端，此時閥座外部的通流孔處于關閉狀態(tài)，制冷劑只能從閥芯內部的通流孔流出，此時節(jié)流閥起到節(jié)流作用。反之，在制冷劑從左向右流動過程中，制冷劑驅動閥芯移動至閥座的右端，此時閥座外部的通流孔處于打開狀態(tài)，且由于該通流孔的面積大于閥芯內部的通流面積，使得制冷劑經閥座外部通流孔流動時的阻力小于制冷劑經閥芯內部流動時的阻力，因此制冷劑將主要從閥座外部的通流孔流動，此時節(jié)流閥不起到節(jié)流作用。測試工況：制冷劑流量調節(jié)范圍為7~120 kg/h，制冷劑壓力調節(jié)范圍為1.5~3 MPa，制冷劑干度的調節(jié)范圍為0~0.5。

圖3 實驗樣件

1.4 流型可視化的方法

為了觀測進入節(jié)流閥的制冷劑流型，需要在節(jié)流閥測試段的入口處安裝可視化段?？梢暬涡枰獫M足：1）具有足夠大的耐壓強度，保證能夠承受制冷劑的工作壓力；2）具有足夠的透光性，能夠準確識別兩相制冷劑在可視化段內的流型。

采用可伐合金與石英焊接的方式制作了可視化段，該可視化段經高壓氮氣保壓測試后表明其完全可承受4 MPa的壓力。同時石英材質具有良好的透光性，可清晰地分辨出兩相流體在管道內的層狀流、彈狀流、環(huán)狀流和泡狀流等基本流型的區(qū)別。該可視化段的結構及其安裝方式如圖4所示，其安裝在預加熱段與節(jié)流閥入口處之間。

圖4 可視化段的結構及其安裝方式

1.5 流動噪音測量方法

為了能夠測量得到制冷劑流經節(jié)流閥本體時產生的流動噪音，需要使用隔音箱來隔斷外界環(huán)境噪音的干擾，如圖5所示。通過收集隔音箱內部節(jié)流閥產生的聲音，并對聲音進行頻譜和聲壓級分析，來判斷流動噪音的大小。

圖5 流動噪音的測試方法

2 數據處理與誤差分析

2.1 數據處理方法

實驗通過調節(jié)壓縮機頻率、流量調節(jié)閥以及旁通路中的氣動調節(jié)閥來協(xié)同控制制冷劑流量；通過調節(jié)冷凝器中的進水溫度和壓力調節(jié)閥對制冷劑的閥前壓力進行控制。

通過溫度傳感器和壓力傳感器可以確定該位置處制冷劑的焓值h1，認為可視化段管路沒有壓損及漏熱，由壓力傳感器和所需控制的干度值可以確定可視化段內制冷劑焓值h2，則可計算出電加熱需要提供的熱量。通過調節(jié)電加熱的輸出熱量獲得試驗所需的不同干度的制冷劑：

式中，Q為電加熱量，W；qm為制冷劑質量流量，kg/s。

2.2 誤差分析

實驗參數包括直接測量參數與間接計算參數，直接測量參數誤差通過實驗儀器精度可得，間接計算參數為電加熱量，通過MOFFAT等[20]方法可得，如表1所示。

表1 儀器測量精度及計算參數誤差分析

3 實驗結果與分析

3.1 不同入口流型的影響

本文通過改變節(jié)流閥前制冷劑的質量流量或干度，獲得4種常見的兩相制冷劑流型工況（表2）。測得4種工況下的噪音水平如圖6所示?？芍谙嗤馁|量流量下，泡狀流的噪音水平最小，波紋環(huán)狀流的噪音水平最大。此外，雖然彈狀流型的質量流量最小，但其產生的噪音最大。

表2 4種流型對應工況

圖6 對噪音聲壓級的影響

當制冷劑兩相流型為環(huán)狀流及泡狀流時，對應制冷劑的流動處于穩(wěn)定連續(xù)的狀態(tài)，故兩相制冷劑在流經節(jié)流閥時產生的噪音水平較小，且相同質量流量下，隨著干度的增加，氣相流速加快，沖擊管壁及閥芯強度增大，從而噪音有所增大。當制冷劑兩相流型為泡狀流時，對應制冷劑的流動處于不穩(wěn)定且非連續(xù)的狀態(tài)，氣液兩相流體持續(xù)高頻間隔的撞擊閥針，且氣液相間斷的通過閥芯孔時產生高頻振蕩，從而輻射出的噪音最大。

3.2 不同入口流量的影響

圖7所示為干度為0.1，閥前壓力為2.05 MPa時，質量流量對噪音聲壓級的影響。相同干度及閥前壓力時的4個工況下的流型均為環(huán)狀流。由圖7可知，流型同為環(huán)狀流時，最大與最小噪音均隨著質量流量的增加而增加。當質量流量由25 kg/h增大到40 kg/h時，流動噪音的最大聲壓級和平均聲壓級分別增大10.5%和8.5%。

圖7 質量流量對噪音聲壓級的影響

對于環(huán)狀流型，流速較快且流動連續(xù)，制冷劑基本處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，故經過節(jié)流閥時產生的噪音較小，隨著質量流量的增加，流速加快，流體沖擊管壁及閥芯的強度增大，從而使得噪音水平隨質量流量的增加而增加。

3.3 不同入口干度的影響

圖8所示為質量流量為20 kg/h，閥前壓力為2 MPa，干度對噪音聲壓級的影響。實驗觀測到對應干度的流型依次為彈狀流（干度0.05）、彈狀流（干度0.10）、環(huán)狀流（干度0.15）、環(huán)狀流（干度0.20）。由圖8可知，在同為彈狀流時，最大最小噪音隨著干度的增加而增加，同為環(huán)狀流時，最大最小噪音隨著干度的增加而增加。且容易發(fā)現彈狀流型時的噪音更大。干度由0.05增大到0.20時，流動噪音的最大聲壓級和平均聲壓級分別先增大6.4%和5.5%，后減小11.5%和9.5%，表明存在一個可使流動噪音最大的臨界干度值。

圖8 干度對噪音聲壓級的影響

對于彈狀流型，其流動為非連續(xù)的不穩(wěn)定流動，在流經節(jié)流閥閥芯時，會持續(xù)高頻撞擊閥針，且氣液相間斷的通過閥芯孔時產生高頻振蕩，從而輻射出更大的噪聲。同為彈狀流時，隨著干度的增加，氣柱長度變長、不穩(wěn)定性增強，從而噪音隨干度的增加而變大。同為環(huán)狀流時，隨著干度的增加，氣相流速加快，從而沖擊噪音增大。

4 降低節(jié)流閥內流動噪音的思路

通過控制節(jié)流元件入口處的兩相制冷劑流型，可以降低節(jié)流元件內流動噪音。控制兩相制冷劑流型的方式主要包括設置流型抑制器和改變制冷劑流速這兩種。設置流型抑制器的方式通常是在節(jié)流元件入口處增加一個多孔介質器件[21]，將管路中的液彈或氣彈進行割裂，破壞彈狀流型并促使其向其他流型轉化，從而達到降噪的目的；多孔介質器件的目數越高則流型破壞作用越明顯，但會加劇多孔介質器件的堵塞風險。另一種流型控制方式是通過提高兩相制冷劑中的氣相流速來壓迫液相向四周壁面聚集、甚至將液彈沖破成離散的液滴，實現將彈狀流型轉化為環(huán)狀流型或者泡狀流型，從而達到消除異音的目的。本文基于改變制冷劑流速的方式對節(jié)流元件的管組結構進行了優(yōu)化設計，研究發(fā)現優(yōu)化的結構在相同的異音工況下能夠降低2 dB以上，表明通過優(yōu)化管組結構可以達到降噪的效果。

5 結論

本文設計并搭建了短管節(jié)流閥內流動噪音測試實驗臺，研究了制冷劑流型、入口流量和入口干度對流動噪音的影響規(guī)律，得出如下結論：

1）當短管節(jié)流閥入口為兩相制冷劑狀態(tài)時，不穩(wěn)定彈狀流型是導致短管節(jié)流閥流動噪音聲壓級增大的最主要流型，泡狀流型對流動噪音的影響最小；

2）增大入口制冷劑質量流量會增大流動噪音；在兩相制冷劑流型均為環(huán)狀流型的條件下，質量流量由25 kg/h增大到40 kg/h時，流動噪音的最大聲壓級和平均聲壓級分別增大5%和12.5%；

3）隨著入口干度的增大，流動噪音先增大后減小；在兩相制冷劑流型均為彈狀流型的條件下，干度由0.05增大到0.20時，流動噪音的最大聲壓級和平均聲壓級分別先增大6%和3%，后減小6%和13%；

4）通過對入口兩相制冷劑的流型進行控制，將不穩(wěn)定彈狀流型轉變?yōu)榉€(wěn)定的環(huán)狀流型或泡狀流型，可以實現降噪效果。