多联机热泵空调用电子膨胀阀因具有进出口管相互垂直的结构特性,使制冷剂具有以垂直阀针轴线方向和以平行阀针轴线方向进入电子膨胀阀两种流向形式,制冷剂在这两种流向型式下节流时产生的节流噪声具有明显差异,需要明确进出口流向控制对节流噪声的影响。本文我们就一起来探讨下这个问题。
多联机热泵空调用电子膨胀阀因具有进出口管相互垂直的结构特性,使制冷剂具有以垂直阀针轴线方向和以平行阀针轴线方向进入电子膨胀阀两种流向形式,制冷剂在这两种流向型式下节流时产生的节流噪声具有明显差异,需要明确进出口流向控制对节流噪声的影响。本文我们就一起来探讨下这个问题。
制冷剂在电子膨胀阀内存在两种流向,分别对应空调系统的制冷模式或制热模式。如图1所示,一种流向是制冷剂从与阀针轴线平行的进口管(即A管)流入,另一种流向是制冷剂从与阀针轴线垂直的进口管(即B管)流入。制冷剂从A管流入电子膨胀阀时,首先会沿着A管冲击阀针端面,然后再流进阀腔,最后再从B管流出;而制冷剂从B管流入电子膨胀阀时,首先会沿着B管流进阀腔,然后再沿着阀针端面流出,最后从A管流出。
由于制冷剂在这两种流向中的流动过程存在明显差异,使得节流噪声存在不同的发声特性。为了明确哪种制冷剂流向下的电子膨胀阀节流噪声较小,需要对比研究这两种流向下的节流噪声机理。
在制冷剂不同质量流量及干度条件下,通过观测两种流向下电子膨胀阀入口制冷剂的流型特征,并测量两种流向下电子膨胀阀节流噪声的声压级,分析两种流向下节流噪声的发声规律。
为了能够获得两种流向下的节流噪声规律,实验台需要具备三个部分的功能:
1)质量流量控制部分,用于调节流经电子膨胀阀的制冷剂流量;
2)干度控制部分,用于调节流经电子膨胀阀的制冷剂干度;
3)流型及噪声测试部分,用于对流经电子膨胀阀前的制冷剂流型进行拍摄并对节流噪声数据进行采集。实验台原理如图2所示。
质量流量控制部分由压缩机、冷凝器、蒸发器、旁通阀和质量流量计等部件组成,通过调节压缩机频率和旁通阀开度的方式实现进入电子膨胀阀的制冷剂流量的控制。
压缩机排出的含油制冷剂气体首先经过油分离器进行润滑油分离,然后流经冷凝器冷却至过冷状态,过冷态制冷剂再分别流入主回路和旁通回路;主回路内的制冷剂通过质量流量计测得其流量后进入电子膨胀阀测试段,随后与旁通回路内的制冷剂汇合;制冷剂旁通回路内来自冷凝器的部分制冷剂通过旁通阀节流,并与主回路制冷剂汇合后再进入蒸发器蒸发,然后再被压缩机吸入以完成循环。
干度控制部分由电加热器、压力传感器、温度传感器组成,通过调节电加热器的功率来调节测试回路中制冷剂干度的大小。
通过测量电加热段前的过冷制冷剂的温度及压力,计算出此时制冷剂焓值,并根据所需干度值以及电加热后的制冷剂温度及压力,计算出电加热后的制冷剂焓值,从而根据焓差调节电加热器功率,实现干度控制。
流型及噪声测试部分由隔音箱、高速摄像机、传声器、光源、可视化段、电子膨胀阀等组成。通过隔音箱消除外界环境噪声的影响,从而准确采集电子膨胀阀的节流噪声。具体实现方式为:通过调节高速摄像机和光源的布置方式,对电子膨胀阀入口管处的可视化段进行流型拍摄,同时将传声器的位置固定,采集电子膨胀阀发出的声学信号。
实验采用的制冷剂为R410A;实验工况需要覆盖多联机系统的常见运行工况,包括额定运行工况、最小运行工况及最大运行工况。主要控制参数包括干度、质量流量、阀前制冷剂压力和电子膨胀阀开度。具体参数的控制工况范围如表1所示。
1)A-B流向,即制冷剂从与阀针轴线方向平行的进口管流入电子膨胀阀;
2)B-A流向,即制冷剂从与阀针轴线方向垂直的进口管流入电子膨胀阀。
2)调节实验台中制冷剂的工况参数,确保干度及质量流量在要求的范围内;
3)在每个干度及质量流量对应的工况点下拍摄制冷剂流型并采集节流噪声的声压信号;
4)在所有工况点测试完毕后,调整电子膨胀阀流向,使制冷剂流向变为B-A流向,再次进行流型拍摄及节流噪声数据采集;
5)分析质量流量及干度对两种流向下节流噪声的影响,对比两种流向下制冷剂节流噪声的大小。
实验中需测量并处理的参数有制冷剂质量流量、阀前后压力及温度、电加热段前后制冷剂压力和温度、冷热水进口温度以及制冷剂干度。其中质量流量、温度及压力的测量可通过仪器直接测量。干度则需要通过间接测量的方法得到,首先测得电加热前后制冷剂的温度与压力,得到电加热前后制冷剂的焓值,并根据式(1)计算此时制冷剂的干度。
对于制冷剂质量流量、温度、压力以及节流噪声的声压级等直接测量的参数,其误差范围为测量仪器的仪器精度;制冷剂干度的不确定度则可通过 Moffat[20]方法计算得到。各参数误差如表2所示。
为分析两种流向下电子膨胀阀入口制冷剂流型的差异及其对节流噪声的影响,需对所有测试工况下的流型和噪声数据进行分析。表3所示为实验中所有工况点下的流型及噪声数据。
两种流向下制冷剂在各流型时的平均声压级如表4所示。可以看出,在B-A流向下,阀进口制冷剂流型包括弹状流、泡状流、搅浑流和环状流。阀进口制冷剂流型为搅浑流时,流动噪声平均声压级最高,为54.8dB。泡状流时,噪声平均声压级较小,为48.2dB。在A-B流向下,阀进口制冷剂流型包括泡状流、搅浑流和环状流。 阀进口制冷剂流型为搅浑流时,流动噪声平均声压级同样达到最大值,为65.4 dB。泡状流时平均声压级较小,为62.0 dB。
电子膨胀阀进口流型对流动噪音声压级的影响是由管内流体的压力脉动决定的。阀进口流型为泡状流时,气泡均匀分散在液相中,因而产生较低的压力脉动和噪声声压级。阀进口流型为弹状流时,由于气弹间歇出现,制冷剂在节流时会产生较高的压力脉动,冲击管壁并向外辐射噪声。阀进口流型为搅浑流时,不同大小的气块在液相中流动处于混沌状态,不可避免地会产生剧烈的压力脉动和气泡振荡,从而产生较高的噪音声压级。当阀进口流型由搅浑流转变为环状流时,液相制冷剂被压迫至管壁四周形成稳定的流动状态。压力波动降低,总体噪声声压级水平会有所下降。
两种流向下不同制冷剂干度时的制冷剂流动噪声声压级随质量流量的变化如图3所示。
由图3可知,两种流向下制冷剂流动噪声声压级随质量流量的增加总体上均呈上升趋势;相同工况下,A-B流向时产生的流动噪声声压级更大,B-A平均声压级为51.9 dB,在A-B流向下,平均声压级值为64.2 dB。声压级随质量流量的变化趋势是由气、液相各相湍流动能的变化引起的。在低质量流量时,气相和液相的速度相对较小,因此两相制冷剂的湍流动能相对较低,流动状态较为稳定,导致流动噪声的声压级较小。而进一步增大质量流量会使气相和液相的流速提高,导致两相制冷剂的湍流动能增大,湍流波动剧烈程度增加,对管壁的冲击加强,使流动噪声声压级增大。
两种流向下不同制冷剂质量流量时的流动噪声随干度的变化如图4所示。由图4可知,在B-A流向下,流动噪声声压级随着制冷剂干度的增加呈先增大后减小的趋势。在A-B流向下,只有在中间质量流量时,流动噪声声压级随着制冷剂干度的增加呈先增大后减小的趋势;小质量流量或大质量流量时,流动噪声声压级随着制冷剂干度的增加呈持续上升的趋势。
流动噪声随制冷剂干度的增加呈先增大后减小趋势的原因是此时制冷剂在阀前的流型随干度的增加经历弹状流、搅浑流、环状流的变化。A-B流向下当质量流量较小时,制冷剂流动噪声随干度的增加呈持续上升趋势的主要原因是随着干度的增加,此时阀前的流型从弹状流转变为搅浑流,未出现弹状流及环状流的情况;当质量流量较大时,制冷剂流动噪声随干度的增加呈持续上升的主要原因是此时阀前流型全为环状流,随着制冷剂干度的上升,制冷剂气液相流速均增加,流动更加剧烈导致流动噪声的增加。综合两种流向的流型及噪声数据,可知A-B流向下的制冷剂流动噪声显著高于B-A流向,两者之间同工况下噪声的最大差值为14.9dB。
为研究两种流向下由于阀腔振动对噪声的影响,需了解制冷剂在节流过程中的流动形式。由于节流过程发生在阀腔内部,无法直接观察制冷剂的流动形式,阀腔内制冷剂速度变化趋势及压降变化也不能得到准确的判断。通过仿真的方法可以对电子膨胀阀内部的流动进行模拟,从而得到制冷剂节流过程中的流动状态变化结果。
图5所示为对两种流向下制冷剂质量流量为30 kg/ h、阀前压力为1.6MPa、阀后压力为1.2MPa 工况下的阀口沿程线上的压力沿程变化曲线。 由图5可知,两种流向下制冷剂压降变化趋势不同,对于BA流向,压降的变化过程较为迅速,压降变化的距离较短。 且压力变化过程发生在阀口下游,对阀针影响较小;对于A-B流向,沿程压降存在波动的情况,阀腔内压力变化不稳定,产生相同的压降所需的距离较长。
此外压力变化过程发生在阀腔内,直接对阀针产生冲击。可知在A-B流向下制冷剂的压力变化发生在阀腔内,且压力变化过程存在波动,对阀针冲击较大,制冷剂与膨胀阀壁面耦合振动会辐射出较大噪声。
图6所示为上述工况下阀内流场的速度矢量场模拟结果。
由图6可知,两种流向下制冷剂流经阀口时的流动状态不同。在B-A流向下,制冷剂在流经阀口时的速度分布类似于射流现象,阀后制冷剂湍流动能增大,引起制冷剂压力波动并向外辐射噪声。噪声源主要在阀口下方,对膨胀阀的冲击较小,噪声类型主要为单一流体噪声;对于A-B流向,由于制冷剂直接冲击阀针后发生流动分岔,制冷剂会向整个阀腔内流动,噪声源主要在阀腔内。同时由于A-B流向下阀腔内制冷剂流动类似于淹没射流,射流边界剪切层不稳定。随着流动的发展,射流与周围液体相互作用在阀腔空间内产生明显漩涡区,漩涡脱落频率不断增大,造成流体的震荡,对阀针产生剧烈的冲击,并向外辐射流固耦合噪声。综合制冷剂压力变化过程与流动状态来看,由于阀针振动及漩涡的脱落产生额外的耦合噪声,A-B流向下的噪声声压级相比B-A流向会有显著提升,符合实验中所测得的噪声数据。
由上述实验结果可知,A-B流向下的制冷剂节流噪声远大于B-A流向,因此保证制冷剂始终以BA流向的方向进入电子膨胀阀,能够消除由于流向转变带来的额外噪声。图7所示为一种通过单向阀串并联组合的方式来保证制冷剂流动方向不变的控制方法,该方法在制冷模式和制热模式下均能够保证制冷剂始终以B-A方向流向进入电子膨胀阀。
制冷模式下,高压制冷剂从压缩机排气口流经室外换热器、电子膨胀阀B管,从电子膨胀阀A管流出后流经室内换热器进入压缩机吸气口。制冷剂在室内换热器前不流回电子膨胀阀B管的原因主要是室外换热器流出的制冷剂为高压制冷剂,在压差的作用下阻止了制冷剂向电子膨胀阀B管的流动。
制热模式下,高压制冷剂从压缩机排气口流经室内换热器、电子膨胀阀B管,从电子膨胀阀A管流出后流经室外换热器进入压缩机吸气口。制冷剂在流出电子膨胀阀B管后不流向室内换热器的原因是此时室内换热器流出的制冷剂为高压制冷剂,在压差的作用下阻止了制冷剂向室内换热器的流动。
