空调器排气管消音器的选型设计与应用

2018-07-14李宗攀杨晓孙龙管丽萍

家电科技 2018年6期

李宗攀　杨晓　孙龙　管丽萍

青岛海尔空调器有限总公司　山东青岛　266000

1　引言

一般情况下，空调器噪音的来源主要有两个方面，一是正常范围内的空调噪音，二是异常噪音。由于空调器内在设计结构的原因，正常噪音是无法消除和避免的，在一定的噪音范围内不会影响空调的舒适度[1]。但是空调设计者可以通过技术的改进减小空调正常噪音，不断提高空调的舒适度。异常噪音主要是由于空调设计不合理以及其他人为原因造成的，这种异常噪音是可以避免和消除的。空调运行过程中产生的异常噪音主要有：风扇和风道设计不合理产生的异常噪音；电机运转产生的电磁噪音；管路设计不合理产生的压缩机噪音；装置控制不科学导致的异常噪音；外部机器共振形成的噪音，以及本文要研究的压缩机运转产生的脉动“嗡嗡”声。上述异常噪音可以通过合理的结构设计以及技术改进减小，而压缩机的传响一直没有得到解决，直接影响到空调器的品质。

空调器产生“嗡嗡”声的原因主要有：空调器本身运转时共振产生的“嗡嗡”声；压缩机运转时冷媒在管路系统内的压力以一定的频率激励管路系统而产生的脉动“嗡嗡”声。对于共振产生的“嗡嗡”声可以通过改变空调器本身结构固有频率（如改变管路配重）来改善，而压缩机运转产生的脉动“嗡嗡”声则需要找出脉动频率尖峰，再通过消除脉动频率尖峰来消除。

针对上述问题，本文利用频谱分析技术，分离出压缩机传响对应的频率，探明“嗡嗡”声产生的根源，进而根据分离出来的频率频段，提出在排气管上设置适宜的消音器技术方案，优化设计。实验研究表明，该方法切实有效，极大地改善空调器的声音品质。

2　消音器的选型设计

消音器的种类很多，如图1所示，主要分为三大类，阻性消音器、抗性消音器和复合式消音器等。阻性消音器是一种吸收型消音器，它是利用声波在多孔性吸声材料中传播时，因摩擦将声能转化为热能而散发掉的原理，达到消音的目的。抗性消音器与阻性消音器不同，它不使用吸声材料，而是依靠管道截面的突变或连接共振腔等在声音传播过程中引起阻抗的改变而产生声能的反射、干涉及共振吸声来降低消音器向外辐射的声能，达到消音的目的。从能量转换角度看，阻性消音器采用的是能量转换（即通过做功将声能转换成热能）的方法以降低消音器出口处声音的能量，而抗性消音器则是利用声能转移的方法以降低消音器出口处声音的能量。由于吸声材料的价格不低，阻性消音器的成本远高于抗性消音器，故目前空调器广泛使用抗性消音器。

目前空调制冷系统中最常用的消音器是膨胀式消音器，即扩张室式消音器，其主要参数是消音器的长度和扩张比。

单节扩张室式消音器的传声损失为[2]：

λ——脉动噪音的波长，单位m；

l——消音器长度，单位m；

m——消音器的扩张比，m=s2/s1；

s1——连接管截面面积；

s2——扩张室截面面积。

根据（1）式可知，管道截面收缩m倍或扩张m倍，其消音作用是相同的，工程中为减小气流阻力，常用的是扩张管。当kl=(2n+1)π/2时，sin(kl)=1，此时消音量达最大值，即最大消音量为：

此时，由kl=(2n+1)π/2可以得出消音器长度一般计算公式，将k=2π/λ代入可得消音器长度计算公式：

式中：c——脉动噪音在冷媒中的传播速度，单位m/s；

在公式（3）中n=0时，消音器长度的常用计算公式为：

由公式（3）和公式（4）不难理解根据公式（4）计算消音器长度的1、3、5、7等奇数倍可以起到相同的消音效果。

根据公式（3）和公式（4）计算消音器长度，则需要确定脉动声波的音速c和频率f。频率f可通过频谱分析确定，即噪声功率谱上噪声异常点对应的频率值。空调“传响”现象往往发生在低温制热工况，压机排出高温高压的气体先进入室内换热器进行冷凝，冷媒在由室外进入室内的过程中完全是气体。根据流体力学可知[3]，气体音速c可按如下公式计算：

式中：K——制冷剂的比热比；

CP——制冷剂的定压比热，单位kJ/(kg·℃)，根据表1选择；

图1　消音器的分类

图2　单节扩张式消音器

表1　R410A热力计算物理性质参数表（摘录部分）

表2　消音器规格种类汇总分类表

图3　空调器加消音器前的噪声频谱

图4　空调器加消音器后的噪声频谱

CV——制冷剂的定容比热，单位kJ/(kg·℃)，根据表1选择；

P——制冷剂的绝对压力，单位Pa，根据表1选择；

ρ——制冷剂的密度，单位kg/m3，根据表1选择。

3　消音器的应用实例

由于管路激励而产生的脉动噪音不能通过阻尼减振的办法来降低，只有通过优化的管路系统设计或者选择合适的消音器来消除或减弱压力脉动噪音。

某款分体式空调器低温制热运行时，当室外机压机频率低于80Hz时，声音品质较好，当室外机压机频率达到90Hz以上时，可明显听到“嗡嗡”声，且此“嗡嗡”声通过冷媒循环传入室内侧，使室内侧噪音品质也很差。通过在室外机管路上配减振胶泥块，“嗡嗡”声不能消除，基本可以判定压机周期性排气引起的压力脉冲是“嗡嗡”声的噪声来源。在半消音室测试空调器室内侧噪声功率频谱如图3所示，从图3可知，压力脉动频率在888.7Hz处有最高噪声峰值41.2dB(A)。在整体配管基本定型的前提下，通过选取合适的消音器来消除此异常音。

空调器在低温制热工况下运行，压机排出的高温高压气体进入室内机换热器进行冷凝，冷凝温度为49℃，根据冷凝温度查表1可知R410A相对应的热力学参数，由于进入室内侧的是气体冷媒，故选取气体对应的参数。由表1可知：ρ=136.643kg/m3，P=3.102×106Pa，注意制冷剂的绝对压力等于大气压力加上相对压力（表压），即饱和压力基础加上大气压力1.01×105Pa，CV=1.040kJ/(kg·℃)，CP=2.326kJ/(kg·℃)。根据上述参数，由公式（5）和公式（6）可计算出脉动噪音的音速c为：

根据公式（4）可计算出消除888.7Hz脉动噪音对应消声器长度l为：

取消音器长度l=60mm，扩张比m越大，消音器的消声量也越大，但考虑到消音器安装空间限制和成本因素，选取消音器扩张室直径为Φ30mm，排气管径为Φ7.92mm，则扩张比m=14.35，所以最终选取消音器规格为长度l=60mm，扩张比m=14.35。将该规格的消音器安装在排气管后，测试空调器室内侧噪声功率频谱如图4所示，由图4可知，压力脉动频率在888.7Hz处噪声值降为19.6dB(A)，即安装消音器后该频率对应的噪声值降低了21.6dB(A)，“嗡嗡”声消除，声音品质获得很大改善，空调器整体噪声也下降1.5dB(A)。将消音器扩张比m=14.35代入公式（2）可得消音器的最大消声量为：

显然，实际消音量21.6dB(A)很接近最大消声量LTLmax=23.12dB(A)，说明消音器规格选型设计比较合适。

空调器的使用环境是非常复杂的，不同的工况制冷系统的脉动压力不一样，即空调器在不同的环境下脉动噪声频率是不一样的。此时空调器有许多脉动噪声频率需要消除，但因为空调器室外机空间限制和成本因素都不允许，不可能每个脉动噪声频率都设计一个消音器。以某款分体式空调器为例，依次找出不同工况下的脉动噪音频率，并计算相对应的消声器长度，然后将消音器长度相接近归为一组，这样可以尽可能减少消音器规格的种类，消音器规格种类汇总分类如表2。

由表2可知，脉动噪声频率有8个，但是消音器规格进行汇总分类后，发现只需要3个消音器规格l=55mm、l=50mm和l=40mm就可以对8个脉动噪声频率进行消除或减弱。