Um estudo sobre ruído de expansão em refrigeradores domésticos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.O ruído emitido por um refrigerador doméstico é um fator importante. Níveis de ruído excessivos ou anômalos incomodam o usuário, gerando despesas com assistência técnica e substituição de produtos defeituosos. Dentre as diversas fontes de ruído em um refrigerador, destaca-se o ruído de expansão, originado no escoamento do fluido refrigerante através do tubo capilar. Este ruído apresenta uma natureza complexa, cujas características mudam de acordo com a variação das condições de operação do refrigerador. Objetivando ampliar a compreensão sobre o fenômeno, um estudo experimental com foco no aspecto vibro-acústico foi realizado em um refrigerador doméstico típico, empregando a medição direta do fenômeno-fonte, qual seja, a excitação acústica no escoamento de fluido refrigerante. O escoamento através do tubo capilar gera um jato bifásico turbulento, que se mostrou uma fonte importante de excitação acústica, com intensidade da ordem de 17 a 75 Pa, bastante dependente das condições de operação, e com forte oscilação, relacionada à característica oscilatória do escoamento. A excitação transmite-se para as tubulações, e daí para o gabinete, sendo capaz de gerar ruído audível. Este ruído varia em intensidade e distribuição espectral ao longo do ciclo de operação do sistema de refrigeração. Em qualquer escoamento em jato, a fonte primária de excitação acústica é a turbulência. Assim, sua intensidade está relacionada à velocidade do escoamento na descarga, que é diretamente proporcional à fração mássica de vapor neste ponto, e à razão de expansão no jato. Constatou-se que a intensidade da excitação gerada no jato bifásico é inferior à de um jato monofásico gasoso nas mesmas condições, o que é explicado pela redução da energia cinética turbulenta pela presença da fase dispersa (líquida), sendo esta redução proporcional à velocidade do jato. Mediante a visualização do escoamento, pôde-se constatar que, em uma ampla faixa de condições de operação, forma-se um vórtice na entrada do tubo capilar, que permite a este a ingestão de vapor misturado ao líquido, e esta condição resulta em menor geração acústica no jato, porém com maior oscilação. O vórtice pode ser contínuo ou intermitente, sendo que a última condição produz maior oscilação do escoamento e da excitação acústica. A presença de bolhas de vapor no escoamento no tubo capilar é capaz de gerar excitação acústica, devido ao efeito do resfriamento proporcionado pelo trocador de calor com a linha de sucção. Observou-se que esta excitação não consegue se propagar ao longo do escoamento, mas é forte o suficiente para ser transmitida localmente para a tubulação, propagando-se estruturalmente. O período inicial de funcionamento do ciclo de operação do sistema de refrigeração mostrou-se mais crítico em relação às excitações acústicas, devido à grande variação das grandezas físicas relacionadas ao fenômeno; o primeiro ciclo após uma operação de degelo mostrou-se ainda mais crítico. Níveis de excitação acústica anômalos, de intensidade muito superior aos níveis normais, foram observados em certas condições. As excitações são desproporcionais às grandezas termodinâmicas, indicando tratar-se de fenômenos de ressonância acústica. A excitação anômala denominada screech ocorre quando o tubo capilar ingere apenas fluido no estado líquido, e se combinam valores de velocidade e fração mássica de vapor elevados na descarga, condições que favorecem a probabilidade de ocorrência de choque no núcleo do jato. A excitação anômala denominada estouro (burst) ocorre quando se inicia a formação de vórtice, e a eficiência do trocador de calor é alta (baixa temperatura na saída do evaporador), indicando estar relacionada a uma maior excitação das bolhas de vapor presentes no escoamento; este tipo de excitação mostrou também maior probabilidade de gerar ruído audível. Medições de aceleração na tubulação na entrada do evaporador mostraram-se um indicador confiável da ocorrência de ambas as anomalias. Modelos matemáticos para a descrição dos fenômenos acústicos são propostos, permitindo o cálculo da potência acústica gerada pelo escoamento. Foi realizada uma análise da influência das condições de funcionamento, bem como das características dimensionais do trocador de calor tubo capilar - linha de sucção, sobre a excitação acústica. Observou-se que o aumento da temperatura de evaporação, a redução do diâmetro interno da linha de sucção ao longo do trocador de calor, e a redução do comprimento de entrada do tubo capilar mostram o potencial de reduzir a magnitude de todas as variáveis acústicas.Abstract : Noise emitted by household refrigerators is a key factor. High noise levels annoy users, generating costs to manufacturers related to technical support and replacing products. Among the several sources of noise in a refrigerator, there is the expansion noise, related to the refrigerant fluid flow through the capillary tube. It has a complex nature, due to the transient character of the noise source, whose characteristics change according to the variation of the refrigerator operating conditions. With the aim at expanding the comprehension of the phenomena, an experimental study focused on the vibro-acoustic aspects was carried out in a typical household refrigerator, using a direct measurement of the source, that is, the acoustic excitation within the refrigerant fluid flow. The flow through the capillary tube generates a turbulent two-phase jet, which proved to be an important source of acoustic excitation, with average intensity of the order of 17 to 75 Pa, quite dependent on the operating conditions, and with strong oscillation, related to the oscillatory characteristic of the flow. The excitation is transmitted to the tubes, and from there to the cabinet, being able to generate audible noise. This noise varies in intensity and spectral distribution throughout the cycle of operation of the refrigeration system. In any jet flow, the primary source of acoustic excitation is turbulence. Thus, its intensity is related to the velocity of the discharge flow, which is directly proportional to the vapor mass fraction at this point, and to the jet expansion rate. It was found that the intensity of the excitation generated in the two-phase jet is lower than that of a single-phase gaseous jet under the same conditions, which is explained by the reduction of the turbulent kinetic energy by the presence of the dispersed (liquid) phase, this reduction being proportional to the velocity of the jet. By visualizing the flow, it could be seen that, over a wide range of operating conditions, a vortex is created at the entrance of the capillary tube, which allows the latter to ingest vapor mixed with the liquid, and this results in lower acoustic generation at the jet, but with greater oscillation. The vortex can be continuous or intermittent, the latter condition producing greater oscillation of the flow and acoustic excitation. The presence of vapor bubbles in the capillary tube flow is capable of generating acoustic excitation due to the effect of the cooling provided by the heat exchanger with the suction line. It has been observed that this excitation can not propagate along the flow, but is strong enough to be transmitted locally to the tube, propagating structurally. The initial period of the cooling system operating cycle was more critical in relation to the acoustic excitations, due to the great variation of the physical quantities related to the phenomenon; the first operation cycle after a defrosting operation was even more critical. Anomalous levels of acoustic excitation, of an intensity much higher than normal levels, were observed under certain conditions. The excitations are disproportionate to the thermodynamic quantities, indicating that they are due to acoustic phenomena. The anomalous excitation called screech occurs when the capillary tube ingests only liquid fluid, and high velocity and vapor mass fraction values are combined in the discharge, conditions that favor the probability of shock occurring in the jet core. The anomalous excitation called burst occurs when a vortex formation begins, and the the heat exchanger efficiency is high (low temperature at the evaporator outlet), indicating that it is related to a greater excitation of the vapor bubbles present in the flow; this type of excitation was also more likely to generate audible noise. Acceleration measurements in the tube at the evaporator inlet were a reliable indicator of the occurrence of both anomalies. Mathematical models for the description of the acoustic phenomena are proposed, allowing the calculation of the acoustic power generated by the flow. These models can be used in simulations for various purposes. An analysis was made of the influence of the operating conditions, as well as the dimensional characteristics of the heat exchanger capillary tube - suction line, on the acoustic excitation. It has been observed that increasing the evaporation temperature, reducing the internal diameter of the suction line along the heat exchanger, and reducing the inlet length of the capillary tube show the potential of reducing the magnitude of all acoustic variables

Noise Generation in Household Refrigerators: An Experimental Study on fluid Borne Noise

The oscillatory pressure disturbance created by the refrigerant flow through pipes and components is one of the main sources of noise in household refrigerators. This type of excitation is transmitted to the pipes and travels through the structure reaching the cabinet and other parts exposed to the air, where audible airborne sound waves are created. In order to get a better understanding of this type of noise a household refrigerator was especially instrumented with thermocouples, absolute and dynamic pressure transducers and accelerometers. Tests were carried out at different operating conditions, when it was found that the compressor was the main source of excitation, practically affecting the entire refrigeration loop. It was also found that the flow velocity at the outlet of the capillary tube was high enough to induce significant vibrations in the evaporator. Finally, it was found that the entrance of vapor bubbles in the capillary tube produces sporadic and strong excitations. However those excitations do not travel very far along the flow, being attenuated by the condenser and the evaporator, but can nevertheless be transmitted to the pipes. In view of the collected database, comments and suggestions concerning the design of household refrigerators are presented and discussed