3 Analys av vibrationsutbredningen
4.2 Kompressorns infästning
Den befintliga dubbelelastiska kompressoruppställningen medför två egenmoder respektive två egenfrekvenser i varje rörelseriktning. Den första egenmoden motsvaras av att
kompressorn och bottenplattan svänger i fas. För frekvenser mellan egenmoderna förskjuts kompressorns och bottenplattans faslägen successivt, för att vid den andra egenmoden slutligen nå ett läge då rörelserna sker i motfas. Vid störfrekvenser över den andra
egenfrekvensen minskar båda massornas amplituder med ökad frekvens, men rörelserna sker även fortsättningsvis i motfas.
Då kompressorns störfrekvens antas ligga högre än uppställningens egenfrekvenser rör sig kompressorn och bottenplattan alltså i motfas. Det principiella frekvensberoende förhållandet mellan kompressorns och bottenplattans amplituder kan ses figur 4.4, vilken baseras på tvåfrihetsgradsystemets förstärkningsfaktorer i enligt ekv. 234 och 789. I figuren är även det aktuella driftsfallet i form av kompressorns störfrekvens fstör markerat.
Figur 4.4 Förhållandet mellan kompressorns och bottenplattans amplituder
Värmeväxlarna är förbundna med både kompressorn och bottenplattan. Därför utsätts de för
Figur 4.5 Kompressorn rör sig relativt bottenplattan vid uppställning på gummiisolatorer.
För att förhindra en relativ rörelse mellan kompressor och bottenplatta ersattes
gummiisolatorerna med metalldistanser. Detta medför en fast inspänning i bottenplattan och antalet frihetsgrader för systemet kompressor-bottenplatta reduceras till en i varje
rörelseriktning.
Figur 4.6 Relativrörelsen förhindras då gummiisolatorerna ersätts av stela metalldistanser
Resultatet av vibrationsmätningen med gummiisolatorerna utbytta mot metalldistanser finns i figur 4.7. Som väntat minskar vibrationsnivåerna i värmeväxlarna och
ledningsanslutningarna, främst köldbärarkretsens anslutningar. Jämfört med
referensmätningen kan även en större skillnad i nivå tydas mellan värmeväxlare och ledningsanslutningar. En förklaring till detta kan vara att värmeväxlarna nu, istället för
rotationsrörelse, i större utsträckning utför translationsrörelse, vilket är den typ av rörelse som ger störst utslag vid mätning.
Vibrationshastighetsnivån hos bottenplattan ökar något, vilket är rimligt eftersom isoleringen mellan kompressor och bottenplatta tagits bort. Även nivån hos kompressortoppen ökar. Det faktum att nivåerna i värmeväxlarna samtidigt minskar, ger stöd åt antagandet att
kompressorn och bottenplattan nu rör sig i fas och att värmeväxlarnas rörelse till större del sker i form av translation.
136,4 134,6 122,9 113,0 116,1 129,8 128,3 130,7 146,9
127,1 125,8 122,5 113,3 108,8 129,2 125,7 133,0 149,3
100
Brine in Brine ut Framledn Returledn Ram Kondensor Förångare Bottenplatta Kompressortopp
Vibrationsnivå (Lv) (dB)
Referensdata
Stel kompressorinfästning
Figur 4.7 Vibrationsmätning med kompressorn fixerad i bottenplattan. Referensmätningen som jämförelse.
Direktljudet från värmepumpen är dock påtagligt högre med kompressorn fast inspänd. De högre frekvenser som kompressorn alstrar överförs nu utan hinder till bottenplattan och ger upphov till interna svängningar i denna. Eftersom bottenplattan utgör en relativ stor yta ger svängningarna upphov till en betydande ljudavstrålning. Detta ses som anledningen till den ökade ljudnivån.
Den stela kompressorinfästningen provades även tillsammans med det styva
värmeväxlarfästet. Resultatet av detta försök finns i figur 4.8. Skillnaden mot föregående försök är främst högre nivåer i ledningsanslutningarna samt något lägre nivå hos bottenplatta och ram. Det senare kan förklaras med att värmeväxlarna vid fix montering i bottenplattan ger ett tillskott av masströghet.
136,4 134,6 122,9 113,0 116,1 129,8 128,3 130,7 146,9
128,7 131,2 125,5 111,3 106,6 135,5 129,1 132,2 148,9
100
Brine in Brine ut Framledn Returledn Ram Kondensor Förångare Bottenplatta Kompressortopp
Vibrationsnivå (Lv) (dB)
4.3 Tryck- och sugledning
I kapitel 3 konstaterades att resonans uppstår i kompressorns tryckledning. Det är därför önskvärt att ändra ledningens egenfrekvens så att vibrationsförstärkning på grund av resonans undviks. Eftersom egenfrekvenserna bestäms av ledningens styvhets- och tröghetsegenskaper kan en sänkning av egenfrekvenserna fås genom att göra ledningen längre, varmed dess massa ökar och styvhet sjunker. På samma sätt kan egenfrekvenserna höjas genom att göra
ledningen kortare.
Ledningens styvhetsegenskaper påverkar inte bara rörets egenfrekvenser, utan även direkt den kraft som förs över från kompressorns rörelse till värmeväxlaren. Detta gäller eftersom
kompressorns kan sägas utföra en nästan konstant rörelse oberoende av ledningen, då denna är betydligt vekare än kompressorns övriga infästningar. Kraften överförd till värmeväxlaren är således proportionell mot ledningens styvhet. Styvheten hos framför allt den befintliga sugledningen är mycket hög och överför därför stor kraft till förångaren. En vekare utformning av sugledningen är följaktligen önskvärd.
De nya ledningarna designades alltså för att få så låg styvhet som möjligt. För att undvika resonans bör dessutom ingen egenfrekvens vara nära störfrekvensen 48 Hz.
För att så snabbt och enkelt som möjligt kunna jämföra flera olika typer av rör gjordes styvhets- och egenfrekvensbestämningar med hjälp av datorstödd FEM-analys. Förslagen på utformning av de nya rörledningarna ritades upp i SolidWorks och analyserades sedan i FEM-modulen COSMOSWorks.
Vid analys av den statiska styvheten låses alla frihetsgrader i ena änden av röret. I den andra änden låses de tre rotationsfrihetsgraderna samt två av translationsfrihetsgraderna. En kraft på 50 N läggs på i den återstående translationsfrihetsgraden, varefter rörändens förskjutning i denna registreras. Förfarandet upprepas för de tre translationsfrihetsgraderna x, y och z.
Figur 4.9 Randvillkor vid styvhetsanalyserna
Vid egenfrekvensanalys ses båda ändarna av röret som fast inspända. Härefter räknar COSMOSWorks ut de fem först egensvängningsmoderna och dess frekvenser.
F=50 N
µ
4.3.1 Tryckledning
Ursprunglig handbockad tryckledning
Tryckledningen som från början sitter monterad i värmepumpen, och som också var monterad under referensmätningarna, är bockad för hand till en enkel spiral. Tanken med denna
utformning är att få en jämn spänningsfördelning och minska risken för utmattningsbrott i ledningen. Utformningen medför dock två negativa egenskaper hos ledningen. Dels får ledningen en mycket ogynnsam lägsta egenfrekvens som sammanfaller med kompressorns störfrekvens. Dessutom orsakar den asymmetriska geometrin vid deformation ett
reaktionsmoment i rörändarna.
Figur 4.10 Befintlig tryckledning
Nuvarande maskinbockad tryckledning
Eftersom en ny bockningsmaskin nyligen införts i produktionen, har utformningen ändrats något på de tryckledningar som idag monteras i värmepumparna. De nya rören är av samma princip som föregående men mer anpassad för maskinbockning. Även den nya rördesignen ger en lägsta egenfrekvens inom resonansområdet.
4,3 z-rikt
10,3 y-rikt
vid 50 N pålagd kraft
x-rikt 3,4 Statisk Styvhet (N/mm)
118
vid 50 N pålagd kraft
3,7 x-rikt
Statisk Styvhet (N/mm)
5:e 129
Ny tryckledning Alternativ 1
Alternativ 1 baseras på den befintliga tryckledningen men med en dubbel spiral. Detta för att erhålla en mer symmetrisk geometri och därmed lägre reaktionsmoment vid deformation i y-riktning. FEM-analysen visar att styvheten i y-riktningen blir något lägre men förbättringen är inte markant. Men det som framför allt talar emot detta alternativ är att dess två lägsta
egenfrekvenser nästan precis sammanfaller med störfrekvensen.
Figur 4.12 Ny utformning av tryckledningen. Alternativ 1.
Ny tryckledning Alternativ 2
En annan lösning för att få ner styvheten är att utforma röret med långa rörlängder i olika riktningar. De långa rörsektionerna verkar då som dels böjfjädrar och dels hävarmar, vilket gör att rörledningen blir mycket vek. Den markanta förbättringen i styvhetsavseende och den låga första egenfrekvensen talar för detta alternativ.
Figur 4.13 Ny utformning av tryckledningen. Alternativ 2.
X
vid 50 N pålagd kraft
3,1 x-rikt
Statisk Styvhet (N/mm)
127
vid 50 N pålagd kraft
1,0 x-rikt
Statisk Styvhet (N/mm)
85
Ny tryckledning Alternativ 3
Alternativ 3 uppvisar liknande egenskaper som Alternativ 2. Skillnaden består i två stycken 180-gradersbockningar istället för fyra 90-gradersbockningar. Detta är en förbättring i produktionsavseende samt möjliggör utbyte av den gamla tryckledningen i en redan befintlig värmepump. En nackdel är oklarhet i huruvida företagets bockningsmaskin klarar att utföra 180 gradersbockningar.
Figur 4.14 Ny utformning av tryckledningen. Alternativ 3.
4.3.2 Sugledning
En begränsning vid design av sugledningen är att kompressorn ska vara möjlig att bytas ut utan att ledningen ska behöva kapas. Därför måste ledningen dras i en båge över
kompressorn.
Ursprunglig sugledning
Den befintliga sugledningen är betydligt styvare än tryckledningen på grund av den grövre rördimensionen. Positivt är dock att samtliga egenfrekvenser hos ledningen ligger över störfrekvensen, vilket innebär att ingen resonans uppstår.
3,0 z-rikt
y-rikt 1,5 vid 50 N pålagd kraft
1,0 x-rikt
Statisk Styvhet (N/mm)
94
vid 50 N pålagd kraft
13,6 x-rikt
Statisk Styvhet (N/mm)
4:e 397
Ny sugledning Alternativ 1
För att minska styvhet kan geometrin brytas genom att två långa vertikala rörsektioner införs.
Dessa påverkar främst styvheten i x- och y-riktningen. Ledningens egenfrekvenser sänks även så att de två lägsta ligger under kompressorns störfrekvens.
Figur 4.16 Ny utformning av sugledning. Alternativ 1.
Ny sugledning Alternativ 2
Genom att införa en längre horisontell rörsektion mellan de två vertikala uppnås lägre styvhet även i z-riktningen. Egenfrekvenserna för ledningen blir ungefär desamma som för
föregående lösning, alternativ 1. En nackdel är att åtkomligheten i värmepumpen inte medger eftermontering av detta alternativ.
Figur 4.17 Ny utformning av sugledning. Alternativ 2.
X
vid 50 N pålagd kraft
3,3 x-rikt
Statisk Styvhet (N/mm)
100 vid 50 N pålagd kraft
2,1 x-rikt
Statisk Styvhet (N/mm)
5:e 100
4.3.3 Resultat av veka köldmedieledningar
De nya köldmedieledningarnas inverkan på vibrationerna i värmepumpen utreddes genom försök med vibrationsmätning. De ledningar som valdes ut för montering i värmepumpen är ny tryckledning alternativ 3 och ny sugledning alternativ 1. Båda dessa har jämfört med de ursprungliga ledningarna låga styvheter samt är möjliga att eftermontera.
136,4 134,6 122,9 113,0 116,1 129,8 128,3 130,7 146,9
132,6 128,7 118,3 112,5 115,2 125,5 125,3 130,1 146,2
100 110 120 130 140 150 160
Brine in Brine ut Framledn Returledn Ram Kondensor Förångare Bottenplatta Kompressortopp
Vibrationsnivå (Lv) (dB)
Referensdata Veka rör
Figur 4.18 Vibrationsmätning med vekare köldmedieledningar monterade. Referensmätningen som jämförelse.
Resultatet av mätningarna, som kan ses i figur 4.18, visar att vibrationshastighetsnivåerna minskar i samtliga mätpunkter. För mätpunkterna på ledningsanslutningarna, som är mest relevanta vad gäller vidare fortplantning av vibrationer, minskar nivåerna markant.
Vibrationsnivån för kollektorslingans anslutningar minskar med 3,8 dB respektive 5,9 dB, vilket motsvarar en minskning i rörelseenergi med ca 58 % resp. 74 %. Fortfarande kan dock konstateras att vibrationsnivåerna i värmeväxlarna är lägre än i brine-anslutningarna, vilket tyder på vibrationsförstärkning, möjligen på grund av resonans, i kopparledningarna.
4.4 Bottenplattan
4.4.1 Alternativa gummiisolatorer
Bottenplattan står på fyra gummiisolatorer, en i varje hörn av plattan. De ursprungliga isolatorerna har en diameter och en höjd båda på 40 mm. Genom att ersätta dessa med
gummiisolatorer med mindre diameter, och därför lägre styvhet, fås en lägre egenfrekvens för uppställningen. Detta ger i sin tur högre grad av vibrationsisolering mot ramen. De alternativa isolatorerna har en diameter på 30 mm medan höjden och gummits hårdhet är desamma.
Figur 4.19 Ursprunglig och alternativ gummiisolator
Vibrationsnivåerna efter montering av de vekare gummiisolatorerna kan ses i figur 4.20. Vid mätningarna var fortfarande de veka köldmedieledningarna monterade och därför används
”veka rör” som jämförande referens.
132,6 128,7 118,3 112,5 115,2 125,5 125,3 130,1 146,2
133,1 130,1 125,5 114,7 110,8 127,3 125,3 133,1 147,2
100 110 120 130 140 150 160
Brine in Brine ut Framledn Returledn Ram Kondensor Förångare Bottenplatta Kompressortopp
Vibrationsnivå (Lv) (dB)
Veka rör Veka rör + 30/40
Figur 4.20 Vibrationsmätning med vekare gummiisolatorer. Mätningen med veka rör som jämförande referens.
Som förväntat minskade vibrationsnivån i ramen men däremot ökade nivåerna i bottenplattan samt i de fyra anslutningarna. Orsaken till de ökade nivåerna är oklar, men kan tänkas vara interna resonanser hos bottenplattan eller någon av värmeväxlarna.
40 mm 40 mm
30 mm 40 mm
4.4.2 Fix bottenplatta
Resultatet av mätningarna i kapitlet 4.4.1 föranleder ett intresse av att undersöka hur en fix montering av bottenplattan i ramen inverkar på vibrationerna i systemet. Vid fixeringen av bottenplattan plockades de fyra gummiisolatorerna bort och bottenplattan skruvades fast i ramen. Detta borde ge den omvända effekten och vibrationsnivån i bottenplattan borde sjunka samtidigt som nivån i ramen stiger. Resultatet ges av figur 4.21.
132,6 128,7 118,3 112,5 115,2 125,5 125,3 130,1 146,2
130,3 131,5 123,6 112,7 121,8 129,6 129,1 124,7 149,7
100 110 120 130 140 150 160
Brine in Brine ut Framledn Returledn Ram Kondensor Förångare Bottenplatta Kompressortopp
Vibrationsnivå (Lv) (dB)
Veka rör Veka rör + Fix bott
Figur 4.21 Vibrationsmätning med bottenplattan fixerad i ramen. Mätningen med veka rör som jämförelse.
Vibrationsmätningen bekräftar de ökade nivåerna i ramen och bottenplattan. Dessutom ökar vibrationshastighetsnivåerna något hos ledningsanslutningarna. Försöket med fixerad bottenplatta visar således att den befintliga lösningen med gummiisolatorer under bottenplattan ger en effektiv vibrationsisolering mot ramen, värmeväxlarna och ledningsanslutningarna.
4.4.3 Separata uppställningar av kompressor och värmeväxlare Vibrationerna från kompressorn fortplantas till värmeväxlarna dels genom
köldmedieledningarna och dels genom bottenplattan. Genom att placera kompressorn och värmeväxlarna på separata bottenplattor, elimineras vibrationsöverföringsvägen via bottenplattan.
Kompressorplattan monterades på fyra symmetriskt placerade gummiisolatorer av originaltyp, alltså med en diameter på 40 mm. Värmeväxlarplattan stod på 3 gummiisolatorer av den
Kompressorns bottenplatta Värmeväxlarnas bottenplatta
Gummiisolatorer
Figur 4.22 Delad bottenplatta
132,6 128,7 118,3 112,5 115,2 125,5 125,3 130,1 146,2
123,1 125,3 120,7 109,4 108,7 126,8 128,7 126,9 152,7
100 110 120 130 140 150 160
Brine in Brine ut Framledn Returledn Ram Kondensor Förångare Bottenplatta Kompressortopp
Vibrationsnivå (Lv) (dB)
Veka rör
Veka rör + Delad bott
Figur 4.23 Vibrationsmätning med delad bottenplatta. Mätningen med veka rör som jämförelse.
Mätresultaten visar i genomsnitt mycket låga nivåer, framför allt på ramen och på de annars kraftigt vibrerande brine-anslutningarna.
4.4.4 Separat kompressoruppställning med fix värmeväxlarplatta
Ett försök gjordes även med värmeväxlarnas bottenplatta fixerad vid ramen. Detta innebar att plattan skruvades fast och de tre gummiisolatorerna togs bort. Tanken är här att se om en isolatorupphängd platta för värmeväxlarna är nödvändig. Upphängningen av kompressorns bottenplatta lämnas oförändrad.
132,6 128,7 118,3 112,5 115,2 125,5 125,3 130,1 146,2
128,3 133,5 119,3 116,8 122,6 128,6 131,8 126,0 148,4
100 110 120 130 140 150 160
Brine in Brine ut Framledn Returledn Ram Kondensor Förångare Bottenplatta Kompressortopp
Vibrationsnivå (Lv) (dB)
Veka rör
Veka rör + Delad fix bott
Figur 4.24 Vibrationsmätning med delad bottenplatta och i ramen fixerad värmeväxlarplatta.