燃气热水器循环水泵降噪研究

李加杰 刘 强 张袁萌

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

近几年随着中国天然气管道在广大农村地区的铺设，燃气热水器得到了越来越多的推广，其节能和使用方便的性能得到了市场的广泛认可，众多的家庭选择了燃气热水器。但是在燃气热水器的使用过程中也暴露了一些噪音困扰，而且为了解决一些地区经常由于水压不足导致热水器不能启动，以及用水处与热水器距离较远，每次使用前都需要长时间放水的问题，越来越多燃气热水器生产厂商开发带水泵的燃气热水器，而水泵自身也属于一个噪音源。

本文针对市面一款使用直流循环水泵的燃气热水器的水泵噪声问题，通过实验测试来分析管路优化方案对噪声产生的影响，以及设计一款设置于水泵与热交换器之间的管路降噪方案。

1 燃气热水器水泵噪音现状

对于燃气热水器水泵的选择，一般就是两种，一种是交流泵，一种是直流泵。交流泵的优点是噪音低，缺点是体积大、成本高、功率大、不节能、控制手法单一。直流泵的优点是体积小、成本低、节能、控制手法灵活，可以实现无极调速，缺点是噪音大，而市面上大多数燃气热水器都是采用直流泵，热水器在水泵运行时的噪音值一般在（46～50）db，而水泵的噪音频率一般处于中低频率段，该频率段的噪音特性是波长长，穿透力强，衰减慢，当人听到这种声音时会感觉烦躁等不适，这种情况会极大地降低用户的使用热水器的体验，所以水泵的噪音也成为用户投诉的主要问题之一。

2 水泵噪音分析及测试条件

如图1所示，生活用水从进水侧经水流量传感器进入循环水泵，在循环水泵的叶轮周期旋转作用下进入热交换器与水泵间的管路（水泵出水管路）。而循环水泵的大部分噪音是通过循环水泵出水管路传递到热交换器。循环水泵的噪声往往是随机的、无规则的，水泵噪音与日常生活接触的工业噪声，主要集中在中低频噪声。热水器水泵的噪音来源主要是以下三个方面：

1）循环水泵工作时电机所产生的电磁噪音。

2）循环水泵自身振动通过循环水泵进出口管路引起壳体和水箱的共振。

3）循环水泵运行时管路里面的水流产生的压力脉动。

其中，电机的电磁噪音为属于中高频噪音，通过在循环水泵和壳体连接处增加减振橡胶垫，对此频段噪音有较好的阻隔效果；而循环水泵的自身振动以及水路振动为本文当前研究重点。

为了分析循环水泵在燃气热水器中使用过程中所发出的噪音，对装有循环水泵的燃气热水器样机进行噪音测试。本测试过程在半消声室中进行，测定点布置如图2所示。

图2 噪声测定点示意图

图3 单独水泵测试

测试环境：测试台带背板，水路管路长度为40 m，采集距离热水器右左前1 m的三个噪音值。样机状态及配置：所测样机是在17 L燃气热水器结构基础上进行更改，所测数据为循环水泵单独工作时所发出的噪音，并不含燃烧器噪音及风机噪音等，95 %占空比对应水流量为5.15 L/min。

3 水泵噪音来源分析

3.1 水泵本体噪音测试

如果要降低整机水泵的运行噪音，首先要确定的是水泵噪音的主要来源，这里首先对水泵进行单独测试，为了避免有过多的影响条件，水泵只连接进出水管和固定点，同时为了模拟其在整机的工作流量，控制球阀开关将其流量调节到5 L/min。

由表1的测试结果可知，水泵在不安装在热水器内时其运行噪音只有34 dB，远远低于安装在整机时的噪音，所以可以确定水泵自身产生的噪音并不是整机水泵噪音的主要来源。通过这个测试已经可以确定水泵作为一个振动源，整机的某个零部件在振动源的激励下产生共振，从而放大整机的噪声。

表1 单独水泵测试的噪音

3.2 整机水泵噪音分析

在对原型机测试的时候，发现热交换器振动最为剧烈，且进水管处振动幅度最大，所以暂时可以认为在水泵工作时热交换器产生了共振，为了验证这个猜想，我们在热交换器上安装了加速度传感器测出在水泵工作时其所产生的振动情况，同时和整机水泵噪音进行对比找出两者是否有关联。

由表2和表3两组数据可以看出热交换器所产生的振动峰值频率和整机水泵噪音的峰值频率高度重合，两者的频率都在534 Hz左右，而该热水器的水泵叶片数是6片，其转速是5 400 r/min，所以可以算出由叶轮所产生振动的频率是540 Hz，这与测出的峰值频率基本一致。

表2 水泵循环噪音信号频谱峰值点

表3 热交换器进水连接管处振动信号频谱峰值点

表4 不同方案的噪音测试数据

表5 增加配重块噪音测试数据

为了进一步验证，这里在水泵和热交换器之间设置一段缓冲带，目的是减少水泵传递到热交换器的振动，缓冲带所采用的是不锈钢编织管，不锈钢编织管内置有一层橡胶，而橡胶的阻尼对减震具有比较好的效果，而且外部的编织层也比较柔软，同样具有一定的减震性能。

如图4所示：

图4 不同方案的样机示意图

图5 增加配重块

编织管A:长度20 mm，直径7 mm；

编织管B:长度30mm，直径7mm；

编织管C:长度30mm，直径9mm。

为了做参照对比，分别测试了不同长度、直径的编织管对噪音的影响，由表1可知在水泵与热交换器之间设置了一段编织管后整机的水泵噪音得到了明显的降低，通过对噪音数据的分析和实际振动测试，可以确定水泵振动通过换热器管路传递给换热器而引起的振动噪音。

3.3 热交换器振动来源分析

水泵和热交换器之间有两个可以传递振动的介质，一个是连接铜管，另一个是铜管内部的水流，由于两者的减震方案有差别，需要确定哪一个是传递振动的主力，考虑到降低铜管的振动比降低水流的振动容易，所以先从降低铜管振动进行测试。

为改变铜管的振动幅度，我们在铜管分别加上250 g和500 g的配重块，因为在振动源功率不变的情况下铜管的质量与其振幅成反比，所以如果热交换器的振动是由铜管传递，那增加配重块后整机的水泵噪音会有明显的降低，而且配重块质量越大噪音的数值降低越多。

从表3的测试结果可以知道，热交换器进水管在不同重量的配重块下，整机的水泵噪音值基本没变化，所以可以确定让热交换器产生共振的振动是来自水流。

4 水泵降噪方案

4.1 方案分析

水流的振动是由于水泵的叶轮周期性旋转产生的，而水泵的叶轮转动产生的振动频率是534 Hz，这个频率段属于中低频，而橡胶的阻尼作用对中低频的振动有着比较明显的效果，所以编织管有降低水泵噪音的能力，但是由于编织管在成本、体积、寿命上对于热水器来说都有着明显的不足，为了解决这些问题，需要设计一个结构适用于热水器的消声器，消声器分三种：抗性、阻性以及阻抗复合式，对于抗性消声器这里以扩张室式消声器为例（图6）。

图6 扩张室式消声器

扩张式消声器消声量计算公式：

式中：

K=2π/λ，λ—波长；

m=S2/S1，S1和S2—通道扩张前后的截面积；

L—消声器扩张部分长度。

由式（1）可知，扩张室长度L在波长λ奇数倍时消声量最大，所以L和λ成正比，同时波速=波长×频率，所以在频率不变的情况下波速和波长成正比，而声音在水中的传播速度比在空气中的速度快大约4.4倍，所以消声器在管中流体为水的情况下要达到相同的消声量，扩张室的长度要比流体为空气长4.4倍，另外m取值一般为9至16，特殊情况下不小于5，一般热水器铜管直径为Ø12，也就是说消声器直径至少要大于Ø60，这样会导致消声器的耐压性能偏低和整体成本过高，而且过大的尺寸会占用过多热水器的内部空间，所以单独的扩张式消声器不适合用于热水器。

4.2 降噪组件设计

鉴于上述分析，阻性消声器可以作为水泵降噪方案，但是阻性消声器一般是通过内置吸音材料来达到降噪的目的，但是在流体为水的情况下，多孔结构的吸音材料比较容易产生污垢，污染水质，由之前的测试可知，橡胶的阻尼特性对水流振动有较好的衰减作用，而且橡胶耐腐蚀，适合用作水路的减震，但是由于橡胶在承压的状态下寿命较短，有漏水的风险，所以这里通过将橡胶层内置与消声器外壳形成阻抗复合式消声器方案，在加强消声效果同时可以以避免橡胶层破损导致漏水的情况，具体结构见图7。

图7 消声器结构图

图8 消声器水流示意图

该阻抗复合式消声器具有两个减震结构，一个是内置的橡胶内芯，它就可以在不断地产生形变然后恢复这一过程中将管路内水流的部分振动转换为其它形式的能力，从而降低了水流的振动，第二个是整个消声器具有扩张室消声器的功能同时其容积比热水器的同样长度的铜管要大10倍左右（这里假设铜管内径为Ø10.8，消声器内径为Ø34），这可以看作是在水泵和热交换器直接的水流增加了一段负载，水流在通过这段负载时流速会减慢，振动幅度会减少，从而让传递到热交换器的振动也会减少。

由于考虑到消声器的耐压和抗水锤的能力，消声器的体积都会尽量往小设计，但是其体积与降噪能力成正比，过小的体积达不到想要的效果，这种情况可以通过优化水泵与消声器之间的连接铜管来达到目标，在测试的过程中发现，当连接铜管的直角弯头越多，水泵噪音越低（但是管路的水阻也会增大，这需要按实际进行设计，本文不展开讨论）。因此，本文将采用多弯头管路与阻抗复合式消声器组合方案（如图9所示）。其中测试结果（图10）表明，在20 m、40 m、60 m循环管路测试条件下，该组合降噪方案可以实现高于10 dB降噪效果。

图9 方案整体结构

5 结论

本文为了降低零冷水燃气热水器循环水泵噪音，通过在半消声室进行噪音测试以及测试数据分析研究不同组合方案对循环水泵降噪的影响，研究结果如下：

首先，采用编织管以及储水罐对管路振动以及水路脉动等因素进行研究，研究发现不同编织管和储水罐对管路振动以及水路脉动具有较好的抑制效果。

其次，基于上述分析设计一款多弯头管路与阻抗复合式消声器的组合降噪方案，通过将该组合降噪方案安装到燃气热水器上进行噪音测试，发现该组合降噪方案在不影响循环流量的情况下，可将水泵工作时的噪声由原方案的51.8 dB(A)降至38.5 dB(A)，可以有效地降低振动由水泵传递到水箱，从而减少水泵在工作时的整机噪音。

综上所述，管路降噪方案可以降低水泵的振动以及水路脉动压力传递到燃气热水器本体，以达到降低循环水泵噪音的效果。