燃氣熱水器循環水泵降噪研究

李加杰 劉 強 張袁萌

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

近幾年隨著中國天然氣管道在廣大農村地區的鋪設，燃氣熱水器得到了越來越多的推廣，其節能和使用方便的性能得到了市場的廣泛認可，眾多的家庭選擇了燃氣熱水器。但是在燃氣熱水器的使用過程中也暴露了一些噪音困擾，而且為了解決一些地區經常由于水壓不足導致熱水器不能啟動，以及用水處與熱水器距離較遠，每次使用前都需要長時間放水的問題，越來越多燃氣熱水器生產廠商開發帶水泵的燃氣熱水器，而水泵自身也屬于一個噪音源。

本文針對市面一款使用直流循環水泵的燃氣熱水器的水泵噪聲問題，通過實驗測試來分析管路優化方案對噪聲產生的影響，以及設計一款設置于水泵與熱交換器之間的管路降噪方案。

1 燃氣熱水器水泵噪音現狀

對于燃氣熱水器水泵的選擇，一般就是兩種，一種是交流泵，一種是直流泵。交流泵的優點是噪音低，缺點是體積大、成本高、功率大、不節能、控制手法單一。直流泵的優點是體積小、成本低、節能、控制手法靈活，可以實現無極調速，缺點是噪音大，而市面上大多數燃氣熱水器都是采用直流泵，熱水器在水泵運行時的噪音值一般在（46～50）db，而水泵的噪音頻率一般處于中低頻率段，該頻率段的噪音特性是波長長，穿透力強，衰減慢，當人聽到這種聲音時會感覺煩躁等不適，這種情況會極大地降低用戶的使用熱水器的體驗，所以水泵的噪音也成為用戶投訴的主要問題之一。

2 水泵噪音分析及測試條件

如圖1所示，生活用水從進水側經水流量傳感器進入循環水泵，在循環水泵的葉輪周期旋轉作用下進入熱交換器與水泵間的管路（水泵出水管路）。而循環水泵的大部分噪音是通過循環水泵出水管路傳遞到熱交換器。循環水泵的噪聲往往是隨機的、無規則的，水泵噪音與日常生活接觸的工業噪聲，主要集中在中低頻噪聲。熱水器水泵的噪音來源主要是以下三個方面：

1）循環水泵工作時電機所產生的電磁噪音。

2）循環水泵自身振動通過循環水泵進出口管路引起殼體和水箱的共振。

3）循環水泵運行時管路里面的水流產生的壓力脈動。

其中，電機的電磁噪音為屬于中高頻噪音，通過在循環水泵和殼體連接處增加減振橡膠墊，對此頻段噪音有較好的阻隔效果；而循環水泵的自身振動以及水路振動為本文當前研究重點。

為了分析循環水泵在燃氣熱水器中使用過程中所發出的噪音，對裝有循環水泵的燃氣熱水器樣機進行噪音測試。本測試過程在半消聲室中進行，測定點布置如圖2所示。

圖2 噪聲測定點示意圖

圖3 單獨水泵測試

測試環境：測試臺帶背板，水路管路長度為40 m，采集距離熱水器右左前1 m的三個噪音值。樣機狀態及配置：所測樣機是在17 L燃氣熱水器結構基礎上進行更改，所測數據為循環水泵單獨工作時所發出的噪音，并不含燃燒器噪音及風機噪音等，95 %占空比對應水流量為5.15 L/min。

3 水泵噪音來源分析

3.1 水泵本體噪音測試

如果要降低整機水泵的運行噪音，首先要確定的是水泵噪音的主要來源，這里首先對水泵進行單獨測試，為了避免有過多的影響條件，水泵只連接進出水管和固定點，同時為了模擬其在整機的工作流量，控制球閥開關將其流量調節到5 L/min。

由表1的測試結果可知，水泵在不安裝在熱水器內時其運行噪音只有34 dB，遠遠低于安裝在整機時的噪音，所以可以確定水泵自身產生的噪音并不是整機水泵噪音的主要來源。通過這個測試已經可以確定水泵作為一個振動源，整機的某個零部件在振動源的激勵下產生共振，從而放大整機的噪聲。

表1 單獨水泵測試的噪音

3.2 整機水泵噪音分析

在對原型機測試的時候，發現熱交換器振動最為劇烈，且進水管處振動幅度最大，所以暫時可以認為在水泵工作時熱交換器產生了共振，為了驗證這個猜想，我們在熱交換器上安裝了加速度傳感器測出在水泵工作時其所產生的振動情況，同時和整機水泵噪音進行對比找出兩者是否有關聯。

由表2和表3兩組數據可以看出熱交換器所產生的振動峰值頻率和整機水泵噪音的峰值頻率高度重合，兩者的頻率都在534 Hz左右，而該熱水器的水泵葉片數是6片，其轉速是5 400 r/min，所以可以算出由葉輪所產生振動的頻率是540 Hz，這與測出的峰值頻率基本一致。

表2 水泵循環噪音信號頻譜峰值點

表3 熱交換器進水連接管處振動信號頻譜峰值點

表4 不同方案的噪音測試數據

表5 增加配重塊噪音測試數據

為了進一步驗證，這里在水泵和熱交換器之間設置一段緩沖帶，目的是減少水泵傳遞到熱交換器的振動，緩沖帶所采用的是不銹鋼編織管，不銹鋼編織管內置有一層橡膠，而橡膠的阻尼對減震具有比較好的效果，而且外部的編織層也比較柔軟，同樣具有一定的減震性能。

如圖4所示：

圖4 不同方案的樣機示意圖

圖5 增加配重塊

編織管A:長度20 mm，直徑7 mm；

編織管B:長度30mm，直徑7mm；

編織管C:長度30mm，直徑9mm。

為了做參照對比，分別測試了不同長度、直徑的編織管對噪音的影響，由表1可知在水泵與熱交換器之間設置了一段編織管后整機的水泵噪音得到了明顯的降低，通過對噪音數據的分析和實際振動測試，可以確定水泵振動通過換熱器管路傳遞給換熱器而引起的振動噪音。

3.3 熱交換器振動來源分析

水泵和熱交換器之間有兩個可以傳遞振動的介質，一個是連接銅管，另一個是銅管內部的水流，由于兩者的減震方案有差別，需要確定哪一個是傳遞振動的主力，考慮到降低銅管的振動比降低水流的振動容易，所以先從降低銅管振動進行測試。

為改變銅管的振動幅度，我們在銅管分別加上250 g和500 g的配重塊，因為在振動源功率不變的情況下銅管的質量與其振幅成反比，所以如果熱交換器的振動是由銅管傳遞，那增加配重塊后整機的水泵噪音會有明顯的降低，而且配重塊質量越大噪音的數值降低越多。

從表3的測試結果可以知道，熱交換器進水管在不同重量的配重塊下，整機的水泵噪音值基本沒變化，所以可以確定讓熱交換器產生共振的振動是來自水流。

4 水泵降噪方案

4.1 方案分析

水流的振動是由于水泵的葉輪周期性旋轉產生的，而水泵的葉輪轉動產生的振動頻率是534 Hz，這個頻率段屬于中低頻，而橡膠的阻尼作用對中低頻的振動有著比較明顯的效果，所以編織管有降低水泵噪音的能力，但是由于編織管在成本、體積、壽命上對于熱水器來說都有著明顯的不足，為了解決這些問題，需要設計一個結構適用于熱水器的消聲器，消聲器分三種：抗性、阻性以及阻抗復合式，對于抗性消聲器這里以擴張室式消聲器為例（圖6）。

圖6 擴張室式消聲器

擴張式消聲器消聲量計算公式：

式中：

K=2π/λ，λ—波長；

m=S2/S1，S1和S2—通道擴張前后的截面積；

L—消聲器擴張部分長度。

由式（1）可知，擴張室長度L在波長λ奇數倍時消聲量最大，所以L和λ成正比，同時波速=波長×頻率，所以在頻率不變的情況下波速和波長成正比，而聲音在水中的傳播速度比在空氣中的速度快大約4.4倍，所以消聲器在管中流體為水的情況下要達到相同的消聲量，擴張室的長度要比流體為空氣長4.4倍，另外m取值一般為9至16，特殊情況下不小于5，一般熱水器銅管直徑為?12，也就是說消聲器直徑至少要大于?60，這樣會導致消聲器的耐壓性能偏低和整體成本過高，而且過大的尺寸會占用過多熱水器的內部空間，所以單獨的擴張式消聲器不適合用于熱水器。

4.2 降噪組件設計

鑒于上述分析，阻性消聲器可以作為水泵降噪方案，但是阻性消聲器一般是通過內置吸音材料來達到降噪的目的，但是在流體為水的情況下，多孔結構的吸音材料比較容易產生污垢，污染水質，由之前的測試可知，橡膠的阻尼特性對水流振動有較好的衰減作用，而且橡膠耐腐蝕，適合用作水路的減震，但是由于橡膠在承壓的狀態下壽命較短，有漏水的風險，所以這里通過將橡膠層內置與消聲器外殼形成阻抗復合式消聲器方案，在加強消聲效果同時可以以避免橡膠層破損導致漏水的情況，具體結構見圖7。

圖7 消聲器結構圖

圖8 消聲器水流示意圖

該阻抗復合式消聲器具有兩個減震結構，一個是內置的橡膠內芯，它就可以在不斷地產生形變然后恢復這一過程中將管路內水流的部分振動轉換為其它形式的能力，從而降低了水流的振動，第二個是整個消聲器具有擴張室消聲器的功能同時其容積比熱水器的同樣長度的銅管要大10倍左右（這里假設銅管內徑為?10.8，消聲器內徑為?34），這可以看作是在水泵和熱交換器直接的水流增加了一段負載，水流在通過這段負載時流速會減慢，振動幅度會減少，從而讓傳遞到熱交換器的振動也會減少。

由于考慮到消聲器的耐壓和抗水錘的能力，消聲器的體積都會盡量往小設計，但是其體積與降噪能力成正比，過小的體積達不到想要的效果，這種情況可以通過優化水泵與消聲器之間的連接銅管來達到目標，在測試的過程中發現，當連接銅管的直角彎頭越多，水泵噪音越低（但是管路的水阻也會增大，這需要按實際進行設計，本文不展開討論）。因此，本文將采用多彎頭管路與阻抗復合式消聲器組合方案（如圖9所示）。其中測試結果（圖10）表明，在20 m、40 m、60 m循環管路測試條件下，該組合降噪方案可以實現高于10 dB降噪效果。

圖9 方案整體結構

5 結論

本文為了降低零冷水燃氣熱水器循環水泵噪音，通過在半消聲室進行噪音測試以及測試數據分析研究不同組合方案對循環水泵降噪的影響，研究結果如下：

首先，采用編織管以及儲水罐對管路振動以及水路脈動等因素進行研究，研究發現不同編織管和儲水罐對管路振動以及水路脈動具有較好的抑制效果。

其次，基于上述分析設計一款多彎頭管路與阻抗復合式消聲器的組合降噪方案，通過將該組合降噪方案安裝到燃氣熱水器上進行噪音測試，發現該組合降噪方案在不影響循環流量的情況下，可將水泵工作時的噪聲由原方案的51.8 dB(A)降至38.5 dB(A)，可以有效地降低振動由水泵傳遞到水箱，從而減少水泵在工作時的整機噪音。

綜上所述，管路降噪方案可以降低水泵的振動以及水路脈動壓力傳遞到燃氣熱水器本體，以達到降低循環水泵噪音的效果。