燃气热水器汽化噪音研究

张上兵

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

随着人民生活品质的提高，人们对于生活的舒适性追求也越来越高。燃气热水器作为一款家用电器，其运行时的噪音对用户使用的舒适性影响较大。燃气热水器运行噪音来自多方面：燃烧噪音、汽化噪音、水流噪音、气流噪音和风机噪音等，要降低运行噪音，必须对各项噪音分离解决。

汽化噪音是指水流在通过热交换器时受热产生的类似水流“滋滋”的声音，严重时会像烧开水“咕噜咕噜”的声音。水流大的时候汽化噪音不明显，水流量小的时候比较明显。燃气热水器在工作时，特别是在大负荷、小水流量，或在从大水量切换到小水量的情况下，所产生的汽化噪音尤为严重。

1 汽化噪音原理分析

水在管内受热过程中，底部管壁温度较高，附近会产生一些气泡，这些气泡主要是由溶解在水中的空气和水汽化产生的水蒸气组成。气泡持续吸收壁面的热量，气泡内蒸发的水蒸气逐渐增多，泡内压强随之增大，气泡逐渐长大。气泡体积变大的过程中，所受的浮力也增大，当浮力增大到某一值时，气泡会脱离底部壁面向上运动。当气泡上升到管内水温较低处时，气泡内的部分水蒸气重新液化，气泡内压强降低，体积缩小。在这个过程中，气泡体积的变化和气泡的运动会产生振动并发出声音，这种振动的频率如果与管壁的固有频率相同，则会产生共振发出更大的声音。因此，气泡的产生和运动是汽化噪音产生的根源。

根据泡态沸腾机理气泡形成的理论，壁面上产生气泡的点称为活化点或汽化核心，气泡在汽化核心生成时的最小半径[1]：

式中：σ为表面张力，r为汽化潜热，Ts液体的饱和温度，ρv为气泡内压强，△t为沸腾温差，即壁面温度与流体饱和温度之差。在一定的沸腾压强下，σ，r，ρv，Ts均为定值。

当压强ρv和温差△t一定时，初生的气泡核半径只有大于上述值才能继续长大。由此可知：紧贴加热面的液体温度等于壁温，△t最大，在这里生成气泡核所需的半径最小，故壁面上凹缝、空隙处最容易生成气泡核；当△t增加时，Rmin也随之减小，这意味着初生的气泡中将有更多的气泡符合长大的条件。故随着△t的增大，气泡量也不断增加。

2 理论解决方案

根据上述理论，要解决汽化噪音，就要减少气泡核的生成、抑制气泡的长大或扰乱气泡的运动。

据此，解决汽化噪音有如下几种方案：

1）提高壁面的光洁度以减少壁面的凹缝和空隙，从而减少气泡核的生成；

2）提升管内流速以减小壁温并使管内水温分布均匀，从而抑制气泡的长大并扰乱气泡运动；

3）降低热流密度以减小壁温，从而抑制气泡长大。

3 实验验证

实验过程中所用的燃气热水器机型产热水能力为13 L/min，额定热负荷为25 kW，最高出水温度设定65 ℃，换热器4条直管段（与翅片换热的管段）每段管长163.5 mm，管内径12.6 mm，管壁厚0.6 mm，每段直管内均放有紧贴管壁的弹簧，弹簧一方面可以起到肋片的作用，强化传热，另一方面可以破坏管壁处的边界层，从而降低管壁处的温度，有利于减少气泡的生成。

在测试过程中，设定出水温度为65 ℃，并调节水流量保证燃气热水器在最大热负荷下工作，从而保证燃烧噪音、气流噪音和风机噪音不变。经测试，在产生汽化噪音时，其对应的水流量较小，水流噪音与整机其它噪音声压级总和的差值超过15 dB(A)，可以忽略小的声压级影响[2]。因此，在整个实验的测试过程中，影响整机噪音的只有汽化噪音，我们通过整机噪音的大小变化来衡量汽化噪音的大小。

首先，我们按照GB 6932-2015 《家用燃气快速热水器》【3】的测试点要求，对于采用原装换热器的燃气热水器在最大负荷下的噪音在噪音室进行了测试，结果如下表1所示。

结果表明原方案的燃气热水器在产生最大化噪音时的噪音值在60 dB(A)左右。

接下来，我们对不同方案的效果进行实验验证。

1）提高壁面光洁度

目前燃气热水器的通水管大都采用铜管，铜管生产加工工艺相对成熟，管内壁的表面处理水平相对较高，要通过提高表面处理的手段来提升光洁度难度较大，因此考虑在管内壁上铺设纳米级涂层的方式来提升壁面光洁度。

我们选取了市场上一款纳米级疏水性涂层，通过工艺方法将涂层覆盖在管内壁上，并对该方案进行了实验验证。该方案第一次测试结果见图1。

从图1中可以看出，刚开始燃气热水器的噪音较低，随着运行时间的变长，噪音逐渐增大，而后趋于稳定。为了探究这种变化产生的原因，我们进行了第二次测试，结果如图2。

测试结果表明，该涂层对于汽化噪音只在从最初的一段时间内有效，然后便基本失效了。

经分析，该涂层不能耐高温，当燃气热水器运行一段时间后，涂层内的结构被破坏，管内壁的光洁度也下降了。

该实验说明提高管内壁的光洁度的确能降低汽化噪音。

表1 原方案燃气热水器的汽化噪音

图1 提高壁面光洁度方案第一次测试结果

2）增大管内流速

对于管内受迫对流换热，在加热流体的情况下：

式中，Ref为流体的雷诺数，u为管内流体流速，d为管内径，v为流体运动粘度，Nuf为流体的努谢尔数，Prf为流体的普朗特数，λf为流体导热系数，h为对流传热系数。

根据上述公式可推导，在管温和管径不变的情况下，对流传热系数h∝u0.8，进出水温度和管径一定时，流速增大时，一方面，雷诺数增大，流动越紊乱，管内径向温度分布越均匀；另一方面，对流传热系数增大，吸热量不变，壁温减小。

改变管内流速的方式有两种：一种是改变水流量的大小，一种是改变管内过流面积。

1）保证燃气热水器处于最大热负荷工作的状态下，保持管径不变，通过改变水压来改变水流量，因管内存在弹簧，过流面积按直管段的水流横截面来计算，噪音测试结果如表2所示。

测试结果表明，通过增大流量来增大流速确实可以降低汽化噪音，当管内流速增大到0.93～0.95 m/s左右时，汽化噪音有较为明显的降低。

2）保证燃气热水器处于最大热负荷工作的状态下，保持水流量6.3 L/min不变，通过在直管段内增加不同直径的扰流柱来改变过流面积，噪音测试结果如表3所示。

测试结果表明，通过在管内加扰流柱来减小过流面积，从而增大流速的方案也可以降低汽化噪音，管内扰流柱的直径越大，流速越大，降低汽化噪音效果越明显，不过成本也会增加。值得注意的是，该方案需要保证管内扰流柱的居中，否则管内流体的温度分布会不均匀。

对于加入扰流柱之后管内流动的流体，计算雷诺数时应采用当量直径，当量直径即4倍流体的横截面积与“湿周”之比，经计算为管内径与扰流柱直径之差，故其雷诺数：

式中，u为管内流体流速，d1为管内径，d2为扰流柱直径，v为流体运动粘度。

根据计算结果，扰流柱直径越大，管速越大，但是雷诺数会变小，此时流体流动的紊乱程度会降低，但在中心扰流柱的作用下，管内水温分布仍会更均匀。

3）降低热流密度

对于管内流体，其吸收的热量：

式中，q为热流密度，A为换热面积。

图2 提高壁面光洁度方案第一次测试结果

表2 燃气热水器在不同水流量下的汽化噪音

表3 燃气热水器在不同扰流柱直径下的汽化噪音

表4 燃气热水器管内水流在不同热流密度下的汽化情况

在管径和流速一定的情况下，热负荷越小，热流密度q越小，壁面温度越小。在实验过程中，保持水流量5.8 L/min不变，通过降低燃气热水器的二次压来降低热负荷，从而降低壁面温度。鉴于降低热负荷的同时，燃烧噪音也会降低，因此该实验我们只关注负荷降低过程中汽化噪音的产生情况，不记录具体的噪声值，测试结果如表4。

实际的换热过程中管内水流的受热是不均匀的，这里采用管内壁面积作为换热面积来计算热流密度，以便直观地分析热流密度对汽化噪音的影响。

测试结果表明：降低热流密度对于汽化噪音的解决具有明显的效果，当管壁与水流的对流传热热流密度降至6.65×105W/m2时，没有汽化的声音的产生。

在燃气热水器的实际使用过程中，为了保证出水温度，不可能通过降低二次压来降低热流密度，但是根据式（7），可以通过增大换热面积的方式来降低热流密度，比如使用内螺纹管等。

4 结论

提升管内壁光洁度可以有效降低汽化噪音，同样，增加管内水流速或者降低对流传热的热流密度也可以有效降低汽化噪音，同时应用以上方法甚至可实现完全消除汽化噪音。

由于条件所限，本文的噪音测试是以整机噪音代替汽化噪音，没有将燃气热水器风各项噪音区分开，更进一步的研究可以利用频谱图分析，根据不同噪声信号频率的区别，对燃气热水器运行的各项噪音进行独立分析，从而准确地判断各项方案对汽化噪音的解决效果。