燃氣熱水器汽化噪音研究

張上兵

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著人民生活品質的提高，人們對于生活的舒適性追求也越來越高。燃氣熱水器作為一款家用電器，其運行時的噪音對用戶使用的舒適性影響較大。燃氣熱水器運行噪音來自多方面：燃燒噪音、汽化噪音、水流噪音、氣流噪音和風機噪音等，要降低運行噪音，必須對各項噪音分離解決。

汽化噪音是指水流在通過熱交換器時受熱產生的類似水流“滋滋”的聲音，嚴重時會像燒開水“咕嚕咕嚕”的聲音。水流大的時候汽化噪音不明顯，水流量小的時候比較明顯。燃氣熱水器在工作時，特別是在大負荷、小水流量，或在從大水量切換到小水量的情況下，所產生的汽化噪音尤為嚴重。

1 汽化噪音原理分析

水在管內受熱過程中，底部管壁溫度較高，附近會產生一些氣泡，這些氣泡主要是由溶解在水中的空氣和水汽化產生的水蒸氣組成。氣泡持續吸收壁面的熱量，氣泡內蒸發的水蒸氣逐漸增多，泡內壓強隨之增大，氣泡逐漸長大。氣泡體積變大的過程中，所受的浮力也增大，當浮力增大到某一值時，氣泡會脫離底部壁面向上運動。當氣泡上升到管內水溫較低處時，氣泡內的部分水蒸氣重新液化，氣泡內壓強降低，體積縮小。在這個過程中，氣泡體積的變化和氣泡的運動會產生振動并發出聲音，這種振動的頻率如果與管壁的固有頻率相同，則會產生共振發出更大的聲音。因此，氣泡的產生和運動是汽化噪音產生的根源。

根據泡態沸騰機理氣泡形成的理論，壁面上產生氣泡的點稱為活化點或汽化核心，氣泡在汽化核心生成時的最小半徑[1]：

式中：σ為表面張力，r為汽化潛熱，Ts液體的飽和溫度，ρv為氣泡內壓強，△t為沸騰溫差，即壁面溫度與流體飽和溫度之差。在一定的沸騰壓強下，σ，r，ρv，Ts均為定值。

當壓強ρv和溫差△t一定時，初生的氣泡核半徑只有大于上述值才能繼續長大。由此可知：緊貼加熱面的液體溫度等于壁溫，△t最大，在這里生成氣泡核所需的半徑最小，故壁面上凹縫、空隙處最容易生成氣泡核；當△t增加時，Rmin也隨之減小，這意味著初生的氣泡中將有更多的氣泡符合長大的條件。故隨著△t的增大，氣泡量也不斷增加。

2 理論解決方案

根據上述理論，要解決汽化噪音，就要減少氣泡核的生成、抑制氣泡的長大或擾亂氣泡的運動。

據此，解決汽化噪音有如下幾種方案：

1）提高壁面的光潔度以減少壁面的凹縫和空隙，從而減少氣泡核的生成；

2）提升管內流速以減小壁溫并使管內水溫分布均勻，從而抑制氣泡的長大并擾亂氣泡運動；

3）降低熱流密度以減小壁溫，從而抑制氣泡長大。

3 實驗驗證

實驗過程中所用的燃氣熱水器機型產熱水能力為13 L/min，額定熱負荷為25 kW，最高出水溫度設定65 ℃，換熱器4條直管段（與翅片換熱的管段）每段管長163.5 mm，管內徑12.6 mm，管壁厚0.6 mm，每段直管內均放有緊貼管壁的彈簧，彈簧一方面可以起到肋片的作用，強化傳熱，另一方面可以破壞管壁處的邊界層，從而降低管壁處的溫度，有利于減少氣泡的生成。

在測試過程中，設定出水溫度為65 ℃，并調節水流量保證燃氣熱水器在最大熱負荷下工作，從而保證燃燒噪音、氣流噪音和風機噪音不變。經測試，在產生汽化噪音時，其對應的水流量較小，水流噪音與整機其它噪音聲壓級總和的差值超過15 dB(A)，可以忽略小的聲壓級影響[2]。因此，在整個實驗的測試過程中，影響整機噪音的只有汽化噪音，我們通過整機噪音的大小變化來衡量汽化噪音的大小。

首先，我們按照GB 6932-2015 《家用燃氣快速熱水器》【3】的測試點要求，對于采用原裝換熱器的燃氣熱水器在最大負荷下的噪音在噪音室進行了測試，結果如下表1所示。

結果表明原方案的燃氣熱水器在產生最大化噪音時的噪音值在60 dB(A)左右。

接下來，我們對不同方案的效果進行實驗驗證。

1）提高壁面光潔度

目前燃氣熱水器的通水管大都采用銅管，銅管生產加工工藝相對成熟，管內壁的表面處理水平相對較高，要通過提高表面處理的手段來提升光潔度難度較大，因此考慮在管內壁上鋪設納米級涂層的方式來提升壁面光潔度。

我們選取了市場上一款納米級疏水性涂層，通過工藝方法將涂層覆蓋在管內壁上，并對該方案進行了實驗驗證。該方案第一次測試結果見圖1。

從圖1中可以看出，剛開始燃氣熱水器的噪音較低，隨著運行時間的變長，噪音逐漸增大，而后趨于穩定。為了探究這種變化產生的原因，我們進行了第二次測試，結果如圖2。

測試結果表明，該涂層對于汽化噪音只在從最初的一段時間內有效，然后便基本失效了。

經分析，該涂層不能耐高溫，當燃氣熱水器運行一段時間后，涂層內的結構被破壞，管內壁的光潔度也下降了。

該實驗說明提高管內壁的光潔度的確能降低汽化噪音。

表1 原方案燃氣熱水器的汽化噪音

圖1 提高壁面光潔度方案第一次測試結果

2）增大管內流速

對于管內受迫對流換熱，在加熱流體的情況下：

式中，Ref為流體的雷諾數，u為管內流體流速，d為管內徑，v為流體運動粘度，Nuf為流體的努謝爾數，Prf為流體的普朗特數，λf為流體導熱系數，h為對流傳熱系數。

根據上述公式可推導，在管溫和管徑不變的情況下，對流傳熱系數h∝u0.8，進出水溫度和管徑一定時，流速增大時，一方面，雷諾數增大，流動越紊亂，管內徑向溫度分布越均勻；另一方面，對流傳熱系數增大，吸熱量不變，壁溫減小。

改變管內流速的方式有兩種：一種是改變水流量的大小，一種是改變管內過流面積。

1）保證燃氣熱水器處于最大熱負荷工作的狀態下，保持管徑不變，通過改變水壓來改變水流量，因管內存在彈簧，過流面積按直管段的水流橫截面來計算，噪音測試結果如表2所示。

測試結果表明，通過增大流量來增大流速確實可以降低汽化噪音，當管內流速增大到0.93～0.95 m/s左右時，汽化噪音有較為明顯的降低。

2）保證燃氣熱水器處于最大熱負荷工作的狀態下，保持水流量6.3 L/min不變，通過在直管段內增加不同直徑的擾流柱來改變過流面積，噪音測試結果如表3所示。

測試結果表明，通過在管內加擾流柱來減小過流面積，從而增大流速的方案也可以降低汽化噪音，管內擾流柱的直徑越大，流速越大，降低汽化噪音效果越明顯，不過成本也會增加。值得注意的是，該方案需要保證管內擾流柱的居中，否則管內流體的溫度分布會不均勻。

對于加入擾流柱之后管內流動的流體，計算雷諾數時應采用當量直徑，當量直徑即4倍流體的橫截面積與“濕周”之比，經計算為管內徑與擾流柱直徑之差，故其雷諾數：

式中，u為管內流體流速，d1為管內徑，d2為擾流柱直徑，v為流體運動粘度。

根據計算結果，擾流柱直徑越大，管速越大，但是雷諾數會變小，此時流體流動的紊亂程度會降低，但在中心擾流柱的作用下，管內水溫分布仍會更均勻。

3）降低熱流密度

對于管內流體，其吸收的熱量：

式中，q為熱流密度，A為換熱面積。

圖2 提高壁面光潔度方案第一次測試結果

表2 燃氣熱水器在不同水流量下的汽化噪音

表3 燃氣熱水器在不同擾流柱直徑下的汽化噪音

表4 燃氣熱水器管內水流在不同熱流密度下的汽化情況

在管徑和流速一定的情況下，熱負荷越小，熱流密度q越小，壁面溫度越小。在實驗過程中，保持水流量5.8 L/min不變，通過降低燃氣熱水器的二次壓來降低熱負荷，從而降低壁面溫度。鑒于降低熱負荷的同時，燃燒噪音也會降低，因此該實驗我們只關注負荷降低過程中汽化噪音的產生情況，不記錄具體的噪聲值，測試結果如表4。

實際的換熱過程中管內水流的受熱是不均勻的，這里采用管內壁面積作為換熱面積來計算熱流密度，以便直觀地分析熱流密度對汽化噪音的影響。

測試結果表明：降低熱流密度對于汽化噪音的解決具有明顯的效果，當管壁與水流的對流傳熱熱流密度降至6.65×105W/m2時，沒有汽化的聲音的產生。

在燃氣熱水器的實際使用過程中，為了保證出水溫度，不可能通過降低二次壓來降低熱流密度，但是根據式（7），可以通過增大換熱面積的方式來降低熱流密度，比如使用內螺紋管等。

4 結論

提升管內壁光潔度可以有效降低汽化噪音，同樣，增加管內水流速或者降低對流傳熱的熱流密度也可以有效降低汽化噪音，同時應用以上方法甚至可實現完全消除汽化噪音。

由于條件所限，本文的噪音測試是以整機噪音代替汽化噪音，沒有將燃氣熱水器風各項噪音區分開，更進一步的研究可以利用頻譜圖分析，根據不同噪聲信號頻率的區別，對燃氣熱水器運行的各項噪音進行獨立分析，從而準確地判斷各項方案對汽化噪音的解決效果。