测试计量技术研究所

中国家用电器研究院

反渗透净水器降噪声研究与应用

2019-05-12 15:44来源:综合业务部  健康家电作者:艾欧史密斯(中国)热水器有限公司 李文明 董振宇网址:https://mp.weixin.qq.com/s/n6AzpUjBueI4VHm3tTFrgg浏览数:182 

1.引言


随着家用净水器的日益普及,净水器正在走入千家万户,反渗透(RO)净水器的流量由较早50G有桶机型提升到现在400G及400G以上无桶大流量型。反渗透(RO)净水器是通过水泵在反渗透膜表面增压实现净化水功能,水泵运行过程中会产生噪声。出水流量400G的机器噪声达50dB(A)以上。出水流量越大,水泵功率越高,机器产生的噪声就越大。随着反渗透(RO)净水器的技术进步,出水流量会越做越高,市场上已有厂家推出流量在1000G以上的产品,从而带来的噪声问题就越发突出。通过入户调研和用户回访,大流量反渗透(RO)净水器已成为室内新的噪声源,直接影响人们的日常生活。如何在较低成本下有效降低大流量反渗透(RO)净水器的噪声,解决用户痛点,笔者通过产品实践进行了不同实施方案的研究。




2.反渗透净水器的噪声特点


反渗透净水器的噪声来源主要包括:水泵、废水阀、水管路振动等。通过噪声测试分析,机器最大噪声来自于水泵,水泵在制水时电机高速运转,水泵壳体内抽水腔室和排水腔室体积变化交替进行,实现抽水和排水功能。电机转速越高,腔室体积变化越快,产生的噪声就越高;当水泵与其它部件连接时,水泵的振动会通过连接水管传递到另外一个部件上,在这个过程中,水管和别的接触部件都会产生新的振动噪声;废水阀的噪声也不容忽视,通常废水流量是通过阀体内部小孔实现节流功能,由于水流经过小孔时,流速提高,以喷射状水流与周围空气激烈混合而发出很强的啸叫声。这些不同地方产生噪声相互叠加,形成净水器的整体噪声。


3.噪声分析与降噪方法


噪声控制一般从噪声源、噪声传播路径和噪声接受者三方面入手。噪声控制主要以噪声的声学控制方法为主,具体技术一般包括隔声处理、吸声处理、振动隔离等[1]。反渗透净水器降噪声主要从噪声源和噪声传播路径两方面,对水泵、废水阀、水管路振动进行降噪方法验证。签于净水器噪声接受者是用户,无法实施,本文对此不作讨论。


3.1 水泵噪声分析和降噪方法

以反渗透净水器的流量400G为例,水泵型号是400G水泵,带负载运行转速为1600rpm,出水流量为2.5L/min,半消音室测试噪音为50dB(A),电机高转速必然会带来较大的噪声。通过测试分析,把电机转速下降到1200rpm时,水泵噪音明显降低4~5dB(A),但是电机转速的降低会导致流量的减少,这样水泵流量性能就达不到要求。此水泵是隔膜型增压泵,水泵头与电机之间有一个可调节流量的偏心轮,偏心轮的偏心角度改进前是2.5度,为了补偿水泵转速降低带来的流量损失,把偏心轮角度增加到3.5度,这样水泵流量即可提高,与原来流量保持一致。偏心轮角度增大会带来隔膜等其它部件的寿命问题,可以通过设计优化进行改善,使水泵整体寿命不降低。


电机在运转的过程中会产生振动,为了减小振动向水泵头传递,在电机与水泵头之间增加一定厚度的橡胶减振垫,用来降低电机的振动传递。另外,电机振动也会通过橡胶脚垫向固定底板传递。橡胶脚垫通常是柱状结构,材料为橡胶,其邵氏硬度60度,用普通螺栓固定在安装底板上,隔振效果不理想。改进后橡胶脚垫,由柱状结构设计为多层弹性结构,材料调整为硅胶,邵氏硬度降至30度,以增加弹性。用限位螺钉固定,螺钉锁紧后,其平面与脚垫端面保留1.5mm间隙,使脚垫不受螺钉约束,充分吸收振动,从而起到很好的隔振作用,橡胶脚垫改进结构示意如图1。电机隔振脚垫改善后,振动噪声可以降低2dB(A)左右。


图1 橡胶脚垫改进前后结构示意图


通过对水泵电机转速降低、电机与泵头隔振、电机与固定底板隔振等降噪方法的实施,由表1测试噪声数据可以看出,水泵噪声下降6dB(A)左右,由原来的高噪声水泵变成低噪声水泵,对比测试噪声值见表1。



3.2 水管路振动分析和减振方法

在制水过程中,水泵壳体里流动的水,其压力和速度随时间而变化,这种变化是周期性的,由于周期性地吸进和排出液体,激发了液体脉动,而脉动的水流形成了对水泵壳体的激振力,产生壳体的机械振动。水泵带负载时工作压力有90~100PSI,这种机械振动在水泵进、出水口位置比较强,由于出水口压力高,振动更明显,这些会通过水管传递给机器其它部件,产生新的振动噪声。水管本身虽有一定韧性,但是不能起到有效隔振降噪的作用,需要在水泵进水口和出水口设计一个消声装置。


在产品实践过程中,消声装置使用过两种方案,方案一是鼓膜式消声装置,结构示意如图2,具体为:把直径稍大的壳体分成左右两部分,在两壳体之间设计一个橡胶鼓膜,鼓膜与左、右壳体分别密封。鼓膜左侧密封有空气,类似气囊,起储能作用;鼓膜右侧与带有进、出水口的壳体形成水通道。当带有振动的水流进入右侧壳体后,激振能量被左侧气囊吸收,水从壳体出来后,激振力会衰减或基本消除,从而起到降噪作用。方案二是横流穿孔管式消声装置,结构示意如图3,壳体内有中间带隔板的中心管,中心管圆周方向交错分布小孔,具有消声特性[2]。壳体内侧壁有弹性泡棉,弹性泡棉自带许多微孔,可以吸收噪声的激振能量。水进行入前段中心管,遇到隔板阻挡后从中心管圆周小孔流出,经过弹性泡棉后再次从小孔进入后段中心管,从壳体流出。在此过程中,噪声被多次衰减,振动大部分被消除。


图2 鼓膜式消音装置


图3 横流穿孔管式消音装置


通过样品测试,不管是鼓膜式消声装置,还是横流穿孔管式消声装置,对降低水路振动都有很大帮助,可以改善振动噪声2~3dB(A)。


3.3 废水阀的噪声分析和降噪方法

废水阀是起调节废水流量的作用,在反渗透净水器里使用非常普遍。阀体内有一个小孔,小孔直径通常在0.3~0.6mm,不同的废水流量对应不同孔径。阀体小孔前后与进出水口相通,小孔处孔径最小,当低速水流经过小孔后,形成一股高速水流,高速水流与周围吸进的气体剧烈混合,形成一段湍化程度极高的水流,水流内各处的压强和流速迅速变化,从而发出较强的噪声。只要能降低经过小孔后的高速水流,并避免与气体混合,就可以改善噪声。废水阀限流小孔改进前后结构示意如图4,在小孔后面设计一个体积较大的缓冲腔体,细小高速水流进入缓冲腔体后,速度迅速降低,噪声能量减小;另外,缓冲腔体被水充满的同时空气也被赶走,声能在水介质里会进一步衰减,从而降低噪声。通过改进,低噪声废水阀噪音值比改进前下降了约4dB(A),对比测试噪声值见表2。


图4 废水阀限流小孔改进前后结构示意图




4.整机降噪声前后效果对比


噪声测定场所为半消音室,被测试机器的噪声与半消音室噪声之差在10dB(A)以上。噪声测试仪器使用GB/T 3785中规定的Ⅰ型或Ⅰ型以上声级计[3]。将整机置于半消声室地面几何中心处,净水器全部功能置于开启状态,在净水器运行过程中噪声最大的时刻,用噪声测试仪测试。测试时噪声测试仪距离净水器表面1m处分别测试五个面噪声(前面、后面、左面、右面、上方),取其平均值。水泵、废水阀等部件噪声测试方法与净水器整机测试类似。整机经过降噪声处理后平均噪声值为42dB(A),未降噪处理之前是50.1dB(A),降噪效果明显,具体噪声测试数值见表3。




5.结束语


通过实践验证:反渗透大流量净水器,采用隔振、消声等方法,如橡胶脚垫结构设计、消声装置应用,以及噪声源设计优化,如:水泵转速降低、废水阀小孔结构优化等降噪措施,实现成本增加较少,降噪效果明显,经济性好,可以在净水器产品或其它类似产品降噪设计中推广使用。


参考文献

[1] 马大猷.噪声与振动控制工程手册[M]. 北京:机械工业出版社,2002,773-775.

[2] 季振林.消声器声学理论与设计[M]. 北京:科学出版社,2015,243-248.

[3] QB/T 4144-2010, 家用和类似用途反渗透净水机[S].