降噪板的設(shè)計

魏義棟

林德工程（杭州）有限公司（浙江 杭州 310012）

化工設(shè)備

降噪板的設(shè)計

魏義棟

林德工程（杭州）有限公司（浙江 杭州 310012）

高壓氣體經(jīng)閥門放空到大氣中時，往往伴隨著劇烈的噪聲，在閥門內(nèi)部采取降噪措施也不足以將噪聲降低到允許范圍內(nèi)，因此，在閥門后增加降噪板，通過節(jié)流降壓消除噪音。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，討論了降噪板在臨界狀態(tài)下的主要參數(shù)和消音量的計算方法。

降噪板 臨界流速 節(jié)流降壓 消音量

在空分裝置中，產(chǎn)品氣的壓力越來越高，如氧氣的壓力動輒達(dá)到8 MPa以上，甚至高達(dá)15 MPa。高壓氣體經(jīng)控制閥直接排放到大氣中時，在閥門內(nèi)部，流體往往以聲速噴射，沖擊閥內(nèi)件，產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲污染，噪音一般在115 dB(A)以上；而且，氣體流速過高很容易造成閥門及管道等設(shè)備起火。噪聲除了隨氣流沿管道向后傳遞外，還同時沿閥構(gòu)件和管道壁向外輻射（機(jī)械聲和二次空氣聲）。這種噪聲的頻率以中高頻為主，但全頻程都很豐富，其聲功率級一般在115～150 dB(A)之間。

高壓放空閥的閥前壓力是大氣壓的數(shù)十倍或更高，而由于制造技術(shù)的限制，閥門本身達(dá)不到數(shù)十倍的降壓比。因此，為了降低噪音，除了在閥門內(nèi)部采用必要的降噪措施外，通常還要在放空閥后加裝多孔的一級或多級降噪板，經(jīng)過閥門和降噪板的節(jié)流降壓，最終將氣體壓力降低到大氣壓，同時保證噪音達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

1 降噪板的計算

1.1 降噪板的結(jié)構(gòu)

降噪板是在一塊板上開多個小孔而制成的，根據(jù)噪音的峰值頻率與排氣口直徑成反比的原理，利用多個小孔代替一個大的噴口，達(dá)到降噪的目的。為制作方便，降噪板一般采用圓孔結(jié)構(gòu)。如果管道壓力過高，可將多個降噪板串聯(lián)，制成降噪板組，將排空的一次性壓降分散成多個小的壓降，壓力突變改為壓力漸變，使降壓后的氣體得到充分膨脹、聲能得以充分消耗，從而取得較大的消聲效果。同時，采用小孔結(jié)構(gòu)，噴口輻射的噪聲將從低頻區(qū)域移向人耳不敏感的高頻區(qū)域，達(dá)到較好的消聲效果。

1.2 降噪板節(jié)流前后壓力比q值的確定

在實(shí)際應(yīng)用中，由于氣體排放壓力較高，且考慮到閥門的調(diào)節(jié)性能及經(jīng)濟(jì)性，一般按流體在小孔內(nèi)的臨界流速來設(shè)置降噪板的級數(shù)。

以氧氣為例，臨界狀態(tài)下，q*=1.8899，即降噪板前壓力高于1.8899倍的降噪板后壓力時，流體速度達(dá)到聲速。實(shí)際q值可在1.8899以上選擇，但q值過小，各級壓力降低緩慢，所需降噪板級數(shù)增多；q值過大，不能有效地將流速控制在臨界流速，仍會產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波噪聲。

1.3 降噪板小孔截面積的確定

根據(jù)氣體狀態(tài)方程、連續(xù)性方程及臨界流速公式可知，當(dāng)流體類型確定后，每級降噪板的質(zhì)量流量與降噪板小孔總面積、降噪板前氣體壓力、降噪板后氣體壓力、降噪板前氣體溫度和流速等相關(guān)。其中，質(zhì)量流量和降噪板后壓力由工藝條件確定，降噪板前溫度近似于控制閥前介質(zhì)的溫度，第一級降噪板前壓力等于閥門壓力，其余各級降噪板前壓力可以根據(jù)降噪板級數(shù)求得。

降噪板小孔內(nèi)流體達(dá)到臨界狀態(tài)時，降噪板小孔總面積、小孔的直徑和數(shù)量可按式（1）、（2）計算。

式中，S為小孔總面積，m2；Qm為質(zhì)量流量，kg/s；T1為降噪板前流體的溫度，K；m為氣體常數(shù)；Nb為降噪板的小孔數(shù)量；d為小孔直徑，mm；μ為截面積修訂系數(shù)。μ是小孔長度和小孔直徑的函數(shù)，其取值方法為：流體經(jīng)銳緣的管道入口流進(jìn)小孔時，通常選取μ=0.82；如果將入口加以圓滑，則μ隨著圓滑程度的不同而改變，邊緣為圓形且入口勻滑時，選取μ= 0.91，入口極勻滑（流線型）時，選取μ=0.97。

常用氣體的q*，k，m值如表1所示。

表1 常用氣體的q*，k、m取值

實(shí)際計算時，先選擇對應(yīng)閥門開度最小工況下的質(zhì)量流量，設(shè)置合適的降噪板級數(shù)，然后反算其他工況下對應(yīng)的參數(shù)。

1.4 降噪板尺寸的確定

為了取得較好的降噪效果，小孔直徑d一般取4～8 mm，小孔長度取d的3～4倍為宜；小孔過長則阻力增加，過短則氣體收縮后流體不能充滿管嘴，使流通能力降低[1]。降噪板采用多孔結(jié)構(gòu)，如果小孔間距過小，氣流通過小孔后會將降低噪聲的效應(yīng)抵消一部分，小孔總面積與降噪板截面積之比以5%～15%為宜，各小孔按等邊三角形布置。確定降噪板尺寸時，還要考慮降噪板后氣流速度不大于102 m/s。

2 降噪板消音量的計算

當(dāng)降噪板小孔出口壓力低于臨界壓力時，噴口阻塞，噪聲主要由激波之間的相互作用和湍流阻塞產(chǎn)生，噴注出現(xiàn)沖擊波花樣，湍流與沖擊波作用產(chǎn)生沖擊噪聲[2]。小孔的直徑越小，消聲的效果越好，但是，孔徑過小加工困難。理論上，可將每一個小孔看作相互獨(dú)立的噴注，而不考慮它們之間的相互作用。

流體在小孔出口以聲速流出，在隨后的低壓區(qū)（面積擴(kuò)大），氣體迅速膨脹，氣體以亞音速流動，即流體在小孔出口為阻塞流，在小孔出口之后迅速變?yōu)閬喴羲倭鳌?/p>

最后一級降噪板的A聲級消音量可按式（3）進(jìn)行計算，其也適用于只有一塊降噪板的計算[3]。

式中，△Ln為最后一級降噪板消音量，dB(A)；△Ln-1為其他級降噪板消音量，dB(A)；△L為多級降噪板總消音量，dB(A)；h為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，一般取0.9；R為多級降噪板前后壓力比為臨界壓力比

3 設(shè)計計算實(shí)例

以某空分項目的氧用降噪板為例，氧氣的體積流量為53500 m3/h，控制閥前壓力為8441 kPa(a)，降噪板出口壓力為106 kPa，氧氣溫度為30℃，閥門允許噪音為105 dB(A)。

通過閥門廠家的計算，要求降噪板至少能降低10 dB(A)的噪聲；由于降噪板直接安裝在控制閥后，降噪板前壓力p1按4262.7 kPa(a)取值。

（1）按一塊降噪板進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。

（2）按兩塊降噪板進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。

表2 一塊降噪板消音效果

由以上計算可知，一塊降噪板的消音量不能滿足要求，至少需要兩塊降噪板串聯(lián)使用才能達(dá)到較好的消音效果。

4 結(jié)語

文中僅是對具有銳緣圓柱形小孔的降噪板的理論計算，但不同廠家的加工水平不同，降噪板小孔的光滑度也有所區(qū)別，計算時要采用不同的修正系數(shù)，如果使用特殊形狀的小孔，可以取得更好的消聲效果。用文中的計算方法得到的結(jié)果與閥門廠家提供的降噪板尺寸基本吻合，降噪板在理論上可滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。但是否能取得理論上的計算結(jié)果，還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。

表3 兩塊降噪板消音效果

[1]李文科.工程流體力學(xué)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2006.

[2]李沛滋,戴根華,李鍵山,等.小孔消聲器的設(shè)計指南[J].噪聲與振動控制,1986(3):6-13.

[3]馬大猷,李沛滋,戴根華,等.多孔材料的出流和多孔擴(kuò)散消聲理論[J].物理學(xué)報,1978,27(6):631-644.

Design of Diffusor

Wei Yidong

Along with the high-pressure gas venting to the atmosphere through valve,severe noise often occurs.The noise reduction measures taken within the valve are not enough to reduce the noise to the allowable range,therefore, adding diffusors after the valve to eliminate noise by throttling and depressurization.Combining with practical application, the main parameters of the diffusor under critical state and the calculation method of the noise reduction are discussed.

Diffusor;Criticality;Flow rate;Throttling;Depressurization;Noise reduction

TB535+.2

2016年12月

魏義棟男1972年生本科工程師研究方向：工業(yè)過程控制