(水利电力劳动保护,1995干3月第1期工业卫生控制排气放空噪声的消声器之研究与应用王文奇(劳动部职业安全卫生与锅炉压力容器监察局)〔摘要〕排气放空嗓声是工业上常遇到的嗓声源。本丈介绍了根据喷注嗓声发升理论研制成的小孔喷注与节流降压相复合的新型消声琴,适用于高压气源排放,取得了较好的消声效果。鉴于喻注发射噪声的强度取决于喻注的驻压与喷口直径等参全,对节流降压层的设计与位制小孔喻注层的驻压大小,提出了析的见解,可件设计研究喻注消声簇参考使用。仁关键词〕排气嗓声小孔喷注消声界高压排气一、引言用压力参量描述阻塞喷注嗓声强度,不仅进一压力气体排放噪声是工业生产中经常遇到的一步表达了阻塞喷注嗓声,而且由于工业现场中气裸种嗓声。其特点是声级高、传播远、影响范围大,例压力常是已知的,也易于测t,因此,更其有实际意如,高压锅炉排气放空噪声,在垂直排放口l米处,义。马大袱教投等提出的阻塞喷注嗓声公式及其小噪声级高达150dB认)以上,成为一种公害。孔喷注消声理论田,为解决喷注嗓声污染,开辟了新排气喷流噪声是气体离开排气管口时产生的,的途径和给出了切实可行的方法。,属于四级辐射声源在五十年代MJLhgt玩U由气笔者根据上述理论,结合工业现场实际,进行了夕体动力方程出发,根据湍流的特性,推导出气流中湍大量元件试验,通过对试验数据整理与理论分析,研动嗓声的发射源。并推算得到如下喷注噪声的声功创出节流降压与小孔喷注相复合的新型消声器,如率估算公式:[1l图l所示这种消声器在数百个工业现场使用,取得.4dB(A二K。户V介)左右的消声效果,W并且具有体积小、重tP0以(1)0轻、节省钢材、易加工、安装方便等优点。式中,W是辐射的总的声功率,p是喷注密度,V是喷住速度,D是喷注直径,八是环境气体密度,C。是1、环境声速,。,第一级节流SlK为实脸系数其值为(。3~1)8x10一`。S:由此看出,喷注噪声的声功率与气流速度的八12、第二级l次方成正比。这就是著名的速度八次方定律,为降低3、第三级S,喷注嗓声其定了理论基础,」l{。14、第四级S(小孔)’公式1()是由亚声速喷注而推得的而工业生产…}!l…中更多的排气是阻塞喷住,即排口喷流速度达到声…速而不再增加,但喷注噪声随着气体驻压增加而明显地增加,七十年代,马大袱、李沛滋等通过理论研图1节流降压小孔喷注复合消声器究与实验工作,给出了用压力参童描述阻塞喷注噪二、消声器的设计原理声的估算公式:t。:这种消声器是利用节流降压与小孔喷注两种消,,,一1)`D.y曰(R=场刁不与万厂(2)声机理,通过适当的结构复合在一起而研制成功的。,,,1式中R=几/PosP为气像驻点压力P。为环境压根据文献〔幻知,在垂直喷注米处的嗓声级为:2`(R一1)力,D为喷口直径,K,为常数。L二80十2019(R未05)十2l0gD+《水利电力劳动保护》l”5年第1期,2X`月工VI只七兮,、tan一l入人丁-r;;7J(3一兀一l十人人)式中,X`是相对斯特劳哈尔数,对阻塞喷注,X`二f5^、__、_:D___潇,`^为A计权上限频率__,`^为`l“ooHz,c为环_境声速。由此可知,欲降低排气喷流噪声,其一是设法降低公式(3)中的第二项(即压力项),其二是在第四项(即小孔喷注)上作文章。我们研制的消声器,其设计原理可概括为如下两部分:1、节流扩容降压,2、小孔喷注。(一)节流降压由前述公式2()知,排气喷流辐射的声功率与压力降的高次方成正比,因此,若把一次大的压力降分成多个小的压力降,就可取得消声效果。节流扩容降压装工就是根据这种降嗓原理研制的。根据给定的驻压与排气t,适当设计节流孔板上的通流截面,使高压气体经过突然收缩和突然扩张.气体压力降低,从而达到消声的目的。为了便于分析,图1中的节流扩容结构可转换成如图2所示的形式。假设流动为理想气体可压缩、绝热、一维不等摘变截面管。先讨论通流面积的突然收缩,确定其降压效果。再讨论通流截面积的突然扩张。1一截面突然收缩2一截面突然扩张图2节流扩容结构的分析图取图2中截面突然收缩部分,其分析图见图31O’2哎)P越勺}}02,图3通流截面突然收编工业卫生—连续方程为八V、S:,两.V申eS=氏.V.S即p,V,S,=和巩币必~抓城必,(4)式中,中是可压缩流的收缩系数,必1为通流截面比。能量方程为:ZkPl,ZKP。,一ZKVi,书尸-二V而分;罗一-丁V王州卜节尸-一:几一1—尸1=八一1—尸。,八一1p`(5)气不从1一l截面o一。截面,气流为顺压梯度,其总压损失可忽略不计,因此,P。=P:,从O一O截面到2`一12截面之间的动量方程为:P。+劝八V盖“P`+P`.砚(6)由上述的连续方程、能茸方程和动童方程,并考虑阻塞下马赫数不可能大于1的条件,可以得到驻压比与面积比的单参数函数关系式:P`:i可,一下薪厂一/不汤石K+1K一1一22(匕l一了1一必、y)1〕(7)式中,通流截面比万,=s,:s/:序二2K又干1一必,K一1K+1由式7()可看出,当必1二’S:/s,=1时,即没有~概一“__L,_~一四叹厢盯一笼P,犷一_`__~,L,.`I~便仪何狂压现天当必,~。,即牙:>>S:时,对式<7)求极限,可得到:五m(警卜音()毕击(8)对空气,K一14,音()毕击一。`,。。对过热燕气,K一12。,专()也就是说,面积类然收缩所能引起的毕击一.0798驻压扭失最多达到来流驻压的21沁,2()通流截面突然扩张取图2中的截面的突然扩张部分,其分析图见图4、可看成一个喷管,在绝热条件下,气流从喷口流出的质量可用下式计算`e一’s.2。:了击。扩:以架一(导)毕〕(。)币每《水利电力劳动保护》1995年第i期工业卫生//////=04ms/则得出X`=夕165dX`的台劳级数展开式为t3一x一〔l+号()++普劫忐):十一恙〕曰夕!在小孔范围晶内d(<4myn),X^<<1,忽略级数产中的高阶小量,代人公式(11)中,可以得到小孔喷注图4通盆截面突然扩张消声器消声量的近似简化式:△L=一1019(人们关心的是最大流童下的压力降。显然,流量一对阻塞喷注,式中X`=sf^d/C。,取f^”11,02oZH,取环境声速C。3,.0tan一’是x:)=275一301妇(12)J日毛,为最大时,必然是9(。~。)式中方括号内部分为最大现式中,d为小孔喷注直径,,,取它对尸:的一次导数,并令其为霉。由此式可看出在小孔范围内孔径减半消声。,则有)量可提高g斌〔(朵`一(朵),卜。Bd(A)也就是说,孔径越小消声效果越好。但从实用角度考虑孔径不宜选得过小,因为过解此方程,即可得小的孔径不仅难于加工,而且在使用中容易堵塞,影。,朵一(击)击(二分响正常排气现场使用证明不宜选用直径小于,1根据(12)计算必lm对空气K一:4,m直径的小孔喷朵一二。注~的小孔。,,其消声值为27sBd(A)。对于辐射噪声不太高对过热。气,K一L”,一0.、。,采用单层小孔消声,会的低压气像排气即可满足降嗓户这个数值表明,通流截面突然扩张所能获得的要求。但对中高压气浑排气放空,由于辐射的噪声强度很高,最大压力降低,正是按临界压力比降低的。还需要研究小孔喷注与其他消声结构相结合,以提高消声值。如前所违,实际节流降压巡稍声器,是由通流截面突然收缩与突然扩张组合的.因此,气流经过这两采用上述的节流降压结构与小孔喷注相结合,个过程后,降压比可以小予监界值。即利用节流降压结构把气体的压力降至某一数值,在极限情况卞再驻入小孔喷住,为:这样可以提高整个消声装尧的悄P、,___J_、_`声能力。斧P,户。、P,=(、希`P,扩)合二几二一(“0”4171`(、对空气_,、`)或一,0,4.一砧,,三消声元件试验及结果分析,(对过热蒸汽)“上述理论推导和估算可用于指导消声器设计,,这是对节流减压扩容可获得.超临界,降压所推方案的选择为了合理确定消声器的各个结构参数我们傲了一系列试验。导的定量结果。试验分别在低压气源与高压气源进行、、按照这样“超临界”降压比设计节流降压绪构,对气体的流量压力温度与噪声同步进。。可用较少的级数获得较大的降压效杀,从耐傀消声行测量其中声学测量采用插入扳失方法所有实测器的结构偷化。这对节流降压结构的设计,是一种创数据均折算到垂直排气口轴线1米处。典型的试验新与改进结果见图5所示。(二)小孔喷注由试验结果看出:小孔喷注的消声原理有二:一是清除大喷注在1()小孔喷注的孔在越小,消声效果越好但过一定压力范围内产生的冲击嗓声`二是利用小孔的小的孔径(必1,,也易于堵移颇作用,改变声撅的发声机理,在保证同样排童的塞。因此,从实用角度考虑~以下)不仅难于加工,我们对必l条件下,孔径喷注未进行实验。~以下的小用许多小孔代替一个大排口,使噪声能量在2()节流降压装置,既起到降压作用,颇率分布上移至人耳不敏感的特高数区域,使千扰又具有消嗓声降低。声效果。这对设计高压气像的排气放空捎声器具有实用价值。小孔峨住消声器的梢声量,可甩下代估算t1l设计节流降压装置的目的,一是为了降,,,_,_,,、、△L一1019_`〔苦Zt(an一’(压’一公X^二1给后面小孔喷注层的强度设计提供可能同时一一6瓦i’十褚涛)〕从一一)也是为了增加整个消声器的消声值。《水利电力劳动保护》1995年第l期产l洲产声声`、、广尸\\界田板口P//碑、//兰产、一//洲`/~,`,,叼尸口......3尸/~~,、{一一尸尸、、/产、频率(赫)1高压排气放空嗓声2三级节流降压装里3三级节流与一层必imm小孔喷注复合图5典型元件的消声翻诺特性3()试验结果表明,节流减压扩容与小孔喷注复合结构,可以取得35~40dB(A)的消声效果。在高压气镶下试验,这种复合结构的消声能力优于单纯靠多级节流结构或单纯靠单层小孔的喷注消声器。四、排气放空消声器的应用根据理论分析和元件实验,按照排放介质的种类、压力、流量及使用要求,可设计研制出排气消声器系列。对干锅沪排气嗓声飞根据国家标准BG1921—0s规定的工业锅炉和目前火电厂常用的锅沪,我们研制的配套的排气消声器系列共14个型号规格,消声值40dB(A)左右。对于压缩空气、氮气和各种工艺气体排放噪声,根据排放介质的特性、流t、压力等,研制出消声器系列,共有12个型号规格,可供压缩机、高炉放风、尿素塔、高压洗涤器和各种化学反应雄选用.妞产压.口消声丛,下勺口认蛛田l决叮寸一一队/l书-~.消!片后目一l}`】,Z了2万Jjo矛代2践不Ka托频率(赫)图`高压锅沪排气消产器的实用消声效果图6高压锅炉排气消声器的实用消声效果14工业卫生例如,某厂高压锅炉对空排气,排气口旁噪声高达156dB(A),周围数百米均受干扰.该锅炉参数为:压力01k0g/cm,,容量20T/h,温度54。℃,消声器排气量45Th/,安装研制的消声器后,现场实测表明,该消声器的消声值达40dB(A),其消声性能如图6所示(测点距排口1米远)。在离排气口20米的居民区测量,嗓声由原来的78~90dB(A)降至04~5d0B(A),已接近那里的本底噪声,满足了环境保护的要求。五、结论l、根据喷注噪声理论,通过大量实验,研制出一种新的节流降压与小孔喷往复合式消声器,可以比单独采用小孔喷注或单独采用节流降压结构,在消。实测表证明,消声值在35~42Bd(A),可以满足安全生产和环境保护的要求,并且具有体积小、重盈轻、安装方便等优点.2、在节流降压结构的设计上,推导出“超临界”降压比的计算方法,可以用较少的降压层数取得较大的降压效果。对这简化消声器结构、减轻重t节省钢材,都极有利。3、小孔喷注的孔径,应兼顾降噪性能、加工难易、防止堵塞等多方面要求,合理选定。实脸(特别是生产性应用实验)表明,小孔喷注的直径选定在必1~腼m较合适。过小的孔径不仅难于加工,而且实用价值不大。4、在试验研究与大量生产应用的基础上,将所研制的排气消声器系列,开发成系列产品,很有推广应用价值。参考文献1MJL玉tghill即onsoundGeneratedAerdo”a而c日ly,IGen。aerl,PrcoRoySocA211(1952)2马大欲、李沛滋、戴根华、王宏“排气嗓声的有效降低气环境科学学报,(i,81)Noi,2一113LL刀沁ranekNoiseandVibrtainoControlMegr脚一H江l,1977,P512一P5184王文奇、何友静、张玉敏二排气放空消声器的研究与应用”中国环境科学(1081)N03,57一42熬半洲哭挑淤粼斗声能力上有较多提高