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Drosseleinrichtung zum geräuscharmen Entspannen von aus einem Rohr
ausströmenden Gasen oder Dämpfen Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosseleinrichtung
zurti geräuscharinen Entspannen voll aus einem Rohr ausströmenden, unter
hohem Druck stehenden Gasen oder Dämpfen. bestehend aus einem sich in Strömungsrichtung
erweiternden Leitungsabschnitt. der ein labyrintliartiges Strömungsverzweigungssystein
begrenzen& Widerstandselernente enthält und so bemessen ist. daß die Strömungsgeschwindigkeit
einen vorgegebenen Höchstwert nicht Überschreitet.
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Eine bck-ziiiiiie Drosselcinrichtung dieser Art ist cincin ReduzIerventil
nachgeschaltet. und es schließt sich ei ii weiterer Rohrabschnitt an. Die Anforderungen
an die Schalldämpfting sind hier geringer als bei dem Austritt von strömenden Medien
ins Freie.
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Bei der bekannten 1)rosseleinrichtung sind in dein sich erweiternden
Leittingsabschnitt zur Bildung des Iah\ rintliarligen Strörriungsverzweigungssystenis
Platlen iiiit gegeneinander versetzten Durchtrittsöffnungcii vor.geschen. Durch
diese Einrichtung soll der Danipf ohne Freistrahlverinischung entspannt werden.
xN(ibci die Entstehung von Schall durch eine turbulente Ströniting und niolekulare
Reibung iiii Verzweigungss\",iciii soll. Bei einer andercii bekannten die sich ebviifzills
an ein 1)i-tick-I-C(Itlziel.\elltil anschließt. ist ebLilfalls ein I,tb\ritli;ii-liu,c"
Vernveigungssysteill vorgesehen. das Z. 13. aus #tiL#elii. iiist;esoiide-re
mit einem Durchnicsser von weniger als aus Stahlspänen odor aus eineni Gitter- oder
Strebenwerk bestehen kann. Hierbei soll der Querschnitt der Gitterbauteile kleiner
als 300 nim 2 sein. Die Beschreibung dieser Dross,-leinrichtLing enthält
keine Angaben darüber. #Nie der Leitungsabschnitt gestaltet sein soll. in dem "ich
das IzibNi-iiitliiti-tiLe Verzweigungssystein befindet. oll der 1.cittlilL",ziliscliiiitt
also einen gleichbleibenden o(Ici- sich 'indernden Querschnitt haben soll.
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W:ihrend bei den erwähnten vorbekannten DrosseleinrIchtungen
eille tlir#ttleiite Strömung des Gases ini l#tb%ritlizii-tigeii 1.,rerzweigungssystein
zugelassen "oll durch die ErliiiduiiL, eine Wirbelbildung ini %ollst.-iiidig oder
weitgehend Nerinieden %%erden.
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Diese Aufgabe uird. ausgehend von einer Drosseleinrichtung der eingangs
erwähnten Art. erfindungsgciii'iß dadurch gelöst. daß für die Entspannung ins Urcie
als Widerstandseleinent eine Packung von an sich bekannten Metallspänen oder
Meizillgeflechten #orL,eselien ist. die sich und die Wand des Leittingsall,#clinittes
reibend berühren. und daß der Leitungsab,#chnitt /ur Erz#Nin,-,ung, einer %%irbelfreicii
oder in Abli-.iiiL,1iYkcit voin Widerstandsbeiwert (x der Packung in Strömungsrichtung
folgende Länge aufweist:
wobei .1" den Austrittsquerschnitt der Packung. .fe den Eintrittsquerschnitt der
Packung.
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u- die vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit, R die Gaskonstante.
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7' die absolute Temperatur und ,/ die Schwerebeschleunigung
bedeutet. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgt die Drosselung ohne wesentliche
Wirbel- und Schallbildung durch die Reibung des Gases oder Dampfes an den Teilen
der Packung. durch die zusätzliche Reibung der Packungsteilchen untereinander und
weiterhin durch die Reibung der Packungsteilchen an der Wand des sich erweiternden
Leitungsabschnittes. Hierbei wird dem Medium. den Packungsteilchen und der Wand
des Leitungsabschnittes Schwingungsenergie entzogen und in Wärme verwandelt. Es
wird nicht nur eine SchallentwIcklung im Gas oder Dampf verhindert. sondern durch
die Reibung der Spärie .in der Wand auch die Entwicklung von Körperschall
in der Wand.
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Vergleicht inan für gleiche Schalldämpfungen eine Drosscleinrichtung
nach der Erfindung mit der vorbekannten unter Verwendung von Stahlspänen aufgebauten
DrosseleinrIchtung. so ergibt sich. daß die Drosseleinrichtung nach der Erfindung
nur etwa die halbe Länge zu haben braucht wie die vorbekannte.
Bei
dieser ist die Entspannung durch Abweichen von der idealen Expansion, wie sie nach
der Erfindung erzwungen wird, hinsichtlich der Geräuschabsenkung ungünstiger. Darüber
hinaus wirken die zugelassenen kleinen Wirbel im Labyrinthsystem als Schallquelle.
Aus beiden Gründen muß, um eine gleiche Wirkung zu erzielen wie bei einer Drosseleinrichtung
nach der Erfindung, der vorbekannten Drosseleinrichtung noch eine zusätzliche Drosselstrecke
nachgeschaltet werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zwei oder mehr sich
erweiternde Leitungsabschnitte hintereinandergeschaltet werden. Hierbei läßt sich
eine zusätzliche Verkürzung der Gesamtlänge durch Ineinanderschachteln der Leitungsabschnitte
erzielen, wodurch der Unterschied der Gesamtlänge gegenüber der vorbekannten Drosseleinrichtung
noch größer wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der
Zeichnung beschrieben. Es zeigt jeweils im Längsschnitt F i g. 1 eine Drosseleinrichtung
mit radialer Ausbreitung des strömenden Mediums, F i g. 2 eine Drosseleinrichtung
mit kugelförmiger Ausbreitung und F i g. 3 eine mehrstufige Drosseleinrichtung.
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Bei dem Dämpfer nach F i g. 1 tritt das strömende Medium, z.
B. Wasserdampf hoher Temperatur, in das Eintrittsrohr 1 bei einem Druck ein,
der sich aus den örtlichen Gegebenenheiten ergibt. Ist der Dämpfer z. B. an das
Sicherheitsventil eines Dampfkessels angeschlossen, so muß der Dampfdruck so niedrig
gewählt werden, daß der Abblasevorgang nicht beeinflußt wird. Der Durchmesser des
Eintrittsrohres und der in ihm herrschende Druck werden so gewählt, daß die Geschwindigkeit
des Dampfes kein störendes Geräusch erzeugt. Durch ein zylindrisches Drahtsieb 2
oder ein Lochblech tritt der Dampf in die Packung 3 ein, die aus Metallspänen
oder Metallgeflechten, vorzugsweise aus Stahlspänen, besteht. Hier wird der Dampf
isothermisch nach einer Drosselkurve auf den Austrittsdruck entspannt. Die Entspannungsleitung
ist durch Seitenwände 4 begrenzt, die Rotationsflächen um die Achse 5 darstellen.
Ihre genaue geometrische Form ergibt sich aus den unten angegebenen Gleichungen
(172) und (13). Die Austrittsfläche ist durch ein Drahtnetz
6 abgeschlossen.
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Bei entsprechender Abstimmung der Strömungswiderstände kann man für
die Drosseleinrichtung auch eine Kugelform nach F i g. 2 wählen. Hier ist
die Außenfläche als kugelförmiges Drahtsieb 6 gestaltet.
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Bei der mehrstufigen Drosseleinrichtung nach F i g. 3 gelangt
das strömende Medium, z. B. Wasserdampf hoher Temperatur, in das Eintrittsrohr
1 des Schalldämpfers. Dieses ist an seinem Ende mit einem Deckel
7 verschlossen und weist vor diesem Deckel an seinem Umfang verteilt angeordnete
Drosselstellen 8
auf. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit
w
im Rohr 1 auf ein zulässiges Maß beschränkt. Durch die düsenartig
ausgebildeten Drosselstellen tritt das Medium seitlich aus dem Rohr 1 aus.
Die Drosselstellen sind von einem Sieb 9 konzentrisch umgeben. Außerhalb
des Siebes befindet sich eine Packung 10,
die Stahlspäne enthält, in denen
eine weitere isothermische Entspannung erfolgt. Vorzugsweise wird I'ür die Siebe,
die Stahispäne und sonstige Metallteile der Drosseleinrichtung nichtrostendes Material,
wie austenitischer Stahl, verwendet. Dann ist der Dämpfer auch rdr Wasserdampf hoher
Temperatur brauchbar und korrodiert nicht. Besonders gut haben sich Drehspäne bewährt.
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Die Packung 10 ist von einem zylindrischen Mantel
11 umgeben, der durch einen Deckel 13 abgeschlossen ist und den Drosselstellen
8 entsprechende weitere Drosselstellen 15 enthält. Außerhalb des Mantels
und des Deckels ist eine weitere Packung 19 aus Stahlsänen vorgesehen. Die
äußeren Begrenzungen für diese Packung bilden eine konische Gehäusewand 21 und ein
Sieb 23. Dieses kann als Lochblech ausgebildet sein. Durch die konische Erweiterung
der Entspannungsleitung wird die Strömungsgeschwindigkeit auf ein zulässiges Maß
abgesenkt.
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Dem Sieb 23 gegenüber ist ein weiteres Sieb 25
vorgesehen,
oberhalb dessen sich eine weitere Packung 29 aus Stahlspänen befindet. Nach
oben und seitlich ist diese Packung durch eine Regenhaube 31 abgeschlossen.
Das Medium tritt seitlich durch Offnungen 33 ins Freie.
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Eine Drosseleinrichtung nach F i g. 3 ist zweckmäßig, wenn
die Packung die Beanspruchung bei einstufiger Entspannung nicht verträgt. Dann wird
von der strengen Lösung nach Gleichung (12) etwas abgewichen, indem in den
Schlitzen 8 Schallgeschwindigkeit erzeugt wird, die dann in der Packung,
also dem Schallschluckstoff, schnell abgebremst wird. Hierbei entstehen in dem Schallschluckstoff
selber praktisch keine Wirbel. Der Vorgang verläuft anschließend wieder nach einer
Drosselkurve. Im Gegensatz zu den Dämpfern nach F i g. 1 und 2 handelt es
sich hier nicht um einen molekularen, sondern um einen molaren Vorgang.
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Mit Drosseleinrichtungen nach F i g. 1 bis 3 lassen
sich geräuscharme Drosselvorgänge bei kleinen Ab-
messungen erzielen, was
sich aus der folgenden Berechnung ergibt.
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Das Medium soll sich -unter Vermeidung von Wirbelbildungen durch einen
reinen Drosselvorgang entspannen. Wird nämlich der anlänglich vorhandene Druck um
einen bestimmten Betrag abgesenkt, so erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des
Mediums und senkt sich dementsprechend seine Temperatur. Durch Auswahl eines bestimmten
PackungsmateriaIs und durch eine bestimmte Querschnittserweiterung der Entspannungsleitung
kann man darde sorgen, daß die ursprüngliche niedrigere Strömungsgeschwindigkeit
und * damit auch die ursprüngliche Temperatur beim Durchtritt durch die Drosseleinrichtung
erhalten bleiben. Ist dies der Fall, dann kann keine Energie in Form von Wirbeln
aufgetreten sein, es kann also kein Schall erzeugt worden sein. Dementsprechend
läßt sich die obenerwähnte Formel wie folgt errechnen: In der Entspannungsleitung
soll das Medium mit der konstanten Geschwindigkeit w strömen, wobei sich sein Druck
über die Länge 1 der Leitung von p,
am Eintrittsende auf p" am Austrittsende
verringern soll. Die Entspannungsleitung ist mit Metallspänen oder -geflechten gefüllt.
Deren Widerstand ist so bestimmt, daß die in jedem Längenelement dl der Entspannungsleitung
frei gewordene Expansionsarbeit durch die Reibungsarbeit verzehrt wird. Hierbei
muß die Enthalpie konstant bleiben, was bei idealen Gasen eine isothermische Expansion
zur Folge hat. Verläuft der Prozeß genau in dieser Form, so kann keine Arbeit nach
außen abgegeben werden, es entsteht also keine akustische Energie, und die Expansion
verläuft
lautlos. Die Reibung an der Oberfläche der Spätie oder Geflechte hängt von der Porösität,
der Strömungsgeschwindigkeil iv und der Dichte ab. Zur Vereinfachung der Formel
wird ein Beiwert a wie hilgt definiert:
Darin sind 11) der durch die Reibung bewirkte Druckabfall pro Längeneinheit,
o die Dichte und it, die Geschwindigkeit.
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Die Reibungskraft k. die über eine Länge di der Entspannungsleitung
auftritt, ist
fergibt sich aus der Gleichung f - it, = c; - l' , (3)
wobei
G die Strömungsmenge pro Zeiteinheit und v das spezifische Volumen
bedeutet. Man erhält also
Die hierbei verbrauchte Leistung ist
Diese Leistung wird aus der isothermischen Expansion des Gases gewonnen. Also dL
= - G - r - dp(i). (6)
Durch Gleichsetzen erhält
man
Durch Vereinfachung ergibt sich unter Einsetzen von
oder integriert
wobei für v nach der allgemeinen Gasgleichung für ideale Gase gesetzt wurde
Für die Abhängigkeit des Volumens vom Druck erhält man unter Benutzung von Gleichung
(3) und der Gleichung für die Isotherme:
und dementsprechend
Aus den Randbedingungen ergibt sich, daß C = 0
ist. Setzt man noch
1, = 0, so findet man schließlich für die optimale Länge der Entspannungsleitung
Sind die Faktoren, die die Strömung beeinflussen. nach der Gleichung (12)
miteinander verbunden, so muß die Expansion geräuschlos verlaufen.
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Für ideale Gase erfolgt die Expansion dabei nach einer Drosselkurve
bei konstant bleibender Enthalpie, wobei die Temperatur am Eintritts- und am Austrittsende
die gleiche ist. Der Prozeß wird dabei so geleitet, daß bereits im molekularen Bereich
bei entsprechendem Anwachsen der Entropie die Druckenergie in Wärmeenergie umgewandelt
wird. Die Geschwindigkeit iv wird dabei so gewählt, daß beim Austritt des Mediums
ins Freie nur noch Schall in zul-,issiger Stärke entsteht.
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Ist die optimale Länge der Entspannungsleitung nach Gleichung
(12) bekannt, so ist es für den Fachmann nicht mehr schwierig, die Austrittsbreite
h" zu errechnen, so daß auf die Wiedergabe dieser Rechnung hier verzichtet werden
kann.