高压蒸汽排空复合型消声器的应用原理及适用场合
 

       简述了节流降压—小孔喷注—阻性吸声组合式高压蒸汽排空复合型消声器的设计原理、设计计算方法和在高压蒸汽排空中的应用，并结合具体实例予以详细阐述。为工业锅炉的消声降噪提供了一种方式。根据GB3096—2008声环境质量标准要求，任何地方环境噪声昼间不得超过50~70dB，夜间不应高于40~60dB。炼油、煤化工、电厂等的蒸汽锅炉是产生大量噪音的源头，尤其是对空排汽，因其声级高、传播远、污染面广，对周围环境和人员影响极大。因此，对高压蒸汽锅炉高压蒸汽排空复合型消声器的设计与选用至关重要。
1高压蒸汽排空复合型消声器概况
      高压蒸汽排空复合型消声器按消声机理分为5种主要类型，即阻性高压蒸汽排空复合型消声器、抗性高压蒸汽排空复合型消声器、阻抗复合式高压蒸汽排空复合型消声器、微穿孔板高压蒸汽排空复合型消声器、降压扩容（小孔喷注型）高压蒸汽排空复合型消声器。各类高压蒸汽排空复合型消声器消声原理及适用场合见表1。
表1高压蒸汽排空复合型消声器原理及适用场合
高压蒸汽排空复合型消声器类型   消声原理   消声频率特性   适用场合
阻性高压蒸汽排空复合型消声器：
      消声原理——利用声波在多孔性吸声材料中传播时的摩擦力，将声能转化为热能而散发掉，以达到消音目的。
      消声频率特性——具有中、高频的消声性能。
      适用场合——适用于消除风机、燃气轮机进气噪声等。
抗性高压蒸汽排空复合型消声器：
      消声原理——利用声波的反射、干涉及共振等原理，吸收或阻碍声能向外传播而达到消声目的。
      消声频率特性——具有低、中频的消声性能。
      适用场合——适用于消除空压机、内燃机、汽车排气噪声等。
阻抗复合式高压蒸汽排空复合型消声器：
      消声原理——将阻性和抗性两者消声原理通过适当结构结合起来，可达到宽频带、高吸收的消声效果。
      消声频率特性——具有低、中、高频的消声性能。
      适用场合——适用于消除鼓风机、发动机噪声。
微穿孔板高压蒸汽排空复合型消声器：
      消声原理——利用微孔结构原理达到消声效果。
      消声频率特性——具有宽频带消声性能。
      适用场合——可用于高温、潮湿有水气、油雾、粉尘及要求特别清洁卫生的场所。
小孔喷注型高压蒸汽排空复合型消声器
      消声原理——从噪声发生机理上降低噪声。即利用小孔移频效应，使噪声能级移向人耳不敏感的高频率范围。
      消声频率特性——具有宽频带消声性能。
      适用场合——适用于消除压力气体排放、锅炉排气、化工工艺气体排放噪声。
2高压蒸汽排空噪声的特点
      高压蒸汽排空时，高温、高速、高压气体在极短时间从排放口喷射出来的“射流”使邻近的大气一起运动，形成“卷吸”，并沿着射流方向逐渐扩散，气体压力锐减为环境压力，而体积相应扩大，在射流核心区域附近，“射流”气体与“卷吸”气体剧烈碰撞产生高频噪声，此为射流噪声的主要区域。气体流速随着“射流”宽度的扩大而降低，产生中、低频噪声。由此可见，高压蒸汽排空的噪声具有突发性、声级高、频带宽、传播远等特点。只有设计结构合理的高压蒸汽排空复合型消声器，才能降低噪声污染，减少噪声对人员的伤害。
3高压蒸汽排空复合型消声器设计机理
      目前，控制排汽放空噪声的有效方法是在排汽管口安装高压蒸汽排空复合型消声器，针对高压蒸汽排空噪声的特点，该高压蒸汽排空复合型消声器必须具有降压降速、改变频率或改变喷射气流参数等功能才能取得消声效果。
      1）利用节流降压原理降低蒸汽的排放压力。由于排气噪声功率与压力降的2.3次方成正比，通过多级孔板串联，将排汽总压降分散至各级节流孔板上，即把压力突变排空改为压力渐变排空来获得消声效果。
      2）利用小孔喷注的移频效应。在声功率不变情况下，小孔喷注能改变噪声的频谱特性，将噪声从低频移向高频，使峰值频率落在人耳不敏感的频率范围（＞8000Hz）或感觉不到的超声频率范围（＞20000Hz）。
      3）利用阻性吸声层。蒸汽气流经过节流降压、小孔喷注后进入阻性吸声层，声波在吸声材料中的摩擦和粘滞阻力将声能转化为热能，从而达到消声效果。
      4）控制产生再生噪声。蒸汽流速越大，再生噪声越大。控制排气口的截面积，可降低蒸汽气流产生的再生噪声。一般高压排汽放空消声器内的气流流速不宜大于60m/s。综上所述，拟采用节流降压+小孔喷注+阻性吸声结构来控制高压蒸汽排空噪声。
4高压蒸汽排空复合型消声器结构设计
4.1节流降压层
      4.1.1节流级数确定各级节流孔板所承担的压降，按临界比设计，即Pn=P1·qn.式中：Pn为n级节流孔板后的压力，可按驻压Ps取值，MPa；P1为节流孔板前的压力，即高压蒸汽排空复合型消声器入口压力，MPa；n为节流孔板（含小孔喷注层）级数；q为压强比（节流孔板后的压力Pn与该级节流孔板前的压力Pn-1之比），对饱和蒸汽q=0.577，过热蒸汽q=0.546。根据试验结果，小孔喷注后的噪声大小在很大程度上取决于喷注前的驻压。如果将进入末级小孔前的驻压控制在0.8MPa左右，在距排汽口100m处的噪声已降至60dB。故计算时可取Ps=0.8MPa。对式（1）左右两侧取对数，可得n=lgPn-lgP1lgq.
4.1.2节流降压每级流通截面积
      1级节流降压流通截面积计算公式[3]为S1=KμGV1/P1姨.（3）式中：S1为1级节流降压层流通截面积，cm2；K为排放不同介质的修正系数；饱和蒸汽可取14，过热蒸汽可取13.4；μ为流量系数，1.2~2.0；G为排气汽量，kg/h；V1为节流前气体比容，m3/kg。已知1级节流降压截面积后，可按与比容成正比例的关系近似确定其余各级流通截面积，简化计算公式为Sn=S1/qn-1.（4）式中：Sn为n级节流降压层流通截面积，cm2；q为压强比。高压蒸汽排空复合型消声器的各级节流板不但应有足够的流通面积，还应有充分的扩容空间，以避免气流在节流中产生二次噪声通过下一级节流传播，因此各节流层的间距应大于15倍孔径。按GB/T50087—2013工业企业噪声控制设计规范的相关规定，每级开孔总面积应大于原排汽口面积的1.5~2倍。
4.1.3节流降压消声量计算
      节流降压消声量计算公式为ΔL1=10a·lg3.7（P1-P0）3nP1·P02.（5）式中：a为修正系数，取0.9±0.2，当压力较高时a取偏低值，压力较低时a取偏高值；P0为环境压力，MPa；n为节流降压层数。
4.2小孔喷注层
      4.2.1小孔孔径理论上小孔喷注的孔径越小消音效果越好。实际上由于孔道堵塞和加工困难，孔径不宜太小，一般为1~3mm。孔间距一般为孔径的5~10倍为宜。
      4.2.2小孔数量小孔数量计算公式为N=Q/qs.（6）式中：N为小孔数量，个；Q为蒸汽总排量，kg/h；qs为单个小孔流量，kg/h。当消声器室温度Ts≠645K时，半经验计算公式为qs=ψ10PsTs·d2.（7）式中：ψ为与小孔直径有关的系数；Ps为驻压，MPa；Ts为消声器室温度，K（见表2）。
      4.2.3喷注层消音量计算喷注层消音量的经验计算公式为ΔL2=（27.5-30lgd）dB式中：d为小孔孔径，mm。
4.3阻性吸声层
4.3.1阻性吸声层构成
      阻性吸声层一般由吸声材料+玻璃布+不锈钢板构成。吸声材料可采用密度为15～25kg/m3、孔隙率为95％的超细玻璃棉。为弥补吸声材料吸水率高的缺点，在超细玻璃棉外加玻璃布和一层塑料薄膜。外层设置一层不锈钢穿孔板，其穿孔率为25％～30％，以避免蒸汽气流对吸声材料的冲击。
4.3.2阻性吸声消音量
      阻性吸声层的消音量计算公式为ΔL2=φ（a0）p·lS.（9）式中：φ（a0）为消声系数，由法向吸声系数a0决定，可按表3选取；p为阻性吸声段内吸声材料的饰面周长，m；l为阻性吸声段的长度，m；S为阻性吸声段通道截面积，m2。
5设计实例以某硫磺回收装置52t/h锅炉为例设计排汽消声降噪的复合高压蒸汽排空复合型消声器介绍如下。
5.1原始数据
      介质类别：饱和蒸汽；介质参数：P0=4.5MPa（绝压），t0=257℃；锅炉额定蒸发量：G=52t/h；设计汽体流量：按照锅炉蒸发量的30%考虑，即Q=（52×0.3）t/h=15.6t/h；排气管：DN100；设置目标：要求距离声源1m处噪声≤85dB。
5.2高压蒸汽排空复合型消声器设计计算
      5.2.1节流降压级数根据式（2）可得n=lgPn-lgP1lgq=lg0.8-lg4.5lg0.577=3.14≈3.此型高压蒸汽排空复合型消声器采用3级结构就可达到消声要求，其中内层为节流降压级，外2层为小孔喷注级。
5.2.2小孔数量计算
      根据式（7），可得小孔的单孔流量为qs=ψ10PsTs·d2=7.96×10×0.82.73.15+257×22=11.1kg/h.孔数N=Q/qs=15600/11.1=1406个。小孔孔径d取2mm。5.2.3原始噪声量离噪声源1m处的原始噪声为LA（1）=110+20lgQ-20lgD0=（110+20lg15.6-20lg0.1）dB=153.9dB.（10）式中：D0为高压蒸汽排空复合型消声器入口管径，m。
5.2.4消音量计算
      根据式（5），节流降压消音量为ΔL1=10a·lg3.7（P1-P0）3nP1·P02=10×0.9lg3.7（4.5-0.1）33×4.5×0.12dB=30.3dB.小孔喷注消音量为ΔL2=（27.5-30lgd）dB=（27.5-30lg2）dB=18.5dB.根据式（9），阻性吸声消音量为ΔL3=φ（a0）p·lS=25.4dB.此高压蒸汽排空复合型消声器理论消音量为ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL3=（30.3+18.5+25.4）dB=74.2dB.预计加装高压蒸汽排空复合型消声器后距高压蒸汽排空复合型消声器1m处的声压级为153.9dB-74.2dB=79.7dB＜85dB，满足设计要求。
5.3高压蒸汽排空复合型消声器结构简图
       结构简图见图1。
      采用节流降压+小孔喷注+阻性吸声高效复合结构高压蒸汽排空复合型消声器，可以有效控制高压蒸汽排空噪声，将噪声值从153.9dB降低至79.7dB，从而减少对人体的伤害。该类高压蒸汽排空复合型消声器不仅适用于锅炉高压蒸汽排空，也适用于宽频带的高压气流排空，具有很好的应用前景。