小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器的设计 

      小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器的设计，高压、高温及高速排气放空过程中产生频谱宽、声级高、污染范围大的高强度射流噪声。常见的阻性、抗性或阻抗复合式等消音器已不能适用,运用节流降压和小孔喷注排气的原理,设计与计算了小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器。并且基于分析设计规范JB4732-1995利用有限元法介绍了应力分析（分为一次应力、二次应力和峰值应力），从各项应力来判定强度要求。
     排气放空消音器常用于降低高压、高温及高速排气放空所产生的高强度射流噪声。此类排气噪声频谱宽、声级高、污染范围大。根据一则实际工程例子,综合运用节流降压和小孔喷注排气的原理,设计了一个排气放空消音器,并对其消声和结构性能进行了分析。
2小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器设计参数
     小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器流量328.85kg/s，温度370℃,放气口压力17.2MPa，排气介质100%水蒸气，出口DN125，141*29。排气口竖直向上，排气口水平段中心标高为30m。噪声源163分贝，指标1米远1米高100分贝以及100米外厂界70分贝。
3小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器设计方案
3.1节流孔板间的压降比和层数
     流量328.85kg/s，温度370℃,介质100%水蒸气为过热蒸汽。节流孔板间的压降比ε取0.546。在新型复合消音器中，小孔喷注前的压力是决定小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器前级装置效果的关键。若小孔喷注前的压力过高,消声效果就会受到影响,过低又会使前级装置中节流孔板层数Z增加,导致结构复杂，材料成本过高。因此,设计时通常先假定某一个值(一般控制在1kgf/cm2左右),然而通过噪声计算,调整才能后确定。Z=(logPm-logP1)/logε(1)Pm-小孔喷注前的压力，单位kgf/cm2;P1-排气压力，单位kgf/cm2;ε-压降比；Z=（log10-log172）/log0.546=4.7取4.消音器形式为4级节流降压+1级小孔喷注消音器。
3.2各层压力和各层面积
     一、二、三、四节流层后压力为17.2*0.546=9.39MPa9.39*0.546=5.13MPa5.13*0.546=2.8MPa2.8*0.546=1.52MPa;小孔喷注后压力为1.52*0.546=0.83MPa。一节流开孔面积S1（单位cm2)S1=kμG(V1/Ps)^0.5（2）k-气体性质系数过热蒸汽为13.4；μ-流量系数取1.2；G-流量，单位t/h,328.85/3.6=91.35t/h；V1-质量体积，单位m^3/Kg，可由气体状态方程V1=TR/PsM=0.017；T-热力学温度t+273；R-气体常数R=0.082；M-气体相对分子量，蒸汽18。代入一节流开孔计算面积为15.3cm2,而入口面积3.14*0.25*(14.1-2.9）*(14.1-2.9）=54.1cm2。计算面积小于入口面积，从安全性以及不影响小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器前端设备的正常使用方面考虑，一节流层开孔计算面积为54.1cm2。二、三、四节流层以及小孔喷注开孔计算面积为54.1/0.546=100cm2、100/0.546=183.2cm2、183.2/0.546=335.6cm2、335.6/0.546=614.7cm2。
3.3开孔分布与结构形式
     气流自小孔喷出后，各个小喷注产生噪声，但喷注的面积逐渐扩大，因而其相互距离逐渐缩小，在离开喷口一定距离后各个小喷注即将汇合成大喷注，生成大喷注的距离和小孔间距有关。应满足将小孔间的节距控制在小孔直径的6倍以上和相邻两层节流孔板的间距应大于15倍孔径的原则。
孔板厚度按δ=PcDi/{[?]{φ-Pc}（3）Pc-设计压力，单位MPa，一层压力为节流前后差1.5*（17.2-9.39）=11.71MPa，其中系数是考虑到实际工程中部分孔存在堵塞的可能，二、三、四、五层压力为6.4MPa、3.49MPa、1.91MPa、1.04MPa；Di-内直径，单位mm；[?]-许用应力,材料为12Cr1MoV，127MPa；Φ-孔板削弱系数,（孔间距-孔直径）/孔间距，取0.86。
     根据以上孔间距、相邻两层节流孔板的间距以及孔板厚度的要求可以得出节流降压-小孔喷注复合式消音器设计参数如下：一节流层开孔直径8mm，孔间距48mm，总开孔数110个，圆周开孔数5个，长度方向开孔22个，筒体?141*29；二节流层开孔直径6mm，孔间距48mm，总开孔数360个，圆周开孔数20个，长度方向开孔18个，筒体?426*15；三节流层开孔直径4mm，孔间距32mm，总开孔数1500个，圆周开孔数50个，长度方向开孔30个，筒体?632*12；四节流层开孔直径3mm，孔间距18mm，总开孔数4800个，圆周开孔数100个，长度方向开孔48个筒体?772*8；小孔喷注层开孔直径2mm，孔间距15mm，总开孔数19620个，圆周开孔数180个，长度方向开孔109个，筒体?900*5。
4小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器噪声计算
     4.1距离消音器1米处噪声La=75+20logPm+ΔLA’+10logS1P1/Pm(4)Pm-小孔喷注前的压力，单位kgf/cm2;P1-排气压力，单位kgf/cm2;ΔLA’当小孔喷注开孔直径为2mm，其值为-18；S1一节开孔面积5410mm2。计算得出La=127分贝。
     4.2高度方向的衰减20log29/1=29分贝
     4.3厂界方向的衰减20log100/1=40分贝127-29=98分贝<100分贝，100-40=60<70分贝，其中消音器消声量为36分贝，满足噪声要求。
5小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器结构计算
5.1建立模型与网格划分
     根据结构特性以及载荷特性，抓住主要分析问题，以及减少计算量，共建立1/4实体模型：分析角焊缝处强度、筒体强度；利用ANSYS13.0自带20个节点solid95单元划分实体模型。
5.2约束与载荷
     约束：模型A—1/4对称面施加对称约束，筒体底面施加竖向约束。载荷：在每一层内部施加压力载荷。一、二、三、四、五层压力为11.71MPa、6.4MPa、3.49MPa、1.91MPa、1.04MPa。
5.3小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器分析与结果
     分析设计的设计思想是先进行详细的应力分析，将各个外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进行应力分类，分为一次应力（包括一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力）、二次应力和峰值应力。再按照不同的设计准则对各类应力来限制，保证结构在使用期限内不发生各种形式的失效。
     ANSYS分析时，通过设置路径来确定典型的评定截面。在结构不连续部位选取内外壁面上相对的两个节点，将数据映射到路径上，对路径再进行线性化处理。其中不开孔的区域Sm=127mpa，开孔区域Sm=127*0.86=109mpa。根据路径分析，一次局部薄膜应力强度、一次加二次弯曲应力强度要满足要求。
     该型小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器按照热力学的特性，把高压、高温及高速排气放空按临界压力比逐级节流降压并结合小孔喷注降低其噪音，具有结构简单、易于加工的特点，消声效果明显，从163dB降至98dB，厂界各点的噪音均低于70dB，达到了《工业企业噪声卫生标准》的要求。
     当然此种小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器还需进一步优化设计，比如一级开孔面积的确认以及针对高噪声指标可再在小孔喷注节流减压复合蒸汽消音器后增加阻性消音器等，使其消声效果达到佳。