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高壓蒸汽排空復合型消聲器的應用原理及適用場合
簡述了節流降壓—小孔噴注—阻性吸聲組合式高壓蒸汽排空復合型消聲器的設計原理、設計計算方法和在高壓蒸汽排空中的應用，并結合具體實例予以詳細闡述。為工業鍋爐的消聲降噪提供了一種方式。根據GB3096—2008聲環境質量標準要求，任何地方環境噪聲晝間不得超過50~70dB，夜間不應高于40~60dB。煉油、煤化工、電廠等的蒸汽鍋爐是產生大量噪音的源頭，尤其是對空排汽，因其聲級高、傳播遠、污染面廣，對周圍環境和人員影響極大。因此，對高壓蒸汽鍋爐高壓蒸汽排空復合型消聲器的設計與選用至關重要。
1高壓蒸汽排空復合型消聲器概況
高壓蒸汽排空復合型消聲器按消聲機理分為5種主要類型，即阻性高壓蒸汽排空復合型消聲器、抗性高壓蒸汽排空復合型消聲器、阻抗復合式高壓蒸汽排空復合型消聲器、微穿孔板高壓蒸汽排空復合型消聲器、降壓擴容（小孔噴注型）高壓蒸汽排空復合型消聲器。各類高壓蒸汽排空復合型消聲器消聲原理及適用場合見表1。
表1高壓蒸汽排空復合型消聲器原理及適用場合
高壓蒸汽排空復合型消聲器類型 消聲原理 消聲頻率特性 適用場合
阻性高壓蒸汽排空復合型消聲器：
消聲原理——利用聲波在多孔性吸聲材料中傳播時的摩擦力，將聲能轉化為熱能而散發掉，以達到消音目的。
消聲頻率特性——具有中、高頻的消聲性能。
適用場合——適用于消除風機、燃氣輪機進氣噪聲等。
抗性高壓蒸汽排空復合型消聲器：
消聲原理——利用聲波的反射、干涉及共振等原理，吸收或阻礙聲能向外傳播而達到消聲目的。
消聲頻率特性——具有低、中頻的消聲性能。
適用場合——適用于消除空壓機、內燃機、汽車排氣噪聲等。
阻抗復合式高壓蒸汽排空復合型消聲器：
消聲原理——將阻性和抗性兩者消聲原理通過適當結構結合起來，可達到寬頻帶、高吸收的消聲效果。
消聲頻率特性——具有低、中、高頻的消聲性能。
適用場合——適用于消除鼓風機、發動機噪聲。
微穿孔板高壓蒸汽排空復合型消聲器：
消聲原理——利用微孔結構原理達到消聲效果。
消聲頻率特性——具有寬頻帶消聲性能。
適用場合——可用于高溫、潮濕有水氣、油霧、粉塵及要求特別清潔衛生的場所。
小孔噴注型高壓蒸汽排空復合型消聲器
消聲原理——從噪聲發生機理上降低噪聲。即利用小孔移頻效應，使噪聲能級移向人耳不敏感的高頻率范圍。
消聲頻率特性——具有寬頻帶消聲性能。
適用場合——適用于消除壓力氣體排放、鍋爐排氣、化工工藝氣體排放噪聲。
2高壓蒸汽排空噪聲的特點
高壓蒸汽排空時，高溫、高速、高壓氣體在極短時間從排放口噴射出來的“射流”使鄰近的大氣一起運動，形成“卷吸”，并沿著射流方向逐漸擴散，氣體壓力銳減為環境壓力，而體積相應擴大，在射流核心區域附近，“射流”氣體與“卷吸”氣體劇烈碰撞產生高頻噪聲，此為射流噪聲的主要區域。氣體流速隨著“射流”寬度的擴大而降低，產生中、低頻噪聲。由此可見，高壓蒸汽排空的噪聲具有突發性、聲級高、頻帶寬、傳播遠等特點。只有設計結構合理的高壓蒸汽排空復合型消聲器，才能降低噪聲污染，減少噪聲對人員的傷害。
3高壓蒸汽排空復合型消聲器設計機理
目前，控制排汽放空噪聲的有效方法是在排汽管口安裝高壓蒸汽排空復合型消聲器，針對高壓蒸汽排空噪聲的特點，該高壓蒸汽排空復合型消聲器必須具有降壓降速、改變頻率或改變噴射氣流參數等功能才能取得消聲效果。
1）利用節流降壓原理降低蒸汽的排放壓力。由于排氣噪聲功率與壓力降的2.3次方成正比，通過多級孔板串聯，將排汽總壓降分散至各級節流孔板上，即把壓力突變排空改為壓力漸變排空來獲得消聲效果。
2）利用小孔噴注的移頻效應。在聲功率不變情況下，小孔噴注能改變噪聲的頻譜特性，將噪聲從低頻移向高頻，使峰值頻率落在人耳不敏感的頻率范圍（＞8000Hz）或感覺不到的超聲頻率范圍（＞20000Hz）。
3）利用阻性吸聲層。蒸汽氣流經過節流降壓、小孔噴注后進入阻性吸聲層，聲波在吸聲材料中的摩擦和粘滯阻力將聲能轉化為熱能，從而達到消聲效果。
4）控制產生再生噪聲。蒸汽流速越大，再生噪聲越大。控制排氣口的截面積，可降低蒸汽氣流產生的再生噪聲。一般高壓排汽放空消聲器內的氣流流速不宜大于60m/s。綜上所述，擬采用節流降壓+小孔噴注+阻性吸聲結構來控制高壓蒸汽排空噪聲。
4高壓蒸汽排空復合型消聲器結構設計
4.1節流降壓層
4.1.1節流級數確定各級節流孔板所承擔的壓降，按臨界比設計，即Pn=P1·qn.式中：Pn為n級節流孔板后的壓力，可按駐壓Ps取值，MPa；P1為節流孔板前的壓力，即高壓蒸汽排空復合型消聲器入口壓力，MPa；n為節流孔板（含小孔噴注層）級數；q為壓強比（節流孔板后的壓力Pn與該級節流孔板前的壓力Pn-1之比），對飽和蒸汽q=0.577，過熱蒸汽q=0.546。根據試驗結果，小孔噴注后的噪聲大小在很大程度上取決于噴注前的駐壓。如果將進入末級小孔前的駐壓控制在0.8MPa左右，在距排汽口100m處的噪聲已降至60dB。故計算時可取Ps=0.8MPa。對式（1）左右兩側取對數，可得n=lgPn-lgP1lgq.
4.1.2節流降壓每級流通截面積
1級節流降壓流通截面積計算公式[3]為S1=KμGV1/P1姨.（3）式中：S1為1級節流降壓層流通截面積，cm2；K為排放不同介質的修正系數；飽和蒸汽可取14，過熱蒸汽可取13.4；μ為流量系數，1.2~2.0；G為排氣汽量，kg/h；V1為節流前氣體比容，m3/kg。已知1級節流降壓截面積后，可按與比容成正比例的關系近似確定其余各級流通截面積，簡化計算公式為Sn=S1/qn-1.（4）式中：Sn為n級節流降壓層流通截面積，cm2；q為壓強比。高壓蒸汽排空復合型消聲器的各級節流板不但應有足夠的流通面積，還應有充分的擴容空間，以避免氣流在節流中產生二次噪聲通過下一級節流傳播，因此各節流層的間距應大于15倍孔徑。按GB/T50087—2013工業企業噪聲控制設計規范的相關規定，每級開孔總面積應大于原排汽口面積的1.5~2倍。
4.1.3節流降壓消聲量計算
節流降壓消聲量計算公式為ΔL1=10a·lg3.7（P1-P0）3nP1·P02.（5）式中：a為修正系數，取0.9±0.2，當壓力較高時a取偏低值，壓力較低時a取偏高值；P0為環境壓力，MPa；n為節流降壓層數。
4.2小孔噴注層
4.2.1小孔孔徑理論上小孔噴注的孔徑越小消音效果越好。實際上由于孔道堵塞和加工困難，孔徑不宜太小，一般為1~3mm。孔間距一般為孔徑的5~10倍為宜。
4.2.2小孔數量小孔數量計算公式為N=Q/qs.（6）式中：N為小孔數量，個；Q為蒸汽總排量，kg/h；qs為單個小孔流量，kg/h。當消聲器室溫度Ts≠645K時，半經驗計算公式為qs=ψ10PsTs·d2.（7）式中：ψ為與小孔直徑有關的系數；Ps為駐壓，MPa；Ts為消聲器室溫度，K（見表2）。
4.2.3噴注層消音量計算噴注層消音量的經驗計算公式為ΔL2=（27.5-30lgd）dB式中：d為小孔孔徑，mm。
4.3阻性吸聲層
4.3.1阻性吸聲層構成
阻性吸聲層一般由吸聲材料+玻璃布+不銹鋼板構成。吸聲材料可采用密度為15～25kg/m3、孔隙率為95％的超細玻璃棉。為彌補吸聲材料吸水率高的缺點，在超細玻璃棉外加玻璃布和一層塑料薄膜。外層設置一層不銹鋼穿孔板，其穿孔率為25％～30％，以避免蒸汽氣流對吸聲材料的沖擊。
4.3.2阻性吸聲消音量
阻性吸聲層的消音量計算公式為ΔL2=φ（a0）p·lS.（9）式中：φ（a0）為消聲系數，由法向吸聲系數a0決定，可按表3選取；p為阻性吸聲段內吸聲材料的飾面周長，m；l為阻性吸聲段的長度，m；S為阻性吸聲段通道截面積，m2。
5設計實例以某硫磺回收裝置52t/h鍋爐為例設計排汽消聲降噪的復合高壓蒸汽排空復合型消聲器介紹如下。
5.1原始數據
介質類別：飽和蒸汽；介質參數：P0=4.5MPa（絕壓），t0=257℃；鍋爐額定蒸發量：G=52t/h；設計汽體流量：按照鍋爐蒸發量的30%考慮，即Q=（52×0.3）t/h=15.6t/h；排氣管：DN100；設置目標：要求距離聲源1m處噪聲≤85dB。
5.2高壓蒸汽排空復合型消聲器設計計算
5.2.1節流降壓級數根據式（2）可得n=lgPn-lgP1lgq=lg0.8-lg4.5lg0.577=3.14≈3.此型高壓蒸汽排空復合型消聲器采用3級結構就可達到消聲要求，其中內層為節流降壓級，外2層為小孔噴注級。
5.2.2小孔數量計算
根據式（7），可得小孔的單孔流量為qs=ψ10PsTs·d2=7.96×10×0.82.73.15+257×22=11.1kg/h.孔數N=Q/qs=15600/11.1=1406個。小孔孔徑d取2mm。5.2.3原始噪聲量離噪聲源1m處的原始噪聲為LA（1）=110+20lgQ-20lgD0=（110+20lg15.6-20lg0.1）dB=153.9dB.（10）式中：D0為高壓蒸汽排空復合型消聲器入口管徑，m。
5.2.4消音量計算
根據式（5），節流降壓消音量為ΔL1=10a·lg3.7（P1-P0）3nP1·P02=10×0.9lg3.7（4.5-0.1）33×4.5×0.12dB=30.3dB.小孔噴注消音量為ΔL2=（27.5-30lgd）dB=（27.5-30lg2）dB=18.5dB.根據式（9），阻性吸聲消音量為ΔL3=φ（a0）p·lS=25.4dB.此高壓蒸汽排空復合型消聲器理論消音量為ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL3=（30.3+18.5+25.4）dB=74.2dB.預計加裝高壓蒸汽排空復合型消聲器后距高壓蒸汽排空復合型消聲器1m處的聲壓級為153.9dB-74.2dB=79.7dB＜85dB，滿足設計要求。
5.3高壓蒸汽排空復合型消聲器結構簡圖
結構簡圖見圖1。
采用節流降壓+小孔噴注+阻性吸聲高效復合結構高壓蒸汽排空復合型消聲器，可以有效控制高壓蒸汽排空噪聲，將噪聲值從153.9dB降低至79.7dB，從而減少對人體的傷害。該類高壓蒸汽排空復合型消聲器不僅適用于鍋爐高壓蒸汽排空，也適用于寬頻帶的高壓氣流排空，具有很好的應用前景。