消音器设计计算书2014.doc

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消音器设计计算书
由于我国目前对消音器的设计，还没有统一的标准规范可以遵照执行，大多数厂家均根据自己的经验来设计制作，且技术又相对保密的。因此本消音器的设计，经查阅大量资料，采用科学院声学研究所马大猷教授等人提出的小孔喷注噪声极其控制理论，采用节流降压与小孔消音的原理结合现场实际情况来设计解决环境噪声超标的难题。
消音器的工艺参数为：蒸汽排放绝对压力：40 kg/ cm2，排汽温度：390℃，蒸汽比容ρ：0.0721 m3/ kg，排汽流量Q：8t/h；噪声达到110dB以上，要求消音器的噪声小于85dB的环保要求。
一、 设计原理。
复合式小孔喷注消音器是利用节流作用降低小孔喷注前的驻压，预先消耗部分声能，再dB与小孔降噪相结合，达到较高的消声量；其原理是利用节流降压与小孔喷注两种消声机理，通过适当结构复合而成的。
1. 小孔喷注消音器
小孔喷注消音器的设计机理是根据科学院声学研究所马大猷教授等人提出的小孔喷注噪声极其控制理论，从发声机理上使它的干扰噪声减少，由于喷注噪声峰值频率与喷口直径成反比，若喷口直径变小，喷口辐射的噪声能量将丛低频移向高频，于是低频噪声被降低，高频噪声反而增高，当孔径小到一定值（达到mm级），实验表明，当孔径≤4mm时具有移频作用，喷注噪声将移到人耳不敏感的频率范围（听觉最敏感的区域250~5000赫兹）；根据这一机理将一个大的喷口改为许多小孔来代替，便能达到降低可听声的目的。从实用角度考虑，孔径不能选得过小，因为过小的孔径不仅难于加工，同时易于堵塞，影响排汽。一般选用直径1~3mm的小孔为宜。
2.节流降压消音器
节流降压消音器是利用节流降压原理而制成的。根据排汽流量的大小，适当设计通流截面，使高压气体通过节流孔板时，压力都能最大限度地降低到临界值。这样通过多级节流孔板串联，就能把排空的一次压降分散到若干个小的压降。由于排汽噪声功率与压力降的高次方成正比例，所以把压力突变排空改为压力在消音器内就逐渐降下来再排空，这样能使消音器内流速控制在临界流速下，不致产生激波噪声，压力在最大限度地降到临界值，使消音器获得较好的消声效果。同时节流降压后小孔喷注层的驻压大大变小，小孔喷注层强度设计所需的壁厚也大为减薄，这样给小孔喷注层的钻孔加工减小难度。
消音器入口处的压力通常是给定的，当排放压力较高时，为了取得所需的消声值，经过几次节流降压，使汽体进入小孔喷注前的压力由消音器入口处的压力P1按比例降低设计；通常情况下，节流降压消音器的各级压力选择为等比级数下降，设节流孔板级数为n，临界压力比为q (q＜1) ，可得：
（1）
根据气体状态方程、连续性方程和临界流速公式，由资料可知节流装置的通流截面，可按下式计算：
（2）
式中: S1为节流面积（cm2）;
G为排放气体的质量流量（t/h）；
V1为节流前气体的比容(m3/kg)，
P1为节流前气体的绝对压力（kg/ cm2）；
μ为保证排汽量的截面修正系数，通常取1.2~2.0，
二、 结构设计
根据上述原理，经综合分析，本消音器考虑采用节流降压与小孔喷注相结合的结构，首先为保正小孔喷注有良好的消音效果，据资料[2]上的经验数据表明，将小孔喷注层的驻压确定为5~10kgf/cm2，则小孔喷注将获得较好的效果；再根据预定的小孔喷注层的驻压及[1]式，就可确定消音器节流降压所需要的级数。
1）节流前后的降压比q值的确定
节流前后的压降比q值的取值，对高压排放的节流降压装置，通常按临界状态或亚临界状态设计；根据资料[1]，临界状态下，过热蒸汽的压降比为q=0.546，q值过大，各级压力降低缓慢，所需节流级数增多，致使消音器体积增大；q值过小，不能有效地把流速控制在临界流速下，仍会产生强烈的激波噪声，会使消音器的性能下降。由于本消音器的气源压力较高，按接近临界状态选取各级压强比，经查阅有关资料，按亚临界状态设计比按临界状态设计的的消音效果好，因此本设计采用亚临界状态设计，取q=0.45；取小孔喷注层的驻压为8.1kgf/cm2，则根据 [1]式，需要的节流孔板级数为n=2。
2）节流降压层及小孔喷注层开孔面积及参数的确定
根据科学院声学研究所的研究证明，只有当小孔总面积与排气管截面积之比为1.6时，才能使排气管排气无阻，因此修正系数μ取1.66；由式（2），根据给定的设计参数，通过计算第一级节流孔板的通流面积为S1=7.65 cm2，为了便于实际加工而不影响消音器性能，本设计的穿孔直径取为 d=6mm，即得第一级穿孔数N1=27个，实取28个；在计算出第一级节流孔板通流面积S1后；由于各级降压后汽体温度可考虑为近似保持不变（气流在消音器器中流动，流速很高，气体来不及与外界发生热交换即排出），则其它各级的计算与第一级相同，各级计算结果列表如下：
各级节流降压小孔喷注复合消音器设计参数
级数
单位
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
进口压力
Kg/cm2
40
18
8.1
通流面积S
cm2
7.65
17
37.8
比容
cm3/ Kg
0.0740
0.1526
0.3179
压降比
q

0.45
0.45
孔径d
mm
6
4
3
孔数n

27
135
535
3）消音量的计算
㈠、根据资料（3），节流降压的消声量按下式计算

式中k----- 经验修正系数，取0.9±0.2；取0.9
P1-------消音器入口前排气压力kg/cm2，取40 kg/cm2
p0-------环境大气绝对压力kg/cm2，取1.033kg/cm2。
n-------节流级数。
则=10×0.9×lg=16.4dB
㈡、小孔喷注消音器辐射的消声量，根据资料（3）按下式计算：
=27.5-14.3=13.2 dB
其中：D为小孔孔径mm。
通过上述计算本消音器经节流降压及小孔喷注消音后的消声量为VL=VL1+VL2=16.4+13.2=29.6dB
则消音器的排放噪声110 dB减去消音器的消声量，尿素CO2压缩机的主蒸汽排放噪声经消音器消声后产生的噪声为80.4dB，小于国家环保的规定，因此本消音器的设计满足现场实际的需要。
总之，由于本人对消音器的设计还缺乏经验，虽然理论上计算满足了生产实际的要求，是否能达到理论上的计算结果，还有待消音器实施安装后经实践的检验。

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