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Zyklon-Schalldämpfer mit angeschlossener Resonatorstufe
Die Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung eines Schalldämpfers, der mit tangentialem Einströmrohr und mit ringförmigem Einströmraum ausgestattet ist, an dessen Wandung den Kanal verengende und hintereinandergeschaltete Entspannungsdüsen bildende Bleche angeordnet sind. Der erwähnte Schalldämpfer ist ferner mit einem axial gerichteten mittigen Ausströmrohr versehen, das als ein sich trichterförmig verengender Zyklonraum mit schalläbsorbierender Wand ausgebildet ist.
In der Verfahrenstechnik oder bei sonstigen strömungstechnischen Problemen treten oft Fälle auf, bei denen vornehmlich hochgespannte Gase nicht nur infolge ihres eigenen inneren Druckes oder einer entsprechenden Wärmebehandlung Strömungsenergie entwickeln, sondern bei denen diese Strömungsenergie zusätzlich durch mechanische Fördermaschinen aufgebracht wird. In diesen Fällen überlagert sich dem reinen Strömungsschall-Spektrum noch ein Förderschall-Spektrum, das durch die Anzahl der fördernden Elemente (Flügel, Kolben od. ähnl.) multipliziert mit der Maschinendrehzahl charakterisiert wird. Diese Förderfrequenz liegt meist erheblich tiefer als die Strömungsfrequenzen, so dass sie von dem Absorptionsteil des Zyklon-Schalldämpfers nicht mehr erfasst wird.
Auch die Resonanzräume zwischen den Entspannungsstufen des Zyklon-Schalldämpfers werden meist aus baulichen Gründen und aus dem oben erwähnten Frequenzunterschied zu klein sein, um auf die relativ tiefen Frequenzen des Maschinenschalles einwirken zu können. Deswegen kann erfindungsgemäss ein entsprechendes besonderes Resonanzsystem an den Zyklon-Schalldämpfer angeschlossen und mit diesem gekoppelt werden. In diesem System kann der Zyklonraum des Zyklon-Schalldämpfers ebenfalls auch schon mit jenen Abmessungen versehen werden, die ein Helmholtzscher Resonator für den auftretenden Maschinenschall haben muss. An diesen Resonator kann dann eine auf ihn abgestimmte, akustische Sperre angeschlossen werden, die das im Resonator in Resonanz schwingende Gasvolumen hindert, als Schall auszutreten.
Die konstruktive Lösung des Erfindungsgedankens ist in der Zeichnung in drei Figuren schematisch dargestellt. Fig. l zeigt im Aufriss eine Gesamtanordnung der Schalldämpferanlage im teilweisen Schnitt, Fig. 2 veranschaulicht im Grundriss einen Schnitt nach der LinieA der Fig. 1, und in Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm zu sehen, das den Dämpfungsvorgang erläutert.
In den Saugstutzen 1 der Gasfördermaschine 2 tritt ein mehr oder weniger gespanntes Gas ein. Diese Maschine 2 führt dem Gas, je nach Bauart, Geschwindigkeits- oder Druckenergie zu. Damit wird aber auch dem Gasstrom vom Austrittsstutzen 3 ab, wie schon oben erwähnt, eine ganz bestimmte Förderfrequenz aufgeprägt, die sich als störender Schall in der anschliessenden Leitung und bzw. oder eventuell am Austritt in die freie Atmosphäre bemerkbar macht. Der angeschlossene Zyklon-Schalldämpfer 4 sorgt zunächst für Entspannung und für die Dämpfung des Strömungsgeräusches.
In Fig. 2 ist beim Schalldämpfer das tangentiale Einströmrohr 17 und der ringförmige Einströmraum 18 zu erkennen, an dessen Wandung den Kanal verengende und hintereinandergeschaltete Entspannungsdüsen bildende Bleche 19 angeordnet sind. Konzentrisch zum Schalldämpfer ist ein sich trichterförmig verengendes Ausströmrohr 20 zu sehen.
Auf den Zyklonraum folgend wird nun ein zusätzlicher Resonanzschalldämpfer angeschlossen, der auf die tiefen Maschinenfrequenzen ausgelegt ist und diese dämpft. In der Zeichnung ist ein solcher Resonator, hier schematisch mit nur einer Kammer 6 und einer akustischen Sperrlänge 7, angedeutet.
Diese Resonanzschalldämpfer haben aber meistens mehrere Kammern, um die höheren Ordnungen bzw. die Obertöne des Maschinenschalles erfassen zu können. So kann erfindungsgemäss der Innenraum des Zyklon-Schalldämpfers mit einem solchen Innenvolumen ausgerüstet werden, dass dessen Eigenfrequenz mit der Förderfrequenz der Maschine 2 identisch ist und so durch diesen Zykloninnenraum bereits die Funktion einer ersten Resonanzkammer übernommen wird. Das Austrittsrohr 5 wird so bemessen, dass es eine akustische Sperrlänge für diese erste Resonanzkammer im Zykloninnenraum bildet.
Daran anschliessend kann dann das weitere Resonanzsystem aufgebaut werden.
Der Dämpfungsvorgang wird in Fig. 3 näher erläutert. Da der Innenraum des Zyklons so berechnet wurde, dass sein Gasvolumen die Eigenfrequenz besitzt, die mit der störenden Maschinenfrequenz identisch ist, steht in diesem Raum die berechnete Gasschwingung in Resonanz. Damit ist garantiert, dass am Rohrbeginn des inneren Zyklonrohres die Schwingung mit ihrer grössten Amplitude steht. Dies ist im Diagramm
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eingezeichnet. Um den Nullpunkt 8 des Koordinatensystems mit der Intensitätsachse 9 und der Zeitachse 10 ist der Vektorkreis 11 der Gasschwingung eingezeichnet. Er dient bei der Diagrammherstellung zur Ermittlung der einzelnen Schwingungspunkte. Denkt man sich das gestrichelte Resonatorsystem 6,7 weg, so erhält man den einfachsten Fall, bei dem das akustische Sperrohr 5 am Nullpunkt der Schwingung 13 endet.
Die Schallschwingung 13 ist also im Resonanzraum des Zyklon-Schalldämpfers gebunden. Bindet aber der Innenraum des Zyklons beispielsweise eine Schwingung, wie in der Zeichnung mit 15 dargestellt, so kann entweder das Auslassrohr mit einer Länge von 8 bis 16 ausgestattet werden, oder aber es kann an einer günstigen Stelle, hier z. B. in der Mitte, unterbrochen werden und die Unterbrechungsstelle in einen weiteren Resonanzraum 6 verlegt werden. Damit würde die erste Harmonische 15, die zweite Harmonische 13 und noch verschiedene andere Harmonische, die am End- oder am Unterbrechungspunkt ihre Nullstellen haben, wie hier z. B. eine solche mit 12 eingezeichnet ist, gedämpft werden. Man kann also mit einfachen Mitteln die Dämpfung beliebig intensivieren.
Der einfachste Fall, z. B. bei einer sehr eindeutigen, reinen Schallschwingung wäre der, dass nur der Zykloninnenraum als Resonator ausgebildet wird, d. h. dass er mit einem solchen Innenvolumen ausgerüstet wird, dass dessen Eigenfrequenz mit der Förderfrequenz der Maschine 2 identisch ist. Dadurch wird der schalltragende Gasstrom gezwungen, seine Schallenergie in der betreffenden Frequenz (also in der Förderfrequenz der Maschine) zur Schwingungsanregung des inneren Zyklonvolumens zu verwenden bzw. zu verbrauchen. Im Zykloninnenraum befindet sich dann also eine im Resonanzbereich stehende Gasschwingung.
Durch ein in seiner Länge auf das soeben genannte Resonatorvolumen abgestimmtes und genau berechnetes Auslassrohr 5 wird eine akustische Sperre gebildet, die Wellenlänge (oder oder 5/4 Wellenlänge) der Maschinenfrequenz lang ist. Dadurch bietet sie der stehenden Schallschwingung im Resonatorraum nur die Möglichkeit, mit der Schallintensität gleich Null auszutreten, d. h. mit andern Worten, sie verhindert, dass die im Resonatorraum stehende Schallintensität austritt. Erfolgt der Gasbzw. Luftaustritt in die freie Atmosphäre, so muss dieses Austrittsrohr 5 die eben besprochene akustische Sperrlänge besitzen.
Erfolgt der Austritt nicht oder noch nicht in die freie Atmosphäre, so muss eine starke Rohrerweiterung 6 an dieser Stelle geschaffen werden, der man selbstverständlich wieder ein günstiges, den Schall bindendes, Resonatorvolumen verleihen wird. Auch über diese Rohrerweiterung 6 wird der im Resonatorraum 4 stehende Schall nicht oder nur mit schlechtem Wirkungsgrad springen können. Das Anschlussrohr 7 führt also dann eine entspannte und vom Strömungsschall sowie vom Maschinenschall weitgehend befreite und beruhigte Gassäule.
Der letzte Fall schliesslich ist der, dass die Druckleitung nicht in die freie Atmosphäre mündet, sondern in einer geschlossenen Rohrleitung zum Verbrauchsgerät führt. Die Leitung endet also nicht, wie in der Zeichnung, bei 16, sondern geht beliebig weiter. Hier muss an der Nullstelle der störenden
Schwingung, also z. B. bei 16, eine Rohrerweiterung wie 6, möglichst in Form eines günstigen Resonators, gelegt werden, über die der störende Schall nicht oder nur mit schlechtem Wirkungsgrad springen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schalldämpfer mit tangentialem Einströmrohr, mit ringförmigem Einströmraum, an dessen Wandung den Kanal verengende und hintereinandergeschaltete Entspannungsdüsen bildende Bleche angeordnet sind, und mit axial gerichtetem mittigem Ausströmrohr, das als ein sich trichterförmig verengender
Zyklonraum mit schallabsorbierender Wand ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Zyklon- raum folgend ein zusätzlicher Resonanzdämpfer angeschlossen ist.