DE10023411A1 - Breitbandig schallabsorbierendes Element - Google Patents

Abstract

Ein schallabsorbierendes Element für einen fluiddurchströmten Kanal weist mindestens zwei schallabsorbierende Teilelemente auf. Ein erstes, niederfrequent absorbierendes Teilelement enthält eine Mehrzahl von niederfrequenten Resonatoren, die durch Wände gebildet werden und unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen. Ein zweites, hochfrequent absorbierendes Teilelement enthält eine Mehrzahl von hochfrequenten Resonatoren, die durch gekantete und gefaltete Bleche gebildet werden. Das schallabsorbierende Element kann in einer Lüftungsanlage oder in einer Prozeßanlage, insbesondere stromaufwärts und/oder stromabwärts einer Strömungsmaschine und/oder einer druckentspannenden Armatur eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein schallabsorbierendes Element für einen fluiddurchströmten Kanal. Ein derartiges Element dient als Schalldämpfer zur Absorption von Schall aus einem strömenden Fluid, insbesondere einem Gas, oder ist Teil eines solchen Schalldämpfers.

In verfahrenstechnischen Anlagen befinden sich häufig Quellen von hohen Lärmemissionen, beispielsweise druckentspannende Armaturen oder Maschinen, insbesondere Strömungsmaschinen, wie Entspannungsturbinen, Verdichter oder Gebläse. Zum Beispiel in der Beschaufelung von Strömungsmaschinen werden sowohl breit- als auch schmalbandige Lärmpegel erzeugt, die ohne Dämpfung über Ein- und Austrittsleitungen übertragen und weiter über angeschlossene Stahlkonstruktionen nach außen abgestrahlt werden. Diese akustischen Emissionen, die zu einem großen Teil über das strömende Fluid weitergeleitet werden, müssen auf ein erträgliches beziehungsweise vorgeschriebenes Maß reduziert werden. Neben konstruktiven Maßnahmen an den Maschinen selbst, die nur begrenzte Wirksamkeit entfalten, sind dazu Schalldämpfer geeignet, die am Austritt und/oder am Eintritt der Maschine angeordnet werden.

Bisher bekannte Schalldämpfer der eingangs genannten Art enthalten häufig poröse Materialien als schalldämpfende Einbauten. Solche Vorrichtungen ergeben zwar eine in vielen Fällen befriedigende Schallabsorption; allerdings treten im praktischen Betrieb auch Nachteile auf. Die bekannten Schalldämpfer eignen sich nämlich nur für bestimmte Verfahrensbedingungen. Insbesondere bezüglich des Aggregatzustandes des Fluids und der Betriebstemperatur sind ihrem Einsatz Grenzen gesetzt. Sie arbeiten daher in vielen Einsatzbereichen nicht vollständig zufriedenstellend; vor allem hinsichtlich der Ausfallsicherheit der Anlage und im Blick auf die Flexibilität der Verfahrensführung.

So haben poröse Absorptionsmaterialien durch das Einwirken tiefer Temperaturen, wie sie beispielsweise an Entspannungsturbinen in Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen auftreten, Auflösungserscheinungen gezeigt und zu Schäden in Entspannungsturbinen geführt. Außerdem wird beim Auftreten von Flüssigkeit, etwa bei Entspannung ins Naßdampfgebiet, die Flüssigphase von porösen Materialien teilweise aufgesaugt, und die Dämpfungswirkung wird stark vermindert.

Ausgetragenes, poröses Absorptionsmaterial kann in Anlagenteilen, die sich stromabwärts des Schalldämpfers befinden, Strömungsquerschnitte verlegen oder hochsensible Ausrüstungen für Betrieb, Steuerung und/oder Überwachung beeinträchtigen oder blockieren und dadurch beträchtliche Schäden in der gesamten verfahrenstechnischen Anlage anrichten. In der Hygiene- und Reinstraumtechnik können zusätzliche Probleme entstehen, da poröse Materialien nur unter hohem Aufwand von mechanischen, chemischen oder mikrobiologischen Verunreinigungen gereinigt werden können.

Aus dem europäischen Patent EP 605542 B1 ist ein schallabsorbierendes Element bekannt, das diese Nachteile nicht aufweist. Hier werden keine porösen Absorptionsmaterialien verwendet, sondern Hohlraum-Resonatoren, die durch geformte Bleche gebildet werden. (Die "gekanteten und gefalteten Bleche" im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden in EP 605542 B1 als "gewellte Bleche" bezeichnet, deren "Wellungen" insbesondere "im wesentlichen Rechteckform aufweisen".) Hierdurch sind günstige Betriebsbedingungen, wie hohe Ausfallsicherheit, geringer Verschleiß und flexible Einsatzmöglichkeiten, gegeben. Der bekannte Schalldämpfer ist außerdem kostengünstig nach Verfahren herzustellen, die aus der Produktion von gelöteten Aluminium-Plattenwärmetauschem bekannt sind. Der vorbekannte Schalldämpfer wirkt sehr schmalbandig und kann insbesondere auf hohe Frequenzen gezielt abgestimmt werden. Für viele Anwendungen ist jedoch eine breitbandigere Absorptionscharakteristik notwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein schallabsorbierendes Element für einen fluiddurchströmten Kanal anzugeben, das einerseits günstige Betriebsbedingungen aufweist und andererseits eine wirksame Dämpfung auch im niederfrequenten Bereich bewirkt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei werden mindestens zwei unterschiedliche Typen von schallabsorbierenden Teilelementen eingesetzt. Einer der beiden Typen entspricht vorzugsweise dem vorgenannten europäischen Patent EP 605542 mit hochfrequenten Resonatoren, ein anderer vorzugsweise dem im deutschen Patent DE 32 24 241 beschriebenen Bauelement mit niederfrequenten Resonatoren. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, daß eine derartige, gezielte Kombination von zwei an sich bekannten Bauweisen von Resonator-Schalldämpfern genau die oben aufgeführten Anforderungen erfüllt.

Insbesondere ergibt sich eine Absorptionscharakteristik, die über einen sehr weiten Frequenzbereich wirksam dämpft, ohne daß die vorteilhafte, gezielte Absorption einzelner tiefer und/oder hoher Frequenzen verlorengeht.

Das erste, niederfrequent absorbierende Teilelement ist vorzugsweise aus Grundkörpern aufgebaut ist, die jeweils zwei parallel angeordnete Schenkel und eine zu diesen Schenkeln geneigte Teilerwand aufweisen, wobei die Teilerwände so angeordnet sind, daß verschiedene Grundkörper unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen. Der Winkel α zwischen Schenkeln und Teilerwand ist einerseits größer als 90°, vorzugsweise größer als 95°, und andererseits kleiner als 150°, vorzugsweise kleiner als 120°.

Das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement weist vorzugsweise geschnittene Fins auf, die zwischen gelochten Wänden angeordnet sind. Solche geschnittenen Fins ("serrated fins") sind aus dem Bau von Aluminium-Plattenwärmetauschern bekannt (siehe z. B. The Design and Performance Analysis of Compact Heat Exchangers, NREC Report No. 1095-1, 1965, 40-37) und bestehen aus parallelen, miteinander verbundenen Streifen von gekanteten und gefalteten Blechen, wobei die Faltungen zweier benachbarter Streifen paarweise versetzt sind. Durch den Versatz entstehen akustisch wirksame, spaltförmige Öffnungen.

Die Begriffe "niederfrequent" und "hochfrequent" beziehen sich hier auf den Frequenzbereich des menschlichen Gehörs. Sie sind nicht streng absolut zu verstehen; bei dem "niederfrequent absorbierenden Teilelement" liegt das Maximum des Absorptionsspektrums bei niedrigeren Frequenzen als das entsprechende Maximum des "hochfrequent absorbierenden Teilelements".

Der Begriff "Resonator" wird hier im Sinne eines Hohlraum-Resonators verwendet, der kein poröses Füllmaterial, wie zum Beispiel Fasermaterial (etwa Mineralwolle) oder Kunststoffmaterial (etwa Schaumstoff) enthält.

Die beiden Typen von Teilelementen befinden sich vorzugsweise innerhalb einer oder mehrerer Kulissen, die in einem Gehäuse parallel zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sind; alternativ ist eine Anordnung der Kulisse(n) unmittelbar innerhalb eines Strömungskanals möglich. Dabei können zum Beispiel zwei oder mehr Kulissentypen kombiniert werden, die jeweils nur einen der beiden Typen von schallabsorbierenden Teilelementen enthalten; alternativ oder zusätzlich können Kulissen eingesetzt werden, die jeweils beide Typen von schallabsorbierenden Teilelementen aufweisen. Jede bekannte Art der Anordnung von Kulissen in einem Strömungskanal kann bei der Erfindung eingesetzt werden, insbesondere die Anordnungen, die in EP 605542 B1, in DE 12 42 383 oder in G. Kurtze, "Schalldämpfer für die Lärmbekämpfung in Lüftungsanlagen", Wärme - Kälte - Schall, 4-5/1961, 31-35, gezeigt sind.

Das erste, niederfrequent absorbierende Teilelement und das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement können beispielsweise seriell angeordnet sein, das heißt hintereinander im Sinne der Strömungsrichtung in dem fluiddurchströmten Kanal. Vorzugsweise werden dann eine oder mehrere, niederfrequent absorbierende Kulissen, die Teilelemente von ersten Typ enthalten, und eine oder mehrere, hochfrequent absorbierende Kulissen, die Teilelemente von zweiten Typ enthalten, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet. Die hochfrequenten Kulissen können sich stromabwärts oder stromabwärts der niederfrequenten Kulissen befinden. Alternativ können durchgehende Kulissen verwendet werden, in deren Innerem die niederfrequent absorbierenden Teilelemente den hochfrequent absorbierenden vor- oder nachgeschaltet sind.

In einer anderen Bauweise sind das erste, niederfrequent absorbierende Teilelement und das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement parallel zwischen Ein- und Austritt angeordnet. Dies kann am einfachsten durch die Parallelschaltung von Kulissen bewerkstelligt werden, die jeweils einen der beiden Typen von Teilelementen enthalten.

Besonders günstig ist jedoch die Integration der beiden Typen von schallabsorbierenden Teilelementen. Hierzu kann zum Beispiel das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement auf der Außen- und/oder Innenseite der Außenwand des ersten, niederfrequent absorbierenden Teilelements angeordnet sein. Die Außenwand des ersten Teilelements ist dabei vorzugsweise schallhart ausgebildet und weist Ankopplungsöffnungen auf. Das zweite Teilelement ist vorzugsweise so angeordnet, daß jeder seiner Abschnitte unmittelbar an mindestens eine dieser Ankopplungsöffnungen angrenzt. Durch diese Integration lassen sich Schalldämpfer mit besonders geringem Bauvolumen herstellen.

Das erste, niederfrequent absorbierende Teilelement ist vorzugsweise aus Grundkörpern aufgebaut ist, die jeweils zwei parallel angeordnete Schenkel und eine zu diesen Schenkeln geneigte Teilerwand aufweisen, wobei der Winkel α zwischen Schenkeln und Teilerwand einerseits größer ist als 90°, vorzugsweise größer als 95°, und andererseits kleiner als 150°, vorzugsweise kleiner als 120°. Bei einer Form der integrierten Bauweise ist das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement auf der oder den Oberflächen dieser Teilerwand des ersten Teilelements angeordnet.

Die Erfindung betrifft auch eine Anwendung des schallabsorbierenden Elements in einer Lüftungsanlage oder in einer Prozeßanlage, insbesondere stromaufwärts und/oder stromabwärts einer Strömungsmaschine und/oder einer druckentspannenden Armatur, gemäß den Patentansprüchen 7 beziehungsweise 8.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 und 2 eine erste und eine zweite Ausführungsform, beide mit serieller Anordnung von mindestens zwei Kulissen,

Fig. 3 eine dritte Variante mit Parallelschaltung dreier Kulissen,

Fig. 4 bis 7 integrierte Kulissen, die Teilelemente sowohl vom ersten als auch vom zweiten Typ aufweisen,

Fig. 8 und 9 weitere Kulissen-Typen, die gemeinsam mit der in Fig. 1 links dargestellten Kulisse eingesetzt werden können, und

Fig. 10 einen Schalldämpfer mit einem schallabsorbierenden Element gemäß der Erfindung im Überblick.

Alle Zeichnungen enthalten stark vereinfachte Darstellungen im Längsschnitt, die nicht in allen Punkten maßstäblich sind. Eine Kulisse, wie sie unten beschrieben wird, weist in der Realität beispielsweise folgende Abmessungen auf:

Länge (horizontal in den Zeichnungen):
200 bis 1500 mm, vorzugsweise 500 bis 1200 mm;
Höhe (senkrecht zur Zeichenebene):
200 bis 2500 mm, vorzugsweise 250 bis 1500 mm;
Kulissendicke (vertikal in den Zeichnungen):
50 bis 500 mm, vorzugsweise 80 bis 400 mm.

Die Anzahl paralleler Kulissen beträgt 1 bis 20. Diese Anzahl sowie die Höhe der Kulissen hängen von den Fluidparametern der jeweiligen Anwendung ab.

Das Fluid strömt senkrecht zur Hauptachse der Ankopplungsöffnungen des niederfrequent absorbierenden Teilelements und senkrecht zu den Kantungslinien des hochfrequent absorbierenden Teilelements. In den Zeichnungen verläuft die Strömungsrichtung von links nach rechts.

Alle durchgezogenen Linien, die horizontal, vertikal, diagonal oder gebogen verlaufen, stellen Wände dar, die schallhart und schalldämmend ausgebildet sind (dies betrifft jedoch nicht die zinnenförmigen Linien, die Fins darstellen). "Schallhart" bedeutet dabei "ohne Schallabsorption", das heißt, zum Beispiel reflektierend; der Begriff "schalldämmend" wird hier im Sinne von "im wesentlichen schallundurchlässig" verwendet. Schalldurchlässige Wände sind als gestrichelte Linien gezeichnet; sie können beispielsweise als Lochbleche realisiert sein.

In dem Beispiel von Fig. 1 sind zwei Typen von Kulissen seriell (hintereinander) in Strömungsrichtung angeordnet. Eine erste Kulisse 100 weist schallabsorbierende Teilelemente des ersten Typs auf. Sie ist aus beispielsweise 2 bis 20, vorzugsweise aus 2 bis 15 Grundkörpern aufgebaut, von denen in der Zeichnung fünf dargestellt sind. Der erste Grundkörper wird im folgenden näher beschrieben.

Der Grundkörper weist zwei parallele Schenkel 110a, 110b auf. Sie bilden die linke und rechte Wand des Grundkörpers. Die beiden anderen Begrenzungswände 112a, 112b des Grundkörpers werden durch die Außenwände der Kulisse 100 gebildet. Diese sind durch jeweils zwei Ankopplungsöffnungen 113 für jeden der Grundkörper unterbrochen (oben und unten in der Orientierung der Zeichnung). Einzelheiten zum Aufbau und zur Herstellung eines derartigen, schallabsorbierenden Elements und einer entsprechenden Kulisse 100 sowie verschiedene Varianten sind dem deutschen Patent DE 32 24 241 zu entnehmen.

In Strömungsrichtung hinter der ersten Kulisse 100 sind bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zwei identisch aufgebaute, parallele Kulissen 201, 202 angeordnet, die schallabsorbierende Teilelemente des zweiten Typs aufweisen beziehungsweise darstellen. Zwei Lagen 210a, 210b von geschnittenen Fins sind durch eine schallharte Zwischenwand 211 getrennt. (Abweichend von der Darstellung in der Zeichnung ist es auch möglich, mehr als zwei Lagen übereinander anzuordnen.) Die Außenwände werden durch perforierte Wände 212a, 212b gebildet. Einzelheiten zum Aufbau und zur Herstellung eines derartigen, schallabsorbierenden Elements und einer entsprechenden Kulisse 201, 202 sowie verschiedene Varianten sind dem europäischen Patent EP 605542 81 zu entnehmen.

Der linke Teil von Fig. 2 ist mit Fig. 1 identisch. Der zweite, hochfrequent absorbierende Abschnitt besteht jedoch nur aus einer Kulisse 203, welche die gleiche Höhe wie die Kulisse 100 aufweist. Die beiden Finlagen 210a, 210b und die Außenwände 212a, 212b entsprechen den aus Fig. 1 bekannten Bauteilen. Die schallharte Zwischenwand 213 ist hier jedoch nicht direkt mit den Fins verbunden, sondern mit Abstand angeordnet. Die Finlagen 210a, 210b sind auch an ihrer Innenseite mit perforierten, also schalldurchlässigen Wänden 214a, 214b verbunden. Die beiden Zwischenräume 215a, 215b verändern damit die Resonanzfrequenz(en) des schallabsorbierenden Teilelements. Mehrere Abstandshalter 216 (zum Beispiel in Winkelform) dienen sowohl zur mechanischen Stabilisierung als auch zur akustischen Unterteilung der Zwischenräume 215a, 215b in Strömungsrichtung. Die Zwischenwand 213 kann gleich oder unterschiedlich weit von den Innenwänden 214a, 214b entfernt sein.

Fig. 3 zeigt eine Variante mit Parallelschaltung dreier Kulissen. Dabei wird eine hochfrequent absorbierende Kulisse 203 (Details siehe Fig. 2) von zwei niederfrequent absorbierenden Kulissen 100 (Details siehe Fig. 1) eingeschlossen.

In Fig. 4 ist eine Kulisse 400 dargestellt, die eine erste Variante eines integrierten, schallabsorbierenden Elements darstellt. Hier sind die Fins (z. B. 410) als hochfrequent absorbierende Teilelemente auf der Außenseite der Außenwände (z. B. 412) der aus Fig. 1 bekannten Grundkörper angeordnet, die als niederfrequent absorbierende Teilelemente wirken. Die Verbindung zwischen Fins und Wänden der Grundkörper kann beispielsweise durch Kleben, Klemmen oder Löten hergestellt werden.

Im Unterschied dazu liegen in Fig. 5 die Fins (z. B. 510) auf der Innenseite der Außenwände (z. B. 512).

Bei der Variante von Fig. 6 sind Fins (z. B. 610) auf beiden Seiten der Teilerwand 611 der Grundkörper angeordnet.

In Fig. 7 werden die Teilerwände (z. B. 711) der Grundkörper notwendigerweise durch separate Abschnitte gebildet (während bei Fig. 6 auch eine durchgehende Teilwand möglich ist). Sie sind parallel im rechten Winkel zu den Schenkelwänden (z. B. 720) angeordnet und auf beiden Seiten mit Fins (z. B. 710) verbunden.

Die Kulissen 204 beziehungsweise 205 (Fig. 8 beziehungsweise 9) können anstelle der Kulisse 203 in den Fig. 2 und 3 in Kombination mit einer dort gezeigten Kulisse 100 eingesetzt werden. Die Zwischenwand 813 beziehungsweise 913 ist hier nicht parallel zu den perforierten Außenwänden (z. B. 812, 912) angeordnet, sondern schräg beziehungsweise gebogen.

Die Kulissen 400, 500, 600 und 700 der Fig. 4 bis 7 weisen in sich hoch- und niederfrequent absorbierende Teilelemente auf und können daher einzeln einen breitbandigen Schalldämpfer bilden. Dabei kann beispielsweise eine Mehrzahl gleichartiger Kulissen parallel oder seriell geschaltet werden. Verschiedene Kulissentypen können aber auch innerhalb eines schallabsorbierenden Elements untereinander kombiniert werden.

Den Kulissen 201 und 202 (für sich bekannt) beziehungsweise 203, 204 und 205 (für sich neu) fehlt dagegen die Eigenschaft, niederfrequenten Schall zu absorbieren. Sie können daher nur dann alleine eingesetzt werden, wenn sie lediglich hochfrequenten Lärm dämpfen sollen. Ansonsten müssen Sie mit einer oder mehreren Kulissen 100 kombiniert werden (siehe Fig. 2 und 3), oder aber mit einem oder mehreren der anderen in den Zeichnungen dargestellten Typen von Kulissen.

Fig. 10 zeigt einen vollständigen Schalldämpfer, der drei parallel zueinander angeordnete Kulissen 1, 2, 3 als schallabsorbierendes Element enthält. Diese Kulissen können einen inneren Aufbau aufweisen, wie er in den Fig. 4 bis 7 dargestellt ist. Die Strömungsrichtung ist durch den Pfeil 4 angedeutet. Fluid fließt direkt oder über einen Einlaß 5 in einen Hauptkanal 6, der von einem Gehäuse 7 umschlossen wird. Nachdem das Fluid das schallabsorbierende Element 1, 2, 3 durchströmt hat, tritt es direkt oder über einen Auslaß 8 wieder aus dem Schalldämpfer aus.

Claims (7)

1. Schallabsorbierendes Element für einen fluiddurchströmten Kanal mit mindestens zwei schallabsorbierenden Teilelementen, wobei
ein erstes, niederfrequent absorbierendes Teilelement eine Mehrzahl von niederfrequenten Resonatoren aufweist, die durch Wände gebildet werden und unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen, und
ein zweites, hochfrequent absorbierendes Teilelement eine Mehrzahl von hochfrequenten Resonatoren aufweist, die durch gekantete und gefaltete Bleche gebildet werden.

2. Schallabsorbierendes Element nach Anspruch 1, bei dem das erste, niederfrequent absorbierende Teilelement und das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement seriell angeordnet sind.

3. Schallabsorbierendes Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste, niederfrequent absorbierende Teilelement und das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement parallel zueinander angeordnet sind.

4. Schallabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
das erste, niederfrequent absorbierende Teilelement mindestens eine schallharte Außenwand aufweist und bei dem
das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement auf der Außen- und/oder Innenseite der Außenwand des ersten Teilelements angeordnet ist.

5. Schallabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem
das erste, niederfrequent absorbierende Teilelement aus Grundkörpern aufgebaut ist, die jeweils zwei parallel angeordnete Schenkel und eine zu diesen Schenkeln geneigte Teilerwand aufweisen, und bei dem
das zweite, hochfrequent absorbierende Teilelement auf mindestens einer Oberfläche einer Teilerwand des ersten Teilelements angeordnet ist.

6. Anwendung eines schallabsorbierenden Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Lüftungsanlage, insbesondere in einer raumlufttechnischen Anlage, für Rein- beziehungsweise Reinsträume.

7. Anwendung eines schallabsorbierenden Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Prozeßanlage, insbesondere einer Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage, insbesondere stromaufwärts und/oder stromabwärts einer Strömungsmaschine und/oder einer druckentspannenden Armatur.