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Die
Erfindung betrifft eine Drosseleinrichtung zur Schallminderung in
strömenden
Stoffen gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Zur
Minderung der von Regelventilen in Rohrleitungssystemen verursachten
Schallemissionen sind Drosselschalldämpfer in unterschiedlichen Bauformen
bekannt. Sie werden als ebene Lochscheiben einstufig oder mehrstufig
hintereinander geschaltet, können
aber auch kegelförmig
ausgeführt sein.
Vorzugsweise sind die Wandungen von runden Bohrungen durchsetzt.
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Aus
der
DE 89 04 867 U1 ist
ein konusförmiges
Drosselelement bekannt, das einen konusförmigen Bereich umfasst, in
dessen Wandung Drosselöffnungen
angeordnet sind. Das beschriebene Drosselelement weist darüber hinaus
einen ringförmigen Flansch
auf, der abgesehen von vier Befestigungsbohrungen eine geschlossene
Fläche
besitzt.
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Darüber hinaus
ist aus der
US 2 933
148 A ein Schalldämpfer
für einen
Verbrennungsmotor bekannt, in dessen Innenraum ein ebenfalls konusförmiger Dämpfereinsatz
aufgenommen ist, in dessen Mantelfläche mehrere Drosselöffnungen
angeordnet sind, die bei laufendem Motor durch den Abgasstrom betätigt werden.
Zur Halterung des konusförmigen Drosselelements
ist an diesem ebenfalls ein ringförmiger Flansch vorgesehen,
der jedoch keine zusätzlichen
Durchtrittsöffnungen
für den
Abgasstrom aufweist.
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Bekannt
ist es ebenfalls, dass die Bohrungen nicht zu groß gewählt werden
und auch nicht zu nah beieinander liegen, damit eine nennenswerte
Wirkung erreicht wird.
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Durch
die Wahl von fein strukturierten Querschnitten soll das Medium hierbei
in einem möglichst kleinen
Feld verwirbelt werden. Bei dieser Art der Energieumwandlung wird
allerdings ein Teil der umgewandelten Energie in nachteiliger Weise
in Schallenergie überführt. Allerdings
stellt die Wand des Drosselschalldämpfers gegenüber dem
aus dem Regelventil in die Strömung
emittierten Schall eine mehr oder weniger wirksame Impedanz dar,
wobei die durch Reflexion erzielte Dämmung jedoch stets größer als
der durch die dabei unvermeidliche Drosselung erzeugte Schall ist.
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Das
Regelventil erfüllt
seine Funktion als variabler Widerstand dadurch, dass der Drosselquerschnitt,
je nach gewünschtem
Durchfluss, verändert werden
kann. Der Drosselschalldämpfer
ist ein Festwiderstand mit vorgegebenem Querschnitt. Beide Widerstände, der
variable und der konstante, addieren sich. Der Durchflusswiderstand
des Schalldämpfers
soll einerseits so niedrig sein, dass das Durchlassvermögen möglichst
wenig gemindert wird, andererseits aber so hoch, dass eine möglichst
wirksame Schallminderung erzielt wird.
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In
Schalldämpfern
mit ebenen, scheibenförmigen
Drosselscheiben lassen sich keine dementsprechend großen Durchflussquerschnitte
unterbringen. es sei denn, die Rohrleitung, wird genügend erweitert
oder es sind relativ hohe Druckentspannungen erwünscht.
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Erfahrungsgemäß sind allgemein
anwendbare Querschnittsanpassungen durch kegel- oder auch kegelstumpfförmige Formen
des Drosselelementes zu erreichen. Die durchströmte Fläche kann genügend groß bemessen
werden, damit die Teilstrahlen genügend Abstand voneinander haben.
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Aus
dem Turbulenzfeld in der Wirbelzone hinter den Drosselquerschnitten
und dem daraus resultierenden Schallfeld wird hierbei jedoch die
Rohrwand in nachteiliger Weise zu Schwingungen angeregt, wobei die
Schalldämmung
nach außen
vorwiegend vom Diehteunterschied zwischen dem inneren Fluid und
dem Rohrwerkstoff abhängt.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Drosseleinrichtung
für ein
Rohrleitungssystem, insbesondere für ein Gasrohrleitungssystem,
die Anregung der Rohrwand zu Schwingungen stromabwärts der
Drossel möglichst niedrig
zu halten sowie auch durch eine geringe Dichte des Mediums eine
hohe Impedanz zwischen Fluid und Rohrwand zu erzielen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lösung beruht
darauf, dass durch eine ringförmige
Vorzugsströmung entlang)
der Rohrwand die Energie zum einen im wesentlichen umlenkungsfrei
strombwärts
gerichtet ist und gleichzeitig zum anderen das primäre Wirbelfeld umhüllt wird.
Wie die Anmelderin gefunden hat, trägt in dieser Zone die erhöhte Geschwindigkeit
zu einer niedrigeren Dichte des Mediums bei, wodurch die Impedanz
zwischen Fluid und Rohrwand in erfindungsgemäßer Weise erhöht und die
Entstehung von Schall reduziert wird.
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Um
diese Effekte zu erzielen und gleichzeitig einen vorgegebenen Durchflussquerschnitt
zu bieten, besteht der erfidungsgemäße Drosselschalldämpfer aus
zwei geometrischen Grundformen, die einen kegelstumpfförmigen Lochkätig und
einen mit diesem verbundenen ebenen, mit Löchern besetzten Außenring
umfassen. Im kegelstumpfförmigen
Lochkäfig
ist der Hauptanteil der Durchlassöffnungen vorzugsweise annähernd gleichmäßig verteilt,
wohingegen im ebenen Außenring,
ein oder mehrere ringförmig
angeordnete Lochreihen vorgesehen sind.
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Hierdurch
wird die Strömung
durch den Kegelstumpf entsprechend der Wandneigung der Mantelfläche des
Kegelstumpfes mehrmals umgelenkt, und damit in erfindungsgemäßer Weise
stärker
verwirbelt. wohingegen die Strömung
durch den ebenen Außenring
im wesentlichen geradlinig zielgereichtet ist, so dass die äußere Abströmgeschwindigkeit
erhöht
wird. Demgemäß ergibt
sich in vorteilhafter Weise eine erhöhte Impedanz für die Schallausbreitung und
demgemäß eine erhöhte Dämmung der Schallausbreitung über die
Rohrwandung nach außen
so dass nach außen
hin eine wirksame Schallreduzierung wahrnehmbar ist.
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Wie
die Anmelderin weiterhin gefunden hat, wird diese schallmindernde
Wirkung in vorteilhafter Weise in beiden Durchströmungsrichtungen
erzielt. Der Durchfluss durch den relativ kleinen inneren ebenen
Teil oder die Deckfläche
des Kegelstumpfes ist hierbei durch eine entsprechende Wahl der
Größe der Deckfläche vorzugsweise
anteilsmäßig klein
und ohne wesentlichen Einfluss.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird die Abstimmung des kegelstumpfförmigen oder kegeligen Bereiches
und des ebenen Bereiches derart gewählt dass das Verhältnis der Durchflussquerschnitte
zwischen dem kegelstumpfförmigen
und dem ebenen Bereich vorzugsweise innerhalb der nachfolend aufgeführten Grenzen
liest:
- – die
Bohrungsdurchmesser des ebenen Bereiches sind gleich oder größer als
die des kegelstumpfförmigen
Bereiches.
- – der
Mittenabstand der Bohrungen in beiden Bereichen sollte gleich oder
größer als
1.7 × d
sein, wobei d den Durchmesser der Bohrung angibt.
- – der
Neigungswinkel δ des
kegeligen Bereiches sollte größer oder
gleich dem are sin des Anteils der Durchflussöffnungen an der Kegelumfangsfläche multipliziert
mit dem Durchflusskoeffizient α sein.
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Der
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte.
als Drosselschalldämpfer
wirkende Grundkörper
kann im Ventil integriert oder gemäß einer anderen Ausführungsform
als Passstück
mit innerem Drosselteil ausgeführt
sein, bzw. als Bauteil das sandwichförmig zwischen die Ventil- und
Rohrleitungsflansche geklemmt wird. Letzteres hat den Vorteil, dass
der erfindungsgemäße Grundkörper mit
der sich konisch verjüngenden
Spitze des Kegels oder Kegelstumpfes sowohl in Richtung stromabwärts des Regelventils
in den nachfolgenden Rohrabschnitt weisend als auch in Strömungsgegenrichtung
zum Regelventil hin weisend in das zu drosselnde Rohrleitungssystem
eingesetzt werden kann. In der anwendungsorientierten Strömungsrichtung
durch das Regelventil wird der erfindungsgemäße. als Drosselschalldämpfer wirkende
Grundkörper
vorzugsweise jeweils stromabwärts
angeordnet. Eine für
die meisten Betriebsfälle
vorteilhafte Abstimmung der Durchflusskennwerte vom Ventil (KVS) und Grundkörper (KVD)
sollte ca. KVS/KVD = √2 betragen.
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Sofern
in diesem Falle das Differenzverhältnis Δp/pl bei Gas entsprechend überkritisch
sein sollte hat der erfindungsgemäße Grundkörper in diesem Falle in vorteilhafter
Weise keinen wesentlichen Einfluss auf das Durchlassvermögen des
Ventils.
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Innerhalb
begrenzter Differenzdruckbereiche ist zudem eine geometrische Stufung
mit KVS < KVD auch für
flüssige
Medien anwendbar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 Einen
zwischen Regelventilflansch und Rohrflansch eingeklemmten erfindungsgemäßen, als
Drosselschalldämpfer
wirkenden Grundkörper,
dessen kegeliger Bereich in die Rohrleitung hineinragt, mit teilweise
geöffnetem
Regelquerschnitt,
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2 einen
zwischen Regelventilflansch und Rohrflansch eingeklemmten erfindungsgemäßen Grundkörper, dessen
kegelstumpfförmiger
Bereich in das Innere des Ventils hineinragt. wobei der Regelquerschnitt
ganz geöffnet
ist,
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3 einen
erfindungsgemäßen Grundkörper, der
als Passstück
oder Adapterstück
in Flanschbauweise ausgestaltet ist,
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4 ein
Regelventil mit integriertem Grundkörper, und
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5 eine
erfindungsgemäße Regeleinrichtung.
bei der der Grundkörper
in Sandwichbauweise angeordnet ist.
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Ein
in 1 und 2 gezeigtes Rohrleitungssystem 10 für ein vorzugsweise
gasförmiges Medium,
wie beispielsweise Methan, Erdgas, Propan oder ein sonstiges technisches
Gas, sowie auch für eine
Flüssigkeit,
umfasst eine Regeleinrichtung 1, die insbesondere als bekanntes
Drehkegelventil ausgestaltet ist, jedoch in gleicher Weise auch
eine andere bekannte Regeleinrichtung des Standes der Technik sein
kann. Der Regeleinirichtung 1 ist in der durch den Pfeil 20 angedeuteten
Strömungsrichtung
des Mediums eine erfindungsgemäße Drosseleinrichtung 30 nachgeordnet,
die einen die Funktion eines Drosselschalldämpfers übernehmenden Grundkörper 40 aufweist.
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Der
als Drosselschalldämpfer
wirkende Grundkörper 40 besitzt
in erfindungsgemäßer Weise einen
ersten kegelförmigen
oder kegelstumpfförmigen
Bereich 4, in dem erste Durchlassöffnungen 14 gebildet
sind (siehe 5), die einen ersten Querschnitt 14 besitzen.
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Dir
in 5 im Detail dargestellte Grundkörper 40 umfasst
weiterhin einen mit dem ersten kegelstumpfförmigen Bereich 4 beispielsweise
durch Verschweißen
gas- oder flüssigkeitsdicht
verbundenen zweiten, im wesentlichen ebenen ringförmigen Bereich 3,
in dem zweite Durchtrittsöffnungen 13 vorzugsweise
in einer oder mehreren koaxial zueinander verlaufenden Reihen angeordnet
sind. Die zweiten Durchlassöffnungen 13 werden
bei eingebautem Grundkörper 40 vorzugsweise
gradlinig durchströmt, wohingegen
die ersten Durchlassöffnungen 14 des ersten
kegelstumpfförmigen
Bereichs 4 in der Mantelfläche des Kegels von innen nach
außen
durchströmt
werden. Zudem können
an dem im wesentlichen parallel zum zweiten ebenen ringförmigen Bereich 3 angeordneten
Deckbereich 50 des Kegelstumpfes weitere Durchlassöffnungen 60 vorgesehen
sein, die vorzugsweise ebenfalls in konzentrischen Reihen gleichmäßig verteilt über den
Deckbereich 50 angeordnet sind, und in gleicher Weise wie die
zweiten Durchlassöffnungen 13 im
wesentlichen gradlinig durchströmt
werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung von
im wesentlichen gradlinig, durchströmten zweiten Durchlassöffnungen 13 im
ebenen ringförmigen Bereich 3 wird
in Kombination mit den in Querrichtung hierzu durchströmten ersten
Düsenöffnungen 14 in
der Mantelfläche
des ersten kegelstumpfförmigen
Bereichs 4 eine Hüllströmung erzeugt,
die – wie die
Anmelderin gefunden hat – den
durch die Drosselwirkung erzeugten Schall nach Art eines Mantelstromes
oder Hüllstromes
nach außen
hin abschirmt, so dass bei Einsatz der erfindungsgemäßen Drosseleinrichtung 30 eine
erhebliche Schallreduktion erhalten wird.
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Gemäß der in 2 dargestellten
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann der als Drosselschalldämpfer wirkende Grundkörper 40 mit
der Spitze oder dem Deckbereich 50 des Kegelstumpfes entgegen
der durch den Pfeil 20 angedeuteten Strömungsrichtung eingesetzt sein,
wodurch sich in überraschender
Weise ebenfalls der gleiche lärmreduzierende
Effekt ergibt. Bei der in 2 gezeigten
Ausfürungsform
ist der Regelquerschnitt 2 der Regeleinrichtung 1 in
dichtem Abstand stroma ufwärts des Deckbereichs 50 angeordnet,
wobei sich der Grundkörper 40 in
platzsparender Weise zwischen den Armen des Drehkegls hindurch erstrecken
kann, der in diesem Falle zum Schließen in in die Gegenrichtung verschwenkt
wird.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform wird demgemäß zuerst
der Regelquerschnitt 2 und dann der Grundkörper 40 durchströmt, wobei
die Durchströmung
des zweiten ebenen ringförmigen Bereichs 3 gradlinig
und die des ersten kegelstumpfförmigen
Bereichs 4 von außen
nach innen erfolgt.
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Gemäß der in 3 gezeigten
Ausführungsform
der Erfindung ist die erfindungsgemäße Drosseleinrichtung 1 als
ein modulares oder kompaktes Passstück zwischen der Regeleinrichtung 1 und
der Rohrleitung 9 des Rohrleitungssystems 10 eingesetzt.
Hierbei kann der zweite Bereich 3 sowie auch der erste
kegelstumpfförmige
Bereich 4 fest mit dein zugehörigen Flansch bzw. mit dem
dem stromabwärtigen
Rohrleitungsteil zugeordneten Flanschbereich des Passstücks oder
Adapters verbunden sein.
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Bei
der in 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist
ein Regelventil 1 gezeigt, bei dem der Grundkörper 40 fest
und vorzugsweise auch strömungsdicht
mit dem Ventilgehäuse 25 verbunden ist,
was beispielsweise durch eine Pressung oder durch sonstige bekannte
Verbindungshilfsmittel erfolgen kann. Der in dieser Weise geformte
modulare Einsatz enthält
in kompakter Weise sowohl eine Regeleinrichtung als auch eine in
erfindungsgemäßer Weise
schallgedämpfte
Drosseleinrichtung.
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Die
Befestigung kann beispielsweise mittels eines den zweiten ebenen
Bereich 3 ringförmig
umschließenden
geschlossenen Dichtflächenbereich 5 erfolgen, über den
der erfindungsgemäße Grundkörper 40 durch
entsprechend ausgestaltete und nicht näher bezeichnete Klemm- und
Dichtflächen
der zugehörigen
Flansche 6, 7 geklemmt wird.
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Wie
aus 1 weiterhin entnehmbar ist, befinden sich der
erste kegelstumpfförmige
Bereich 4 sowie der zweite ebene ringförmige von Bohrungen durchsetzte
Bereich 3 vorzugsweise vollständig im Strömungsbereich 8 des
Regelventils 1, wobei der kegelstumpfförmige Bereich 1 – wie bereits
zuvor beschrieben – an
seinem zulaufenden Ende vorzugsweise durch den Deckbereich 50 verschlossen
wird, der vorzugsweise eben ist, jedoch auch als ein gewölbter Bereich
bzw. ein vollständig
geschlossener Deckel ausgebildet sein kann.
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Gemäß der Darstellung
von 5 besitzt der zweite ringförmige Bereich 3 vorzugsweise
zwei oder drei kreisförmig
angeordnete Lochreihen 12, wohingegen der erste kegelstumpfförmige Bereich 4 eine Neigung
von vorzugsweise 14° und
einen Durchflussanteil von bevorzugt 20% der Kegelfläche aufweist.