DE1283045B

DE1283045B - Throttle device for low-noise relaxation of gases or vapors flowing out of a pipe

Info

Publication number: DE1283045B
Application number: DE1964P0034945
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Werner Piening
Original assignee: WERNER PIENING DR ING
Current assignee: WERNER PIENING DR ING
Priority date: 1964-08-25
Filing date: 1964-08-25
Publication date: 1968-11-14

Description

Drosseleinrichtung zum geräuscharmen Entspannen von aus einem Rohr ausströmenden Gasen oder Dämpfen Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosseleinrichtung zurti geräuscharinen Entspannen voll aus einem Rohr ausströmenden, unter hohem Druck stehenden Gasen oder Dämpfen. bestehend aus einem sich in Strömungsrichtung erweiternden Leitungsabschnitt. der ein labyrintliartiges Strömungsverzweigungssystein begrenzen& Widerstandselernente enthält und so bemessen ist. daß die Strömungsgeschwindigkeit einen vorgegebenen Höchstwert nicht Überschreitet.Throttle means for low noise unwind of pipe from a outflowing gases or vapors, the invention relates to a throttle device zurti geräuscharinen relax fully outflowing from a tube, the high pressure gases or vapors. consisting of a line section widening in the direction of flow. which limit a labyrinth-like flow branching system & contains resistance elements and is so dimensioned. that the flow rate does not exceed a predetermined maximum value.

Eine bck-ziiiiiie Drosselcinrichtung dieser Art ist cincin ReduzIerventil nachgeschaltet. und es schließt sich ei ii weiterer Rohrabschnitt an. Die Anforderungen an die Schalldämpfting sind hier geringer als bei dem Austritt von strömenden Medien ins Freie.A bck-ziiiiiie throttle device of this type is the cincin reducer valve downstream. and it is followed by a further pipe section. The requirements to the sound dampening are less here than with the discharge of flowing media into the open.

Bei der bekannten 1)rosseleinrichtung sind in dein sich erweiternden Leittingsabschnitt zur Bildung des Iah\ rintliarligen Strörriungsverzweigungssystenis Platlen iiiit gegeneinander versetzten Durchtrittsöffnungcii vor.geschen. Durch diese Einrichtung soll der Danipf ohne Freistrahlverinischung entspannt werden. xN(ibci die Entstehung von Schall durch eine turbulente Ströniting und niolekulare Reibung iiii Verzweigungss\",iciii soll. Bei einer andercii bekannten die sich ebviifzills an ein 1)i-tick-I-C(Itlziel.\elltil anschließt. ist ebLilfalls ein I,tb\ritli;ii-liu,c" Vernveigungssysteill vorgesehen. das Z. 13. aus #tiL#elii. iiist;esoiide-re mit einem Durchnicsser von weniger als aus Stahlspänen odor aus eineni Gitter- oder Strebenwerk bestehen kann. Hierbei soll der Querschnitt der Gitterbauteile kleiner als 300 nim 2 sein. Die Beschreibung dieser Dross,-leinrichtLing enthält keine Angaben darüber. #Nie der Leitungsabschnitt gestaltet sein soll. in dem "ich das IzibNi-iiitliiti-tiLe Verzweigungssystein befindet. oll der 1.cittlilL",ziliscliiiitt also einen gleichbleibenden o(Ici- sich 'indernden Querschnitt haben soll.In the known 1) rosette device, in the widening duct section for the formation of the annual flow branching system, plates with mutually offset through openings are provided. With this device, the Danipf should be relaxed without free jet mixing. xN (ibci the emergence of sound through a turbulent ströniting and molecular friction iiii branching \ ", iciii should. In another known the ebviifzills is connected to a 1) i-tick-IC (Itlziel. \ elltil. is also an I, tb \ ritli; ii-liu, c "Vernveigungssysteill provided. the Z. 13. from # tiL # elii. iiis; esoiide-re with a diameter of less than steel shavings or of a lattice or strut should be designed in the lattice components cross-section less than 300 nim his second description of these Dross, -leinrichtLing does not specify. #Nie the line section. where "I find the IzibNi-iiitliiti-Tile Verzweigungssystein. oll of 1.cittlilL" ziliscliiiitt should therefore have a constant o (Ici- 'changing cross-section.

W:ihrend bei den erwähnten vorbekannten DrosseleinrIchtungen eille tlir#ttleiite Strömung des Gases ini l#tb%ritlizii-tigeii 1.,rerzweigungssystein zugelassen "oll durch die ErliiiduiiL, eine Wirbelbildung ini %ollst.-iiidig oder weitgehend Nerinieden %%erden.W: In the case of the previously known throttle devices mentioned, there is a direct flow of the gas in i l # tb% ritlizii-tigeii 1.

Diese Aufgabe uird. ausgehend von einer Drosseleinrichtung der eingangs erwähnten Art. erfindungsgciii'iß dadurch gelöst. daß für die Entspannung ins Urcie als Widerstandseleinent eine Packung von an sich bekannten Metallspänen oder Meizillgeflechten #orL,eselien ist. die sich und die Wand des Leittingsall,#clinittes reibend berühren. und daß der Leitungsab,#chnitt /ur Erz#Nin,-,ung, einer %%irbelfreicii oder in Abli-.iiiL,1iYkcit voin Widerstandsbeiwert (x der Packung in Strömungsrichtung folgende Länge aufweist: wobei .1" den Austrittsquerschnitt der Packung. .fe den Eintrittsquerschnitt der Packung.This task will be. starting from a throttle device of the type mentioned at the beginning. that for the relaxation in the Urcie a pack of known metal shavings or Meizill braids # orL, eselien is a resistance element. that touch each other and the wall of the Leittingsall, rubbing # clinittes. and that the pipe section, # section / ur ore # Nin, -, ung, a %% irbelfreicii or in Abli-.iiiL, 1iYkcit voin drag coefficient (x of the packing in the direction of flow has the following length: where .1 "is the outlet cross-section of the packing. .fe the inlet cross-section of the packing.

u- die vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit, R die Gaskonstante.u- the specified flow rate, R the gas constant.

7' die absolute Temperatur und ,/ die Schwerebeschleunigung bedeutet. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgt die Drosselung ohne wesentliche Wirbel- und Schallbildung durch die Reibung des Gases oder Dampfes an den Teilen der Packung. durch die zusätzliche Reibung der Packungsteilchen untereinander und weiterhin durch die Reibung der Packungsteilchen an der Wand des sich erweiternden Leitungsabschnittes. Hierbei wird dem Medium. den Packungsteilchen und der Wand des Leitungsabschnittes Schwingungsenergie entzogen und in Wärme verwandelt. Es wird nicht nur eine SchallentwIcklung im Gas oder Dampf verhindert. sondern durch die Reibung der Spärie .in der Wand auch die Entwicklung von Körperschall in der Wand. 7 'means the absolute temperature and / means the acceleration due to gravity. In the device according to the invention, the throttling takes place without any substantial formation of eddies or noise due to the friction of the gas or steam on the parts of the packing. due to the additional friction between the packing particles and furthermore due to the friction of the packing particles on the wall of the widening line section. This is the medium. the packing particles and the wall of the line section extracted vibration energy and converted into heat. Not only is noise prevented from developing in the gas or steam. but also the development of structure-borne noise in the wall due to the friction of the spheres in the wall.

Vergleicht inan für gleiche Schalldämpfungen eine Drosscleinrichtung nach der Erfindung mit der vorbekannten unter Verwendung von Stahlspänen aufgebauten DrosseleinrIchtung. so ergibt sich. daß die Drosseleinrichtung nach der Erfindung nur etwa die halbe Länge zu haben braucht wie die vorbekannte. Bei dieser ist die Entspannung durch Abweichen von der idealen Expansion, wie sie nach der Erfindung erzwungen wird, hinsichtlich der Geräuschabsenkung ungünstiger. Darüber hinaus wirken die zugelassenen kleinen Wirbel im Labyrinthsystem als Schallquelle. Aus beiden Gründen muß, um eine gleiche Wirkung zu erzielen wie bei einer Drosseleinrichtung nach der Erfindung, der vorbekannten Drosseleinrichtung noch eine zusätzliche Drosselstrecke nachgeschaltet werden.Compare a throttle device for the same sound attenuation constructed according to the invention with the previously known using steel chips Throttle device. so it turns out. that the throttle device according to the invention only needs to be about half the length of the previously known one. at this is relaxation by deviating from the ideal expansion as it is after the invention is enforced, less favorable in terms of noise reduction. About that In addition, the permitted small eddies in the labyrinth system act as a sound source. For both reasons, in order to achieve the same effect as a throttle device According to the invention, the previously known throttle device still has an additional throttle section be connected downstream.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zwei oder mehr sich erweiternde Leitungsabschnitte hintereinandergeschaltet werden. Hierbei läßt sich eine zusätzliche Verkürzung der Gesamtlänge durch Ineinanderschachteln der Leitungsabschnitte erzielen, wodurch der Unterschied der Gesamtlänge gegenüber der vorbekannten Drosseleinrichtung noch größer wird.In a further embodiment of the invention, two or more can expanding line sections are connected in series. Here can an additional shortening of the total length by nesting the pipe sections achieve, whereby the difference in the total length compared to the previously known throttle device gets even bigger.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt jeweils im Längsschnitt F i g. 1 eine Drosseleinrichtung mit radialer Ausbreitung des strömenden Mediums, F i g. 2 eine Drosseleinrichtung mit kugelförmiger Ausbreitung und F i g. 3 eine mehrstufige Drosseleinrichtung.Embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. It shows in longitudinal section F i g. 1 a throttle device with radial expansion of the flowing medium, FIG. 2 shows a throttle device with spherical expansion and FIG. 3 a multi-stage throttle device.

Bei dem Dämpfer nach F i g. 1 tritt das strömende Medium, z. B. Wasserdampf hoher Temperatur, in das Eintrittsrohr 1 bei einem Druck ein, der sich aus den örtlichen Gegebenenheiten ergibt. Ist der Dämpfer z. B. an das Sicherheitsventil eines Dampfkessels angeschlossen, so muß der Dampfdruck so niedrig gewählt werden, daß der Abblasevorgang nicht beeinflußt wird. Der Durchmesser des Eintrittsrohres und der in ihm herrschende Druck werden so gewählt, daß die Geschwindigkeit des Dampfes kein störendes Geräusch erzeugt. Durch ein zylindrisches Drahtsieb 2 oder ein Lochblech tritt der Dampf in die Packung 3 ein, die aus Metallspänen oder Metallgeflechten, vorzugsweise aus Stahlspänen, besteht. Hier wird der Dampf isothermisch nach einer Drosselkurve auf den Austrittsdruck entspannt. Die Entspannungsleitung ist durch Seitenwände 4 begrenzt, die Rotationsflächen um die Achse 5 darstellen. Ihre genaue geometrische Form ergibt sich aus den unten angegebenen Gleichungen (172) und (13). Die Austrittsfläche ist durch ein Drahtnetz 6 abgeschlossen.In the case of the damper according to FIG. 1 enters the flowing medium, e.g. B. high temperature steam, into the inlet pipe 1 at a pressure resulting from the local conditions. Is the damper z. B. connected to the safety valve of a steam boiler, the steam pressure must be selected so low that the blow-off process is not affected. The diameter of the inlet pipe and the pressure prevailing in it are chosen so that the speed of the steam does not generate any disturbing noise. Through a cylindrical wire screen 2 or a perforated plate, the steam enters the pack 3 , which consists of metal chips or metal braids, preferably of steel chips. Here the steam is isothermally expanded to the outlet pressure according to a throttle curve. The expansion line is delimited by side walls 4, which represent surfaces of rotation about the axis 5. Their exact geometrical shape results from the equations (172) and (13) given below. The exit area is closed off by a wire mesh 6 .

Bei entsprechender Abstimmung der Strömungswiderstände kann man für die Drosseleinrichtung auch eine Kugelform nach F i g. 2 wählen. Hier ist die Außenfläche als kugelförmiges Drahtsieb 6 gestaltet.With appropriate coordination of the flow resistances, a spherical shape according to FIG. 1 can also be used for the throttle device . 2 select. Here the outer surface is designed as a spherical wire screen 6 .

Bei der mehrstufigen Drosseleinrichtung nach F i g. 3 gelangt das strömende Medium, z. B. Wasserdampf hoher Temperatur, in das Eintrittsrohr 1 des Schalldämpfers. Dieses ist an seinem Ende mit einem Deckel 7 verschlossen und weist vor diesem Deckel an seinem Umfang verteilt angeordnete Drosselstellen 8 auf. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit w im Rohr 1 auf ein zulässiges Maß beschränkt. Durch die düsenartig ausgebildeten Drosselstellen tritt das Medium seitlich aus dem Rohr 1 aus. Die Drosselstellen sind von einem Sieb 9 konzentrisch umgeben. Außerhalb des Siebes befindet sich eine Packung 10, die Stahlspäne enthält, in denen eine weitere isothermische Entspannung erfolgt. Vorzugsweise wird I'ür die Siebe, die Stahispäne und sonstige Metallteile der Drosseleinrichtung nichtrostendes Material, wie austenitischer Stahl, verwendet. Dann ist der Dämpfer auch rdr Wasserdampf hoher Temperatur brauchbar und korrodiert nicht. Besonders gut haben sich Drehspäne bewährt.In the multi-stage throttle device according to FIG . 3 reaches the flowing medium, e.g. B. high temperature steam into the inlet pipe 1 of the muffler. This is closed at its end with a cover 7 and has throttle points 8 arranged in front of this cover and distributed around its circumference. As a result, the flow velocity w in the pipe 1 is limited to a permissible level. The medium emerges from the side of the pipe 1 through the throttle points, which are designed like nozzles. The throttle points are concentrically surrounded by a sieve 9. Outside the sieve there is a pack 10 which contains steel chips in which further isothermal expansion takes place. Preferably, stainless material, such as austenitic steel, is used for the sieves, the steel chips and other metal parts of the throttle device. Then the damper can also be used for high temperature steam and does not corrode. Turning chips have proven to be particularly effective.

Die Packung 10 ist von einem zylindrischen Mantel 11 umgeben, der durch einen Deckel 13 abgeschlossen ist und den Drosselstellen 8 entsprechende weitere Drosselstellen 15 enthält. Außerhalb des Mantels und des Deckels ist eine weitere Packung 19 aus Stahlsänen vorgesehen. Die äußeren Begrenzungen für diese Packung bilden eine konische Gehäusewand 21 und ein Sieb 23. Dieses kann als Lochblech ausgebildet sein. Durch die konische Erweiterung der Entspannungsleitung wird die Strömungsgeschwindigkeit auf ein zulässiges Maß abgesenkt.The pack 10 is surrounded by a cylindrical jacket 11 which is closed by a cover 13 and contains further throttle points 15 corresponding to the throttle points 8. A further pack 19 of steel grains is provided outside the casing and the cover. The outer boundaries for this pack form a conical housing wall 21 and a sieve 23. This can be designed as a perforated plate. The conical expansion of the expansion line reduces the flow velocity to a permissible level.

Dem Sieb 23 gegenüber ist ein weiteres Sieb 25 vorgesehen, oberhalb dessen sich eine weitere Packung 29 aus Stahlspänen befindet. Nach oben und seitlich ist diese Packung durch eine Regenhaube 31 abgeschlossen. Das Medium tritt seitlich durch Offnungen 33 ins Freie.A further sieve 25 is provided opposite the sieve 23 , above which a further pack 29 of steel chips is located. This pack is closed at the top and at the side by a rain cover 31. The medium emerges laterally through openings 33 into the open.

Eine Drosseleinrichtung nach F i g. 3 ist zweckmäßig, wenn die Packung die Beanspruchung bei einstufiger Entspannung nicht verträgt. Dann wird von der strengen Lösung nach Gleichung (12) etwas abgewichen, indem in den Schlitzen 8 Schallgeschwindigkeit erzeugt wird, die dann in der Packung, also dem Schallschluckstoff, schnell abgebremst wird. Hierbei entstehen in dem Schallschluckstoff selber praktisch keine Wirbel. Der Vorgang verläuft anschließend wieder nach einer Drosselkurve. Im Gegensatz zu den Dämpfern nach F i g. 1 und 2 handelt es sich hier nicht um einen molekularen, sondern um einen molaren Vorgang.A throttle device according to FIG . 3 is useful if the packing cannot withstand the stress of single-stage relaxation. Then there is a slight deviation from the strict solution according to equation (1 2) in that the speed of sound is generated in the slots 8 , which is then quickly decelerated in the pack, i.e. the sound-absorbing substance. Practically no vortices are created in the sound absorbent itself. The process then follows a throttle curve again. In contrast to the dampers according to FIG . 1 and 2, this is not a molecular, but a molar process.

Mit Drosseleinrichtungen nach F i g. 1 bis 3 lassen sich geräuscharme Drosselvorgänge bei kleinen Ab- messungen erzielen, was sich aus der folgenden Berechnung ergibt.With throttle devices according to FIG . 1 to 3 is silent throttle operations at small dimensions can be obtained measurements, resulting from the following calculation.

Das Medium soll sich -unter Vermeidung von Wirbelbildungen durch einen reinen Drosselvorgang entspannen. Wird nämlich der anlänglich vorhandene Druck um einen bestimmten Betrag abgesenkt, so erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und senkt sich dementsprechend seine Temperatur. Durch Auswahl eines bestimmten PackungsmateriaIs und durch eine bestimmte Querschnittserweiterung der Entspannungsleitung kann man darde sorgen, daß die ursprüngliche niedrigere Strömungsgeschwindigkeit und * damit auch die ursprüngliche Temperatur beim Durchtritt durch die Drosseleinrichtung erhalten bleiben. Ist dies der Fall, dann kann keine Energie in Form von Wirbeln aufgetreten sein, es kann also kein Schall erzeugt worden sein. Dementsprechend läßt sich die obenerwähnte Formel wie folgt errechnen: In der Entspannungsleitung soll das Medium mit der konstanten Geschwindigkeit w strömen, wobei sich sein Druck über die Länge 1 der Leitung von p, am Eintrittsende auf p" am Austrittsende verringern soll. Die Entspannungsleitung ist mit Metallspänen oder -geflechten gefüllt. Deren Widerstand ist so bestimmt, daß die in jedem Längenelement dl der Entspannungsleitung frei gewordene Expansionsarbeit durch die Reibungsarbeit verzehrt wird. Hierbei muß die Enthalpie konstant bleiben, was bei idealen Gasen eine isothermische Expansion zur Folge hat. Verläuft der Prozeß genau in dieser Form, so kann keine Arbeit nach außen abgegeben werden, es entsteht also keine akustische Energie, und die Expansion verläuft lautlos. Die Reibung an der Oberfläche der Spätie oder Geflechte hängt von der Porösität, der Strömungsgeschwindigkeil iv und der Dichte ab. Zur Vereinfachung der Formel wird ein Beiwert a wie hilgt definiert: Darin sind 11) der durch die Reibung bewirkte Druckabfall pro Längeneinheit, o die Dichte und it, die Geschwindigkeit.The medium should relax by a pure throttling process, avoiding the formation of eddies. If the pressure that is initially present is reduced by a certain amount, the flow velocity of the medium increases and its temperature decreases accordingly. By selecting a specific PackungsmateriaIs and by a certain cross-sectional enlargement of the relief line can provide Darde that the original lower flow velocity therefore the original temperature be maintained as it passes through the throttle device and *. If this is the case, then no energy can have appeared in the form of eddies, so no sound can have been generated. Accordingly, the above formula can be calculated as follows: In the expansion line, the medium should flow at constant velocity w, its pressure being reduced over the length 1 of the line from p at the inlet end to p "at the outlet end Metal filings or braids filled. Their resistance is determined in such a way that the work of expansion released in each length element dl of the expansion line is consumed by the work of friction. The enthalpy must remain constant, which in ideal gases results in isothermal expansion precisely in this form, no work can be released to the outside, so there is no acoustic energy, and the expansion proceeds silently. The friction on the surface of the latices or plexuses depends on the porosity, the flow velocity iv and the density To simplify the formula, a coefficient a is defined as follows: Therein 11) the pressure drop caused by the friction per unit length, o the density and it, the speed.

Die Reibungskraft k. die über eine Länge di der Entspannungsleitung auftritt, ist fergibt sich aus der Gleichung f - it, = c; - l' , (3) wobei G die Strömungsmenge pro Zeiteinheit und v das spezifische Volumen bedeutet. Man erhält also Die hierbei verbrauchte Leistung ist Diese Leistung wird aus der isothermischen Expansion des Gases gewonnen. Also dL = - G - r - dp(i). (6) Durch Gleichsetzen erhält man Durch Vereinfachung ergibt sich unter Einsetzen von oder integriert wobei für v nach der allgemeinen Gasgleichung für ideale Gase gesetzt wurde Für die Abhängigkeit des Volumens vom Druck erhält man unter Benutzung von Gleichung (3) und der Gleichung für die Isotherme: und dementsprechend Aus den Randbedingungen ergibt sich, daß C = 0 ist. Setzt man noch 1, = 0, so findet man schließlich für die optimale Länge der Entspannungsleitung Sind die Faktoren, die die Strömung beeinflussen. nach der Gleichung (12) miteinander verbunden, so muß die Expansion geräuschlos verlaufen.The frictional force k. which occurs over a length di of the expansion line is fer results from the equation f - it, = c; - l ' , (3) where G is the flow rate per unit of time and v is the specific volume. So you get The power consumed here is This power is obtained from the isothermal expansion of the gas. So dL = - G - r - dp (i). (6) By equating one obtains By simplifying, we get by inserting or integrated where v was set according to the general gas equation for ideal gases For the dependence of the volume on the pressure, using equation (3) and the equation for the isotherm, one obtains: and accordingly The boundary conditions show that C = 0 . If one sets 1 = 0, one finally finds the optimal length of the expansion line Are the factors that affect the flow. connected to one another according to equation (1 2), the expansion must proceed noiselessly.

Für ideale Gase erfolgt die Expansion dabei nach einer Drosselkurve bei konstant bleibender Enthalpie, wobei die Temperatur am Eintritts- und am Austrittsende die gleiche ist. Der Prozeß wird dabei so geleitet, daß bereits im molekularen Bereich bei entsprechendem Anwachsen der Entropie die Druckenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Geschwindigkeit iv wird dabei so gewählt, daß beim Austritt des Mediums ins Freie nur noch Schall in zul-,issiger Stärke entsteht.For ideal gases, the expansion takes place according to a throttle curve with constant enthalpy, with the temperature at the inlet and outlet is the same. The process is conducted in such a way that it is already in the molecular range with a corresponding increase in entropy, the pressure energy is converted into thermal energy will. The speed iv is chosen so that when the medium emerges In the open air only sound in a permissible strength is produced.

Ist die optimale Länge der Entspannungsleitung nach Gleichung (12) bekannt, so ist es für den Fachmann nicht mehr schwierig, die Austrittsbreite h" zu errechnen, so daß auf die Wiedergabe dieser Rechnung hier verzichtet werden kann.If the optimal length of the expansion line is known according to equation (1 2), it is no longer difficult for the person skilled in the art to calculate the exit width h ″, so that this calculation can be dispensed with here.

Claims

Claims: 1. Throttle device for the noiseless relaxation of gases or vapors under high pressure flowing out of a pipe, consisting of a line section widening in the direction of flow, which contains a labyrinth-like flow branching system limiting resistance elements and is dimensioned so that the flow rate does not reach a predetermined maximum value exceeds, characterized in that a pack of known metal chips or metal braids is provided for the relaxation in the open air as a resistance element, which touch each other and the wall of the line section rubbing, and that the line section to force an eddy-free or low-eddy flow depending on the The drag coefficient (a) of the packing in the direction of flow has the following length: R - T f. L W 2 . In fl whereby

the outlet cross-section of the packing, the inlet cross-section of the packing, w the specified flow velocity, R the gas constant and T the absolute temperature.

2. Throttle device according to claim 1, characterized in that the pack in the line section turnings. in particular made of austenitic chromium-nickel steel. 3. Throttle device, characterized in that two or more widening line sections according to claim 1 or 2 are connected in series.

Considered publications: German Patent Specifications Nos. 1067 652, 1067 653; German Gebrauclismuster No. 1,851,423. French Patent No. 759,323; UNITED STATES. - Patent Nos 1,522,111, 2,545,682, 2,567,568th.