魏义栋

林德工程（杭州）有限公司（浙江 杭州 310012）

化工设备

降噪板的设计

魏义栋

林德工程（杭州）有限公司（浙江 杭州 310012）

高压气体经阀门放空到大气中时，往往伴随着剧烈的噪声，在阀门内部采取降噪措施也不足以将噪声降低到允许范围内，因此，在阀门后增加降噪板，通过节流降压消除噪音。结合实际应用，讨论了降噪板在临界状态下的主要参数和消音量的计算方法。

降噪板 临界流速 节流降压 消音量

在空分装置中，产品气的压力越来越高，如氧气的压力动辄达到8 MPa以上，甚至高达15 MPa。高压气体经控制阀直接排放到大气中时，在阀门内部，流体往往以声速喷射，冲击阀内件，产生强烈的噪声污染，噪音一般在115 dB(A)以上；而且，气体流速过高很容易造成阀门及管道等设备起火。噪声除了随气流沿管道向后传递外，还同时沿阀构件和管道壁向外辐射（机械声和二次空气声）。这种噪声的频率以中高频为主，但全频程都很丰富，其声功率级一般在115～150 dB(A)之间。

高压放空阀的阀前压力是大气压的数十倍或更高，而由于制造技术的限制，阀门本身达不到数十倍的降压比。因此，为了降低噪音，除了在阀门内部采用必要的降噪措施外，通常还要在放空阀后加装多孔的一级或多级降噪板，经过阀门和降噪板的节流降压，最终将气体压力降低到大气压，同时保证噪音达到安全标准。

1 降噪板的计算

1.1 降噪板的结构

降噪板是在一块板上开多个小孔而制成的，根据噪音的峰值频率与排气口直径成反比的原理，利用多个小孔代替一个大的喷口，达到降噪的目的。为制作方便，降噪板一般采用圆孔结构。如果管道压力过高，可将多个降噪板串联，制成降噪板组，将排空的一次性压降分散成多个小的压降，压力突变改为压力渐变，使降压后的气体得到充分膨胀、声能得以充分消耗，从而取得较大的消声效果。同时，采用小孔结构，喷口辐射的噪声将从低频区域移向人耳不敏感的高频区域，达到较好的消声效果。

1.2 降噪板节流前后压力比q值的确定

在实际应用中，由于气体排放压力较高，且考虑到阀门的调节性能及经济性，一般按流体在小孔内的临界流速来设置降噪板的级数。

以氧气为例，临界状态下，q*=1.8899，即降噪板前压力高于1.8899倍的降噪板后压力时，流体速度达到声速。实际q值可在1.8899以上选择，但q值过小，各级压力降低缓慢，所需降噪板级数增多；q值过大，不能有效地将流速控制在临界流速，仍会产生强烈的激波噪声。

1.3 降噪板小孔截面积的确定

根据气体状态方程、连续性方程及临界流速公式可知，当流体类型确定后，每级降噪板的质量流量与降噪板小孔总面积、降噪板前气体压力、降噪板后气体压力、降噪板前气体温度和流速等相关。其中，质量流量和降噪板后压力由工艺条件确定，降噪板前温度近似于控制阀前介质的温度，第一级降噪板前压力等于阀门压力，其余各级降噪板前压力可以根据降噪板级数求得。

降噪板小孔内流体达到临界状态时，降噪板小孔总面积、小孔的直径和数量可按式（1）、（2）计算。

式中，S为小孔总面积，m2；Qm为质量流量，kg/s；T1为降噪板前流体的温度，K；m为气体常数；Nb为降噪板的小孔数量；d为小孔直径，mm；μ为截面积修订系数。μ是小孔长度和小孔直径的函数，其取值方法为：流体经锐缘的管道入口流进小孔时，通常选取μ=0.82；如果将入口加以圆滑，则μ随着圆滑程度的不同而改变，边缘为圆形且入口匀滑时，选取μ= 0.91，入口极匀滑（流线型）时，选取μ=0.97。

常用气体的q*，k，m值如表1所示。

表1 常用气体的q*，k、m取值

实际计算时，先选择对应阀门开度最小工况下的质量流量，设置合适的降噪板级数，然后反算其他工况下对应的参数。

1.4 降噪板尺寸的确定

为了取得较好的降噪效果，小孔直径d一般取4～8 mm，小孔长度取d的3～4倍为宜；小孔过长则阻力增加，过短则气体收缩后流体不能充满管嘴，使流通能力降低[1]。降噪板采用多孔结构，如果小孔间距过小，气流通过小孔后会将降低噪声的效应抵消一部分，小孔总面积与降噪板截面积之比以5%～15%为宜，各小孔按等边三角形布置。确定降噪板尺寸时，还要考虑降噪板后气流速度不大于102 m/s。

2 降噪板消音量的计算

当降噪板小孔出口压力低于临界压力时，喷口阻塞，噪声主要由激波之间的相互作用和湍流阻塞产生，喷注出现冲击波花样，湍流与冲击波作用产生冲击噪声[2]。小孔的直径越小，消声的效果越好，但是，孔径过小加工困难。理论上，可将每一个小孔看作相互独立的喷注，而不考虑它们之间的相互作用。

流体在小孔出口以声速流出，在随后的低压区（面积扩大），气体迅速膨胀，气体以亚音速流动，即流体在小孔出口为阻塞流，在小孔出口之后迅速变为亚音速流。

最后一级降噪板的A声级消音量可按式（3）进行计算，其也适用于只有一块降噪板的计算[3]。

式中，△Ln为最后一级降噪板消音量，dB(A)；△Ln-1为其他级降噪板消音量，dB(A)；△L为多级降噪板总消音量，dB(A)；h为经验修正系数，一般取0.9；R为多级降噪板前后压力比为临界压力比

3 设计计算实例

以某空分项目的氧用降噪板为例，氧气的体积流量为53500 m3/h，控制阀前压力为8441 kPa(a)，降噪板出口压力为106 kPa，氧气温度为30℃，阀门允许噪音为105 dB(A)。

通过阀门厂家的计算，要求降噪板至少能降低10 dB(A)的噪声；由于降噪板直接安装在控制阀后，降噪板前压力p1按4262.7 kPa(a)取值。

（1）按一块降噪板进行计算，结果见表2。

（2）按两块降噪板进行计算，结果见表3。

表2 一块降噪板消音效果

由以上计算可知，一块降噪板的消音量不能满足要求，至少需要两块降噪板串联使用才能达到较好的消音效果。

4 结语

文中仅是对具有锐缘圆柱形小孔的降噪板的理论计算，但不同厂家的加工水平不同，降噪板小孔的光滑度也有所区别，计算时要采用不同的修正系数，如果使用特殊形状的小孔，可以取得更好的消声效果。用文中的计算方法得到的结果与阀门厂家提供的降噪板尺寸基本吻合，降噪板在理论上可满足实际生产的要求。但是否能取得理论上的计算结果，还有待实践的检验。

表3 两块降噪板消音效果

[1]李文科.工程流体力学[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2006.

[2]李沛滋,戴根华,李键山,等.小孔消声器的设计指南[J].噪声与振动控制,1986(3):6-13.

[3]马大猷,李沛滋,戴根华,等.多孔材料的出流和多孔扩散消声理论[J].物理学报,1978,27(6):631-644.

Design of Diffusor

Wei Yidong

Along with the high-pressure gas venting to the atmosphere through valve,severe noise often occurs.The noise reduction measures taken within the valve are not enough to reduce the noise to the allowable range,therefore, adding diffusors after the valve to eliminate noise by throttling and depressurization.Combining with practical application, the main parameters of the diffusor under critical state and the calculation method of the noise reduction are discussed.

Diffusor;Criticality;Flow rate;Throttling;Depressurization;Noise reduction

TB535+.2

2016年12月

魏义栋男1972年生本科工程师研究方向：工业过程控制