制氧机组排气噪声消声器设计

　　1 前言

　　冶金行业制氧机组负责向全厂提供氧气和压缩空气,对于全厂的正常生产起着举足轻重的作用。制氧机组不能随意停车,当相应车间使用氧气量减少时,制氧机组产生的氧气须通过排空管排到室外。由于排放氧气的压力高达约30×10⁵Pa以上,产生的喷注噪声很强,又由于排放的随意性,对周围环境造成很大的噪声污染,需加以彻底根治。本文以河北某钢铁集团公司制氧机组综合治理为例加以分析。

　　2 噪声源特性分析^[1~2]

　　制氧机组排气噪声属4极子亚声速湍流喷注噪声,它是由于高速气流对排放口周围相对静止的空气冲击和剪切引起强烈的气体扰动而产生的。喷注噪声是连续的宽带噪声,从噪声频谱上看,低频成分和中、高频成分都较丰富,但在一定频率上又具有较强的噪声峰值。喷气噪声峰值频率与喷口直径有关,喷口直径越小,噪声的峰值频率相应越高;喷口直径越大,峰值频率越低。也就是说,喷流噪声的峰值频率随喷口直径的减小而向高频移动。其关系如下式所示:

式中v--喷流速度mPs;

　　D--喷口直径m。

　　在亚声速情况下,喷注噪声产生的声压在近场与流速v的平方成正比,而与距离r的三次方成反比,在远场则与流速v的四次方成正比,而与距离r成反比。喷注噪声的声功率W与流速v的八次方成正比。对于一定的流速来说,喷注噪声的声功率W与喷口直径D的平方成正比。这就是M.J.Lighthill著名的八次方定律。

式中ρ和ρ0--喷注和周围空气的密度;

　　k--无量纲比例系数。

　　另外,亚声速喷注噪声还具有明显的指向性,不同方向的相对声强可由下式表示:

式中θ--声传播方向与喷注口中心流线方向间的夹角;

　　M--马赫数。

　　由上式可以看出,声强级最大的方向并不在喷注正前方,而是在偏离一定角度(约30b)的方向,声强级最小的方向总是在θ=180^o的方向。最大值和最小值之间,声级相差可达15dB(A)左右。

　　3 消声器总体结构设计

　　控制喷注噪声的方法是设计安装消声器。根据制氧机组的特性、要求及其噪声特点,在设计消声器时,需考虑以下因素:(1)消声器必须要有足够的消声量,以满足环境保护的要求;(2)消声器应具有较小的压力损失,力求排气通畅,不影响机组的正常及故障排风;(3)要充分考虑氧气介质的特殊性,消声器内氧气流动速度不能太高。

　　通过理论计算,结合实践经验,设计了扩容减压小孔喷注复合消声器,控制制氧机组的排气噪声。该消声器按亚声速喷注设计,插入损失按下式计算:[2]