一、前言
*,由于噪声对人体的健康有害,因此,需要设法限制工业装置所产生的噪声的强度。1970年,美国《职业保护和健康条例》规定了工作场所的zui大允许声级:每天工作八小时的地方,声级不允许超过90dba;每天工作六小时的地方;声级不允许超过92dba等等。到目前为止,作为工业设计时的一个依据。
要设法限制噪声,首先就要预先估计出可能产生的噪声之强度。调节阀是炼油、化工等工业装置中一个重要的噪声源。因此,在设计中选用调节阀时,应预先估算出它可能产生的噪声之强度,以便采取相应的措施。目前,我国对于调节阀噪声的研究工作只是刚刚开始,还没有标准的计算方法。
本文介绍西德机器制造业协会(vdma)标准对调节阀噪声的估算,供大家参考。
二、噪声计算中的几个名词术语
1、有效声压
有效声压是声场中一点上的瞬时声压在一个周期内的均方根值,故又称为均方根声压,简称声压,单位是μdba(即微巴)。
2、一个声压级(spl)
一个声音的声压级,等于这个声音的声压和基准声压之比的常用对数值再乘以20,即
spl=20lg * p/p0
式中:
p—— 有效声压,μbar;
p0—— 基准声压,在听觉量度或空气中声级量度中,取p0=2*10-4 μbar;
spl—— 声压级,db
3、声级
声级是指位于声场中的某一点上,在整个可以听得见的频率范围内和在一个时间间隔内,频率加权的声压级。声级是用来衡量噪声大小的一个基本量。
a声级是以声级计的a网络测得的声压级,单位是dba,称为分贝a——加权(decibel a-wighting)。
本文所介绍的计算方法,系基于已经标准化的试验方案之试验结果。在这和标准化的试验方案里,调节阀装在各向同性的、均匀声场内的直管道中,管道的耐压等级为pn40(参见三之3)。声级计放在调节阀出口法兰的平面内,距管道外壁1米处。计算的结果,即为该情况下的声级。
三、噪声估算公式
1、适用于液体调节阀噪声的估算公式
当介质为液体,在调节阀前后的差压(△p=p1-p2)增大到某一数值的时候,便会由于出现闪蒸、空化现象,而使噪声的声级急剧上升。开始出现空化的点即称为临界点,它所对应的差压即称为临界差压。以此为界,可以把工作状态分成临界差压和亚临界两种,二者的噪声估算公式也不同。
(1)无空化的情况(xp≤zy)
la = 10lgkv+18lg(p1-pv)-5lgρ+18lg(xe/zy)+40+△lf(1)
式中:
xf — 液体的压力比,xf=△p/(p1-pv)=(p1-p2)/(p1-pv)
△p—— 调节阀前后的压差,bar
p1 —— 阀前绝压bar
p2 —— 阀后绝压,bar
pv —— 液体的蒸气压,绝压bar,水的蒸汽压示于图1
图1 水的蒸汽压 zy —— 调节阀开度为y时的z值(见图2),它是用来说明是否发生空化的一个参数
当△p ≤ zy(p1-pv)时无空化现象发生
当△p > zy (p1-pv)时有空化现象发生
当△p = zy (p1-pv)时开始产生空化现象,此差压称为临界差压,记为△pk
图2是否发生空化的zy z—— 由调节阀型号决定的阀门参数,其数值由阀门制造厂用图线或表格的形式提供;
常用调节阀的z值如下:
旋转球阀0.1~0.2
蝶阀0.15~0.25
标准单座阀或双座阀0.3~0.5
低噪声阀0.6~0.9
y—— 阀的开度,y=kv/kvs;
kv—— 阀的流通能力;
kvs—阀的开度为100%(即zui大流量)时的kv值,m³/h;
la—— 噪声的声级,dba;
ρ —— 液体的密度,kg/m³,水的密度示于图3
图3水的密度 △lf— 由调节阀型号和阀的开度y=0.75时的压力比xf决定的校正量。
它反映了调节阀的声学特性,dba
标准单座阀或双痤阀的△lf=0时,低噪声调节阀的△lf曲线由制造厂提供(如图4)。
图4 低噪声调节阀的声级校正量△lf (2)有空化的情况(xf>zy)
la = 10lgkv+18lg(p1-pv)-5lgρ+29lg(xf-zy)0.75-(268+38zy)*(xf-zy)0.935+40+△lf(2)
式中各符号的意义全部同前。对应于zui大声级的差压比记为xfm,当xfm≤1.0其值可按下式计算:
xfm=0.48 + 0.72 zy(3)
若以xfm取代式1、2的xf,则即可取zui大声级lam。
2、适用于气体和蒸汽调节阀噪声的公式
la = 14lgkv+18lgp1+5lgt1- 5lgρ+20lg(p1/p2)+52+△lg(4)
式中:
la—— 噪声的声级,dba;
kv—— 阀的流通能力;
p1—— 阀前绝压,bar;
p2 —— 阀后绝压,bar;
t1—— 阀前流体的温度,ok
ρ —— 流体的密度(气体取标准状态下的密度ρn,水蒸汽取ρ≈0.8),kg/m³;
△lg— 由调节阀型号和阀的开度y=0.75时的压力比x=(p1-p2)/p1决定的校正量,dba;
标准单座阀和双座阀的△lg小到可以忽略不计,低噪音调节阀△lg曲线由制造厂提供(例如图5)。
图5低噪声调节阀的声级校正量△lg 与管壁厚度s有关的校正量△rm。
在上述式(1)、(2)和(4)中,实际上包含着一个压力额定值为pn40的管道平均衰减量,如果实际使用的管道之压力额定值不是pn40,那么在计算噪声的声级时,在式(1)、(2)和(4)中就应再加上校正量△rm一项进行修正。
△rm可以用下式计算:
△rm=10lgs40/s(5)
式中:
△rm—— 与管壁厚度s有关的校正量,dba
s40—— pn40的管壁厚度,mm
s—— 实际使用的管壁厚度,mm
西德成批生产的钢管,其△rm值如下表所示: 与管壁厚度s有关的校正量△rm 管径dnmm)
25
40
50
80
100
150
200
250
300
400
500
管壁
厚度
s
mm
2.6
0
0
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2.9
-0.5
-0.5
0
-
-
-
-
-
-
-
-
3.2
-1.0
-1.0
-0.5
0
-
-
-
-
-
-
-
3.6
-1.5
-1.5
-1.0
-0.5
0
-
-
-
-
-
-
4.0
-2.0
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
-
-
-
-
-
-
4.5
-2.5
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
0
-
-
-
-
-
5.6
-3.5
-3.0
-3.0
-2.0
-2.0
-1.0
0.5
1.0
-
-
-
6.3
-4.0
-3.5
-3.5
-2.5
-2.5
-1.5
0
0.5
1.0
-
-
7.1
-
-4.0
-4.0
-3.0
-3.0
-2.0
-0.5
0
0.5
2.0
-
8.0
-
-4.5
-4.5
-3.5
-3.5
-2.5
-1.0
-0.5
0
1.5
2.5
10
-
-5.0
-5.5
-4.0
-4.5
-3.5
-2.0
-1.0
-1.0
0.5
1.5
11
-
-
-
-5.0
-5.0
-4.0
-2.5
-2.0
-1.5
0
1.0
12.5
-
-
-
-5.5
-5.5
-4.5
-3.0
-2.5
-2.0
-0.5
0.5
14.2
-
-
-
-6.0
-6.0
-5.0
-3.5
-3.0
-2.5
-1.0
0
16
-
-
-
-
-6.5
-5.5
-4.0
-3.5
-3.0
-2.0
-0.5
20
-
-
-
-
-
-6.0
-5.0
-4.5
-4.0
-3.0
-1.5
25
-
-
-
-
-
-7.5
-6.0
-5.5
-5.0
-3.5
-2.5
30
-
-
-
-
-
-
-7.0
-6.5
-6.0
-4.5
-3.5
4.估算方法的使用范围及结果的度
(1)该估算方法只考虑了在封闭管道系统中的流体动力学噪声,而并不包括调节阀内部可动部件产生的响声,以及在固体材料中传播的声音,或由于某种原因反射和共振造成的声音放大效应。
(2)当测试条件与标准化试验方案有差别时,则应按din458635blatt 1进行修正。
(3)调节阀出口处以及管道中的流速不应超过下列极限值:
液体 或 ω≤10
式中:
ω—流速,m/s;其余符号意义同前。
气体和蒸汽ω≤0.3ωs
式中:
ωs—音速。
(4)1 < kv < 6000
0.01 < x或xf < 1.0(x为气体或蒸汽的压力比)
la > 20dba
(5)声级的计算结果存在一个10db(a)的偏差带。
5、计算举例
例1 已知 流体 水
流量 q=90m³/h
工作温度t=120℃
要求的kv值kv=50 m³/h
入口压力(绝压)p1=7bar
出口压力(绝压)p2=4 bar
管道压力额定值pn40
计算采用西德samson工厂生产的单座调节阀,口径为dn80,从工厂提供数据表中查得kvs=80 m³/h ,z=0. 25。
(1)求出阀的开度y=kv/kvs=50/80=0.625;由y=0.625及z=0.25,从图2中查得zy=0.28;
(2)由t=120℃,从图1中查得水的蒸汽压pv=2 bar;
(3)求出压力比;
(4)由t=120℃,从图3中查出水的密度ρ=940kg/m³;
(5)对于标准的单座调节阀△lf=0;
(6)∵xf=0.6,zy=0.28,即xf>zy,∴该调节阀噪声的声级la应采用式(2)计算:
la = 10lgkv+18lg(p1-pv)-5lgρ+29lg(xf-zy)0.75-(268+38zy)*(xf-zy)0.935+40+△lf
= 10lg50+18lg(7-2)-5lg940+292*(0.6-0.28)0.75-(268+38*0.28)*(0.6-0.28)0.935+40+0
=17+12.6-14.9+124-97+40
= 81.7db(a
例2 已知 流体 合成气
流量 q=40000 m³/h
入口压力(绝压)p1=12.5bar
出口压力(绝压)p2=2.5 bar
入口温度t1=393ok
标准状态下密度ρn=0.7 kg/m³
要求的kv值kv= 200m³/h
管道压力额定值pn40
计算
采用西德samson工厂生产的251型标准单座调节阀,口径为dn150,从工厂提供的数据表中查出kvs=360m³/h;标准单座阀的校正量△lg可以忽略不计,即△lg≈0;则该项调节阀噪声的声级la用式(4)计算如下:
la = 14lgkv+18lgp1+5lgt1- 5lgρ+20lg(p1/p2)+52+△lg
= 14lg200+18lg12.5+5lg393- 5lg0.7+20lg(12.5/2.5)+52+0
= 32.2+19.8+13+0.775-3.12+52
= 114.6db(a)
四、声级的图解法
1、适用于液体调节阀噪声的图解法
液体调节阀噪声的声级la可以表示为几项之和:
la = laif+la2f+la3+△lf(6)
式中:
la1f— 液体调节阀由(p1-pv)决定的声级(可由图6查出),dba;
la2f— 液体调节阀由xf及zy决定的声级(可由图7查出),dba
la3 — 液体调节阀由ρ决定的声级(可由图8查出)dba
△lf— 意义同前。
图6 液体调节阀由(p1-pv)决定的声级la1f
图7 液体调节阀由xf及zy决定的声级la2f
图8 液体调节阀由ρ决定的声级la 前述之例1可应用图解法求解如下:
(1)从图1查得t=120℃时,水的蒸汽压pv=2bar;
(2)由p1- pv= 5bar及kv=50,从图6查得la1f=53.5 dba;
(3)由△p=p1- p2=7-4=3bar,及p1-pv=5 bar,从图7查得xf=0.6;在图7上半部分,由xf=0.6及zy=0.28(参见原例1,系从图2中查出),即可查出la2f=28 dba
(4)由t=120℃,从表3中查出水的密度ρ=940kg/m³;再由图8查出lab≈0.1dba,该值很小,故可以忽略不计;
(5)标准单座阀,△lf=0;
(6)该调节阀噪声的声级la为:
la= la1f + la2f + las +△lf
= 53.5+28+0
= 81.5 dba
结果与估算值81.7 dba 相差无几。
2、适用于气体和蒸汽调节阀噪声的图解法
气体和蒸汽调节阀噪声的声级la亦可以表示为几项之和:
la = la1g+la2g+la4+△lg(7)
式中:
la1g—气体和蒸汽调节阀由p1决定的声级(可由图9查出)dba
la2g—气体和蒸汽调节阀由x决定的声级(可由图10查出)dba
la4—气体和蒸汽调节阀由ρn决定的声级(可由图11查出)
△lg意义同前。 图9 气体和蒸汽调节阀由p1决定的声级la1g 图10气体和蒸汽调节阀由x决定的声级la2g 前述之例2可应用图解法求解如下:
(1)由p1=12.5bar及kv= 200m³/h,从图9中可以查出la1g=105dba;
(2)由△p=p1-p2=12.5-2.5=10bar及p1=12.5bar,从图10可查出压力比x≈0.8;
在图10上半部,由x=0.8的垂线和曲线的交点,可以查出la2g=7dba;
(3)由ρn=0.7kg/m3及t=120℃(由393ok-273),从图11可查出la4=2dba; 图11 气体和蒸汽调节阀由ρn决定的声级la
(4)标准单座阀,△lg=0;
(5)该调节阀噪声的声级la为:
la = la1g+la2g+la4+△lg
= 105 + 2 +0
= 114dba
结果与估算值114.6dba亦相差无几。
参考文献
[1]《translation of thenationalgermanpapervdma24422guidelineforthenoisecalculation》;
[2]《 sound level calculations for control sections 》 reprinefromatm-meβtechnischepraxis2/1976p51~54,3/1976p83~86;
[3]西德samson厂产品说明书;
[4] 《control valvehandbook》 fisher controls company,1977
[5]《物理学常用单位制》姜衍智编上海科技出版社出版,1964;
[6]《普通物理学》上册上海高等工业学校物理学编写组人民教育出版社出版
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