DE69723870T2

DE69723870T2 - Vorrichtung und verfahren zur schalldämpfung in einem transportsystem für gasförmige stoffe und anwendung einer solchen vorrichtung in einem abgassystem eines schiffes

Info

Publication number: DE69723870T2
Application number: DE69723870T
Authority: DE
Inventors: Claes-Göran Johansson; Örjan GÖTMALM
Original assignee: ABB Technology FLB AB
Current assignee: Wartsila Finland Oy
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: CN1097143C; US6167984B1; NO326773B1; AU5503998A; ES2205271T3; EP0958449A1; EP0958449B1; CN1247588A; KR100501990B1; NO993047D0; KR20000062267A; SE9604664L; DE69723870D1; WO1998027321A1; SE506618C2; ATE246311T1; NO993047L; SE9604664D0

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Geräuschreduzierung in einem Transportsystem für ein gasförmiges Medium der in dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschriebenen Art. Das Gastransportsystem ist hauptsächlich für ein Abgassystem bestimmt, das in einer Verbrennungskraftmaschine eines Schiffs angeordnet ist, wodurch der von dem Auslass des Abgassystems erzeugte Lärm gewisse vorbestimmte Anforderungen in Bezug auf Geräusche erfüllen muss. Die Erfindung kann jedoch vorteilhaft ebenso auf Ventilationsanlagen, zum Beispiel, auf Abgasanlagen in Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen oder Rauchgasreinigungseinrichtungen für Anlagen zur Herstellung von elektrischem Strom angewendet werden.
STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, dass zu dem Zweck des Reduzierens des Geräuschs, das insbesondere von der Öffnung eines Ventilationssystems oder einem Abgassystem abgegeben wird, einen oder mehrere Geräusch- bzw. Schalldämpfer in dem Gaskanal des Systems anzuordnen. Die Bezeichnung Geräusch- bzw. Schalldämpfer meint im Allgemeinen eine Einrichtung mit der Fähigkeit, Schallenergie zu verbrauchen. Dies kann dadurch stattfinden, dass die Schallenergie in irgdendeine andere Energieform, wie beispielsweise Wärme, umgewandelt wird, deren Energie abgeleitet und gekühlt werden kann. In dem folgenden Text bildet die Bezeichnung Widerstandsdämpfer eine Einrichtung in einem Gaskanal, die fähig ist, ein Geräusch zu absorbieren, dass heißt, die Schallenergie in eine andere Energieform umzuwandeln. Die Bezeichnung Dämpfer meint in dem folgenden Text eine Einrichtung, die zur Geräuschreduzierung fähig ist, und Dämpfung meint die Eigenschaft der Geräuschreduzierung.
Eine typische Ausführungsform eines Widerstandsdämpfers ist ein rundes oder rechteckiges Rohr, dessen Seiten, die dem Gasfluss ausgesetzt sind, mit einem Absorptionsmittel oder einem porösen Medium mit kleinen verbundenen Hohlräumen beschichtet sind. Ein derartiger üblicher Geräuschdämpfer, der für ein Ventilationssystem bestimmt ist, ist in dem Patentdokument GB 2,122,256 und in US 4,371,054 beschrieben. Ein anderer Widerstandsdämpfer, der für ein Abgassystem bestimmt ist, ist aus dem Patentdokument US 2,826,261 bereits bekannt. Im Allgemeinen wird als Absorptionsmittel Mineralwolle oder Glaswolle verwendet, die irgdendein Klebemittel umfasst, das das Absorptionsmittel veranlasst, eine gebundene bzw. verfestigte Struktur aufzuweisen. Das Absorptionsmittel kann ebenfalls durch eine luftdurchlässige Oberflächenschicht, zum Beispiel, eine perforierte Platte, geschützt werden, um eine größere Nutzdauer und bessere mechanische Stabilität bei hohen Gasgeschwindigkeiten zu erreichen. Ein derartiger Widerstandsdämpfer wird eine geräuschdämpfende Eigenschaft aufweisen, die einen breiten Frequenzbereich abdeckt und, neben der Dicke und der Fließgeschwindigkeit des Absorptionsmittels, auch von der Länge und der Innenfläche des Dämpfers abhängig ist.
Das Verhältnis der Absorptionsmitteldicke zu der Länge der Schallwellen, die Teil des Geräuschs sind, ist für die Dämpfung bei niedrigeren Frequenzen bestimmend. Eine zufriedenstellende Dämpfung wird für Schallfrequenzen erreicht, bei denen die Dicke des Absorptionsmittels größer ist als ein Viertel einer Schallwellenlänge. Die Geräuschdämpfungseigenschaften nehmen dann drastisch für den Schall niedrigerer Frequenzen ab, der eine größere Wellenlänge aufweist. Auch wenn das Verhältnis der Wellenlänge zu Absorptionsmitteldicke etwa 1/8 ist, ist die Absorption nur halb so groß und bei dem Verhältnis 1/16 ist sie nur 20% der Absorption, die bei dem Verhältnis 1/4 erhalten wird. Weil eine bestimmte Absorptionsfähigkeit immer noch verbleibt, kann in vielen Fällen eine ausreichende Absorption durch Erhöhen der Länge des gesamten Absorptionsmittels in dem Gastransportsystem erhalten werden. Die Querschnittsfläche des Gastransportsystems ist ebenfalls für die erhaltene Geräuschreduzierung wichtig, weil die Reduzierung in dem oberen Frequenzbereich des Geräuschs mit erhöhter Querschnittsfläche abnimmt.
Ein Problem bei dem Widerstandsdämpfer ist folglich, dass die absorbierende Schicht dick gemacht werden muss, um in der Lage zu sein, niedrige Frequenzen zu absorbieren. Dies hat ein größeres Volumen zur Folge. Eine geringere Absorptionsmitteldicke kann jedoch durch eine größere Gesamtlänge des Dämpfers kompensiert werden. Dies führt zu erhöhten Kosten der erhaltenen Geräuschreduzierung. Ein anderes Problem ist, dass die Druckreduzierung in dem System beschränkt sein muss. Dies führt zu einer relativ großen Querschnittsfläche des Systems.
Die Geräuschreduzierung bei dem oberen Frequenzbereich des Geräuschs wird folglich reduziert. Die geräuschdämpfenden Eigenschaften sind ebenfalls davon abhängig, wo der Geräuschdämpfer in dem System angeordnet ist. Es kommt häufig vor, dass die Eigenschaften, die in einem Labor, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, erhalten werden und die in Broschüren beschrieben werden, selten in der Praxis erhalten werden. Dies führt zu einer großen Überbemessung, um eine ausreichende Geräuschdämpfung zu sichern.
Ein anderer bekannter Weg der Reduzierung der Geräusch- bzw. Schallemission eines Gastransportsystems ist, zu verhindern, dass sich das Geräusch bzw. der Schall in dem Kanal fortpflanzt. Dies kann durch Anordnen von reaktiven Hindernissen in dem Gaskanal erreicht werden. Ein derartiges Hindernis wird durch Erzeugen eines Geräuschs erhalten, das mit dem Geräusch in dem Kanal außer Phase ist, wodurch eine Löschung auftritt. Diese Technik wird vorzugsweise in Verbindung mit sogenannter aktiver Geräuschdämpfung verwendet. Dieses entgegengesetzt gerichtete Geräusch wird dann durch einen Lautsprecher erzeugt, der in dem Kanal angeordnet ist. Es werden jedoch äußerst steuerbare Bedingungen erfordert, damit ein aktives System funktioniert.
Ein weiterer Weg der Reduzierung des Geräuschs bzw. Schalls, das die Öffnung erreicht, ist ein Hindernis zu der fortschreitenden Schallwelle in dem Kanal anzuordnen. Dieser Geräuschdämpfertyp verbraucht tatsächlich keine Energie und wird im allgemeinen verlustloser Abschwächer bzw. Dämpfer genannt. Ein verlustloser Dämpfer arbeitet im wesentlichen gemäß zwei Prinzipien. Der erste Typ ist ein Reflektionsdämpfer. Dieser enthält eine Vergrößerung der Querschnittsfläche, wodurch die Flächenvergrößerung eine Reflektionswelle erzeugt, die sich in eine zu der Fortpflanzung des Geräuschs entgegengesetzte Richtung fortpflanzt. Von einem funktionellen Standpunkt aus kann das Hindernis als eine Wand angesehen werden, in der das Geräusch zurück geworfen wird. Der zweite Typ ist ein Resonanzdämpfer, der die Fortpflanzung des Geräuschs in einem Kanal beeinflusst. In diesem Fall kann das Hindernis als eine Falle angesehen werden, in die das fortschreitende Geräusch auf seinem Weg in Richtung zu der Öffnung fällt.
Resonanzgeräuschdämpfer umfassen zwei Haupttypen, nämlich Viertelwellensperren und sogenannte Helmholtz-Resonatoren. Der letztere ist nur auf eine Frequenz abgestimmt, während eine Viertelwellensperre auf einen bestimmten Ton abgestimmt ist, aber ebenfalls seine ungeradzahlige Harmonische beeinflusst. Die Viertelwellensperre enthält im allgemeinen ein geschlossenes Rohr, das mit dem Kanal verbunden ist und das einer Viertelwellenlänge des zu dämpfenden Geräuschs entspricht. Ihre dämpfenden Eigenschaften decken im allgemeinen einen sehr engen Frequenzbereich ab. Ein Problem mit einem verlustlosen Abschwächer ist, dass das Volumen auf die Frequenz des zu verhindernden Geräuschs abgestimmt werden muss. Ein anderes und sehr viel schwierigeres zu überwindendes Problem in bezug auf einen verlustlosen Abschwächer ist, dass es sehr heikel ist, wo er in dem System angeordnet ist. Durch Ansehen des Geräuschs als etwas, das sich in Stufen fortpflanzt, und des Hindernisses als ein Falle, in die das fortschreitende Geräusch fallen muss, wird leicht klar, dass es wichtig ist, die Öffnung der Falle in bezug auf die Stufenlänge korrekt anzuordnen. Eine unkorrekt angeordnete Falle impliziert, dass das Geräusch ohne Widerstand übergehen kann. Um einen maximalen Dämpfungseffekt zu erhalten, muss die Öffnung der Viertelwellensperre in einem Druckmaximum des Geräuschfelds in dem Kanal angeordnet werden.
Es gibt ebenfalls eine große Anzahl an Vorrichtungen, die die vorstehend erwähnten Verfahren auf verschiedene Weisen kombinieren. Das Problem ist jedoch im allgemeinen, dass die verschiedenen Komponenten an verschiedenen Orten enden, wo sie nicht effektiv sind. Um die unvorhersehbaren Eigenschaften zu kompensieren, werden herkömmliche Geräuschdämpfersysteme oft in hohem Maße überdimensioniert, was zu kostspieligen, schweren und raumbeanspruchenden Anlagen mit hohen Druckabfällen führt.
Geräuschdämpfervorrichtungen in Transportsystemen für Gas, wo das Gas die Temperatur ändert, impliziert weitere Komplikationen, weil sich die Wellenlänge des Geräuschs mit der Temperatur ändert. Wenn die Temperatur des Gases von 20°C auf 900°C erhöht wird, erhöhen sich die Geräuschgeschwindigkeit und folglich die Wellenlänge um das Zweifache. Ein Dämpfer, der bei normaler Temperatur gut arbeitet, erleidet deshalb verschlechterte Eigenschaften, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, wenn das Gas erwärmt wird. Dies führt im allgemeinen zu geräuschdämpfenden Vorrichtungen in Transportsystemen, bei denen heiße Gase sehr unhandlich werden. Ein zusätzliches Problem in Gastransportsystemen für heiße Gase ist die Gefahr der Kondensationsbildung. Das Geräuschabsorptionsmittel in dem Geräuschdämpfer zeigt im allgemeinen eine Wärmeisolierung, wobei in diesem Fall das Innere des Geräuschdämpfers so kalt wird, dass in dem Gas gelöste Flüssigkeiten hier kondensieren. Die kondensierten Flüssigkeiten sind in der Lage, in dem Gas transportierte Verbrennungsrückstände, wie beispielsweise Schwefelverbindungen und Kohlenwasserstoffe, in Säure umzuwandeln, welche Metall unter anderem korrodiert. Die Kondensierung kann ebenfalls zur Akkumulation von Partikeln in dem System führen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Transportsystem für Gas herzustellen, von dem die Geräuschemission geringer ist als von herkömmlich bekannten Systemen und das nicht an den vorstehend erwähnten Nachteilen leidet. Das Transportsystem sollte einfacher, weniger raumbeanspruchend sein, eine kleine Querschnittsfläche aufweisen und weniger kostspielig herzustellen sein, als entsprechende Systeme, die unter Verwendung bekannter Technik hergestellt sind. Das System sollte ein geringeres Gewicht aufweisen und einen geringeren Druckabfall und eine geringere Erzeugung eines aerodynamischen Geräuschs im Innern des Kanals als herkömmliche Systeme zeigen und in der Lage sein, Systemkomponenten, wie beispielsweise einen Abgaskessel, Funkenlöscher etc., zu enthalten. Der geräuschreduzierende Effekt sollte ermöglichen, in bezug auf die in dem System vorhandenen Schallgrenzbedingungen abgestimmt und auf Frequenzvariationen weniger empfindlich zu sein. Weil die transportierten Gase oft heiß sind, sollte das System eine Wärmeisolierung umfassen, sodass die Kanäle an der Außenseite in Berührung gebracht werden können, aber sodass keine Kondensierung im Innern des Systems gebildet wird. Das System sollte ebenfalls einfach zu warten sein und ersetzbare Teile enthalten.
Dies wird gemäß der Erfindung durch ein für ein gasförmiges Medium bestimmtes Transportsystem mit den kennzeichnenden, in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen und ein Verfahren mit den kennzeichnenden, in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 7 beschriebenen Merkmalen erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den kennzeichnenden Teilen beschrieben, die mit den unabhängigen Ansprüchen assoziiert sind.
Ein Geräusch pflanzt sich in einem Gas als eine Translationsbewegung fort, wodurch die Moleküle des Gases abwechselnd dicht und dünn werden. Dies führt zu relativen Druckmaxima und Druckminima. Wenn eine Geräuschquelle dazu gebracht wird, in einem Raum zu ertönen, entsteht ein Geräuschfeld, das durch die Schallgrenzbedingungen verursacht wird, die den Raum kennzeichnen. Es kann gesagt werden, dass der Raum eine Antwort auf die Geräuschquelle gibt. Die Geräuschquelle wird aus Luftmolekülen gebildet, die sich in bestimmten Positionen sehr stark bewegen, während sich die Moleküle in anderen Positionen sehr wenig bewegen oder sogar feststehend sind. In jenen Positionen, in denen die Moleküle feststehend sind, ist der relative Luftdruck hoch, und in jenen Positionen, in denen die Geschwindigkeit der Moleküle groß ist, ist der relative Luftdruck niedrig. Für jede Geräuschfrequenz entsteht ein Muster, das in Abhängigkeit von den Grenzbedingungen des Raums und davon, wie stark das Geräusch bei dieser Frequenz von der Geräuschquelle erzeugt wird, mehr oder weniger hervorgehoben ist. In dem folgenden Text werden die vorstehend erwähnten Druckminima als Knoten bezeichnet. Zwischen den Knoten nimmt das Geräuschfeld einen Schwingungsmodus an, wobei dessen schwingende Bewegung als Amplitude bezeichnet wird.
In einem Abgassystem, in dem die Gase durch einen Kanal in Richtung zu einer Öffnung gehen, entsteht ein Geräusch- bzw. Schallfeld auf die gleiche Weise wie in einem Raum, wobei das Geräuschfeld durch die Grenzbedingungen in dem Kanal bestimmt wird. Zudem gibt es eine klar ausgedrückte Bewegungsrichtung der Schallenergie selbst, nämlich von der Geräusch- bzw. Schallquelle zu der Öffnung. Die Schallgrenzbedingungen, denen das Geräusch auf seinem Weg in Richtung zu der Öffnung ausgesetzt wird, werden folglich durch die Eigenschaften der Grenzoberflächen des Kanals bestimmt. Nicht zuletzt sind die Schallgrenzbedingungen an der Öffnung kompliziert, weil die genaue Form der Öffnung, ebenso wie das Phänomen, dass heißes Gas bei einem hohen Druck in Luft bei normaler Temperatur und normalen Atmosphärendruck herausgezogen wird, die Geräuscherzeugung beeinflussen. Das fortschreitende Geräusch wird bei der Öffnung einer starken Reflektion unterworfen, wodurch Teile der Schallenergie in die entgegengesetzte Richtung geleitet werden. Das reflektierte Geräusch erzeugt ein Geräuschfeld mit stehenden Wellen in dem Kanal. In einem ungedämpften Kanalsystem wird das Geräuschfeld beinahe ausschließlich durch diese Reflektionswellen bestimmt. Stehende Wellen mit ausgeprägten Knoten und großen Amplituden werden folglich dem erzeugten Geräuschfeld erteilt.
Durch Einführen von Dämpfung in das Kanalsystem wird das Geräuschfeld weniger ausgeprägt. Experimente haben gezeigt, dass es unter derartigen Bedingungen möglich ist, das in dem Kanal erzeugte Geräuschfeld lokal zu steuern. Jede Flächenvergrößerung verursacht eine Reflektionswelle, wo ein Teil der fortschreitenden Schallenergie zurück geworfen wird. In einem gedämpften, verlängerten Kanalsystem bedeutet das, dass bei einer derartigen Flächenvergrößerung ein Knoten in dem Geräuschfeld angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung verwendet dies derart, dass die Position des Knotens zum Bestimmen einer optimalen Länge eines Reflektionsdämpfers verwendet wird, der ebenfalls Widerstandsdämpfeigenschaften und den besten Ort der Öffnung eines verlustlosen Abschwächers umfassen kann.
Um das Volumen des Gastransportsystems zu begrenzen, werden Widerstandsdämpfer mit mäßigen Absorptionsmitteldicken in dem Kanalsystem angeordnet. Eine gute Geräusch- bzw. Schalldämpfung wird folglich für ein Geräusch hoher Frequenzen erhalten. Für ein Geräusch niedrigerer Frequenzen wird eine gute Geräuschdämpfung ebenfalls durch Anordnen einer Vielzahl von Widerstandsdämpfern einer nach dem anderen erhalten. Die geringere Absorptionsfähigkeit wird folglich durch eine größere Gesamtlänge von Widerstandsdämpfern kompensiert.
Bei niedrigen Frequenzen interpretiert die fortschreitende Welle einen Widerstandsdämpfer eher als einen Reflektionsdämpfer. Weil das Kanalsystem gedämpft wird, ist das Geräuschfeld derart angeordnet, dass ein Knoten in dem Geräuschfeld bei dem Flächenübergang angeordnet ist. Um einen guten Dämpfungseffekt bei einer bestimmten Frequenz des Geräuschs zu erhalten, muss folglich eine Viertelwellensperre derart mit ihrer Öffnung in einer Position angeordnet werden, die ein Viertel einer Wellenlänge von der Flächenvergrößerung weg ist. Der Abstand zwischen zwei Knoten eines Geräuschs einer bestimmten Frequenz ist eine halbe Wellenlänge. Mittig zwischen diesen Knoten, dass heißt, bei dem Abstand ein Viertel einer Wellenlänge von dem Knoten, ist die Druckamplitude am größten. In dieser Position bewegen sich die Moleküle am wenigsten und die Öffnung einer Viertelwellensperre ist hier angeordnet. Das beschriebene Verfahren macht es ebenfalls möglich, die Viertelwellensperre mit einer Ausdehnung optimal anzuordnen, die mit der des Kanals übereinstimmt.
Experimente haben gezeigt, dass durch eine geeignete Kombination von Reflektionsdämpfern mit Widerstandsdämpfungseigenschaften und verlustlosen Abschwächern das Geräuschfeld in dem Kanal gesteuert werden kann und dass durch die Wahl des Orts Dämpfer mit vorhersagbaren optimierten Dämpfungseigenschaften konstruiert werden können. Experimente haben beim Anordnen eines verlustlosen Abschwächers an beiden Seiten eines Reflektionsdämpfers gezeigt, dass ein beträchtlicher Dämpfungseffekt mit einer dem dritten Oktavband entsprechenden Bandbreite bei niedrigen Frequenzen erreicht werden kann. Ein drittes Band enthält ein Drittel einer Oktave und entspricht einer Bandbreite von etwa 24% der Zentrumsfrequenz bzw. Mittenfrequenz.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun durch Beschreibung einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben werden, wobei
1 ein Transportsystem gemäß der Erfindung zeigt, das aus Widerstandsdämpfern und verlustlosen Abschwächern zusammengesetzt ist,
2 einen Querschnitt eines Widerstandsdämpfers zeigt, und
3 einen Querschnitt eines verlustlosen Abschwächers zeigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFROM
Ein für ein gasförmiges Medium bestimmtes Transportsystem gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt. Das gezeigte Transportsystem ist ein Abgassystem für einen Dieselmotor auf einem Schiff. Abgasgase aus einem Motor (nicht gezeigt) werden durch ein Einlassrohr 1 durchgeleitet, das in dem unteren Teil des Abgassystems durch eine Rauchgasreinigungsanlage 6 mit einem Wärmeaustauscher 2 angeordnet ist. In diesem, wird ein Teil der überschüssigen Wärme des heißen Gases zum Erwärmen von Wasser oder Öl entnommen. Die Gase werden von dem Wärmeaustauscher weiterhin durch einen geräuschreduzierenden Teil des Abgasgaskanals durchgeleitet, das eine Vielzahl von verlustlosen Abschwächern 3 und eine Vielzahl von Widerstands-Reflektionsdämpfern 4 enthält, die irgendeine Geräuschabsorptionsform enthalten.
Die Abgasgase werden in dem oberen Teil des Abgassystems durch einen Funkenlöscher 5 zu einem Auslassrohr 7 geleitet, das mit einer Öffnung (nicht gezeigt) verbunden ist, die von einem Schornstein (nicht gezeigt) umgeben ist. Die in dem Kanal transportierten Gase sind heiß und weisen im allgemeinen eine Temperatur von etwa 400°C auf. Kleine Verbrennungspartikel werden mit den Gasen transportiert, die nach Kondensierung von in dem Gas gelösten Flüssigkeiten Säuren bilden, die Korrosionsschaden auf, unter anderem Metall, bilden.
Der geräuschdämpfende Teil des Abgassystems ist gemäß der Erfindung mit einem Außendurchmesser mit einer gleichmäßigen Dicke ausgelegt. Dies führt zu einem schlankeren Kanalsystem mit einer gleichmäßigen Dicke, das dem Abgassystem erlaubt, in einem optimalen raumsparenden Gesamtvolumen angepasst zu werden. Die in dem System enthaltenen Widerstands-Reflektionsdämpfer 4 sind dazu bestimmt, ein Geräusch bei den Hoch- und Mittelfrequenzbereichen effektiv zu absorbieren. Die Geräuschabsorptionsfähigkeit nimmt dann mit abnehmender Frequenz ab. Eine ausreichende Absorption wird jedoch auch für den oberen Teil eines niedrigeren Frequenzbereichs durch Anordnung einer großen Anzahl von Widerstands-Reflektionsdämpfern in dem Kanal erreicht. Der geräuschdämpfende Effekt eines herkömmlichen, raumbeanspruchenden Kanalsystems wird gemäß der Erfindung anstelle einer größeren Gesamtlänge mit Widerstandsdämpfung kompensiert.
Die Widerstands-Reflektionsdämpfer 4 fungieren bei niedrigen Frequenzen nur als Reflektionsdämpfer, wobei in diesem Fall die Schallenergie für bestimmte Frequenzen in eine entgegengesetzte Richtung zur Schallfortpflanzung reflektiert wird. Das Geräuschfeld in dem Kanal passt sich dadurch selbst derart an, dass in dieser Position in dem Kanal, in dem die Querschnittsfläche verändert wird, ein Druckknoten in dem Geräuschfeld angeordnet ist. Dies wird gemäß der Erfindung derart verwendet, dass die Öffnung eines verlustlosen Abschwächers 3 bei einem Abstand eines Viertels einer Wellenlänge von dem somit definierten Druckknoten angeordnet ist. Der Grund ist, dass ein verlustloser Abschwächer am besten arbeitet, wenn seine Öffnung angeordnet ist, wo der Schalldruck am größten ist, wobei dies auf halben Weg zwischen zwei Knoten ist, dass heißt, bei einem Abstand eines Viertels einer Wellenlänge von einem der Knoten.
Die Länge des Dämpfers ist für eine Viertelwellensperre die gleiche wie die Länge zwischen dem Reflektionsdämpfer und der Öffnung der Viertelwellensperre. Dies ermöglicht, dass der Viertelwellensperre vorteilhaft eine Ausdehnung parallel zu dem Rohr und mit ihren geschlossenen Enden in Richtung zu dem Reflektionsdämpfer gegeben wird. Der Abgasgaskanal kann folglich mit einem Außendurchmesser gleichmäßiger Dicke ausgelegt werden. Die Länge der Viertelwellensperre ist folglich genau so groß wie der Abstand zwischen dem Rand des Reflektionsdämpfers und der Öffnung der Viertelwellensperre. Diese Länge wird hier nachstehend als die reaktive Länge bezeichnet und umfasst sowohl den Abstand der Öffnung des Reflektionsdämpfers als auch die Länge der Viertelwellensperre.
Ein Reflektionsdämpfer weist eine Dämpfungscharakteristik auf, die eine hohe Dämpfung für Frequenzen ergibt, deren geraden Vielfache eines Viertels einer Wellenlänge der Länge des Dämpfers entsprechen. Der Dämpfungseffekt nimmt dann aufwärts und abwärts in dem Frequenzbereich ab und nähert sich Null für Frequenzen, deren Vielfaches einer halben Wellenlänge der Länge des Dämpfers entspricht. Dieses Muster führt zu einem Reflektionsdämpfer, der bei einer Grundfrequenz, dessen Wellenlänge viermal die Länge des Dämpfers ist, und bei geradzahligen Oberschwingungen zu dieser Grundfrequenz effektiv ist. Bei niedrigen Frequenzen sind es folglich die Reflektionseigenschaften des Widerstands-Reflektionsdämpfers, die verwendet werden. Die Widerstands-Länge ist deshalb mit der Länge des Reflektionsdämpfers identisch und hier nachstehend als die Widerstands-Länge bezeichnet. Es muss hier erwähnt werden, dass der Widerstands-Dämpfer bei niedrigen Frequenzen gleichfalls durch eine Reflektionskammer oder irgendeine andere Einheit in dem Abgassystem ersetzt werden kann, das eine Flächenänderung zeigt.
Ein Resonanzdämpfer absorbiert innerhalb eines engen Frequenzbereichs. Die Dämpfungscharakteristik der Viertelwellensperre hängt mit ungeraden Vielfachen eines Viertels einer Wellenlänge des Geräuschs zusammen. Der Dämpfungseffekt nimmt dann sehr schnell aufwärts und abwärts in dem Frequenzbereich ab. Eine Bedingung für eine Viertelwellensperre, um überhaupt einen Dämpfungseffekt zu ergeben ist, dass ihre Öffnung in dem System derart angeordnet ist, dass die Resonanzbewegung gestartet wird. Dies wird nur effektiv getan, wenn die Öffnung an einem Punkt in dem Geräuschfeld angeordnet ist, wo die betroffene Frequenz ein Druckmaximum aufweist. Die Viertelwellensperre wird vorzugsweise zum Dämpfen von Reintönen in dem System verwendet. Wenn sie an einem Viertel einer Wellenlänge eines Reflektionsdämpfers angeordnet ist, wird ihr Effekt optimal. Wenn sie vor oder nach einem Widerstandsdämpfer angeordnet wird, können ihre geräuschreduzierende Fähigkeit und Bandbreite bei niedrigen Frequenzen durch eine geeignete Wahl einer Widerstands-Länge und reaktiven Länge optimiert werden.
Experimente haben gezeigt, dass ein Modul von drei Geräusch-Dämpfereinheiten übermäßig effektive geräuschdämpfende Eigenschaften in dem Niederfrequenzbereich zeigt. Ein Geräusch innerhalb eines ziemlich breiten Frequenzbands kann auf diese Weise effektiv gedämpft werden. Die Dämpfer sind gemäß der Erfindung in Modulen 8 bzw. 9 angeordnet, die wenigstens einen Widerstands-Reflektionsdämpfer 4 und wenigstens einen verlustlosen Abschwächer 3 enthalten. 1 zeigt zwei Module, jedes mit einem Widerstands-Reflektionsdämpfer 4, der von einem verlustlosen Abschwächer 3 umgeben ist, der an beiden Seiten angeordnet ist, wobei die Öffnung von dem Reflektionsdämpfer weg blickt. Die Gesamtausdehnung A bzw. B eines derartigen Moduls ist drei Einheitslängen a bzw. b, wobei jede Dreiviertel der Wellenlänge der Mittenfrequenz des Frequenzbands enthält, innerhalb dem die Dämpfung zu erreichen ist. Der verlustlose Abschwächer 3b bzw. 3d, der zuerst in die Fließrichtung angeordnet ist, ist angepasst, auf die niedrigere Grenzfrequenz des Frequenzbands abgestimmt zu werden. Der verlustlose Abschwächer 3c bzw. 3e, der nach dem Widerstands-Reflektionsdämpfer angeordnet ist, ist angepasst, auf die obere Grenzfrequenz des Frequenzbands abgestimmt zu werden. Die Widerstands-Länge a₂ bzw. b₂ ist angepasst, einem Viertel einer Wellenlänge der erwähnten Mittenfrequenz zu entsprechen. Die reaktive Länge a₁ bzw. b₁ ist angepasst einem Viertel einer Wellenlänge der unteren Grenzfrequenz zu entsprechen. Die reaktive Länge a₃ bzw. b₃ ist angepasst einem Viertel einer Wellenlänge der oberen Grenzfrequenz zu entsprechen.
In dem Fall einer gewünschten Dämpfungsfunktion, die einem Frequenzband einer Größe eines dritten Bands entspricht, ist die Bandbreite etwa 24% der Mittenfrequenz. Um eine derartige Dämpfungsfunktion zu erreichen, sind die reaktiven Längen angepasst, einem Viertel einer Wellenlänge der Frequenzen zu entsprechen, die 12% unter bzw. 12% über der Mittenfrequenz des dritten Oktavbands sind. Die in 1 gezeigte Widerstands-Länge a₂ bzw. b₂ entspricht einem Viertel einer Wellenlänge der Mittenfrequenz des dritten Oktavbands. Die reaktive Länge a₁ bzw. b₁ entspricht der Widerstands-Länge a₂ bzw. b₂, multipliziert mit dem Faktor 1,14. Auf eine entsprechende Weise ist die reaktive Länge a₃ bzw. b₃ für die obere Grenzfrequenz gleich der Widerstands-Länge a₂ bzw. b₂, geteilt durch den Faktor 1,14. Experimente haben gezeigt, dass eine Dämpfung von etwa 15 dB über ein Frequenzband, das ein drittes Oktavband enthält, mit dem beschriebenen Modul erreicht wird. Ein Synergieeffekt wird beim Zusammenschalten zweier Module erreicht, wobei die Module in diesem Fall derart kooperieren, dass sich der gesamte geräuschreduzierende Effekt über ein ganzes Oktavband erstreckt, dass heißt, drei Drittel Oktavbänder. Dies wird folglich ohne einen zwischen den Modulen angeordneten Widerstands-Reflektionsdämpfer erreicht.
Ein in dem Transportsystem enthaltener Widerstands-Reflektionsdämpfer 4 ist in 2 gezeigt. Der Geräuschdämpfer enthält einen zylinderförmigen Behälter 10 mit einem kegelförmigen Verbindungsstück 11, das an jedem Ende angeordnet ist, an das ein vorzugsweise kreisförmiger Flansch 12 zur Verbindung mit einer Verbindungseinheit in dem System befestigt ist. Der Behälter 10, das Verbindungsstück 11 und der Flansch 12 sind aus einem wärmebeständigen Material, wie beispielsweise Metall und vorzugsweise rostfreier Stahl, hergestellt. Ein zylinderförmiger Absorptionskörper 14, der einen Durchgang bildet, der mit der Innenseite 13 des Flansches 12 zusammenfällt, ist in dem Behälter angeordnet. Ein Kanal 15 zum Durchlass eines Gases ist zwischen der Innenseite des Behälters und der Außenseite des Absorptionskörpers angeordnet, wobei sich der Kanal in einem Querschnitt entlang der ganzen Innenseite des Behälters erstreckt. Ein Temperatursicherheitsschutzmittel 27 ist an der Außenseite des Behälters angeordnet. Das Temperatursicherheitsschutzmittel ist als eine wärmeisolierende Beschichtung mit einer äußeren, schmutzabweisenden, mechanisch beständigen Oberfläche geeignet ausgelegt.
Der Absorptionskörper 14 enthält einen Zylinderkörper eines wärmebeständigen Geräuschabsorptionsmittels, vorzugsweise einer Wolle mit langen Fasern, der zwischen einer inneren Schutzschicht 16 und einer äußeren Schutzschicht 17 zusammengedrückt wird. Das Geräuschabsorptionsmittel kann, zum Beispiel, aus Glas- oder Mineralwolle hergestellt sein, aber es können ebenfalls andere keramische oder synthetische Fasern verwendet werden. Die innere Schutzschicht 16 und die äußere Schutzschicht 17, die das Absorptionsmittel umgeben, sind an den Enden durch kreisförmige Endabschnitte 18 miteinander verbunden. Eine Öffnung und ein Auslass zu dem Kanal 15 sind zwischen dem Endabschnitt 18 und der gegenüberliegenden Innenseite des Verbindungsstücks 11 an dem jeweiligen Ende des Behälters angeordnet. Das geschützte Absorptionsmittel ist in dem Behälter durch eine Vielzahl von sich längs erstreckenden Abstandsstangen 19 zentriert und fixiert, die an die Innenseite des Behälters befestigt sind. Die innere und äußere Schutzschicht sind angeordnet, um das Absorptionsmittel teilweise freizulegen und sind aus einem wärmebeständigen Material hergestellt. Die Schutzschichten sind vorzugsweise aus einem perforierten rostfreien Blatt oder einem korrosionsbeständigen Geflecht hergestellt. Experimente haben gezeigt, dass die Einführung des von Gas durchquerten Kanals 15 nicht irgendeine bedeutende Verschlechterung der Geräuschabsorption zur Folge hat. Geräuschreduzierende Eigenschaften, die einer Absorptionsmitteldicke zwischen der Innenseite des Behälters 10 und der inneren Schutzschicht 16 des Absorptionsmittels entsprechen, müssen folglich allgemein erwartet werden.
Die Aufgabe des Kanals 15, der an der Innenseite des Behälters 10 angeordnet ist, ist es, den Durchgang einer Teilmenge des heißen Abgasgases zu erlauben, das durch den Geräuschdämpfer fließt. Durch diesen Durchgang heißer Gase wird eine Temperatur von 150°C an der Innenseite des Behälters erhalten, wodurch verhindern werden kann, dass in dem Gas gelöste Flüssigkeiten an der Innenseite des Behälters kondensieren. Die folglich erhitzte Innenseite muss wärmeisoliert sein, sodass keine persönlichen Verletzungen nach Kontakt mit dem System von der Außenseite entstehen. Eine Temperatur von 55°C wird deshalb erzielt. Aus diesem Grund ist das Temperatursicherheitsschutzmittel 27 derart angeordnet, sodass eine temperatursichere Außenseite des Systems erreicht wird.
Ein in dem Transportsystem enthaltener verlustloser Geräuschabschwächer 3 ist in 3 gezeigt. Der Geräuschdämpfer enthält einen zylinderförmigen Behälter 20 mit einem kegelförmigen Verbindungsstück 21, das an jedem Ende angeordnet ist. Ein bevorzugt kreisförmiger Flansch 22 zur Verbindung mit einer Verbindungseinheit in dem System ist an dem Verbindungsstück befestigt. Der Behälter 20, das Verbindungsstück 21 und der Flansch 22 sind aus einem wärmebeständigem Material, wie beispielsweise Metall, und vorzugsweise rostfreiem Stahl hergestellt. Eine zylinderförmige Beförderungsröhre 24, die einen Durchgang bildet, der mit der Innenseite 23 des Flansches 22 zusammenfällt, ist in dem Behälter 20 angeordnet. Die Enden der Röhre sind mit der Innenseite des Flansches 22 verbunden, wodurch ein eingeschlossenes Volumen 25 zwischen dem Behälter 20 und der Beförderungsröhre 24 angeordnet ist. Eine Vielzahl von Öffnungen 26, die das Volumen 25 mit dem Gastransportkanal verbinden, sind an einem Ende der Röhre 24 angeordnet.
Die Öffnungen 25, die an der Beförderungsröhre 24 angeordnet sind, weisen eine Gesamtöffnungsfläche von im wesentlichen der gleichen Größe wie die innere Querschnittsfläche der Beförderungsröhre auf. Die Ausdehnung der Öffnungen ist derart in die Tangentialrichtung angeordnet, dass ihre Ausdehnung in die Längsrichtung des Dämpfers begrenzt ist. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Transportkanals zu der Querschnittsfläche des Volumens 25 des verlustlosen Abschwächers sollte gleich sein. Wenn diese Fläche vermindert ist, wird der geräuschdämpfende Effekt in bezug auf die Frequenz kleiner und schmaler. Wenn diese Fläche erhöht ist, entsteht stattdessen ein größerer und breitbandiger Effekt. Es ist folglich nur das zugelassene Gesamtvolumen, das die erhaltene Leistung einschränkt. Ein Temperatursicherheitsschutzmittel 27 ist an der Außenseite des Behälters 20 auf die gleiche Weise wie für den Widerstandsdämpfer angeordnet. Eine Wärmeisolierung 28, die ebenfalls eine bestimmte Geräuschdämpfung bereitstellt, ist an der Innenseite des Behälters, im Innern des abgestimmten Volumens 25 angeordnet. Mit dieser Lage ist der Bedarf an Wärmeisolierung an der Außenseite vermindert, während zur gleichen Zeit eine breitbandigere verlustfreie Abschwächungscharakteristik entsteht.
Obwohl es vorteilhaft ist, ist das Kanalsystem nicht darauf beschränkt, ein Kanalsystem mit einem kreisförmig-zylinderförmigen Querschnitt zu enthalten. Die Erfindung kann mit einem gleichen Resultat auf Systeme mit einer Vieleck-Querschnittsfläche sowie auf Systeme mit längs gebogenen Abschnitten angewendet werden.
Auch wenn Experimente gezeigt haben, dass ein Modul mit einer Kombination von zwei verlustlosen Abschwächern und einem Widerstandsdämpfer sehr gute geräuschreduzierende Eigenschaften zeigen, führt eine Kombination eines verlustlosen Abschwächers und zweier Widerstandsdämpfern zu einem bemerkenswerten geräuschreduzierenden Effekt bei niedrigen Frequenzen. Die gesamte Widerstands-Länge und folglich die Länge des Reflektionsdämpfers werden in diesem Fall eine halbe Wellenlänge.
Der Reflektionsdämpfer zeigt folglich eine Dämpfungscharakteristik, wo die Dämpfung bei der Auslegungsfrequenz Null ist, aber die in hohem Maße aufwärts und abwärts in die Frequenzrichtung ansteigt. Die in dem Modul enthaltene Viertelwellensperre weist jedoch ihren Dämpfungseffekt bei der Auslegungsfrequenz konzentriert auf. Ein Dämpfungseffekt, der sich über ein großes Frequenzband erstreckt, wird dadurch durch Kooperation zwischen den zwei Dämpfern erhalten.
Es wurde ebenfalls durch Experimente demonstriert, dass jede Kombination wenigstens eines Reflektionsdämpfers und wenigstens eines verlustlosen Abschwächers einen guten breitbandigen, geräuschreduzierenden Effekt bereitstellt. Was für das Verhältnis der reaktiven Länge zur Widerstands-Länge entscheidend ist. Für den besten Effekt sollten die reaktive Länge und die Widerstands-Länge im wesentlichen gleich sein.
Eine starke Reflektionswelle entsteht an der Öffnung des Gastransportsystems, wodurch ein Druckknoten hier angeordnet ist. Diese Situation wird gemäß der Erfindung zur Anordnung eines verlustlosen Abschwächers (3f) verwendet, wobei seine Öffnung von der Öffnung des Systems wegblickt. Der verlustlose Abschwächer kann gleichfalls derart angeordnet sein, dass seine Öffnung ein Viertel einer Wellenlänge von der Öffnung des Systems angeordnet ist, aber dass die Ausdehnung des Dämpfers von der Öffnung des Systems wegblickt.

Claims

Einrichtung zur Geräuschreduzierung in einem Transportsystem für ein gasförmiges Medium zwischen einem Einlass, der mit einer Geräuschquelle verbunden ist, und einem Auslass, welches umfasst, mehrere miteinander verbundene Kanalbereiche (1–7), die mindestens ein Modul (8, 9) mit mindestens einem Reflektionsdämpfer (4) mit einer Widerstands-Länge (a₂, b₂) ausbilden, und mindestens einer Viertelwellensperre (3) mit einer reaktiven Länge (a₁, a₃, b₁, b₃) dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands-Länge und die reaktive Länge im wesentlichen gleich sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, worin mindestens ein Modul (8, 9) aus einem Reflektionsdämpfer (4) und einer Viertelwellensperre (3) besteht, die jeweils auf der Seite des Reflektionsdämpfers angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin das Verhältnis der Widerstands-Länge (a2, b2) zu der reaktiven Länge (a1, a3, b1, b3) in dem Intervall von 0.85 bis 1.15 liegt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Reflektionsdämpfer (4) einen Behälter (10) umfasst, in dem ein Absorptionskörper (14) angeordnet ist, wobei zwischen dem Behälter und dem Absorptionskörper ein Kanal vorgesehen ist, durch den ein Teil des transportierten Gases strömt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Viertelwellenspene (3) einen Behälter (20) und eine von dem Behälter umgebene Beförderungsröhre (24) umfasst, wobei zwischen dem Behälter und dem Beförderungsröhre-Körper ein Volumen (25) vorhanden ist, dessen Querschnittsfläche im wesentlichen so gross ist, wie die durch die Beförderungsröhre begrenzte Querschnittsfläche des Gastransportkanals.
Einrichtung nach Anspruch 5, worin er gesamte Fläche der Öffnungen (26) zwischen der Beförderungsröhre (24) und dem eingeschlossenen Volumen im wesentlichen so gross ist, wie der Querschnittsfläche der Röhre (24).
Verfahren zur Geräuschreduzierung innerhalb eines Frequenzbandes in einem Transportsystem für gasförmiges Medium mit mehreren miteinander verbundenen Kanalbereichen (1–7), das mindestens ein in dem Transportsystem angeordnetes Modul (8, 9) mit mindestens einem Reflektionsdämpfer- (4) mit einer Widerstands-Länge (a2, b2), und mindestens einer Viertelwellensperre- (3) mit einer reaktiven Länge (a1, a3, b1, b3) aufweist dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands-Länge auf ein Viertel der Wellenlänge der Zentrumsfrequenz des Frequenzbandes gebracht wird und dass die reaktive Länge im wesentlichen auf ein Viertel der Wellenlänge der Frequenz zwischen der unteren und oberen Grenzfrequenz des Frequenzbandes gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, worin mindestens ein Modul (8, 9) aus einem Reflektionsdämpfer (4) und einer Viertelwellensperre (3) besteht, wobei der Reflektionsdämpfer (4) eine Widerstands-Länge einer Viertel Wellenlänge der Zentrumsfrequenz des Frequenzbandes zugeordnet wird, und wobei der Viertelwellensperre eine reaktive Länge eines Viertels einer Wellenlänge der Zentrumsfrequenz des Frequenzbandes zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Modul (8, 9) aus einem Reflektionsdämpfer (4a, 4b) besteht, mit dessen einem Ende eine erste Viertelwellensperre (3b, 3c) verbunden ist, und mit dessen zweiten Ende eine zweite Viertelwellensperre (3c, 3e) verbunden ist, wobei der ersten Viertelwellensperre eine reaktive Länge eines Viertels einer Wellenlänge der unteren Grenzfrequenz des Frequenzbandes zugeordnet wird, und wobei der zweiten Viertelwellensperre eine reaktive Länge eines Viertels einer Wellenlänge der oberen Grenzfrequenz des Frequenzbandes zugeordnet wird.
Verwendung einer Einrichtung zur Geräuschreduzierung in einem Transportsystem für ein gasförmiges Medium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Abgassystem für Schiffe.
– Verwendung eines Verfahren zur Erreichung einer Geräuschreduktion in einem Frequenzband eines, für ein gasförmiges Medium gedachten Transportsystems nach Anspruch 7–8 in einem Abgassystem für Schiffe.