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Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung
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stehender Wellen in Leitungssystemen Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur Unterdrückung stehender Wellen in mit gasförmigen Medien beaufschlagten
Leitungen sowie zugehörige Vorrichtungen.
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In technischen Anlagen unterschiedlichster Art werden mit Gas beaufschlagte
Leitungen eingesetzt. So werden beispielsweise bei Hochofenprozeßen zur Verbesserung
des Wirkungsgrades und zur Reduktion des Eisens größere Luftmengen eingeleitet,
die vorher zur Vermeidung von Energieverlusten und demzufolge Abkühlung des Hochofens
selbst auf ca. 1000 Grad Celsius aufgeheizt werden. Dies geschieht vermittels sogenannter
Regenerativ-Verfahren, bei denen der Winderhitzer durch Verbrennung eines Luft-Gasgemisches
aufgeheizt und anschließend die Erwärmung der dem Hochofen zuzuführenden Luft durch
Einleitung von Außenluft in entgegengesetzter Richtung vorgenommen wird.
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Damit wechseln sich Phasen der Aufheizung des Winderhitzers mit denen
der Durchleitung der zu erwärmenden Außenluft ab. Erfahrungsgemäß treten insbesondere
während der Heizphasen im Winderhitzer und den Leitungssystemen durch ein Zusammenwirken
und einer komplizierten Kopplung strömungstechnischer, verbrennungstechnischer und
akustischer Einflüße Druckschwingungen
in Form von stehenden Wellen
auf, wobei insbesondere deren Anteile mit großen Amplituden und niedrigen Frequenzen
zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Belastbarkeit der Anlage bis hin zu schweren
Beschädigungen führen. Zur Verringerung derartiger Einflüße ist bekannt, den Brenner
zur Erreichung einer strömungstechnisch stabilen Verbrennung in seiner Gestaltung
zu optimieren, akustische Maßnahmen zur Unterbindung der Rückkopplung vorzusehen,
Brennkammer und Zuleitungssysteme mit schallabsorbierender Auskleidung sowie mit
dämpfend wirkenden Strömungswiderständen auszurüsten und schließlich die Eigenfrequenzen
durch Verändern der Baulänge zu verschieben. Alle diese Maßnahmen bedeuten erhebliche
Zusatzkosten und sind in bereits bestehenden Anlagen nur unter großen Schwierigkeiten
und unter Umständen überhaupt nicht mehr einbaubar. Bei nachträglicher Abhilfe werden
deshalb in aller Regel akustisch wirksame Bauteile, wie z. B. Helmholtz-Resonatoren,
Stichleitungen, Interferenz filter oder mechanische Gegenschwinger ("Pumpkolbenschwinger")
eingesetzt. Als grundlegender Nachteil all dieser Maßnahmen ist anzusehen, daß deren
Wirksamkeit nur für bestimmte Frequenzen gegeben ist und unter Umständen schon bei
geringfügigen Abweichungen hiervon zu Verstärkungen der Pulsationen führen.
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Die soeben im Zusammmenhang mit Windererhitzeranlagen beschriebenen
Erscheinungen treten auch auf vielen anderen Gebieten der Technik auf, beispielsweise
beim Transport von Erdgas in Rohrleitungen, wo sich zwischen den einzelnen Pumpstation
ebenfalls stehende Wellen aus-
bilden, die zu Beeinträchtigungen
bis hin zu schweren Beschädigungen Anlaß geben.
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Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist man unter anderem in der
Sowjetunion dazu übergegangen das Gas vor dem Transport durch Unterkühlen in den
flüssigen Aggregatzustand zu überführen, da diese Erscheinungen dann nicht mehr
auftreten können.
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Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt bei
mit gasförmigen Medien beaufschlagten Leitungen die Ausbildung von stehenden Wellen,
insbesondere auch durch nachträglich einbaubare Abhilfemaßnahmen, zu verringern
oder völlig zu beseitigen.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß in den Leitungen
ein Windrad befestigt wird. Im Rahmen der Erfindung steht hierbei der Querschnitt
der Leitungen grundsätzlich frei, so daß insbesondere auch Rohre, d. h.
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kreisförmige Querschnitte umfaßt sind.
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Unter dem Begriff Windrad" ist im Sinne der Erfindung ein Axialrad
mit Schaufeln zu verstehen. Es befindet sich im Strom des durch die Leitung sich
bewegenden gasförmigen Mediums und es führt diesem weder Arbeit zu noch ab, nimmt
also keinen aktiven Einfluß auf die Strömung, so daß es sich hierbei um einen Impeller
handelt. Grundsätzlich gilt aus physikalisch Gründen, daß eine stehende Welle darstellbar
ist
durch die Überlagerung und Interferenz zweier Wellen, gleicher
Amplitude, gleicher Wellenlänge, jedoch mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung.
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Eine der Grundgedanken vorliegender Erfindung ist die Anbringung des
Windrades, so daß durch Reflexionen hieran die Ausbreitungen der Schallwellen und
folgt lich auch die Ausbildung von stehenden Wellen stark reduziert wird. Ausgangspunkt
der Schallwellen sind im Falle der Winderhitzeranlagen in erster Linie der Brenner
und bei Erdgaspipelines die in Abständen angeordneten Pumpstationen.
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Durch die Druckschwankungen des gasförmigen Mediums findet in aller
Regel eine Rückkopplung mit den zugehörigen Fördervorrichtungen in dem Sinne statt,
daß die beispielsweise durch einen Propeller erbrachte Förderleistung durch die
vorhandenen Druckschwingungen beeinflußt und dadurch verstärkt werden. So bewirken
im Fall der Winderhitzeranlagen die Pulsationen in den Zuleitungen ein Pulsieren
der Flamme und damit ein erneutes Aussenden von Schallwellen der gleichen Frequenz.
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Diese Rückkopplungen zu unterbinden ist ein weiteres wesentliches
Anliegen der Erfindung. Grundsätzlich gilt daß insbesondere die niederfrequenten
Anteile, also die mit großen Wellenlängen, in besonders hohem Maße die Stabilität
beeinträchtigen und zu Beschädigungen führen können, so daß darauf hingezielt werden
muß, gerade diese Anteile zu kompensieren.
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Die durch die Erfindung erreichbaren Vorteile sind vielfältig: Neben
der soeben beschriebenen Unterdrückung oder Reduzierung stehender Schallwellen wird
ein Glätten des in den Leitungen befindlichen Gasstromes erreicht, so daß die insbesondere
bei schwachen Gebläsen durch Rückkopplung auftretenden Pulsationen der Förderleistung
mit den im Gefolge davon möglichen Verstärkungseffekten beseitigt werden.
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Weiter ist von entscheidender Bedeutung, das gegenüber den bisher
bekannten und im Stande der Technik beschriebenenen akustischen Abhilfemaßnahmen
erstmals eine von der Frequenz völlig unabhängige Dämpfung, also eine gleichzeitige
Dämpfung unterschiedlicher Wellenlängen erreicht werden kann. Die erfindungsgemäß
vorgeschlagene Anbringung eines Windrades im Gasstrom vereinigt auf ideale Weise
einerseits das Darbieten einer Reflexionsfläche und andererseits dem innerhalb der
Leitung sich fortbewegenden Gas einen minimalen Strömungswiderstand.
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Ein weiterer Vorzug ist darin zu sehen, daß sich derartige Windräder
sehr billig herstellen lassen, da bereits Blech als Material für die Schaufel verwendet
werden kann und zusätzlich der Einbau in die Leitung, vor allem auch nachträglich,
leicht durchführbar ist.
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Schließlich ist noch zu erwähnen, daß eine Wartung des erfindungsgemäßen
Windrades nicht erforderlich ist.
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In konkreter Ausgestaltung wird für das Windrad ein Langsamläufer
vorgeschlagen, der aus einem Axialrad mit einer größeren Anzahl an Schaufeln besteht,
die so bemessen sein sollten, daß sie in axialer Projektion möglichst geschlossen
wirken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Windrad freilaufend befestigt,
so daß zum einen weder eine Fremdenergiequelle notwendig ist, noch zum anderen ein
in aller Regel elektrischer und damit auch funkenerzeugender Antrieb eingesetzt
werden müßte, der einen Einbau in Gasleitungen mit brennbarem Medium verbieten würde.
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Weiter wurde von der Erfindung erkannt, daß durch mehrstufige Anordnungen
von Windrädern ein besonders gutes Dämpfungsresultat erzielt werden kann, da jede
Welle an jedem Windrad, also mehrfach, reflektiert wird.
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Grundsätzlich gilt, daß die hochfrequenten Schallschwingungen eine
Reflexion entsprechend den optischen Gesetzen erfahren, die niederfrequenten Schallschwingungen
jedoch an den Windrädern gebeugt werden.
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Die günstigsten Verhältnisse ergeben sich bei einer dreistufigen Anordnung,
wobei sich die Baulängen der einzelnen Räder verhalten wie l: 0,5 : 0,25, und die
Blatteinstellwinkel der beiden äußeren +30 Grad und der des inneren -30 Grad betragen.
Dabei ist unter Baulänge die Breite des Rades in axialer Richtung zu verstehen.
Bei dieser Anordnung tritt
neben einer guten Dämpfung niederfrequenter
Schwingungen eine totale Reflexion der hochfrequenten Anteile auf, d. h.
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ein Durchgang durch dieses mehrstufige Windradsystem findet nicht
statt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich
dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert ist.
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Sie zeigt als Prinzipskizze ein Rohr mit einem darin angeordneten
Windrad in perspektivischer Darstellung.
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In der Zeichnung ist eine als Rohr 1 ausgebildete und von einem gasförmigen
Medium beaufschlagte (die Strömungsrichtung erfolgt im gezeigten Beispiel entsprechend
den Pfeilen 2 von links nach rechts) Leitung dargestellt. Etwa in der Mitte des
Rohres 1 ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit ein einziges Windrad 3 befestigt,
so daß es sich um eine einstufige Anlage handelt.
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Das Windrad 3 selbst ist als Axialrad ausgebildet und es besteht in
seinem grundsätzlichlen Aufbau aus einer Radnabe 4, auf der eine größere nach außen
weisende Anzahl an Schaufeln 5 befestigt ist. Die Länge jeder dieser Schaufeln 5
ist so bemessen, daß sie in einem gewissen Abstand vor den Innenwandungen des Rohres
1 enden und die Drehachse der Radnabe 4 mit der Achse des Rohres 1 zusammenfällt.
Die Befestigung des Windrades
3 erfolgt über an den Innenwänden
des Rohres 1 befestigte Stege 6, die sternförmig im Bereich der Radnabe 4 zusammenlaufen
und diese festlegen.
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Hinzuweisen ist noch darauf, daß die Zahl der eingezeichneten Schaufeln
aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung bewußt niedriger gehalten als
in den überwiegenden Fällen der späteren technischen Realisierung.
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Die Funktion des Windrades 3 ist wie folgt: Es wird in der durch die
Pfeile 2 definierten Richtung mit dem gasförmigen Medium beaufschlagt, so daß es
sich in Bewegung setzt und ohne nennenswerte Energie aufzunehmen und insbesonder
abzugeben im Gasstrom mitbewegt. Treffen nun in Richtung des Rohres 1 laufende Schallwellen
auf das Windrad 3 auf, werden sie in Abhängigkeit von der Zahl und Größe der Schaufel
5 mehr oder weniger stark reflektiert und an der weiteren Ausbreitung gehindert.
Hieraus ergibt sich, daß eine Überlagerung insbesondere langwelliger Druckwellen
aus dem Infraschallbereich und demzufolge die Ausbildung stehender Wellen mit diesen
Wellenlängen nicht mehr zustande kommen kann. Es liegt ohne weiteres im Bereich
des Durchschnittskönnen des Fachmannes Zahl und Anbringungsort der Windräder 3 innerhalb
des Rohres zur Beseitigung von stehenden Wellen bestimmter Frequenz festzulegen.
Dabei ist als besonderer Vorteil anzusehen, daß gerade bei Druckschwin-
gungen
mit größter Wellenlänge die Anbringung bereits eines einzigen Windrades 3 zum gewünschten
Erfolg führt.
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Im Ergebnis gibt die Erfindung eine insbesondere auch nachträglich
realisierbare Möglichkeit zur Beseitigung oder zumindest Unterdrückung von Schallwellen
in von gasförmigen Medien durchflossenen Leitungen an.
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