DE3436320A1 - Method and means for suppressing standing waves in conduction systems - Google Patents

Abstract

The inventnion specifies a method and means for suppressing standing waves in conduits charged with gaseous media, it being proposed to fix a wind wheel 3 in the conduits. <IMAGE>

Description

Verfahren und Vorrichtung zur UnterdrückungMethod and apparatus for suppression

stehender Wellen in Leitungssystemen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Unterdrückung stehender Wellen in mit gasförmigen Medien beaufschlagten Leitungen sowie zugehörige Vorrichtungen.standing waves in pipe systems The invention relates to a method for suppressing standing waves in exposed to gaseous media Lines and associated devices.

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.In technical systems of the most varied of types, gas is applied Lines used. For example, blast furnace processes are used to improve the efficiency and to reduce the iron, larger amounts of air are introduced, the beforehand to avoid energy losses and consequently to cool down the blast furnace even be heated to approx. 1000 degrees Celsius. This is done by means of so-called Regenerative process in which the heater is generated by burning an air-gas mixture heated and then the heating of the air to be supplied to the blast furnace by Introduction of outside air is made in the opposite direction.

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.This means that the phases of heating up the heater alternate with those the passage of the outside air to be heated. Experience has shown that especially during the heating phases in the boiler and the pipe systems through interaction and a complicated coupling of fluidic, combustion and acoustic influences pressure oscillations in the form of standing waves on, in particular their proportions with large amplitudes and low frequencies to a considerable impairment of the load capacity of the system up to severe Cause damage. In order to reduce such influences it is known to use the burner to achieve a fluidically stable combustion in its design to optimize, provide acoustic measures to prevent feedback, Combustion chamber and supply systems with sound-absorbing lining and with to equip damping flow resistances and finally the natural frequencies to move by changing the length. All of these measures mean substantial Additional costs and are only with great difficulty in existing systems and possibly no longer installable at all. In the event of subsequent remedial action therefore usually acoustically effective components such. B. Helmholtz resonators, Branch lines, interference filters or mechanical counter-oscillators ("pump piston oscillators") used. A fundamental disadvantage of all these measures is to be seen that their Effectiveness is only given for certain frequencies and possibly even at minor deviations from this lead to amplification of the pulsations.

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.The ones just described in connection with boiler systems Appearances also occur in many other areas of technology, for example when transporting natural gas in pipelines where there is between each pumping station standing waves form that lead to impairments up to serious damage.

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.In order to avoid these difficulties, one is in the The Soviet Union switched to the gas before being transported by supercooling in the to transfer liquid aggregate state, since these phenomena then no longer may occur.

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.Based on this, the invention has set itself the task of lines exposed to gaseous media the formation of standing waves, especially through remedial measures that can be installed at a later date or eliminate it entirely.

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.This object is achieved according to the invention in that in the lines a wind turbine is attached. The cross-section is within the scope of the invention the lines basically free, so that in particular pipes, d. H.

kreisförmige Querschnitte umfaßt sind.circular cross-sections are included.

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.In the context of the invention, the term “wind turbine” is an axial wheel to understand with shovels. It is in the stream of the conduit itself moving gaseous medium and it neither adds nor removes work, takes so no active influence on the flow, so this is an impeller acts. Basically, for physical reasons, a standing wave can be represented is due to the superposition and interference of two waves, the same Amplitude, same wavelength, but with opposite direction of propagation.

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.One of the basic ideas of the present invention is the attachment of the Wind turbine, so that the propagation of sound waves and it follows that the formation of standing waves is also greatly reduced. starting point of the sound waves are primarily the burner in the case of the wind heater systems and in the case of natural gas pipelines, the spaced pumping stations.

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.Due to the pressure fluctuations of the gaseous medium takes place in all Usually there is a feedback with the associated conveying devices in the sense that that the delivery rate provided, for example, by a propeller through the existing pressure vibrations are influenced and thereby intensified. So effect In the case of the wind heater systems, the pulsations in the supply lines are a pulsation the flame and thus a renewed emission of sound waves of the same frequency.

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.Eliminating this feedback is another essential Purpose of the invention. Basically, especially the low-frequency ones Components, i.e. those with long wavelengths, have a particularly high level of stability affect and cause damage so that are aimed at must to compensate precisely for these proportions.

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.The advantages that can be achieved by the invention are manifold: Besides the suppression or reduction of standing sound waves just described a smoothing of the gas flow in the lines is achieved, so that the particular with weak fans, pulsations in the delivery rate that occur due to feedback with the possible reinforcement effects as a result.

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.Next is of crucial importance compared to the previous one acoustic remedies known and described in the prior art For the first time, damping that is completely independent of the frequency, i.e. simultaneous Attenuation of different wavelengths can be achieved. According to the invention proposed installation of a wind turbine in the gas stream combined in an ideal way on the one hand the presentation of a reflection surface and on the other hand that within the Conduction of moving gas has minimal flow resistance.

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.Another advantage is to be seen in the fact that such wind turbines Can be produced very cheaply, since sheet metal is already used as the material for the shovel and the installation in the line, especially afterwards, is easy to do.

Schließlich ist noch zu erwähnen, daß eine Wartung des erfindungsgemäßen Windrades nicht erforderlich ist.Finally it should be mentioned that a maintenance of the invention Wind turbine is not required.

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.In a specific embodiment, the wind turbine is a slow runner proposed, which consists of an axial wheel with a larger number of blades, which should be dimensioned so that they are as closed as possible in axial projection works.

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.In a preferred embodiment, the wind turbine is attached so that it runs freely, so that on the one hand neither an external energy source is necessary, nor on the other hand usually electrical and thus also spark-generating drives are used would have to be, which would prohibit installation in gas pipes with a flammable medium.

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.It was also recognized by the invention that through multi-stage arrangements a particularly good damping result can be achieved by wind turbines, since each Wave is reflected at each wind turbine, i.e. multiple times.

Grundsätzlich gilt, daß die hochfrequenten Schallschwingungen eine Reflexion entsprechend den optischen Gesetzen erfahren, die niederfrequenten Schallschwingungen jedoch an den Windrädern gebeugt werden.Basically, the high-frequency sound vibrations are a Experience reflection according to the laws of optics, the low-frequency sound vibrations however, they can be bent at the windmills.

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.The most favorable conditions result from a three-stage arrangement, whereby the overall lengths of the individual wheels behave like l: 0.5: 0.25, and the Blade angle of the two outer +30 degrees and that of the inner -30 degrees. The overall length is to be understood as the width of the wheel in the axial direction. With this arrangement occurs in addition to good attenuation, lower frequencies Vibrations result in a total reflection of the high-frequency components, d. H.

ein Durchgang durch dieses mehrstufige Windradsystem findet nicht statt.there is no passage through this multi-stage wind turbine system instead of.

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.Further details, features and advantages of the invention can be found refer to the following part of the description, in which an embodiment of the Invention is explained in more detail with reference to the drawing.

Sie zeigt als Prinzipskizze ein Rohr mit einem darin angeordneten Windrad in perspektivischer Darstellung.It shows a schematic diagram of a pipe with one arranged in it Wind turbine in perspective.

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.In the drawing is designed as a tube 1 and from a gaseous Medium acted upon (the direction of flow takes place accordingly in the example shown the arrows 2 from left to right) line shown. Around the middle of the Tube 1, a single wind turbine 3 is attached without restricting the general public, so that it is a single-stage system.

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.The wind turbine 3 itself is designed as an axial wheel and consists of its basic structure of a wheel hub 4, on which a larger one to the outside pointing number of blades 5 is attached. The length of each of these blades 5 is dimensioned so that it is at a certain distance from the inner walls of the pipe 1 end and the axis of rotation of the wheel hub 4 coincides with the axis of the tube 1. The attachment of the wind turbine 3 takes place over on the inner walls of the tube 1 fastened webs 6, which converge in a star shape in the area of the wheel hub 4 and define them.

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.It should also be noted that the number of blades drawn for the sake of clarity of the presentation deliberately kept lower than in the majority of cases of later technical implementation.

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.The function of the wind turbine 3 is as follows: It is in the by the Arrows 2 defined direction acted upon by the gaseous medium so that it sets itself in motion and without absorbing any significant energy, and in particular dispense in the gas flow. Now hit sound waves running in the direction of the pipe 1 on the wind turbine 3, they are depending on the number and size of the blade 5 more or less strongly reflected and prevented from further spreading. It follows from this that a superposition in particular of long-wave pressure waves from the infrasound range and consequently the formation of standing waves with them Wavelengths can no longer come about. It is easily within the range the average person skilled in the number and location of the wind turbines 3 within of the pipe to eliminate standing waves of a certain frequency. It is to be regarded as a particular advantage that especially with pressure worked with the greatest wavelength the attachment of a single wind turbine 3 to the desired one Success leads.

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.As a result, the invention provides a particularly retrospective realizable possibility of eliminating or at least suppressing sound waves in lines through which gaseous media flow.

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Claims (6)

ANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Unterdrückung stehender Wellen in mit gasförmigen Medien beaufschlagten Leitungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in den Leitungen ein Windrad 3 befestigt wird. CLAIMS 1. Standing wave suppression method in with Lines exposed to gaseous media, d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that a wind turbine 3 is attached in the lines. 2. Rohr zur Verwendung gemäß Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß innerhalb des Rohres 1 ein Windrad 3 befestigt ist.2. Tube for use according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a wind turbine 3 is attached within the tube 1. 3. Rohr nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Windrad 3 ein Axialrad mit einer größeren Anzahl an Schaufeln 5 ist, deren axiale Projektion möglichst geschlossen ist.3. Pipe according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the wind turbine 3 is an axial wheel with a larger number of blades 5, whose axial projection is as closed as possible. 4. Rohr nach Anspruch 2 oder 3, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h ein freilaufendes Windrad 3.4. Tube according to claim 2 or 3, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h a free-running wind turbine 3. 5. Rohr nach einem der Ansprüche 2 - 4, g ekennzeichnet durch mehrstufig angeordnete Windräder 3.5. Tube according to one of claims 2-4, characterized by multi-stage arranged wind turbines 3. 6. Rohr nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c net durch drei Windräder 3 mit einem Blattanstellwinkel der äußeren von +30 Grad und des inneren von -30 Grad sowie einem Verhältnis der jeweiligen Baulängen von 1 : 0,5 : 0,25.6. Pipe according to claim 5, g e k e n n z e i c net by three wind turbines 3 with a blade angle of attack the outer of +30 degrees and des inner of -30 degrees as well as a ratio of the respective overall lengths of 1: 0.5 : 0.25.