ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7172| Title: | Розробка заходів для зниження шуму, генерованого паровими струменями на ТЕЦ |
| Authors: | Плахотний, Олександр Петрович Романов, Максим Михайлович |
| Keywords: | ТЕЦ;шум |
| Issue Date: | 30-Jan-2026 |
| Abstract: | Метою дослідження є випромінювання шуму паровими струменями різних параметрів на ТЕЦ і розробка заходів щодо його зниження. Для досягнення поставленої мети були проставлені такі завдання: - розробити математичну модель парового викиду в програмному комплексі Ansys Fluent і провести її верифікацію; - провести обчислювані експеременти по моделюванню парового струменя при різних режимах витікання; - визначити область утворення шуму паровим струменем за різних режимів витікання; - запропонувати метод визначення акустичного центру парового викиду; - розглянути особливості поширення шуму від парових викидів в умовах житлової забудови за допомогою моделей у програмі Predictor;[39,40,50] - визначити вплив кліматичних чинників (температури і вологості атмосферного повітря) на рівень необхідного зниження шуму парових викидів протягом року; - запропонувати на ТЕЦ оригінальну конструкцію парового глушника для зниження шуму. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7172 |
| Appears in Collections: | 144 Теплоенергетика (Теплоенергетика) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Записка_до_МР.pdf Restricted Access | 3.18 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
Завідувач кафедри Енерготехнологій
_______________ ( )
“___” ___ 20 р.
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
на тему:
Розробка заходів для зниження шуму, генерованого паровими струменями на
ТЕЦ
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
код роботи МКР ХХ.144.ХХ ПЗ
Спеціальність 144 - Теплоенергетика
Виконавець роботи:
________________________Романов_Максим_Михайлович________________
__________________________________________________________________
(підпис, дата)
Науковий керівник:
________________д.т.н.,проф._Плахотний_Олександр_Петрович
__________________________________________________________________
(підпис, дата)
Рецензент:
__________________________________________________________________
(підпис, дата)
Черкаси, 2025р
3
ЗМІСТ
Вступ……………………………………………………………………………...4
Розділ 1. Математичне моделювання парових струменів…………………7
1.1. Механізми генерації шуму паровими струменями……………………...7
1.2. Вибір моделі турбулентності……………………………………………..11
1.3. Опис математичної моделі………………………………………………..14
1.4. Результати математичного моделювання ()……………………………...18
Глава 2 . Метод визначення акустичного центру парового викиду…….24
2.1. Метод визначення акустичного центру джерела шуму………………...24
2.2. Обмеження методу визначення акустичного центру джерела шуму….26
2.3. Застосування методу визначення акустичного центру джерела шуму..30
2.4. Оцінка похибки визначення акустичного центру джерела шуму……..35
Глава 3. Поширення шуму від парових викидів в умовах житлової
забудови………………………………………………………………………….39
3.1. Модель для аналізу особливостей поширення шуму від парових викидів
в умовах житлової забудови………………………………………………….39
3.2. Результати розрахунків поширення шуму від парових викидів в умовах
житлової забудови…………………………………………………………….39
Глава 4. Вплив кліматичних чинників і поверхні землі на визначення
необхідного зниження шуму
48
4.1. Визначення загасання звуку внаслідок поглинання атмосферою……..48
4.2. Зміна рівнів звукового тиску в розрахунковій точці протягом
року внаслідок впливу регіональних кліматичних чинників………………53
4.3. Вплив поверхні землі на зміну рівнів звукового тиску
у розрахунковій точці…………………………………………………………56
Глава 5. Зниження шуму парових викидів глушниками………………….61
5.1. Боротьба з шумом парових викидів……………………………………61
4
5.2. Оцінювання похибки визначення акустичної ефективності
парового глушника……………………………………………………………65
5.3.Конституції
глушників………………………………………………………….......................67
Розділ 6.Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях..................71
Висновок ........................................................................................................................
Список літератури .......................................................................................................
Додадтки ……………………………………………………………………………….
5
ВСТУП
Теплова електроцентраль (ТЕЦ) здійснює комплексний вплив на
навколишнє середовище. Одним із факторів фізичного впливу ТЕЦ є шум.
У літературі описуються такі аспекти впливу шуму на людину:
соціальний, медичний та економічний [3, 21, 28].
Соціальний аспект впливу шуму полягає в тому, що в сучасних
великих містах під впливом шуму опиняються великі групи людей і
близько 60% населення проживає в умовах акустичного дискомфорту. На
мою думку шум перешкоджає спілкуванню людей, збіднює життя і
знижує нормальну активність людини [19, 46].
Медичний аспект впливу шуму пов'язаний із впливом на нервову і
серцево-судинну системи, зміною функціонального стану людини,
внаслідок чого виникає роздратування, стомлення, агресивність, ураження
органів слуху тощо. Захворювання, пов'язані з впливом шуму, посідають
перші місця серед професійних хвороб в енергетиці. В Україні їхня частка
становить більш ніж 25% загальної кількості професійних захворювань
[38].
Економічний аспект зумовлюється впливом шуму на продуктивність
праці. За рівнів шуму понад 80 дБА кожне збільшення на 1-2 дБА
спричиняє зниження продуктивності праці не менше ніж на 1%.
Економічні втрати від підвищеного шуму в розвинених країнах сягають
десятків мільярдів доларів на рік [21]. Конкурентоспроможність машин
чималою мірою визначається їхнім рівнем шуму. Але що менший шум
машини, агрегату, установки, то, як правило, вона дорожча - зниження
шуму на один децибел забезпечує підвищення вартості виробу, що
продається, на 1% [19, 21].
Актуальність теми дослідження. Викиди пари в атмосферу на ТЕЦ є
найінтенсивнішими джерелами шумового впливу на навколишнє
середовище. Зазвичай викиди пари обумовлюються технологічною
необхідністю і пов'язані із забезпеченням нормальної безаварійної роботи
основного і допоміжного обладнання електричних станцій. Викиди пари
6
мають місце під час:
-роботі редукційно-охолоджувальних установок і швидкодіючих
редукційно-охолоджувальних установок;
- парокисневе очищення внутрішніх поверхонь котлів;
- продувках ліній турбін;
- роботі парових ежекторів;
- продувках пароперегрівачів енергетичних котлів;
- розпалювання котлів;
- спрацьовуванні головних запобіжних клапанів і клапанів проміжного
перегріву пари та інших випадках.
Вимірювання рівнів звукового тиску свідчать, що за викидів пари з
надлишковим тиском на зрізі вихлопного трубопроводу рівні шуму на
відстані 15 м від вихлопу перевищують поріг початку незворотних змін в
організмі людини, який становить 130 дБА ,а рівні шуму за викидів пари
з атмосферним тиском на зрізі вихлопного трубопроводу суттєво
перевищують допустимі норми у 80 дБА для території підприємств [28].
У великих містах для забезпечення населення теплом
(опалення,гаряче водопостачання, вентиляція) використовуються
теплоелектроцентралі (ТЕЦ), які розташовують у безпосередній
близькості від житлових районів, тому викиди пари навіть з атмосферним
тиском на зрізі вихлопного трубопроводу зазвичай призводять до
перевищення санітарних норм за фактором шуму на території прилеглої
житлової забудови [35, 29]. Крім того, вихлопи пари найчастіше виводять
на дах котлотурбінного відділення на позначці 30-60 м над рівнем землі,
внаслідок чого шум від них безперешкодно поширюється в
навколишньому просторі, на відміну від шуму джерел, які перебувають на
рівні землі, вплив яких послаблюється завдяки природним (рельєф
місцевості) і штучним перешкодам. Висока інтенсивність шуму,
випромінювання шуму з висоти, безпосереднє прилягання житлових
забудов до території ТЕЦ є факторами, що визначають найбільший
7
шумовий вплив викидів пари на навколишнє середовище порівняно з
іншими джерелами. [35, 29]
Рівні звукового тиску та рівні звуку унаслідок викиду пари на ТЕЦ
не повинні перевищувати допустимих значень [46, 48], тому дослідження
випромінювання шуму паровими струменями різних параметрів на ТЕЦ і
розробка заходів щодо його зниження є актуальною темою дослідження.
Метою дослідження є випромінювання шуму паровими струменями
різних параметрів на ТЕЦ і розробка заходів щодо його зниження.
Для досягнення поставленої мети були проставлені такі завдання:
- розробити математичну модель парового викиду в програмному комплексі
Ansys Fluent і провести її верифікацію;
- провести обчислювані експеременти по моделюванню парового струменя при
різних режимах витікання;
- визначити область утворення шуму паровим струменем за різних режимів
витікання;
- запропонувати метод визначення акустичного центру парового викиду;
- розглянути особливості поширення шуму від парових викидів в умовах
житлової забудови за допомогою моделей у програмі Predictor;[39,40,50]
- визначити вплив кліматичних чинників (температури і вологості атмосферного
повітря) на рівень необхідного зниження шуму парових викидів протягом року;
- запропонувати на ТЕЦ оригінальну конструкцію парового глушника для
зниження шуму.
Методи дослідження: Під час проведення дослідження
використовували експериментальні (вимірювання рівнів звуку та рівнів
звукового тиску) і розрахункові (моделювання витікань парових
струменів у програмному комплексі Ansys Fluent, моделювання
поширення шуму на місцевості в програмі Predictor) методи, які мають
своєю базою теорію турбулентних течій та теорію загасання звуку при
поширенні на місцевості.
8
ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПАРОВИХ
СТРУМЕНІВ
1.1. Механізми генерації шуму паровими струменями
Питаннями боротьби з шумом і вивченням процесів генерації та
поширення звуку займалися багато вчених, серед яких Лайтхілл Дж.,
Абракітов В. Е. та інші. У фундаментальній праці дається введення в
теорію хвиль у рідких середовищах, аналізуються чотири характерні типи
хвиль у рідині (звукові хвилі, одновимірні хвилі в рідині, хвилі на воді та
внутрішні хвилі) [1, 3].
Вивчення механізмів генерації шуму струменями було розпочато
наприкінці 1940-х років, і було переважно пов'язане з дослідженнями
повітряних струменів і струменів вихлопних газів літальних апаратів [2, 5,
6]. У кваліфікаційній роботі розглядаються тільки парові струмені з
надзвуковим витіканням пари.
У цій роботі було досліджено механізми генерації шуму паровим
струменем за різних режимів:
- дозвуковому (число Маха M<1, n = 1);
- надзвуковому (M> 1, n> 1);
- навколозвуковому (трансзвуковому) (M≈ 1, n ≈ 1),
де n= pк /pкa - ступінь нерозрахунковості (pк , pa - відповідно тиск на зрізі
труби й атмосферний);
M=uc /c0 - число Маха (uc - швидкість витікання струменя, c0 - швидкість
звуку в середовищі).
Режим витікання залежить від витрати скидної пари G0 , параметрів
пари за клапаном (тиску ркл і температури tкл ), а також внутрішнього
діаметра вихлопного трубопроводу dвн , що визначає площу прохідного
перерізу Sтр.
Загальний рівень звукової потужності парового струменя складається
з шуму, що утворюється завдяки дроселюванню в клапані, і шуму самого
9
парового струменя. Залежно від режиму витікання один із двох
механізмів шумоутворення може ставати домінуючим.
За надзвукового режиму витікання струмінь, що витікає з
трубопроводу, з надлишковим тиском починає розширюватися і
перерозширюватися, внаслідок чого відбувається збільшення швидкості
пари до надзвукових значень. На початковій ділянці виникає одна "бочка",
що має висячий, косий стрибок ущільнення і диск Маха. За диском Маха
тиск дещо збільшується, а потім стає практично рівним атмосферному
тиску і струмінь стає ізобаричним. Активне змішання починається після
ізобаричного перерізу, де утворюються когерентні структури. Основною
ділянкою шумоутворення струменя є зона змішування. Шум на ділянці
струменя від зрізу трубопроводу до ізобаричного перерізу включно
практично не виникає [4]. Розрахунок загального рівня звукової
потужності, дБ, недорозширених турбулентних струменів пари і газу
виконується [4,19, 28]:
де G0 - витрата середовища в ізобаричному перерізі, кг/с;
Sтр - площа скидного каналу, м 2
K(wкр ) - коефіцієнт, що залежить від критичної швидкості витікання wкр ;
K(n) - коефіцієнт, що залежить від ступеня нерозрахунковості n струменя.
У разі витікання дозвукового струменя шумом, що генерується
струменем, можна знехтувати. Загальний рівень шуму дозвукового струменя
зазвичай на 20-30 дБ нижчий за загальний рівень шуму, що генерується в
клапані під час дроселювання потоку, з урахуванням зниження в тракті
вихлопного трубопроводу. Загальний рівень шуму, дБ дозвукового струменя
розраховується за формулою [19, 28]:
LW = 80 lg wc + 10 lg S (2)
тр + 20 lg ρc + LW0 ,
10
де wc - швидкість витікання струменя, м/с;
ρc - густина основного струменя, кг/м3
LW0 - поправка, що залежить від температури струменя, дБ.
Рівень звукової потужності, дБ клапана залежить від його типу, перепаду
тисків, витрати і може бути розрахований за такою формулою [19, 21]:
LW = LWT + 10 lg q + 10 lg c + 10 lg ρ - 30 , (3)
де LWT - поправка, що залежить від конструкції клапана і тиску середовища
перед ним;
q - витрата середовища, м3/год
c - швидкість звуку в клапані, м/с;
ρ - густина середовища в трубопроводі до клапана, кг/м3
Для вивчення затоплених парових струменів - турбулентних струменів пари, що
поширюються в середовищі, яке перебуває в стані спокою, існує можливість
використовувати методи фізичного і математичного моделювання. Фізичне
моделювання важко здійснити в рамках звичайного виробничого експерименту,
тому що для моделювання різних режимів витікання виникає необхідність
зміни витрати і тиску скинутої пари. Крім того, знадобиться встановлення
додаткових приладів і апаратури. Нині для вивчення процесів гідро- та
аеродинаміки частіше вдаються до математичного моделювання за допомогою
методу скінченно-елементного аналізу, суттю якого є розбиття розрахункової
області на окремі елементи (обсяги), при цьому з'являється можливість знайти
рішення системи диференціальних рівнянь для окремого елемента шляхом
приведення їх до системи лінійних алгебраїчних рівнянь.
Витікання турбулентного струменя пари в атмосферу супроводжується
утворенням когерентних структур - вихорів, які є причиною утворення і
випромінювання шуму. У турбулентному потоці великі вихори відбирають
енергію в течії та зберігають її певний час, поки вона не перейде до дрібних
11
вихорів, які розсіюють кінетичну енергію на тепло. Основний механізм, що
відповідає за розподіл енергії турбулентного потоку, пов'язаний з
розтягуванням вихорів [54]. У цьому процесі їхня кінетична енергія
обертального руху збільшується, а розмір зменшується. Збільшення місцевих
швидкостей деформацій стимулює розтягнення інших вихорів, запускаючи тим
самим каскадний процес інтенсифікації руху з поступовою редукцією
масштабів вихорів, які зазнали розтягування. Опис цього процесу належить Л.
Річардсону [60]. Каскадний процес передання енергії в турбулентному потоці,
що використовує уявлення про існування ієрархії вихорів різного масштабу,
завершується на найдрібніших дрібномасштабних структурах в'язкою
дисипацією кінетичної енергії в тепло. На практиці можливі різні режими
витікання парових струменів в атмосферу - дозвуковий, навколозвуковий і
надзвуковий, які розрізняються механізмами генерації та випромінювання
шуму від струменів. Шум викиду пари за швидкості струменя, нижчої за
критичну, виникає в клапані за рахунок дроселювання, при цьому шумом
безпосередньо самого струменя можна знехтувати. За критичної швидкості
витікання і повного тиску пари на зрізі вихлопного трубопроводу, вищого за
атмосферний, основний внесок у випромінювання шуму вносить процес
змішання пари з атмосферним повітрям, водночас шумом, що утворюється в
клапані, можна знехтувати. За перехідних режимів витікання від дозвукового
до надзвукового звукова потужність шуму, що генерується в клапані й
утворюється завдяки виникненню когерентних структур, стає порівнянною, і
потрібне врахування обох механізмів шумоутворення.
Таким чином, під час вивчення механізмів генерації шуму паровими
струменями, основне завдання полягає в моделюванні вихрових структур у разі
різних режимів витікання потоку пари - дозвукового, навколозвукового
(трансзвукового) і надзвукового. Картини вихрових структур, що виникають у
струмені, дадуть змогу якісно оцінити звукову потужність парового струменя і
виділити ділянки струменя, на яких відбувається найбільш інтенсивне
шумоутворення. Нові результати математичного моделювання дозволять:
12
1. Коректно виконувати розрахунки рівня звуку та рівня звукового тиску
на заданій відстані від парового викиду;
2. Здійснювати ефективні заходи щодо шумоглушіння.
13
1.2. Вибір моделі турбулентності
Рух потоку пари може бути описано за допомогою системи
диференційних рівнянь Нав’є-Стокса [10,12]:
������ ������ ������ ������ ����
�� ( + ���� +���� +�� 2
���� ���� ���� �� ) = ����
���� �� − + ���� ����,
����
������ ������ ������ ������ ����
�� ( + �� +�� +�� ) = ���� − + ����2�� ,
���� �� ���� �� ���� �� ���� �� ���� ��
������ ������ ������ ������ ����
�� ( + �� 2
{ ���� �� +���� +���� ) = ������ − + ���� ����;���� ���� ���� ����
Права частина рівнянь відображає собою дію сил, що зумовлюють
рух:
ρg – сили тяжіння викликають вільну конвекцію, зміна по координатам
тиску p спричиняє направлений рух речовини, доданок ����2���� описує
сили тертя всередині рухомої речовини (дисипацію кінетичної енергії).
Рівняння суцільності потоку речовини виводиться на основі закону
про збереження маси і мають вигляд:
���� ��(������) ��(������) ��(������)
+ + + = 0
���� ���� ���� ����
де ρ [кг/м3] – густина речовини, gx, gy, gz [м
2/с] – проекції на координатні
осі прискорення сили тяжіння, p [Па] – тиск, µ [Па∙с] – коефіцієнт
динамічної в’язкості речовини.
Для моделювання затопленого парового струменя використовували
програму Ansys Fluent (розробник ANSYS Inc.), яка дає змогу
розраховувати такі основні моделі турбулентності [43]:
1. Модель Спаларта-Аллмараса (Spalart-Allmaras).
2. Стандартна k-ε модель.
3. Модифікована k-ε модель.
4. k-ε модель на основі ренормалізованих груп (Renormalization Group, RNG).
5. k-ω моделі (k-ω модель Вілкокса, k-ω модель Ментера).
6. Модель Рейнольдсових напружень.
14
7. Спільне моделювання великих вихорів (Large-Eddy Simulation, LES) із
застосуванням усереднення за Рейнольдсом рівнянь Нав'є-Стокса.
Розв'язання осереднених за Рейнольдсом рівнянь Нав'є-Стокса,
замкнутих за допомогою тієї чи іншої напівемпіричної моделі
турбулентності, виявляється неефективним під час моделювання
турбулентних течій із нестаціонарними великомасштабними вихровими
структурами. Збільшені можливості обчислювальної техніки змусили
змінити оцінку застосовності класичної теорії турбулентності.
Зростання ресурсів обчислювальної техніки позначило інтерес до
методів прямого чисельного моделювання (Direct Numerical Simulation,
DNS) турбулентних течій на основі повних рівнянь Нав'є-Стокса. Однак,
за оцінками експертів, можливість застосування DNS для розв'язання
прикладних задач буде досягнута тільки до 2080 року.
Обмеженість DNS стала стимулом для розвитку іншого напряму -
методу моделювання великих вихорів (LES) [8, 9, 11, 59]. Основна ідея LES
полягає у формальному математичному поділі великих і дрібних вихрових
структур, що дає змогу розв'язати великі масштаби турбулентності
безпосереднім розв'язуванням рівнянь Нав'є-Стокса (масштаби, що містять
у собі більшу частину кінетичної енергії турбулентності та відповідають за
більшу частину перенесення імпульсів і скалярних величин), а
моделювання здійснюють лише в царині малих масштабів [59, 61]. Ця
особливість є принциповою відмінністю методу LES від RANS-моделей
турбулентності, де всі турбулентні масштаби моделюються із
застосуванням однієї і тієї ж гіпотези. Таким чином, метод LES має
потенціал для отримання більш достовірних результатів[14, 15, 61], ніж
методи RANS. Однак метод LES більш вимогливий до розрахункової сітки,
установок розв'язувача, граничних умов порівняно з RANS-моделями.
Метод LES посідає проміжне положення між DNS і RANS в області частки
розв'язних масштабів вихорів. Метод LES є переважним для моделювання
парових струменів, оскільки:
- перенесення енергії та маси здійснюється переважно великими вихорами;
15
- утворення великих вихорів істотно залежить від розв'язуваної задачі,
геометричних характеристик і граничних умов;
- дрібні вихрові структури менш залежать від геометрії моделі, більш
однорідні і,як наслідок, більш універсальні;
- імовірність коректного розв'язання за допомогою універсальних моделей
багато більша для дрібних вихрових структур.
Метод моделювання LES реалізовано в програмах Ansys Fluent, XFlow
,тощо [43, 61,16].
16
1.3. Опис математичної моделі
Для вивчення процесів шумоутворення внаслідок генерації
когерентних структур змоделювали затоплений паровий струмінь, що
скидається в атмосферу.
1. Граничні умови.
Вхідні межі - струмінь спливає з кінцевої ділянки трубопроводу
завдовжки 0,5 м із внутрішнім діаметром dвн =0,257 м, температурою пари
tк =396-505°С та різними ступенями нерозрахунковини n від 1 до 8,2.
Витрату вибирали від 5 до 90 кг/с, що відповідає трьом режимам витікання
- дозвуковому, трансзвуковому і надзвуковому.
Вихідні межі - тиск за зрізом вихлопного трубопроводу приймали
рівним одній стандартній атмосфері - 101 325 Па.
2. Розрахункова сітка.
Розрахунок проводили на структурованій сітці, представленій на
малюнку 1, що складається з шестигранних елементів. Моделювалася
ділянка простору у вигляді циліндра діаметром 4 м і довжиною 5 м. Сітка
містить 4 928 861 елемент. Розміри розрахункових елементів варіюються
від 3-10 мм у ділянці, яку займає струмінь, до 50 мм далеко від потоку пари.
17
Малюнок 1 - Розрахункова сітка моделі в площині, що проходить через
вісь струменя
3. Крок за часом.
Крок за часом визначає стійкість розв'язку, а кількість кроків
обирають виходячи з тієї умови, щоб потік пари до переривання процесу
моделювання кілька разів перетнув розрахункову область. Кроки за часом
вибирали меншими за час існування великих вихорів. За обраних кроків за
часом кількість разів перетину потоком розрахункової області становила:
- при витраті пари G = 5 кг (дозвуковий режим) - 10 разів;
с
- при витраті пари G = 10 кг (навколозвуковий режим) - 7 разів;
с
- при витраті пари G=20 кг (надзвуковий режим) - 14 разів;
с
- при витраті пари G =41,2 кг (надзвуковий режим) - 12 разів;
с
18
4. Загальні налаштування.
При моделюванні пар і атмосферне повітря розглядалися як в'язкі
стисливі рідини. За хімічним складом пару приймали такою, що
складається на 100% з молекул H2 O, а повітря - на 79% з молекул N2 і на
21% з молекул O2.
Для моделювання турбулентності використовували метод LES.
Раніше були отримані результати при моделюванні парового струменя в
стаціонарному режимі. Однак, вихори в затопленому струмені з часу свого
утворення взаємодіють один з одним і потім руйнуються, при цьому їхнє
місце розташування змінюється, виникає необхідність моделювання
витікання пари в нестаціонарному режимі. Необхідність розв'язання задачі
в нестаціонарній постановці також випливає, виходячи з визначення
турбулентності [8, 54]:
" Т ур б ул е нт н і с т ь - це тривимірний нестаціонарний рух, у якому
внаслідок розтягування вихорів створюється безперервний розподіл
пульсацій швидкості в інтервалі довжин хвиль від мінімальних,
обумовлених в'язкими силами, до максимальних, обумовлених
граничними умовами течії. Вона є звичайним станом рухомої рідини, за
винятком течій за малих чисел Рейнольдса".
Розв'язання задачі в стаціонарній постановці дає змогу фіксувати
регулярні структури, що виникають у потоці, як-от стрибки ущільнення
(див. малюнок 2а). Відмінність у результатах під час моделювання в
стаціонарному і нестаціонарному режимі показано на малюнках 2а і 2б.
Основною ділянкою шумоутворення є зона змішання після ізобаричного
перерізу, в якій виникають когерентні структури. Моделювання в
стаціонарному режимі (малюнок 2а) не дає змоги простежити утворення
когерентних структур.
Моделювання процесів витікання пари в нестаціонарному режимі
(малюнок 2б) дає змогу простежити не тільки регулярні, а й когерентні
структури і в такий спосіб найповніше описати процеси шумоутворення.
19
регулярні
структури
а)
когерентні
регулярні структури
структури
б)
Малюнок 2 - Результати моделювання поля швидкостей у затопленому
паровому струмені (G=20 кг/с, M=1, n=1,9) залежно від режиму: а -
стаціонарний; б – нестаціонарний
Обраний метод моделювання турбулентності LES є принципово
тривимірним і нестаціонарним.
20
1.4. Результати математичного моделювання (по
літературному огляду)
Результати математичного моделювання викиду парового струменя в
атмосферу наведено на малюнках 3-7 [43, 61].
Шум, що випромінюється паровим струменем, складається з шуму,
що утворюється в запобіжному клапані внаслідок дроселювання потоку, і
шуму безпосередньо самого струменя [2, 3]. Залежно від режиму
витікання, один із двох механізмів шумоутворення може ставати
домінуючим. Розглянемо особливості шумоутворення в кожному з
режимів витікання.
При дозвуковому режимі змішання з атмосферою розширеного
парового струменя (див. малюнки 3 і 4) починається відразу після виходу
пари з трубопроводу [1, 6]. У цьому випадку, загальний рівень звукової
потужності парового струменя складається з шуму, що утворюється за
рахунок дроселювання в клапані, і частково шуму самого парового
струменя. Часто шумом парового струменя можна знехтувати [3, 21].
змішання пари
з атмосферою
Малюнок 3 - Результати моделювання затопленого парового струменя
(G=5 кг/с, M=0,5): поле швидкостей
21
б)
Малюнок 4 - Результати моделювання затопленого парового струменя
(G=5 кг/с, M=0,5): поле повних тисків
Під час розрахунків за акустичний центр випромінювання парового
струменя можна прийняти зріз труби [5]. Під акустичним центром
парового викиду розуміється умовна точка, якою можна замінити джерело
шуму, що має еквівалентні джерелу рівні звукової потужності.
За трансзвукового режиму (за ступеня нерозрахунковості n близько
1) формується початкова ділянка струменя від зрізу труби, коли змішання
з атмосферою і, відповідно, генерація шуму відсутня (див. малюнок 5).
Загальний рівень звукової потужності парового струменя складається з
шуму, що утворюється як за рахунок дроселювання в клапані, так і шуму
самого струменя [2, 7]. Акустичний центр випромінювання за
трансзвукового режиму розташований вище зрізу труби. Зазначається, що
шум від затопленого струменя генерується когерентними структурами, що
виникають під час змішування двох середовищ [11, 14]. За результатами
математичного моделювання можливо локалізувати місце розташування
акустичного центру парового струменя. У розглянутому випадку
навколозвукового витікання парового струменя область генерації шуму
розташована на відстані k=2-12 калібрів ( калібр дорівнює внутрішньому
діаметру вихлопного паропроводу) [15, 62].
22
З огляду на важливість цього питання, у другому розділі пропонується
метод визначення місця розташування акустичного центру джерела шуму,
який можна застосувати, зокрема, для викиду пари.
змішання пари
з атмосферою
початкова
ділянка
а)
б)
Малюнок 5 - Результати моделювання затопленого парового струменя (G=10
кг/с,
M=0,98, n=1): а - поле швидкостей, б - поле повних тисків
23
За надзвукового режиму (див. рисунки 6 і 7) зі ступенем
нерозрахованості n=3,5 виникає система хвиль розширення і стиснення,
стрибків ущільнення, завдяки яким відбувається поступове зрівняння тиску
струменя з тиском у навколишньому середовищі. Утворення когерентних
структур починається за диском Маха, на деякій відстані від нього.
Загальний рівень звукової потужності парового струменя складається, в
основному, з шуму самого парового струменя. Шумом, що утворюється за
рахунок дроселювання в клапані, можна знехтувати. Акустичний центр
випромінювання за надзвукового режиму, який найчастіше має місце на
об'єктах теплоенергетики під час викидів пари, розміщений вище зрізу
труби в області утворення когерентних структур.
змішання пари
з атмосферою
Малюнок 6 - Результати моделювання затопленого парового струменя
(G=41,2 кг/с, tк =396°С, М=1, n=3,5): поле швидкостей
Під час моделювання витікання пари за надзвукового режиму
параметри пари на зрізі вихлопного трубопроводу (витрата скидальної пари
- 41,2 кг/с, тиск і температура - 0,386 МПа і 396°С відповідно) прийнято для
можливості проведення аналізу під час зіставлення результатів
математичного моделювання з даними експерименту.
24
Малюнок 7 - Результати моделювання затопленого парового струменя
(G=41,2 кг/с, tк =396°С, М=1, n=3,5): поле повних тисків
На малюнках 6 і 7 видно, що за результатами математичного
моделювання найактивніше утворення когерентних структур відбувається
на відстані k=5-12 калібрів над зрізом вихлопного трубопроводу для
досліджуваних параметрів пари [43].
Додатково Samimy M., Breuer K.S., Leal L.G. [55] провели якісне
порівняння миттєвого поля швидкостей недорозширеного повітряного
струменя з аналогічними результатами математичного моделювання
парових струменів, що наведено на малюнку 8. Видно, що процес витікання
парового струменя, отриманий за допомогою математичного моделювання,
якісно збігається з результатами експериментів для повітряних струменів
(див. малюнок 8) і результатами математичного моделювання струменів
літальних апаратів [17, 27, 55].
25
M≈3,5 M≈0,45
3
4 M>1
2 5
6
M>1
1
а)
M≈4 M≈0,6
M>1
M>1
1
2
3 4 6
5
б)
Малюнок 8 - Миттєве поле швидкостей недорозширеного струменя:
а - фотографія повітряного струменя за n=7 [55]; б - результати
математичного моделювання струменя пари за n=8,2.
1 - межа струменя, 2 - "бочка", 3 - диск Маха, 4 - потрійна точка, 5 -
відбитий стрибок ущільнення, 6 - лінія ковзання.
26
ГЛАВА 2. МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ АКУСТИЧНОГО ЦЕНТРУ
ПАРОВОГО ВИКИДУ
Для вивчення процесів шумоутворення, а також для проведення
акустичних розрахунків необхідно знати акустичний центр джерел шуму.
Акустичний центр джерела необхідний під час проведення розрахунків
поширення шуму в навколишньому просторі [40, 53].
Акустичний центр джерела шуму рекомендується визначати
координатами проекції геометричного центру джерела. При цьому
передбачається, що випромінювання відбувається рівномірно від усієї
поверхні джерела. Коли відсутні чіткі межі біля самого джерела, а
випромінювання відбувається нерівномірно по поверхні, акустичний центр
визначити важко. Це стосується, наприклад, визначення акустичних центрів
таких поширених джерел шуму на енергетичних об'єктах як парові викиди,
струмені газу. У цьому розділі пропонується метод визначення акустичного
центру для таких джерел.
2.1.Метод визначення акустичного центру джерела шуму
Паровий викид є джерелом шуму, що не має чітко виражених меж і
випромінює звукову енергію нерівномірно по поверхні.
Метод визначення акустичного центру ґрунтується на тому, що
зниження рівня шуму екраном Е, розташованим між джерелом шуму S і
розрахунковою точкою R, істотно залежить від розташування акустичного
центру джерела (див. малюнок 9). Крім цього, загасання шуму на екрані Dz
, дБ, залежить від відстаней від екрана до джерела (dss і r1 ) і від екрана до
приймача шуму (dsr і r2 ), а також від співвідношення висот екрана hе і
джерела hs (див. малюнок 9) і розраховується за формулою [40]:
(6)
де C2 - константа, що враховує ефект відбиття від землі;
27
C3 - константа, що враховує дифракцію на верхніх крайках(кромках);
z - різниця довжин шляхів поширення звуку через дифракційну кромку
і прямого звуку, м;
Kmеt - коефіцієнт, що враховує вплив метеорологічних умов;
λ - довжина звукової хвилі з частотою, що дорівнює
середньогеометричній частоті октавної смуги, м.
dss dsr
h Э
e
S r1
R
hs d
r 2
Малюнок 9 - До визначення акустичного центру джерела шуму
У разі дифракції на одній кромці (тонкий екран) різницю довжин
шляхів поширення звуку z, м, розраховують за формулою [40]:
(7) (7)
де dss - відстань від джерела шуму до дифракційної кромки, м;
dsr - відстань від дифракційної кромки до приймача, м;
a - проекція на кромку екрана траєкторії поширення звуку від джерела
до приймача через верхню кромку екрана, м;
d - відстань від джерела шуму до приймача (див. малюнок 9).
У разі використання формул (6) і (7) будується крива зміни рівня звуку
на приймачі Lp залежно від висоти розташування акустичного центру
джерела шуму h за заданих відстаней від екрана до розрахункової точки і
джерела шуму, а також фіксованої висоти екрана. Схематичний приклад
графіка Lp = ƒ (h) наведено на малюнку 10.
28
За кривою Lp = ƒ(h) визначається висота акустичного центру, за якої
виміряний рівень шуму в розрахунковій точці співпаде з розрахунковим
рівнем звукового тиску. Знайдена висота hs є акустичним центром джерела
шуму.
Lp
розрахункова крива
виміряний рівень
шуму в
розрахунковій точці
h
hs he
(акустичний центр)
Малюнок 10 - Зміна рівня шуму в розрахунковій точці від висоти
розташування акустичного центру
За допомогою викладеного методу можна визначити акустичний
центр джерела або для еквівалентного рівня звуку за шкалою "А", або для
кожної окремо взятої середньогеометричної частоти.
2.2.Обмеження методу визначення акустичного центру джерела шуму
Пропонований метод визначення акустичного центру джерела має
свої обмеження. Перше обмеження пов'язане з тим, що максимальне
розрахункове загасання шуму на тонкому екрані для будь-якої з октавних
смуг середньогеометричних частот не може перевищувати 20 дБ[39, 40].
Для випадків, коли розрахункове загасання рівня шуму на будь-якій
середньогеометричній частоті перевищує 20 дБ, відсутня можливість
порівняння даних розрахунку й експерименту.
29
Як приклад на малюнку 11 наведено розрахункові залежності
зниження шуму на екрані від висоти акустичного центру джерела hs за he
=10 м, hr =1,5 м, r1 =5 м, r2 =10 м, з яких видно, що зміну рівня звукового
тиску в октавних смугах можна зафіксувати лише для
середньогеометричних частот f = 31,5-1000 Гц, або для рівня звуку.
D f=1000 Гц
z,дБ
f=500 Гц
ΔLmax
f=250 Гц =
=5,5
f=125 Гц дБ
f=63 Гц
f=31,5
Гц
hs , м
Малюнок 11 - Розрахункове зниження шуму на екрані залежно від
положення акустичного центру джерела
Для середньогеометричних частот 2000, 4000 і 8000 Гц зміна висоти
акустичного центру джерела не призведе до зміни Dz , яке для всіх випадків
залишається рівним 20 дБ.
Для проведення експерименту відповідно до запропонованого методу
необхідно визначити таку висоту екрана, за якої для всіх досліджуваних
октавних смуг середньогеометричних частот спостерігатиметься зміна рівня
звукового тиску в розрахунковій точці під час зміни висоти акустичного
центру джерела шуму. При цьому слід враховувати, що необхідна висота
екрана залежатиме від взаємного розташування джерела шуму і
розрахункової точки. Нижче пропонується метод визначення висоти екрана
30
для проведення експерименту. Для того, щоб визначити необхідну висоту
екрана, будують криві, які показують максимальну зміну акустичної
ефективності екрана ΔLmax (hе ), що можлива за умови зміни висоти
розташування акустичного центру джерела шуму hs від 0 до hе (малюнок 12)
залежно від висоти екрана:
ΔLmax (hе ) = ΔDz (hs = 0) - ΔDz (hs = hе) (8)
ΔL
max
,дБ
f=8000 Гц
f=4000 Гц
f=2000 Гц
f=1000 Гц he =10 м
f=500
Гц f=250 f=125 Гц
Гц
f=63 Гц
ΔLmax =5,5 дБ
f=31,5 Гц
hе , м
Малюнок 12 - Максимальна зміна ефективності екрана залежно від
висоти екрана
Точка на кривій малюнка 12 показує зміну максимального загасання
шуму на екрані за фіксованої висоти екрана для окремо взятої
середньогеометричної частоти. Кожна з ліній зниження рівня звукового
тиску для середньогеометричної частоти на малюнку 11 може бути
представлена точкою на кривій малюнка 12. Наприклад, для
31
Середньо геометричної 500 Гц максимальна зміна ефективності становить 5,5
дБ (див.малюнки 11 і 12).
На малюнку 12 видно, що збільшення висоти екрана за фіксованої
відстані джерела до екрана і розрахункової точки зменшує діапазон
середньогеометричних частот, для яких може бути визначено акустичний
центр. Малюнок 12 дає змогу вибрати висоту екрана для
середньогеометричних частот, що цікавлять, за певної відстані від джерела
до екрана та розрахункової точки. Наприклад, за висоти екрана he у діапазоні
від 2 до 5 м і hr =1,5 м, r1 =5 м, r2 =10 м можуть бути зафіксовані зміни рівнів
звукового тиску в розрахунковій точці для середньогеометричних частот від
31,5 до 8000 Гц.
Характер поведінки кривих рисунка 12 підтверджується тим, що для
високих частот ефективність екрана набуває вищих значень, ніж для низьких.
Тому навіть невелике збільшення висоти екрана на високих частотах
призводить до значного збільшення екранувального ефекту в розрахунковій
точці, однак разом із цим різко знижується максимальна зміна акустичної
ефективності екрана (див. таблицю 1).
Таблиця 1 - Залежність УЗД у розрахунковій точці від середньогеометричної
частоти і висоти екрана
Середньогеометрична частота, f, Гц
Найменування
31,5 8000
Lp , дБ (hs = 0) 5,5 20
hе =2 м Lp , дБ (hs = hе) 4,8 6,7
ΔLmax , дБ 0,7 13,3
Lp , дБ (hs = 0) 6,6 20
hе =3 м Lp , дБ (hs = hе) 4,9 12,8
ΔLmax , дБ 1,7 7,2
Малюнок 12 дає змогу визначити необхідну висоту екрана під час
проведення експерименту для найгірших умов, коли положення акустичного
центру змінюється в широкому діапазоні, і виконати початкову оцінку
необхідної висоти екрана.
32
Другим обмеженням є горизонтальний розмір екрана. У напрямку,
перпендикулярному до лінії, що з'єднує джерело і приймач, горизонтальний
розмір екрана має бути більшим за довжину звукової хвилі λ з частотою, що
дорівнює середньогеометричній частоті октавної смуги [40]. Горизонтальний
розмір екрана для середньогеометричних частот 31,5 і 63 Гц має бути
більшим за 11 і 5,5 м відповідно за температури повітря 20°С.
Акустичний центр джерела шуму може бути визначений тільки в тому
разі, якщо зміна висоти акустичного центру призводить до зміни рівня шуму
в точці R, що більша за сумарну абсолютну похибку вимірювання рівня шуму
в точці R. Це є третім обмеженням запропонованого методу.
2.3.Застосування методу визначення акустичного центру джерела шуму
Запропонований метод дає змогу визначити місце розташування
акустичного центру, зокрема під час викидів пари в атмосферу з
надлишковим тиском, коли акустичний центр парового струменя не
збігається зі зрізом вихлопного трубопроводу.
Для перевірки запропонованого методу було проведено порівняння
результатів натурального експерименту з даними математичного
моделювання парового струменя.
Відповідно до запропонованого методу було визначено місце
розташування акустичного центру парового викиду при витраті пари 41,2
кг/с, тиску 0,386 МПа і температурі 396°С на зрізі вихлопного трубопроводу,
внутрішній діаметр якого dвн =0,257 м. Результати математичного
моделювання [43, 61]викиду пари з цими параметрами наведено в розділі .
Рівні звукового тиску в розрахункових точках вимірювали частотним
аналізатором "Soundbook" фірми "Sinus". Прилад у режимі реального часу
33
одночасно вимірює і зберігає значення з кроком 0,12 с. Показується
одночасно весь спектр рівнів звукового тиску в октавних або третьоктавних
смугах, а також рівні звуку в режимі "Slow" і "Peak", рівні звукового тиску
залежно від часу. Форми подання результатів вимірювання приладом
показано на малюнку 13.
Нині існує велика кількість (NoiseMap - Великобританія, SoundPlan - США,
CadnaA-ФРН ,MITHRA-SIG-Франція, Predictor- Нідерланди-ФРНиін.)
програмних комплексів, які дають змогу розраховувати рівні звукового тиску
при поширенні шуму на місцевості. Сучасні програмні засоби дають змогу
візуалізувати шумове забруднення від ТЕЦ, якнайповніше й найточніше
врахувати вплив рельєфу місцевості, станповерхні, розташування
промислових і житлових забудов на поширення шумувтривимірному вимірі
(3D). Програмні засоби дають змогу врахувати як загасаннязвуку завдяки
різним перешкодам, так і віддзеркалення від них під час розрахункурівнів
звукового тиску в розрахункових точках, що надзвичайно складно
зробитипід час виконання розрахунків вручну одночасно для
кількох десятків джерел шуму ТЕЦ.
Для виконання акустичних розрахунків у дисертації було використано
програму Predictor [44], розробник - компанія Softnoise GmbH, що є спільним
підприємством компаній DGMR Software B.V. (Нідерланди) і Stapelfeldt
Ingenieurgesellschaft mbH (ФРН). У програмі Predictor існує можливість
представити результати розрахунку у вигляді ізоліній на карті, рівнів звуку і
рівнів звукового тиску в октавному і третьоктавному спектрах частот у
розрахункових точках, а також підтримується побудова тривимірної моделі з
відображенням результатів розрахунку на обраних вертикальних або
горизонтальних площинах. Програма Predictor виконує акустичний
розрахунок відповідно до чинного міжнародного стандарту, ISO 9613-2:1996
[40,44].
34
а) б)
в) г)
Малюнок 13 - Результати вимірювань шуму парового викиду: а - графік
зміни рівнів звуку в розрахунковій точці за шкалами "Slow" і "Peak"; б -
зміна спектра шуму в часі; в - УЗД в момент викиду пари в октавних
смугах; г - УЗД в момент викиду пари в третинних октавних смугах
Розрахункова модель для визначення акустичного центру парового
викиду, реалізована в програма Predictor, наведена на малюнку 14.
35
Δhиш
вихлопний
ліхтар
трубопровід
котельного
цеху
траєкторія
котельний цех поширення
шуму
приймач
рівень землі
357 м
Малюнок 14 - Розрахункова модель для визначення акустичного центру
парового викиду
У програмі Predictor було побудовано тривимірну модель (див.
малюнок 15) з характеристиками, що відповідають умовам проведення
експерименту, яка враховує дифракцію на двох крайках, наявність
звуковідбивних будівель і споруд поблизу джерела шуму й точки
приймача, взаємодію шуму під час поширення з поверхнею землі,
загасання в атмосфері та загасання через геометричну дивергенцію.
викид пари
розрахункова
точка
Малюнок 15 - Результати розрахунку в програмі Predictor при hдш
=44,7 м: 3D модель поширення звуку
Розрахунок у програмі Predictor за висоти парового викиду, що
дорівнює позначці зрізу вихлопного трубопроводу (hдш =hтр ), показав
розбіжність
36
експериментального та розрахункового значень рівнів звуку на 6,3 дБА. Для
визначення акустичного центру випромінювання шуму було знайдено
значення акустичного центру парового викиду hs , за якого розрахунковий
рівень звуку збігається з дослідним значенням. Це значення склало hs =44,7 м
за висоти зрізу труби hтр =42,6 м, що вказує на перевищення області
випромінювання шуму над зрізом труби на 2,1 м. Результати розрахунку в
програмі Predictor наведено на рисунках 15 і 16.
розрахункова
точка
джерело шуму -
паровий викид
Малюнок 16 - Результати розрахунку в програмі Predictor за hдш =44,7 м:
рівні звуку на карті
На малюнку 17 показано порівняння результатів
експериментального визначення акустичного центру з даними
математичного моделювання,
37
наведеними в Розділі 1 на малюнку 6. Результати експерименту і
математичного моделювання перебувають у хорошій відповідності.
Видно, що зона змішування розташовується на відстані більше двох
калібрів над зрізом вихлопного трубопроводу. Область акустичного
центру для рівня звуку, визначена експериментально, збігається із зоною
активного формування когерентних структур.
0 2 4 6 8 10 12 14
k
область акустичного
центру для рівня звуку
змішання пари
з атмосферою
Малюнок 17 - Порівняння результатів експериментального визначення
акустичного центру з даними математичного моделювання
2.4.Оцінка похибки визначення акустичного центру джерела шуму
Абсолютна похибка, дБ, знаходження рівнів звукового тиску в
розрахунковій точці за методом визначається [40, 53]:
∆Lp=√∆A 2
div + ∆A 2
atm + ∆D 2
z ,
(9)
де ∆Adiv - абсолютна похибка визначення загасання за рахунок
геометричної дивергенції, дБ:
, (10)
38
де ∆Aatm -абсолютна похибка визначення загасання через
звукопоглинання атмосферою, дБ:
(11)
де ∆Dz - абсолютна похибка визначення загасання на екрані, дБ:
(12)
У формулах (10)-(12) :
d, ∆d - відстань від джерела шуму до розрахункової точки й
абсолютна похибка визначення цієї відстані відповідно, м;
α, ∆α - коефіцієнт загасання звуку в октавній смузі частот і абсолютна
похибка його визначення відповідно, дБ/км;
Kmеt , ∆Kmеt - коефіцієнт, що враховує вплив метеорологічних умов
і абсолютна похибка його визначення відповідно;
C3 , ∆C3 - константа, що враховує дифракцію на верхніх крайках і
абсолютна похибка її визначення відповідно;
z, ∆z - різниця довжин шляхів поширення звуку через дифракційну
кромку і прямого звуку та абсолютна похибка її визначення відповідно, м.
Абсолютна похибка визначення рівнів звукового тиску в
розрахунковій точці складається з похибок визначення за картою відстаней
dss , dsr , d і розрахункових відстаней z та a (проєкція на кромку екрана
траєкторії поширення звуку від джерела до приймача через верхню кромку
екрана).
Сумарна абсолютна похибка розрахунку складових загасання звуку за
рахунок дивергенції, поглинання атмосферою і за рахунок екранування,
розрахована за формулами (9) - (12), склала ±1,2 дБА. Для визначення
розташування акустичного центру над зрізом вихлопної труби було
проведено низку варіантних розрахунків для різних значень висот парового
викиду з кроком 0,5 м і побудовано графік, наведений на малюнку 18.
39
Видно, що за похибки ±1,2 дБА діапазон розташування акустичного центру
парового викиду знаходиться в інтервалі висот від 44,4 до 45,0 м. Таким
чином, акустичний центр парового струменя розташовується над зрізом
труби на висоті Δhs =1,8-2,4 м або k=7,0-9,3 калібрів.
Lp , дБА
похибка
розрахунку
рівень
шуму в
розраху
нковій
точці
hпр , м
hтр
діапазон розташування акустичного центру
парового струменя
Малюнок 18 - Визначення діапазону розташування акустичного
центру парового струменя
Під час викиду пари різні ділянки струменя випромінюють шум із
різною частотою, проте умови поширення шуму для них залишаються
однаковими, тому можливість застосування пропонованого методу цілком
реально.
У програмі Predictor було визначено положення акустичного центру для
різних середньогеометричних частот, яке показано на малюнку 19. Також
40
на малюнку 19 показано похибки визначення акустичного центру для
окремих середньогеометричних частот, розраховані за формулами (9)-(12).
Видно, що зі збільшенням середньогеометричної частоти акустичний центр
розташовується на більшій відстані від зрізу вихлопного трубопроводу.
Розташування акустичного центру змінюється від k=2 калібрів для
середньогеометричної частоти 63 Гц до k=11,8 калібрів для
середньогеометричної частоти 4000 Гц. Це означає, що основне
шумовипромінювання парового струменя на високих частотах відбувається
значно вище, ніж на низьких частотах.
Малюнок 19 - Положення акустичного центру над зрізом вихлопного
трубопроводу для середньогеометричних частот і за шкалою "А"
У випадку, що розглядається, для середньогеометричної частоти 8000
Гц неможливо точно визначити положення акустичного центру і діапазон
його зміни, оскільки його висота наближається до позначки ліхтаря будівлі
котельного відділення, який є екраном. При цьому екрануючий ефект ліхтаря
зникає і для визначення акустичного центру стає неможливим
використовувати пропонований метод.
41
ГЛАВА 3. ПОШИРЕННЯ ШУМУ ВІД ПАРОВИХ ВИКИДІВ В
УМОВАХ ЖИТЛОВОЇ ЗАБУДОВИ
3.1. Модель для аналізу особливостей поширення шуму від парових
викидів в умовах житлової забудови
Факторами, що впливають на поширення шуму від парового викиду в
умовах житлової забудови, а також за наявності будівель і споруд
виробничого призначення, виявляються [40, 46]:
1. Орієнтація житлових будинків щодо виробничих споруд і парового
викиду.
2. Розташування будинків відносно один одного та парового викиду.
3. Висота будівель.
4. Розміщення будівель на внутрішньо будинковій території.
Для дослідження впливу вищевказаних чинників у моделі поширення
шуму від парового викиду, було побудовано додаткові будівлі - додано
район "Д" на північний захід від парового викиду і район "Д1" на південний
захід. Використання програмного пакета Predictor дає змогу розрахувати
ізолінії рівнів шуму в 3D з урахуванням відбиття й екранування звуку від
сусідніх будівель і споруд, беручи до уваги показник поверхні землі та
рельєф місцевості [44].
3.2. Результати розрахунків поширення шуму від парових викидів
в умовах житлової забудови
Розрахунки показали, що конфігурація, тип і розміщення забудови
відносно ТЕЦ істотно впливають на поширення шуму і на рівні звуку в
розрахункових точках (див. рисунки 20-22). На малюнку 20 показано рівні
звуку від парового викиду в оточуючому ТЕЦ районі. Видно, що орієнтація
житлових будинків відносно виробничих споруд і парового викиду відіграє
значну роль. [39, 40, 50] Найбільші рівні звуку досягаються біля торців
будинків першого ряду. Будинки першого ряду, створюючи за собою
акустичну тінь, виступають у ролі екранів, знижуючи шум біля будинків
наступних рядів.
42
Під акустичною тінню розуміють ділянку простору, в якій
поширюється звук, точки якої перебувають поза прямою видимістю від
джерела шуму завдяки екрануванню природними або штучними
перешкодами.
район
"Д"
- розрахункові
точки
Акустична
тінь
відбитий район
шум "Д1" викид пари
акустична
тінь
Малюнок 20 - Рівні звуку в оточуючому ТЕЦ районі
У розглянутій моделі екранами, що сприяють виникненню ефекту
акустичної тіні, є як житлові будинки районів, прилеглих до ТЕЦ, так і
будівлі та споруди на території ТЕЦ, зокрема градирні і димові труби.
43
Ефективність екранування будинків другого ряду залежить від
геометричних характеристик будівель першого ряду - що вони вищі, що
більша їхня ширина і що ближче вони розташовані до ТЕЦ, то більше
зниження шуму за ними спостерігається. Простори між будівлями сприяють
безперешкодному поширенню шуму вглиб житлового району, у зв'язку з
чим рекомендується розміщувати будівлі другого ряду і далі таким чином,
щоб вони перебували в акустичній тіні. Будинки першого ряду
рекомендується розміщувати в області акустичної тіні від будівель і споруд
виробничого призначення. [46, 47, 48]На малюнках 20-22 наочно видно, що
ефект за рахунок екранування будинками першого ряду не залишається
незмінним. На малюнку 21 показано торці будинків другого ряду району
"Д1", які перебувають як в акустичній тіні, так і поза нею.
- розрахункові район
точки "Д1"
шум
безперешкодно
торець
викид пари проникає до
перебуває в
торця
акустичній
тіні
Малюнок 21 - Тривимірна модель поширення шуму
Залежно від того, потрапляє розрахункова точка поблизу другого ряду
в акустичну тінь чи ні, рівні звуку можуть змінюватися в широких межах -
від 79,3 до 92,5 дБА (див. таблицю 2). У разі розташування розрахункової
точки в акустичній тіні рівень звуку завдяки екрануванню першим рядом
будинків знижується на 19,8 дБА (з 99,1 дБА до 79,3 дБА), тоді як за
безперешкодного поширення шуму зниження становило лише 6,6 дБА.
44
(тут зниження відбувалося за рахунок геометричної дивергенції та
звукопоглинання атмосферою). Згідно з даними таблиць 2 і 3
екранувальний ефект другого ряду будинків малий, наприклад, зниження
шуму за другим рядом будинків становить лише близько 1 дБА.
Таблиця 2 - Рівні звуку в розрахункових точках за висоти
будинків першого ряду 50 м
рівень звуку, дБА
Розрахункова точка
h=1,5 м h=25 м h=50 м
перед першим рядом 88,9 92,9 94,6
Район
перед другим рядом 72,7 73,5 93,4
"Д"
за другим рядом 71,8 72,4 92,6
перед першим рядом 98,5 99,1 99,1
Район
другий ряд (поза 88,5 92,5 97,3
"Д1" тінню)
другий ряд (у тіні) 77,7 79,3 93,6
Таблиця 3 - Рівні звуку в розрахункових точках за висоти
будинків першого ряду 30 м
рівень звуку, дБА
Розрахункова точка h=50 м і 30 м
h=1,5 м h=25 м
для першого ряду
перед першим рядом 88,9 92,9 93,8
Район
перед другим рядом 77,6 83,7 93,4
"Д"
за другим рядом 71,8 72,4 92,6
перед першим рядом 98,5 99,1 99,1
Район
другий ряд (поза 88,6 95,3 98,7
"Д1" тінню)
другий ряд (у тіні) 78,2 93,1 98,3
Результати розрахунків показують (див. таблиці 2 і 3), що завдяки
екрануванню району "Д" градирнями рівні звуку біля будинків першого
ряду нижчі - 92,9 дБА проти 99,1 дБА на висоті 25 м - за умови однакового
віддалення розрахункових точок від джерела шуму.
Для аналізу величини екрануючого ефекту будинків першого ряду
було проведено розрахунок для двох випадків - за висоти будинків першого
ряду, що дорівнює висоті будинків наступних рядів (50 м), і зменшеної
висоти будинків першого ряду (30 м). У таблицях 2 і 3 наведено рівні звуку
в розрахункових точках за висоти будинків першого ряду 50 і 30 м
відповідно.
45
Розрахунки показали (див. малюнок 22 і таблицю 3), що зниження
висоти будинків першого ряду з 50 до 30 м призведе до зростання рівнів
шуму на 10,2 дБа перед другим рядом будинків для району "Д" в точці на
висоті 25 м (з 73,5 до 83,7 дБа) і на 13,8 дБа для точки на висоті 1,5 м перед
будинком другого ряду району "Д1" (з 79,3 до 93,1 дБа), яка раніше
перебувала в акустичній тіні. Таким чином, зниження висоти забудови
найближчої до джерела шуму призводить до зменшення екрануючого
ефекту.
- розрахункові
точки район
екрануючий "Д"
ефект відсутній
Малюнок 22 - Тривимірна модель поширення шуму за висоти
будинків першого ряду 30 м
Для аналізу впливу орієнтації житлових будинків відносно
виробничих споруд і парового викиду було побудовано розрахункову
модель ТЕЦ потужністю близько 300 МВт у програмі Predictor. Результати
розрахунку наведено на рисунках 23 і 24.
46
територія ТЕЦ
викид пари
а)
територія ТЕЦ
викид пари
б)
Малюнок 23 - Варіанти розташування житлового району щодо ТЕЦ:
а - житловий район на південному сході від ТЕЦ;
б - житловий район на північному заході від ТЕЦ
47
Під час розрахунків було розглянуто два варіанти розташування
прилеглої до ТЕЦ житлової забудови відносно виробничих будівель і
споруд: район на схід від ТЕЦ (шум від викиду пари проникає
безперешкодно вглиб району) і район на захід від ТЕЦ, екранований
відносно парового викиду градирнями (див. малюнок 23). Житлові райони
розташовані на відстані 50 м від огорожі ТЕЦ.
На малюнку 24 представлено візуалізацію акустичних розрахунків
при паровому викиді на тривимірній моделі ТЕЦ. На малюнку добре видно
різницю в рівнях звуку на різних торцях будівлі залежно від орієнтації щодо
джерела шуму, також показано загасання шуму завдяки будівлям, які
виконують роль екранів. Видно, що екрануючий ефект від будівель сильно
відрізняється. Наприклад, від першого ряду будівель має місце зниження
рівня звуку парового викиду на значення близько 22,0 дБА, а від другого
ряду будинків зниження рівня звуку становить лише 1,5 дБА.
Розташування будівель ТЕЦ також відіграє важливу роль при
поширенні звуку від парового викиду. З малюнка 24 видно, що при
розміщенні житлового району на захід від ТЕЦ у розрахункових точках
спостерігається зниження рівнів звуку в середньому на 9 дБА, пов'язане з
тим, що шум від парового викиду тут екранується градирнями.
Виконані розрахунки дають змогу рекомендувати розміщення
будинків житлових районів, прилеглих до ТЕЦ, у зоні акустичної тіні як
наявних житлових будинків, так і будівель і споруд, розташованих на
території ТЕЦ. Крім цього, сучасні програми для проведення акустичних
розрахунків можуть бути використані під час оптимізації розміщення
джерел шуму на ТЕЦ з метою мінімізувати негативний вплив за фактором
шуму.
48
різниця в рівнях звуку
на різних торцях
будівлі залежно від
орієнтації
із джерелом шуму
а)
перші ряди будинків
відіграють роль
екранів
б)
49
вертикальна
розрахункова
площина
викид
пара
градирні екранують
житловий район від
шуму парового
скидання
в)
Малюнок 24 - Якісна візуалізація рівнів звуку в оточуючому ТЕЦ районі
під час викиду пари на 3D-моделі: а - вид 1 на житловий район; б - вид 2 на
житловий район; в - вид на вертикальну розрахункову площину
50
ГЛАВА 4. ВПЛИВ КЛІМАТИЧНИХ ЧИННИКІВ ТА ПОВЕРХНІ
ЗЕМЛІ НА ВИЗНАЧЕННЯ НЕОБХІДНОГО ЗНИЖЕННЯ ШУМУ
Під час розроблення заходів щодо зниження шуму від парових викидів
на ТЕЦ ключовим фактором, що визначає витрати на виготовлення
шумоглушника і його масогабаритні характеристики, є необхідне зниження
шуму. У цьому розділі розглядається вплив цих кліматичних чинників
протягом року для різних регіонів, а також показника поверхні землі на
величину необхідного зниження рівня шуму стосовно парового викиду, які
до цього часу не розглядалися. Також показано, що при збільшенні відстані
від джерела шуму діапазон змін рівнів шуму через кліматичні чинники
збільшується.
4.1. Визначення загасання звуку внаслідок поглинання атмосферою
Наведена формула для розрахунку рівнів звукового тиску на
приймачі [38,39,40]:
LƒT = LW + DC - A ,
(13)
де LW - октавний рівень звукової потужності джерела шуму, дБ;
DC - поправка, що враховує спрямованість джерела шуму, дБ;
A - загасання в октавній смузі частот під час поширення звуку від
джерела шуму до розрахункової точки, дБ.
Загасання A, дБ, розраховується за формулою [40]:
A = Adiv + Aatm + Agr + Abar + Amisc ,
(14)
де Adiv - загасання через геометричну дивергенцію, дБ;
Aatm - загасання через звукопоглинання атмосферою,
дБ; Agr - загасання через вплив землі, дБ;
51
Abar - загасання через екранування, дБ;
Amisc - загасання через вплив інших ефектів, дБ.
За умови, що залишаються незмінними доданки LW , DC , Adiv , Agr , Abar ,
Amisc , зміна рівнів звукового тиску в розрахунковій точці, дБ, визначається як:
∆LƒT = ∆Aatm = Aатм2 - Aатм1 ,
(15)
де ∆LƒT - зміна рівнів звукового тиску за різних станів атмосфери, дБ;
Aатм1,2 - загасання через звукопоглинання атмосферою, що залежить
від температури та вологості, дБ.
Формулу (15) можна застосовувати для оцінки впливу регіональних
кліматичних чинників на рівні звукового тиску в розрахунковій точці під
час викидів пари на ТЕЦ, тому що в цьому випадку залишаються
незмінними: рівень звукової потужності джерела шуму (LW = const),
показник спрямованості парового викиду (DC =0 ), відстань від джерела
шуму до розрахункової точки (Adiv = const), тип поверхні, над якою
відбувається розповсюдження звуку (Agr = const), умови розповсюдження
звуку (Abar = const і Amisc =const).[41]
Метод розрахунку загасання звуку внаслідок поглинання його під час
поширення в атмосфері для різних метеорологічних умов. Загасання звуку
чистого тону характеризується коефіцієнтом загасання, який залежить від
частоти тону, температури та відносної вологості повітря, атмосферного
тиску. Результати розрахунку коефіцієнта загасання подано у табличній
формі для таких умов [39]:
– частота звуку від 50 до 10000 Гц;
– температура від мінус 20°С до плюс 50°С;
– відносна вологість від 10 до 100%;
– атмосферний тиск 101, 325 кПа (1 стандартна атмосфера).
Звукопоглинання атмосферою залежить від її складу й особливо від
концентрації водяної пари, що змінюється в широких межах. У чистому
52
сухому повітрі на рівні моря стандартні молярні або об'ємні частки
азоту, кисню, аргону і вуглекислого газу відповідно дорівнюють 0,78084,
0,209476, 0,00934 і 0,000314. Об'ємна частка інших складових повітря, що не
мають істотного впливу на звукопоглинання атмосферою, дорівнює 0,00937.
Можна прийняти, що до висоти щонайменше 50 км над рівнем моря молярні
частки трьох зазначених основних газів залишаються постійними. Однак
концентрація водяної пари, від якої головним чином залежить
звукопоглинання атмосферою, змінюється в широких межах як на рівні землі,
так і по висоті, і на висоті 10 км над рівнем моря відрізняється на два порядки
від концентрації на рівні землі.
Під час проходження звуком чистого тону відстані d початковий
звуковий тиск рi внаслідок звукопоглинання атмосферою спадає за
експонентою, як під час поширення плоскої звукової хвилі у вільному
звуковому полі. Звуковий тиск рt на відстані d від джерела шуму розраховують
за формулою [39]:
(16)
де α - коефіцієнт загасання звуку в атмосфері.
Зниження рівня звукового тиску внаслідок звукопоглинання атмосферою
Aatm розраховують за формулою:
(17)
Під час розрахунку коефіцієнта загасання звуку в атмосфері α змінними
величинами є частота звуку, температура повітря, концентрація водяної пари
й атмосферний тиск.
53
Розрахунки показали, що зміна барометричного тиску в межах 931-
1064 кПа (700-800 мм рт.рт.ст) спричиняє зміну рівня звуку приблизно
на 0,1 дБА, тому впливом цього чинника можна знехтувати.
Загасання внаслідок звукопоглинання атмосферою є функцією
релаксаційних частот ƒrO і ƒrN кисню й азоту відповідно.
Під акустичною релаксацією розуміють процес відновлення
термодинамічної рівноваги середовища, що була порушена через зміну
тиску й температури під час проходження звукової хвилі. Енергія
поступального руху молекул або іонів у звуковій хвилі переходить на
внутрішні ступені свободи, збуджуючи їх, унаслідок чого енергія звукової
хвилі зменшується, тобто відбувається поглинання звуку.
Зазначається, що поглинання звукових хвиль великої інтенсивності
може відбуватися за рахунок декількох фізичних механізмів:
– в'язкість і теплопровідність середовища;
– нерівноважні релаксаційні процеси, пов'язані с
внутрішньою динамікою середовища;
– нелінійні втрати енергії на ударних фронтах, що
залежать від інтенсивності хвилі.
Релаксаційні частоти розраховують за формулами [39]:
де рr = 101,325 кПа - еталонне атмосферний тиск, що
дорівнює одній стандартній атмосфері;
T0 = 293,15 К - еталонна температура повітря;
h - молярна концентрація в повітрі водяної пари, %;
T - температура повітря, К;
54
рa - атмосферний тиск, кПа.
Коефіцієнт загасання α, дБ/км, розраховують за формулою [39]:
де ƒ - частота звуку, Гц.
Концентрація водяної пари у вологому повітрі h дорівнює відношенню
кіломоля (кількості кілограмів речовини, що дорівнює її молекулярній вазі)
водяної пари до кіломоля суміші сухого повітря і водяної пари. За законом
Авогадро концентрація водяної пари також дорівнює відношенню
парціального тиску водяної пари до атмосферного тиску. Молярна
концентрація водяної пари у звичайних метеорологічних умовах становить
від 2% до 10% на рівні моря і менше 0,01% на висоті 10 км.
Вологість повітря рідко виражають молярною часткою водяної пари. Відносна
вологість повітря дорівнює відношенню тиску водяної пари до тиску
насиченої пари рsat над плоскою водною поверхнею за тих самих температури
і тиску, що й у повітря. Концентрацію водяної пари за заданих температури,
відносної вологості hr і тиску рa розраховують за формулою:
Тиск насиченої пари рsat залежить тільки від температури T. Для практичних
розрахунків можуть бути використані нижченаведені формули, що дають
результати, близькі до зазначених у Міжнародних метеорологічних таблицях
[39]:
рsat = р ∙ 10С
r ,
(22)
55
де показник ступеня С розраховують за формулою:
де T01 - температура в потрійній точці на діаграмі ізотерм, що дорівнює
273,16 К
(+0,01°С).
Розрахункові формули стандарту придатні для інших умов, що
зустрічаються на практиці, наприклад, для ультразвуку, для низьких тисків
(у разі поширення звуку з великої висоти до землі).
56
4.2. Зміна рівнів звукового тиску в розрахунковій точці внаслідок
впливу кліматичних факторів
Згідно з формулами (13)-(23) у середовищі Mathcad було складено
програму для визначення коефіцієнта загасання α в атмосфері. За
допомогою програми можливо визначити коливання рівнів звукового тиску
в розрахунковій точці в октавних смугах за формулою (17).
Для того щоб проаналізувати, як протягом року за зміни кліматичних
факторів змінюються рівні звуку за шкалою "А", необхідно вибрати
джерело шуму з відомою звуковою потужністю, відстань від джерела шуму
до розрахункової точки та показник поверхні [28, 30], над якою відбувається
поширення шуму .
Теплові електричні станції електричною потужністю 250-300 МВт (Черкаська
ТЕЦ – 230 МВт), що використовують як паливо вугілля і мазут, повинні мати
санітарно-захисну зону (СЗЗ) не менш як 1000 м, ті, що працюють на газовому
і газомазутному паливі - не менш як 500 м. Теплоелектроцентралі та районні
котельні тепловою потужністю 200 Гкал/год і вище, що працюють на
вугільному та мазутному паливі, повинні мати СЗЗ не менше ніж 500 м, ті, що
працюють на газовому та мазутному паливі (останнє як резервне), не менше
ніж 300 м. Тому вплив кліматичних факторів розглядають для розрахункових
точок, віддалених на відстань 300, 500 і 1000 м від парового викиду.
Як джерело шуму було обрано паровий викид, розглянутий у Розділі 2, що
має рівні звукової потужності, наведені в таблиці 4.
Таблиця 4 - Рівні звукової потужності парового викиду
Рівні звукової потужності, дБ, в октавних смугах із
Найменування середньогеометричними частотами, Гц
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Викид пари 133,9 137,2 144,6 150,8 156,7 162,3 163,2 161,6 157,5
На малюнку 25 показано зміну рівня звуку ∆Lp у розрахунковій точці
одночасно залежно від двох параметрів: температури tв і вологості φ повітря
в розрахунковій точці на відстані 300 м. Зміну ∆Lp визначали за формулою:
57
∆Lp (tв, φ) = Lp - min(Lp),
i
(24) де Lp - значення УЗД у розрахунковій точці за поточних значень
i
температури tв і вологості φ;
min(Lp ) - мінімальне значення УЗД у розрахунковій точці з усього
масиву Lpi
для температур від 20°С до плюс 50°С і відносної вологості від 10 до 100%.
Максимальні та мінімальні рівні звуку та їхня зміна в розрахунковій
точці залежно від tв , φ і d наведені в таблиці 5.
Таблиця 5 - Максимальні та мінімальні значення рівнів звуку в
розрахункових точках та їх зміни
Найменування d=300 м d=500 м d=1000 м
Lp , дБА, при: 107,2 102,2 95,0
max
температурі tв ,Ԩ -20 -20 -20
вологості φ, % 10 10 10
Lp , дБА, при: 97,9 89,1 75,1
min
температурі tв ,Ԩ 11,8 9,7 7,6
вологості φ, % 10 10 10
∆Lp , дБА
max 9,3 13,2 20,1
58
ΔLp , дБА
tв ,°C
φ, %
а)
tв
,°C
φ, %
б)
Малюнок 25 - Зміна рівня звуку в розрахунковій точці на відстані 300
м від парового викиду: а - поверхня ∆Lp = ƒ (tв , φ)
б - проекція ∆Lp на площину(tв , φ),
59
4.3 Вплив поверхні землі на зміну рівнів звукового тиску в
розрахунковій точці
Під час розроблення заходів щодо боротьби з шумом парових викидів
і розрахунку необхідного зниження шуму одним із чинників, що
визначають умови поширення звуку від джерела до приймача, є загасання
звуку внаслідок впливу поверхні землі.
Загасання звуку через вплив землі Agr зумовлене інтерференцією
звукових хвиль, відбитих поверхнею землі, з хвилями прямого звуку від
джерела шуму і приймача. При цьому розрізняють три основні зони
(області): зону джерела, зону приймача та середню зону (див. малюнок 28).
Довжина зони джерела становить 30hs , але не більше dp (hs - висота
точкового джерела шуму над землею; dp - проекція відстані від точкового
джерела шуму до приймача на площину землі). Довжина зони приймача
становить 30hr , але не більше dp (hr - висота приймача над землею). Середня
зона знаходиться між зоною джерела і зоною приймача. Якщо dp < (30hs +
30hr ), то зони джерела і приймача частково перекриваються і середня зона
відсутня.
dp
hs 30hs 30hr hr
Зона джерела Середня зона Зона приймача
Малюнок 28 - Основні зони під час визначення загасання через вплив землі.
Акустичні характеристики поверхні землі в зонах враховують
коефіцієнтом відбиття від поверхні землі G. Розрізняють три категорії
поверхні землі за звуковідбиттям: тверду, пористу і змішану.
Для енергетичних об'єктів показник поверхні може змінюватися в
усьому діапазоні значень: від 0 (утрамбований ґрунт, який часто трапляється
поблизу промислових майданчиків) до 1 (вкрита травою, деревами та іншою
рослинністю земля). Для визначення загасання через вплив землі в заданій
октавній смузі частот розраховують: загасання Аs у зоні джерела за заданого
показника поверхні землі Gs , загасання Ar у зоні приймача з показником
60
поверхні Gr , загасання Am у середній зоні з показником поверхні Gm .
Загальне загасання через вплив землі в заданій октавній смузі частот
визначають за формулою [40]:
Agr = As + Ar + Am .
(25)
Як приклад впливу показника землі на малюнку 29 наведено проекцію
поверхні зміни рівня звуку в розрахунковій точці ∆Lp = ƒ(Gs ; Gr ),
віддаленій від парового викиду на 300 м, на площину (Gs ; Gr ), побудовану
при температурі повітря 15°С і його вологості - 60%. Середня зона з
показником поверхні Gm у випадку, що розглядається, відсутня. Зміну ∆Lp
визначали за формулою:
∆Lp = Lp - min(L ),p
i
(26)
де Lp - значення УЗД у розрахунковій точці за поточних значень
i
показників поверхні Gs і Gr ;
min(Lp ) - мінімальне значення УЗД у розрахунковій точці з усього масиву Lp
i
у разі зміни показників поверхні Gs і Gr від 0 до 1.
Gs
Gr
61
Малюнок 29 - Зміна рівня звуку ∆Lp у розрахунковій точці залежно від
категорії поверхні землі
Максимальні та мінімальні рівні звукового тиску та їх зміна залежно
від показника поверхні землі в розрахунковій точці наведені в таблиці 7.
Таблиця 7 - Максимальні та мінімальні значення ПЗД у розрахункових
точках та їхні зміни
Найменування d=300 м d=500 м d=1000 м
Lp , дБ, при: 106,6 100,0 89,6
max
Gs 0 0 0
Gr 0 0 0
Lp , дБ, при: 103,1 96,4 85,5
min
Gs 1 1 1
Gr 1 1 1
∆Lp , дБ 3,5 3,6 4,1
max
За даними, наведеними в таблиці 7 і на малюнку 29 видно, що рівень звуку в
розрахунковій точці знижується в міру збільшення значення показника
поверхні та збільшується в разі його зменшення, що пояснюється кращою
звукопоглинальною здатністю пористої поверхні в порівнянні з твердою.
У таблицях 8 і 9 наведено результати розрахунків загасання рівнів
звукового тиску через вплив землі для відстаней до розрахункової точки 300,
500 і 1000 м для розглянутого джерела, яке розташоване на висоті 44,7 і 1,5 м,
залежно від типу поверхні. Дані, наведені в таблицях, дають змогу зробити
висновок, що врахування поверхні землі необхідне під час виконання
акустичних розрахунків. При цьому поправка Agr може призводити як до
збільшення рівнів звукового тиску в розрахунковій точці (перед числом стоїть
знак "мінус"), так і до зменшення (перед числом стоїть знак "плюс"). Значення
Agr для твердої поверхні залишається практично незмінним для всіх
середньогеометричних частот і відстаней від джерела до приймача, а для
пористої поверхні максимальні значення Agr припадають на середні частоти.
Видно, що вплив поверхні землі більший для джерел, розташованих на рівні
землі (див. таблицю 9). [39, 40, 50]
62
Таблиця 8 - Загасання рівнів звукового тиску Agr внаслідок впливу землі
за hs = 44,7 м
Відстань, d Середньогеометричні частоти, Гц
(м) 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Тверда поверхня (Gs = Gr = 0)
300 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0
500 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0
1000 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -3,0
Пориста поверхня (Gs = Gr = 1)
300 -3,0 -3,0 1,7 7,0 5,0 0,7 0,0 0,0 0,0
500 -3,0 -3,0 3,0 7,0 5,0 0,7 0,0 0,0 0,0
1000 -3,0 -3,0 5,1 7,0 5,0 0,7 0,0 0,0 0,0
Змішана поверхня (Gs = Gr = 0,5)
300 -3,0 -3,0 -0,6 2,0 1,0 -1,2 -1,5 -1,5 -1,5
500 -3,0 -3,0 0,0 2,0 1,0 -1,2 -1,5 -1,5 -1,5
1000 -3,0 -3,0 1,0 2,0 1,0 -1,2 -1,5 -1,5 -1,5
Таблиця 9 - Загасання рівнів звукового тиску Agr внаслідок впливу землі за
hs = 1,5 м
Відстань, d Середньогеометричні частоти, Гц
(м) 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Тверда поверхня (Gs = Gr = 0)
300 -5,1 -5,1 -5,1 -5,1 -5,1 -5,1 -5,1 -5,1 -5,1
500 -5,5 -5,5 -5,5 -5,5 -5,5 -5,5 -5,5 -5,5 -5,5
1000 -5,7 -5,7 -5,7 -5,7 -5,7 -5,7 -5,7 -5,7 -5,7
Пориста поверхня (Gs = Gr = 1)
300 -5,1 -5,1 3,5 14,0 9,9 1,3 0,0 0,0 0,0
500 -5,5 -5,5 6,1 14,0 9,9 1,3 0,0 0,0 0,0
1000 -5,7 -5,7 10,1 14,0 9,9 1,3 0,0 0,0 0,0
Змішана поверхня (Gs = Gr = 0,5)
300 -5,1 -5,1 -0,8 4,5 2,4 -1,9 -2,6 -2,6 -2,6
500 -5,5 -5,5 0,3 4,3 2,2 -2,1 -2,7 -2,7 -2,7
1000 -5,7 -5,7 2,2 4,2 2,1 -2,2 -2,9 -2,9 -2,9
Для ілюстрації впливу поверхні землі на поширення шуму і на рівні
звуку в розрахунковій точці було проведено варіантні розрахунки моделі
Predictor, описаної та наведеної на малюнку 20. Результати розрахунків
наведено в таблиці 10.
63
Видно, що в усіх випадках у разі зміни характеру поверхні землі - від
пористої (G=1) до твердої (G=0) - відбувається збільшення рівнів звуку, що
пояснюється зміною поглинаючих властивостей поверхні землі. Результати
розрахунків дають змогу зробити висновок про необхідність урахування
характеру поверхні, над якою відбувається поширення шуму.
Таблиця 10 - Рівні звуку в розрахункових точках (h=1,5 м) залежно
від показника поверхні
рівень звуку, дБА
Розрахункова точка
G=1 G=0,5 G=0
перед першим рядом 88,9 89,0 89,2
Район
перед другим рядом 72,7 74,4 76,3
"А"
за другим рядом 71,8 73,5 75,4
перед першим рядом 98,5 100,3 102,1
Район
другий ряд (поза тінню) 88,5 88,7 88,9
"Б"
другий ряд (у тіні) 77,7 79,4 81,2
64
ГЛАВА 5. ЗНИЖЕННЯ ШУМУ ПАРОВИХ ВИКИДІВ ГЛУШНИКАМИ
Необхідність установлення парових глушників на вихлопах
трубопроводів треба для того щоб не допустити перевищення допустимих
значень рівнів звуку в чутному діапазоні та за інфразвуком за чинними
санітарними нормами [38, 46, 48].
Механізм генерації шуму і конструкція шумоглушника визначаються
режимом витікання парового струменя. Режим витікання залежить від
витрати скидаємої пари G0 , параметрів пари за клапаном (тиску ркл і
температури tкл ), а також внутрішнього діаметра вихлопного трубопроводу
dвн , що визначає площу прохідного перерізу Sтр . Заходи щодо зниження
шуму від недорозширених парових струменів полягають у забезпеченні
плавного розширення парового струменя зі зниженням тиску до
атмосферного [19, 28]. Розширення за допомогою дроселювання може
здійснюватися в перфорованій решітці, сітці або засипному каналі.
5.1 Боротьба з шумом парових викидів
Найефективнішим способом зниження шуму парових викидів є
встановлення на вихлопні трубопроводи глушники шуму. Основні вимоги,
що висуваються до конструкцій парових глушників [21, 28]:
– висока акустична ефективність;
– помірні масогабаритні розміри глушника;
– висока надійність;
– низький гідравлічний опір;
– можливість роботи парових глушників за від'ємних температур
навколишнього середовища;
– можливість роботи при високій температурі пари и
критичних значеннях перепадів тиску;
65
– технологічність в виготовленні и легкий монтаж
пристроїв із шумоглушіння;
– мінімальні капітальні витрати.
Основні принципи під час розроблення парових глушників:
– послідовне збільшення прохідних перетинів;
– рівномірність розподілу швидкості по прохідному перерізу;
– досягнення атмосферного тиску в потоці до вихідного перетину.
Останнім часом для внутрішнього заповнення глушників набули
поширення металеві сітки і пористі матеріали з діаметром осередку від 1 до
5 мм, які використовуються як дроселі. Виготовлення багатоступеневих
дросельних пристроїв з великою кількістю решіток є трудомістким, тому
існує тенденція їхньої заміни на пристрої безперервного дроселювання, які
реалізують у формі каналів, заповнених грубозернистими або сітчастими
елементами .
Існують різні конструкції парових глушників.За кордоном поширені
розробки компаній Glaunach, Penn Separator Corporation, Fluid Kinetics
Corporation [56, 57, 13].
Парові глушники можуть бути дисипативного, реактивного або
комбінованого типу. Маса глушників коливається від 0,3 до 5 т, а акустична
ефективність глушників змінюється в діапазоні високих частот від 20 до 43
дБ. Збільшення акустичної ефективності пов'язане, як правило, зі
збільшенням габаритних розмірів, маси та гідравлічного опору глушника.
Існує низка захищених патентами рішень зарубіжних авторів, що
дають змогу знизити шум під час викидів пари під час підриву запобіжних
клапанів або продувок котла. [62,65]
Деякі іноземні компанії-виробники, наприклад, компанія
"Fluid Kinetics Corporation" (США) представляють глушники, що
складаються з декількох концентричних перфорованих кілець-решіток [56].
Виробники зазначають, що особливістю глушника є спеціальний метод
розміщення решіток і прораховані розміри вихідних отворів, які дають
66
змогу створити особливий гідродинамічний ефект під час витікання пари і
використовувати взаємне гасіння звукових хвиль. У глушнику системи
американської компанії
"PennSeparator Corp." пар спрямовується через розпилювач, що являє собою
вертикальну циліндричну решітку [13], де перетворюється на сотні
маленьких реактивних струменів. Такий самий процес відбувається і в
другому ступені глушника. Однак другий ступінь призначений також для
закручування потоку, що забезпечує рівномірний вихід газів в атмосферу.
Приблизно таких самих принципів дотримується і відомий виробник
шумоглушників компанія "Glaunach" [57].
Останнім часом у конструкціях парових глушників компаній "Fluid Kinetics
Corporation", "PennSeparator Corp.", "Glaunach" та інших намітилася загальна
тенденція поєднувати різні механізми зниження шуму: дроселювання, що дає
змогу плавно знизити тиск потоку, із застосуванням звукопоглинаючих
матеріалів. Зазначені фірми-виробники заявляють про акустичну ефективність
глушників від 25 до 60 дБА. Схеми глушників наведено на малюнках 31 і 32.
Однак дані про результати акустичних випробувань, параметри пари, на які
розраховані ці конструкції, витрати пари, що скидається, відсутні, тому
оцінити ефективність роботи глушників, що розглядаються, не є можливим.
Малюнок 31 - Схема глушника фірми "Fluid Kinetics Corporation"
67
Малюнок 32 - Схема глушника фірми "Glaunach"
68
5.2 Оцінка похибки визначення акустичної ефективності парового
глушника
Акустичну ефективність парового глушника, дБ, визначають згідно з
формулою[53]:
p p
(27)
де св
p L - рівень звукового тиску, дБ, при вільному викиді пари;
Lгл
p - рівень звукового тиску, дБ, при викиді пари через глушник.
Тоді абсолютна похибка, дБ, розрахунку акустичної ефективності
визначатиметься як:
∆Lрсв - абсолютна похибка, дБ, визначення рівня звукового тиску при
вільному викиді пари;
∆Lгл
p - абсолютна похибка, дБ, визначення рівня звукового тиску при
викиді пари через глушник.
Похибки вимірювань ∆Lрсв і ∆Lргл розраховуються як:
де ∆ L̄̄ i
p - довірчий інтервал середнього значення УЗД, дБ, визначений для
довірчої ймовірності 0,95;
∆Lпр = 0,7 дБ - абсолютна похибка шумоміра;
∆Ld - похибка вимірювань, дБ, пов'язана з похибкою визначення відстані від
місця викиду пари до точки вимірювань, яка розраховується за формулою:
69
де ∆d = 0,05 м - похибка вимірювання відстані від місця викиду пари до точки
вимірювань.
Результати розрахунку похибки вимірювань наведено в таблиці 13.
Таблиця 13 - Похибка визначення акустичної ефективності глушника викиду
пари
Рівні звукового тиску, дБ, в октавних смугах із Рівень
середньогеометричними частотами, Гц звуку,
Найменування
дБА
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
без глушника 101,2 104,5 111,9 118,1 124,0 129,5 130,4 128,6 123,9 135,5
шуму
стандатне
0,55 1,00 0,34 1,15 0,47 0,59 0,62 0,54 0,46 0,76
відхилення
довірчий 0,46 0,84 0,29 0,96 0,39 0,50 0,52 0,45 0,38 0,64
інтервал
похибка 0,84 1,09 0,76 1,19 0,80 0,86 0,87 0,83 0,80 0,95
вимірювань
з глушником 84,9 94,3 91,0 93,8 94,3 95,9 98,7 99,4 98,7 105,1
шуму
стандартне
0,87 2,04 0,88 0,64 0,74 0,89 0,67 0,58 1,25 0,61
відхилення
довірчий
0,36 0,84 0,36 0,27 0,31 0,37 0,27 0,24 0,52 0,25
інтервал
похибка
0,79 1,10 0,79 0,75 0,76 0,79 0,75 0,74 0,87 0,74
вимірювань
Акустична
16,3 10,2 20,9 24,3 29,7 33,6 31,7 29,2 25,2 30,5
ефективність
результуюча 1,2 1,5 1,1 1,4 1,1 1,2 1,2 1,1 1,2 1,2
похибка
Результуюча похибка визначення акустичної ефективності парового глушника
складається з: похибки вимірювання УЗД, похибки, пов'язаної з визначенням
відстані від місця викиду пари до точки вимірів, та інструментальної похибки, яку
визначає точність вимірювальної апаратури (шумоміра).
70
5.3 Конструкції глушників
Модель глушника представлена на малюнку 37. Глушник містить
багатоступеневий корпус 1, що складається з двох ступенів шумоглушіння та
камери розширення. Перший ступінь шумоглушіння 2 призначений для
плавного зниження швидкості та тиску пари, що скидається. Для плавного
розширення потоку пари в першому ступені глушника застосовано
спірально згорнуту сталеву плетену одинарну сітку 3. Сітка в ступені
утримується перегородками 4, виконаними зі смуги. Для плавного
зниження тиску і швидкості пари в першому ступені використовується два
етапи розширення. Відмінною особливістю є те, що перший ступінь
шумопоглинання 2 має внутрішнє облицювання звукопоглинальним
матеріалом з різними значеннями товщини по висоті.
Для зниження швидкості пари до розрахункової величини на виході
першого ступеня розташована камера розширення 5. Зниження шуму до
необхідної величини здійснюється в другому ступені шумопоглинання 6, що
складається з центрального елемента у вигляді куліси 7 з обтічником 8 і
облицювання внутрішньої поверхні корпусу глушника 9
звукопоглинальним матеріалом 10. Куліса глушника утримуються за
рахунок радіальних нижнього і верхнього рядів металевих смуг
11 и 12. Усередині ступенів шумоглушіння розташований негігроскопічний
звукопоглинальний матеріал 10, який утримується від видування за
допомогою склотканини 13 і перфорованих циліндричних металевих
обичайок 14. На виході другого ступеня шумоглушіння розташований дах 15
для запобігання потрапляння атмосферних опадів у внутрішні порожнини
глушника. Для зливу конденсату в нижній частині першого ступеня
передбачено дренажну ванну з відведенням конденсату, що накопичується,
через дренажну трубку. Зниження шуму пари, що скидається, в глушнику
відбувається завдяки плавному зниженню швидкості в глушнику, а також
завдяки поглинанню звукової енергії звукопоглинальним матеріалом, який
розміщено у всіх ступенях шумоглушіння.
Розроблений глушник за порівнянної акустичної ефективності
простіший у виготовленні, має менш7и1й гідравлічний опір і масу.
72
15
12
1
13
7 14
10
8
9
11
4
2
3
Малюнок 37 - Модель глушника вихлопу пари з надлишковим тиском
73
У глушнику використовується ступінь дроселювання, що дає змогу
поступово знизити надлишковий тиск пари до атмосферного, водночас у
них містяться два шари звукопоглинаючого матеріалу з різною товщиною,
розташовані послідовно. Другий ступінь глушника має в центрі
стабілізуючий звукопоглинальний пристрій у вигляді обтічного циліндра з
перфорованими бічними стінками.
На основі розглянутих конструкцій глушників розроблена і
запропонована власна конструкція пристрою шумоглушіння (Рис. 38).
74
8
9
5
3
4
7
4
3
6
5
2
1
Малюнок 38 - Модель глушника вихлопу пари з атмосферним тиском
Глушник, модель якого представлено на малюнку 38. Глушник
встановлюється на вихлопний трубопровід 1. Зниження шуму здійснюється
у два етапи: попередньо знижується швидкість пари під час проходження
75
дифузора 2, а основна частина звукової енергії поглинається
матеріалом пластин 3, що встановлюються в корпусі 4. Для недопущення
вторинного шумоутворення при вході потоку пари в пластини, а також для
зниження гідродинамічного опору глушника на пластини встановлюються
обтічники 5. Глушник приварюється до вихлопного трубопроводу, а для
надання конструкції жорсткості встановлюються ребра 6.
Звукопоглинальний матеріал у пластинах 3 утримується за допомогою
перфорованих металевих листів 7. Для захисту від потрапляння
атмосферних опадів всередину встановлюється дах 8, що кріпиться за
допомогою стійок 9 до корпусу 4 глушника.
Виготовлені експериментальні зразки глушника були встановлені на
двох вихлопних трубах і показали свою ефективність в процесі
експлуатації.
76
РОЗДІЛ 6.ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ
СИТУАЦІЯХ
77
ВИСНОВКИ
1.На основі математичного моделювання затопленого парового струменя
проведеного в нестаціонарному режимі встановленні закономірності
випромінювання шуму паровими струменями різних параметрів на ТЕЦ.
2. Запропоновано метод для визначення акустичного центру джерела шуму.
Обґрунтовано застосування зазначеного методу для парового струменя.
Показано відповідність результатів математичного моделювання результатам
експерименту.
3. За допомогою методу визначення акустичного центру знайдено ділянки
парового струменя (G=41,2 кг/с, pk =0,386 МПа, tk =396°С), що
випромінюють шум із тією чи іншою частотою. Розташування акустичного
центру змінюється від k=2 калібрів (калібр дорівнює внутрішньому діаметру
вихлопного трубопроводу) на низьких частотах (ƒср =63 Гц) до k=11,8
калібрів - на високих (ƒср =4000 Гц).
4. Проведені акустичні розрахунки за допомогою спеціалізованої програми
Predictor дали змогу встановити особливості розповсюдження звуку від
парового викиду відносно розміщення житлових будинків.
5. Показано, що рівень необхідного зниження шуму в розрахунковій точці
залежно від пори року становить 2,3-8,4 дБА. Рекомендовано враховувати
зміну рівнів звуку та звукового тиску в розрахунковій точці протягом року
нормативними вимогами під час розроблення заходів із шумоглушіння.
6. Запропонована оригінальну конструкцію парового глушника для зниження
шуму.
78
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
ДОД7А9 ТКИ