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Jul 21, 2023

InTech APR23 Additive Fertigung – Leisere Regelventile

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Regelventilgeräusche sind in vielen Anlagenumgebungen ein Problem. Das Geräusch wird durch sehr hohe Druckabfälle an einem Ventil erzeugt, die hohe Dampfgeschwindigkeiten erzeugen, wenn sich die Flüssigkeit durch die verengten Durchgänge im Ventilkörper bewegt. Aerodynamischer Lärm hängt stark von der Gasgeschwindigkeit ab, sodass Anwendungen mit hohem Durchfluss und hohem Druckabfall sehr schnell ohrenbetäubende Geräuschpegel erreichen. Diese Art von Lärm kann das Gehör schädigen und mit der Zeit Schläuche, empfindliche Geräte, nahegelegene Rohrverbindungen und Ventilkomponenten zerstören.

In der Vergangenheit wurden zur Bewältigung dieses Problems geräuscharme Innengarniturkonstruktionen eingesetzt, diese Art von Lösungen sind jedoch in der Regel kostspielig und verringern die Durchflusskapazität erheblich. Allerdings haben additive Fertigungstechniken (3D-Legierungsdruck) eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten für Lösungen zur Geräuschreduzierung eröffnet. In diesem Artikel werden neue Designs beschrieben, die kürzlich eingeführt wurden oder in den nächsten Monaten verfügbar sein sollen.

Anlagen sind voller lauter Lärmquellen, darunter große Geräte, Prozessentlüftungen und Kolbenpumpen. Viele dieser Geräusche sind Punktquellen (Abbildung 1A) und die Schallpegel nehmen im Quadrat zur Entfernung ab. Regelventile sind eine weitere häufige Schallquelle in Industrieumgebungen. In diesem Fall geht der Schall jedoch tatsächlich sowohl vom Ventil als auch vom Rohr aus und erzeugt eine lineare Quelle, wenn das nachgeschaltete Rohr lang genug ist (Abbildung 1B). Während eine Punktquelle mit dem Quadrat der Entfernung an Schallintensität verliert, nimmt die Intensität einer linearen Quelle direkt proportional mit der Entfernung ab, was zu größeren Problemen für das Anlagenpersonal führt.

Häufige Ursachen für durch Steuerventile erzeugte Geräusche sind mechanische Vibrationen interner Komponenten, aerodynamische Geräusche durch turbulente Gasströmung und hydrodynamische Geräusche durch Kavitation. Der Schall außerhalb des Rohrs stellt bei Pegeln über 85 dBA eine Gefahr für das Gehör dar, und Pegel über 110 dBA können Ventilkomponenten und angrenzende Rohrverbindungen beschädigen und sollten daher vermieden werden (Abbildung 2).

Normalerweise gibt es zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen: Entweder wird der Schallpfad eingeschränkt, sodass der Schall nicht in die Umgebung gelangen kann, oder die Schallerzeugung an der Quelle wird verhindert. Schallschutzlösungen nutzen üblicherweise dicke Rohre, starke Isolierung und/oder Akustikdecken, um den Lärm zu blockieren. Diese funktionieren gut und sind kostengünstig, aber diese Lösungen haben Einschränkungen.

Die erreichbare Lärmreduzierung ist in der Regel etwas begrenzt, und diese Techniken neigen dazu, mit der Zeit an Wirksamkeit zu verlieren, da die Isolierung zusammenbricht und Akustikdecken während der Wartung entfernt und nicht ordnungsgemäß wieder installiert werden. Unabhängig davon, wie gut sie funktionieren, lösen Schallpfadlösungen nicht das grundlegende Problem, dass Schallpegel über 110 dBA zu Schäden an der Ausrüstung führen können.

Die Standardlösung zur Bekämpfung von Ventilgeräuschen ist der Einbau geräuscharmer Ventilgarnituren, um die Geräuschentwicklung an der Quelle zu reduzieren. Bei diesen Konstruktionen wird die Strömung in der Regel in mehrere Strömungspfade aufgeteilt oder sie nehmen kleinere Druckabfälle über mehrere Stufen hinweg auf, um die Gesamtströmungsgeschwindigkeit zu verringern und den Gesamtschallpegel zu senken. Auch diese Technologie funktioniert gut, weist aber auch Einschränkungen auf:

Geräuscharme Innengarnituren neigen dazu, die Durchflusskapazität des Ventils erheblich einzuschränken, sodass größere Ventilkörper erforderlich sind, um die gleiche Durchflussrate durchzulassen.

Geräuscharme Innengarnituren sind in der Regel viel teurer als Standard-Ventilgarnituren, da zur Herstellung dieser Konstruktionen eine aufwendige Bearbeitung erforderlich ist.

Geräuscharme Innengarnituren sind für Drehventile oft nur begrenzt anwendbar.

Mit dem Aufkommen der additiven Fertigung hat sich die Landschaft der Geräuschlösungen für Regelventile dramatisch verändert, da es nun möglich ist, schnell und wirtschaftlich sehr komplexe Innengarniturkonfigurationen zu erstellen.

Diese neue Fähigkeit hat neue Lösungen zur Geräuschreduzierung hervorgebracht, die eine sehr hohe Geräuschreduzierung bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen Durchflusskapazität ermöglichen.

Glücklicherweise hat die additive Fertigung völlig neue Ausstattungskonfigurationen ermöglicht, die den Geräuschpegel erheblich reduzieren können (Abbildung 3). Beispielsweise können durch additive Fertigung hergestellte In-Ball-Dämpfer eine Schallpegelreduzierung von bis zu 18 dB für Rotationsverkleidungen der nächsten Generation bewirken. Diese Geräuschreduzierungswerte werden unter weitgehender Beibehaltung der hohen Durchflusskapazitäten erreicht, die bei Zellenradschleusen üblich sind. Dies kann in einer typischen Anwendung erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber Alternativen zu Durchgangsventilen ermöglichen.

Eine neue Generation von Ausstattungsvarianten kommt auf den Markt, um das Problem der Durchflusskapazität zu lösen (Abbildung 4). Diese neuen Stile nutzen sehr komplexe Strömungskanäle und wurden erst kürzlich durch additive Fertigung ermöglicht.

Mit der gleichen additiven Fertigungstechnologie können auch Verkleidungsdesigns erstellt werden, die ein Höchstmaß an Schallreduzierung erreichen (Abbildung 5). Diese Innengarnituren beeinträchtigen zwar die Durchflusskapazität, können jedoch in sehr schwierigen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen herkömmliche Lösungen zur Geräuschreduzierung unzureichend sind. Diese geräuscharmen Innengarniturdesigns runden eine Reihe bestehender Low-dB-Lösungen ab, mit denen ein breites Spektrum an Anforderungen an Geräuschreduzierung, Ventilkapazität und Installationskosten abgedeckt werden kann.

Eine bereits auf dem Markt erhältliche Option nutzt eine völlig andere Methode zur Reduzierung des Steuerventilgeräuschs. Es handelt sich um ein passives Gerät, das ähnliche Konzepte wie Autoschalldämpfer verwendet und zerstörerische Schallresonanz nutzt, um Geräusche auszugleichen und zu unterdrücken (Abbildung 6). Ursprünglich in den 1980er-Jahren als Forschungsprojekt an einer Hochschule konzipiert, wurde die Technologie jahrzehntelang auf Eis gelegt, bis es vor Kurzem durch die additive Fertigung wirtschaftlich möglich wurde, ein Muster zu entwickeln, um das Bauteil als Gussbaugruppe herzustellen.

Der Modaldämpfer besteht aus einer Reihe sorgfältig konstruierter Resonanzhohlräume, um eine Schallreduzierung über ein breites Frequenzspektrum hinweg zu gewährleisten. Das Design mit voller Bohrung ermöglicht einen uneingeschränkten Durchfluss und interne Abflusskanäle leiten Kondensat ab, das sich im Gerät ansammeln und die Leistung beeinträchtigen könnte. Direkt hinter dem Ventil installiert, erreicht der Modalschalldämpfer eine Gesamtschallreduzierung von bis zu 15 dBA, ohne dass dabei die Durchflusskapazität in irgendeiner Weise eingeschränkt wird. Das Gerät kann an vorhandenen Ventilen verwendet oder mit einem geräuscharmen Steuerventil kombiniert werden, um eine noch höhere Geräuschreduzierung zu erreichen. Im Gegensatz zu Diffusoren oder Schalldämpfern arbeitet der Modaldämpfer konstant über einen weiten Bereich von Durchflussraten.

Wenn Sie mit dem Geräuschproblem eines Regelventils konfrontiert sind, lohnt es sich, sich die Zeit zu nehmen, die vielen neuen Optionen zu untersuchen, die seit kurzem verfügbar sind oder eingeführt werden. Die additive Fertigung hat das Spektrum der Möglichkeiten erheblich erweitert, und es werden jetzt viele Lösungen angeboten, die die anspruchsvollsten Anwendungen zur Geräuschdämpfung von Regelventilen abdecken. Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung von Emerson

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Grady Emswiler ist Produktmarketingmanager für Engineered Products bei Emerson. Obwohl sie neu im Unternehmen ist, verfügt sie über Erfahrung im Produktmarketing in verschiedenen Branchen. Emswiler hat einen Bachelor of Science in Marketing von der Iowa State University.

Mike Hoyme ist Produktmanager für Fisher Rotary Valves. Er ist ein zertifizierter Experte für funktionale Sicherheit mit 10 Jahren Erfahrung in der Ventiltechnik und im Produktmanagement und sein Ziel ist es, endgültige Elemente für sicherheitsinstrumentierte Systeme (SIS) zu entwickeln, die sowohl die Sicherheit als auch die Prozessverfügbarkeit verbessern. Hoyme hat einen Bachelor of Science in Maschinenbau von der South Dakota School of Mines and Technology.