4. Berechnung der Schallemission

4. Berechnung der Schallemission

4.1. Schallentstehung bei Stellventilen

Die bei bestimmten Betriebsbedingungen unter Umständen hohe Schallemission durch Stellgeräte ergibt sich aus den inneren Strömungsvorgängen, die Fluidschall in Form von Druck- und Geschwindigkeitspulsationen im strömenden Medium erzeugen (Strömungszustände bei Stellventilen). Diese pflanzen sich mit der Schallgeschwindigkeit des Mediums in die Rohrleitungen fort und regen diese zu mechanischem Schwingen an.

Fluidschall --> innere Schalleistung

Körperschall --> äußere Schalleistung

geschlossenes Rohrleitungssystem

äußere < innere Schalleistung

Luftschall aus äußerer Schalleistung

offenes Rohrleitungssystem (Ausblasung ins Freie bei Gasen)

äußere = innere Schalleistung

Luftschall aus innerer Schalleistung

Die Schallabstrahlung erfolgt daher primär von den Rohrleitungen, und nur in geringem Maße von dem Ventilgehäuse. Ein wichtiges Schallmaß ist somit zunächst die in die Rohrleitungen ausgesendete innere Ventilschalleistung. Sie wird durch nachstehende Strömungsvorgänge (Drosselung) im Inneren der Stellgeräte verursacht.

bei kompressiblen Durchflußmedien (Gase und Dämpfe)

Turbulenzen infolge des mit hoher Geschwindigkeit aus dem
Drosselquerschnitt ("vena contracta") austretenden Strahles
(Turbulente Strömung) führen zu Verwirbelungen und Ablösungen
mit breitbandigen Geräuschen.

Bei Erreichen von Schallgeschwindigkeit und weiterer Absenkung
des Minderdruckes (überkritische Entspannung) treten erhebliche
Schallpegelerhöhungen mit tonalem Charakter aufgrund periodisch hin-
und herpendelnder Verdichtungsstöße im Überschallbereich hinter der
Drosselstelle auf (Abschnitt Überkritische Strömung).

Es entstehen überlagerte Geräusche wegen zu hoher Strömungsge-
schwindigkeiten im Ventilausgangsquerschnitt (>0.3-fache Schall-
geschwindigkeit), insbesondere durch Ablösung und Verdichtungsstöße
in den oft verwendeten diffusorartigen Erweiterungen hinter dem Ventil
(Abströmungsgeschwindigkeit in der Nachruckrohrleitung).

bei inkompressiblen Durchflußmedien (Flüssigkeiten)

Infolge Druckabsenkung auf den Dampfdruck der Flüssigkeit im Drosselstellen-
bereich kommt es zur Dampfblasenbildung und zur anschließenden Implosion
wegen des Druckrückgewinnes (Kavitation und Flashing), was sich bei Kavitations-
beginn als prasselndes, plötzlich einsetzendes Geräusch bemerkbar macht.

mediumsunabhängig

Es bilden sich mit hohen Frequenzen periodisch abschwimmende Wirbel im
Strahlvermischungsgebiet aufgrund kleiner Differenzdrücke bzw. Durchfluß-
mengen im unteren Stellbereich aus, verstärkt durch Resonanzen und
Rückkopplungseffekte im Ventilinneren (Dichtungsschwingungen) und in
Verbindung mit dem gesamten Anlagensystem; Folge: unangenehme Pfeiftöne,
die z.B. in heizungstechnischen Anlagen auf keinen Fall akzeptabel sind.
Solche Geräusche sind im Gegensatz zu den vorher genannten nicht
vorausberechenbar.

Infolge der Anregung durch die Strömung kann es zu mechanischen
Vibrationen der inneren Ventilteile kommen, welche wegen der Zerstörungs-
gefahr unbedingt zu vermeiden sind, z.B. durch doppelte Kegelführung beim
schwingungsanfälligen Parabolkegel oder besser durch V-Port-Kegel mit
zusätzlicher Führung im Sitz und definierter Richtkraft radial zur Kegelachse,
die für -Werte > 10 bei SAMSON-Hubstellventilen fast immer eingesetzt werden.

4.2. Wichtige Einflußgrößen für die Höhe der Schallemission

Einen guten Überblick und eine schnelle Abschätzung der Größenordnung der Schallemission ermöglicht die VDMA-Methode 24422 in der Fassung von 1979 (alte VDMA-Norm).

kompressible Medien (Gase und Dämpfe), VDMA 24422 (1979)

Ventileintrittsdruck [bar abs.]

Ventileintrittstemperatur [K]

Normdichte , Normbedingungen

Druckverhältnis bzw. Differenzdruckverhältnis

Ventil-Korrekturglied (Bauart), Standardventile ohne spezielle
schallmindernde Maßnahmen = 0 dB

Rohrleitungskorrekturglied, , für Nenndruck 40 = 0 dB

Schalldruckpegel in [dB(A)] in 1m Abstand zur Rohrleitung hinter Ventil

Man erkennt, daß der Schalldruckpegel mit wachsendem Eingangsdruck , wachsender Temperatur am Eingang, mit größerem Differenzdruckverhältnis x und steigendem (Massenstrom) zunimmt. Mit höherer Normdichte fällt der Schallpegel. Typische gemessene Schallpegel-Verläufe für Hubstellventile über dem Differenzdruckverhältnis x zeigt das nachstehende Bild., -Druck und Temperatur sind konstant. Die beiden Pegelkurven sind für ein Standardventil mit V-Port-Kegel und das gleiche Ventil bei gleicher -Wert-Einstellung mit einem Strömungsteiler III als geräuschmindernde Primär-Maßnahme. Man kann bei x=0.5 eine Schallminderung von ablesen.

Dieses Bild zeigt aber auch, daß bei einer wie hier vorhandenen diffusorartigen Rohrerweiterung hinter dem Ventil (Abströmgeschwindigkeit) und Machzahlen im Ventilausgangsquerschnitt > 0.3 schallmindernde Maßnahmen im Ventil in ihrer Wirkung erheblich nachlassen können. Normalerweise nimmt die Schallminderung von Elementen wie Strömungsteilern mit steigendem Differenzdruckverhältnis x zu, so daß bei x=1 durchaus -Werte von - 30 dB erreicht werden können. Das Ventilauslegungsprogramm berücksichtigt im Schallberechnungsverfahren SAMSON-Standard diese Effekte.

inkompressible Medien (Flüssigkeiten), VDMA 24422 (1979)

Ventileintrittsdruck [bar abs.]

Dampfdruck [bar abs.] (temperaturabhängig)

Dichte am Eingang [kg/m3]

Differenzdruckverhältnis

-Wert [m3/h]

Ventil-Korrekturglied (Bauart), Standardventile ohne spezielle
schallmindernde Maßnahmen = 0 dB

Ventil-Kennwert: z-Wert (auslastungsabhängig)

Rohrleitungskorrekturglied, , für Nenndruck 40 = 0 dB

Schalldruckpegel in [dB(A)] in 1m Abstand zur Rohrleitung hinter Ventil

kavitationsfrei

Kavitation

Man erkennt, daß der Schalldruckpegel mit wachsender Differenz zwischen dem Eingangsdruck und dem Dampfdruck sowie größerem Differenzdruckverhältnis und steigendem -Wert (Massenstrom) zunimmt. Mit höherer Dichte fällt der Schallpegel. Der im Bereich 0 bis 1 liegende z-Wert sollte möglichst hoch sein.

Einen typischen Schallpegel-Verlauf über dem Differenzdruckverhältnis enthält das nachstehende Bild.-Wert, -Druck und Dampfdruck sind konstant.

Es sind Berechnungs- und Meßergebnisse dargestellt.

Die Kavitation beginnt, wenn das Differenzdruckverhältnis den Ventilkennwert z-Wert überschreitet. Es kommt zu einem prasselnden Geräusch, das sehr schnell um 20 bis 30 dB(A) gegenüber dem Schallpegel ohne Kavitation zunimmt. Aufgrund der kleiner werden Blasenimplosionsdruckdifferenz mit steigendem und bzw. durch die hohe Mediumskompressibilität wegen starker innerer Dampfbildung nimmt der Schallpegel wieder ab. Er erreicht nahezu den Schallpegel, wie er sich ergeben würde, wenn man die Schallpegelkurve im turbulenten Bereich vor der Kavitation bis zu (Flashing, bleibende Ausdampfung auf der Minderdruckseite) extrapoliert.

Obiges Bild zeigt, daß VDMA 24422 (1979) gerade in diesem Bereich zu hohe Schallpegel berechnet. Umfangreiche Messungen auf dem Prüfstand der SAMSON führten zu folgender Korrektur über .

Bei Absenkung des Nachdruckes unter den Dampfdruck erfolgt aufgrund der zunehmenden Geschwindigkeiten auf der Minderdruckseite bei annähernd gleichem Massenstrom ein Wiederanstieg mit asymptotischen Annähern an einen Grenzwert. Messungen der SAMSON AG führten zu folgender Gleichung:

Der z-Wert ist nicht zu verwechseln mit dem amerikanischen -Wert, ab dem die Dampfblasenbildung im Kern des "vena contracta"-Strahles eintritt und die quadratische Durchflußcharakteristik nicht mehr gilt. Dieser -Wert ist somit stark gekoppelt an den FL-Wert für Durchflußbegrenzung (). Bei beginnender Kavitation - festgelegt durch den akustisch zu bestimmenden z-Wert - entstehen in den strahlrandnahen Bereichen Scherschichten mit Wirbelbildung, in deren Zentren der Dampfdruck erreicht wird. Die sich am Strahlrand und nicht im Strahlkern formierenden Dampfblasen werden zur Minderdruckseite mitgerissen und zerfallen dort implosionsartig (s. Kavitation und Flashing). Dieser Zustand birgt in der Regel noch keine Gefahr der Werkstoffzerstörung in sich, mit der näherungsweise erst für zu rechnen ist, allerdings erst für ausreichend hohe Druckdifferenzen 25 bar.

Das nachstehende Diagramm zeigt, daß sich erhebliche Falschinformationen ergeben können, wenn man anstatt den korrekten z-Wert den -Wert in die Schallberechnungsgleichungen einsetzt.

Hubstellventile haben einen relativ engen - bzw. -Wert-Bereich, während der z-Wert viel stärker von der Drosselgarniturgestaltung abhängt. Standardventile ohne spezielle geräuschminderne Maßnahmen im Nennweitenbereich haben bei 75% Auslastung z-Werte unter z=0.35. Gerade bei Hubstellventilen kann durch spezielle Gestaltung der Drosselgeometrie (z.B. in Form des hydraulischen Durchmessers ) der z-Wert erheblich angehoben werden.

4.3. Übersicht Schallberechnungsnormen

Die heute verwendeten Berechnungsmethoden gelten für die Schallentstehung durch Turbulenz, Verdichtungsstöße und Kavitation. Ein vollkommenes Modell ist nicht bekannt.

Mit der VDMA-Richtlinie 24422 (1979) (Abschnitt 4.2) entwickelte ein Arbeitskreis führender deutscher Stellgerätehersteller und Anwender aus der chemischen Industrie auf empirischer Basis ein einfaches, außer bei Grenzbereichen (Entspannung ins Vakuum oder ins Freie, sehr kleine Differenzdrücke) bewährtes Berechnungsverfahren zur Vorhersage der Schallemission von Stellventilen ohne besondere schallmindernde Maßnahmen in Form des in 1 m Abstand zum Ventil anzugebenden Schalldruckpegels. Danach berechnete Schallpegel geräuscharmer Ausführungen sind mit den Termen für Gase und Dämpfe und für Flüssigkeiten korrigierbar.

Die Planer komplexer Anlagen benötigen allerdings häufig die spektrale Verteilung der im Ventil umgesetzten und in die angeschlossene Anlage abgestrahlten Schalleistung. Demzufolge wurde 1989 eine vollkommen neu überarbeitete Fassung der VDMA-Richtlinie herausgebracht, die von der im Ventil induzierten Innenschalleistung ausgeht. Die Ermittlung der frequenzabhängigen Rohrschalldämmung hinsichtlich der von der Rohrleitung abgestrahlten Schalleistung wurde von der VDI-Richtlinie 3733 (Geräusche bei Rohrleitungen) übernommen.

Diese Verfahren wurde für Flüssigkeitsströmungen in den Teil 8-4 der EN 60534 integriert. Für Gas- und Dampfströmungen implementierte man 1994 ein US-amerikanisches, ebenfalls auf der Innenschalleistung basierendes Verfahren als Teil 8-3 .

Alle diese Verfahren haben an gewissen Stellen Schwachstellen, wobei die VDMA-Richtlinie 24422 (1989) in Verbindung mit der VDMA-Schallmeß-Richtlinie 24423 (1993) (Messung der Innenschalleistung) die besten Möglichkeiten bietet. Dieser Weg wurde bei der SAMSON AG durch umfangreiche Schallmessungen (Innen- und Außenschallmessungen mit Wasser, Luft und Wasserdampf) in den letzten Jahren durchgeführt.

Im Ventilauslegungsprogramm werden daher die folgenden Schallberechnungsnormen angeboten, wobei zunächst immer das SAMSON-Standard-Verfahren verwendet wird. Die notwendigen Kennwertvorschläge im Programmablauf sind bei freier Angabe an SAMSON-Hubstellventile orientiert, ansonsten sind sie bei Verwendung der SAMSON Datenbank an die jeweilige Bauart gekoppelt. Das SAMSON-Standard-Berechnungsverfahren ist quasi die VDMA-Richtlinie 24422 (1989) mit an Messungen angepaßten Eingabe-Kennwerten und zusätzlichen Modifikationen an den Originalgleichungen, wo diese deutlich von der Realität abweichen (z.B. differenzdruckabhängig, Frequenzverteilung vor allem bei Flüssigkeiten).

kompressible Durchflußmedien (Gase und Dämpfe)

VDMA 24422 (1979)

VDMA 24422 (1989)

EN 60534 T.8-3

SAMSON modifiziert auf Basis VDMA 24422 (1989) und VDMA 24423 (1993)

inkompressible Durchflußmedien (Flüssigkeiten)

VDMA 24422 (1979) variierbar über z, LF

VDMA 24422 (1989) identisch mit EN 60534 T. 8-4

SAMSON modifiziert auf Basis VDMA 24422 (1989) und VDMA 24423 (1993)

4.3.1. Innenschalleistung, Drosselleistung und akustischer Umwandlungsgrad

Im Abschnitt über Schallentstehung wurde der Schallentstehungsweg von der Ventildrosselstelle bis zum Luftschall über das Rohrleitungssystem dargestellt.

Die Innenschalleistung ist dabei die vom durchfließenden Medium jeweils in die Rohrleitungen ausgesendete Schalleistung, die z.B. verteilt über der Rohrleitungsinnen-Querschnittsfläche meßbar ist.

Alle neueren Schallberechnungsnormen wie VDMA 24422 (1989) und EN 60534 ist nun gemeinsam, daß diese Innenschalleistung der hydraulischen Drosselleistung proportional ist. Entsprechend der Theorie nach Lighthill hat man für diesen Zusammenhang einen akustischen Umwandlungs- oder Wirkungsgrad eingeführt, der im Gegensatz zu sonstigen technischen Anwendungen natürlich möglichst "schlecht" sein sollte.

Dafür sorgt allerdings auch allein schon die Physik, denn akustische Umwandlungsgrade haben von Haus sehr kleine Werte ca. .

Wegen des weiten und unhandlichen Zahlenbereiches wählt man meist die logarithmische Darstellung in Form von
,
so daß obiger Wertebereich in den Wertebereich -80 bis -30 dB (logarithmische Kennzeichnung) transformiert wird.

Der akustische Umwandlungsgrad hängt von der Ventilbauform, verschiedenen Kennwerten sowie vom Differenzdruckverhältnis ab.

Die folgenden beiden Bilder zeigen Beispiele für SAMSON-Hubstellventile für gasförmige und flüssige Medien (hier für VDMA 24422(1989)) bei 75% Auslastung.

Durch Umstellen der obigen Gleichung kann aus der Drosselleistung und dem akustischen Umwandlungsgrad die Schallinnenleistung berechnet werden. Allerdings wird wegen der kleinen Zahlenwerte auch bei der Leistung als Bezugsschalleistung die Hörschwellenleistung 10-12 Watt verwendet.

Bei kritischer Gasströmung können solche inneren Schalleistungspegel durchaus bei 140 dB und höher liegen. Bei einem Umwandlungsgrad von -30 dB (kritische Strömung) entspricht dies einer Drosselleistung von 10000 Watt.

Die VDMA-Richtlinie und EN 60534 unterscheiden sich hier in der Berechnung der Drosselleistung und des akustischen Umwandlungsgrades.

Die Drosselleistung ist proportional dem Produkt . Die Unterschiede werden in den Abschnitten für die einzelnen Normen deutlich.

4.3.2. Frequenzzusammensetzung der Innenschalleistung

Die Berechnung der Schallinnenleistung aus Drosselleistung und Umwandlungsgrad bezieht sich natürlich auf einen bestimmten Frequenzbereich (z.B. 500 bis 8000 Hz bei VDMA 24422 (1989)). Bei der Anlagenplanung ist aber unter Umständen auch die Frequenzzusammensetzung gefragt.

Daher hat man die Frequenzverteilungsfunktion F(f) als Quotient des einem Frequenzband mit dem Mittelwert f (z.B. Oktave) zugeordneten Schallinnenleistungsanteils zur Gesamtschallinnenleistung eingeführt. Bei Gebrauch der logarithmischen Schreibweise ergibt sich daraus:

Entsprechend der Theorie von Lighthill hat die Frequenzverteilung F(f) ein ausgeprägtes Maximum in einem Bereich, der sich mit dem Differenzdruckverhältnis x bzw. der Geschwindigkeit des aus der Drosselstelle austretenden Strahles (vena contracta) und dessen Durchmesser verändert. Lighthill hat hierfür die in der Strömungsakustik gebräuchliche Strouhalzahl St verwendet.

Dabei stellte er fest, daß z.B. bei unterkritischer Strömung das Maximum der Schalleistung immer im Bereich von 0.2 bis 0.3 liegt. Die Frequenzverteilungsfunktion war in ihrer Form immer ähnlich, so daß diese in einer Funktion F(St) zusammengefaßt werden konnte.

Das bedeutet, daß

die Frequenz des maximalen Schalleistungsanteils mit zunehmender
Strahlgeschwindigkeit bzw. mit abnehmenden Strahldurchmesser zunimmt

bei hohem Strahlgeschwindigkeitsniveau (Gase/Dämpfe, linker
Ast der Frequenzverteilungsfunktion)) der Schalleistungsanteil für
eine feste Frequenz mit zunehmender Strahlgeschwindigkeit bzw. mit
abnehmenden

bei niedrigem Strahlgeschwindigkeitsniveau (Flüssigkeiten, rechter Ast
der Frequenzverteilungsfunktion)) der Schalleistungsanteil für eine feste
Frequenz mit zunehmender Strahlgeschwindigkeit bzw. mit abnehmenden
Strahldurchmesser zunimmt

Nun ist die Drosselstelle eines Stellventiles kein "kreisrundes Loch", so daß man zusätzlich einen Ventil-Bauform-Korrekturfaktor benötigt, der von der geometrischen Form des Kegels und des Ventilgehäuses sowie der Ventilstellung abhängt.

EN 60534 Teil 8-3 (Gase und Dämpfe) macht es sich hier recht einfach und verwendet den Ventilformfaktor , der auch schon für die Ventilreynoldszahl benötigt wird.

Für überkritische Strömung verändert sich die Strouhalzahl für das Schalleistungsmaximum mit dem Differenzdruckverhältnis. Grundsätzlich wird aus dieser Kennzahl immer eine Peakfrequenz berechnet. Die Schalleistung und auch der akustische Umwandlungsgrad werden dieser Frequenz zugeordnet.

Messungen bei SAMSON zeigen, daß der Korrekturfaktor nur durch Messungen bestimmt werden kann und nicht einfach aus der Geometrie berechenbar ist. Er ist auch nicht unbedingt der gleiche wie bei der Durchflußberechnung.

Bei Gas- und Dampfströmungen sind in der Regel die Geschwindigkeiten immer so groß, daß die maximale Strouhalzahl (je nach Frequenz) im interessierenden Frequenzbereich kleiner als 0.3 ist, so daß der linke Ast der obigen Frequenzverteilungskurve maßgebend ist. Somit haben Frequenzen im empfindlichsten Frequenzbereich des menschlichen Gehörs zwischen 2000 und 4000 Hz meistens den Hauptanteil an der Schalleistung, weil höhere Frequenzen infolge der Rohrschalldämmung nicht nach außen dringen..

VDMA 24422 (1989) verwendet unabhängig vom Differenzdruckverhältnis einen 3dB-Zuwachs pro Oktavmittenfrequenz.

Bei Flüssigkeiten im turbulenten Bereich ist aufgrund der kleineren Geschwindigkeiten in der vena contracta eher der rechte Ast der Frequenzverteilungsfunktion wichtig, so daß VDMA 24422 (1989) hier einen 3dB-Abfall pro Oktavmittenfrequenz ansetzt, was auch auf den Kavitationsbereich übertragen wird.

Umfangreiche Messungen der SAMSON AG zeigen, daß diese Annahme falsch und daß die Frequenzverteilung wesentlich stärker vom Differenzdruckverhältnis abhängt, weil hier Turbulenz- und Kavitationsimplosionsmechanismen sich überlagern. Durch Einführen einer modifizierten Strouhalzahl für den Kavitationsbereich und Trennung der beiden Anteile erhält man ähnliche Verläufe für die Frequenzverteilungsfunktion wie Lighthill bei rein turbulenter Strömung.

Detaillierter wird hier in den Abschnitten für die Beschreibung der einzelnen Schallberechnungsnormen eingegangen. Es werden dort dann auch die frequenzabhängigen Anteile mit und .

4.3.3. Außenschalleistung, Außenschalldruckpegel und Rohrschalldämmung

In den meisten Fällen ist ein Stellventil an ein Rohrleitungssystem angeschlossen, so daß die von der inneren Schalleistung abhängige Außenschalleistung in Luftschall umgewandelt wird.

Die Außenschalleistung ist kleiner, weil die Rohrleitungsmasse zur Schalldämmung beiträgt, die aber stark frequenzabhängig ist.

Die Rohrschalldämmung ist somit als das Verhältnis der Innenschalleistung zur Außenschalleistung definiert. Auf die Innenwand der Rohrleitung wirken die Schalldruckschwankungen (innerer Schalldruckpegel) des fließenden Mediums ein.

Der Schallinnenleistungspegel ist bekanntlich auf den Rohrinnenquerschnitt bezogen. Unter der Voraussetzung von Reflexionsfreiheit (!) ist der innere Schalldruckpegel konstant im Rohrinnenvolumen. Die auf die Rohrinnenmantelfläche bezogene Schallinnenleistung ergibt sich somit über das Flächenverhältnis.

In logarithmischer Schreibweise ergibt sich die Rohrschalldämmung in dB als

Differenz von Innenschall- und Außenschalleistungspegel.

Die Rohrschalldämmung ist frequenzabhängig mit einem Durchlaßbereich, der von der Elastizität (Schallgeschwindigkeit Rohrleitungswerkstoff, bei Stahl 5100 m/s) und dem Durchmesser der Rohrleitung in Form der Ringdehnfrequenz abhängt.

Die wichtigsten Einflußfaktoren der Rohrschalldämmung sind.

: Schallgeschwindigkeit Rohrwerkstoff

Stahl 5100 m/s

Kunststoff 2620 m/s

: innerer Rohrdurchmesser

: Rohrwandstärke

: Dichte Rohrwerkstoff

Stahl 7800 kg/m3

Kunststoff 1200 kg/m3

Produkt wichtig

Stahl / Kunststoff: 12.65

: 10 log(12.65) = 11 dB

Die Gleichungen für die Rohrschalldämmung der einzelnen Richtlinien bzw. Normen unterscheiden sich.

Nach Bestimmung der Frequenzanteile der Außenschalleistung wird die Gesamt-Außenschalleistung berechnet und zwar nach folgender Gleichung:

In der Regel werden nicht einzelne Frequenzen verwendet, sondern Frequenzbänder in Form von Oktavmittenfrequenzen (VDMA 24422(1989)).

Der Term steht für die sogenannte A-Bewertung, die das Empfinden des menschlichen Gehörs berücksichtigt. Bei der Gesamtschalleistung wird dies durch ,a und dB(A) gekennzeichnet. Das menschliche Gehör empfindet Frequenzen um 4000 Hz bei objektiv gleicher (gemessener) Schalleistung lauter als bei 1000 Hz.

Unter der Voraussetzung der Reflexionsfreiheit des Raumes in der Umgebung der Rohrleitung läßt sich der Schalldruckpegel in [dB(A)] aus der Außenschalleistung berechnen.

Der Schalldruckpegel wird in der Regel in 1 m Abstand () zur Rohrleitung betrachtet. Bei VDMA 24422 (1989) für Gase/Dämpfe beispielsweise wird eine Rohrlänge von berücksichtigt. Für eine Rohrnennweite mm ergibt sich ein um ca. 11 dB niedriger Pegel für den Schalldruck im Vergleich zur Außenschalleistung .

Für Gas- und Dampfströmungen wird die Schalleistung hauptsächlich von der Rohrleitung hinter dem Stellventil übertragen, weil die dort höhere Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung die Schallweiterleitung begünstigt.

Bei Flüssigkeiten verläuft die Schallweiterleitung nahezu gleichmäßig in beiden Richtungen, außer bei starker Kavitation, wo die eingangsseitige Rohrleitung hinsichtlich der Schallemission überwiegt.

4.3.4. VDMA 24422 (1979) für Gase und Dämpfe Gleichungen

Ventileintrittsdruck [bar abs.]

Ventileintrittstemperatur [K]

Normdichte , Normbedingungen

Druckverhältnis bzw. Differenzdruckverhältnis

Ventil-Korrekturglied (Bauart), Standardventile ohne spezielle
schallmindernde Maßnahmen = 0 dB, anpassbar an Messungen

Rohrleitungskorrekturglied, , für Nenndruck PN 40 = 0 dB

Schalldruckpegel in [dB(A)] in 1m Abstand zur Rohrleitung hinter Ventil

Merkmale:

gut zur schnellen Abschätzung für Standardventile ()
geeignet

keine Frequenzinformationen

keine Information über Innenschall und damit für Ausblasung
ins Freie (keine Rohrleitung)

Machzahlen Ventil ausgangsseitig

4.3.5. VDMA 24422 (1989) für Gase und Dämpfe Gleichungen

Strahlleistung (Drosselleistung)

Geschwindigkeit in der Drosselstelle (vena contracta), Machzahl , Schallgeschwindigkeit

kritisches Differenzdruckverhältnis xcr abhängig von xT-Wert
(Ursprung Grundlagen EN 60534 T. 2-2 (Durchflußkapazität, Arbeit v. De Fillipis))

akustischer Umwandlungsgrad für die Schallemission im Frequenzbereich
von fi = 500, 1000, 2000, 4000 und 8000 Hz

: Niveaukonstante : Neigungskonstante

Standardhubstellventile:

Stellklappen:

Anpassung dieser Werte mit Hilfe VDMA 24423 (1993, Meßnorm)

innerer Schalleistungspegel im Frequenzbereich von = 500, 1000, 2000, 4000 und 8000 Hz

Frequenzverteilung innen = 500, 1000, 2000, 4000 und 8000 Hz

Rohrschalldämmung ( = Innendurchmesser aus Maximum der
Innendurchmesser von und (Rohrerweiterung))

: Schallgeschwindigkeit Rohrwerkstoff

Stahl 5100 m/s

Kunststoff 2620 m/s

: innerer Rohrdurchmesser, Minimum von DN und D2

: Rohrwandstärke

: Dichte Rohrwerkstoff

Stahl 7800 kg/m3

Kunststoff 1200 kg/m3

: Schallgeschwindigkeit Medium ausgangsseitig

: Dichte Medium ausgangsseitig

: Machzahl Ventil ausgangsseitig

, im Prinzip aber jede beliebige Länge hinter Ventil

Merkmale:

detaillierte Betrachtung der Physik

bessere Erfassung der Grenzbereiche (z.B. Entspannung ins Vakuum)

allerdings nur bis Auslaßmachzahlen gültig wie
alte VDMA-Norm auch

Frequenzabhängigkeit in 5 Oktaven

Innenschalleistung, wichtig für Anlagenplaner
(z.B. Auslegung Schalldämpfer, Ausblasung ins Freie)

Standardwerte richtig für Standard-
Hubstellventile mit und 75% Auslastung

4.3.6. VDMA 24422 (1979) für Flüssigkeiten Gleichungen

Ventileintrittsdruck [bar abs.]

Dampfdruck [bar abs.] (temperaturabhängig)

Dichte am Eingang

Differenzdruckverhältnis [kg/m3]

Ventil-Korrekturglied (Bauart), Standardventile
ohne spezielle schallmindernde Maßnahmen = 0 dB,
anpassbar an Messungen

Ventil-Kennwert: z-Wert (auslastungsabhängig), durch Messungen

Rohrleitungskorrekturglied, , für Nenndruck 40 = 0 dB

Schalldruckpegel in [dB(A)] in 1m Abstand zur Rohrleitung hinter Ventil

ohne Kavitation

mit Kavitation

Merkmale:

gut zur schnellen Abschätzung für Standardventile
() geeignet

keine Frequenzinformationen

keine Information über Innenschall und damit für
Ausblasung ins Freie (keine Rohrleitung)

für: Berechnung zu hoher
Schallpegel, daher im Ventilauslegungsprogramm
folgende Korrektur über LF

keine Aussagen über Flashing, im Ventilauslegungsprogramm folgende Berechnung:

4.3.7. VDMA 24422 (1989) bzw. EN 60534 Teil 8-4 für Flüssigkeiten Gleichungen

Strahlleistung (Drosselleistung)

Geschwindigkeit in der Drosselstelle (vena contracta)

akustischer Umwandlungsgrad für die Schallemission im Frequenzbereich
von = 500, 1000, 2000, 4000 und 8000 Hz

ohne Kavitation für

Niveaukonstante : Neigungskonstante

Standardhubstellventile:

Anpassung dieser Werte mit Hilfe VDMA 24423 (1993, Meßnorm)

mit Kavitation

Standardhubstellventile: ,

Anpassung dieser Werte mit Hilfe VDMA 24423 (1993, Meßnorm)

innerer Schalleistungspegel im Frequenzbereich von = 500, 1000, 2000, 4000 und 8000 Hz

Frequenzverteilung innen = 500, 1000, 2000, 4000 und 8000 Hz

Rohrschalldämmung ( = Innendurchmesser aus Maximum
der Innendurchmesser von , und (Rohrerweiterung))

: Schallgeschwindigkeit Rohrwerkstoff

Stahl 5100 m/s

Kunststoff 2620 m/s

: innerer Rohrdurchmesser, Minimum von DN und D2

: Rohrwandstärke

: Dichte Rohrwerkstoff

Stahl 7800

Kunststoff 1200

: Schallgeschwindigkeit Medium ausgangsseitig

: Dichte Medium ausgangsseitig

, im Prinzip aber jede beliebige Länge hinter Ventil

Merkmale:

detailliertere Betrachtung der Physik

bessere Erfassung der Grenzbereiche (), bei höheren
Dampfdrücken allerdings auch zu hohe Pegel wie VDMA 24422 (1979)

Frequenzabhängigkeit in 5 Oktaven, allerdings nicht korrekt (s. SAMSON-
Standard-Methode)

Innenschalleistungsinformationen

Standardwerte , in einigen Bereichen
deutlich zu niedrige Schallwerte

4.3.8. EN 60534 Teil 8-3 für Gase und Dämpfe Gleichungen

Strahlleistung (Drosselleistung)

Geschwindigkeit in der Drosselstelle (vena contracta), eigentlich
Widerspruch zu EN 60534 Teil 2-2 (Grundlagenarbeit De Fillipis)

Machzahl , Schallgeschwindigkeit

kritisches Differenzdruckverhältnis abhängig von -Wert

weitere kritische Differenzdruckverhältnisse für Einteilung in 5 Regimes

mit : und

weitere Machzahl hinter engster Drosselstelle (dort Überschall)

akustischer Umwandlungsgradfür unendlich großen Frequenzbereich
und "Ventilinneres", Übertragung auf Fluid in der Rohrleitung unter der
Annahme, daß 1/4 der inneren Schalleistung dorthin gesendet wird.

daher Abzug um 6 dB (s. unten bei Schallinnenleistung)

A: Niveaukonstante B: Neigungskonstante

nicht anpassbar an Messungen, abhängig von -Wert

innerer Schalleistungspegel im gesamten Frequenzbereich

keine Frequenzverteilung, sondern nur Peak (Spitzen)-Frequenz
(Frequenz, wo Frequenzverteilung Maximum aufweist, s. Abschnitt Frequenzverteilung)

Regime | Bedingung | Niveauexp. A | Neigungsexp.B | Machzahl Ma | Stpeak
I |  |  |  |  |
II |  |  |  |  |
III |  |  |  |  |
IV |  |  |  |  |
V |  |  |  |  |

Rohrschalldämmung ( = Innendurchmesser aus Maximum der
Innendurchmesser von und (Rohrerweiterung))

Merkmale:

wie bei VDMA 24422 (1989) Innenschall und Außenschall

akustischer Umwandlungsgrad , aber nicht auf Rohrleitung bezogen,
sondern auf "Ventilinneres"

abhängig von Ventilbauart über

in 5 Regimes berechnet (abhängig von x)

Gesamtwirkungsgrad für alle Frequenzen

Umrechnung auf Rohrleitung über Annahme, daß 1/4 der Schalleistung
in die Rohrleitung strahlt

Umwandlungsgrad allerdings deutlich zu niedrig

Frequenzabhängigkeit nur in Form von Peak frequenz

Strouhalzahl St

Ventilformfaktor

nicht alle notwendigen Informationen für Anlagenplaner

Schwachstelle: kein Hinweis auf Innenschall- Meßverfahren,
Korrektur nur (Außenschall wie VDMA 24422 (1979)), rein
theoretische Methode

Rohrschalldämmung ähnlich wie VDMA 24422, aber andere Gleichungen

Ventile mit Strömungsteiler I,III ausgeschlossen, können nicht berechnet werden

4.3.9. SAMSON-Standard-Verfahren bei Gasen/Dämpfen (Basis VDMA 24422 (1989))

Gleichungen im Prinzip wie VDMA 24422 (1989), allerdings mit Modifikationen auf Basis von ca. 500 Luftschallmessungen (Innen- und Außenschall)

Konstante zur Beschreibung des Umwandlungsgrades

angepaßt an gemessenen Umwandlungsgrad im Bereich

variabel mit Differenzdruckverhältnis x vor allem für x<0.2, weil sonst
zu hohe Schallpegel ermittelt werden, alte VDMA-Norm rechnet hier zu laut !

Berücksichtigung des Einflusses hoher Machzahlen bei Rohrerweiterungen
hinter dem Ventil auf den akustischen Umwandlungsgrad durch Überlagerung zweiter
Schallquelle (Diffusor) basierend auf zahlreichen Messungen

genauere Bestimmung der Frequenzverteilung, außerdem auch Berechnung
der Oktaven 31.5, 63, 125, 250 und 16000 Hz, Auflistung der Gleichungen würde
hierzu weit führen

Rohrschalldämmungsgleichungen modifiziert, weil bei kleineren Nennweiten die
Standard-VDMA-Richtlinie zu niedrige Rohrschalldämmung berechnet.

4.3.10. SAMSON-Standard-Verfahren bei Flüssigkeiten (Basis VDMA 24422 (1989))

Gleichungen im Prinzip wie VDMA 24422 (1989), allerdings mit Modifikationen auf Basis von ca. 1500 Wasserschallmessungen (Innen- und Außenschall)

Anpassung von an Messungen

Anpassung von an Messungen

wesentlich genauere Frequenzinformationen über spezielle an Messungen
angepaßte Frequenzverteilungsfunktionen mit Ventilformfaktoren
(s. Frequenz-zusammensetzung)

Erfassung von Einflüssen bei für höhere Dampfdrücke

Erfassung von Flashing

4.3.11. Grundlagen Akustik

Was ist Schall ?

In Luft, Fluid oder Festkörper:

Druckschwankungen

Geschwindigkeitsschwankungen

Schalleistung in Meßfläche

im Falle des Dauerbetriebes (z.B. kein Abfackelventil) mit sehr hohen Mach-
zahlen im Ventilaustritt und Rohrerweiterungen hinter dem Ventil unter Umständen
Einsatz von Festdrosseln im Diffusor zur Druckanhebung, wobei die große Rohrleitung
so groß bemessen sein muß, daß die Machzahl dort deutlich kleiner 0.3 ist.
Die Festdrosselstufen sind wie Strömungsteiler I (Bauart 250) zu rechnen
(), wenn sie das gleiche Lochbild aufweisen (Lochdurchmesser
3 mm, Lochteilung 5 mm), ansonsten wie Standardventil mit )

Ähnlich wie in der Elektrizitätslehre erfahren die einzelnen Teilchen bei ihren Schwingungen mit der Geschwindigkeit einen Widerstand , hier in Form der Druckschwankungen . Als Maß hierfür verwendet man die Impedanz .

Bei Reflexionsfreiheit im betrachteten Schallraum (luftgefüllter Raum, wassergefüllte Rohrleitung) hängt diese Impedanz von der Dichte und der Schallgeschwindigkeit des Mediums ab, nämlich:

Dieses Produkt ist ein Maß für die Elastizität des Mediums. Eine hohe Schallgeschwindigkeit (z.B. inkompressible Flüssigkeiten wie Wasser 1200 m/s) bedeutet eine geringe Elastizität bzw. einen hohen Schallwiderstand (impedanz).

Die Schalleistung bei Reflexionsfreiheit beträgt:

Alle Schallberechnungen bei Stellventilen haben diesen Zustand als Grundlage, weil die Reflexionsbedingungen - im Raum und in der Rohrleitung - in der Regel nicht bekannt sind. Je nach Reflexionsbedingungen und je nach betrachtetem Frequenzbereich kann die ermittelte Schalleistung nun kleiner oder größer sein.

Aufgrund des weiten Zahlenbereiches des Wertes wird die logarithmische Schreibweise mit verschiedenen Bezugsgrößen verwendet.

Schalleistungspegel 1 Watt = 120 dB

Schalldruckpegel 1 mbar = 140 dB

Zusammenhang

4.4 Empfehlungen bei Schallproblemen

4.4.1. Klärung grundsätzlicher Fragen

Sind mehrere Ventile parallel oder hintereinander geschaltet ?

n Schallquellen geben jeweils Schalleistungspegel

nach außen ab:

Gesamtschalleistung

Beispiel: 2 gleiche Schalleistungspegel mit ,

Folge ca. 10log(2) = 3 dB höhere Gesamtschalleistung

Ist der Schallpegel in einem größeren Abstand gefragt, ist der Schalldruckpegel in 1m Abstand überhaupt relevant ?

(z.B. Ausblasung ins Freie und Wohngebiet in S=500 m Entfernung)

bei größerer Entfernung S Ventil wie Punkt- oder Kugelstrahler:

Beispiel: , wie großin 1 km Entfernung

Ist eine Wärmeisolierung vorhanden ?

maximale Schallminderung 5 bis 8 dB

Ist vielleicht eine akustische Isolierung geplant ?

akustische Isolierung bis zu 25 dB Schallpegelreduzierung

hier Rohrummantelung S 100 mm

4.4.2. Primäre Maßnahmen im Ventil bei Gas- und Dampfströmungen

Schall im wesentlichen beeinflußt von Geschwindigkeit im Drosselquerschnitt bzw. von Druckdifferenz

eine Möglichkeit: mehrstufiger Druckabbau

mehrere Stellventile hintereinander

mehrstufiger Kegel innerhalb eines Gehäuses (SAMON Bauart 256)

Festdrosseln (allerdings nur bei Maximalmenge optimal wirksam)

allerdings bei kompressiblen Medien meist nicht die erwünschte Wirkung,
weil auch schon vor Erreichen der kritischen Strömung in einer Stufe sehr
hohe Geschwindigkeiten auftreten

besser Zusatzelemente wie Strömungsteiler I oder III bei Hubstellventilen

Prinzip Strahlaufteilung und Strömungsberuhigung

Strahlaufteilung führt zu kleinen Ventilformfaktoren Fd bzw. kleineren Strahldurchmessern , so daß das Frequenzmaximum zu höheren Frequenzen verschoben wird (Interferenzprinzip) und der maßgebliche Frequenzbereich 500 bis 8000 Hz einen geringeren Anteil an der anhähernd gleichen Schalleistung hat (s. Frequenzzusammensetzung).

4.4.3. Primäre Schallmaßnahmen im Ventil bei Flüssigkeitströmungen

Schall im wesentlichen beeinflußt von Kavitation

möglichst hoher z-Wert

eine Möglichkeit: mehrstufiger Druckabbau

mehrere Stellventile hintereinander

mehrstufiger Kegel innerhalb eines Gehäuses (SAMON Bauart 256), allerdings nur kleine Nennweiten z.B. 5stufig:

Festdrosseln (allerdings nur bei Maximalmenge optimal wirksam)

Sonderkegel mit speziell ausgelegter Geometrie im Hinblick auf Kavitations-
freiheit auf Anfrage

bei Flashbetrieb () keine Maßnahmen möglich, Festdrosseln hinter
Ventil können zu Kavitationsbetrieb führen (!)

Kavitation nicht nur Schall-, sondern eventuell auch Werkstoffzerstörung,

gefährlich im Dauerbetrieb bei und
(bei Hubstellventilen > 0.73)

ansonsten keine besonderen Maßnahmen, wenn keine Schallanforderungen

vorteilhaft:

reduzierte Sitzbohrung

kein Graugußgehäuse

bei : stellitierter Kegel

bei : gehärteter Kegel und Sitz (1.4112)

bei Anfahrzuständen (Kesselspeisewasserventil)

Eckventil ohne/mit Festdrosseln, Anströmung in Schließrichtung
(Antriebsgröße !) und volle Öffnung beim Anfahren, wo höchste
Druckdifferenz zu erwarten ist

unter Umständen Parallelbetrieb von Ventilen (Abstufung) jeweils mit Auf- oder Zu-Ventil
davor und dahinter