Hluková hlediska při provozu spalovacích zařízení: Zdroje hluku – 2. díl

Druhý díl třídílného příspěvku samostatně diskutuje problematiku šíření hluku u spalovacího zařízení v prostorách kotelen. Jedná se o hluk vznikající při provozu hořáků, oběhových čerpadel a ventilátorů.

Recenzent: Roman Vavřička

Úvod

Článek navazuje na předchozí díl zaměřený na cesty šíření akustického signálu v prostoru kotelny a do venkovního prostoru. V druhém dílu článku budou probrány možné zdroje signálu.

Hluk hořáků a kotlů

V případě plynových kotelen, které se dnes nejčastěji projektují, je z pohledu zdroje jedním z nejvýznamnějších hluk generovaný spalovacím procesem uvnitř kotle. Spalovací proces zajišťují v dnešní době dva typy hořáků. Méně časté ­atmosférické hořáky, u nichž je spalovací proces rozdělen do velkého počtu samostatných plamínků, využívají při spalování volný okolní vzduch. Tento způsob spalování vykazuje nízkou emisi akustické energie.

Druhým typem jsou hořáky tlakové. Tyto hořáky využívají pro dopravu spalovacího vzduchu do směšovací hlavice a do spalovacího prostoru a dále do kouřovodu radiální ventilátory. Hluk vznikající při spalování plynu v tlakovém hořáku je aerodynamické povahy a vyznačuje se spojitým spektrem. U hořáků menších výkonů je ventilátor součástí hořáku. U větších je pak oddělen a je tedy možno na něj pohlížet jako na samostatný zdroj hluku.

Výrobci obvykle uvádí hlučnost hořáku ve formě hladiny akustického tlaku A L_pA [dB] měřené 1 m před čelem hořáku. Tento údaj je pro projektanta nedostačující a podává mu pouze možnost určení hlučnosti v prostoru kotelny a to jen jednočíselnou hodnotou. Pro snížení emise hluku do prostoru kotelny dodávají výrobci pro svá zařízení zákryty, u nichž je možno očekávat snížení hladiny akustického tlaku A přibližně o 10 dB. Tím je omezeno šíření zvuku povrchem hořáku.

Problém, který při řešení hlučnosti kotelen vyvstává je určení spektra zdroje. Nejen, že znalost spektra je důležitá pro správný návrh protihlukových opatření, ale současně je i měřítkem pro nalezení případných tónových složek vyzařovaných zdrojem. Zjištěné tónové složky jsou totiž důvodem pro zpřísnění hlukových limitů o 5 dB, což může v určité situaci znamenat obtížně řešitelný problém.

Nutno poznamenat, že hořák není možno posuzovat jako samostatný zdroj. Důvodem je to, že hluk vznikající při spalovacím procesu je možné měřit pouze ve volném prostoru. Jak bylo dokázáno [3] při spojení hořáku s určitým typem spalovacího prostoru a kouřovodu vytváří tento celek kmitavý systém, vyznačující se rezonančními kmitočty, které významným způsobem změní kmitočtové složení hluku vyzařovaného do komínu. Znalost tohoto spektra je nezbytnou informací pro správný návrh tlumiče hluku do kouřovodu.

Stejný hořák, připojený na různé spalovací prostory, bude vykazovat odlišné hlukové parametry z hlediska šíření hluku do kouřovodu. Na základě dlouhodobých měření a vyhodnocení na soustavách kotlů s tlakovými hořáky [2] je možno pro kvalifikovaný odhad použít závislost na obr. 3. Tento graf podává informaci o hladině akustického výkonu A v závislosti na tepelném výkonu zařízení.

Jak bylo výše diskutováno, je pro projektanta důležitá znalost spektra signálu. V tom případě je možné doporučit pro kvalifikovaný odhad tvaru spektra závislost na obr. 4.

Spektrum hladin akustického výkonu hořáku je dáno vztahem

kde je

• L_WA [dB] hladina akustického výkonu daná závislostí na obr. 3,
• L_rel [dB] relativní spektrum hladin akustického výkonu (obr. 4).

Protože relativní spektrum bylo získáno na základě statistických metod, bude skutečný průběh okolo této hodnoty kolísat.

Je-li dán požadavek na zjištění spektra generovaného hořákem instalovaným na kotli, je možno získat tyto informace také měřením. V první řadě je třeba zvolit vhodnou měřicí vzdálenost. Optimální je, s přihlédnutím k rozměrům hořáku, volit vzdálenost 1 m od pláště hořáku (obr. 5).

Měření je nutno provést v dostatečném počtu míst alespoň 5. Měřicí plochu je možno volit buď kulového tvaru nebo rovnoběžnostěn (kvádr).

Vhodnost určité plochy je dána tvarem pláště hořáku viz obr. 6. V takovém případě, je vhodné volit plochu tvaru rovnoběžnostěnu. Hledané spektrum hladin akustického výkonu je pak dáno vztahem

kde je

• L_po [dB] spektrum hladin akustického tlaku zjištěné měřením,
• S [m²] měřicí plocha.

Před měřením je vhodné seznámit se s měřicími postupy pro stanovení hladin akustického výkonu zdrojů. Je možno doporučit řadu norem ČSN ISO 3740. Pro provozní měření pak přímo určená norma ČSN ISO 3746.

Hluk čerpadel

Významným zdrojem hluku v kotelnách, předávacích stanicích, ale i otopných soustavách jsou oběhová čerpadla. Hluk čerpadel se projevuje diskrétními tónovými složkami, které odpovídají základní frekvenci otáčení čerpadla. Provedenou kmitočtovou analýzou v chráněném prostoru je pak možno tyto zdroje odhalit.

Čerpadla menších výkonů jsou dnes v řadě případů konstruována tzv. na mokro, tedy rotor elektromotoru pracuje v kapalině. Tato čerpadla vyzařují akustickou energii méně. Ve vzdálenosti 1 m od čerpadla činí hladina akustického tlaku přibližně 30 až 50 dB. Pokud projektant oddělí čerpadlo na sání a na výtlaku pryžovými kompenzátory, je možno vyloučit významnější přenos chvění a hluku potrubním systémem do chráněného prostoru.

Čerpadla vyšších výkonů jsou obvykle řešena jako samostatně stojící (obr. 7) s elektromotorem spojena spojkou.

Představu o hluku čerpadla v závislosti na jeho výkonu ve vzdálenosti 1 m od obrysu podává obr. 8.

Neopomene-li projektant oddělit takové čerpadlo od soustavy pryžovými kompenzátory, zbývá pro šíření zvuku cesta přes uložení čerpadla ve stavební konstrukci. Čerpadla menších výkonů mohou být držena pouze pryžovými kompenzátory (obr. 9).

Výkonnější stroje jsou pak usazeny na základ přes pryžové či ocelové pružiny (obr. 10).

V případě, že nejsou známy technické parametry instalovaného čerpadla je třeba provést měření. Tím je možno získat spektrum hladin akustického výkonu soustrojí čerpadlo elektromotor. Ideální stav při měření je běh pouze měřeného stroje, což ne vždy je možné a proto je nutné měření provést v co nejmenší vzdálenosti od stroje, nejlépe ve vzdálenosti 1 m, abychom se nacházeli v poli přímých vln. Pro zpřesnění výsledků je vhodné provést měření v několika místech. Hledané spektrum hladin akustického výkonu je pak možno získat dosazením hodnot hladin akustického tlaku do vztahu (2).

Hluk ventilátorů

Ventilátor je typickým představitelem zdroje aerodynamické povahy. Hlučnost ventilátoru je charakteristická spojitým širokopásmovým spektrem, které roste s mocninou obvodové rychlosti. Toto spektrum bývá někdy narušeno tzv. sirénovým hlukem, projevujícím se diskrétními tónovými složkami.

Hlavní příčina hlučnosti ventilátorů je dána vysoce turbulentním prouděním vzduchu oběžným kolem a spirální skříní. K tomu se ještě připojuje mechanický hluk od ložisek, elektromotoru, spojky, převodů (u ventilátorů řemenové) ad. Tyto mechanické zdroje zvuku se vyzařují převážně do okolí ventilátoru, tedy do prostoru kotelny. Do sání a výtlaku následně pak do venkovního a vnitřního chráněného prostoru se šíří zejména hluk aerodynamický.

Není-li známo spektrum hladin akustického výkonu instalovaného ventilátoru je pro kvalifikovaný odhad možno doporučit následující postup [1]. Celková hladina akustického výkonu ventilátoru je dána vztahem

kde je

• V [m³/s] dopravované množství vzduchu,
• Dp [Pa] dopravní tlak ventilátoru.

Tvar spektra závisí na typu ventilátoru (obr. 11).

Spektrum akustického výkonu ventilátoru je pak dáno vztahem

Ventilátor je z principu své konstrukce rotačního stroje nežádoucím zdrojem chvění, které se může přenášet dvěma hlavními cestami. První cestou je připojovací potrubí na sání a výtlaku ventilátoru. Tento přenos je možno významně snížit podobně jako u čerpadel pružnými elementy, jak dokumentuje obr. 12.

Druhou cestou přenosu chvění je stavební konstrukce. Zde je opět možné uplatnit odizolování pryžovými nebo ocelovými pružinami (obr. 13).

Závěr

Závěrečný třetí díl bude věnován hluku generovaného do kouřovodu, komína a dále do venkovního prostoru.

Literatura

[1] NOVÝ, R.: Hluk a chvění. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2000. 389 s. ISBN 80-02246-3.
[2] NOVÝ, R.: Hluk spalovacích zařízení. In: Vytápění, větrání, instalace, 2011, roč. 20, č. 4a, s. 175-184. ISSN 1210-1389.
[3] DĚDOUREK, M.: Rezonanční jevy ve spalovacím zařízení. Diplomová práce, ČVUT v Praze, Fakulta strojní 2001.

---

Acoustic properties during combustion device operation

Part 2 - Noise sources

This paper describes the noise behaviour during the combustion device operation. Part 2 describes the noise sources. Described are various sources of noise.

Keywords: noise source, distribution of sounds