FECHA Marzo 30 de 2011 NÚMERO RA TÍTULO...

FECHA Marzo 30 de 2011

NMERO RA

PROGRAMA Ingeniera de sonido

AUTOR (ES) SALAZAR TOBN, Carlos Andrs

TTULO

SIMULADOR DE ATENUACIN SONORA PARA SISTEMAS DE VENTILACIN.

PALABRAS CLAVES Absorcin del sonido, Ondas estacionarias, aislador de vibracin, coeficiente de absorcin, Curvas RC, acelermetro, Devc++.

DESCRIPCIN

Se desarrolla un software de simulacin de atenuacin sonora para sistemas de ductos de ventilacin, basado en ecuaciones y normativas correspondientes, para llevar a cabo una base de datos y algoritmos para conocer y/o analizar los valores de atenuacin sonora en ductos de ventilacin, teniendo en cuenta si la seccin del conducto es de forma circular o rectangular, dado a las caractersticas y especificaciones de ramificaciones o acodamientos que puedan presentarse en el diseo, con el fin de predecir el comportamiento acstico del sistema antes de llevar a cabo la instalacin del conducto y garantizar la actuacin o trabajo de atenuacin sonora en el sistema diseado.

FUENTES BIBLIOGRFICAS

Laboratory Methods of Testing Fans of Rating, ASHRAE Standard 51, American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA 30329. Also published as AMCA standard 210. Air Movement and Control Association, Arlington Heights, IL 60004. ASHRAE, Handbook, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA 30329.

Fan Engineering, ed., Buffalo Forge Co., Buffalo, NY 14240, 1983 Industrial Noise Control and Acoustics, Randall F. Barron Laboratory Method of testing In- Duct Sound Power Measurement Procedure For Fans, ASHRAE Standard 68, Americam Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA 30329. Also published as AMCA Standard 330, Air Movement and Control Association, Airlington Heights, IL 60004. Certified Sound Ratings Program for Air Moving Devices, AMCA Bulletin 311, Air Movement and Control Association, Arlington Heights, IL 60004. Reverberant Room Method for Sound Testing of fans, AMCA Standard 300, Air Movement and Control Association, Arlington Heights, IL 60004. Method for testing for Sound Power Radiated into Ducts, ASHRAE Standard 68-77, American Society of Heating,

NMERO RA

PROGRAMA Ingeniera de Sonido

CONTENIDOS Objetivo General

Desarrollar un software que simule un ducto de ventilacin permitiendo combinar materiales acsticos con el fin de conocer la atenuacin del sistema simulado con sus respectivos costos. Objetivos especficos

Analizar y evaluar las caractersticas y propiedades de los materiales que puedan ser empleados para la construccin del simulador. Estudiar, analizar y Concluir los algoritmos que van a ser usados para estimar la atenuacin del sistema. Realizar una base de datos de 3 motores, 5 materiales termo- acsticos y 4 rejillas. Desarrollar un software que permita simular un sistema de ventilacin y obtener la atenuacin y cotizacin del ducto. Evaluar el comportamiento del software mediante clculos y mediciones. Desarrollo ingenieril

Desarrollo del software. Modulo de clculos o prediccin. Cotizacin del sistema. Modulo de simulacin. Diseo del sistema de ventilacin. Construccin del sistema de ventilacin Operacin y funcionamiento del software. Comparacin clculos con el software

NMERO RA

PROGRAMA Ingeniera de sonido

METODOLOGA

Enfoque de la investigacin Teniendo en cuenta que el proyecto comprende el desarrollo de algoritmos y la fabricacin de sistemas de ventilacin, as como elementos que pueden cambiar de forma fsica las condiciones sonoras del sistema, el enfoque de la investigacin es emprico analtico en la atenuacin dada por codos. Debido al desarrollo de un software de prediccin de ruido en ductos de ventilacin que est orientado a la interpretacin e implantacin real del sistema, poniendo en prctica los conocimientos adquiridos e informacin recopilada para el desarrollo del proyecto. LNEA DE LA INVESTIGACIN USB/SUB-LNEA DE FACULTAD/CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA

Lnea de investigacin de la universidad de San Buenaventura est situada en tecnologa actual y sociedad, utilizando recursos acordes para el desarrollo del software de simulacin de atenuacin en ductos de ventilacin que beneficien las construcciones acsticas.

La sublnea de investigacin se clasifica en la instrumentacin y control de procesos mediante las caractersticas de los elementos a utilizar en la base de datos del software y las propiedades de los materiales junto al desarrollo de algoritmos de prediccin acstica, mediante clculos y mediciones.

El campo temtico donde se ubica el proyecto de investigacin realizado es la Acstica, mediante el desarrollo de un software de prediccin de ruido en ductos de ventilacin, donde se interpretan los fenmenos acsticos que se puedan generar en el sistema, par lograr una aplicacin eficiente en los diseos de ingeniera acstica en diferentes recintos. TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN

En este proyecto se utilizaron documentos, instrumentos y normas acordes al desarrollo, implantacin de modelo y software para la medicin y anlisis de la generacin de ruido en los ductos de ventilacin.

Diseo de planos

Tomando como base el software de AutoCad se llevo a cabo el diseo del sistema de ventilacin, objeto de la medicin en los diferentes puntos recomendados por la norma ISO 5136. Simulacin por software

De acuerdo al diseo del sistema de ventilacin, se procedi a simular los niveles de ruido generado en el conducto por medio del software realizado en el proyecto de investigacin, teniendo en cuenta las recomendaciones y normas correspondientes para la medicin y prediccin en dicho diseo.

Instrumentacin

Con el objetivo de recolectar la informacin es necesario disponer de ciertos instrumentos y herramientas que nos permitan registrar los datos para la investigacin. Los instrumentos para la toma de datos utilizados fueron: medidores de presin sonora (sonmetros), fuente auto potenciada, Computador Porttil, ventilador centrfugo, ductos en acero galvanizado, anemmetro para medir el caudal de aire y temperatura en los diferentes puntos.

Para realizar la medicin acstica del sistema se tuvo en cuenta la terminacin anecoica del conducto y rigidez del mismo (Acero Galvanizado), apoyando en bases solidas en los ductos para evitar vibraciones que puedan generarse en la tubera, siguiendo recomendaciones de las normas.

Componentes del sistema

Para establecer los parmetros de diseo es necesario simular un sistema de ventilacin y realizar una medicin con los elementos simulados bajo los requerimientos de la norma ISO 5136 y comparar los resultados de prediccin del software con las mediciones practicadas.

En este proyecto de investigacin, se realizan las mediciones con un ducto revestido en fibra de vidrio y desnudo, con un acodamiento de 90 en los puntos definidos estratgicamente por la norma.

Se desarroll un algoritmo en el software DevC++, para predecir el comportamiento acstico del sistema HVAC, teniendo en cuenta el diseo y caractersticas que se vayan a emplear en el sistema. La base de datos del software y la construccin del algoritmo estn basadas en el mtodo de Randall Barron, mtodo que tiene en cuenta la generacin de ruido y atenuacin en cada uno de los tramos, (codos, Ts), en bandas especificas que facilitan el anlisis del

comportamiento en todo el sistema. Es necesario establecer un lugar o espacio donde se tenga una buena relacin entre la seal (ruido inducido por fuente y ruido natural del montaje con el ventilador) y ruido de fondo, como tambin es importante tener en cuenta que las condiciones de volumen, temperatura y humedad no cambien considerablemente, para poder obtener ptimos resultados en cuanto al comportamiento real del elemento. Se debe seguir de forma muy estricta las indicaciones de la norma para dar validez a las mediciones del elemento y as certificar su funcionamiento. Por eso es importante comprobar, que se dispone de todos los elementos para llevar a cabo la medicin.

Conclusiones Los nombres de las constantes,

variables y declaraciones utilizadas en mdulo de prediccin sonora para los ductos de ventilacin fueron adecuados, para que el compilador pudiera asociar los nombres a las memorias correspondientes al tipo de dato que pudieran contener, teniendo en cuenta el flujo de ecuaciones correspondientes acorde a cada uno de los casos de nivel de potencia sonora para la prediccin planteada.

El algoritmo programado de clculos y ecuaciones en el software Devc++ fue eficiente, dado a la capacidad de almacenamiento de datos y anlisis que este permite razonar, obteniendo como respuesta los clculos de niveles de potencia sonora en ductos y grfica del comportamiento de este.

Los operadores bsicos usados para cada tipo, fueron necesarios para el nmero de clculos y flujo de ecuaciones, para que su implementacin fuera eficiente y permitiera construir cualquier operacin adicional en funcin de las bsicas. Para que las operaciones de

datos de cualquier tipo fuera correcta, fue necesario plantear, la asignacin representada por =) y la verificacin de igualdad (==) para cada una de las condiciones realizadas en los algoritmos.

El uso del tipo int, fue pertinente para el manejo de los valores de nmeros enteros relacionados a los clculos correspondientes a la prediccin del software, como; suma, resta, producto y cociente de divisin entera, lo que permite un procesamiento exacto para los clculos concernientes a las operaciones expuestas por el usuario.

Las instrucciones condicionales planteadas en el software fueron necesarias para que estas llegaran a un punto y pensaran en el estado para continuar con el flujo correcto de las ecuaciones almacenadas en base de datos, para esto fue fundamental utilizar las estructuras de control que permitieran controlar el flujo funcin del programa y permitieran combinar instrucciones o sentencias individuales en una simple unidad lgica con un punto de entrada y un punto de salida, para el desarrollo de este se utiliz el estatuto if para cada una de las condiciones realizadas en el software.

Las instrucciones repetitivas o ciclos, fueron fundamentales en el mdulo de prediccin sonora para sistemas HVAC, para repetir automticamente n veces un ciclo hasta llegar a una solucin, disminuyendo as la complejidad del programa, por medio del estatuto while;

la condicin de esta posicin del ciclo es delante del cuerpo del ciclo y significa que un ciclo while es un ciclo de pre verificacin de modo cuando se ejecuta el mismo, se evala la condicin antes de que se ejecute el cuerpo del ciclo y pueda realizar las operaciones n veces acorde a la necesidad del usuario.

En la mayoria de los casos el sistema sin revestimiento tiene mayor control en frecuecias bajas entre 63 Hz y 500Hz en comparacin con los sistemas con revestimiento, a partir de 1000Hz los sistemas revestidos controlan mejor las frecuencias altas a comparacin que los conductos desnudos. De acuerdo al anlisis y los resultados obtenidos en la medicin, se concluye la necesidad de combinar los dos tipos de diseos en un sistema, es decir, la primera divisin debe ser desnuda para tener mayor control en bajas frecuencias y apartir de la segunda division el sistema debera ir con tratamiento acstico (ductos revestidos) para tener un mayor control en todo el ancho de banda de frecuencias.

De acuerdo a la amplificacin de frecuencias al final del ducto, es fundamental hacer un diseo y anlisis minusioso del tipo de terminacin anecoica que va a tener el conducto, teniendo en cuenta que este puede afectar criticamente el tratamiento acstico que se le este dando al sistema. De acuerdo a los puntos de medicin y

anlisis que se llevaron a cabo para sistemas con y sin revestimiento, se comprueba que las rejillas utilizadas en los sistemas HVAC generan frecuencias altas, de acuerdo a esto es recomendable ajustar las rejillas a una configuracin estrategica para que no genere silvidos o ruidos indeseables.

Las ecuaciones y tablas a las que se remite el software para hacer los clculos son aceptables, en cada una de las bandas de octava, analizadas para este proyecto, el desfase en general no supera los 3dB promedio con respecto al ancho de bada analizado, por lo que se comprueba que la prediccin del software es bastante aproximada a la medicin realizada. En las curvas graficadas en el anlisis de resultados, se observa la similitud del comportamiento en bandas de octava del sistema cuando se analiza el sistema con respecto a la medicin y la predicin del software, lo que comprueba que la seal, montaje y ecuaciones fueron adecuados para la aprobacin del software.

Se comprueba que es fundamental ajustar las Normas ISO 5136 y AMCA 300 para la determinacin y anlisis del comportamiento de ruido, generado por los motores, ventiladores, de los conductos en cada una de las divisiones que pueda tener un sistema HVAC (codos, tes).

SIMULADOR DE ATENUACIN SONORA PARA

SISTEMAS DE VENTILACIN

CARLOS ANDRS SALAZAR TOBN

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERA

INGENIERA DE SONIDO

BOGOT, D.C.

2011

SIMULADOR DE ATENUACIN PARA

SISTEMAS DE VENTILACIN

CARLOS ANDRS SALAZAR TOBN

Trabajo de Grado entregado como requisito para optar por el ttulo de

Ingeniero de Sonido

Asesor Temtico:

Ing. Eduardo Cote

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERA

INGENIERA DE SONIDO

BOGOT, D.C.

2011

Nota de Aceptacin:

Firma del Presidente del Jurado

Firma del Jurado

Firma del Jurado

Bogot D, C., 08 Febrero de 2011

AGRADECIMIENTOS

Principalmente quiero agradecer inmensamente a DIOS, quien me dio los mejores

padres y puso en mi camino personas que me alimentaron de elementos valiosos

para que iluminaran mi camino y me dieran las herramientas necesarias para

poder alcanzar un logro ms de mi proyecto de vida.

Agradecimientos profundos a mis padres, quienes siguen esforzndose

considerablemente por darme apoyo incondicional y motivacin todos los das

para seguir trazndome metas y alcanzar cada da, ms logros. A mi hermana

mayor Alejandra, quien siempre me ha dado ejemplo de incontables elementos

ticos y morales. A mi sobrina Laura Manuela, que sin darse cuenta, me ha

enseado de la importancia de ser tolerante y el ser agradecido con las cosas y

oportunidades de la vida. A mi novia Alexandra que me acompao en toda la

preparacin universitaria.

Total gratitud con el ingeniero Eduardo Cote, tutor de fondo y forma de este

proyecto de investigacin, persona quien me colabor y trazo metas para alcanzar

este logro.

CONTENIDO

Pg.

INTRODUCCIN

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 18

1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................ 18

1.1.1 Criterio NC .................................................................................................... 18

1.1.2 Metodologa ASHRAE................................................................................... 19

1.1.3 Simulacin por software USB ....................................................................... 20

1.1.4 Modelo a escala de acstica arquitectnica ................................................ 21

1.1.5 Diseo de una sala de cine: anlisis del comportamiento acstico mediante

la simulacin y modelo a escala. ........................................................................... 21

1.1.6 Diseo, construccin y clasificacin de elementos acsticos variables,

silenciador de cmara de expansin y resonador de membrana variable. ............ 21

1.1.7 Metodologa de control activo de ruido en ductos ....................................... 22

1.1.8 HVAC solution 5.4 ........................................................................................ 23

1.1.9 Trane acoustics program (TAP) ................................................................... 23

1.1.10 Applied acoustics program ......................................................................... 23

1.1.11 RHVAC ...................................................................................................... 24

1.1.12 CHVAC ...................................................................................................... 24

1.1.13 HVACduct .................................................................................................. 24

1.1.14 Comfortair HVAC ....................................................................................... 25

1.1.15 VA 5.0 ........................................................................................................ 25

1.1.16 V-A select release 5.0 ................................................................................ 25

1.1.17 Robust control for heating ventilating and air conditioning (HVAC) systems

............................................................................................................................... 26

1.1.18 Computer aided noise prediction in heating, ventilating y conditioning

systems. ................................................................................................................. 26

1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA ..................................... 27

1.3 JUSTIFICACIN ............................................................................................. 28

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN............................................................ 28

1.4.1 Objetivo general ............................................................................................ 28

1.4.2 Objetivos especficos .................................................................................... 29

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO ........................................... 29

1.5.1 Alcances ....................................................................................................... 29

1.5.2 Limitaciones .................................................................................................. 30

2. MARCO DE REFERENCIA ............................................................................... 30

2.1 MARCO CONCEPTUAL .................................................................................. 30

2.1.1 Ruido en los ventiladores ............................................................................. 30

2.1.2 Ventiladores centrfugos .............................................................................. 33

2.1.3 Ventiladores radiales modificados................................................................ 34

2.1.4 Ventiladores radiales.................................................................................... 34

2.1.5 Ventiladores axiales ..................................................................................... 35

2.1.6 Ventiladores axiales con aletas gua ............................................................ 36

2.1.7 Ventiladores tuboaxiales .............................................................................. 36

2.1.8 Ventiladores helicoidales ............................................................................. 36

2.1.9 Punto de operacin ...................................................................................... 38

2.1.10 Discusin general de ruido en los ventiladores .......................................... 39

2.1.11 Volumen de aire variable (VAV) ................................................................. 40

2.1.12 Nivel de intensidad de sonido especfico ................................................... 41

2.1.13 Diseo aerodinmico e importancia del flujo suave de aire ....................... 41

2.1.14 Datos del fabricante sobre difusores y rejillas ............................................ 42

2.1.15 Efectos de los amortiguadores de control de volumen sobre el ruido del

difusor .................................................................................................................... 42

2.1.16 Conexin flexible al difusor ........................................................................ 43

2.1.17 Atenuacin de sonido en conductos .......................................................... 43

2.1.18 Conductos no revestidos ............................................................................ 44

2.1.19 Niveles de potencia de las fuentes.............................................................. 44

2.2 MARCO TERICO .......................................................................................... 45

2.2.1. Bifurcacin de potencia en las ramificaciones ............................................. 45

2.2.2. Atenuacin en tubos acodados ................................................................... 46

2.2.3. Prdidas por reflexin final .......................................................................... 46

2.2.4. Consideraciones de espacio para sistemas hvac en edificios .................... 47

2.2.5. Sistemas de clasificacin de ruidos hvac .................................................... 48

2.2.6. Control de la velocidad del motor del ventilador ......................................... 49

2.2.7. Amortiguador, codo y uniones del sistema que generan ruido ................... 49

2.2.8. Distribucin de aire y del ruido .................................................................... 50

2.2.9. Atenuacin del ruido en sistemas de distribucin de aire ........................... 52

2.2.10. Generacin de ruido en el sistema de distribucin de aire por accesorios

.............................................................................................................................. .54

2.2.11. Generacin de ruido en rejillas ................................................................. 59

2.3 MARCO NORMATIVO .................................................................................... 62

2.3.1 Mtodo de cmaras semireverberantes ....................................................... 62

2.3.2 Mtodo para interior de conductos ............................................................... 63

2.3.3 Especificaciones .......................................................................................... 63

2.3.3 .1 Formato de especificaciones nmero 1 ................................................... 64

2.3.3 .2 Formato de especificaciones nmero 2 ................................................... 64

2.3.4 Mtodo de medicin de la iso 5136 estndar internacional ......................... 66

2.3.5 Mtodo de conducto ASHRAE ..................................................................... 66

3. METODOLOGIA ................................................................................................ 67

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN ............................................................... 67

3.2 LNEA DE LA INVESTIGACIN USB/SUB-LNEA DE FACULTAD/CAMPO

TEMTICO DEL PROGRAMA ............................................................................... 68

3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN ..................................... 69

3.3.1 Requisitos inciales ....................................................................................... 69

3.3.2 Diseo de planos .......................................................................................... 69

3.3.3 Simulacin por software ................................................................................ 70

3.3.4 Instrumentacin ............................................................................................ 70

3.3.5 Componentes del sistema ............................................................................. 71

3.3.6 Precisin del mtodo de la medicin............................................................. 72

3.3.7 Procedimiento de medicin ........................................................................... 73

3.4 HIPOTESIS ...................................................................................................... 74

3.5 VARIABLES ..................................................................................................... 75

3.5.1 Variables independientes .............................................................................. 75

3.5.2 Variables dependientes................................................................................. 75

4. DESARROLLO INGENIERIL ............................................................................. 76

4.1 Desarrollo ingenieril del software ..................................................................... 76

4.2 Desarrollo del software .................................................................................... 78

4.2.1 Modulo de clculos o prediccin ................................................................... 78

4.2.2 Cotizacin del sistema .................................................................................. 89

4.2.3 Modulo de simulacin..94

4.3 Diseo del sistema de ventilacin .................................................................... 92

4.4 Construccin del sistema de ventilacin .......................................................... 96

4.5 Operacin y funcionamiento del software ...................................................... 98

4.6 Comparacin clculos con el software ........................................................... 107

5. PRESENTACIN Y ANLISIS DE RESULTADOS ......................................... 111

5.1 Comparacin con el software ......................................................................... 128

5.2 Anlisis de vibracin del sistema ................................................................... 137

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................... 157

6.1 Conclusiones ................................................................................................. 157

6.2 Recomendaciones ......................................................................................... 160

GLOSARIO .......................................................................................................... 171

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................... 173

LISTA DE ECUACIONES

Pg.

Ecuacin 1 Frecuencia de paso de aspas ............................................................. 33

Ecuacin 1.1 Condiciones de ruido ........................................................................ 37

Ecuacin 1.2 Atenuacin en divisin ..................................................................... 45

Ecuacin 1.3 Nivel de potencia acstica en amortiguadores ................................. 49

Ecuacin 1.4 Clculo del eje del conducto............................................................. 50

Ecuacin 2. Nivel de potencia acstica en el ducto ............................................... 51

Ecuacin 2.1 Nivel de potencia acstica en rama especifica ................................. 52

Ecuacin 2.2 Atenuacin de revestimiento por material ........................................ 52

Ecuacin 2.3 Dimetro equivalente ....................................................................... 53

Ecuacin 2.4 Atenuacin entre 2khz y 8khz .......................................................... 53

Ecuacin 2.5 Atenuacin superior a 8khz .............................................................. 54

Ecuacin 2.6 Ruido en los codos ........................................................................... 55

Ecuacin 2.7 Clculo de Ns ................................................................................... 57

Ecuacin 2.8 Ruido generado en rama lateral ....................................................... 57

Ecuacin 2.9 Clculo de ................................................................................. 57

ECUACIN 2.10 Clculo .................................................................................. 58

ECUACIN 2.11 Clculo .................................................................................. 58

ECUACIN 2.12. Ruido generado en la rejilla ....................................................... 59

ECUACIN 2.13 Coeficiente de cada de presin de rejilla................................... 59

ECUACIN 2.14 Clculo ................................................................................. 59

ECUACIN 2.15 Nivel de potencia acstica.......................................................... 60

ECUACIN 3. Distancia mnima .......................................................................... 113

ECUACIN 4. Nivel de presin sonora promedio ............................................... 125

ECUACIN 4.1. Nivel de presin sonora sin diferir 4dB ...................................... 125

ECUACIN 4.2. Nivel de potencia acstica en conductos .................................. 126

ECUACIN 4.3. Nivel de potencia acstica en el modelo computacional ........... 126

LISTA DE FIGURAS

Pg.

FIGURA 1. Ubicacin de componentes en ductos ................................................. 51

FIGURA 2. Corte lamina acero galvanizado .......................................................... 67

FIGURA 3. Corte de seccin del ducto .................................................................. 67

FIGURA 4. Instalacin ventilador centrifugo .......................................................... 68

FIGURA 5. Componentes revestidos ..................................................................... 68

FIGURA 6. Medicin del sistema con fuente ......................................................... 70

FIGURA 7. Medicin del sistema con ventilador .................................................... 70

FIGURA 8. Calibracin del sistema ....................................................................... 72

FIGURA 9. Obtencin de datos ............................................................................. 72

FIGURA 10. Calibracin de la fuente ..................................................................... 74

FIGURA 11. Medicin del sistema (fuente) ............................................................ 74

FIGURA 12. Sistema sin revestimiento .................................................................. 74

FIGURA 13. Montaje sin revestimiento .................................................................. 74

FIGURA 14. Prediccin de clculos ....................................................................... 77

FIGURA 15. Simulacin del sistema de ventilacin ............................................... 77

FIGURA 15.1. Seleccin base de datos ................................................................ 81

FIGURA 16. Diseo de ductos ............................................................................... 93

FIGURA 17. Ubicacin de puntos .......................................................................... 94

FIGURA 18. Plano de puntos ................................................................................. 94

FIGURA 19. Levantamiento de planos a................................................................ 95

FIGURA 20. Levantamiento de planos b................................................................ 95

FIGURA 21. Levantamiento de planos c ................................................................ 95

FIGURA 22. Punto de soldadura ductos ................................................................ 97

FIGURA 23. Enrolladora de ductos circulares ....................................................... 97

FIGURA 24. Montaje de ventilador ........................................................................ 97

FIGURA 25. Terminacin codo 90 ........................................................................ 97

FIGURA 26. Ensamblaje del sistema ..................................................................... 97

FIGURA 27. Sistema completo .............................................................................. 97

FIGURA 28. Eje, anlisis de datos a ...................................................................... 98

FIGURA 29. Eje, anlisis de datos b ...................................................................... 98

FIGURA 30. Interpretacin grafica del problema ................................................... 99

FIGURA 31. Prediccin de atenuacin en tramo de (10m) .................................. 107

FIGURA 32. Nivel de potencia en tubo (10m) ...................................................... 108

FIGURA 33. Atenuacin en el tubo (10m)............................................................ 108

FIGURA 34. Prediccin en tramo (12m) .............................................................. 108

FIGURA 35. Nivel de potencia en el tubo (12m) .................................................. 109

FIGURA 36. Atenuacin en el tubo (12m)............................................................ 109

FIGURA 37. Prediccin de atenuacin en tramo (8m) ......................................... 109

FIGURA 38. Prediccin de nivel de potencia sonora en el cuarto ...................... .110

FIGURA 39. Prediccin de nivel de potencia sonora en la grilla .......................... 110

FIGURA 40. Seleccin de puntos para medicin, anlisis del proyecto .............. 115

FIGURA 41. Anlisis comparativo, punto 1 ventilador ......................................... 116




FIGURA 45. Anlisis comparativo, punto 1 fuente ............................................... 121



FIGURA 48. Anlisis comparativo, punto 4 fuente. .............................................. 124

FIGURA 49. Comportamiento del software en la primera divisin ...................... .128

FIGURA 50. Comparacin del software con ventilador, tramo 1 ........................ .129

FIGURA 51. Comportamiento del software en segunda divisin ......................... 130

FIGURA 52. Comparacin del software con ventilador, tramo 2. ......................... 131

FIGURA 53. Prediccin del software, tramo 1 ..................................................... 132

FIGURA 54. Comparacin del software, tramo 1 ................................................. 133

FIGURA 55. Prediccin del software, tramo 2 ..................................................... 134

FIGURA 56. Comparacin del software, tramo 2 ................................................. 134

FIGURA 57. Prediccin del software en trayecto 1 .............................................. 135

FIGURA 58. Comparacin del software en trayecto 1 ......................................... 136

FIGURA 59. Prediccin del software en trayecto 2 .............................................. 136

FIGURA 60. Comparacin del software en trayecto 2 ......................................... 137

FIGURA 61. Anlisis de vibracin A .................................................................... 138

FIGURA 62. Anlisis de vibracin B .................................................................... 138

FIGURA 63. Anlisis de vibracin C .................................................................... 138

FIGURA 64. Anlisis de vibracin D .................................................................... 138

FIGURA 65. Anlisis de vibracin punto 1 (fuente) .............................................. 139

FIGURA 66. FFT punto 1 (fuente) ........................................................................ 139







FIGURA 73. Anlisis de vibracin punto 1 (ventilador) ....................................... 145

FIGURA 74. FFT punto 1 (ventilador) .................................................................. 146

FIGURA 75. Anlisis de vibracin punto 2 (ventilador) ........................................ 147


FIGURA 77. Anlisis de vibracin punto 3 (ventilador) ........................................ 148


FIGURA 79. Anlisis de vibracin punto 4 (ventilador) ....................................... 150


LISTADO DE TABLAS

Pg.

TABLA 1. Atenuacin, unidad de longitud, ductos desnudos................................ 53

TABLA 2. Atenuacin por reflexin en ducto ......................................................... 54

TABLA 2.1. Atenuacin por codos circulares de 90 ............................................. 55

TABLA 2.2. Atenuacin por codos rectangulares de 90 ....................................... 56

TABLA 2.3. Funcin de generacin de ruido en codos .......................................... 56

TABLA 2.4. Funcin de espectro para ruido en ductos .......................................... 58

TABLA 2.5. Coeficiente de cada de presin de rejillas ......................................... 60

TABLA 2.6. Factores de correccin ....................................................................... 60

TABLA 2.7. Factor de e ndice de directividad ....................................................... 61

TABLA 2.8. Notificacin de nivel de potencia sonora ............................................ 65

TABLA 2.9. Clculos organizados en bandas de octava ..................................... 106

TABLA 2.10 Presentacin de resultados de RT................................................... 114

TABLA 3. Clculo para conducto desnudo punto 1, ventilador ............................ 114

TABLA 3.1Clculo para conducto desnudo punto 1, ventilador ........................... 115

TABLA 4. Clculo para conducto revestido punto 2, ventilador ........................... 116

TABLA 4.1. Clculo para conducto revestido punto 2, ventilador ........................ 117


TABLA 5.1. Clculo para conducto desnudo punto 3, ventilador ......................... 118


TABLA 6.1. Clculo para conducto desnudo punto 4, ventilador ......................... 119

TABLA 7. Clculo para conducto revestido punto 1, fuente ................................. 120

TABLA 7.1 Clculo para conducto desnudo punto 1, fuente ............................... 121


TABLA 8.1. Clculo para conducto desnudo punto 2, fuente............................... 122


TABLA 9.1. Clculo para conducto desnudo punto 3, fuente............................... 123

TABLA 10. Clculo para conducto revestido punto 4, fuente ............................... 124

TABLA 10.1. Clculo para conducto desnudo punto 4, fuente............................. 124

TABLA 11. Tabla de valores ............................................................................ 127

TABLA 12. Clculo primer tramo, ducto revestido ............................................... 128

TABLA 13. Clculo segundo tramo, ducto revestido ............................................ 130

TABLA 14. Clculo primer tramo, ducto desnudo ................................................ 132

TABLA 15. Clculo segundo tramo, ducto desnudo ............................................ 133

TABLA 16. Anlisis comparativo .......................................................................... 135

TABLA 17. Anlisis comparativo .......................................................................... 136

INTRODUCCIN

En la actualidad, la inteligibilidad de la palabra es de vital importancia en nuestro

mundo moderno, debe procurarse la optimizacin de la comunicacin en los

diferentes ambientes; estudios de grabacin, auditorios, salas de cine, salas de

conferencias entre otros, donde requieren no solo de un buen acondicionamiento

acstico, sino tambin de mantener estos recintos con las renovaciones de aire

adecuadas, qu son de vital importancia para el ser humano y elemental para los

equipos electrnicos que requieran de una temperatura adecuada y el buen

funcionamiento del mismo.Ingenieros y arquitectos han ido evolucionando en

diseos de recintos acsticos, que plantean y edifican bajo criterios y normativas

la necesidad de diferentes recintos lo ms ajustada posible a criterios existentes.

Ahora bien, las inversiones en dinero y tiempo que se han realizado en las

construcciones de estos recintos han sido considerables, a menudo en numerosos

criterios se especifica que el nivel de ruido debido a los servicios de mecnica en

motores de ventilacin no deben exceder un NR o nivel NC (Criterio de Ruido)

recomendados para usos finales que brindara cada recinto. Por eso, con el fin de

satisfacer las necesidades de control de ruido en ductos de ventilacin para

diseos y construcciones de recintos, es importante conocer caractersticas de

distintos tipos de ventiladores para predecir los niveles de potencia sonora

funcionando con diferentes intensidades de flujo y presiones especificas. Para

aportar con el desarrollo de la acstica a uno de los problemas ms graves que se

presentan en estas construcciones y de acuerdo con la necesidad planteada, se

desarroll un software de simulacin de atenuacin sonora para los sistemas de

ductos de ventilacin, con el fin de mitigar este problema, basado en ecuaciones y

normativas competentes, se llev a cabo una base de datos y algoritmos

correspondientes, tiles y verstiles, para que el usuario pueda conocer y/o

analizar los valores de atenuacin sonora en ductos de ventilacin, teniendo en

cuenta si la seccin del conducto es de forma circular o rectangular, teniendo en

cuenta sus caractersticas y especificaciones, para predecir el comportamiento del

sistema antes de llevar a cabo la instalacin del conducto, para garantizar la

actuacin o trabajo de atenuacin sonora en el sistema diseado.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

A nivel Nacional existen pocas publicaciones o documentos tericos que motiven

al desarrollo y evolucin de software de sistemas HVAC y a nivel internacional

existen diferentes publicaciones relacionas con HVAC. A finales de la dcada de

1950, los progresos de desarrollo de estudios, anlisis y publicaciones, fueron

considerables en el avance tecnolgico de climatizacin para el control de ruido y

en la introduccin de criterios para predicciones de respuesta subjetiva generados

por sistemas y conductos de ventilacin.

1.1.1 Criterio NC

1En 1957, Beranek, present el conocido criterio de ruido (NC), las curvas a las

cuales se deben ajustar el ruido de fondo, para sistemas de climatizacin en

trminos de un nivel (NC). La introduccin de estas curvas representa un avance

significativo en el estado de la tcnica, en ese momento y en un principio, haba

grandes esperanzas en el xito que se encontraran en la aplicacin de estos

criterios en el diagnstico de los problemas de ruido y en el establecimiento de

objetivos de diseo del sistema. Sin embargo, la experiencia de campo en los

ltimos aos no ha sido realmente muy buena con respecto a la correlacin de

una calificacin NC de un sonido dado con actitudes de la gente al respecto.

En 1971, 2Beranek, Blazier y Figwer tratando de corregir algunos problemas

encontrados conlas curvas (NC), introdujeron unos nuevos conceptos y curvas de

nivel denominado PNC (Criterios recomendados de ruido).Estas curvas difieren de

las curvas (NC) en dos aspectos: en primer lugar, un nivel se defini para el 31,5

Hz por banda de octava y en segundo lugar, la pendiente del espectro se hizo

menos pronunciada por debajo de 250 Hz y ms fuerte alrededor de 1000 Hz. La

1 C.M. Harris (Ed.) Handbook of noise control, , ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1979, captulo 26 2 W.E. Blazier, Jr., , Noise control engineering, vol. 16, 1981, pp. 64-73

experiencia con las curvas PNC no dio resultados satisfactorios para la mayora de

la gente.

1.1.2 Metodologa ASHRAE

3Despus de varios aos de estudio en 1981, surgi una metodologa ampliada

para la calificacin del ruido HVAC, fue iniciado por la Sociedad Americana de

Calefaccin, Refrigeracin y Aire Acondicionado (ASHRAE),el proyecto de

investigacin patrocinado por estos. La metodologa mejorada se identifica como

el procedimiento de RC Mark II por arrojar curvas relacionadas a los niveles

mximos de emisin de ruido a los que se deben ajustarlos sistemas (HVAC).

Los principios bsicos del comportamiento del sonido, las vibraciones y los datos

necesarios para poder disear los HVAC fueron desarrollados y publicados en

1991 y 1999 en ASHRAE Handbooks, bsicamente se trata de informacin

relativa a las directrices de diseo acstico y requisitos de diseo del sistema

mecnico, muchas de las ecuaciones y tablas asociadas con el diseo de control

de ruido en los sistemas de HVAC se publicaron en este proyecto.

Adems de las publicaciones fundamentales de ASHRAE, varias otras

publicaciones se publicaron tambin, entre ellos, AMCA, Norma 300 o la Norma

ASHRAE 68/AMCA, Norma 330,que dieron de alguna manera condiciones de

ensayo para evaluar la potencia de sonido generado por un ventilador trabajando

a un destino determinado del Instituto Aire Acondicionado y Refrigeracin (ARI), la

Norma 880, especifica los procedimientos para obtener los datos de sonido de

Volumen de Aire Variable (VAV).ASHRAE estndar 70 o de IRA Norma

890,evala los datos de los fabricantes teniendo en cuenta los elementos de sala

o el rea involucrada, tales como, rejillas, difusores, lmparas de tratamiento de

aire y barras de manejo de la suspensin neumtica. ARI, Norma 575 y ARI

Norma 370 hizo posible la obtencin de datos de sonidos de fbrica para los

enfriadores interior y exterior, respectivamente. ASHRAE de 1987es un manual

donde figuran los valores de atenuacin de sonido para conductos circulares sin

revestimiento. ARI Norma 885, indica los valores de prdida de insercin para los

3 ASHRAE research Project RP- 126, rep. E2063, Lewis S. Goodfriend and Associates.

dimetros del canal especificado y longitudes para no metlicos aislados, los

conductos flexibles. La norma ASTM E477 describe los procedimientos de ensayo

para obtener datos de sonido de silenciadores dispativos y reactivos. Estndar

AMCA 300 indica la atenuacin del sonido teniendo en cuenta los valores

asociados a las prdidas del conducto y reflexin al final de los conductos

terminados en el espacio libre.

Por otro lado, en 1991 Reynolds y Bledsoe emitieron una publicacin que cubre

los debates tcnicos, detallando los componentes de climatizacin y ejemplos de

diseo de sistemas. Schaffer, establece las directrices especficas para el diseo

acstico y fases relacionadas con la construccin asociada a los sistemas

HVAC.La solucin de problemas de sonido, los problemas de vibraciones, el

sonido de los sistemas HVAC y las especificaciones de las vibraciones para

conductos de ventilacin. Aunque en 1998 Ebbing y Blazier aclaran cmo los

usuarios pueden hacer el mejor uso de los datos de los fabricantes de HVAC.

Reynolds y Bevirt aportaron los requisitos de instrumentacin, calibracin,

procedimientos y evaluacin de medicin para sistemas HVAC. La relacin de

vibracin asociada al sistema del conducto de ventilacin y valores de atenuacin

de los conductos rectangulares sin revestimiento, donde proponen tabular los

valores de atenuacin de varios conductos rectangulares de dimetros de 25 mm

y 50 mm respectivamente, con el fin de determinar la distribucin de la potencia

sonora analizando el sonido incidente y la alimentacin principal entre las ramas

asociadas a la unin del conducto.

1.1.3 Simulacin por software USB

En el contexto Nacional, investigando los antecedentes del programa de

Ingeniera de sonido perteneciente a la Universidad de San Buenaventura

(Bogot), ha realizado tres reconocidos proyectos de grado concernientes al tema

de la simulacin por software y la construccin de modelos a escala, proyectos o

publicaciones por el cual se han venido desarrollando, diferentes tipos de software

de simulacin en pro a la evolucin y perfeccin de la acstica.

1.1.4 Modelo a escala de acstica arquitectnica

Este proyecto lleva como ttulo: Modelo a escala de Acstica Arquitectnica:

Auditorio San Francisco de Ass de la Universidad de San Buenaventura,

proyecto caracterizado por ser un material de consulta, para validar la utilizacin

de modelos a escala en la prediccin acstica en recintos.

1.1.5 Diseo de una sala de cine: Anlisis del comportamiento

acstico mediante la simulacin y modelo a escala.

El segundo proyecto lleva como ttulo: Diseo de una sala de cine: Anlisis del

comportamiento acstico mediante la simulacin y modelo a escala, como su

nombre lo indica fue el diseo de una sala de cine mediante un estudio de

simulacin por software y la construccin de un modelo a escala.

1.1.6 Diseo, construccin y clasificacin de elementos acsticos

variables, silenciador de cmara de expansin y resonador de

membrana variable.

El tercer proyecto perteneciente a la universidad de san buenaventura lleva como

ttulo Diseo, construccin y clasificacin de elementos acsticos variables,

silenciador de cmara de expansin y resonador de membrana variable., este

proyecto se caracteriza por el diseo de implementos acsticos variables que

permiten solucionar de manera fcil los problemas de espacio, adems de hacer

una introduccin en el mercado de la concepcin de una acstica ideal ms

accesible, por medio del desarrollo de algoritmos realizados en el software

MATLAB para que realice una prediccin de comportamiento de atenuacin

sonora en sistemas de ventilacin, este proyecto se caracteriza por ser emprico-

analtico debido a la poca informacin que se encuentra al respecto acreditando el

funcionamiento del software mediante mediciones ajustadas a normas de

determinacin de potencia sonora.

1.1.7 Metodologa de control activo de ruido en ductos.

4En este proyecto se presenta el diseo, implantacin y comparacin de tcnicas

de control activo de ruido, estos controladores se basa en tcnicas de control

adaptativo mediante un filtro FIR y el algoritmo LMS, el principio de funcionamiento

de esta metodologa de control es el fenmeno de interferencia destructiva y

superposicin lineal de ondas, la idea es generar una seal idntica a la seal de

ruido que se desea cancelar, logrando atenuar el ruido que se propaga al interior

de un entorno acstico, para la validacin de esta aplicacin se construyo un

prototipo experimental, durante las pruebas realizadas, se lograron atenuar niveles

de presin sonora por el orden de los 50 dB, sobre ruidos tipo industriales que se

propagaban al interior del ducto. Para monitorear y realizar un anlisis del

prototipo construido se utilizo el Software de National Instruments LabVIEW 8.6

junto con los paquetes LabVIEW Real-Time 8.6, LabVIEW FPGA 8.6 y Adaptive

Filters Toolkit.

A nivel comercial e Internacional ha existido un mayor avance en este tipo de

proyectos de investigacin, existen una gran variedad de software de prediccin o

simulacin de HVAC, algunos programas de prediccin de ruido fueron escritos

para su uso en los estudios de diseo de sistemas HVAC para reducir la carga del

diseador para sistemas de HVAC y superar las dificultades para disminuir tiempo

y dinero al momento de realizar una cantidad de clculos de prediccin de

ruido. Los estudios estandarizados de algunas instituciones y los resultados de los

estudios de investigacin anteriormente mencionados son utilizados a gran

escala. En la actualidad, existen varios programas de prediccin de ruido

ampliamente utilizados para los estudios de prediccin de ruido de los sistemas de

HVAC.

1.1.8 HVAC Solution 5.4

5El HVAC SOLUTION 5.4es un software de tratamiento de aire de control de ruido para uso de diseadores de HVAC y consultores en acstica, este software incluye todas las tuberas y los componentes necesarios de conductos para

4 Metodologa de control activo de ruido en ductos, Universidad de la sall, Colombia, DC. Tumialn Borja Jos Antonio, Murillo R. Freddy Alexander, Enciso N. William Roberto. 2010 5 http://www.hvacsolution.com/cart.php?m=product_detail&p=2
http://www.hvacsolution.com/cart.php?m=product_detail&p=2

modelar el sistema teniendo en cuenta la matriz elctrica para llevar a cabo un informe completo y detallado de prediccin de diseos industriales. Permitiendo realizar un anlisis en sistemas de conductos de climatizacin.

1.1.9 Trane acoustics program (TAP)

6ElTrane Acoustics Program(TAP),desarrollado para ayudar a los diseadores con precisin en el modelo de nivel de sonido que llega a odos de los receptores de un edificio, el Trane Acoustics program(TAP) realiza proyectos de datos de equipos de sonido con alimentacin a travs del entorno, por ejemplo, suelos, conductos, paredes entre otros, para estimar el nivel de sonido que puede ser percibido. Los clculos que este realiza estn basados en el estndar de la industria publicado en 1991 ASHRAE, donde indica los algoritmos para la climatizacin y un manual acstico que son sujetos a una base de datos para la realizacin de este software, con el fin de hacer una estimacin ms aproximada. Las condiciones de un sistema de aire acondicionado se pueden modelar en la eleccin de equipos especficos y la creacin de criterios de componentes en el programa. Este realiza un anlisis de las trayectorias del sonido y calcula el efecto total del espacio cerrado de todo el sistema del conducto.

1.1.10 Applied Acoustics Program

El Applied Acoustics Program fue desarrollado para determinar la calidad acstica de los espacios de interiores y exteriores. El programa calcula el nivel de presin acstica en una ubicacin del receptor. Este realiza todos los clculos teniendo en cuenta normativas y criterios correspondientes. El programa permite al usuario definir una o ms fuentes de sonido, por ejemplo, equipos de aire acondicionado y realizar una simulacin grafica del comportamiento del sonido hacia el receptor y cuenta con una base de datos de unos elementos de atenuacin de sonido.

6 http://www.trane.com/COMMERCIAL/HvacSystems/Default.aspx?i=862
http://www.trane.com/COMMERCIAL/HvacSystems/Default.aspx?i=862

1.1.11 RHVAC

7El RHVAC Cargas Residenciales y Tamaos de Ductos Desarrollado por Elite

Software, donde su campo de aplicacin bsicamente trata de hacer los clculos

correspondientes a la carga de aire acondicionado, el tamao del conducto,

seleccin de equipos y propuestas de ventas.

1.1.12 CHVAC

8El CHVAC Carga Comercial desarrollado por la base de datos de ASHRAE y

principalmente su campo de aplicacin est dirigida a calcular cargas de

refrigeracin y calefaccin para edificios comerciales y ocupando un lugar muy

importante esta un software desarrollado por HVAC Solutions presentando un

Software de prediccin llamado HVAC Prodonde principalmente este hace

simulaciones de cargas de refrigeracin y diseos de tuberas.

1.1.13 HVACduct

9Contribuyendo a la evolucin del desarrollo de estos tipos de software tenemos

uno muy reconocido desarrollado por Mc4 llamado HVACduct, donde su campo

de aplicacin est dirigido a disear sistemas completos de aire acondicionado

que incluye la canalizacin a cambio de los sistemas de ventilacin y sistemas de

escape completos para edificios comerciales, residenciales e industriales.

7 http://www.elitesoft.com/web/hvacr/elite_rhvacw_info.html 8 http://www.elitesoft.com/web/hvacr/chvacx.html 9 http://www.mcquay.com/mcquay/designsolutions/software
http://www.elitesoft.com/web/hvacr/elite_rhvacw_info.htmlhttp://www.elitesoft.com/web/hvacr/chvacx.htmlhttp://www.mcquay.com/mcquay/designsolutions/software

1.1.14 ComfortAir HVAC.

10Por otro lado la Empresa Cleon Rowe desarrolla un Software llamado

ComfortAir HVAC, pues este est diseado para ser utilizado por ingenieros,

arquitectos, contratistas y auditores de energa para calcular y analizar las cargas

de calefaccin y aire acondicionado en edificios comerciales.

1.1.15 VA 5.0

En otro punto, la Empresa Vibro-acstica desarrolla un software de prediccin

de HVAC muy interesante llamado VA 5.0, con aplicaciones de silenciadores,

donde el usuario tiene la posibilidad de seleccionar cualquiera de los materiales

que estn en la base de datos de este, adems que fue un desarrollo en conjunto

con ASHRAE, normativas y criterios competentes para el buen desarrollo y

funcionamiento del software.

1.1.16 V-A Select release 5.0

11El V-A Select release 5.0 es un software de tratamiento de aire y control de

ruido para uso de diseadores y consultores en acstica, este permite realizar un

anlisis acstico de uso fcil en sistemas de conductos de climatizacin. Este

software contiene una base de datos de materiales y silenciadores donde

proporciona el costo global del diseo seleccionado. La atenuacin de potencia

sonora para los ductos de ventilacin est dada por los silenciadores, para lograr

la perdida de insercin y buen comportamiento aerodinmico, proporcionando

criterios correspondientes y cadas de presin mxima permisibles para estos

sistemas HVAC.

10 http://www.freedownloadscenter.com/Utilities/Misc__Utilities/ComfortAir_HVAC_Software.html 11 http://www.vibro-acoustics.com/downloads/software
http://translate.google.com.co/translate?hl=es&langpair=en|es&u=http://www.freedownloadscenter.com/Utilities/Misc__Utilities/ComfortAir_HVAC_Software.htmlhttp://www.vibro-acoustics.com/downloads/software

1.1.17 Robust control for heating ventilating and air conditioning

(HVAC) systems.

12Es un proyecto de grado desarrollado para obtener el ttulo de maestra en

ciencias, para el departamento de ingeniera elctrica y computacin, realizado en

la Universidad Estatal de Colorado en Fort Collins, 2001, consiste principalmente

en el estudio y anlisis de posibles mejoras en rendimiento de un sistema HVAC

de temperatura de aire, tasa de flujo volumtrico y ruido, por medio un ventilador

con velocidad variable y bobina de calefaccin, con el fin de realizar un modelo de

simulacin para un sistema de climatizacin experimental por medio del montaje

fsico y el diseo de un software realizado en MATLAB para ejecutar dicho

anlisis.

1.1.18 Computer aided noise prediction in heating, ventilating y

conditioning systems.

13Este proyecto de grado, es realizado para obtener el ttulo de maestra de la

facultad de ciencias para el departamento de ingeniera mecnica de la Escuela

de Postgrado de Ciencias Naturales y Aplicadas de la Universidad Tcnica del

Oriente. El software consiste en el diseo y elaboracin de una herramienta de

software fcil de usar para la prediccin y anlisis del ruido generado en los

sistemas HVAC, aplicando los diferentes criterios de ruido en interiores y poder

mejorar la calidad del sonido percibido por los ocupantes a travs de dichos

criterios. La estructura general del software y la implementacin de elementos de

climatizacin se explican por diferentes muestras de interfaz de usuario en el

proyecto. Varios estudios de casos se presentan para demostrar las capacidades

de la herramienta preparada en el lenguaje de programacin VISUAL BASIC en el

mbito de estudio.

12

Thesis, Robust control for heating ventilating and air conditioning, HVAC, Systems, Michael L. Anderson, Department of Electrical and Computer Engineering, Colorado State University fort Collins, Colorado, 2001 13 Thesis, Computer aided noise prediction in heating, ventilating and air conditioning systems, Faruk EmRe Gungor, Department of mechanical engineering, School of Natural and Applied Sciences of the Middle East University, 2003

1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA

El control del ruido en sistemas de ventilacin y climatizacin en los recintos ha

sido de gran preocupacin por muchos aos. En la dcada de 1940 el auge de la

construccin de edificios de gran altura con aire acondicionado central, fue

acompaado por una conciencia aguda del ruido y las vibraciones excesivas que

los sistemas de HVAC producan. Durante este primer perodo haba poca

informacin disponible para responder a lo que es la fuente de los componentes

de este ruido, para predecir cmo la gente responde a los ruidos de los diferentes

niveles. Por lo tanto, el ingeniero de diseo HVAC se enfrent con el dilema de

tener que encontrar soluciones a sus problemas de ruido en gran parte por ensayo

y error, no slo fue la tecnologa de control de ruido en este campo en sus inicios,

pero directrices prcticas y criterios para determinar hasta qu punto el ruido era

aceptable, marginal o eran prcticamente inaccesible.

El adecuado manejo del ruido en la calefaccin, ventilacin y aire acondicionado

(HVAC) no es difcil de lograr durante el diseo del sistema, siempre en cuando

los principios bsicos de control de ruido se entiendan y se ejerzan en la fase del

diseo. En base a ello, diferentes tipos de estudios o investigaciones se han

venido realizando durante muchos aos, no slo por los institutos, sino tambin

por muchos investigadores independientes. Adems, algunos de estos estudios

han aportado a la investigacin de normas correspondientes a los sistemas HVAC,

donde siguen siendo utilizados por los diseadores y fabricantes. En este sentido,

se orient la investigacin del proyecto de grado en un desarrollo de un software

de simulacin de atenuacin para sistemas de ventilacin, con el fin de aportar de

alguna manera al desarrollo e implantacin de este tipo de proyectos. Dado a que

los existentes son de un alto costo y son realizados en pases desarrollados,

generando as dependencia a importar este tipo de productos, que son tiles y

verstiles por Arquitectos e Ingenieros por su fcil y practico manejo. Este

proyecto de investigacin se encamin a tener en cuenta criterios, ecuaciones y

normativas correspondientes con el fin de realizar algoritmos que permitan realizar

una simulacin de los sistemas de conductos y una prediccin del comportamiento

del sonido en este sistema, con una aproximacin bastante cercana, facilitando de

alguna manera a diseadores de este tipo de sistemas una prediccin o

comportamiento de tuberas para que analicen los niveles de ruido generados por

el motor del ventilador, encargado de ingresar el aire al sistema, para que tenga

en cuenta las curvas a las que se debe ajustar, segn normativas, con el fin de

proteger no solo la salud auditiva si no tambin el bienestar comn de

construcciones de inters acstico.

Teniendo en cuenta el inters de desarrollar un software de simulacin de

atenuacin para sistemas de ventilacin surge la siguiente pregunta:

Cmo construir y disear un software de atenuacin para sistemas de ventilacin usando los algoritmos correctos para una estimacin aproximada teniendo en cuenta las propiedades de los materiales?

1.3 JUSTIFICACIN

Con el avance tecnolgico y la necesidad de estar a la vanguardia con el

desarrollo y manejo de software de prediccin, es necesario desarrollar un

software que permita simular los conductos para los sistemas de ventilacin y

predecir el comportamiento del sonido en este sistema, con el fin de ser

competitivos en el mercado nacional e internacional, teniendo en cuenta que no

existen publicaciones o proyectos desarrollados de HVAC referidos

especficamente al tema tratado en esta investigacin en la Universidad San

Buenaventura.

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN

1.4.1 Objetivo general

Desarrollar un software que simule un ducto de ventilacin permitiendo combinar

materiales acsticos con el fin de conocer la atenuacin del sistema simulado con

sus respectivos costos.

1.4.2 Objetivos especficos

Analizar y evaluar las caractersticas y propiedades de los materiales que puedan ser empleados para la construccin del simulador.

Estudiar, analizar y Concluir los algoritmos que van a ser usados para estimar la atenuacin del sistema.

Realizar una base de datos de 3 motores, 5 materiales termo- acsticos y 4 rejillas.

Desarrollar un software que permita simular un sistema de ventilacin y obtener la atenuacin y cotizacin del ducto.

Evaluar el comportamiento del software mediante clculos y mediciones.

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

1.5.1 Alcances

Lograr que el simulador permita hacer estimaciones suficientemente precisas al momento de realizar clculos de prediccin de ruido y simulacin de diseo de sistemas de ventilacin.

Economizar costos mientras se selecciona los elementos adecuados para el sistema de ventilacin y disminuir tiempo en clculos y diseos.

Desarrollo tecnolgico en el campo de los sistemas de ventilacin con el fin de mejorar ambiente y condiciones para recintos en audicin critica, optimizando la inteligibilidad del sonido en estudios de grabacin, mezcla, masterizacin, teatros, cines, auditorios, entre otros, con el fin de mejorar el

funcionamiento y rendimiento de diferentes empresas dedicadas en estos campos y logre disminuir la dependencia de otros pases ms avanzados o desarrollados.

1.5.2 Limitaciones

Acceso a propiedades y especificaciones de materiales.

Mal estado de algunos instrumentos de medicin.

Altos costos de normas e informacin verdica que contribuyan al desarrollo

de proyectos de HVAC.

Dificultad de actualizar la base de datos de los materiales relacionados a

las propiedades y costos.

2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO CONCEPTUAL

2.1.1 Ruido en los ventiladores

14El ruido aerodinmico de todo tipo de ventilador se puede dividir en un

componente de rotacin y el componente del vrtice. El componente de rotacin

se asocia con el impulso dado al aire cada vez que una hoja pasa por un punto

dado y es por tanto una serie de tonos discretos en la lmina fundamental donde

se obtienen frecuencias y los armnicos de la misma. El componente torbellino de

ruido, es en gran parte debido al desprendimiento de vrtices de las aspas del

ventilador. Es de carcter aleatorio y tiene un espectro continuo en un amplio

rango de frecuencias determinado por la geometra y el funcionamiento del

ventilador. Tambin puede tener muchos componentes de una sola frecuencia no

armnica determinada por la geometra de la hoja y la velocidad del aire

local. Dado que las leyes de generacin de estos dos tipos de ruido son diferentes,

que varan en importancia para los diferentes tipos de ventiladores y las

condiciones de funcionamiento.

Las diversas instalaciones de ventilacin precisan de ventiladores con distintas

caractersticas de funcionamiento. Las caractersticas operativas de un ventilador,

incluyendo las de emisin de ruido, vienen determinadas primordialmente por el

diseo del propulsor giratorio.

Los tipos de ventiladores que se encuentran en la base de datos del software son

ventiladores centrfugos y ventiladores de flujo axial, empleados habitualmente en

sistemas de aire acondicionado centralizado, sistemas de ventilacin industriales e

instalaciones para procesos industriales. Estas distintas caractersticas de

funcionamiento de los diferentes tipos de ventiladores producen diferentes

caractersticas de ruido. Una vez seleccionado el tipo, tamao y velocidad del

ventilador de acuerdo a un funcionamiento especifico y a los requisitos

14 W.D. Merk, , cap. 21 en Noise, Vibration Control: Engineering Principles and Applications, I.L. Ver y L.L.Beranek (eds.), John Wiley and Sons, Nueva York, 1992.

estructurales, se establecen las especificaciones de ruido de este particular

ventilador.

Los ventiladores centrfugos se caracterizan por el tipo de alabe empleado. Pues

las aspas curvas estn diseadas para que marche en sentido de la marcha,

aerodinmico y radial.

Los ventiladores de flujo axial se dividen en tres categoras principales:

ventiladores axiales con aletas de gua, ventiladores tubo axial y ventiladores

helicoidales.

El nmero de aspas de un ventilador centrfugo en general se rige por el diseo

del flujo de aire ptimo. La disminucin de la generacin de ruido, pero un poco

ms de la cantidad ptima de las hojas.

Un tono de gran alcance se puede generar en los ventiladores, cuando las estelas

de los labes rotativas inciden en un obstculo, como forma de corte en un

ventilador centrfugo o puntales de soportes de motor que estn cerca del impulsor

de un ventilador de flujo axial o hlice. Esta interferencia tiene las caractersticas

de una misma frecuencia que el ruido de rotacin.

Una cubierta alrededor de un ventilador de hlice puede servir para reducir el ruido

considerablemente si est funcionando correctamente. Dicha reduccin es

generalmente ms eficaz en los armnicos ms altos. Sin embargo, si el flujo se

rompe en una parte de la cubierta, el ruido puede llegar a ser considerablemente

peor que en un caso determinado.

A medida que la presin de trabajo a travs de ventiladores axiales se aumenta, la

intensidad mxima de sonido se desplaza hacia los fundamentales de los

armnicos ms altos. Este efecto no se observa para los ventiladores centrfugos.

La potencia de sonido generado por un ventilador trabajando a un punto

determinado, se obtiene mejor a partir de datos de prueba del fabricante, en unas

condiciones de ensayo autorizados. Sin embargo, si estos datos no estn

disponibles, la banda de octava, en los niveles de potencia de sonido para el

ventilador, se puede estimar por los siguientes procedimientos.

El ruido del ventilador puede ser clasificado en trminos de nivel de potencia

acstica especfica, definida como el nivel de potencia acstica generada por un

ventilador a una capacidad especfica y presin. Mediante la reduccin de todos

los datos de ruido del ventilador de este denominador comn, el nivel de potencia

acstica especfica sirve de base para la comparacin directa de los niveles de

banda de octava del ventilador en base a un mtodo convencional de clculo de

los niveles de ruido de los ventiladores en condiciones reales de funcionamiento.

En un determinado nivel en la alimentacin para este tipo de sistemas, los

ventiladores pequeos son ms ruidosos que los grandes ventiladores. Mientras

que la divisin de tamao es necesariamente arbitraria. Las divisiones de tamao

son necesarias y prcticas para estimar el ruido del ventilador. El ventilador puede

generar un tono en la frecuencia de paso en las aspas y la fuerza de este tono

depende en parte del tipo de ventilador. Para tener en cuenta esta frecuencia de

paso por las aspas, la presin acstica debe ser en la banda de octava en la que

la frecuencia cae con respecto a este. El nmero de decibelios aadido respecto al

nivel de presin sonora en esta banda es el incremento de frecuencia de las

aspas.

Las aspas de frecuencia de paso (Bf): Es el nmero de veces por segundo en un impulsor del ventilador que pasa por un elemento inmvil. Se describe en Hz, por lo que (Bf) se puede calcular de la siguiente manera.

B = (rpm del ventilador) '(n de labes del ventilador) / 60 Ecuacin 1

Todos los ventiladores generan un tono de frecuencia al paso de las aspas. Ya

sea que este tono sea desagradable o apenas perceptible, depende del tipo y

diseo del ventilador y el punto de operacin. Algunos tipos de ventiladores de uso

general se resumen a continuacin:

2.1.2 Ventiladores centrfugos

15Este tipo de ventiladores provoca un movimiento del aire y genera una presin

gracias en parte a la accin centrifuga y en parte a la velocidad de giro, La fuerza

centrfuga surge debido a una columna giratoria de aire producida por las aspas

de la hlice. Como consecuencia de todo este proceso, el aire es expulsado por el

rotor con un vector absoluto calculado a partir de los vectores tangencial y radial.

Desde el punto de vista de la eficacia y del ruido es preferible un valor mnimo

para ventiladores curvados en sentido contrario a la marcha. Sin embargo, no es

siempre posible emplear este tipo de ventiladores. Cada tipo posee caractersticas

distintas de presin y potencia que lo hacen adecuado para aplicaciones

concretas.

2.1.3 Ventiladores radiales modificados

Los ventiladores de este tipo, han sido creados para usos industriales bajo

condiciones de alta presin. El dimetro interior del filo de alabe posee un leve

ngulo de inclinacin en el sentido de la marcha. El dimetro exterior del aspa es

radial. El funcionamiento de la hlice adquiere por tanto peculiaridades de alta

presin que permiten su empleo para instalaciones en servicios industriales

pesados, tales como calderas de utilidad pblica, depuradoras y procesos

industriales. Este diseo es empleado bajo condiciones de alta posibilidad de

erosin y corrosin. En estos casos puede ser reforzado con una elaboracin mas

salida de lo habitual o con materiales preparado para soportar estas condiciones.

Este ventilador produce un espectro de ruido que tiene un gran componente de

frecuencia del alabe. Tales ventiladores poseen entre 12 y 18 alabes.

2.1.4 Ventiladores radiales

Este tipo de ventilador industrial pesado se fabrica con diferentes secciones de

hlice, se disean con alabes anchos y de poco espesor para su uso en

instalaciones con grandes cantidades de flujo de aire a baja presin. Para

15 C.M. Harris (Ed.) Handbook of noise control, , ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1995, captulo 41.1

aplicaciones a las presiones y cantidades de flujo de aire relativamente pequeas

se emplean alabes estrechos y profundos. Es posible adquirir ventiladores de muy

diversas proporciones y estn en uso muy distintas versiones de este tipo de

ventilador industrial de alabes radiales.

El tipo de ventilador radial se emplea en servicios difciles de instalaciones

industriales, por ejemplo, cuando deben pasar directamente a travs del ventilador

materiales extraos (tales como virutas de madera, arena o partculas de papel).

Este rotor posee alabes radiales planos que permiten realizar ciertas reparaciones

en el mismo lugar. Tambin simplifica su fabricacin cuando se emplean

materiales especiales o se aplican revestimientos concretos a las superficies

desgastadas. El ventilador radial posee un espectro con un gran componente en

frecuencia del alabe. Estos ventiladores tienen por lo general entre 6 y 12 alabes.

2.1.5 Ventiladores axiales

16Los ventiladores de flujo axial transmiten la energa al aire por medio de un

movimiento de giro. Este flujo de aire en remolino no es el ms apropiado para un

flujo eficaz de aire a travs del conducto adyacente. Con el fin de mejorar su

eficacia es necesario aadir guas que enderecen el flujo.

El propulsor axial puede disponer de alabes de grosor uniforme, con forma

aerodinmica hueca o compacta. El diseo aerodinmico, aunque de mayor costo,

puede ser ms eficaz y silencioso y proporciona una mayor presin para dimetros

y velocidad equivalentes. Para muchas instalaciones es suficiente el alabe de

grosor uniforme. Casi ningn ventilador axial posee una inclinacin uniforme, si no

que es mayor en la parte central que en el extremo, para poder as aprovechar con

mas uniformidad las velocidades perifricas en estos puntos. En el caso de que se

utilicen estos ventiladores bajo condiciones de presin mayores a las previstas, el

flujo de aire cercano al eje giratorio no ser rectilneo y provocar un ruido

considerable. Debido a esta razn se deberan seleccionar con atencin los

ventiladores axiales. Es ms, algunos de ellos precisan una minuciosa eleccin del


motor en caso de que la energa tienda a aumentar rpidamente en condiciones

de oclusin.

Las caractersticas principales del ventilador axial se reflejan en la forma de los

alabes, la medida del dimetro desde el eje giratorio al extremo, la inclinacin y el

numero de alabes. Este tipo de ventiladores, diseados para aplicaciones bajo alta

presin, se caracterizan normalmente por poseer un gran dimetro de hlice y por

tener bastantes alabes. Es habitual que se d una relacin de 0.60 a 0.80 con un

numero de alabes de 8 a 26. Cuando mayor sea tal relacin, menor ser la

longitud del alabe y mayor ser su nmero. Los diseos para bajas presiones

poseen relaciones de 0.40 a 0.60 y un nmero de palas de entre 2 a 7. La

inclinacin del alabe est en funcin de la capacidad del aire, mientras que el

nmero de alabes est en funcin de la presin. Los distintos diseos incorporan

muy diversas combinaciones entre estos parmetros. Los ventiladores axiales se

fabrican para una amplia gama de combinaciones entre caudal y presin, tanto

para usos comerciales como para industriales.

2.1.6 Ventiladores axiales con aletas gua

17El ventilador axial con alabes gua, incorpora aletas de salida de aire y es por

tanto el ventilador de mayor eficacia de la serie de flujo axial. Este ventilador

posee cualidades relativas de alta presin que lo hacen adecuado para sistemas

generales de calefaccin, ventilacin y aire acondicionado para aplicaciones a

bajas, medias o altas presiones. Tambin se emplea en instalaciones industriales

y en ventiladores de aspiracin mecnica o inducida en calderas de uso pblico.

Los ventiladores axiales con aletas gua generan unos niveles de ruido

ligeramente mayores que los de ventilacin centrifuga. Su espectro posee un

componente muy alto en frecuencia del alabe.


2.1.7 Ventiladores tuboaxiales

18El ventilador tuboaxial es un ventilador axial sin aletas gua de salida de aire. Su

eficacia es menor que la del ventilador con aletas gua, pero su costoinicial es

menor debido a que su fabricacin es ms sencilla. Este ventilador se emplea en

algunos conductos a presiones bajas, medias y altas, para instalaciones de

calefaccin, ventilacin y aire acondicionado. Se usa tambin en instalaciones

industriales tales como cabinas para pintura y sistemas de evacuacin de humos.

Este ventilador tiene normalmente un dimetro de eje giratorio pequeo y se

emplea cuando exista un alto ndice de flujo de aire a baja presin relativa. El

ventilador tuboaxial genera un nivel de ruido ligeramente mayor que el del

ventilador axial con aletas gua. Su espectro contiene un componente muy alto de

frecuencia del alabe.

2.1.8 Ventiladores helicoidales

19El ventilador helicoidal, se emplea por lo general en compartimientos asilados no

conectados al sistema de conductos. Estn indicados para instalaciones a muy

bajas presiones (muchos funcionan bajo condiciones de nula o casi nula

impulsin) y son capaces de soportar grandes flujos de aire. Los ventiladores

helicoidales se fabrican con una gran variedad de diseos de alabes. Se emplean

generalmente en ventilaciones por evacuacin en techos, para circulacin de aire,

ventilaciones localizadas y torres de refrigeracin. Algunos de estos ventiladores

poseen dimetros de gran tamao. Los niveles sonoros de un ventilador helicoidal

son solo algo mayores que los ventiladores Tuboaxiales o axiales con aletas gua,

pero sus ruidos son de bajas frecuencias y por tanto complicados de atenuar.

El nmero de labes y las rpm del ventilador se pueden obtener en el catlogo de

seleccin. En la tabla 1 se enumeran los niveles de potencia sonora y los

incrementos de labes de frecuencia. En la tabla 1 se enumeran las bandas de

octava en la que se produce el BFI. En la actualidad, los datos de potencia acstica

de nivel para los ventiladores curvados es muy variable; los niveles de sonido

18 C.M. Harris (Ed.) Handbook of noise control, , ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1995, captulo 41.12 19 C.M. Harris (Ed.) Handbook of noise control, , ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1995, captulo 41.13

especfico de energa en la tabla 1 son un promedio de esos datos. Para

aplicaciones crticas, los niveles de potencia acstica de un ventilador especial se

deben obtener del fabricante.

Los niveles de ruido en condiciones reales de funcionamiento puede ser estimada

por el caudal real del ventilador de volumen y presin del ventilador, como;

= + 10log + 20 log + c + BFI Ecuacin 1.1

Donde:

= Nivel estimado de potencia acstica del ventilador en dB W.

= Nivel de potencia acstica especifico en dB.

Q = Caudal en /s

= 1 /s

P= Cada de presin Pa

= 1 Pa

C= Factor de correccin para el punto de funcionamiento del ventilador en Db

BFI= incremento de los labes teniendo en cuenta la frecuencia que se aade slo

para bandas de octava de frecuencia que contiene los labes en dB.

2.1.9 Punto de operacin

20En la seleccin de los ventiladores en el punto calculado de la mxima eficiencia

es una prctica comn para garantizar el consumo de energa mnimo. En general,

el sonido del ventilador est en un mnimo cerca del punto de mxima


eficiencia. El ruido aumenta a medida que lo operativo tienen cambios (mayor flujo

de aire y reducir la presin esttica) y el ruido de baja frecuencia puede aumentar

considerablemente en los puntos de operacin a la izquierda de la mxima

eficiencia (menor flujo de aire y una mayor presin esttica)

Los niveles especficos de potencia acstica en la tabla 1.1, son para el ventilador

de funcionamiento en o cerca del punto de mxima eficiencia de las curvas de

rendimiento del ventilador. Esto concuerda con la prctica recomendada de

seleccionar el tamao y la velocidad del ventilador para que la operacin caiga

cerca de este punto, es benfica para la conservacin de energa y se

corresponde con los niveles de ruido ms bajos para el ventilador. Si, por

cualquier razn, un ventilador no es o no se puede seleccionar de manera ptima,

el nivel de ruido producido aumentar. Por lo tanto, el factor de correccin C en la

ecuacin 1.1 debe ser aplicado a la cuenta de este aumento. Este factor de

correccin se debe aplicar a todas las bandas de octava.

2.1.10 Discusin general de ruido en los ventiladores

21Para hacer efectiva la atenuacin sonora del conducto, es necesaria una

adecuada seleccin e instalacin del ventilador, adems de tener en cuenta los

siguientes factores:

1. Dise

FECHA Marzo 30 de 2011 NÚMERO RA TÍTULO...

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