Febrero 2015

IG INDUSTRIA DEL GAS

Ruido en válvulas de control y venteoSoluciones de control

Uno de los principales focos de ruidos existentes en las plantas industriales es el generado durante los venteos atmosféricos, presentes en válvulas de seguridad y válvulas de control de un gran número de plantas de energía, refinerías, plantas químicas, plantas de producción de pulpa y papel y similares. Son fuentes puntuales de ruidos que afectan a la seguridad y salud del personal operativo de planta, así como a la contaminación acústica ambiental. Este artículo desarrolla sugerencias de cómo puede reducirse el ruido generado en estos venteos mediante el uso de silenciadores de relajación atmosféricas, y la importancia de la optimización en su diseño y selección para garantizar el cumplimiento de los límites normativos.

Palabras clave: Ruidos en válvulas, Ruidos en venteos, Silenciadores de venteo, Silenciadores de relajación atmosférica, Ruido en plantas industriales, Ruido en el puesto de trabajo.

One of the main focuses of existing noise in industrial plants is generated during atmospheric vents present in safety valves and control valves many power plants, refineries, chemical plants, production of pulp and paper and the like. They are point sources of noise that affect the health and safety of plant operations personnel, as well as environmental noise pollution. This paper develops suggestions of how you can reduce the noise generated in these vents using silencers atmospheric relaxation, and the importance of optimization in design and selection to ensure compliance with regulatory limits.

Keywords Noise valves, Noise vents, Vent silencers, Mufflers atmospheric relaxation, Industrial noise levels, Noise in the workplace.

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Pedro Flores PereitaIngeniero Industrial. Consejero de INERCO Acústica

Pedro Flores Domínguez-RodiñoIngeniero Industrial. Director Gerente de INERCO Acústica

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LAS MAYORES FUENTES DE RUIDO en plantas de procesos industriales (las de mayor nivel de emisión sonora) tienen como origen el movimiento de fluidos, particularmente en la descarga atmos-férica de gases. Entre otras, podríamos citar venteos de válvulas de seguridad, válvulas de control, descarga de gases, purgas de vapor, eyectores, etc.

Por su especial problemática en la generación de ruidos, tanto desde el punto de vista de riesgo higiéni-co laboral como ambiental, vamos a desarrollar en este artículo el análisis de los problemas de ruido derivados del funcionamiento de las válvulas, así como de los sistemas de control de ruido aplicables para garantizar el cumplimiento legal normativo en las instalaciones industriales.

En ruido derivado del funciona-miento de las válvulas de control y válvulas de seguridad se caracterizan principalmente por su elevado nivel de potencia sonora (en muchas ocasiones superior a 150 dBA), así como por el espectro “tipo” de emisión, en el que predominan las altas frecuencias: ran-go de emisión entre 1.000 Hz y 8.000 Hz. Son emisiones sonoras problemá-ticas para el oído humano, ya que los niveles de presión sonora que generan son muy elevados (incluso a distancias superiores a 500 metros del venteo se genera niveles de presión sonora superiores a 85 dBA), y que este tipo de espectro coincide con el efecto am-plificador del sistema auditivo, provo-cando la aparición de un riesgo mayor de presbiacusia o pérdida de audición en las personas expuestas al ruido en estas frecuencias, especialmente en la banda de octava de 4 KHz.

El Decreto 286/2006, que establece las disposiciones mínimas para la pro-tección de los trabajadores, establece como valores límites de exposición los siguientes: LAeq,d = 87 dB(A) y nivel máximo Lpico= 140 dB (C).

La gran mayoría de requisitos nor-mativos medio ambientales internacio-nales limitan el nivel máximo de pre-sión sonora en los límites de las plantas industriales y en las fachadas de edifi-

caciones que pudieran verse afectadas. Por ejemplo, en España el Reglamento que desarrolla la Ley Nacional del Ruido (RD 1367/2007) establece que en todo proyecto o instalación donde exista o sea previsible la emisión de elevados niveles de ruido, será imprescindible la instalación de medidas correctoras. Los límites sonoros de aplicación para áreas industriales valorados en el límite de la instalación industrial no deberá superar el valor LK,n de 55 dBA en periodo de noche, y de 45 dBA en zonas residen-ciales.

Si consideramos que los venteos ge-neran valores superiores a 140 dBA a un (1) metro de distancia de los mis-mos, resulta más que probable que todos ellos necesiten de un sistema pasivo de control de ruido para cum-plir con estos límites normativos.

En este artículo desarrollamos un posible sistema de control de ruido: los silenciadores de venteo, las tipolo-gías de los mismos y los criterios téc-nicos que debiéramos de considerar durante el desarrollo de un proyecto o el diseño de una solución para poder reducir los riesgos técnicos y optimizar la inversión económica en la elección de los mismos.

RUIDO PRODUCIDO EN VÁLVULAS Y VENTEOS En las redes de tuberías de vapor o de fluidos que operan en general a altas presiones se instalan tanto válvulas co-mo control de caudal y presión, así co-mo sistemas de seguridad que operen en caso de sobrepresiones de la red.

Las válvulas, generalmente, son una fuente muy importante de ruido en estos sistemas, así como el control de los ruidos emitidos por estas, siendo uno de los problemas que deben ser abordados a fin de poder cumplir con las exigencias normativas medioam-bientales y de higiene industrial.

En las válvulas se produce un cam-bio radical en las condiciones del flui-do, provocando un flujo turbulento donde una parte importante de su energía es transmitida al cuerpo de la propia válvula que entra en vibración,

así como en las tuberías de entrada y salida. Los elevados niveles de rui-do y vibración que se producen son transmitidos al medio exterior por ra-diación del cuerpo de las válvulas, así como por el fluido transportado y por la propia radiación de las tuberías co-nectadas. En caso de operaciones de válvulas de seguridad, como conse-cuencia principal de un cambio brus-co del volumen del fluido descargado, las emisiones de ruido son emitidas de forma instantánea al medio exterior en la descarga del fluido.

Si una válvula actúa incrementando de forma importante la caída de pre-sión, la velocidad del fluido a través de la válvula puede aumentar hasta velocidades sónicas, pudiendo llegar incluso a velocidades supersónicas. Si se dan las condiciones de velocidades supersónicas, llegan a producirse unas ondas de choque en el flujo del fluido aguas abajo que generarán muy altos niveles sonoros.

En el funcionamiento de las válvulas con elevadas caídas de presión suelen aparecer unos fenómenos que produ-cen un considerable incremento del ruido radiado por la válvula y las tube-rías conectadas a estas, principalmen-te aguas abajo. Estos fenómenos son conocidos por cavitación y flashing.

El fenómeno de la cavitación apare-ce como consecuencia del incremento de la velocidad del fluido, al reducirse la sección de paso con una elevada caída de presión. Si esta pérdida de presión es inferior a la presión de sa-turación del fluido en las condiciones de operación, parte del fluido se eva-pora generándose burbujas de vapor que buscan zonas de mayor presión, donde colapsan bruscamente. Las implosiones de burbujas en la válvula causan desgaste, e incluso daños en la misma, así como generan niveles de emisión sonora superiores a 150 dB.

Cuando la presión de salida del flui-do de la válvula de control es inferior a la presión de vapor del fluido, las burbujas de vapor no implosionan y permanecen en dos fases a la salida de las válvulas, produciéndose una

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mezcla de líquido/vapor, con una den-sidad inferior aguas abajo de la válvula en comparación con la densidad en la entrada de la válvula. Este fenómeno se conoce como flashing. En estas condiciones se incrementa la veloci-dad de flujo promedio, produciéndose un desequilibrio entre las fases líquido y vapor que da lugar a la propagación de las ondas de choque, entrando to-do el sistema de tuberías en vibración y radiando una importante energía acústica al ambiente.

Las vibraciones que se producen en las tuberías suelen ser de baja fre-cuencia (<10 Hz), pudiendo coincidir estas con las frecuencias naturales de los sistemas de tuberías, y provocando resonancias con elevadas amplitudes en la vibración, con los consiguientes problemas de seguridad.

Las válvulas de seguridad operan descargando a la atmosfera un fluido en condiciones de alta presión y alta temperatura en instantes puntuales. El nivel de ruido máximo se produce en el momento de la salida al ambiente, que está condicionada por el incre-mento de volumen que se produce en la expansión instantánea. Todo esto genera una gran turbulencia, produ-ciendo un elevado nivel de ruido, el cual es función de la masa de fluido, velocidad y de las condiciones de ope-ración: presión y temperatura.

Los espectros sonoros que se gene-ran en una salida de un fluido con una elevada presión por una apertura de-terminada están condicionadas, entre otros factores, principalmente por la velocidad de salida del fluido, por la sección de paso y por el número de Strouhal (s), el cual es una función del número de Reynolds Re. En condicio-nes de salida brusca de un fluido en un venteo, el valor de “s” es de 0,2.

El espectro sonoro del ruido emitido en un venteo de un fluido al medio ambiente se caracteriza por tener un máximo valor a una frecuencia cono-cida por frecuencia de pico y/o de cor-te, fco. Los espectros sonoros de estas emisiones se caracterizan por tener un valor cuasi constante a frecuencias su-

periores a fco, y en los anchos de ban-da inferiores se va reduciendo a razón aproximada de 6 dB/octava.

Para una determinada salida instan-tánea de fluido con elevada presión y temperatura a través de un orificio de diámetro d, suponiendo un valor de 0,2 para el número de Strouhal, la frecuencia de corte se determina por la expresión:

Dada la influencia de la velocidad con la temperatura y las característi-cas del fluido, para calcular la veloci-dad del sonido, “c” se puede utilizar la expresión siguiente:

donde t es la temperatura en °C, y M el peso molecular del fluido.

EXPRESIONES DE CÁLCULO PARA DETERMINAR EL NIVEL DE POTENCIA SONORA EMITIDO POR UN VENTEO La determinación del nivel de potencia sonora (Lwo) producido por el venteo de una válvula debería ser dada por el fabricante de la válvula, y calcula-da a partir de la medición de niveles de presión sonora o de intensidades sonoras. No obstante, dado que so-mos conscientes de que disponer de esta información no es sencillo –por el amplísimo rango de válvulas y de condiciones del fluido en las que estos pudieran actuar–, podemos usar una serie de formulaciones recomendadas por Normas Internacionales para esti-mar el ruido que generará una válvula a partir de las condiciones del fluido.

• Procedimiento para estimar el nivel de potencia sonora global Lw0 según la norma VDI 2713El nivel de potencia sonora Lwo de emi-sión de una válvula puede determinar-se a partir de la siguiente expresión:

Donde LW0 es el nivel de potencia sonora emitido por la válvula (dB); M, el flujo másico (Tn/ h) (M = 10 Tn/h para los valores <10 Tn/h), y T0, la temperatura del gas en la válvula (°K).

• Determinación del nivel de potencia sonora espectral de salida de un fluido en una válvula según el método desarrollado por K.U. Ingard y publicado por la American Industrial Hygiene Association (AIHA)Este método se basa en determinar el nivel de potencia acústica total emiti-do por una válvula descargando a la atmósfera en función del flujo másico descargado en (lb/min) y la relación de presiones absolutas entre la entra da en válvula y la descarga. Para ello se utiliza el ábaco de la Figura 1, donde el valor que aparece en cada recta es la relación P1/P2.

El espectro se determina siguiendo la siguiente secuencia:

1. El Lw0 calculado con el ábaco es el nivel sonoro que corresponde en el ancho de banda de la frecuencia de corte fco.

2. Para las frecuencias de banda superior a la correspondiente a la fre-cuencia de corte, se supone un espec-tro plano; esto es, el nivel es similar a Lw0.

3. A medida que se va disminuyen-do la frecuencia central de las bandas de octava, vamos obteniendo una caí-da de Lw de 6 dB/frecuencia central de banda de octava.

En el caso de tener una relación P1/P2 < 1.9 a los valores de Lw obtenidos, debemos restarles un valor K, que se calculará de la siguiente manera:

En este método existe dependen-cia de la presión y del flujo másico. Por otro lado, según este método, la temperatura, así como el peso molecular, afectan desplazando las frecuencias de corte a más altas fre-cuencias.

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SISTEMAS DE CONTROL DEL RUIDO EN VENTEOS. SELECCIÓN DE SILENCIADORESUna de las mejores soluciones para controlar el ruido de una salida de fluido de una válvula, y/o de un ven-teo en general, se basa en seleccionar un silenciador apropiado que permi-ta disminuir el ruido emisor a niveles aceptables normativamente, y que su inclusión en el sistema no provoque problemas, fluido mecánicos ni de seguridad, y que su duración efectiva sea la apropiada.

La atenuación acústica que debe proporcionar el silenciador se basará en el nivel de potencia acústica de la fuente -Lw0 (salida del fluido) y de su espectro frecuencial-, así como el nivel sonoro máximo admisible en el recep-tor afectado por este ruido, el cual vendrá definido por la normativa en aplicación. Las condiciones de contor-no que se dan entre la ubicación de la salida del venteo y el receptor serán, asimismo, decisivas por las atenuacio-nes acústicas que se producirán en las emisiones ambientales.

En la Figura 2 se expone un espec-tro típico de emisión de un venteo de una válvula de seguridad con un nivel Leq(ton) de 139.3 dBA, 139.3 dBC.

El primer paso que recomendamos para la selección de un silenciador es cuantificar el nivel de atenuación acústica que le vamos a requerir. Esta no suele ser una cuestión trivial, dado que, al margen de conocer los límites máximos permitidos por las normati-vas de aplicación, es fundamental en-tender cuáles son los puntos y zonas de posible afección y/o comprobación de estos ruidos, es decir, de los “pun-tos receptores”: identificación de los trabajadores, de los puestos de tra-bajo, identificación de los límites de propiedad, identificación de las edi-ficaciones que pueden verse afecta-das. Recomendamos el estudio de la Norma ISO 9613:2 Interim “Acoustics Attenuation of Sound during propa-gation outdoors” para cuantificar la pérdida por inserción o la atenuación

acústica del silenciador a partir de la ubicación física del mismo y de los condicionantes físicos de la emisión (distancias, tipo de terreno, tempe-ratura, presiones relativas, obstácu-los….). Y, por otro lado, no olvidar el posible condicionante de radiación de las tuberías de salida del fluido y la posible necesidad de realizar un trata-miento acústico de estas: podría darse el caso de que el silenciador está fun-cionando perfectamente y el ruido en la descarga atmosférica estar contro-lado, pero no conseguir la atenuación sonora deseada porque la vibración de las tuberías (previas al silenciador) ge-

nera niveles de ruidos superiores a los del propio silenciador.

Para el diseño optimizado de un si-lenciador de venteo se deben de con-siderar las siguientes variables:

•Tipodefluidoadescargar:gas,vapor de agua.

•Presiónytemperaturaantesdeldispositivo de apertura y descarga.

•Flujomásico.•Caudalvolumétrico.•Máximacaídadepresióndisponi-

ble por el sistema (dado que el silen-ciador es un dispositivo que influye en la presión del sistema).

Figura 1. Potencia acústica emitida a la atmósfera por una válvula

Figura 2. Espectro típico de venteo de una válvula de seguridad

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•Presiónadmisiblealaentradadelsilenciador.

•Diámetrodelatuberíadesalidadel fluido.

•Posiblesubicacionesdelsilencia-dor y su orientación. Vertical/ horizon-tal.

•Tipodefuncionamiento.Conti-nuo/Ocasional.

•Juntasdedilataciónentretuberíasy silenciador.

Normalmente los silenciadores de venteo están fabricados con acero, con una combinación de materiales absorbentes y amortiguantes del so-nido. Su durabilidad física y funcio-namiento están condicionados por una correcta selección de las materias primas: tipos de absorbentes, tipos de aleaciones de aceros, espesores de los aceros utilizados, etc. Los silenciadores son elementos de control pasivo del ruido que no requieren de manteni-miento operativo, pero que al estar sometidos a condiciones de elevadas temperaturas y elevadas presiones van sufriendo un desgaste físico que ha-cen que deban de ser reemplazados con el tiempo. Es habitual seleccionar un silenciador en función de la vida útil deseada y de los ciclos de funcio-namiento esperados, condicionantes que, sin duda, influyen no sólo en el precio del silenciador, sino también en el coste de su instalación, dado que

mayores espesores de aceros incre-mentarán de forma notable el peso de este elemento, y con ello el diseño y coste de implantación de la estructura de suportación de los mismos.

Un esquema básico de silenciador para el control del ruido de un venteo estaría compuesto, de forma genéri-ca, por tres cuerpos, que responden a estos principios operativos (Figura 3): un primer cuerpo, normalmente diseñado con un sistema de multidi-fusores, que operaría modificando el espectro del ruido de bajas a altas frecuencias; un segundo cuerpo, que actuaría como un silenciador reactivo generando una contraposición de fa-ses y disipando energía, controlando principalmente las bajas frecuencias, y un tercer cuerpo, actuando como un silenciador puramente disipativo, ab-sorbiendo fundamentalmente el ruido en los ancho de banda de las medias y altas frecuencias.

CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARA EL DISEÑO DE SILENCIADORES DE VENTEOSEl diseño de estos silenciadores lleva inherente una gran complejidad, debi-do a la enorme disparidad en las con-diciones de operación y los elevados requerimientos acústicos exigidos, lo que nos lleva a analizar, de una parte, la dinámica de fluidos y, de otra, los problemas estructurales que conflu-

yen en el diseño. Para ello es preciso seguir una sistemática basada en la conjunción de modelos de predicción fluido-dinámica, llevando a cabo un detallado análisis mediante software de elementos finitos para la determi-nación de los campos de velocidades, así como el campo de presiones que nos permita determinar las pérdidas de carga en este. Y, por último, un análisis térmico del fluido a fin de conocer las densidades del fluido en el interior del silenciador y las tempe-raturas alcanzadas en cada punto de éste, tanto en el interior como en su exterior (Figura 4).

Para determinar las atenuaciones acústicas que el silenciador diseñado proporcionará bajo las condiciones de operación es recomendable uti-lizar modelos de predicción que nos permitan predecir tanto la atenuación acústica del silenciador como la radia-ción sonora superficial de éste, ya que el rendimiento acústico del silenciador dependerá en gran medida del ruido radiado por la carcasa del silenciador (Figura 5).

Por último, en una tercera fase del diseño, se procede a la aplicación de modelos de predicción estructural, a fin de determinar tanto análisis está-ticos (portante, de corrosión, etc.), y de analizar los esfuerzos admisibles en las conexiones, como determinar los espesores requeridos para garantizar

Figura 3. Esquema gráfico del interior de un silenciador de venteo

Figura 4. Análisis térmico del fluido de trabajo de un silenciador de venteo

Figura 5. Radiación a la carcasa del silenciador

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su integridad estructural. En cuanto a los análisis dinámicos que se llevan a cabo, se determinan las frecuencias naturales y modos de vibración, para evitar problemas de resonancia y un análisis a fatiga, a fin de poder garan-tizar cierta durabilidad al trabajar ante cargas cíclicas (como las térmicas)

Bajo estos condicionantes, y utili-zando las herramientas descritas, se diseña, proyecta y fabrica, el óptimo silenciador para solucionar el proble-ma de ruido que sea previsible pudiera existir o bien que sea detectado en un proceso industrial.

ATENUACIONES ACÚSTICAS DE LOS SILENCIADORES PARA EL CONTROL DEL RUIDO DE VENTEOSComo se ha expuesto, un silenciador de venteo debe ser seleccionado y di-señado ex profeso para solucionar el problema de ruido que se presenta en este caso, habida cuenta de la multi-tud de variables acústicas y fluidodi-námicas que concurren. Las atenua-ciones acústicas están condicionadas por el espectro sonoro generado en la descarga (Lw0) y por la estructura inter-na del silenciador (Diseño). En base a la experiencia de INERCO Acústica en la materia, presentamos las respues-ta de atenuación espectral de cuatro familias de silenciadores de venteo en la Figura 6

En estas gráficas se cuantifican las atenuaciones espectrales y globales a partir de un espectro típico de poten-cia sonora de un venteo de 161 dBA (Lw0), de cuatro diseños de silenciador: atenuaciones de 29 dBA, 40 dBA, 60

dBA o más de 60 dBA, respectivamen-te (Figura 7).

Existen notables diferencias entre estos silenciadores, por lo que una co-rrecta selección del apropiado garan-tiza la reducción de riesgos técnicos (acústicos), al mismo tiempo que per-mite optimizar el coste económico de su implantación: silenciador, sistema de unión a la válvula/tubería (soldadu-ra, bridas), estructura de suportación, cimentación de la estructura, sistemas elásticos de unión, necesidad de ais-lamiento adicional de la tubería, etc.

Bibliografía[1] Abrahamson, A.L. 1977. A finite element formulation for sound propagation in axisymmetric ducts containing compressible

mean flow. Technical Report 77- 1301, American Institute of Aeronautics and Astronautics,

[2]Albelda,J;Denia,F.D;BroatchA.yFuenmayorF.J.1999.Modeladoacústicode silenciadores con flujo medio y placas perforadas mediante elementos finitos. IV Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería. EMNI. Sevilla.

[3]Astley,R.J.yCummings,A.1995.Wavepropagation in catalytic converters: formulation of the problem and finite element solution scheme.JournalofSoundandVibration,ennúmero 188, páginas 635–657.

[4] Beranek, L.L. 1947. Acoustical properties of homogeneous, isotropic rigid tiles and flexible blankets.JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica, en número 19, páginas 556–568.

[5] Abom, M. 1990. Derivation of four-pole parameters including higher order mode effects for expansion chamber mufflers with extended inletandoutlet.JournalofSoundandVibration,en número 137, páginas 403–418.

[6] Industrial Noise Manual. American Industrial Hygiene Association.1975

[7] Ross, D.F. 1981. A finite element analysis of perforatedcomponentacousticsystems.Journalof Sound and Vibration, en número 79,

Figura 6. Espectros de atenuación acústica de distintos modelos de silenciadores de venteo

Figura 7. Atenuaciones globales de ruido de distintos modelos de silenciadores de venteo

Un silenciador de venteo debe ser seleccionado y diseñado ex profeso para solucionar el problema del ruido que se presenta, habida cuenta de la multitud de variables acústica y fluidodinámicas que concurren