Ruido en válvulas de control y venteo

IG
INDUSTRIA DEL GAS
Ruido
en válvulas
de control
y venteo
Soluciones 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.
Pedro Flores Pereita
Ingeniero Industrial. Consejero de INERCO Acústica
Keywords
Pedro Flores Domínguez-Rodiño
Ingeniero Industrial. Director Gerente de INERCO Acústica
Noise valves, Noise vents, Vent silencers, Mufflers atmospheric
relaxation, Industrial noise levels, Noise in the workplace.
80 Industria Química
Febrero 2015
RUIDO EN VÁLVULAS DE CONTROL Y VENTEO
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 atmosférica 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 higiénico 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 funcionamiento 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: rango de emisión entre 1.000 Hz y 8.000
Hz. Son emisiones sonoras problemáticas 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 amplificador del sistema auditivo, provocando 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 protección 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 normativos medio ambientales internacionales limitan el nivel máximo de presión sonora en los límites de las plantas
industriales y en las fachadas de edifi-
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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 residenciales.
Si consideramos que los venteos generan valores superiores a 140 dBA a
un (1) metro de distancia de los mismos, resulta más que probable que
todos ellos necesiten de un sistema
pasivo de control de ruido para cumplir con estos límites normativos.
En este artículo desarrollamos un
posible sistema de control de ruido:
los silenciadores de venteo, las tipologías de los mismos y los criterios técnicos 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 como control de caudal y presión, así como 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 medioambientales y de higiene industrial.
En las válvulas se produce un cambio radical en las condiciones del fluido, 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 ruido y vibración que se producen son
transmitidos al medio exterior por radiación del cuerpo de las válvulas, así
como por el fluido transportado y por
la propia radiación de las tuberías conectadas. En caso de operaciones de
válvulas de seguridad, como consecuencia principal de un cambio brusco 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 presión, 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 producen un considerable incremento del
ruido radiado por la válvula y las tuberías conectadas a estas, principalmente aguas abajo. Estos fenómenos son
conocidos por cavitación y flashing.
El fenómeno de la cavitación aparece 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 saturación del fluido en las condiciones
de operación, parte del fluido se evapora 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 fluido 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
Industria Química 81
INDUSTRIA DEL GAS
mezcla de líquido/vapor, con una densidad 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 velocidad de flujo promedio, produciéndose
un desequilibrio entre las fases líquido
y vapor que da lugar a la propagación
de las ondas de choque, entrando todo 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 frecuencia (<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 incremento de volumen que se produce en
la expansión instantánea. Todo esto
genera una gran turbulencia, produciendo un elevado nivel de ruido, el
cual es función de la masa de fluido,
velocidad y de las condiciones de operación: presión y temperatura.
Los espectros sonoros que se generan en una salida de un fluido con una
elevada presión por una apertura determinada 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 condiciones 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 conocida por frecuencia de pico y/o de corte, fco. Los espectros sonoros de estas
emisiones se caracterizan por tener un
valor cuasi constante a frecuencias su-
82 Industria Química
periores a fco, y en los anchos de banda inferiores se va reduciendo a razón
aproximada de 6 dB/octava.
Para una determinada salida instantánea 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 características del fluido, para calcular la velocidad 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 calculada a partir de la medición de niveles
de presión sonora o de intensidades
sonoras. No obstante, dado que somos 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 estimar 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 2713
El nivel de potencia sonora Lwo de emisión de una válvula puede determinarse 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 emitido 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 frecuencia de corte, se supone un espectro plano; esto es, el nivel es similar
a Lw0.
3. A medida que se va disminuyendo la frecuencia central de las bandas
de octava, vamos obteniendo una caída 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 dependencia 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 frecuencias.
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RUIDO EN VÁLVULAS DE CONTROL Y VENTEO
SISTEMAS DE CONTROL
DEL RUIDO EN
VENTEOS. SELECCIÓN
DE SILENCIADORES
Una de las mejores soluciones para
controlar el ruido de una salida de
fluido de una válvula, y/o de un venteo en general, se basa en seleccionar
un silenciador apropiado que permita 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 receptor afectado por este ruido, el cual
vendrá definido por la normativa en
aplicación. Las condiciones de contorno que se dan entre la ubicación de la
salida del venteo y el receptor serán,
asimismo, decisivas por las atenuaciones acústicas que se producirán en las
emisiones ambientales.
En la Figura 2 se expone un espectro 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 normativas de aplicación, es fundamental entender cuáles son los puntos y zonas
de posible afección y/o comprobación
de estos ruidos, es decir, de los “puntos receptores”: identificación de los
trabajadores, de los puestos de trabajo, identificación de los límites de
propiedad, identificación de las edificaciones que pueden verse afectadas. Recomendamos el estudio de la
Norma ISO 9613:2 Interim “Acoustics
Attenuation of Sound during propagation outdoors” para cuantificar la
pérdida por inserción o la atenuación
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Figura 1. Potencia acústica emitida a la atmósfera por una válvula
Figura 2. Espectro típico de venteo de una válvula de seguridad
acústica del silenciador a partir de la
ubicación física del mismo y de los
condicionantes físicos de la emisión
(distancias, tipo de terreno, temperatura, presiones relativas, obstáculos….). 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 tratamiento acústico de estas: podría darse
el caso de que el silenciador está funcionando perfectamente y el ruido en
la descarga atmosférica estar controlado, 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 silenciador de venteo se deben de considerar las siguientes variables:
•Tipo de fluido a descargar: gas,
vapor de agua.
•Presión y temperatura antes del
dispositivo de apertura y descarga.
•Flujo másico.
•Caudal volumétrico.
•Máxima caída de presión disponible por el sistema (dado que el silenciador es un dispositivo que influye en
la presión del sistema).
Industria Química 83
INDUSTRIA DEL GAS
Figura 3. Esquema gráfico del
interior de un silenciador de
venteo
•Presión admisible a la entrada del
silenciador.
•Diámetro de la tubería de salida
del fluido.
•Posibles ubicaciones del silenciador y su orientación. Vertical/ horizontal.
•Tipo de funcionamiento. Continuo/Ocasional.
•Juntas de dilatación entre tuberías
y silenciador.
Normalmente los silenciadores de
venteo están fabricados con acero,
con una combinación de materiales
absorbentes y amortiguantes del sonido. Su durabilidad física y funcionamiento 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 mantenimiento operativo, pero que al estar
sometidos a condiciones de elevadas
temperaturas y elevadas presiones van
sufriendo un desgaste físico que hacen 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 funcionamiento esperados, condicionantes
que, sin duda, influyen no sólo en el
precio del silenciador, sino también en
el coste de su instalación, dado que
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Figura 4. Análisis térmico del
fluido de trabajo de un silenciador
de venteo
Figura 5. Radiación a la carcasa del
silenciador
mayores espesores de aceros incrementarán 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 genérica, por tres cuerpos, que responden
a estos principios operativos (Figura
3): un primer cuerpo, normalmente
diseñado con un sistema de multidifusores, 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 fases y disipando energía, controlando
principalmente las bajas frecuencias, y
un tercer cuerpo, actuando como un
silenciador puramente disipativo, absorbiendo fundamentalmente el ruido
en los ancho de banda de las medias y
altas frecuencias.
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 determinación 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 temperaturas 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 utilizar modelos de predicción que nos
permitan predecir tanto la atenuación
acústica del silenciador como la radiación 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 estáticos (portante, de corrosión, etc.), y
de analizar los esfuerzos admisibles en
las conexiones, como determinar los
espesores requeridos para garantizar
CONSIDERACIONES TÉCNICAS
PARA EL DISEÑO DE
SILENCIADORES DE VENTEOS
El diseño de estos silenciadores lleva
inherente una gran complejidad, debido a la enorme disparidad en las condiciones 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-
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RUIDO EN VÁLVULAS DE CONTROL Y 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
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 garantizar cierta durabilidad al trabajar ante
cargas cíclicas (como las térmicas)
Bajo estos condicionantes, y utilizando las herramientas descritas, se
diseña, proyecta y fabrica, el óptimo
silenciador para solucionar el problema de ruido que sea previsible pudiera
existir o bien que sea detectado en un
proceso industrial.
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
ATENUACIONES ACÚSTICAS
DE LOS SILENCIADORES
PARA EL CONTROL DEL
RUIDO DE VENTEOS
Como se ha expuesto, un silenciador
de venteo debe ser seleccionado y diseñado ex profeso para solucionar el
problema de ruido que se presenta en
este caso, habida cuenta de la multitud de variables acústicas y fluidodinámicas que concurren. Las atenuaciones acústicas están condicionadas
por el espectro sonoro generado en la
descarga (Lw0) y por la estructura interna del silenciador (Diseño). En base a
la experiencia de INERCO Acústica en
la materia, presentamos las respuesta 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 potencia sonora de un venteo de 161 dBA
(Lw0), de cuatro diseños de silenciador:
atenuaciones de 29 dBA, 40 dBA, 60
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dBA o más de 60 dBA, respectivamente (Figura 7).
Existen notables diferencias entre
estos silenciadores, por lo que una correcta selección del apropiado garantiza la reducción de riesgos técnicos
(acústicos), al mismo tiempo que permite optimizar el coste económico de
su implantación: silenciador, sistema
de unión a la válvula/tubería (soldadura, bridas), estructura de suportación,
cimentación de la estructura, sistemas
elásticos de unión, necesidad de aislamiento adicional de la tubería, etc.
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