912 2006 esime-zac maestria romero hernandez josealfredo

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

ESTUDIO TERICO-EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO DE RUIDO EN

VENTILADORES CENTRFUGOS INDUSTRIALES

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN

INGENIERA MECNICA PRESENTA:

ING. JOS ALFREDO ROMERO HERNNDEZ.

MXICO, D.F., MAYO 2006

SEPI ESIME ZACATENCO - IPN

CONTENIDO

RELACIN DE FIGURAS Y TABLAS iNOMENCLATURA viRESUMEN ixABSTRACT xINTRODUCCIN xi Captulo I ANLISIS TERICO DEL RUIDO-SONIDO. 1.1.- GENERALIDADES DEL RUIDO Y SONIDO. 1 1.1.1.- Caractersticas del ruido y sonido. 2 1.1.2.- Caractersticas de la audicin. 7 1.2.- MEDIDA DE LA EXPOSICIN SONORA. 11

1.2.1.- Nivel de potencia acstica en un campo libre sobre un plano reflectante. 12

1.2.2.- Nivel de potencia acstica en un campo libre. 131.2.3.- Nivel de potencia acstica en una cmara reverberante. 14

1.3.- INSTRUMENTACIN DE MEDIDA ACSTICA. 14 1.3.1.- Micrfonos. 15

1.3.2.- Amplificadores. 161.3.3.- Ponderacin de frecuencia. 161.3.4.- Presin de los sonmetros. 17

1.3.5.- Analizador de banda de octava y de banda de tercio de octava. 18 1.3.6.- Posiciones y puntos de medida. 19 1.3.6.1.- Ruido de fondo y medidas de ruido ambiental. 19 1.3.6.2.-Ondas estacionarias. 19 1.4.- RUIDO EN TURBOMAQUINARIA. 19 1.5.- NORMATIVIDAD. 21

Captulo II RUIDO EN VENTILADORES CENTRFUGOS. 2.1.- RUIDO EN VENTILADORES AXIALES Y CENTRFUGOS. 23 2.2.- FUNDAMENTOS DE LOS VENTILADORES CENTRFUGOS. 24

2.2.1.- Clasificacin y componentes de un ventilador centrfugo. 24 2.2.2.- Leyes de los ventiladores. 29 2.2.3.- Curvas caractersticas de funcionamiento del ventilador centrfugo. 30

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2.3.- FUENTES DE RUIDO EN LOS VENTILADORES CENTRFUGOS 322.3.1.- Curvas de eficiencia-ruido en ventiladores centrfugos. 332.3.2.- Rodete, ducto y motor elctrico. 36

2.4.- ESTUDIOS REALIZADOS EN GENERACIN DE RUIDO EN

VENTILADORES. 39

Captulo III DESARROLLO DE LA METODOLOGA EXPERIMENTAL.

3.1.- ANLISIS DE NORMAS DE RUIDO EN VENTILADORES. 50 3.1.1.- Norma BS 842 parte 2 50 3.1.2.- Norma AMCA 300-96. 55 3.1.3.- Handbook Buffalo Forge Company 60 3.2.- DESARROLLO DE LA METODOLOGA PROPUESTA. 63

3.2.1.- Clculo de eficiencia. 663.2.2.- Clculo de potencia acstica. 70

3.3.- DESCRIPCIN DE LA INSTALACIN EXPERIMENTAL. 75

3.3.1.- Banco de pruebas en ventiladores centrfugos. 753.3.2.- Instrumentacin empleada. 79

Captulo IV PRUEBAS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS. 4.1.- PROCEDIMIENTO DE LA EXPERIMENTACIN DE ACUERDO A LA

METODOLOGA PROPUESTA. 82

4.2.- DESARROLLO DE CLCULOS PARA LA EFICIENCIA Y RUIDO EN EL

VENTILADOR CENTRFUGO. 84

4.3.- CURVAS EFICIENCIA-RUIDO 87

4.3.1.- Ventilador centrfugo con rodete de 6 y 9 labes radiales. 874.3.1.1.- Ventilador centrfugo con rodete de 6 labes radiales. 874.3.1.2.- Ventilador centrfugo con rodete de 9 labes radiales. 94

4.3.2.- Ventilador centrfugo con rodete de 7 labes rectos hacia atrs. 1014.3.3.- Ventilador centrfugo con rodete de 7 labes curvados hacia delante. 108

4.4.- COMPARACIN DE RESULTADOS. 115 CONCLUSIONES 126RECOMENDACIONES 128REFERENCIAS 129APNDICE Curvas de potencia acstica (terica, Buffalo Forge y experimental) y eficiencia total contra caudal.

130

SEPI ESIME ZACATENCO - IPN i

RELACIN DE FIGURAS Y TABLAS RELACIN DE FIGURAS Pginas 1.1.- Tipos de ondas. 21.2.- Generacin de ondas sonoras por una superficie vibrante. 31.3.- Ondas esfricas radiadas a partir de una fuente puntual. 31.4.- Partes de la onda sonora. 41.5.- rea de sensacin auditiva. 61.6.- Esquema del odo. 81.7.- Zonas sensibles del cuerpo humano con respecto al nivel de sonido. 101.8.- Posiciones de los micrfonos en una superficie hemisfrica imaginaria

que rodea la fuente cuyo nivel de potencia acstica se va a medir. 12

1.9.- Posiciones de los micrfonos en una superficie de un paraleleppedo imaginario que rodea la fuente cuyo nivel de potencia acstica se va a medir.

13

1.10.- Diagrama de bloques mostrando los principales componentes de los sonmetros.

15

1.11.- Sonmetro. 171.12.- Fuentes de ruido en la turbomquina (ventilador). 202.1.- Curvas de comportamiento de los ventiladores centrfugos y axiales. 242.2.- Esquema de un ventilador centrfugo tpico. 252.3.- Tipo de impulsor y tringulo de velocidades a la salida de este; a) labes

curvados hacia adelante; b) labes radiales; c) labes inclinados hacia atrs.

25

2.4.- Algunas formas del cono de succin; a) cilndrica; b) cnica; c) abocinada; d) compuesta; e) guiada con labes directores.

26

2.5.- Formas de la lengua de la voluta. 1 sin lengua; 2 con lengua poco pronunciada; 3 con lengua pronunciada.

26

2.6.- Montaje del difusor a la salida del ventilador, a) Correcta; b) Incorrecta; c) Difusor simtrico.

27

2.7.- Corte transversal de un impulsor con los tringulos de velocidad a la entrada y salida de un fluido dado.

27

2.8.- Curvas tpicas caractersticas de ventiladores centrfugos. 312.9.- Curvas caractersticas de ventiladores centrfugos a velocidad constante. 332.10.- Curva de comportamiento del espectro de bandas de octava en su

presin acstica para un ventilador centrfugo y axial. 34

2.11.- Espectro acstico en el control de varios tipos de mecanismos y mquinas.

35

2.12.- Curva de presin en relacin del caudal de aire, mostrando una zona ideal de seleccin de un ventilador con cambios de velocidad.

35

2.13.- Dimensiones del ventilador centrfugo e instalacin. 392.14.- Presin total diferencial y eficiencia contra el caudal. 402.15.- Potencia en la flecha y potencia acstica contra el caudal. 412.16.- Potencia acstica contra el caudal. 41

SEPI ESIME ZACATENCO - IPN ii

2.17.- Espectro de presin acstica. 422.18.- Nivel de potencia acstica a la frecuencia de paso de labes en funcin

del caudal. 43

2.19.- Parmetros geomtricos de un ventilador centrfugo. 442.20.- Proyecto de cuarto anecoico con proteccin del sonido del sistema

abastecedor de aire. 45

2.21.- Construccin de la cmara del ventilador en prueba. 452.22.- Curvas de comportamiento de los ventiladores con varios anchos del

impulsor. 46

2.23.- Esquema para la medicin del comportamiento aerodinmico de aire acondicionado.

47

2.24.- Presin esttica Ps como funcin de Q para KF60L a 425r/min. 482.25.- Medida de Lp como funcin de Q para KF60L. 483.1.- Posiciones del micrfono para una superficie de medicin hemisfrica

para la instalacin tipo B. 53

3.2.- Prueba de sonido total del ventilador 573.3.- Prueba de sonido con el ventilador en la entrada. 573.4.- Prueba de sonido de descarga de corriente del ventilador. 583.5.- Lmites generales para arreglo de pruebas de cuarto. 593.6.- Correcciones para el aire no estndar. 603.7.- Diferentes tipos de instalacin en ventiladores. 633.8.- Toma de lecturas de presin esttica y dinmica en manmetros

diferenciales tipo U. 64

3.9.- Plano de medicin en un ventilador con una instalacin tipo B. 643.10.- Puntos de medicin para ducto de descarga de 0.254 m (Acot. mm.). 653.11.- Diagrama de flujo para procedimiento de medicin de curvas

caractersticas de un ventilador. 67

3.12.- Curva de las variables (caudal y presin total) con respecto a cada porcentaje del caudal de aire.

73

3.13.- Curva de la correccin de eficiencia vs porcentaje de caudal. 743.14.- Curva de las variables de presin total, caudal y correccin de eficiencia

vs porcentaje del caudal de aire. 75

3.15.- Banco de pruebas. 763.16.- Motor elctrico. 773.17.- Compuerta de estrangulamiento. 783.18.- Variador de frecuencia. 783.19.- Tubo Pitot. 793.20.- Manmetros Diferenciales de Agua. Estrangulamiento. 803.21.- Sonmetro tipo 2230 de Bruel & Kjaer 803.22.- Analizador de frecuencia de tiempo real HP 3569A. 814.1.- Ventilador de 6 labes radiales con el motor a plena carga (60 Hz). 874.2.- Ventilador de 6 labes radiales con el motor a 45 Hz. 884.3.- Ventilador de 6 labes radiales con el motor a 35 Hz. 894.4.- Curvas de eficiencia del ventilador de 6 labes radiales a diferentes

frecuencias elctricas del motor. 90

4.5.- Curvas de presin acstica del ventilador de 6 labes radiales a diferentes frecuencias elctricas del motor.

91

SEPI ESIME ZACATENCO - IPN iii

4.6.- Curvas de potencia acstica del ventilador de 6 labes radiales a diferentes frecuencias elctricas del motor.

92

4.7.- Curvas de potencia acstica terica del ventilador de 6 labes radiales a diferentes frecuencias elctricas del motor.

93

4.8.- Ventilador de 9 labes radiales con el motor a plena carga (60 Hz). 944.9.- Ventilador de 9 labes radiales con el motor a 45 Hz. 954.10.- Ventilador de 9 labes radiales con el motor a 35 Hz. 964.11.- Curvas de eficiencia del ventilador de 9 labes radiales a diferentes

frecuencias elctricas del motor. 97

4.12.- Curvas de presin acstica del ventilador de 9 labes radiales a diferentes frecuencias elctricas del motor.

98

4.13.- Curvas de potencia acstica del ventilador de 9 labes radiales a diferentes frecuencias elctricas del motor.

99

4.14.- Curvas de potencia acstica terica del ventilador de 9 labes radiales a diferentes frecuencias elctricas del motor.

100

4.15.- Ventilador de 7 labes rectos hacia atrs con el motor a plena carga (60 Hz).

101

4.16.- Ventilador de 7 labes rectos hacia atrs con el motor a 45 Hz. 1024.17.- Ventilador de 7 labes rectos hacia atrs con el motor a 35 Hz. 1034.18.- Curvas de eficiencia del ventilador de 7 labes rectos hacia atrs a

diferentes frecuencias elctricas del motor. 104

4.19.- Curvas de presin acstica del ventilador de 7 labes rectos hacia atrs a diferentes frecuencias elctricas del motor.

105

4.20.- Curvas de potencia acstica del ventilador de 7 labes rectos hacia atrs a diferentes frecuencias elctricas del motor.

106

4.21.- Curvas de potencia acstica terica del ventilador de labes rectos hacia atrs a diferentes frecuencias elctricas del motor.

107

4.22.- Ventilador de 7 labes curvados hacia adelante con el motor a plena carga (60 Hz).

108

4.23.- Ventilador de 7 labes curvados hacia adelante con el motor a 45 Hz. 1094.24.- Ventilador de 7 labes curvado hacia adelante con el motor a 35 Hz. 1104.25.- Curvas de eficiencia del ventilador de 7 labes curvados hacia adelante a

diferentes frecuencias elctricas del motor. 111

4.26.- Curvas de presin acstica del ventilador de 7 labes curvados hacia adelante a diferentes frecuencias elctricas del motor.

112

4.27.- Curvas de potencia acstica del ventilador de 7 labes curvado hacia delante a diferentes frecuencias elctricas del motor.

113

4.28.- Curvas de potencia acstica terica del ventilador de 7 labes curvados hacia delante a diferentes frecuencias elctricas del motor.

114

4.29.- Curva de eficiencia-ruido (potencia acstica terica y experimental) del ventilador de 6 labes radiales a 2000 rpm.

115

4.30.- Curva de eficiencia- ruido (potencia acstica terica y experimental) del ventilador de 9 labes radiales a 2000 rpm.

116

4.31.- Espectro de presin acstica al 0% del caudal de aire en el ventilador de 9 labes radiales a 2000 rpm.

117


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SEPI ESIME ZACATENCO - IPN iv


119

4.34.- Curva de eficiencia- ruido (potencia acstica terica y experimental) del ventilador de 7 labes rectos hacia atrs a 2042 rpm.

120

4.35.- Espectro de presin acstica al 22% del caudal de aire en el ventilador de 7 labes rectos hacia atrs a 2042 rpm.

121

4.36.- Espectro de presin acstica al 88% del caudal de aire en el ventilador de 7 labes rectos hacia atrs a 2042 rpm.

122

4.37.- Curva de eficiencia- ruido (potencia acstica terica y experimental) del ventilador de 7 labes curvados hacia adelante a 1975 rpm.

123

4.38.- Espectro de presin acstica al 22% del caudal de aire en el ventilador de 7 labes curvados hacia adelante a 1975 rpm.

124

4.39.- Espectro de presin acstica al 88% del caudal de aire en el ventilador de 7 labes curvados hacia adelante a 1975 rpm.

125

A.1.- Comparacin de curvas de eficiencia-ruido del ventilador de 6 labes radiales a 60 Hz.

131


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133


134

A.7.- Comparacin de curvas de eficiencia-ruido del ventilador de 7 labes rectos hacia atrs a 60 Hz.

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135


135

A.10.- Comparacin de curvas de eficiencia-ruido del ventilador de 7 labes curvados hacia adelante a 60 Hz.

136

A.11.- Comparacin de curvas de eficiencia-ruido del ventilador de 7 labes curvados hacia adelante a 45Hz.

136

A.12.- Comparacin de curvas de eficiencia-ruido del ventilador de 7 labes curvados hacia adelante a 35 Hz.

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SEPI ESIME ZACATENCO - IPN v

RELACIN DE TABLAS Pginas 1.1.- Nivel de potencia acstica Lw de fuentes tpicas. 71.2.- Frecuencias de bandas de octava. 192.1.- Valores de reduccin de ruido. 373.1.- Coordenadas de la localizacin de micrfono para una superficie de

medicin hemisfrica para la instalacin tipo B. 53

3.2.- Coordenadas de los puntos centrales de superficies iguales de rea en una esfera de unidad de radio.

61

3.3.- Factores de directividad. 613.4.- Puntos de medicin transversal en el ducto para tubo Pitot. 653.5.- Datos empricos para la manufactura de un ventilador centrfugo. 723.6.- Datos tcnicos del motor elctrico. 774.1.- Valores experimentales para la eficiencia al 44% del caudal en el

impulsor de 6 labes radiales. 82

4.2.- Valores experimentales para el nivel de ruido a 44% del caudal en el impulsor de 6 labes radiales.

83

4.3.- Resultados de la presin dinmica al 44% de flujo en ventilador de 6 labes radiales.

84

4.4.- Resultados de la presin esttica al 44% de flujo en ventilador de 6 labes radiales.

85

4.5.- Coordenadas de la localizacin de micrfono para una superficie de medicin hemisfrica para el ventilador de 6 labes radiales.

86

4.6.- Resultados del ventilador de 6 labes radiales con el motor a plena carga (60 Hz).

87

4.7.- Resultados del ventilador de 6 labes radiales con el motor a 45 Hz. 884.8.- Resultados del ventilador de 6 labes radiales con el motor a 35 Hz. 894.9.- Resultados del ventilador de 9 labes radiales con el motor a plena carga

(60 Hz). 94

4.10.- Resultados del ventilador de 9 labes radiales con el motor a 45 Hz. 954.11.- Resultados del ventilador de 9 labes radiales con el motor a 35 Hz. 964.12.- Resultados del ventilador de 7 labes rectos hacia atrs con el motor a

plena carga (60 Hz). 101

4.13.- Resultados del ventilador de 7 labes rectos hacia atrs con el motor a 45 Hz.

102

4.14.- Resultados del ventilador de 7 labes rectos hacia atrs con el motor a 35 Hz.

103

4.15.- Resultados del ventilador de 7 labes curvados hacia adelante, motor a plena carga (60 Hz).

108

4.16.- Resultados del ventilador de 7 labes curvados hacia adelante con el motor a 45 Hz.

109

4.17.- Resultados del ventilador de 7 labes curvado hacia adelante con el motor a 35 Hz.

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SEPI ESIME ZACATENCO - IPN vi

NOMENCLATURA

SMBOLO DEFINICIN UNIDADES A rea del ducto. m2 CN Correccin de eficiencia del ventilador. D Dimetro de la succin e impulsor. m E Exposicin sonora con ponderacin A. Pa2 . h

H Altura que se tiene del plano reflectante a la lnea central de la succin del ventilador. m

Hu Altura de Euler. m K Correccin medioambiental en la banda. dB Kw Nivel de potencia total especfica. L1, L2 Potencia en las lneas de corriente del motor elctrico. kW Lp Nivel de presin acstica. dB re 20Pa Lpb Nivel de presin acstica de el cuarto de reverberacin. dB re 20Pa Lpc Correccin del nivel de presin acstica del ventilador. dB re 20Pa Lpci Nivel de la banda en presin acstica. dB re 20Pa Lpm

Nivel de presin acstica del ventilador y cuarto de reverberacin. dB re 20Pa

Lw Nivel de potencia acstica. dB re 10-12 Watts

Lwi Nivel de potencia acstica en el ducto de succin del ventilador. dB re 10

-12Watts

Lwmi Lectura del nivel de potencia acstica en el ducto de succin del ventilador. dB re 10

-12Watts

Lwmo Lectura del nivel de potencia acstica en el ducto de descarga del ventilador. dB re 10

-12Watts

Lwmo Nivel de potencia acstica en el ducto de descarga del ventilador. dB re 10

-12Watts

N Potencia elctrica. kW Nlabe Nmero de labes. P Presin atmosfrica. Pa

Pd promedio Presin dinmica promedio en la descarga del ventilador. Pa

Pdr Presin dinmica medida dentro en las circunferencias medicin del ducto. Pa

Ps Presin esttica. Pa Ps promedio Presin esttica promedio en la descarga del ventilador. Pa

Ps2r Presin esttica dentro de la circunferencia de medicin del ducto. Pa

Pt Presin total. Pa Q Factor de directivilidad. Q Flujo volumtrico del aire o caudal. (m3/s). R Constante del cuarto.

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S0 rea de referencia. m2

Si rea de la superficie asociada con la i posicin de medicin. m2

T Perodo del movimiento ondular. s T Temperatura ambiente. C V Volumen de la habitacin. m3 W Potencia de la fuente. Watts W0 Potencia de referencia. Watts c Velocidad absoluta del fluido. m/s c Velocidad del sonido. m/s c1u Proyeccin de 1c sobre 1u m/s c2u Proyeccin de 2c sobre 2u m/s d Dimetro del ducto. m f Frecuencia. Hz f labe Frecuencia de la parte giratoria. Hz g Aceleracin de la gravedad. 9.81 m/s2 hs Altura de la columna de presin esttica. mmca hv Altura de la columna de presin dinmica. mmca i Nmero de posicin de medicin. n Nmero de puntos que se va a medir en el ducto. n Nmero de revoluciones por minuto. rpm

nx Nmero del punto a determinar para medicin en el interior del ducto.

po Nivel de presin acstica de referencia. dB re 20Pa r Radio de la superficie hipottica. m

rx Radio del punto a determinar de medicin para tubo Pitot m

t Tiempo. s u Velocidad perifrica del impulsor. m/s u1 Velocidad perifrica a la entrada del impulsor. m/s u2 Velocidad perifrica a la salida del impulsor. m/s w Velocidad relativa del fluido. m/s x Distancia de la fuente de ruido al punto de medicin. m LETRAS GRIEGAS H2O Densidad del agua. kg/m3 Densidad del aire. kg/m3 Longitud de onda. m 60 Tiempo de reverberacin. s s Rendimiento esttico. % t Rendimiento total. %

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SIGLAS DTU Desplazamiento temporal del umbral. DTU Desplazamiento temporal del umbral. IFA Incremento de la frecuencia del labe. MCA Umbral del mnimo campo audible. MPA Umbral de mnima presin audible. RPM Revoluciones por minuto.

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RESUMEN

En este trabajo se presenta un estudio terico-experimental para determinar el comportamiento aerodinmico y aeroacstico de un banco de ventiladores centrfugos industriales integrado por dos ventiladores centrfugos de labes radiales, con un impulsor de 6 y 9 labes radiales, un ventilador de labes rectos hacia atrs y un ventilador de labes curvados hacia adelante. La instalacin experimental est localizada en el Laboratorio de Ingeniera Trmica e Hidrulica Aplicada (LABINTHAP) de la SEPI-ESIME Zacatenco del Instituto Politcnico Nacional en la ciudad de Mxico D.F. Se desarroll la metodologa para calcular el nivel de ruido en los ventiladores bajo estudio empleando las normas AMCA 210-85, AMCA 300-96 y BS 842-85. La instalacin experimental consiste en un ventilador centrfugo del tipo B (succin libre con ducto de descarga) accionado por un motor elctrico de 15 HP, se emple como control de flujo de aire una vlvula de estrangulamiento y un variador de velocidad conectado al motor elctrico. La presin dinmica y esttica se midieron empleando un tubo Pitot conectado a un manmetro en U. La potencia elctrica fue medida en el motor elctrico utilizando un analizador de corriente. La presin acstica fue medida por un sonmetro tipo 1 acoplado a un analizador de frecuencia de tiempo real. Se procedi a realizar un barrido de 20 puntos transversales en el ducto de descarga (10 en direccin horizontal y 10 en direccin vertical) para determinar el caudal que maneja el ventilador desde la vlvula completamente cerrada (0% del caudal) a vlvula completamente abierta (100% del caudal) en intervalos de 11% del caudal, para tres condiciones de frecuencia elctrica del motor (60 Hz, 45 Hz y 35 Hz), utilizando para esto el variador de velocidad. La medicin de la presin acstica se realiz en trece puntos dentro de una semiesfera hipottica alrededor del ventilador. Los resultados que se obtuvieron son las curvas de comportamiento aerodinmico en cada uno de los ventiladores a diferentes velocidades del motor y la curva de ruido a la frecuencia de paso del labe respectivamente para cada velocidad. Indicando con estos resultados que el ventilador de labes inclinados hacia atrs genera el menor nivel de ruido y presenta la mejor eficiencia de los 4 ventiladores estudiados.

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ABSTRACT

In this work an experimental-theorical study to determine the best aerodynamic and aeroacustic behavior of an industrial centrifugal fans rig is presented. This ring is constituted by a fan with 6 and 9 radial blades, a fan of backward flat blades and a fan of forward curved blades. The experimental installation is located in the Thermal and Applied Hydraulics Engineering Laboratory (LABINTHAP) at the SEPI-ESIME Zacatenco of the National Polytechnic Institute in Mexico City. It was developed a methodology to calculate the level of noise in the fans under study using the AMCA 210-85, AMCA 300-96 and BS 842-85 standars. The experimental installation consists of a centrifugal fan type B (inlet free and outlet duct) driven by an electric motor of 15 HP, it was used like control an outlet damper and a speed variator that controls the motor. The dynamic and static pressure were measured using a Pitot tube connected to a U manometer. The electric power was measured in the electric motor using a current analyzer. The sound pressure was measured by a sound meter type 1 coupled to a of frequency analyzer in real time. A sweeping of 20 transverse points in the discharge duct (10 in horizontal position and 10 in the vertical position) was carried out to determine the flow managed by the fan from the totally closed outlet damper (0% flow) to the totally open outlet damper (100% flow) in 11% of the flow intervals, for three electric frequency conditions of the motor (60 Hz, 45 Hz and 35 Hz), using for this the speed variator. The mensurement of the sound pressure was carried out in 13 points inside a hypothetical half-sphere around the fan. The results that were obtained are the curves of aerodynamic behavior in each one of the fans to different motor speeds, and the curve of noise to the frequency in passing of blade respectively for each speed. Those results indicate that the fan of backward flat blades generates the smallest level of noise and it presents the best efficiency in the 4 studied fans.

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INTRODUCCIN

Actualmente en muchos procesos industriales se emite una gran cantidad de ruido, el cual es generalmente provocado por la maquinaria que se utiliza, por su mala operacin o mantenimiento, es por ello que el estudio de ruido en la turbomaquinaria debe llevarse a cabo con mayor calidad. En la industria las turbomquinas ms utilizadas son las bombas, compresores y ventiladores; estas turbomquinas representan un porcentaje muy alto en el consumo de energa, por ello se han estudiado en los ltimos aos, en las cuales se ha logrado determinar que en la mejor eficiencia de estas mquinas se consume la menor energa y tambin se genera menor ruido. El ruido que se genera en las turbomquinas se presenta de tres diferentes maneras: el ruido aerodinmico se presenta en la interaccin entre el fluido de trabajo en el interior de la turbomquina, el ruido mecnico se presenta entre la insercin de las partes metlicas y la estructura de la turbomquina; y el ruido magntico el cual se presenta en el motor elctrico que forma parte de la turbomquina. El ventilador es una tubomquina que se caracteriza porque el fluido impulsado es un gas (fluido compresible) al cual se le trasmite una potencia con un determinado rendimiento. El ruido que se genera en los ventiladores normalmente se presenta de forma aerodinmica y mecnica. El ruido producido en los ductos de succin y descarga, as como la interaccin que tiene el flujo con el impulsor, ste ltimo es debido al desprendimiento del flujo (vrtices y turbulencia) que se manifiesta en forma de ruido, por lo cual el diseo aerodinmico es importante en estas turbomquinas. Otras fuentes que producen ruido del tipo mecnico en un ventilador son: el mal balanceo de la rueda del ventilador (impulsor), resonancia del ventilador o sus componentes, rozamiento de las partes giratorias y ruido del motor elctrico. Por lo anterior, en este trabajo se realiz un estudio experimental del comportamiento aeroacstico en un banco de ventiladores centrfugos instalados en el LABINTHAP, de un ventilador centrfugo con un impulsor de 6 labes radiales, 9 labes radiales, de un ventilador de 7 labes rectos hacia atrs y un ventilador de 7 labes curvados hacia delante. Se obtuvo una metodologa para determinar el nivel de ruido en los ventiladores centrfugos estudiados, empleando la normalizacin para pruebas acsticas y aerodinmicas en ventiladores (AMCA 210-85, AMCA 300-96 y BS 848-85).

Esta tesis se encuentra integrada por cuatro captulos, que a continuacin se mencionan:

SEPI ESIME ZACATENCO - IPN xii

En el captulo I se presentan los fundamentos de ruido y sonido, las medidas de exposicin sonora, la instrumentacin utilizada para obtener las variables de medida acstica. Adems se presenta el anlisis de ruido en las turbomquinas y la normatividad de sonido en ventiladores. En el captulo II se describe el ruido en ventiladores centrfugos, los fundamentos de stas turbomquinas, las curvas de eficiencia-ruido, las fuentes de ruido en los ventiladores centrfugos y algunos trabajos realizados sobre la generacin del ruido en ventiladores centrfugos. En el captulo III se analizan las normas de ruido en ventiladores y se desarroll la metodologa para evaluar el comportamiento acstico en los ventiladores centrfugos estudiados, as como la descripcin de la instalacin experimental. En el captulo IV se aplica la metodologa experimental para determinar la eficiencia y el nivel de ruido en los ventiladores centrfugos, as como el anlisis y comparacin de resultados. Finalmente, se presentan las conclusiones y recomendaciones que se obtuvieron del desarrollo de este trabajo.

SEPI - ESIME ZACATENCO - IPN 1

CAPTULO I.

ANLISIS TERICO DEL RUIDO-SONIDO

En este captulo se describen los fundamentos de ruido y sonido, las medidas de exposicin sonora, la instrumentacin que se utiliza para obtener las variables de medida acstica. Adems se presenta el anlisis de ruido en las turbomquinas y la normatividad de ruido en ventiladores. 1.1 GENERALIDADES DEL RUIDO Y SONIDO. Desde hace varios aos el ruido se ha convertido en una de las principales preocupaciones de nuestra vida diaria, tanto dentro de la vivienda como en la calle, en el lugar de trabajo como en el esparcimiento. La exposicin contina de ciertos niveles de ruido (80dB a 120dB), es una agresin que reciben los ciudadanos y que puede afectar seriamente su salud fsica y psquica [3]. La diferencia entre sonido y ruido es subjetiva. Depende de la manera como se percibe; a unas personas puede molestar un sonido que agrada a otros, como cierto tipo de msica. El sonido es la sensacin que reciben los rganos auditivos debida a las variaciones de presin del aire, provocadas por vibraciones del mismo. Otra definicin del sonido es una alteracin fsica en un medio (gas, lquido o slido) que puede ser detectada por el odo humano. El sonido est formado por ondas que se propagan a travs de un medio que puede ser slido, lquido o gaseoso. Las partculas materiales que transmiten tales ondas oscilan en la direccin de la propagacin de las mismas ondas. Como el sonido necesita un medio para transmitirse, compuesto de partculas que se empujan unas a otras, es decir el medio por el cual viajan las ondas sonoras posee masa y elasticidad; por ello que las ondas sonoras no viajarn a travs de un vaco.

Las ondas sonoras son las que pueden estimular al odo y al cerebro humano dentro de ciertos lmites que son aproximadamente de 20 ciclos por segundo a cerca de 20,000 ciclos por segundo. Estos son los lmites audibles, las ondas de sonido inferiores al lmite audible se llaman infrasnicas y las que superan el lmite superior se llaman ultrasnicas. Los perros son sensibles a frecuencias de hasta 30,000 ciclos por segundos y los murcilagos a frecuencias de hasta 100,000; es decir que estos animales escuchan sonidos ultrasnicos [3]. Las ondas sonoras en el aire son causadas por las variaciones de presin por encima y por debajo del valor esttico de la presin atmosfrica (la presin atmosfrica tiene un valor de aproximadamente 105 Pa). Estas variaciones de presin se originan de muchas maneras, por ejemplo:

CAPTULO I


1. Por una corriente de aire pulsante, como la que producen las aspas del ventilador al girar.

2. Por torbellinos, que se producen cuando una corriente de aire choca con una obstruccin, como ocurre en una salida de aire en un sistema de ventilacin.

3. Por el vuelo supersnico de un avin, que crea ondas de choque. 4. Por la vibracin de una superficie [1].

Segn la Fsica, se caracteriza el sonido por su intensidad (fuerte o dbil), su tono (frecuencia, aguda o grave) y su timbre (debido a los armnicos de la onda fundamental, que permite distinguir el sonido de un piano del de un violn). 1.1.1 Caractersticas del ruido y sonido. El sonido debido a una variacin de la presin del aire en condiciones a nivel del mar se propaga a 344 m/s (equivale a 1,225 km/h). Si las variaciones son 20 veces por segundo, esto es 20 Hz hasta 20000 Hz el sonido es audible, lo percibe el odo humano. Ya que medir un sonido es medir su presin, esta presin tiene diversas unidades con que expresarla, de entre todas ellas se ha seleccionado el Pascal como la ms conveniente para tratar temas de acstica. El odo humano es capaz de detectar 20 millonsimas de Pascal (20 Pa, micropascales) y es capaz de soportar la presin de 20 millones de veces ms (20 Pa). El sonido cuenta para su estudio con las siguientes propiedades: Velocidad del sonido: Es la velocidad a la que se desplazan las ondas sonoras. A una temperatura de 20C, la velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 344 m/s. La temperatura del aire tiene un efecto significativo sobre la velocidad del sonido. La velocidad aumenta en aproximadamente 0,61 m/s por cada aumento de 1C en la temperatura. Cabe mencionar que sonido viaja mucho ms rpido en los slidos que en el aire. Tipo de onda: Como se mencion antes el sonido es una onda que viaja a travs de un medio que puede ser el aire, pero existen muchos tipos de ondas, entre ellas las que producen sonidos agudos y sonidos graves. Los primeros se componen de ondas que estn juntas entre s, y las segundas por ondas ms separadas. En un sonido agudo existen ms ondas en una fraccin de tiempo que en un sonido grave (Fig. 1.1).

Figura 1.1.- Tipos de ondas.

CAPTULO I


Cuando las ondas sonoras tienen la misma direccin de propagacin en todos los puntos, se denominan ondas planas, porque los puntos de compresin mxima forman superficies planas perpendiculares a la direccin de propagacin. Los puntos de mxima depresin tambin son planos perpendiculares a la direccin de propagacin (Fig. 1.2). Estos planos de fase constante se denominan frentes de onda. Muchas fuentes sonoras emiten ondas en que los puntos de mxima compresin forman esferas concntricas, a este tipo de onda se le denomina onda esfrica (Fig. 1.3).

Figura 1.2.- Generacin de ondas sonoras por una superficie vibrante [1].

Figura 1.3.- Ondas esfricas radiadas a partir de una fuente puntual [1].

Frecuencia: Al nmero de ondas que caben en un tiempo determinado se le llama frecuencia (Fig. 1.3). Por definicin, la frecuencia de un fenmeno peridico, como una onda sonora, es el nmero de veces que este fenmeno se repite a s mismo en un segundo

CAPTULO I


(el nmero de ciclos por segundo). Habitualmente la frecuencia se designa mediante un nmero seguido de la unidad Hertz (smbolo de la unidad: Hz). Un Hertz es una onda de una sola ondulacin que se produce durante un segundo. Longitud de onda: Es la medida del espacio que existe entre una onda y la siguiente se llama longitud de onda, entonces cuanto ms alta es la frecuencia menor es la longitud entre las ondas en un mismo tiempo (Fig. 1.4). Esta longitud es la misma distancia que la recorrida por la onda sonora en un ciclo completo de vibracin; la longitud de onda se expresa en metros.

f = c (1.1)

La longitud de onda, que se designa mediante la letra griega lambda, , est relacionada con la frecuencia f (en Hertz) y la velocidad del sonido c (en metros por segundo) mediante la ec. 1.1. El perodo T del movimiento ondular en segundos se obtiene mediante la ex-presin:

T = 1/f (1.2)

Figura 1.4.- Partes de la onda sonora.

Amplitud: La altura que alcanza las ondas se llama amplitud y determina el volumen o nivel sonoro. Cuando se escucha msica a volumen bajo la amplitud de las ondas sonoras no es perjudicial para el odo, pero al escuchar msica a volumen muy alto los niveles de amplitud son tan altos que pueden daar el tmpano del odo. Presin acstica: Considrese un punto en el espacio cerca de una fuente de sonido; en el punto de observacin, antes del paso de las ondas sonoras, la presin es igual a la atmosfrica, P. Cuando las ondas pasan por el punto de observacin, la presin adicional p (la presin acstica) debida al paso de sta se obtiene mediante p=p0sen(2f)t, es decir, es el valor de la presin del medio de propagacin debida a la presencia de una perturbacin acstica. La presin acstica suele expresarse en micropascales, abreviado Pa, en el

CAPTULO I


sistema internacional de unidades. As, la presin total en el punto de observacin es igual a:

PLp = P + po sen (2f)t (1.3)

Potencia acstica: La emisin de la energa acstica de diferentes fuentes, se determina en la mayora de los trabajos sobre control del ruido de manera relativamente pequea en trminos absolutos. La potencia sonora suele expresarse en Watts o en picowatts (millones de una millonsima de un Watt); un picowatt es igual a 10-12 Watts. La potencia instantnea (la tasa a la que la energa acstica es radiada en cualquier instante de tiempo) flucta considerablemente. El valor mximo en cualquier intervalo de tiempo se define como potencia mxima. La potencia media suele tener un valor mucho menor que la potencia mxima y depende del intervalo de tiempo a lo largo del cual se calcula la media y del mtodo empleado. Nivel y decibel: El intervalo de presin acstica en el campo del control del ruido es tan amplio que es ms cmodo emplear el nivel de presin acstica, como una cantidad que es proporcional al logaritmo de la presin acstica. Por definicin, el nivel es el logaritmo de la razn de una cantidad dada respecto de una cantidad de referencia del mismo tipo. Hay que indicar la base del logaritmo, la cantidad de referencia y el tipo de nivel. El trmino nivel indica que se emplea la escala logartmica y que las unidades se expresan en decibeles. El decibel (dB) es una unidad de nivel que denota la relacin entre dos cantidades que son proporcionales en su potencia. El nmero de decibelios que corresponde a esta relacin es 10 veces el logaritmo (de base 10) de la razn de las dos cantidades. Las razones de presin acstica no siempre son proporcionales a las razones de potencia correspondientes, pero es prctica frecuente ampliar el uso de esta unidad (dB) a tales casos. Nivel de presin acstica: El nivel de presin acstica, Lp, en decibeles, correspondiente a una presin acstica se define por

Lp = 10 log10 (p/p0)2 = 20 log10 (p/p0) dB (1.4) donde p0 es la presin acstica de referencia. Al expresar la presin acstica sobre una escala logartmica, es frecuente comparar la presin acstica de todos los sonidos en el aire con un valor de referencia de 20 micropascales (Pa). Por definicin, el nivel de presin acstica de las ondas sonoras con una presin acstica es igual a:

Nivel de presin acstica = 20 1og10 (p/ 20) dB (1.5)

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donde la presin sonora p se expresa en micropascales. Por otra parte la escala en dB se acerca mucho ms a la percepcin humana del sonido, ya que el odo reacciona a la proporcin de cambio de nivel acstico (Fig. 1.5).

Figura 1.5.- rea de sensacin auditiva [1]. Nivel de potencia acstica: una fuente se expresa en Watts o en alguna fraccin de un Watt. Con frecuencia, resulta ms cmodo expresar la potencia acstica sobre una escala logartmica. Entonces, se emplea el nivel de potencia acstica. El nivel de potencia acstica, Lw, de una fuente, en decibeles, se obtiene mediante la expresin

Lw = 10 log10 (W/W0) dB (1.6) donde W potencia de la fuente en Watts y W0 potencia de referencia en Watts. La Tabla 1.1 muestra los valores tpicos de potencia acstica emitida por distintas fuentes sonoras. Se muestran los valores a largo plazo. Para muchas de estas fuentes de sonido, las

NIV

EL D

E P

RES

IN

AC

ST

ICA

EN

DEC

IBEL

ES ,

RE

20 M

ICR

OPA

SCA

LES

FRECUENCIA EN HERTZ

Umbral MCA

Umbral MPA

Umbral de malestar

Sensacin de tacto

Umbral de dolor y cosquilleo

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potencias mximas son mucho ms altas que los valores mostrados. Por ejemplo, pueden ser de 100 a 1000 veces superiores a sus valores medios. Estos mximos suelen durar intervalos de tiempo cortos, a veces slo unos pocos milisegundos.

Tabla 1.1.- Nivel de potencia acstica Lw de fuentes tpicas [1,3]

Potencia (W) Nivel de potencia acstica dB re 1 pW Fuente

100,000,000 200 Motor de un cohete 100,000 170 Motor de avin turbojet 1000 150 Despegue de una aeronave Jet

100 140 Aeroplano ligero, Ventilador centrfugo a 235.97 m3/seg 10 130 Ventilador axial a 47.19 m3/seg 1 120 Martillo neumtico

0,1 110 Tractor oruga 150hp, Ventilador centrfugo a 6.14 m3/seg 0,01 100 Motor elctrico 100hp, 2600rpm 0,001 90 Grito de una persona 0,0001 80 Aspiradora

0,00001 70 Gaita escocesa, Silenciador de ducto

0,000001 60 Equipo electrnico, ventilador domestico 0,0000001 50 Oficina con un difusor de aire 0,00000001 40 Reloj elctrico pequeo 0,000000001 30 Habla susurrada

0,0000000001 20 Salida de aire 0,1 m2, velocidad del aire 1 m/s; registro abierto, rejillas paralelas

Nivel de presin acstica vs distancia de la fuente: Si un sonido se irradia desde una fuente puntual en una atmsfera homognea e inalterada, lejos de toda superficie reflectante o absorbente, el sonido se propaga en ondas esfricas. La presin acstica de las ondas esfricas se reduce en proporcin inversa a la distancia de la fuente. En trminos del nivel de presin acstica desciende 6 dB cada vez que se dobla la distancia desde la fuente. Esto es equivalente a un descenso de 20 dB cuando la distancia se multiplica por 10. 1.1.2 Caractersticas de la audicin. Anatmicamente, el odo est formado por las tres secciones principales (Fig. 1.6); el odo externo, que recoge el sonido y lo convierte en movimiento vibratorio del tmpano; el odo medio, que acopla mecnicamente el tmpano con el liquido (llamado perilinfa) del odo interno, y el odo interno, dentro del cual se originan las seales que se transmiten al cerebro a travs del nervio auditivo.

CAPTULO I


Odo externo: Es la parte visible del odo se denomina oreja. Es una estructura cartilaginosa situada a ambos lados de la cabeza cuya forma ayuda a la recepcin del sonido y aporta cierta discriminacin direccional. La oreja forma la entrada al canal auditivo, que conduce las ondas sonoras hacia el tmpano (tambin conocido como membrana timpnica.

Figura 1.6.- Esquema del odo [3].

Odo medio: Es una cavidad llena de aire de unos 2 cm3 y contiene el mecanismo que transmite el movimiento vibratorio desde el tmpano hacia el odo interno. Este mecanismo (denominado cadena de huesos pequeos) est formado por tres pequeos huesos: el martillo, que est conectado con el tmpano; el yunque, que forma un nivel de interconexin, y el estribo, conectado con la ventana oval que sirve de entrada a la cclea del odo interno.

CAPTULO I


Odo interno: Es un sistema complejo de canales llenos de fluido inmerso en el hueso temporal. En su interior se localizan las terminaciones nerviosas que aportan los sentidos del equilibrio y la audicin. Las fibras nerviosas auditivas terminan en la cclea. Esta es una configuracin con forma de caracol de 2 vueltas, que si se extendiera medira 35 mm. Conduccin sea: Se denomina as a la transmisin de la energa acstica hacia el odo interno a travs de vas que implican a los huesos craneales. Por ejemplo, el ser humano oye su propia voz debido a la conduccin sea. Los huesos craneales pueden excitarse mediante el contacto de la cabeza con un cuerpo vibrante o mediante el choque con la cabeza de un campo sonoro areo. Adems de que el sonido excita directamente el crneo, las vibraciones inducidas en otras partes del cuerpo pueden ser conducidas a la cabeza mediante los tejidos corporales y la estructura sea. Es notable la amplia gama de presiones acsticas y frecuencias a travs de las cuales el odo recibe informacin til. La figura 1.5 muestra el rea de sensacin auditiva en que recaen las seales acsticas tiles. Habitualmente, el lenguaje hablado y la msica se centran en esta zona. El rea de sensacin auditiva limita, a niveles bajos de presin acstica, con el umbral de la audicin, y a niveles muy altos, con el umbral de malestar y dolor. Los lmites de frecuencia no estn bien definidos. Con frecuencia, se considera que el lmite de las frecuencias altas est en 20 kHz, pero vara notablemente de una persona a otra. Habitualmente decae con la edad y puede estar afectado negativamente por la exposicin al ruido. El lmite de las frecuencias bajas suele especificarse a 20 Hz, pero el sistema auditivo puede responder a frecuencias inferiores. Para un sonido especificado, el umbral de audicin (tambin conocido como umbral de audibilidad) es el nivel de presin acstica mnimo capaz de evocar una sensacin auditiva. El umbral depende de las caractersticas del sonido (tales como la frecuencia), de la forma en que se presente al oyente (auriculares, altavoz con el oyente de cara a la fuente, etc.) y del punto en el que se mida el nivel de presin acstica (a la entrada del canal auditivo, en campo libre en ausencia del oyente, etc.). Un umbral medido en presencia de ruido se denomina umbral enmascarado y depende del nivel del ruido de fondo. Umbral del mnimo campo audible (MCA): es el nivel de presin acstica del umbral de audicin en jvenes adultos con audicin normal, medido en un campo libre, en la posicin de la cabeza del oyente, pero en ausencia de ste. Se determina para los tonos puros con el oyente frente a la fuente y escuchando con ambos odos. Depende de la direccin de llegada del sonido, debido a los efectos de difraccin de la cabeza y el odo externo. Los umbrales del campo audible mnimo son importantes para el control del ruido porque muchas personas estn expuestas al ruido bajo condiciones esencialmente de campo libre. Umbral de mnima presin audible (MPA): es el nivel de presin acstica para el umbral de audicin en jvenes adultos con audicin normal, medido mediante la presentacin del sonido a un odo a travs de auriculares. El umbral de mnima presin audible se determina retirando el auricular del odo del oyente y colocndolo de forma que enve el sonido a una cavidad de paredes slidas, cuyo volumen es equivalente al que cierran el auricular y su almohadilla cuando se coloca sobre el odo del oyente. El nivel de presin sonora desarrollado en esta cavidad se controla mediante un micrfono.

CAPTULO I


Umbrales de malestar, tacto y dolor: El oyente medio experimenta malestar significativo en un campo libre a niveles de presin sonora por encima de 120 dB. A un nivel de aproximadamente 140 dB, el malestar alcanza el punto de dolor. Estos lmites superiores del rea til de sensacin auditiva se ilustran en la Figura 1.5. La gran amplitud del movimiento del tmpano y de los componentes del odo medio a niveles de presin sonora prximos a 130 dB producen a menudo una sensacin tctil o de cosquilleo. Desplazamiento temporal del umbral (DTU) y fatiga auditiva: Si una persona se expone a un ruido por encima de determinado nivel crtico y luego se retira, su umbral de audicin puede aumentar (es decir, la audicin puede empeorar). Si la audicin vuelve a la normalidad al poco tiempo, este cambio se denomina desplazamiento temporal del umbral. El desplazamiento aumenta con el nivel de presin acstica del ruido y la duracin de la exposicin. Este fenmeno, tambin se conoce como fatiga auditiva. Efectos del ruido a corto y largo plazo. Por debajo de los 45 dB se considera una zona de bienestar y a partir de los 55 dB las personas empiezan a considerar molesto el ruido. Cuando se sobrepasan los 85 dB se manifiestan efectos nocivos (Fig. 1.7). Los efectos dependen de la intensidad del ruido y del tiempo de exposicin al mismo. Una faceta es la modificacin de la sensibilidad de los colores en los ojos. Se provoca una excitacin nerviosa, una disminucin de los reflejos y una falta de atencin. Por fatiga de los huesecillos del odo se producen momentneas sorderas, se dice que un ruido alto persistente puede momentneamente provocar, sordera, ceguera y perdida del habla.

Figura 1.7.- Zonas sensibles del cuerpo humano con respecto al nivel de sonido

CAPTULO I


Hipertensin, molestias digestivas, problemas respiratorios y vasculares, disfunciones nerviosas y endocrinas, vrtigo, estrs, insomnio e irritabilidad son las agresiones al organismo que puede producir el ruido. Adems de afectar a la calidad del trabajo y al rendimiento intelectual. Una persona para recuperarse necesita media hora de tranquilidad acstica si ha sido sometida a 100 dB durante diez minutos y requerir 36 horas de reposo auditivo si la exposicin ha sido de hora y media.

1.2 MEDIDA DE LA EXPOSICIN SONORA. Matemticamente, la exposicin sonora es la integral en el tiempo del cuadrado de la presin acstica instantnea ponderada para la frecuencia durante un suceso, por ejemplo, una secuencia de operaciones ruidosas que duran minutos u horas o la duracin completa de una jornada laboral. Las medidas de la exposicin sonora en el ambiente de trabajo suelen realizarse con la respuesta de frecuencia con ponderacin A (sensibilidad del aparato en respuesta de la frecuencia a la sensibilidad del odo humano) que est normalizada internacionalmente para los sonmetros. La exposicin sonora E con ponderacin A viene dada por

( )= 21

2t

tA dttpE (1.7)

donde ( )tp 2A es el cuadrado de la presin acstica instantnea con ponderacin A, en pascales, en funcin del tiempo t, para un perodo de integracin t, desde t1 a t2. La unidad del Sistema Internacional (SI) para la exposicin sonora es el Pascal al cuadrado segundo. Para medidas de exposicin sonora en ambientes laborales, la unidad ms conveniente es el Pascal al cuadrado hora (Pa2 . h). El nivel sonoro continuo equivalente con ponderacin A (smbolo Leq o LAeq.T), en decibelios en un lugar durante un intervalo de tiempo (periodo) T, en horas, est relacionado con la exposicin sonora total E, en pascales cuadrados hora, que ocurre dentro de este perodo por medio de la expresin

( )[ ]eqxLo TpE 1.02 10= (1.8) forma alternativa mediante ( )[ ]TpELeq 2010 /log10= (1.9) donde p0 = 20 micropascales (20 Pa). Para sonidos estables o no estables, los niveles sonoros con ponderacin temporal exponencial, convenientemente promediados para los perodos de medida apropiados pueden utilizarse en la ecuacin (1.8), en lugar del nivel sonoro continuo equivalente, para estimar las exposiciones sonoras. A menos que se indique otra cosa, se sobreentiende la ponderacin A.

CAPTULO I


1.2.1 Nivel de potencia acstica en un campo libre sobre un plano reflectante. Suponiendo que la fuente a medir de sonido cuyo nivel de potencia acstica est localizada en un campo libre sobre un plano reflectante. El nivel de potencia acstica puede determinarse mediante el siguiente procedimiento: 1. Se rodea la fuente con una superficie hipottica de rea S, ya sea un hemisferio o un

paraleleppedo rectangular (figuras 1.8 y 1.9). 2. Se calcula el rea de esta superficie hipottica. Si es un hemisferio, S viene dada por

2r2, donde r es el radio del hemisferio; si es un paraleleppedo rectangular, S viene dada por ab + 2 (ac + bc), donde a, b y c son su longitud, anchura y altura.

3. Se mide el nivel de presin acstica en puntos determinados sobre la superficie hipottica.

4. Se obtiene la media Lp de los niveles de presin acstica medidos en el Paso 3. 5. Por ltimo, se calcula el nivel de potencia acstica a partir de la siguiente ecuacin:

Lw = Lp +10log10 (S/S0) dB (1.10) donde S0 es el rea de referencia, 1m2. Este mtodo para determinar el nivel de potencia acstica slo puede usarse si las medidas se realizan sobre un plano reflectante extendido, las dimensiones de la mquina no son excesivas y el nivel de ruido de fondo en el lugar de ensayo no es excesivo, es decir, el nivel de presin acstica del ruido de fondo aislado est ms de 6 dB por debajo del de la fuente sin ruido de fondo [1].

Figura 1.8.- Posiciones de los micrfonos en una superficie hemisfrica imaginaria que rodea la fuente cuyo nivel de potencia acstica se va a medir [1].

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Figura 1.9.- Posiciones de los micrfonos en una superficie de un paraleleppedo imaginario que rodea la fuente cuyo nivel de potencia acstica se va a medir [1].

1.2.2 Nivel de potencia acstica en un campo libre. La fuente de sonido cuyo nivel de potencia acstica a medir est localizada en un campo completamente libre. El nivel de potencia acstica puede determinarse mediante el siguiente procedimiento: 1. Se rodea la fuente con una esfera hipottica de radio r, con la fuente colocada en el

centro de la esfera. 2. El rea de la esfera hipottica es S = 4r2. 3. Se mide el nivel de presin acstica en puntos determinados sobre la esfera hipottica

con ponderacin A, en octavas o tercios de octavas. 4. Se obtiene la media de los niveles de presin acsticaLp, hallando el promedio de las

medidas en el Paso 3. 5. Por ltimo, se calcula el nivel de potencia acstica a partir de la siguiente ecuacin

Lw = Lp +10 log10 (S/S0) dB (1.11) = Lp +20 log10 r + 11 dB donde todas las dimensiones se expresan en unidades del SI.

CAPTULO I


1.2.3 Nivel de potencia acstica en una cmara reverberante. Si una fuente irradia sonido en una habitacin cuyos lmites son muy reflectantes, el nivel de presin acstica del sonido reflejado viene dado por

Lw = Lp +10log10 A + 6,0 dB (1.12)

donde Lw, es el nivel de potencia acstica de la fuente y A es la absorcin total en la habitacin. De acuerdo con la ecuacin (1.12), el nivel de presin acstica Lw del equipo sobre el que se realiza el ensayo puede medirse directamente si se conoce la absorcin total del sonido en la cmara reverberarte. La absorcin del sonido A est relacionada con el tiempo de reverberacin T60 en segundos, el rea total de la superficie de la cmara en metros cuadrados y su volumen V en metros cbicos, B es la presin de octava o de tercio de octava cuya frecuencia central corresponde a una longitud de onda . Entonces, la ecuacin (1.12) puede rescribirse como

Lw =Lp 10 log10 (T60/1 s) + 10 log10 (V/l m3) + 10 log10 (1 + S/8V) - 10 log10 (B/1000 mbar) - 14 dB (1.13)

DondeLp representa el nivel medio de presin acstica del sonido reflejado en una cmara (en una banda de octava o tercio de octava seleccionada). Dado que se considera que el sonido reflejado es perfectamente difuso, ste llega al micrfono desde todos los ngulos con igual probabilidad. Por tanto, estas medidas no pueden aportar informacin respecto de la directividad de la fuente que se est midiendo. El nivel de potencia acstica puede determinarse de la siguiente manera: 1. Se mide el tiempo de reverberacin T60 de la cmara de ensayo con la fuente presente

(pero no funcionando). 2. Se calcula el volumen V y la superficie S de la cmara de ensayo. 3. Se mide la presin baromtrica B en la cmara de ensayo. 4. Se obtiene la media del nivel de presin sonoraLp 5. Se calcula el nivel de potencia acstica a partir de la Ecuacin (1.13). 1.3 INSTRUMENTOS DE MEDIDA ACSTICA. Hay disponibles muchos tipos de aparatos para medir los niveles sonoros. De entre ellos, el ms utilizado es el sonmetro, un aparato para la medida del nivel de presin acstica ponderado en frecuencia y en tiempo (comnmente abreviado como nivel sonoro). La mayora de stos son de tamao pequeo, poco peso y funcionan con pilas. La fiabilidad de las evaluaciones acsticas depende sobre todo de cmo se utilizan los aparatos. Por ejemplo, el voltaje que aporta el micrfono al sonmetro no debe ser tan alto

CAPTULO I


como para que ste se sobrecargue; por otra parte, el voltaje del micrfono no debe ser tan bajo que el ruido inherente al aparato interfiera las partes de la seal sonora que se est midiendo. Los principales componentes de un sonmetro son: el micrfono, preamplificador, amplificador, ponderacin de frecuencia (la ponderacin de frecuencia puede combinarse con el amplificador), control del intervalo de nivel y rectificador de tiempo e indicador.

Figura 1.10.- Diagrama de bloques mostrando los principales componentes de los sonmetros [1].

1.3.1 Micrfonos. Un micrfono convierte las variaciones de presin de las ondas sonoras en seales elctricas que varan con el tiempo. De forma ideal, el micrfono debe tener las siguientes caractersticas:

1. La seal elctrica que genera debe ser una analoga exacta de la onda sonora. 2. La presencia del micrfono en el campo sonoro no debe alterarlo. 3. La respuesta en frecuencia del micrfono debe ser independiente de la frecuencia

para un intervalo amplio de sta. 4. Para un intervalo amplio de presiones acsticas y para todas las frecuencias del

rango de utilidad del micrfono, debe haber una relacin lineal entre el nivel de la seal de salida del micrfono y el nivel de presin acstica en el mismo.

5. La sensibilidad del micrfono no debe cambiar con el tiempo ni las condiciones ambientales.

La sensibilidad de un micrfono es la relacin entre su salida elctrica y el nivel de presin acstica en el diafragma del micrfono, as como esta vara dependiendo del ngulo con que la onda sonora incide sobre l, tambin vara con la temperatura, humedad y presin atmosfrica. La salida elctrica suele especificarse en trminos del voltaje de salida de circuito abierto. Habitualmente, la presin acstica se expresa en trminos de la presin acstica que existira en campo libre, si el micrfono no estuviera presente (a partir de las instrucciones especificadas por el fabricante). La mayora de los micrfonos tienen un dimetro de 13 mm (1/2 in) o menos, son esencialmente omnidireccionales (o no direccionales); su sensibilidad es prcticamente la misma para todas las direcciones de incidencia del sonido, a frecuencias por debajo de unos 5 kHz.

Amplificador

Ponderacin

Temporal

Control del

intervalo de

nivel

Promediador

de tiempo

(rectificador)

Aparato

indicador o

pantalla

Preamplificador

Micrfono

CAPTULO I


Algunos fabricantes incluyen un mecanismo para prevenir la formacin de gotas de agua dentro del micrfono; mediante la instalacin de un preamplificador especial que utiliza un aporte de potencia elctrica externa para calentar un elemento en el preamplificador, manteniendo por tanto la temperatura en el micrfono por encima del punto de condensacin local. 1.3.2 Amplificadores. El amplificador de un sonmetro debe cumplir, los siguientes requisitos:

1. Amplificar la seal del micrfono lo suficiente como para permitir la medida de los niveles bajos de presin acstica.

2. Amplificar los sonidos sobre un rango amplio de frecuencias, habitualmente entre 1 y 10 Hz para el lmite inferior de una respuesta nominalmente plana y por encima de 20000 Hz en el lmite superior.

3. Generar un nivel de ruido elctrico dentro del instrumento inferior al nivel ms bajo de presin acstica de la seal que se va a medir, para cualquier frecuencia dentro del rango del micrfono.

4. Mantener la amplificacin constante, a su valor designado, para cada rango de medida para todas las frecuencias dentro de la gama del instrumento.

1.3.3 Ponderacin de frecuencia. La ponderacin de frecuencia en un sonmetro altera las caractersticas de la respuesta de frecuencia de acuerdo con los valores especificados en las norma. As, la indicacin de un instrumento para medir el nivel sonoro, para un nivel determinado de presin acstica de entrada, depende de la frecuencia del sonido que llega al micrfono y de la ponderacin de frecuencia seleccionada. Ponderacin A: Las normas nacionales e internacionales requieren que todos los aparatos que midan el nivel sonoro incorporen la ponderacin de frecuencia designada mediante la letra A. Muchos aos de estudio y experiencia prctica han demostrado que los niveles sonoros con ponderacin A ofrecen una correlacin adecuada con varias respuestas humanas (de personas o grupos en una comunidad) para distintos tipos de fuentes de ruido. En consecuencia, es la ponderacin de frecuencia ms utilizada. La unidad del nivel sonoro con ponderacin A es el decibelio, con el smbolo de unidad dB(A) [1]. Ponderacin B: La ponderacin B ya no suele incluirse en los instrumentos de medida acstica. Ponderacin C: La respuesta con ponderacin C es bastante uniforme entre 50 y 5 kHz. Comnmente, si un sonmetro no incluye la ponderacin plana o lineal, la ponderacin C se utiliza para una medicin global o de banda ancha del nivel sonoro. Cuando se usa la ponderacin C, el smbolo de la unidad dB(C).

CAPTULO I


1.3.4 Precisin de los sonmetros. Todos los sonmetros deben cumplir las normas nacionales e internacionales de instrumentacin de medicin sonora; que especifican los requisitos mnimos para el rendimiento acstico y elctrico, junto con los correspondientes objetivos de diseo y tolerancias. El American National Standard Specification for Sound Level Meters, ANSI S1.4-1983, designa tres clases de precisin para los sonmetros, todos los cuales tienen el mismo objetivo de diseo de rendimiento; se diferencian en la tolerancia permitida para lograr los objetivos. En los instrumentos de Clase 0 se permiten las menores tolerancias; las mayores, en la Clase 2: Tipo 0 (Clase 0). Un instrumento que cumple las tolerancias ms estrictas con

respecto al nivel de linealidad, desviaciones en la respuesta en frecuencia y des-viaciones de la omnidireccionalidad. Se utiliza con objetivos de referencia de la-boratorio, donde se requiere una precisin extrema.

Tipo 1 (Clase 1). Un instrumento de precisin que se utiliza en mediciones de ruido

donde se requiere una precisin plana, de grado tcnico para un rango amplio de medidas de campo (figura 1.11).

Tipo 2 (Clase 2). Un instrumento de propsito general que cumple con la tolerancia

menos estricta (ms amplia) con respecto a la linealidad del nivel y la respuesta en frecuencia. Un sonmetro de Tipo 2 slo tiene que poseer ponderacin de frecuencia A; otras ponderaciones de frecuencia son opcionales.

Tipo 3 (Clase 3). Un sonmetro del tipo ms sencillo. Aunque tiene menor precisin

que cualquiera de los dems tipos, su sencillez hace que su uso sea ms fcil. Se Utiliza frecuentemente en mediciones de sondeos de ruido, con el fin de determinar si existe un problema de ruido. Si el problema existe, habr que llevar a cabo un anlisis ms detallado mediante sonmetros de mayor precisin.

Figura 1.11.- Sonmetro

Micrfono

Intervalo de frecuencia

Ponderacin Pantalla de lectura

Detector del sonido

Tipo de medicin

Incidencia del sonido

Tiempo de medicin

Filtro exterior

Encendido/Apagado

Atenuador

Tipo de prueba

CAPTULO I


Calibrador acstico: Un calibrador acstico, tambin denominado calibrador sonoro, es un aparato que puede producir un nivel sonoro conocido, estable, en el diafragma de un micrfono que se inserta en una cavidad en el calibrador. Este aparato puede utilizarse para comprobar la sensibilidad global de un instrumento o sistema de medicin del ruido. Los calibradores acsticos suelen ser del tipo pistfono o altavoz. a) Un pistfono produce un nivel de presin acstica mediante pistones que se mueven

dentro de una pequea cavidad cerrada. El micrfono se inserta en la cavidad del pistfono cerrndola. (El micrfono ha de ser introducido y extrado de la cavidad lentamente para evitar daar su diafragma.). La presin acstica en la cavidad del pistfono depende fundamentalmente del cambio de volumen producido por el movimiento de los pistones y de la presin atmosfrica ambiental. Dado que la presin atmosfrica dominante vara, hay que aplicar una correccin de presin atmosfrica para determinar la presin acstica real en la cavidad en el momento de comprobar la sensibilidad del sistema de medicin del sonido.

b) Un calibrador acstico del tipo altavoz produce un nivel de presin acstica nominal en

una cavidad pequea mediante un pequeo altavoz (habitualmente menos de 50 mm de dimetro) que es excitado por la seal de un oscilador electrnico. En algunos aparatos, el nivel de presin sonora es corregido automticamente para las variaciones de la presin atmosfrica y a temperatura del aire. Para estos calibradores especiales no es necesario aplicar

La calibracin del sonmetro empleado en este trabajo (figura 1.11) se realiz mediante un pistfono Bruel & Kjaer modelo 4631 el cual proporciona una seal senoidal constante de 94 dB a una frecuencia de 1000Hz. 1.3.5 Analizador de banda de octava y de banda de tercio de octava. Una medida importante del ruido es su distribucin de frecuencias, o sea, como se distribuye la presin acstica cuadrtica media con la frecuencia (una octava se define como el intervalo entre dos sonidos cuya relacin de frecuencia es 2) [1]. El proceso para determinar esta distribucin se denomina anlisis del espectro, y los instrumentos utilizados son los analizadores de espectro. Para anlisis espectrales la seal elctrica que aporta el micrfono es amplificada y procesada en circuitos electrnicos. El resultado es presentado sobre un indicador o en alguna forma grfica. El rango de frecuencias para el cual un filtro aporta relativamente poca atenuacin se denomina el ancho de banda del filtro. Los analizadores que ms frecuentemente se utilizan en el anlisis acstico poseen un ancho de banda nominal que es proporcional (y un porcentaje constante) a la frecuencia central de la banda del filtro y son: analizador de bandas de octavo, que tiene una anchura de banda nominal de una octava, y el analizador de bandas de un tercio de octava, que tiene una anchura nominal de una banda de tercio de octava. Algunos analizadores utilizan incluso anchos de banda proporcionales menores; otros utilizan bandas de frecuencia de ancho constante, en lugar de una relacin de frecuencia constante. Un analizador de espectro en bandas de un tercio de octava puede

CAPTULO I


aportar informacin ms detallada acerca del contenido en frecuencias que un analizador de espectro de banda de octava. La tabla1.2 muestra los valores de la frecuencia central (banda de octava), as como los intervalos de la frecuencia en bandas de octava (tercios de banda de octava). Tambin hay que tomar las frecuencias centrales para las frecuencias de un tercio de octava.

Tabla 1.2.- Frecuencias de bandas de octava [1,3] Bandas de octava 1 2 3 4 5 6 7 8

Intervalos de frecuencia 45 A 90

90 A

180

180 A

355

355 A

710

700 A

1400

1400 A

2800

2800 A

5600

5600 A

11200 Frecuencia central 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

1.3.6 Posiciones y puntos de medida Para la medicin de los niveles de presin acstica dentro de lugares de reunin u otros espacios pblicos, el micrfono se ubica en las posiciones tpicas de los oyentes a alturas de 1,6 m de un oyente en pie o entre 1,2 y 1,3 m si est sentado, salvo que se especifiquen otras alturas. Las medidas no deben realizarse a menos de un metro de una superficie reflectante, como una pared, suelo o techo, donde las reflexiones podran influir significativamente sobre ellas. El nmero de lugares de medicin debe ser suficiente como para determinar el nivel de ruido ambiental y las caractersticas de la fuente de ruido con la precisin requerida. 1.3.6.1 Ruido de fondo y medidas de ruido ambiental. El ruido de fondo es el de todas las fuentes distintas a la fuente concreta de sonido de inters (sonidos diferentes del que se est midiendo). El ruido de fondo incluye el ruido de origen elctrico producido por los instrumentos de medicin. Por otra parte, el ruido ambiental es el sonido envolvente asociado con un ambiente acstico determinado, habitualmente compuesto de los sonidos de muchas fuentes, prximas y lejanas; ningn sonido concreto es dominante. Hay que tener en cuenta la finalidad de la medida de estos ruidos a la hora de determinar las localizaciones de las medidas. 1.3.6.2 Ondas estacionarias. En un ambiente cerrado, adems del sonido directo que llega al micrfono, hay reflexiones sobre las paredes, suelo y otras superficies. Debido a ondas estacionarias, se producen aumentos y disminuciones alternativas de las ondas sonoras. El resultado es una serie de mximos y mnimos en nivel sonoro a medida que el micrfono se mueve a lo largo de una lnea recta lejos de la fuente. Con ruido complejo, formado por muchos componentes de frecuencia, tiene lugar un efecto promediador, de manera que los mximos y mnimos se reducen en magnitud.

CAPTULO I


Cuando hay que medir las caractersticas acsticas de un equipo concreto en un local cerrado, es aconsejable minimizar los efectos de las ondas estacionarias y de otros objetos y superficies reflectantes prximas (por ejemplo, utilizando un material absorbente del sonido). 1.4 RUIDO EN TURBOMAQUINARIA. En la actualidad las turbomquinas son de gran demanda en un proceso industrial, as como son las mquinas que consumen la mayor parte de la energa elctrica en la industria. Dentro de las turbomquinas se tiene a las siguientes: turbina, compresor, bomba, ventiladores, etc. Estas mquinas se utilizan en todos los procesos ya que en estos siempre se maneja un tipo de fluido; por ejemplo aire (ventilador, soplador y compresor) y lquidos (bombas). En la industria es muy notorio que un proceso se tenga ruido en la maquinaria y est a su vez se refleje en el personal que labora. En la actualidad se esta tratando de reducir el nivel de ruido que se tiene en el campo laboral. El ruido es un problema de gran importancia econmica en la sociedad actual. Por razones econmicas, la industria realiza un considerable esfuerzo para desarrollar productos silenciosos, y en el mundo de los negocios, para lograr condiciones de silencio en oficinas y fbricas. Dentro de las fuentes de generacin de ruido en la turbomquina se tienen las siguientes (figura 1.12):

Figura 1.12.- Fuentes de ruido en la turbomquina (ventilador).

Ruido aerodinmico Ruido mecnico

Ruido magntico

CAPTULO I


Ruido mecnico: este es generado por las partes mecnicas de la mquina, como lo es el motor, el acoplamiento con el eje de la mquina, rodamientos, engranes (en caso de uso), vibraciones en las partes mecnicas, etc. Ruido aerodinmico: este tipo de ruido se genera principalmente en las partes aerodinmicas (diseo), como lo son ductos, carcaza, labes, paso entre los labes, rodetes, vlvulas, etc. Ruido magntico: este tipo de ruido se genera principalmente por el espacio libre de aire entre el rotor y estator, as como en la sincronizacin con polarizaciones extremas en la mquina; es decir este tipo de ruido se produce principalmente en la parte elctrica de la mquina (motor). El ruido en la mquina es muy complejo ya que se tiene que profundizar en el sistema de la mquina, es decir, en los materiales que se utilizan en el funcionamiento de stos, como en el diseo que se tiene para la mquina. Tambin hay que tener en cuenta las paredes donde se encuentre alojada la mquina, ya que donde las paredes son duras, acsticamente se generan los efectos de reflexin y eco, provocando con ello un aumento en la presin acstica. La vibracin de las mquinas se debe reducir al mnimo, ya que se convierte en energa acstica por radiacin, ya sea directamente a travs de piezas de la propia mquina, o bien por la estructura del edificio y de la bancada en la que est asentada. El diseo de las turbomquinas se hace de acuerdo a especificaciones del solicitante y dentro de stas se encuentra el nivel de ruido, ya que es uno de los ms importantes. El nivel de ruido esta relacionado con la eficiencia de la mquina, debido a que por los diversos estudios que se han realizado en algunas tubomquinas se sabe que cuando la mquina se encuentra en su mejor rendimiento de funcionamiento, se tiene el menor nivel de ruido. Por lo tanto con un nivel bajo de ruido se tiene un buen desempeo aerodinmico y no existe una gran generacin de vibracin con las partes slidas de la mquina. 1.5 NORMATIVIDAD. La palabra norma describe un procedimiento que se ha desarrollado mediante el consenso de las partes interesadas. Estas normas no estn realizadas por instituciones gubernamentales, sino por cuerpos normativos nacionales o internacionales. Las organizaciones no gubernamentales responsables del desarrollo y la elaboracin de las normas sobre ruido incluyen el American National Standards Institute (ANSI), la Internacional Organization for Standardization (ISO) y la International Electrotechnical Comisin (IEC). Las normas de ruido pueden establecer un procedimiento uniforme para obtener datos sobre el nivel acstico, ayudar en la realizacin de evaluaciones cuantitativas sobre los efectos subjetivos del ruido en los seres humanos, o prescribir criterios para niveles acsticos bajos a distintas condiciones. Las cantidades que habitualmente se utilizan para describir la

CAPTULO I


emisin de ruido de una fuente incluyen: el nivel de presin acstica a una distancia especificada de la fuente, el nivel de potencia acstica de la fuente y el nivel de intensidad acstica. Las normas para los ventiladores predicen con exactitud el funcionamiento de una gama bastante amplia tanto en tamao, velocidad, eficiencia, nivel de ruido, etc., del ventilador a seleccionar. El nivel de potencia acstica de un aparato propulsor de aire puede ser determinado en una cmara reverberante, en campo libre sobre un plano reflectante o mediante el uso de la intensimetra (medicin de la intensidad sonora). El nivel de potencia acstica con ponderacin A o el nivel de potencia emitida, pueden calcularse a partir de los niveles de presin acstica en bandas de octava o tercio de octava empleando el procedimiento descrito en las normas. Las normas de medida de potencia acstica en ductos que proporciona la American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers describen una tcnica para medir los niveles de presin acstica radiados dentro del ojo de la entrada o de la salida del ducto de un ventilador. El ventilador funciona bajo condiciones de carga simuladas con el ducto acondicionado para eliminar sonidos reflejados desde su salida. Los niveles de presin acstica en bandas de tercio de octava se miden en el ducto para cada punto de operatividad del ventilador. A partir de estos datos de nivel de presin acstica existe un procedimiento para calcular los niveles de potencia acstica. El nivel de potencia acstica de un aparato propulsor de aire se puede calcular segn la norma 300-96 de la Air Moving and Conditioning Association. Este procedimiento normalizado permite la medicin de potencia acstica tanto en el ojo de la entrada como de salida (o de ambas) por medio de una tcnica de sustitucin. El nivel de potencia acstica de un aparato propulsor de aire se puede calcular segn la norma BS 842 parte 2 adaptacin de la norma ISO5801-1997. Este procedimiento normalizado permite la medicin de potencia acstica en pruebas a ventiladores, tanto en la mquina como en los ductos de entrada o salida de aire. En este captulo se presentaron los conceptos de ruido y sonido, la instrumentacin que se utiliza para registrar la presin acstica y la presencia de ruido en las turbomquinas, as como la normatividad de ruido en ventiladores. En el siguiente captulo se estudia la forma en que se presenta el ruido en ventiladores centrfugos y el funcionamiento de estos.


CAPTULO II.

RUIDO EN VENTILADORES CENTRFUGOS

En este captulo se describe el ruido en ventiladores centrfugos, los fundamentos de stas turbomquinas, las curvas de eficiencia ruido, las fuentes de ruido en los ventiladores centrfugos y algunos trabajos realizados sobre la generacin del ruido en ventiladores centrfugos. 2.1 RUIDO EN VENTILADORES AXIALES Y CENTRFUGOS. Un ventilador es una turbomquina que se caracteriza porque el fluido impulsado es aire (fluido compresible) al que se le transfiere una potencia con un determinado rendimiento, es decir, se mueve el volumen del fluido por medio de la energa mecnica del impulsor produciendo con ello un incremento de la presin total del fluido; por lo cual se incrementa la velocidad del fluido. Los ventiladores se disean para manejar aire, el tamao del ventilador vara de acuerdo a la aplicacin que se desea. Las caractersticas de rendimiento de un ventilador se determinan, principalmente, por la forma y colocacin de los labes de la rueda (rodete). Por ello, los ventiladores normalmente se clasifican de acuerdo a la trayectoria del fluido como:

a) Axiales: el fluido se mueve paralelo al eje de rotacin b) Centrfugos: el fluido se mueve perpendicular al eje.

Se ha establecido que los ventiladores axiales se utilicen en aplicaciones con baja resistencia, porque pueden mover grandes cantidades de aire a baja presin y los ventiladores centrfugos son para trabajos que requieren una mayor presin, al mover aire cuando hay alta resistencia de friccin [5]. Los ventiladores axiales tienen lmites estrechos de operacin a su mxima eficiencia (Fig. 2.1), lo cual los hace menos atractivos cuando se esperan variaciones en el flujo. En la figura 2.1 se indica tambin la curva de eficiencia de los ventiladores centrfugos. En general es mejor utilizar ventiladores centrfugos, aunque se tienen un contraste considerable en el rendimiento entre los centrfugos y los axiales en el extremo inferior del intervalo de caudal y presin. En general, los ventiladores centrfugos son ms fciles de controlar, se tiene una mayor presin de trabajo y menos ruidosos que los de flujo axial. Esto ltimo es debido a que el ventilador axial cuenta con un menor nmero de labes, debido a lo cual existe un aumento en la formacin de torbellinos y se aumenta con ello el esfuerzo del tono en el elemento rotatorio (impulsor y labes). Este trabajo se realiz en los ventiladores centrfugos debido a que se emplean ms en la industria y se tiene ms variaciones en el impulsor (ngulo de colocacin del labe) para el estudio, tambin con ello se obtendr un estudio amplio de acstica, como base para un estudio posterior del ventilador axial.

CAPTULO II


Figura 2.1.- Curvas de comportamiento de los ventiladores centrfugos y axiales [4]. Como se puede observar en la figura 2.1 las curvas eficiencia-caudal para ambos ventiladores; el ventilador centrfugo tiene el mximo rendimiento de operacin en un porcentaje menor de caudal, en comparacin con el ventilador axial, el cual es de gran importancia para el empleo de ventiladores en la industria. Mientras que con respecto a la presin total que manejan los ventiladores centrfugos es ms estable que en los axiales, la cual es debido a la resistencia a la friccin que tienen en la velocidad de avance del flujo, as como tambin se observa que la presin comienza a disminuir bruscamente a partir del punto de mxima eficiencia para ambos ventiladores. Con respecto a la potencia con que trabajan los ventiladores centrfugos es mucho menor y tiene un comportamiento ms estable. El ventilador centrfugo es ms estable, debido a que presenta poca variacin en la presin de trabajo y su flujo de aire en el mximo rendimiento es menor, tambin, tienen un consumo de energa menor a la del ventilador axial. 2.2 FUNDAMENTOS DE LOS VENTILADORES CENTRFUGOS.

El ventilador centrfugo se desarroll a partir de los diseos simples de la rueda de paletas, en los cuales la rueda era un disco que llevaba segmentos radiales de placa plana, esta forma sigue emplendose en ventiladores sin obstruccin [6]. 2.2.1 Clasificacin y componentes de un ventilador centrfugo. El ventilador centrfugo consiste en un impulsor (rotor) encerrado en una envoltura de forma espiral (voluta); el aire entra a travs del ojo del rotor paralelo a la flecha del ventilador, es succionado por el impulsor y enviado contra la envolvente la cual descarga en la salida de la envolvente en un ngulo recto a la flecha (figura 2.2).

CAUDAL EN 1000S DE CFM CAUDAL EN 1000S DE CFM

PRES

ION

EN

PU

LGA

DA

S D

E A

GU

A

PRES

ION

EN

PU

LGA

DA

S D

E A

GU

A

NIV

EL D

E PO

TEN

CA

AC

ST

ICA

EN

dB

re 1

0-12

WA

TTS.

NIV

EL D

E PO

TEN

CA

AC

ST

ICA

EN

dB

re 1

0-12

WA

TTS.

EFIC

IEN

CIA

ENPO

RC

ENTA

JE

EFIC

IEN

CIA

ENPO

RC

ENTA

JE

CA

BA

LLO

S D

E PO

TEN

CIA

CA

BA

LLO

S D

E PO

TEN

CIA

CAPTULO II


Figura 2.2.- Esquema de un ventilador centrfugo tpico [6].

Los ventiladores centrfugos se clasifican de segn el tipo de impulsor en: labes de curvatura hacia adelante, labes radiales y labes inclinados hacia atrs (Figura 2.3).

Figura 2.3.- Tipo de impulsor y tringulo de velocidades a la salida de este; a) labes curvados hacia

adelante; b) labes radiales; c) labes inclinados hacia atrs. a) labes curvados hacia adelante, 2 > 90.- Este tipo de ventilador necesita poco espacio, baja velocidad perifrica y presenta bajo nivel de ruido. Se utiliza cuando la presin esttica necesaria es de baja a media. No se recomienda utilizar aire con polvo, ya que el polvo se adhiere fcilmente a los pequeos labes, por lo que se puede provocar un desequilibrio del impulsor. Su rendimiento es bajo, el mximo esta en un orden de 65% al 75%.

b) labes radiales, 2 = 90.- Tienen por lo general entre 6 y 12 labes; se emplean para impulsar aire sucio; la disposicin radial de los labes evita la acumulacin de material sobre los mismos. Su principal caracterstica es la flexibilidad en la construccin de anchura proporcional, que permite lograr presin esttica alta con una capacidad ms o

CAPTULO II


menos baja. La velocidad perifrica es media, alto nivel de ruido y se utilizan es sistemas de extraccin de aire sucio o limpio. c) labes inclinados hacia atrs, 2 < 90.- Tienen el ngulo ptimo para convertir gran parte de la energa directamente a presin; por ello, son muy eficientes con un nivel de ruido relativamente bajo y de bajo consumo de energa. Estos ventiladores funcionan a velocidad media, tienen amplia capacidad de presin y volumen y producen menos carga de velocidad que los del mismo tamao con curvatura al frente. Otra ventaja es que las pequeas variaciones en el volumen del sistema suelen ocasionar pequeas variaciones en la presin del aire, lo cual facilita su control. Estos poseen normalmente de 8 a 16 labes. Dentro de las partes importantes del ventilador se encuentra el cono de succin (entrada), tambin conocido como ojo de succin. En algunas ocasiones se colocan labes gua en el cono de succin para mejorar flujo. En la figura 2.4 se muestran algunas formas del cono de entrada. La construccin que se tiene en (a) es la de peor rendimiento y en la construccin (c) es una forma ms aerodinmica que permite una entrada de la corriente de aire en el impulsor ms uniforme.

Figura 2.4.- Algunas formas del cono de succin; a) cilndrica; b) cnica; c) abocinada; d) compuesta; e) guiada con labes directores.

La lengua de la voluta puede ser larga, corta o no existir, como se indica en la figura 2.5; una lengua excesivamente corta es causa del aumento de ruido en los ventiladores, mientras que una lengua excesivamente larga provoca una disminucin del rendimiento. En la figura 2.6 se muestra el difusor a la salida del ventilador.

Figura 2.5.- Formas de la lengua de la voluta. 1 sin lengua; 2 con lengua poco pronunciada; 3 con lengua

pronunciada.

(a) (b) (c) (d) (e)

CAPTULO II


Figura 2.6.- Montaje del difusor a la salida del ventilador, a) Correcta; b) Incorrecta; c) Difusor simtrico.

Principio de Funcionamiento (Ecuacin de Euler) El comportamiento del fluido en el ventilador centrfugo, se hace por medio de la figura 2.7, que muestra los tringulos de velocidad en la salida y la entrada del impulsor respectivamente, en donde los tres vectores del tringulo lo compone la velocidad perifrica del impulsor (u), la velocidad relativa del fluido (w) y la velocidad absoluta del fluido (c).

Figura 2.7.- Corte transversal de un impulsor con los tringulos de velocidad a la entrada y salida de un

fluido dado [15]. Debido a que u es la velocidad perifrica del impulsor est estar dada por 2Du = , si la fuerza que recibe el impulso por un fluido ( VQF = ), entonces el incremento de la fuerza del fluido dentro del rodete estar expresada en la siguiente ecuacin: ( )12 ccQF = (2.1)

Tringulo de velocidades a la entrada del impulsor

Tringulo de velocidades a la salida del impulsor

CAPTULO II


Tomando los momentos con relacin al eje de la mquina se tiene que )crcQ(rM 2 11122 coscos = y la potencia en cualquier mquina rotodinmica

( MN = ), entonces la potencia entregada por el impulsor al fluido es:

)crcQ(rMN 111222 coscos == (2.2) La potencia en el fluido se expresa de la siguiente manera:

uQHN = (2.3) Por lo tanto la ecuacin 2.2 y 2.3 son equivalentes y se sabe que el peso especfico ( g = ); se sustituye este en la igualacin de la potencia en el fluido obteniendo lo siguiente:

)crcQ(rgQHu 111222 coscos = (2.4) Conociendo las componentes de las velocidades perifricas en la entrada ( 11 ur = ) y salida ( 22 ur = ), entonces la ecuacin 2.4 se puede simplificar de la siguiente manera:

)coscos( 111222 cucuQgQHu = (2.5) Si se observa los dos tringulos de velocidad en la figura 2.7 se tiene que ucc 111 cos = y

ucc 222 cos = respectivamente, al sustituir los valores anteriores en la ecuacin (2.5) y simplificando, se obtiene la ecuacin de Euler; la cual describe el principio de funcionamiento de cualquier turbomquina.

gcucuH uuu 1122

= (2.7) donde:

uH Altura de Euler dada en (m) g Aceleracin de la gravedad ( 2sm )

1u Velocidad perifrica a la entrada del impulsor ( sm )

uc1 Proyeccin de 1c sobre 1u

2u Velocidad perifrica a la salida del impulsor ( sm )

uc2 Proyeccin de 2c sobre 2u

CAPTULO II


2.2.2 Leyes de los ventiladores. Las leyes de los ventiladores expresan matemticamente que dos ventiladores forman parte de una serie similar, sus curvas de funcionamiento son similares y que en puntos equivalentes de medicin para cada curva de funcionamiento sus rendimientos son iguales. Se pueden aplicar para clculo solamente en un punto de la curva del ventilador, el punto debe ser utilizado para calcular el punto equivalente de una nueva curva; por lo cual es preciso poseer datos reales de estudio para un ventilador de la misma familia, con el fin de disminuir el error de interpolacin entre los puntos. El uso de las leyes qu

912 2006 esime-zac maestria romero hernandez josealfredo

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