TÉCNICA

grafico de sonido

 

Entender el estruendo del conducto

Por JOHN A. PAULAUSKIS, miembro ASHRAE.

 

Para determinar una fuente común de ruido en el conducto, se estudiaron 22 historiales de sistema de conductos HVAC para varios clientes entre 1984 y 2014. Los historiales de casos incluyeron mediciones de campo reales y controles de remediación de estruendo de conducto. La reducción del estruendo del conducto por ensayo y error condujo a técnicas específicas de diseño y modificaciones para reducir el estruendo del conducto. El término “estruendo del conducto” se define incorrectamente en la industria HVAC como ruido de ventilador de baja frecuencia que “se libera” por la red de conductos.

Los casos resumidos en este artículo excluyen el ruido del ventilador y concluyen que el ruido del conducto es un fenómeno físico que ocurre como una combinación de turbulencia del flujo de aire causada por conexiones de conductos con baja aerodinámica, pulsación de presión en la canalización de la frecuencia de velocidad del ventilador y vibración de la red de conductos en resonancia. De hecho, el ruido del conducto a menudo se describe por los ocupantes del edificio como “vibración” en lugar de “sonido”, también puede causar una sensación de presión y vibración en los oídos, la cabeza y el pecho, y puede causar vibraciones secundarias en tazas, particiones interiores de paneles de yeso. Las conclusiones alcanzadas para las fuentes de ruido del conducto fueron el resultado de la revisión de los datos de sonido y vibración de la historia del caso, y de las tendencias al aumento del ruido de conducto y los niveles de vibración del conducto durante un estudio empírico. Las conclusiones pueden proporcionar la base para una mayor investigación para comprender el estruendo del conducto.

 

Base
El ruido del conducto tiene, característicamente, una energía de “baja frecuencia” de sonido entre 20 Hz y 63 Hz, pero también puede tener energía por debajo de 20 Hz. Se generaron quejas de historial de rumores en el conducto cuando el ruido sordo de baja frecuencia era menor o igual a 63 Hz y el nivel de presión sonora de 70 dB en los espacios ocupados. “Sonido”, por definición, es una sensación que se experimenta cuando el cerebro interpreta las vibraciones dentro de la estructura del oído causadas por variaciones rápidas en la presión del aire por encima y por debajo de la presión atmosférica normal. Si los cambios de presión de aire tienen componentes de frecuencia mayor a 20 Hz, que están por debajo de nuestro rango de audición normal, se llama “infrasonido”. Con infrasonido, nuestro cuerpo responde de manera diferente que nosotros para un sonido audible 1. Las partes del cuerpo, como nuestro abdomen, brazos, piernas y hombros, perciben infrasonido a través de nuestros sentidos táctiles, no a través de nuestros oídos. Las perturbaciones del aire en el rango de frecuencia de los infrasonidos pueden causar ansiedad, náuseas y afectar nuestros hábitos de sueño 1 . Una fuente de infrasonido que recientemente se ha estudiado por sus efectos adversos en los humanos es el infrasonido de los ventiladores axiales de turbina eólica grande 2 . Similares reacciones humanas se han observado en muchos de los casos.

 

Historias de casos
Los 22 casos cubrieron una amplia gama de tipos de ventiladores y condiciones de ductos en escuelas, hospitales, oficinas, bancos y hoteles. Los casos involucraban unidades en la azotea (RTU); ventiladores de aire de retorno / alivio en línea, tipo paleta axial; y ventiladores centrífugos. Los estudios incluyeron tanto ventiladores directos como de transmisión por correa, y un caso reciente involucró un sistema de ducto de pared de ventilador con ventiladores de suministro de aire de accionamiento directo. En dos casos, el ruido del conducto también ocurrió a más de 80 pies (24 m) aguas arriba de los ventiladores de aire de retorno donde una serie de codos de conducto y compuertas de fuego / humo se combinaron para generar altas caídas de presión estática en los accesorios. Varias historias de casos también demostraron cómo los conductos vibratorios dentro de una sala mecánica pueden causar que una partición cercana de paneles de yeso y objetos como gabinetes metálicos resuenen, aunque la partición de paneles de yeso no estuviera conectada físicamente a la red de conductos. En todos los casos, una conexión de ducto o una serie de conexiones de ducto generaba turbulencia de aire. Los accesorios de flujo de aire turbulento se abrevian como TAF en este artículo. En la Figura 1 se muestran cinco ejemplos de configuraciones de conductos con TAF que generan condiciones de estruendo de conducto. La ubicación aproximada de la turbulencia del flujo de aire magnificada y los niveles máximos del rumor del conducto se designan con un símbolo de “nube” en la Figura 1. La Tabla 1 enumera los niveles de presión acústica y tamaños de conductos en las historias de casos. En muchos de los casos, la relación de aspecto de la red rectangular fue más de 3: 1. La velocidad del ventilador, la presión máxima del aire del conducto en el TAF, la velocidad del flujo de aire, el calibre del conducto de acero y el número de transmisión de Reynolds3 para 10 de los casos históricos se muestran en la Tabla 2. (El número de transmisión de Reynolds es un parámetro matemático adimensional que es la proporción de la inercia del flujo de aire fuerza a las fuerzas de fricción, incluido el flujo de aire aerodinámico sobre una superficie plana, como la parte interna de un conducto plano.) Los calibres de los conductos de acero y el espaciado de las armaduras fueron generalmente requisitos mínimos de SMACNA 4 . En cada caso, se documentaron las formas TAF, la resistencia del flujo de aire sería alta en el TAF. Se tomaron mediciones de sonido e infrasonido en todos los casos, y se tomaron medidas de vibración del conducto en los casos 2, 4, 5, 6 y 8. Los niveles máximos de vibración que se midieron en estos cinco casos variaron de 0.1 pulg./seg. A 0.3 in./s (2.5 mm / s a 7.6 mm / s) de velocidad máxima de vibración en la superficie de cada conducto. Las frecuencias de vibración del conducto medido (Hz) fueron idénticas a la velocidad del ventilador (Hz). Los historiales de casos sugieren que se necesitan tres componentes en un sistema de conducto de ventilador para el inicio del estruendo del conducto: conductos grandes y planos que vibran, una fuente de pulsos de presión de aire regulares que provienen del ventilador y una conexión de conductos o accesorios que producen flujo de aire aerodinámico pobre (TAF) que resulta en turbulencia de aire. Los siguientes párrafos describen estos parámetros con más detalle en función de las observaciones de campo en los historiales de casos.


figura 1

 

1. Conductos grandes de superficie plana
En todos los casos, había un gran conducto plano de acero, normalmente de más de 36 pulg. (914 mm) de ancho y más de 16 pulg. (406 mm) de profundidad. En el pasado, se suponía que el ruido del conducto de baja frecuencia era causado por el ruido del ventilador que penetraba en la pared del conducto. Sin embargo, las mediciones de la vibración del conducto de historia clínica y la vibración del conducto manual concluyeron que el sonido del estruendo del conducto y el infrasonido son causados por la vibración del conducto. Las mediciones de sonido y vibración en el Caso 5 sugieren que la vibración de una superficie de ducto grande es una vibración no lineal, muy similar a cuando empuja la parte inferior de una lata de aceite y se escucha un estallido. En la vibración no lineal, hay un aumento súbito discontinuo en la amplitud de la vibración cerca de las frecuencias resonantes del ducto. Los casos mostraron que la adición de silenciadores de conductos o la extensión de conductos no redujo el ruido del conducto. Sin embargo, la mejora de la rigidez del conducto al agregar paneles de yeso a la superficie del conducto o el uso de conductos de doble pared o redondos redujo el ruido del conducto. El caso 5 se realizó para documentar los parámetros de vibración del sonido, el infrasonido y la red de conductos mediante la modificación de la velocidad de los ventiladores, las presiones de los conductos y la aerodinámica del flujo de un sistema HVAC conocido con ruido de conductos. A medida que la velocidad del ventilador aumentaba gradualmente, se registraron la presión estática del conducto de suministro, la velocidad del flujo de aire, el número de transmisión de Reynolds, los niveles de presión sonora de baja frecuencia y la vibración del conducto, como se muestra en la Tabla 3. El sistema HVAC consistía en un ventilador centrífugo de tipo espiral con álabes del ventilador, un codo de 90 grados y una T situados inmediatamente aguas abajo del ventilador, como se muestra en la Figura 1. El codo y la T contenían álabes giratorios de un solo espesor. El ventilador era un ventilador de aire de retorno impulsado por correa con un variador de frecuencia que permitía modificar la presión del conducto y la velocidad del ventilador para las pruebas.
Se tomaron niveles de presión sonora dentro de la sala mecánica en una ubicación fija a 6 pies (1,8 m) de distancia del conducto aguas abajo del primer codo y aguas arriba de la conexión en T. Las pruebas de vibración también se realizaron en varias superficies de desplazamiento y ductos de ventiladores. Las mediciones de vibración en la Tabla 3 son el nivel máximo de vibración tomado en el lado y la parte inferior del conducto entre refuerzos aguas abajo del primer codo. La revisión de los datos muestra que el nivel de presión acústica en la banda de 31.5 Hz tuvo un aumento significativo en la amplitud al pasar la transmisión de los números de Reynolds 2.7 × 105 y 3.1 × 105. El aumento en la amplitud de vibración de la chapa coincidió con el aumento de amplitud en el ruido del conducto. La conclusión fue que la vibración no lineal de la superficie del conducto estaba causando el estruendo del conducto en la resonancia del conducto. La aerodinámica del Caso 5 también se midió usando una placa de plástico transparente unida a una abertura en el lado del conducto para observar el flujo de aire de la capa límite aerodinámica aguas abajo del codo usando una varita con hilo unido al extremo. A medida que el flujo de aire del sistema se incrementó aumentando la velocidad del ventilador, las dimensiones de la capa límite de flujo inverso en el codo aumentaron desde 3 pulg. (76 mm) de longitud a una velocidad nominal del conducto de 648 fpm (3 m / s) a 8 en . (203 mm) de longitud a una velocidad del conducto de 1.872 fpm (9 m / s). La profundidad vertical de la capa límite de inversión de flujo se mantuvo en aproximadamente 1 pulg. (25 mm). El inicio del estruendo del conducto se produjo a una velocidad del conducto de reversión del flujo de 1.469 fpm (7 m / s). También fue evidente a partir del movimiento del hilo en una sección transversal del conducto que la vorticidad del aire aumentó significativamente a velocidades de flujo superiores a 1,469 fpm (7 m / s).


tabla1

 

tabla2

 

2. Una fuente de pulsos de presión de aire repetitivos dentro de la cavidad de un conducto a una frecuencia específica relacionada con la velocidad del ventilador, como ocurre a menudo con los sistemas de ventiladores / conductos de HVAC.
Los casos en que se midió la vibración del conducto mediante análisis de frecuencia y los resultados del Caso 5 demuestran que el ruido del conducto no es función de la frecuencia de paso de la cuchilla (número de álabes del ventilador multiplicado por la velocidad del ventilador) ni de la frecuencia del accionamiento por correa, acoplado a la velocidad del ventilador (rpm) solo. En los casos 2, 4, 5, 6 y 8 que se muestran en la Tabla 2, la velocidad del ventilador (Hz) fue idéntica a la frecuencia de vibración del conducto (Hz). La eliminación de las frecuencias de paso de cuchilla y correa como fuerzas de entrada, y considerando que el TAF actúa para ralentizar el flujo de aire continuo (actúa como una terminación) sugiere que las redes de conductos con restricciones de flujo ven un aumento de flujo de volumen a medida que el flujo de aire velocidad a través del TAF. Si el ventilador se ve como un solo pistón conectado a un sistema de conductos semicerrado, el estruendo del conducto es como una cavidad cerrada con paredes de conductos flexibles que vibran. 3. Formas y accesorios de conductos planos (TAF) que producen una restricción de flujo con un diferencial de alta presión y una turbulencia aerodinámica regular. Los TAF consistían principalmente en codos, accesorios en T con álabes giratorios, amortiguadores de fuego / humo parcialmente cerrados o una serie de accesorios para conductos con muy poco espacio entre los accesorios. Como se muestra en el Caso 5, cuando el flujo de aire encuentra un rápido cambio de dirección en uno de los accesorios de conducto TAF, el aire se separa del conducto y fluye en la dirección opuesta a la capa límite más cercana al accesorio, produciendo una corriente vorticial aerodinámica. En el caso 5, como la dimensión del flujo inverso se extendía en la capa límite, hubo un punto en el que los vórtices parecían coincidir con la frecuencia de resonancia del conducto, lo que causaba que la amplitud de vibración aumentara y provocara un estruendo del conducto. Esto es consistente con referencias y estudios previos 6-9 . Como se mencionó anteriormente, un parámetro matemático incorpora el flujo de aire aerodinámico sobre los componentes de superficie plana. Se conoce como el número de transmisión de Reynolds (Re = Vd / ν, donde V es la velocidad nominal del flujo de aire [fps]). Osborne Reynolds ha demostrado que el flujo de aire sobre una placa plana se separará de una placa plana con un número nominal de Reynolds de 3.5 × 105 (ver Referencia 3, Capítulo XVI,). Esto puede ser análogo al flujo de aire dentro de un conducto plano donde d es la altura o ancho del conducto (ft), y ν es la viscosidad cinemática del aire. ν = 1.6 × 10-4 para 70 ° F (21 ° C) de aire de retorno, y 1.5 × 10-4 para 55 ° F (13 ° C) de suministro de aire. En 10 de las historias de casos mostrados en la Tabla 2 donde los parámetros del número de transmisión de Reynolds estaban disponibles (la velocidad de flujo o las dimensiones de los conductos en las historias de casos restantes eran insuficientes), los conductos con una transmisión de Reynolds entre 2.8 × 105 y 4.5 × 105 exhibieron una condición de ruido del conducto. Esto es consistente con un número nominal de Reynolds de 3.5 × 105 para la inestabilidad del flujo de aire (es decir, flujo de aire turbulento) sobre una placa plana predicha por Reynolds. Estos datos sugerirían que el número de transmisión de Reynolds es un parámetro que puede usarse para ayudar a predecir el estruendo del conducto.

 

tabla3

 

 

Métodos prácticos para reducir el ruido del conducto
Con frecuencia, las instalaciones no tienen suficientes alturas de piso-piso para permitir un diseño de ducto adecuado con buenas relaciones de aspecto.10 Como resultado, los ductos primarios se diseñan con altas proporciones de aspecto, una altura de ducto poco profunda y una dimensión horizontal grande y plana, que es un ajuste de conducto aerodinámicamente pobre (TAF). Estas condiciones son una receta para el estruendo del conducto. Dado que el ruido del conducto es en realidad un problema de vibración del conducto de baja frecuencia, las trampas de sonido y la atenuación activa en el conducto (cancelación de sonido) no son útiles para eliminar la vibración del conducto que causa el ruido del conducto. Con la llegada de los ventiladores de velocidad variable, uno puede sentirse tentado a ajustar la velocidad del ventilador para controlar la entrada, forzando la frecuencia en el conducto vibratorio. Sin embargo, cambiar la velocidad del ventilador no necesariamente reduce el ruido del conducto. El estruendo también es producto de la caída de presión TAF, la aerodinámica y la rigidez del conducto. En el Caso 4, el nivel de estruendo del conducto en realidad aumentó cuando se redujo la velocidad del ventilador. La tarea de predecir si ocurrirá un estruendo del conducto es compleja debido a la interacción de muchas variables, como el tamaño del conducto y la construcción, la aerodinámica del TAF y las características del ventilador. Sin embargo, varias consideraciones de diseño práctico pueden ayudar a controlar el ruido del conducto:
•• Evite TAF cerca del ventilador o una serie de conexiones de conductos en la red de ductos remotos que causarían altas caídas de presión. Por lo tanto, los conductos en la entrada o salida de los ventiladores deben ser aerodinámicamente lisos y carentes de codos y accesorios en T. Proporcione una buena aerodinámica cerca de ventiladores centrífugos como se indica en el Manual ASHRAE 2015 - Aplicaciones de HVAC, Capítulo 48. Especialmente evite los despegues en picado de los plenums de aire de suministro al proporcionar despegues de 45 grados en plenums. Los despegues con bordes cuadrados dan como resultado una mayor separación del flujo de aire en la capa límite.3
•• Evite el suministro de RTU y el conducto de aire de retorno con giros directamente debajo de las RTU que consisten en caídas de alta presión, cambios drásticos en la sección transversal y ductos grandes y planos.10 Evite los conductos ovales rectangulares o planos de una sola pared con grandes proporciones de aspecto 10 . Los conductos de doble pared proporcionan más rigidez y evitan el estruendo del conducto como se indica más adelante.
•• Asegúrese de que las aberturas de la cubierta del techo para conductos RTU bajo la RTU estén selladas con materiales pesados. Si se dejan aberturas alrededor de las penetraciones de los conductos a través de la plataforma del techo, la vibración de los paneles de la RTU inferior y los conductos de la acera generará estruendo del conducto, y el estruendo pasará a través de las aberturas del techo a los espacios ocupados.
•• Para ayudar a evitar la vibración resonante del conducto, asegúrese de que los conductos grandes cerca del ventilador tengan una rigidez mejorada para resistir la vibración del conducto y sean rígidos con conductos de acero de calibre pesado y refuerzos en centros cercanos. Proporcionar conductos rectangulares rígidos redondos o de pared doble mejorará significativamente la rigidez del conducto. La experiencia en diseños recientes de conductos ha demostrado que la construcción de conductos de doble pared eliminará el rumor del conducto. Los ductos redondos también tienen una rigidez mucho mayor y evitan el estruendo del conducto, pero la experiencia ha demostrado que el conducto circular también debe extenderse de 40 pies a 50 pies (12 m a 15 m) de longitud desde un ventilador antes de pasar a conductos rectangulares. Si la transición ocurre cerca del ventilador, la transición y el conducto rectangular pueden producir ruido de conducto. Donde el espacio es limitado en situaciones de retroadaptación, asegúrese de que la red esté rígida o cerrada como se indica en el Manual de ASHRAE 2015-Aplicaciones HVAC, Capítulo 48.11. Agregar paneles de yeso directamente a la pared del ducto endurece los conductos para cambiar la frecuencia natural del conducto y reducir el conducto amplitud de resonancia en 7 dB a 10 dB a bajas frecuencias. Asegúrese de que el revestimiento de paneles de yeso con fijación de tornillos de chapa metálica a los conductos no use compuesto para juntas ni taping que proporcione condiciones húmedas o de humedad en los sistemas de suministro de aire que proporcionen 55 ° F (13 ° C) o aire más frío. Esta condición permite el crecimiento de moho, y con los conductos de suministro aislados externamente el aislamiento externo puede agravar el crecimiento del moho al encapsular el panel de yeso húmedo.
• La velocidad del ventilador (rpm / 60 = Hz) se puede comparar con la frecuencia natural estimada de las superficies del conducto plano horizontal y vertical 12 . Dado que la vibración del conducto no es lineal, podría existir algún error en estos cálculos. En general, si hay un TAF presente, y si la velocidad del ventilador (Hz) está dentro de los 10 Hz de la frecuencia de resonancia del conducto calculada, existe un potencial de vibración del conducto que da como resultado un estruendo del conducto. La revisión de las dimensiones de la canalización para una relación de aspecto más baja para mejorar la rigidez del conducto, la eliminación del TAF, el espaciamiento del refuerzo más corto y el aumento del calibre del conducto para cambiar la frecuencia natural del conducto pueden ayudar a reducir la vibración del conducto.
•• El número de transmisión de Reynolds de la configuración del conducto lateral e inferior cerca de las ramas primarias en ventiladores de suministro o retorno puede calcularse fácilmente para los requisitos de flujo de aire de diseño anticipado para ver si existe la posibilidad de separación del flujo de aire en la sección plana de un primario conducto principal. Si el número de transmisión de Reynolds en el TAF para la dimensión del conducto horizontal o vertical es de cerca de 3.5 × 105, la red de conductos puede requerir modificaciones dimensionales o rigidez adicional para evitar el estruendo del conducto.

 

Referencias
1. Salt, A., J. Lichtenhan, J. 2014. “How does wind turbine noise affect people?” Acoustics Today 10(1).
2. Schomer, P. 2013. “Comments on recently published article, ‘Concerns about infrasound from wind turbines.’” Acoustics Today 9(4).
3. Schlichting, H. 1968. Boundary Layer Theory. New York: McGraw-Hill.
4. SMACNA. 1995. HVAC Duct Construc¬tion Standards, Metal and Flexible, 2nd Edition. Chantilly, Va.: SMACNA.
5. Thomson, W. 1965. Vibration Theory and Applications. Upper Saddle River, N.J.: Prentice-Hall.
6. Thompson, C. 1987. “Stability of the Stokes boundary layer.” J. of the Acoustical Society of America 81(4).
7. Wambsganss, M. 1976. “Understand¬ing flow-induced vibrations, Part 1—Basic concepts; fluid forcing functions. Sound and Vibration (11).
8. Wambsganss, M. 1977. “Understand¬ing flow-induced vibrations. Part II—Fluid/ structure coupling; design considerations.” Sound and Vibration (4).
9. Vanderburgh, R., J. Paulauskis. 1994. “The causes and unwanted results of aerody¬namic system effect.” ASHRAE Journal 36(2).
10. Ebbing, C., W. Blazier. 1993. “Avoid¬ing low frequency noise in packaged hvac equipment.” ASHRAE Journal 35(6).
11. 2015 ASHRAE Handbook—HVAC Applica¬tions. Chap. 48, pp. 48.50 – 48.51.
12. Ebbing, C., et. al. 1978, “Control of low frequency duct-generated noise in building air distribution systems.” ASHRAE Transac¬tions 84(2):191 – 202.

 

Traducido de ASHRAE J O U R N A L , diciembre 2016.


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