Fabricación aditiva InTech APR23: válvulas de control más silenciosas

Jul 21, 2023

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El ruido de las válvulas de control es un problema en muchos entornos de plantas. El sonido se crea por caídas de presión muy altas a través de una válvula, lo que genera altas velocidades de vapor a medida que el fluido se mueve a través de los conductos estrechos del cuerpo de la válvula. El ruido aerodinámico tiene una fuerte dependencia de la velocidad del gas, por lo que las aplicaciones de alto flujo y alta caída de presión tienden a alcanzar niveles de sonido ensordecedores muy rápidamente. Este tipo de ruido puede dañar la audición y, con el tiempo, puede destruir tuberías, equipos sensibles, conexiones de tuberías cercanas y componentes de válvulas.

Históricamente se han utilizado diseños de internos de bajo ruido para abordar este problema, pero este tipo de soluciones suelen ser costosas y reducen en gran medida la capacidad de flujo. Sin embargo, las técnicas de fabricación aditiva (impresión de aleaciones tridimensionales) han introducido toda una gama de nuevas posibilidades en las soluciones de reducción de ruido. Este artículo describe los nuevos diseños que se han introducido recientemente o que estarán disponibles en los próximos meses.

Las plantas están llenas de fuentes de ruido fuertes, incluidos equipos grandes, respiraderos de procesos y bombas alternativas. Muchos de estos sonidos son fuentes puntuales (Figura 1A) y los niveles de sonido disminuyen como el cuadrado de la distancia. Las válvulas de control son otra fuente común de sonido en entornos industriales, pero en este caso el sonido en realidad emana tanto de la válvula como de la tubería, creando una fuente lineal cuando la tubería aguas abajo es lo suficientemente larga (Figura 1B). Mientras que una fuente puntual pierde intensidad del sonido con el cuadrado de la distancia, una fuente lineal pierde intensidad directamente proporcional a la distancia, por lo que tiende a crear problemas mayores para el personal de la planta.

Las causas comunes del ruido generado por la válvula de control incluyen la vibración mecánica de los componentes internos, el ruido aerodinámico del flujo de gas turbulento y el ruido hidrodinámico de la cavitación. El sonido externo a la tubería representa una amenaza para la audición a niveles superiores a 85 dBA, y los niveles superiores a 110 dBA pueden dañar los componentes de la válvula y las conexiones de las tuberías adyacentes, por lo que deben evitarse (Figura 2).

Generalmente hay dos formas de abordar este problema: restringir la ruta del sonido para que no pueda escapar al medio ambiente o eliminar la generación del sonido en la fuente. Las soluciones de ruta del sonido suelen emplear tuberías gruesas, aislamiento pesado y/o mantas acústicas para bloquear el ruido. Funcionan bien y son económicos, pero estas soluciones tienen limitaciones.

La reducción de ruido que se puede lograr suele ser algo limitada y estas técnicas tienden a volverse menos efectivas con el tiempo a medida que el aislamiento se rompe y las mantas acústicas se retiran durante el mantenimiento y no se vuelven a instalar correctamente. Independientemente de lo bien que funcionen, las soluciones de ruta del sonido no abordan el problema fundamental de que los niveles de sonido superiores a 110 dBA puedan dañar el equipo.

La solución estándar para el ruido de las válvulas de control ha sido la instalación de internos de válvulas silenciosos para reducir los niveles de generación de ruido en la fuente. Estos diseños generalmente dividen el flujo en múltiples rutas de flujo, o toman caídas de presión más pequeñas en múltiples etapas, para reducir la velocidad general del flujo y reducir los niveles de sonido generales. Esta tecnología también funciona bien, pero también tiene limitaciones:

Los internos de bajo ruido tienden a restringir significativamente la capacidad de flujo de la válvula, lo que requiere cuerpos de válvula más grandes para pasar el mismo caudal.

Los internos de bajo ruido suelen ser mucho más caros que los internos de válvulas estándar, ya que se requiere un mecanizado complejo para producir estos diseños.

Los internos de bajo ruido a menudo tienen una aplicabilidad limitada para válvulas rotativas.

El panorama de las soluciones para el ruido de las válvulas de control ha cambiado drásticamente con la llegada de la fabricación aditiva porque ahora es posible crear de forma rápida y económica configuraciones de internos muy complejas.

Esta reciente capacidad ha impulsado nuevas soluciones de reducción de ruido que pueden lograr niveles muy altos de reducción de ruido manteniendo una alta capacidad de flujo.

Afortunadamente, la fabricación aditiva ha permitido configuraciones de equipamiento completamente nuevas que pueden reducir significativamente los niveles de sonido (Figura 3). Por ejemplo, los atenuadores de bola producidos mediante fabricación aditiva pueden proporcionar hasta 18 dB de reducción del nivel de sonido para los internos giratorios de próxima generación. Estos niveles de reducción de ruido se logran manteniendo en gran medida las altas capacidades de flujo comunes con las válvulas rotativas. Esto puede ahorrar costos significativos en comparación con las alternativas de válvulas de globo en una aplicación típica.

Una nueva generación de estilos de acabado está ingresando al mercado para abordar el problema de la capacidad de flujo (Figura 4). Estos nuevos estilos emplean conductos de flujo muy complejos y sólo recientemente han sido posibles gracias a la fabricación aditiva.

La misma tecnología de fabricación aditiva también se puede utilizar para crear diseños de molduras que alcancen los niveles más altos de reducción de sonido (Figura 5). Estos internos sacrifican la capacidad de flujo, pero pueden emplearse en aplicaciones muy difíciles donde las soluciones tradicionales de reducción de ruido son inadecuadas. Estos diseños de internos de bajo ruido completan un conjunto de soluciones existentes de bajos dB que se pueden utilizar para abordar un amplio espectro de requisitos de reducción de ruido, capacidad de válvulas y costos de instalación.

Una opción que ya está en el mercado utiliza un medio completamente diferente para reducir el ruido de la válvula de control. Es un dispositivo pasivo que emplea conceptos similares a los silenciadores de automóviles, utilizando resonancia de sonido destructiva para compensar y cancelar el ruido (Figura 6). Concebida por primera vez en la década de 1980 como un proyecto de investigación universitario, la tecnología se dejó de lado durante décadas hasta hace poco, cuando la fabricación aditiva hizo económicamente posible desarrollar un patrón para producir el componente como un conjunto de fundición.

El atenuador modal consta de una serie de cavidades resonantes cuidadosamente diseñadas para proporcionar reducción del sonido en un amplio espectro de frecuencias. El diseño de paso total permite un flujo sin restricciones y los canales de drenaje internos drenan el condensado que podría acumularse en el dispositivo y reducir el rendimiento. Instalado justo aguas abajo de la válvula, el atenuador modal logra una reducción general del sonido de hasta 15 dBA sin crear restricción alguna en la capacidad de flujo. El dispositivo puede usarse en válvulas existentes o combinarse con una válvula de control de bajo ruido para lograr niveles aún mayores de reducción de ruido. A diferencia de los difusores o silenciadores, el atenuador modal funciona de manera consistente en una amplia gama de caudales.

Cuando se enfrenta a un problema de ruido en la válvula de control, vale la pena tomarse el tiempo para investigar las muchas opciones nuevas que han estado disponibles recientemente o que se están introduciendo. La fabricación aditiva ha ampliado enormemente el panorama de lo que es posible y ahora se ofrecen muchas soluciones que abordan las aplicaciones de atenuación de ruido de válvulas de control más exigentes. Todas las imágenes son cortesía de Emerson

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Grady Emswiler es gerente de marketing de productos de ingeniería de Emerson. Aunque es nueva en la empresa, tiene experiencia en marketing de productos en diferentes industrias. Emswiler tiene una licenciatura en marketing de la Universidad Estatal de Iowa.

Mike Hoyme es gerente de producto de Fisher Rotary Valves. Es un profesional certificado en seguridad funcional con 10 años de experiencia en ingeniería de válvulas y gestión de productos, y se esfuerza por crear elementos finales para sistemas instrumentados de seguridad (SIS) que mejoren la seguridad y el tiempo de actividad del proceso. Hoyme tiene una licenciatura en ingeniería mecánica de la Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur.