Modelo de cálculo dinámico: Control Termo-Acústico en Torres de Enfriamiento

Consideraciones físicas para los niveles de ruido de Torres de enfriamiento usadas en industria.

1. Condición Operativa

En una planta de celulosa, la unidad de generación de vapor y recuperación química opera en conjunto con un circuito cerrado de torres de enfriamiento de tiro mecánico inducido. El sistema requiere disipar grandes flujos de calor operando de manera continua (24/7). Los ventiladores axiales superiores de 8 m de diámetro trabajan a carga máxima durante los meses de verano.

2. El Problema Observado

Los registros de ruido laboral (norma: protocolo Prexor) indicaron altos niveles de presión sonora en las pasarelas de inspección que superaban los 90 dBA (decibeles corregidos en curva A). Históricamente, la planta había instalado silenciadores tipo SRD (rectangulares disipativos) sobre los ventiladores, pero el personal de mantenimiento los tuvo que retirar argumentando que interferían en el acceso a los reductores y motores. Simultáneamente, la comunidad a 1,5 km del complejo generó reclamos a la superintendencia del medio ambiente (SMA) por elevados niveles de ruido, los cuales eran muy superiores a lo declarado por el fabricante en la ficha técnica.

3. Física Gobernante

El ruido en los sistemas de transferencia de calor impulsados por ventilación forzada representa una perturbación mecánica de las variables de estado (presión, densidad y temperatura) sobre sus valores de equilibrio en el fluido. El campo de radiación sonora principal es de naturaleza dipolar y está asociado a fuerzas fluctuantes que actúan sobre el fluido, específicamente ligadas al ruido de paso de pala (BPF).

La generación de la potencia acústica (Lw) de estos dipolos se rige por la mecánica de fluidos y aumenta de forma exponencial en relación a la velocidad de la punta de las aspas (U), siendo proporcional a U^6.

Para el desarrollo del modelo de cálculo acústico en exteriores, se utiliza la ecuación de onda linealizada sobre el potencial acústico (phi):

Ingeniería Acústica - Ecuación de Onda linealizada

La relación entre presión sonora (p) y velocidad de partícula (u) para ondas esféricas en campo lejano se define mediante la impedancia compleja:

Ingeniería Acústica - relación entre presion sonora y velocidad de partícula.

4. Modelo de Cálculo dinámico y Supuestos

En InSonus Engineering modelamos el campo sonoro integrando variables operacionales, de mecánica de fluidos, parámetros aerodinámicos y gradientes atmosféricos claves. Se descartó la incorporación de nuevas soluciones de ingeniería en la ruta de transmisión y el análisis se orientó básicamente a la modificación aerodinámica en la fuente.

Geometría de dos focos de ruido (dipolo) y sus rayos de propagación sonora.

La evaluación consideró la directriz de del Protocolo Prexor de no exceder los 82 dBA en 8 horas para una jornada laboral de un entorno industrial.

5. Resultados del Análisis

El modelo de cálculo dinámico demostró que el aumento de temperatura del aire saturado que salía por el pleno alteraba la longitud de onda de la emisión (c = 331 + 0.6T). Los silenciadores SRD (Silenciador Rectangular Disipativo) instalados previamente, además de generar problemas de integración con el mantenimiento, generaba una pérdida de carga superior a la indicada por el fabricante de las Torres de frío.

La simulación atmosférica arrojó que el gradiente de viento en horario diurno curvaba los rayos sonoros (propagación del ruido en ambiente exterior), creando una zona de concentración acústica exacta sobre la comunidad a 1,5 km. En lugar de diseñar nuevos silenciadores, se especificó un perfil alar de aspas más ancho para el ventilador, lo que permitió mover el mismo flujo másico reduciendo el número de Mach en la punta en un 15%. Dado que la energía dipolar es proporcional a U^6, esta sola reducción cinemática redujo la potencia sonora (Lw) radiada por el foco de ruido en dBA.

6. Supuestos y Limitaciones

La confiabilidad del modelo de cálculo dinámico depende del cumplimiento de los límites de linealidad. Se asume acústica lineal bajo el supuesto de que las variaciones de presión sonora son diminutas frente a la presión atmosférica. Este modelo queda invalidado en proximidades donde el nivel exceda los 130 dBA punto en el cual el término de segundo orden:

Ingeniería Acústica - parte de la ecuación de onda

genera una disipación no lineal y fenómenos de streaming. Además, el cálculo espectral (Banda de Tercio de octava) no parametriza el ruido aleatorio y de banda ancha inducido por el impacto de la caída de agua en la balsa interior de la torre, centrándose exclusivamente en la energía acústica dipolar propagada por el tiro mecánico.

7. Impacto en la Continuidad Operacional y El cumplimiento normativo

La integración de la ingeniería aerodinámica y acústica para modificar el foco de ruido, elimina el riesgo inherente de diseño clásico de soluciones acústicas, donde estas soluciones terminan siendo removidas por el personal de mantenimiento frente a paradas de planta o mantenimientos mayores debido a que el diseño no considero la integración con mantenimiento y/u operaciones. Al tratar la física de turbulencia en lugar de instalar un silenciador "commodity (de catálogo o ficha)", se optimizó la operación de los motores eléctricos.

La especificación de un perfil alar de aspas más ancho para el ventilador costó aproximadamente un 37% menos que la instalación de silenciadores en la descarga de aire y además, reduce el riesgo de generar elevadas pérdidas de carga, problemas de mantenimiento y problemas operacionales, asegurando que el equipo opere en su curva de diseño y que no existan problema de paradas no programadas por problemas de temperatura.

Todo esto logró  un adecuado Control Termo-Acústico en torres de enfriamiento.