BRPI0709808A2 - silenciador para atenuar ruÍdo - Google Patents

Abstract

<B>SILENCIADOR PARA ATENUAR RUÍDO <D>A presente invenção diz respeito no geral à atenuação de ruídode soprador a vácuo usando um silenciador. Mais particularmente, a presente invenção diz respeito a um silenciador barato, confiável e eficiente para reduzir os níveis de ruído em instalações de separação de gás baseada em adsorção proveniente da descarga do soprador a vácuo, ou da entrada dosoprador de alimentação, para um nível de cerca de 90 dBA ou menos, na abertura do silenciador para a atmosfera. O silenciador inclui pelo menos uma câmara reativa (20, 30, 32) para atenuar pulsações de baixa freqúéncia e pelo menos uma câmara absortiva (40, 42, 44) para atenuar ruido a média a alta freqüência.

Description

"SILENCIADOR PARA ATENUAR RUÍDO"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito no geral à atenuação de ruídode soprador usando um silenciador em um sistema de separação de gásbaseado em adsorção. A presente invenção diz respeito, mais particularmente,a um silenciador barato, confiável e eficiente conectado na descarga de umsoprador a vácuo ou na entrada de um soprador de alimentação de umainstalação de separação de gás baseada em adsorção. O silenciador podereduzir os níveis de ruído um nível de cerca de 90 dBA ou menos na aberturado silenciador para a atmosfera.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Instalações de separação de gás baseada em adsorção (porexemplo, sistemas de adsorção com oscilação de pressão (PSA) ou sistemasde adsorção com oscilação de vácuo (VPSA)) operam em várias capacidades.Houve e continua existir uma maior demanda de tais instalações para termaior produtividade. Uma maneira de atingir esta meta é aumentar o tamanhoda instalação, já que as tendências atuais dessas instalações de grandeprodução tornam-se comercialmente mais baratas.

Instalações VPSA de grande tonelagem exigem maior tamanhoe/ou velocidade do soprador. O aumento nos tamanhos de soprador,entretanto, também aumenta o ruído irradiado e os níveis de pulsação nainstalação. Tais pulsações podem levar a vibrações do tubo que podemfinalmente danificar os tubos, leitos ou outro equipamento, tal como umrefrigerador posterior na instalação. Além do mais, ruído gerado por essaspulsações pode ser perigoso para a segurança e saúde do pessoal da instalaçãoe para o meio ambiente. Por exemplo, o nível de pressão sonora na saída deum soprador a vácuo de grande tamanho típico pode atingir níveis de até 170-180 dB. Por questão de segurança, preocupações ambientais e/ou regulatórias,entretanto, o nível de pressão sonora precisa ser reduzido a cerca de 90 dBA.Para reduzir pulsação, e conseqüentemente o ruído dissipadorpelo gás descarregado, instalações VPSA tipicamente empregam umsilenciador na descarga do soprador a vácuo. O silenciamento de ruído atualem instalações BPSA padrões é provido por silenciadores tipo carcaça de açocilíndrica comercialmente disponíveis. A medida que esses silenciadorestornam-se maiores, tanto no comprimento quanto no diâmetro para fornecer aatenuação sonora necessária para instalações maiores, eles tornam-se maispropensos a vibrar, agem como uma fonte de ruído e podem falharmecanicamente. O custo para fabricação e manutenção de tais silenciadores,portanto, aumenta. Por causa de economia, confiabilidade e efetividade,silenciadores de carcaça de aço não são produzidos em escala industrial comsucesso para instalações de grande produção. Isto exige um métodoalternativo de silenciar o ruído do soprador em tais instalações.

As patentes U.S. 6.089.348 de Bokor e 4.162.940 de Clay etal. apresentam prática industrial típica para silenciar ruído de soprador. Emambas essas patentes, é sugerido que o ruído do soprador pode ser reduzidoou dissipado por um silenciador cilíndrico tipo carcaça de aço que incluimúltiplas câmaras. Esses tipos de silenciadores tornam-se não efetivos parasopradores grandes que geram altos níveis de pulsações à medida que suascarcaças vibram por causa de pulsações do soprador. Além do mais, o custode fabricação e manutenção de tais silenciadores é afetado adversamente pelomaior tamanho do soprador. Conseqüentemente, esses silenciadores não sãoaplicados economicamente em grande escala para grandes instalações.

A patente U.S. no. 5.957.664 de Stolz et al. sugere o uso de umamortecedor de pulsação tipo ressonador de Helmholtz no conduto dedescarga do soprador logo antes do silenciador, de forma que a pulsação queentra no silenciador possa ser amortecida e, conseqüentemente, o desempenhodo silenciador possa ser melhorado. Entretanto, uma abordagem como essa élimitada, dado que o desempenho de tais ressonadores somente é efetivo auma dada freqüência para uma condição de desenho especificada. Em muitoscasos, sopradores geram pulsos não somente em uma única freqüência, mastambém nos seus harmônicos.

A patente U.S. 6.451.0997 de Andreani et al. apresenta umaabordagem alternativa para a atenuação de ruído de soprador, revelando umaestrutura parcialmente enterrada. Esta estrutura tem tubos de impedância edefletores para fornecer atenuação de ruído.

Em vista da técnica anterior, seria assim desejável proversilenciadores mais confiáveis, baratos e com melhor desempenho para uso eminstalações de separação de gás baseada em adsorção.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito no geral à atenuação de ruídode soprador a vácuo usando um silenciador. Mais especificamente, a presenteinvenção diz respeito a um silenciador barato, confiável e eficiente parareduzir o nível de ruído (por exemplo, de cerca de 170-180 dB) na descargado soprador a vácuo em instalações de separação de gás baseada em adsorção,tais como instalações de adsorção com alternância de pressão a vácuo (VPSA)à jusante para satisfazer critérios de segurança, ambientais e/ou regulatórios(por exemplo, para 90 dBA). Por exemplo, e embora não devendo serinterpretado como limitação, espera-se que a presente invenção seja bemadequada para uso na descarga do soprador a vácuo de sistemas VPSA deoxigênio e dióxido de carbono.

O silenciador de acordo com a presente invenção pode tambémser implementado na entrada de alimentação de instalações de separação degás baseada em adsorção (por exemplo, instalações de adsorção comalternância de pressão (PSA) e/ou VPSA). Além do mais, o silenciador podeser usado em outras aplicações, por exemplo, sistemas PSA para separação dear que produzem oxigênio ou nitrogênio. Embora silenciadores de acordo coma presente invenção possam ser utilizados tanto em instalações de pequenaprodução quanto instalações de grande produção, espera-se que os benefíciospara redução de ruído sejam amplificados para instalações grandes.

Em relação a sistemas da técnica anterior, espera-se que apresente invenção facilite a fabricação. Além disso, são esperadas maioresatenuações de ruído com silenciadores produzidos de acordo com a presenteinvenção, posto que esses silenciadores incluem capacidade de silenciamentomais reativa e absortiva em relação aos silenciadores da técnica anterior.

Silenciadores de acordo com a presente invenção incluemtanto câmaras reativas para atenuar pulsações de baixa freqüência quantocâmaras absortivas para atenuar ruído de média a alta freqüência. Na formaaqui usada, um silenciador é uma estrutura em comunicação fluídica com umsoprador e em comunicação fluídica com a atmosfera, na forma aqui usada,uma câmara é um encerramento que tem pelo menos uma abertura de entradae uma de saída. Paredes externas e internas do silenciador podem serformadas de concreto. Ao contrário de silenciadores com carcaça de aço,silenciadores de acordo com a presente invenção são projetados para não agircomo uma fonte de ruído. Ruído de baixa freqüência é cancelado em pelomenos uma câmara reativa que tem pelo menos uma abertura que serve comouma entrada para o silenciador e pelo menos uma abertura que serve comouma saída. Se duas câmaras reativas forem posicionadas adjacentes uma àoutra, então a saída de uma câmara reativa servirá como a entrada para acâmara reativa seguinte, e ficará localizada nas paredes divisórias entre taiscâmaras. Pelo menos uma câmara absortiva é provida e é projetada paraanular ruído a freqüências maiores que as capacidades da câmara reativa. Pelomenos uma câmara absortiva tem pelo menos uma entrada e uma saída, e temsuas paredes interiores revestidas com pelo menos um material absorvente desom. A pelo menos uma câmara absortiva fornece um trajeto de fluxo que fazcom que as ondas sonoras sejam incidentes no material absorvente de som, eo trajeto de fluxo é tipo serpentina.Mais especificamente, um trajeto de fluxo em serpentina fazcom que as ondas sonoras sejam incidentes na(s) superfície(s) absorvente(s)de som várias vezes e as ondas sonoras são absorvidas muito maisefetivamente em relação a passagens de fluxo retas. Em modalidadespreferidas, paredes interiores das câmaras absortivas são preferivelmentecobertas com material absorvente de som que efetivamente anula ruído emuma ampla faixa de freqüências. Adicionalmente, as superfícies interiores dacâmara reativa que estão em comunicação fluídica direta com uma câmaraabsortiva podem também ser cobertas com material absorvente de som paraprover tanto redução de ruído reativa quanto absortiva.

Silenciadores da presente invenção incluem pelo menos uma epreferivelmente uma pluralidade de câmaras reativas. As câmaras reativasincluem pelo menos uma abertura nas paredes divisórias. Tais aberturasreduzem e/ou minimizam queda de pressão e facilitam a fabricação.Silenciamento reativo é provido no silenciador pela utilização de expansões econtrações nas áreas seccionais transversais do trajeto de fluxo de gás.Entretanto, em modalidades alternativas, pode haver somente uma aberturanas paredes divisórias. Embora possa ser possível incluir somente umacâmara reativa (por exemplo, em sopradores pequenos), modalidadespreferidas de acordo com a presente invenção tipicamente incluirão uma sériede câmaras reativas.

Silenciadores da presente invenção também incluem pelomenos uma câmara absortiva. Em modalidades em que existe somente umacâmara absortiva, a câmara reativa que está em comunicação fluídica diretacom uma câmara absortiva é preferivelmente coberta com material(s)absorvente(s) de maneira tal que ela possa também prover capacidadesabsortivas. Configurações específicas das câmaras absortivas preferivelmentefornecem um trajeto de fluxo em serpentina. Em modalidades preferidas dapresente invenção, todas as paredes interiores das câmaras absortivas sãocobertas com material(s) absorvente(s) de som. Espera-se que o silenciamentoabsortivo seja mais efetivo nos silenciadores da presente invenção em relaçãoaos da técnica anterior por causa da presença da grande área superficialinterior coberta com material(s) absorvente(s) de som e o trajeto de fluxo emserpentina.

Conforme mencionado anteriormente e discutido a seguir,silenciadores da presente invenção reduzem e/ou eliminam os problemas devibração de carcaça de aço característicos de muitos dos silenciadores datécnica anterior. Câmaras reativas de acordo com a presente invençãoreduzem o nível de som irradiado refletindo as ondas sonoras para sua fonte.Para prover silenciamento reativo, o silenciador utiliza expansões econtrações nas áreas seccionais transversais do trajeto de fluxo de gás.

Silenciadores da presente invenção podem também ser maisfáceis de fabricar do que silenciadores de carcaça de aço ou um silenciadorcom muitas partes internas. Silenciadores com carcaça de aço algumas vezesapresentam falhas, tais como trincas e falhas da carcaça externa, paredesdivisórias interiores e tubos de impedância por causa das pulsações de baixafreqüência. A eliminação da construção da carcaça de aço de acordo com apresente invenção permite interiores de fácil construção e simples.Conseqüentemente, silenciadores da presente invenção podem ser fabricadoscompletamente no local na instalação com um número mínimo ou reduzido departes componentes. Silenciadores da presente invenção assim têm tanto asvantagens de simplicidade quanto maior desempenho na atenuação acústica.Silenciadores da presente invenção também apresentam a vantagem de menorqueda de pressão no silenciador, o que pode ser uma consideraçãosignificativa para a eficiência geral da instalação .

Silenciadores da presente invenção dessa maneiraproporcionam um importante benefício com a provisão de técnica habilitantepara construir instalações de separação de ar baseada em adsorção em grandeescala, tais como, por exemplo, instalações VPSA de O2. Além disso, espera-se que os custos de capital associados com silenciadores feitos de acordo coma presente invenção sejam menores do que de silenciadores de carcaça de açotípicos.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

Para um entendimento mais completo da presente invenção ede suas vantagens, deve-se fazer referência à descrição detalhada seguinteconsiderada em conjunto com os desenhos anexos, em que:

A figura 1 ilustra um sistema exemplar que incorpora umsilenciador na descarga de um soprador a vácuo;

A figura 2 ilustra um silenciador de acordo com umamodalidade da presente invenção;

A figura 3 mostra um trajeto de fluxo de gás de acordo com osilenciador da figura 2 para uso com um soprador a vácuo;

A figura 4 mostra uma vista de posicionamento exemplar deaberturas nas câmaras reativas de acordo com uma modalidade adequada parauso de acordo com a presente invenção;

A figura 5 mostra um gráfico de perda de transmissãocalculada teoricamente (dB) versus freqüência (Hz) para as câmaras reativas;

A figura 6 mostra um gráfico de perda de transmissãocalculada teoricamente (dB) versus bandas de freqüência (Hz) para câmarasabsortivas; e

A figura 7 ilustra nível de pressão sonora medidoexperimentalmente (dB) versus tempo para uma unidade de teste de acordocom a presente invenção descrita a seguir.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Conforme discutido anteriormente, a presente invenção dizrespeito à atenuação de ruído de soprador a vácuo usando um silenciador. Apresente invenção mais especificamente fornece um silenciador barato,confiável e eficiente para reduzir os níveis de ruído para cerca de 90 dBA. Emmodalidades exemplares da invenção, o silenciador pode ser empregado nadescarga do soprador a vácuo em instalações VPSA de oxigênio de grandeprodução. O silenciador inclui câmaras reativas para atenuar pulsações debaixa freqüência e câmaras absortivas para atenuar ruído de média a altafreqüência.

Paredes externas e internas do silenciador podem ser feitas deconcreto, incluindo concreto reforçado (por exemplo, concreto reforçado comaço). Entretanto, outros materiais de construção podem ser adequados parauso de acordo com a invenção. Por exemplo, e embora não devendo serinterpretado como limitação, tijolo e/ou blocos de alvenaria podem serusados. Além do mais, o material de construção pode ser diferente dascâmaras reativa e absortiva. Em uma modalidade preferida, as câmarasreativas podem ser formadas de concreto e as câmaras absortivas podem serformadas de bloco de alvenaria. O(s) material(s) de construção para ascâmaras reativa e absortiva deve(m) facilitar a redução de ruído. Deferentesde silenciadores com carcaça de aço, silenciadores da presente invenção nãoagirão como uma fonte de ruído. Câmaras reativas reduzem o nível de somirradiado pela reflexão das ondas sonoras para sua fonte. Para proversilenciamento reativo, o silenciador utiliza expansões e contrações nas áreasseccionais transversais do trajeto de fluxo de gás. A pelo menos uma câmaraabsortiva fornece um trajeto de fluxo em serpentina, e todas as paredesinteriores da(s) câmaras(s) absortiva(s) são cobertas com material absorventede som (por exemplo, fibra de vidro, lã de vidro, lã mineral, fibras de náilone/ou similares) para anular efetivamente ruído a altas freqüências.

A figura 1 ilustra um sistema de adsorção de pressão a vácuo(VPSA) típico. Conforme mostrado na figura 1, a instalação VPSA 10 incluium ou mais leitos absorventes (por exemplo, 12, 14) que alternam entre ciclosde adsorção e dessorção. Durante uma etapa de dessorção, o leito é conectadoa um soprador a vácuo 16, que faz com que o gás adsorvido dessorva e sejadescarregado como gás residual. Tais sopradores deslocam uma grandequantidade de gás da entrada para a saída por meio de suas bolsas entre seuslóbulos e o revestimento a um volume relativamente constante. O fluxo de gáspara dentro e para fora dos sopradores desta maneira não é estacionário, mas,em vez disso, é uma ação discreta (ou intermitente). Por causa das diferençasde pressão entre as bolsas de gás e a tubulação de saída, cada vez que o rotorfica livre no alojamento, são criadas flutuações de pressão. Tais flutuaçõescriam pulsação de gás e ruído. Essas pulsações são função do tamanho evelocidade do soprador, em que sopradores maiores e com maioresvelocidades de rotação criam maiores pulsações e, conseqüentemente,maiores níveis de ruído.

Para reduzir a pulsação, e assim o ruído dissipado pelo gásdescarregado, instalações WSA empregam um silenciador 18 na descarga deum soprador a vácuo. O nível de pressão sonora na saída de um soprador avácuo grande típico pode atingir níveis de até 170-180 dB. Entretanto, emvirtude de preocupações de segurança e ambientais, esses níveis de ruídoprecisam ser reduzidos para níveis de aproximadamente 90 dB.

Além do mais, pode também ser desejável incluir umsilenciador de entrada 20, conforme também mostrado, por exemplo, nafigura 1. Silenciadores de acordo com a presente invenção podem também serusados como silenciadores de entrada e posicionados à montante do sopradorde alimentação 22 mostrado na figura 1. Quando o silenciador de acordo coma presente invenção é conectado na descarga do soprador a vácuo, gásproveniente do soprador a vácuo entra no silenciador através de uma câmarareativa e deixa o silenciador através de uma câmara absortiva. Quando osilenciador é conectado na admissão de um soprador de alimentação, gás daatmosfera entra no silenciador através de uma câmara absortiva e deixa osilenciador através da câmara reativa e para o soprador.O tamanho geral de um silenciador depende de diversosfatores, incluindo a redução de ruído e vazão desejados de um gás particular.Redução de ruído depende basicamente do comprimento do silenciador, e aárea do silenciador é determinada pela vazão de gás. À medida que ainstalação aumenta de tamanho, o fluxo médio através do silenciador tambémaumenta. Dessa maneira, a área do silenciador precisa ser aumentada para tervelocidade de fluxo aceitável no silenciador.

Conforme previamente mencionado, atenuação acústica nossilenciadores da presente invenção é obtida utilizando-se tanto seções reativasquanto absortivas. O(s) componente(s) reativo(s) basicamente fornece(m)redução de ruído de pico na faixa de baixa freqüência (<250 Hz) e o(s)componente(s) absortivo(s) fornece(s) redução de ruído nas faixas defreqüência média (entre 250-500 Hz) e alta (>500 Hz).

Conforme também mencionado anteriormente, o tamanho evelocidade do soprador ditam o tamanho do silenciador. Versados na técnicapercebem assim que o silenciador de acordo com a presente invenção pode sermodificado para adaptar a tais critérios. Embora não devendo ser interpretadacomo limitante, uma modalidade exemplar inclui um silenciador projetadopara um soprador a vácuo grande, por exemplo, um soprador a vácuo capazde operar a cerca de 35.000 scfm (56.270 Nm3/h) de fluxo de ar e quefunciona a velocidades entre cerca de 1.400 rpm e 2.200 rpm. O sopradorpode ter dois rotores tri-lóbulos e, conseqüentemente, a freqüência primáriadas pulsações é seis vezes a velocidade da árvore. Em decorrência disto, osilenciador de concreto pode ser projetado para prover a melhora atenuaçãode ruído para a faixa de freqüência de 140 Hz a 220 Hz. Além do mais,existem harmônicos superiores dessas freqüências no espectro de freqüênciadas ondas sonoras, e o silenciador da presente invenção é também capaz deatenuar tal ruído de alta freqüência.

Além do mais, os canais de fluxo em um silenciador comoesse podem ser projetados para acomodar confortavelmente o fluxo de 35.000scfin (56.270 Nm3/h) de ar provido pelo soprador. Baixas velocidades defluxo dentro do silenciador são importantes tanto para baixa queda de pressãoquanto para impedir deterioração do material absorvente de som. Como umcritério de projeto, a velocidade de fluxo na entrada do silenciador épreferivelmente mantida abaixo de 75 ft/s (22,86 m/s), embora a velocidadede fluxo média dentro do silenciador em qualquer seção seja mantida abaixode 15 ft/s (4,57 m/s) para impedir deterioração dos materiais absortivos (porexemplo, fibra de vidro) nas superfícies das câmaras absortivas. Além domais, o comprimento das aberturas entre as câmaras na seção de absorção épreferivelmente mantida em torno de um terço do comprimento da câmarapara minimizar a queda de pressão nessas câmaras.

Conforme mencionado anteriormente, o silenciador pode sermodificado para se ajustar às variações em aplicações. Silenciadores deacordo com a presente invenção pode dessa forma ser projetados como umaestrutura com possibilidade adaptação a um maior tamanho e podem serfacilmente projetados para ser efetivos a outras velocidades do soprador (istoé, outras faixas de freqüências efetivas) e vazões. Silenciadores queincorporam os recursos da presente invenção podem também ser projetadospara uso na entrada de alimentação, conforme discutido anteriormente.

Por projeto, um silenciador de acordo com a presente invençãopoderia ficar localizado bem na descarga do soprador a vácuo com mínimaconexão de tubulação. Isto poderia ser particularmente vantajoso para impedirressonância em conexões de tubulação do soprador até o silenciador. Ocomprimento de tal tubulação não deve ser igual ou próximo a um quarto docomprimento de onda dos pulsos. Desta maneira, pulsações na tubulaçãoserão minimizadas. Para economizar espaço e prover isolamento acústicoadicional, o silenciador e particularmente suas seções reativas podem sercolocados no subsolo. O silenciador pode estender-se tanto verticalmentequanto horizontalmente.

Uma geometria ilustrativa e não limitante de um silenciador 50para o soprador supramencionado está mostrada nas figuras 2-4. Uma área defábrica exemplar para um soprador que tem as capacidades supramencionadas(isto é, operação a 35.000 scfm (56.270 Nm /h) de vazão de ar e entre 1.400-2.200 rpm) deve ser cerca de 12' (3.658 mm) por IT (5.182 mm) e 24' (7.315mm) de altura com uma espessura de parede de cerca de 12" (304,8 mm).

A medida que o soprador descarrega gás residual, o fluxopulsante entra no silenciador pela abertura de entrada 26 e expande-se nacâmara reativa 28. Na modalidade mostrada, existem três câmaras reativas(28, 30, 32) na seção inferior do silenciador. Paredes divisórias (34, 36, 38) decada uma dessas câmaras pode ter pelo menos uma abertura (por exemplo,múltiplas aberturas de 2' (610 mm) de diâmetro). Uma vista exemplar dessasparedes está mostrada na figura 4. Versados na técnica percebem que outrosarranjos para a(s) abertura(s) nas paredes divisórias de tais câmaras podem serprojetados para uso de acordo com a presente invenção. A geometria dasparedes divisórias provê expansão e contração nas áreas seccionaistransversais do trajeto de fluxo de gás em uma série de câmaras discutidaanteriormente. Assim procedendo, o ruído de baixa freqüência e pulsações sãoatenuados. Além do mais, a área total da(s) abertura(s) da saída é projetadaem cerca de 33 % maior que da entrada para minimizar queda de pressão. Porexemplo, e em uma modalidade ilustrativa, a câmara 30 tem três aberturas(por exemplo, aberturas de 2' (610 mm) de diâmetro) na parede divisória 34no lado de entrada, ao passo que, na parede divisória 36 no lado de saída,existem quatro tais aberturas.

Conforme mostrado adicionalmente nas figuras 2-4, existemtambém múltiplas câmaras absortivas (40, 42, 44) no silenciador 50. Cadacâmara absortiva (40, 42, 44) tem suas superfícies interiores revestidas commaterial(s) absorvente(s) de som (por exemplo, fibra de vidro). Talrevestimento é suficientemente espesso (por exemplo, 2 polegadas (50,8milímetros) de espessura em algumas modalidades) a fim de facilitar aredução de ruído na faixa de média e alta freqüência (>250 Hz). Nessascâmaras, ruído de alta freqüência é basicamente atenuado pela absorçãoacústica. O tamanho dessas câmaras é projetado para prover baixasvelocidades de fluxo do gás de forma que ele não deteriore o(s) material(s)absorvente(s) e leve a menor queda de pressão.

Gás residual é descarregado na atmosfera pela abertura 46 notopo do silenciador. Se o silenciador for projetado como uma unidadesubterrânea, ou uma unidade parcialmente subterrânea, então a abertura desaída 46 precisa estender-se bem acima do nível do terreno de maneira a nãocausar asfixia de nitrogênio. Para os projetos acima do terreno, uma coberturade chuva nesta saída deve ser o bastante para a maioria das aplicações.

No silenciador para o soprador supramencionado, existem trêscâmaras reativas em série. Independente do número de câmaras, câmarasreativas reduzem o nível de som irradiado, refletindo as ondas acústicas parasua fonte. Para prover silenciamento reativo, o silenciador utiliza expansão econtração nas áreas seccionais transversais do trajeto de fluxo de gás.Câmaras reativas são basicamente efetivas para atenuar ruído de baixafreqüência (150-250 Hz).

Como é bem conhecido pela teoria de silencioso unidirecional,a magnitude da perda de transmissão em uma única câmara reativa édeterminada pelo tamanho da entrada, saída e áreas da câmara, ao passo que ocomprimento da câmara determina a faixa de freqüência efetiva dosilenciador. Por este motivo, a seleção do comprimento da câmara é muitoimportante para silenciamento efetivo. Se o comprimento da câmara for iguala múltiplos de um quarto do comprimento de onda (L = λ/4, 3 λ/4, 5 λ/4...), aperda de transmissão será máxima. Por outro lado, se o comprimento dacâmara for igual a múltiplos de meio do comprimento de onda (L = λ/2, λ, 3λ/2,...), a perda de transmissão será zero.

Com esta teoria em mente, cada uma dessas câmaras reativas éprojetada para prover o nível desejado de perda de transmissão na faixa defreqüência de interesse. A perda de transmissão total provida pelas diversascâmaras reativas (por exemplo, três) é a soma de cada uma das inúmeras (porexemplo, três) perdas por transmissão). Perda de transmissão teóricacalculada (atenuação acústica) em função da freqüência das ondas sonoraspara cada uma das três câmaras para a modalidade supradescrita e sua somaestão mostradas na figura 5. As câmaras reativas são projetadas para proverperda de transmissão de aproximadamente 40-50 dB na faixa de freqüência deinteresse de 150-250 Hz.

Câmaras absortivas atenuam o som, convertendo a energiaacústica em calor pelo atrito nos vazios entre as partículas de gás oscilantes ematerial absorvente de som fibroso/poroso. Silenciadores absortivos sãoefetivos na atenuação de ruído de média e alta freqüência.

No silenciador exemplar supradiscutido, atenuação acústicapela absorção ocorre nas três câmaras de pressão superiores. Superfíciesinternas dessas câmaras são revestidas com material absortivo (por exemplo,fibra de vidro de 2" (50,8 mm) de espessura). Na unidade de teste descrita noexemplo seguinte, somente painéis de fibra de vidro nus são instalados, umavez que a unidade será usada por períodos de tempo relativamente curtos.Materiais absorventes tais como superfícies de fibra de vidro, entretanto,podem ser cobertos com folhas perfuradas (por exemplo, placas finas de metalperfuradas) para prover proteção adicional do(s) material(s) absorvente(s)contra danos superficiais. Tais perfurações podem ser preferivelmente nafaixa de 25-50 % da área aberta.

Conforme mencionado anteriormente, materiaiscomercialmente disponíveis sem ser fibra de vidro podem também serempregados com um material absorvente de som. Um critério importantequando se usa fibra de vidro ou material tipo fibra de vidro é que o materialdeve suportar velocidades de fluxo de até cerca de 40 pés/s (12 m/s).Adicionalmente, suas propriedades de absorção acústica não devem sedeteriorar a elevadas temperaturas de até cerca de 3 OO0F (149°C). Materiaissem ser fibra de vidro, tais como lã mineral, fibras de náilon ou similares,podem também ser usados como material absorvente de som nas câmarasabsortivas, desde que as propriedades de absorção acústica do material nãodeteriorem a temperatura na saída do soprador (por exemplo, cerca de 3OO°F(149°C) e com altas velocidades superficiais. Combinações de tais materiais10 podem ser similarmente usadas. Em algumas modalidades específicas,câmaras absortivas são projetadas para prover coletivamente cerca de 50 dBde atenuação acústica. De maneira mais geral, entretanto, a geometria dacâmara e o coeficiente de atenuação acústica do material absortivodeterminam a atenuação total (perda de transmissão) provida pela(s)câmara(s) absortiva(s). A perda de transmissão calculada esperada para cadabanda de oitava para o caso de uma, duas e três câmaras está mostrada nafigura 6. Conforme ilustrado na figura 6, as câmaras absortivas são maisefetivas a freqüências mais altas do que freqüências mais baixas (porexemplo, uma seção absortiva de três câmaras pode prover 25-30 dB deatenuação acústica na faixa de freqüência de interesse de 140-220 Hz, opostoa próximo de 50 dB para freqüência mais alta). Praticamente, entretanto, aatenuação total provavelmente será mais alta, uma vez que as ondas sonorasque chegam não são ruídos de baixa freqüência puros, mas também têm ruídode freqüência mais alta por causa de outros harmônicos.

Um outro fator importante a considerar no projeto de umsilenciador é a quantidade de queda de pressão (ou contrapressão) induzidapelo silenciador na saída do soprador. Menor queda de pressão pode serdesejável para maior eficiência geral da instalação. Tanto simulaçõescomputacionais quanto resultados experimentais sugerem que o silenciadorexemplar projetado com três câmaras reativas em série com três câmaras depressão absortivos dá cerca de 0,15 psi (1,03 kPa) de queda de pressão nascondições de pico de fluxo. Conforme esperado, a maior parte da queda depressão ocorre nas câmaras reativas por causa de múltiplas expansões econtrações do fluxo. Isto é muito menos que a queda de pressão de algunssilenciadores tipo carcaça de aço típicos. Em virtude de as instalações nãofuncionarem continuamente em vazões de pico, a queda de pressão médiaesperada é menor, e, em alguns casos, muito menor.

A unidade pode ser construída como uma estrutura queestende-se verticalmente. O silenciador pode também ser construído com umaestrutura que estende-se horizontalmente, ou uma combinação de estruturasque estendem-se verticalmente e horizontalmente. Com extensão vertical,uma pluralidade de seções pode ser construída em uma área de fábrica muitolimitada. Isto pode ser vantajoso quando o espaço é limitado.Alternativamente, uma estrutura que estende-se horizontalmente pode sercolocada sob o terreno para economizar espaço. Adicionalmente, umaunidade subterrânea proverá a vantagem de isolamento acústico adicionalpelo terreno. O silenciador pode também ser projetado como uma unidadeparcialmente subterrânea, por exemplo, com câmaras reativas sendocolocadas subterrâneas, uma vez que basicamente pulsações de baixafreqüência são nessas câmaras. Vários diferentes arranjos podem ser feitos,dependendo do espaço disponível na área da instalação. Em alguns lugares, oespaço da instalação poderia ser muito limitado, ao passo que, em outros, taislimitações podem não existir.

Conforme apresentado a seguir, as paredes que dividem ascâmaras nas seções reativas da unidade de teste têm múltiplas aberturascirculares de 2 pés (609,6 milímetros) de diâmetro. Entretanto, a forma dessasaberturas pode ser retangular ou qualquer outra forma, desde que a área totalda(s) abertura(s) de saída de uma câmara seja cerca de 33 % mais que a(s)aberturas(s) de entrada (considerando-se a queda de pressão). Com propósitos deilustração, pode haver mais que três furos na parede divisória 34, ou mais quequatro furos na segunda 36 e terceira 38 paredes divisórias. Se o número de furosfor aumentado, então o tamanho dos furos deve ser diminuído correspondentementepara manter aproximadamente a mesma área aberta total nas paredes.

A geometria atual das câmaras de silenciamento forneceanulamento de som necessário nas câmaras reativas. Além do mais, tubos deimpedância podem ser colocados nas aberturas para melhorar a perda detransmissão na faixa de freqüência de interesse. Os comprimentos relativosdos tubos e câmaras juntamente com o comprimento de onda as ondas sonorasdeterminam a melhoria na atenuação acústica. O comprimento do(s) tubo(s)em cada câmara deve. preferivelmente se a metade do comprimento dacâmara para prover máxima atenuação. Perfurações na superfície dos tubospodem aumentar ainda mais a atenuação de ruído.

A espessura das paredes de concreto na unidade de testedescrita a seguir é 12" (304,8 mm). Esta espessura se deve parcialmente àprovisão de suporte estrutural para o silenciador que estende-se verticalmente.No caso de uma unidade que estende-se horizontalmente ou que ésubterrânea, a espessura de parede pode ser menor 6" a 8" (152,4 a 203,2 mm)de espessura, comparada com 12" (304,8 mm) de espessura.

No exemplo seguinte, a unidade incluiu três câmaras reativas etrês câmaras absortivas. O número de câmaras pode ser reduzido ouaumentado para prover a atenuação de ruído necessária. Alternativamente,algumas dessas câmaras podem ser projetadas para prover tanto atenuação deruído reativa quanto absortiva. Por exemplo, superfícies interiores dos últimosestágios de câmaras reativas próximas às câmaras absortivas podem sercobertas com material absorvente de som para melhorar a atenuação de ruídonessas câmaras. Tal câmara reativa deve preferivelmente ser a câmara reativaque está em comunicação fluídica direta com a câmara absortiva, uma vez queo nível de pulsações deve ser substancialmente diminuído de maneira a nãodanificar o material absorvente ou sua instalação, Dessa maneira, tais câmaraspodem prover tanto atenuação acústica reativa quanto absortiva.

Tamanhos particulares das câmaras e silenciador no exemploseguinte são especificamente projetados para um grande silenciador que, emcondições operacionais normais, provê 35.000 scfm (56.270 NmJ/h). Paratamanhos de sopradores maiores ou menores, o silenciador pode ser projetadosimplesmente conservando a razão de vazões volumétricas em todas as seçõesde fluxo. Ou seja, por exemplo, o uso de um soprador que fornece 25 % maisde saída leva a um aumento de 25 % na área de fluxo.

Para aumentar o silenciamento absortivo, painéis de paredevertical e horizontal interiores podem ser colocados dentro das câmarasabsortivas, conforme discutido anteriormente. Tais paredes dividem as áreasde fluxo em duas, três, quatro ou qualquer número de seções, e ambos oslados dessas paredes divisórias podem ser cobertos com material(s)absorvente(s) de som para prover atenuação de ruído adicional.

Exemplo

Para validar estimativas analíticas, um estudo experimental foirealizado construindo uma unidade de teste do silenciador de concreto com otamanho e geometria supramencionados. Mais especificamente, o silenciadorincluiu três câmaras reativas e três câmaras absortivas revestidas com fibra devidro de 2" (50,8 mm) de espessura, conforme mostrado nas figuras 2-4. Osilenciador foi projetado para operação com um soprador capaz de operar a35.000 scfm (56.270 Nm3/h) de fluxo de ar a 1.400-2.200 rpm.

Sensores de pulsação de pressão foram colocados em cadacâmara para medir o nível de pressão sonora e assim a efetividade de cadacâmara. As medições foram realizadas para várias velocidades de rotação dorotor com diferentes condições de vácuo do soprador.

A figura 7 mostra os resultados de teste do nível de pressãosonora para a saída do soprador e saída de cada câmara no silenciador paravelocidades do soprador de 1.800, 2.000 e 2.200 rpm, e a entrada do sopradorsendo operada a pressões de 1, 3, 5 e 7 psi (6,89, 20,68, 34,47 e 48,26 kPa)(enquanto a velocidade era fixada em 1.800 rpm, a válvula foi ajustada para 1psi (6,89 kPa), os dados registrados e em seguida a válvula comutada para 3psi (20,68 kPa), dados registrados, e o mesmo para 5 psi (34,47 kPa) e 7 psi(48,26 kPa)). A comparação dos níveis de pressão sonora medidos entre asaída do soprador (primeiro a partir de cima) e a saída da câmara 3 (quarta apartir de cima) fornece a eficiência das três câmaras reativas em combinação.Conforme projetado, as câmaras reativas coletivamente fornecem a grossomodo 40-50 dB de atenuação de ruído. Similarmente, a comparação dosníveis de pressão sonora entre as saídas da câmara 3 (quarta a partir de cima)e a câmara 6 (a última câmara) apresenta a eficiência coletiva das trêscâmaras absorventes. Os resultados medidos sugerem grosseiramente 20-25dB de atenuação sonora pelas câmaras absorventes. E também importantenotar que o nível da pressão sonora medido na saída do silenciador éinfluenciada pelo ruído do soprador e motor, por exemplo, medições dentroda última câmara do silenciador sugerem aproximadamente mais de 10 dB deatenuação de ruído pelas câmaras de absorção em relação a alguns pés fora dasaída do silenciador. A unidade de teste ficou localizada internamente.Conseqüentemente, os resultados do teste podem ser impactados em relação auma unidade externa. Ambos os resultados medidos para as câmaras reativa eabsortiva, entretanto, concordam bem com as estimativas analíticas.

Versados na técnica devem perceber que as modalidadesespecíficas aqui reveladas podem ser facilmente utilizadas como uma basepara modificar ou projetar outras estruturas para realizar os mesmospropósitos da presente invenção. Versados na técnica devem também perceberque tais construções equivalentes não fogem do espírito e escopo da invençãoapresentada nas reivindicações anexas.

Claims (15)

1. Silenciador para atenuar ruído, caracterizado pelo fato deque compreende:pelo menos uma câmara reativa, a pelo menos uma câmarareativa separada de uma outra câmara por uma parede divisória, cada parededivisória incluindo pelo menos uma abertura nela; epelo menos uma câmara absortiva tendo uma parede divisória,em que a pelo menos uma câmara absortiva fornece um trajeto em serpentinaatravés da pelo menos uma câmara absortiva.

2. Silenciador de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o silenciador é formado de concreto.

3. Silenciador de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que as paredes interiores da pelo menos uma câmara absortivasão cobertas com pelo menos um material absorvente de som.

4. Silenciador de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que a pelo menos uma câmara absortiva coberta absorve e reduzruído a freqüências acima de 250 Hz.

5. Silenciador de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que o pelo menos um material absorvente é selecionado do grupoque compreende: fibra de vidro, lã de vidro, lã mineral e fibras de náilon.

6. Silenciador de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que o pelo menos um material absorvente compreende fibra devidro.

7. Silenciador de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato de que a pelo menos uma câmara absortiva coberta incluiadicionalmente uma placa metálica perfurada disposta em uma superfície dopelo menos um material absorvente.

8. Silenciador de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopelo fato de que a placa metálica perfurada contém cerca de 25-50 % de áreaaberta.

9. Silenciador de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o silenciador reduz os níveis de ruído para 90 dBA ou menos.

10. Silenciador de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o silenciador atenua ruído proveniente de um soprador.

11. Silenciador de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de que o soprador a vácuo é um componente de umsistema de separação de gás baseado em adsorção.

12. Silenciador de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a pelo menos uma abertura da pelo menos uma câmarareativa contém um tubo de impedância na pelo menos uma abertura da pelomenos uma câmara reativa.

13. Silenciador de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o número de câmaras reativas é três, e o número de câmarasabsortivas é três.

14. Silenciador de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o número de câmaras reativas é cinco, e o número de câmarasabsortivas é dois.

15. Silenciador de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a pelo menos uma câmara reativa é formada de um materialselecionado do grupo que compreende: concreto, tijolo e bloco de alvenaria.