ANÁLISIS DE RIESGOS DE LA PROPAGACIÓN DE FUEGO EN UN LABORATORIO DE

INGENIERÍA QUÍMICA

CASO DE ESTUDIO: LABORATORIO DE ESCALADO DE PROCESOS

MARIA DEL PILAR ARGÜELLO

JAIME EDUARDO CADENA

Proyecto De Grado Para Optar

Por El Título De Ingenieros Químicos

ASESOR

FELIPE MUÑOZ GIRALDO, PhD

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

SEGURIDAD INDUSTRIAL

BOGOTÁ

2009

I  

TABLA DE CONTENIDOS

INDICE DE FIGURAS …………………………………………………………………………………………………………………III INDICE DE TABLAS

…………………………………………………………………………………………………………………V INTRODUCCIÓN

……………………………………………………………………………………………………………….IV 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

……………………………………………………………………………………………………………...1 2. OBJETIVOS

……………………………………………………………………………………………………………...2 2.1. Objetivo general

………………………………………………………………………………………………………..2 2.2. Objetivos especí ficos

………………………………………………………………………………………………………..2 3. ESTADO DEL ARTE

……………………………………………………………………………………………………………3 3.1. Revisión histórica

………………………………………………………………………………………………………..3 3.2. Análisis de riesgos

………………………………………………………………………………………………………..4 3.3. Modelos de simulación

………………………………………………………………………………………………………..5 3.4. Ventajas y desventajas de los modelos de simulación

………………………………………………………………………………………………………..7 4. ANÁLISIS DE LA INSTALACIÓN

……………………………………………………………………………………………………………...8 5. INTRODUCCIÓN A LOS INCENDIOS

…………………………………………………………………………………………………………….13 5.1. Conceptos básicos de un incendio

………………………………………………………………………………………………………13 5.2. Elementos tomados en cuenta para la simulación de un incendio

………………………………………………………………………………………………………14 5.2.1. Fuente del incendio y sistemas de ventilación

…………………………………………………………………………………………………14 5.2.2. Ceiling jet

…………………………………………………………………………………………………15 5.2.3. Capa de gases calientes

…………………………………………………………………………………………………15 5.2.4. Capa de gases fría

…………………………………………………………………………………………………15 5.2.5. Objetos y materiales de la celda (techo, piso y paredes)

…………………………………………………………………………………………………15 5.3. Etapas del desarrollo de un incendio

………………………………………………………………………………………………………16

6. CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DEL DERRAME …………………………………………………………………………………………………………….18 6.1. Estimación del HRR

………………………………………………………………………………………………………18 7. CFAST

…………………………………………………………………………………………………………….21 7.1. Planteamiento y descripción

………………………………………………………………………………………………………21 7.2. Restricciones

II  

………………………………………………………………………………………………………25 7.3. Simulación

………………………………………………………………………………………………………25 8. CFD

…………………………………………………………………………………………………………….31 8.1. Planteamiento y descripción

………………………………………………………………………………………………………31 8.2. Simulación

………………………………………………………………………………………………………33 8.2.1. Descripción del escenario

…………………………………………………………………………………………………33 8.2.2. Variables de entrada

…………………………………………………………………………………………………34 9. DESARROLLO DEL SIMULADOR

…………………………………………………………………………………………………………….36 9.1. Bases teóricas

………………………………………………………………………………………………………36 9.1.1. Descripción general

…………………………………………………………………………………………………36 9.1.2. Restricciones del programa

…………………………………………………………………………………………………36 9.1.3. Ecuaciones implementadas

…………………………………………………………………………………………………38 9.1.3.1. Temperatura de capa de gases calient es

…………………………………………………………………………………………..38 9.1.3.2. Altura de la capa de gases formada

…………………………………………………………………………………………..38 9.1.3.3. Altura de la llama

…………………………………………………………………………………………..39 9.1.4. Variables de entrada

…………………………………………………………………………………………………39 9.1.5. Modelos utilizados para el cálculo del calor recibido por un objeto

…………………………………………………………………………………………………40 9.1.5.1. Restricciones de los modelos propuestos

…………………………………………………………………………………………..43 9.1.5.2. Correlación de Shokri y Beyer

…………………………………………………………………………………………..43 9.1.5.3. Modelo de fuente puntual

…………………………………………………………………………………………..43 9.1.5.4. Modelo de Shokri y Beyer

…………………………………………………………………………………………..44 9.1.5.4.1. Objetos en el suelo

……………………………………………………………………………………44 9.1.5.4.2. Objetos por encima del nivel del suelo

……………………………………………………………………………………46 9.2. Simulación

………………………………………………………………………………………………………47 10. RESULTADOS

…………………………………………………………………………………………………………….50 10.1. Comparación de las simulaciones

………………………………………………………………………………………………………50 10.2. Análisis de riesgos

………………………………………………………………………………………………………54 10.2.1. Resultados CFAST

…………………………………………………………………………………………………54

III  

10.2.2. Resultados Pyrosim-FDS …………………………………………………………………………………………………59

10.2.3. Resultados FireLab V1 …………………………………………………………………………………………………67

10.2.4. Resumen …………………………………………………………………………………………………70

10.3. Sugerencias preventivas y correctivas ………………………………………………………………………………………………………72

11. CONCLUSIONES …………………………………………………………………………………………………………….¿?

12. NOMENCLATURA …………………………………………………………………………………………………………….¿?

13. REFERENCIAS …………………………………………………………………………………………………………….¿?

INDICE DE FIGURAS Figura 1. Tendencia incremental del daño directo a propiedades y el PIB. …………………………………………………………………………………………………………………..3 Figura 2. Número de incendios y daño directo a la propiedad. …………………………………………………………………………………………………………………..4 Figura 3. Representación del modelo de zona. …………………………………………………………………………………………………………………..6 Figura 4. Comparación de diferentes herramient as de simulación. …………………………………………………………………………………………………………………..7 Figura 5. Laboratorio de investigación. Vista superior. Imagen CAD generada en MicroStation V8. …………………………………………………………………………………………………………………10 Figura 6. Laboratorio de investigación. Vista isométrica acotada. Imagen CAD generada en MicroStation V8. …………………………………………………………………………………………………………………11 Figura 7. Equipos y accesorios más importantes del laboratorio. …………………………………………………………………………………………………………………12 Figura 8. Generación de un incendio a partir de un derrame. …………………………………………………………………………………………………………………13 Figura 9. Triangulo de combustión. …………………………………………………………………………………………………………………14 Figura 10. Formación de columna ó capa de humo en el techo. …………………………………………………………………………………………………………………17 Figura 11. Periodo de llenado de humo del compartimiento. …………………………………………………………………………………………………………………17 Figura 12. Periodo prefl ashover del incendio. …………………………………………………………………………………………………………………17 Figura 13. Periodo postflashover del incendio. …………………………………………………………………………………………………………………17 Figura 14. Representación gráfica del derrame de et anol. Vista superior. …………………………………………………………………………………………………………………20 Figura 15. Especificación del entorno en el que se desarrolla el incendio en CFAST. …………………………………………………………………………………………………………………26 Figura 16. Especificación de características de los compartimientos del laboratorio de investigación estudiado. …………………………………………………………………………………………………………………27 Figura 17. Perfil de la Tasa de Calor Liberado en el tiempo (HRR). …………………………………………………………………………………………………………………29 Figura 18. Características del fuego especi ficadas en CFAST. …………………………………………………………………………………………………………………30 Figura 19. Laboratorio de investigación en CFAST con los equipos y objetos correspondientes. …………………………………………………………………………………………………………………31

IV  

Figura 20. Vista superior del escenario ingresado en PyroSim. …………………………………………………………………………………………………………………34 Figura 21. Vista superior de la instalación con los sensores de temperatura. …………………………………………………………………………………………………………………36 Figura 22. Algoritmo de programación de FireLab. …………………………………………………………………………………………………………………37 Figura 23. Dimensiones del compartimiento. …………………………………………………………………………………………………………………39 Figura 24. Coordenadas de referencia para el factor de vista. …………………………………………………………………………………………………………………44 Figura 25. Sistema de coordenadas para objetos al nivel del suelo. …………………………………………………………………………………………………………………45 Figura 26. Sistema de coordenadas para objetos por encima del nivel del suelo. …………………………………………………………………………………………………………………46 Figura 27. Entrada a FireLab. …………………………………………………………………………………………………………………48 Figura 28. Página de ingreso de datos de dimensiones y ventilación. …………………………………………………………………………………………………………………48 Figura 29. Cálculo del perfil HRR. …………………………………………………………………………………………………………………48 Figura 30. Presentación de resultados numéricos de las variables de interés. …………………………………………………………………………………………………………………49 Figura 31. Representación gráfica de los resultados numéricos en FireLab. …………………………………………………………………………………………………………………49 Figura 32. (a) Perfil HRR para CFAST y FireLab. (b) Perfil HRR obtenido en FDS. …………………………………………………………………………………………………………………51 Figura 33. Perfiles de la temperatura de la capa de gases calientes con respecto al tiempo. …………………………………………………………………………………………………………………52 Figura 34. Superficies límites de la temperatura de la capa de gas es calient es, obtenidos de la simulación de FDS. …………………………………………………………………………………………………………………53 Figura 35. Temperatura para cada zona del laboratorio con respecto al tiempo. …………………………………………………………………………………………………………………55 Figura 36.Distancia entre el suelo y la capa superior. …………………………………………………………………………………………………………………55 Figura 37. Variación del Oxígeno y Dióxido de carbono respecto al tiempo en capa superior e inferior. …………………………………………………………………………………………………………………56 Figura 38.Volúmen de la capa de gases calientes con respecto al tiempo. …………………………………………………………………………………………………………………57 Figura 39. Muestra del sistema de cableado que recorre el techo de la instalación. …………………………………………………………………………………………………………………58 Figura 40. Temperatura de las paredes, techo y piso del laboratorio con respecto al tiempo. …………………………………………………………………………………………………………………58 Figura 41. Variación de la temperatura con el tiempo para algunos equipos y objetos del laboratorio. …………………………………………………………………………………………………………………59 Figura 42. Secuencia del inicio del incendio mediante isosuperfici es. …………………………………………………………………………………………………………………61 Figura 43. Secuencia de ignición de la celulosa isosuperfi cies. …………………………………………………………………………………………………………………62 Figura 44. Comparación de las secuencias de la ignición de la celulosa mediante cortes transvers ales de la temperatura. …………………………………………………………………………………………………………………65 Figura 45. Evolución de la producción de humo a diferentes tiempos en la instalación. …………………………………………………………………………………………………………………65

V  

Figura 46. Temperatura máxima de los equipos y de la instalación a los 130 seg. de la simulación. …………………………………………………………………………………………………………………66 Figura 47. Perfil de la temperatura de la capa de gases calientes con respecto al tiempo para la simulacion de FireLab …....……………………………………………………………………………………………………………67 Figura 48. Distancia entre el suelo y la capa superior. …………………………………………………………………………………………………………………68 Figura 49. Perfil de temperatura de diversos equipos. …………………………………………………………………………………………………………………70 INDICE DE TABLAS Tabla 1. Lista de equipos de la instalación. …………………………………………………………………………………………………………………..9 Tabla 2. Propiedades del derrame de etanol …………………………………………………………………………………………………………………18 Tabla 3. Requerimientos mínimos de Hardware y Software para la instalación y uso de CFAST V.6. …………………………………………………………………………………………………………………21 Tabla 4. Ecuaciones diferenciales que des criben las condiciones del sistema. …………………………………………………………………………………………………………………21 Tabla 5. Variables ingresadas por el usuario a CFAST. …………………………………………………………………………………………………………………24 Tabla 6. Variables de salida de una simulación en CFAST. …………………………………………………………………………………………………………………24 Tabla 7. Sistemas de ventilación natural en el laboratorio de investigación. …………………………………………………………………………………………………………………28 Tabla 8. Requerimientos mínimos de Hardware y Software para la instalación y uso de FDS V.5. …………………………………………………………………………………………………………………32 Tabla 9. Requerimientos mínimos de Hardware y Software para la instalación y uso de PyroSim V.1. …………………………………………………………………………………………………………………32 Tabla 10. Ecuaciones diferenciales usadas por FDS para describir las condiciones del sistema. …………………………………………………………………………………………………………………32 Tabla 11. Posibles presentaciones de resultados en PyroSim. …………………………………………………………………………………………………………………35 Tabla 12. Lista de materiales disponibles en FireLab V1. …………………………………………………………………………………………………………………42 Tabla 13. Lista de combustibles disponibles en FireLab V1. …………………………………………………………………………………………………………………42 Tabla 14. Restricciones de flujo de calor y ubicación del objeto para cada uno de los modelos utilizados. …………………………………………………………………………………………………………………43 Tabla 15. Tiempo de incendio para las diferentes simulaciones. …………………………………………………………………………………………………………………51 Tabla 16. Resumen de daños al laboratorio …………………………………………………………………………………………………………………71

VI  

INTRODUCCIÓN

En una época en donde la seguridad prima sobre muchos otros aspectos que antes solían ser los facto res más

decisivos, como por ejemplo el económico, es imposible dejar de lado el análisis de instalaciones en donde se

llevan a cabo diversas investigaciones que pueden involucrar el manejo de sustancias químicas consideradas

como peligrosas en equipos tanto de banca como de planta piloto, lo cual representa un riesgo al capital

económico y humano, por lo que este trabajo da un primer paso en el estudio de posibles eventos no

deseados, como un incendio, y el análisis de los efectos negativos sobre los equipos, la infraestructura y el

personal, para poder así realizar una seri e de recom endaciones que permitan prevenir daños en el futuro que

comprometan su normal operación.

1  

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Al diseñar y construir una edi fi cación en la cual se presente un alto movimiento de personas es neces ario

evaluar atentamente todos aquellos factores de riesgo que puedan pres entars e en un situación determinada,

para así, desarrollar estrat egias de prevención que se extiendan desde la selección de los materiales adecuados

para la construcción, hasta el diseño y distribución apropiada de las instalaciones y elementos de seguridad

[16]. Es así como la iluminación, el confort térmico, la ergonomía de los puestos de trabajo, la ventilación y la

señalización entre otros, constituyen factores de p revención a ser t enidos en cuenta. En una construcción

terminada y funcional como un campus universitario, en el que se cuenta con laboratorios de investigación, es

de gran importancia hacer un análisis de riesgos en el cual se logren identificar los siguientes puntos:

1. Los peligros que involucran los sistemas analizados

2. Los fenómenos peligrosos que pueden acarrear los peligros presentes

3. La dinámica de los fenómenos peligrosos y su intensidad

4. Los niveles de daño o afect ación sobre personas e infraestructura

Debido a las características present adas por un laborato rio en sus instalaciones, en donde una situación

comúnmente pres entada es la presencia de incendios caus ados principalmente al manejo de reactivos con

bajos puntos de ignición o alta reactividad, la evaluación de los puntos anteriormente nombrados merecen

especial atención haciendo posible el diseño de un l aboratorio de form a correcta o la redistribución y

modificación del mismo con ayuda de alguna herramient a computacional que permita el entendimiento del

fenómeno pres entado minimizando el riesgo de pérdidas humanas y materiales.

En el caso de estudio especí fi co, el laboratorio de investigación de es calado de procesos del Depart amento de

Ingenierí a Química, de l a Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes, es una instalación con una

gran población expuesta, en donde no se puede dejar a un lado l a seguridad de estos y de los equipos, que

representan valiosas adquisiciones para el departamento, es por esto que el presente estudio se centra en esta

instalación, en sus equipos y en el personal que interactúa día a día con los ri esgos de un derrame,

especí fi camente aquel generado a partir de la sustancia cargada en la unidad de extracción por solventes, que

por su naturaleza, puede generar los vapores responsables un incendio.

2  

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Este estudio evalúa las condiciones de la instalación y su respuesta ante un evento (incendio) para así

identificar y evaluar los riesgos presentes m ediante el uso de un modelo determinado, con el cual no solo se

obtengan las condiciones termodinámicas del sistema sino también que permita realizar un estudio cualitativo

de estos resultados para evaluar el riesgo de la instalación.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Realizar un análisis de riesgos mediant e la definición del sistema y la identi ficación de estos a partir de

simuladores que utilizan modelos de zona y de campo los cuales permiten estudiar y analizar el

comportamiento de un incendio en las instalaciones de un laboratorio.

• Analizar las consecuencias físicas en l a instalación a partir de los resultados obtenidos en las

simulaciones para así determinar que tan seguro es el diseño del laboratorio.

3  

3. ESTADO DEL ARTE

3.1 REVISIÓN HISTÓRICA

Desde los años setenta la preocupación por la normatividad sobre seguridad en edi ficios e instalaciones de

diversas caract erísticas por parte de los gobiernos de di ferentes países desarrollados como Japón, Canadá y

Estados Unidos, ha ido aumentando significativamente, ya que los efectos de un escenario como un incendio,

pueden generar grandes pérdidas humanas y económicas, que según la literatura [11] es de aproximadam ente

de entre 0.1% y 0.4% del PIB. Debido a la falta de consenso mundial con respecto a este tema, se han lanzado

varios es fuerzos por uni ficar el conocimiento y la norm atividad, tomando así un papel principal la

Organización Internacional para la Est andari zación (ISO) y el Consejo Internacional para la Investigación y

Documentación de Edi ficios (CIB) [1]. El avance en la ingeniería de incendios y seguridad no es infundado,

ya que a medida que los países crecen, crece la industria, la cantidad de ciudades, sus tamaños y por ende los

riesgos de incendios. Lo anterior puede verse refl ejado en el caso de China a través de las figuras 1 y 2.

Figura 1. Tendencia incremental del daño directo a propiedades y el PIB [10].

4  

Figura 2. Número de incendios y daño directo a la propiedad [10].

La normatividad propuesta por la Organización Internacional para la Estandarización (ISO), pretendería

establecer l as condiciones mínimas para p roveer de seguridad a las personas y a las instalaciones, y aunque

los códigos de construcción abarcan un gran número de temas que involucran a la ingeniería civil,

arquitectura, construcción, etc. la ingenierí a química también s e ve involucrada cuando se trata de

instalaciones en donde el manejo de reactivos y di ferentes equipos present an un riesgo de fuego o explosión

[18]. Desde el punto de vista práctico, el análisis de riesgos y la toma de decisiones con bas e a estos mismos

recaen directament e sobre los ingenieros encargados del proyecto, razón por la cual el conocimiento y los

parámet ros para toma de decisiones deben ser actualizados constantem ente y someterse a un estri cto juicio

ingenieril [2]. En la literatura se puede encontrar una gran cantidad de artículos que pretenden resolver esta

clase de problemas mediante el análisis de casos especí fi cos utilizando ciertos algoritmos matemáticos.

3.2 ANÁLISIS DE RIESGOS

El elaborar un adecuado análisis de riesgo surge de la necesidad de prevenir cualquier tipo de daño material y

humano. De esta manera se trabaja en un marco conceptual en el cual se evalúan tres puntos básicos:

1. Evaluación de riesgos.

2. Análisis de riesgos.

3. Administración de riesgos.

En el primero de ellos, se da la evaluación de los posibles riesgos en un entorno específico en el cual se

elabora una percepción general de las situaciones que podrían p resentarse. Por ot ra parte, en el segundo

5  

anteriorment e nombrado, se evalúan los riesgos relacionados con aspectos psicológicos y emocional es.

Finalmente, a través del último punto no solo se identifica y estima el riesgo, sino que se realiza un análisis de

las opciones disponibles para implementarlas y llevar a cabo un monitoreo [19].

Este estudio en particular está destinado a la prevención y corrección de esos factores tangibles, es decir,

aquellos factores involucrados con la estructura física del sistema definido que implicarían un mayor ri esgo,

por lo que se regirá bajo el concepto de administración de ri esgos nombrada anteriormente limitándose a un

escenario en particular en donde la identifi cación y estimación de riesgos no implique una gran inversión

humana y de capital.

Debido a que a través de una simulación tan solo es posible observar el comportamiento dinámico del sistema

en un incendio, es neces ario utilizar cierta metodología a partir de la cual se puedan obtener conclusiones

acerca de los efectos pres entados por el fuego sobre las instalaciones, razón por la cual, se seguirá la

metodología propuesta por el NIST en la decimo tercera reunión del panel UJNR para la investigación de

incendios y seguridad [8], en la cual se plantean cuatro etapas:

1. Definir el contexto

2. Definir el escenario

3. Calcular los riesgos

4. Evaluar las consecuenci as

Como ya se ha mencionado, no hay un conocimiento unificado que permita definir exact amente lo que se

debe llevar a cabo en los pasos 1, 3 y 4, pues estos dependen del criterio ingenieril de l a persona encargada,

los resultados obtenidos y criterios externos como la opinión de los inversionistas o responsables de la

instalación. Por otra parte, existen metodologías diferentes como aquella utilizada en minerí a [9], bajo la cual

se siguen pasos más detallados en el análisis de riesgos ya que no solo abarca los riesgos de generación de un

incendio sino aquellos riesgos que implican la generación de una explosión. La anterior metodología se

implementa a través de once pasos presentando muchas cos as en común con la propuesta por el NIST razón

por la cual ésta última fue escogida en la realización de este estudio

3.3 MODELOS DE SIMULACIÓN

En aras de definir el sistema y la estimación de riesgos se deben tener en cuenta todas las vari ables posibles,

para así obtener un escenario lo más cercano a la realidad. Para lo anterior, se considera de gran utilidad a la

hora de llevar a cabo una simulación la definición de los equipos, accesorios de ventilación y comunicación

de la instalación con el exterior. Para lograr estudiar el sistema y su comportamiento en caso que ocurra un

incendio, se llevan a cabo simulaciones basadas en modelos especí ficos dependiendo de las condiciones. Lo

anterior puede realizars e a partir del uso de un modelo de zona o de un modelo de campo. El modelo de zona,

como su nombre lo indica, divide al sistema en diferentes zonas asumiendo valores promedio de las variables

para cada zona, siendo esto la suposición sobre la que se desarrolla el modelo para así aplicar balances de

6  

masa y energía y obt ener el comportamiento del evento. En general el modelo divide al sistema en una capa

de gases calientes, una de gases inferiores, la interface y el flujo de humo (figura 3).

Figura 3. Representación del modelo de zona [17]

La implementación del modelo s e realiza m ediante cálculos en l as interfaces, para así obtener la interacción

entre ellas, para lo cual se utilizan balances y ecuaciones empíricas representativas de condiciones especí ficas,

dándole así su caract erística p rincipal a este modelo [4]. Los modelos de zona s e implementan medi ante

diversos software como CFAST y COMPBRN-III [5]. Las ecuaciones utilizadas por estos programas parten

de la primera ley de la termodinámica, y mediante manipulación algebraica se llega a un conjunto de

ecuaciones con las que s e desarrollan los cálculos. El programa us a otras co rrelaciones para el manejo de

elementos como puertas, paredes, ventiladores, extractores, diferentes materiales de los objetos presentes en la

instalación y demás. Por otra parte, los modelos de campo se basan en el cálculo de los balances de masa,

energía y cantidad de movimiento utilizando y resolviendo simultáneamente las ecuaciones de Navier-Stokes,

teniendo en cuent a variabl es, como por ejemplo las propiedades termodinámicas del humo, para así poder

describir los resultados en todos los puntos del sistema [5]. También se cuenta con so ftware para realizar

simulaciones utilizando el modelo de campo, pero debido a la carga computacional que requi ere especi ficar

todos los puntos del sistema se debe utilizar las Dinámicas Fluidas Computacionales (CFD) [4].

A partir de estudios previos realizados se puede observar el comport amiento de los di ferentes programas de

simulación basados en los dos diferentes modelos para un solo compartimiento y su eficacia, como muestra la

figura 4, en donde mediante diferentes programas y versiones de los mismos se observan diferentes

comportamientos a raíz de las diferentes ecuaciones utilizadas por estos.

7  

Figura 4. Comparación de diferentes herramientas de simulación [13].

3.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MODELOS

Ninguno de los dos modelos descritos anteriormente está en l a capacidad de rep resentar la realidad de fo rma

exact a, lo que en algunas situaciones es corregido sacri ficando la percepción real de algunos datos. Sin

embargo, es necesario tener present e estos cambios en la interpret ación final de los resultados teniendo en

cuenta además las ventajas y desventajas de cada modelo.

• Modelo de zona: ya que su funcionalidad está dada por ecuaciones empíricas para situaciones

específi cas bajo condiciones muy diferentes a las establecidas en el caso del laboratorio de estudio,

el modelo no sirve para des cribir el sistema de fo rma exact a. Las variabl es que determinan la

funcionalidad del modelo de fo rma fenomenológica abarcan la geomet ría, el tamaño de fuego y las

características de la combustión entre otras [4,14]. También se debe tener en cuenta que debido a

flujos complejos de aire puede que se presenten zonas con las que este modelo no arroje los

mejores resultados. Otra desventaja de este modelo es la necesidad de una det allada y precisa

especifi cación de los datos por parte del usuario [12]. A pesar de lo anterior, este modelo representa

muy bien el comportamiento del sistema con respecto al tiempo siempre y cuando las condiciones

sean consistentes con las requeridas en la especi ficación del modelo, siendo utilizado en especial

para simular áreas de alta peligrosidad [2,15].

8  

• Modelo de campo: aunque el algoritmo seguido por este modelo permite descomponer al sistema

en una malla con una cantidad inmensa de puntos y calcular l as condiciones en cada uno de estos,

proporcionando resultados con gran exactitud y de g ran utilidad [6], este modelo requi ere una

capacidad de procesamiento de carga computacional muy grande, la cual no siempre está

disponible, limitando su uso. A pesar de la complejidad implícita en el uso de este modelo, los

resultados obtenidos pueden estar desviados de la realidad como han demostrado numerosos

experimentos conducidos por la Academia de la fuerza aérea de Estados Unidos [7 ], razón por la

cual complementar éstos resultados con datos experimentales es convenient e aunque se requiere de

mucho tiempo e inversión monetaria.

Al tener en cuenta las ventajas y las desventajas, se pensó utilizar l a herramienta computacional CFD, pero

debido a que es di fícil el acceso a este recurso, se decidió definir el sistema de la mejor forma de tal manera

que al ser simulado mediante un modelo de zona utilizando una herramienta computacional como CFAST, los

resultados arrojados tal como el calor trans ferido a los equipos del laboratorio fueran lógicos y confi ables.

4. ANÁLISIS DE LA INSTALACIÓN

El sistema a estudiar es un laboratorio de investigación de ingeniería química en donde s e cuent a con

numerosos equipos y reactivos. El laboratorio se repres enta mediante una construcción en CAD (MicroStation

V8) en la figura 5.

Como se muestra en la figura 5, la instalación cuenta con numerosos equipos que deben ser especi ficados para

lograr una simulación que repres ente fi elmente la realidad, por lo que en la tabl a 1 s e enum era cada uno de

ellos especi ficando su material predominant e. No se enumera la ventilación como un equipo, aunque si se

tiene en cuenta para la simulación. Las dimensiones del laboratorio se muestran en la figura 6.

Se deben tener ciertas consideraciones especiales en el análisis de la instalación, presentadas a continuación:

• El techo del laboratorio es de concreto.

• El piso del laboratorio es de PVC.

• La ventilación (extracción y compensación) se repres entan en los planos para su posterior análisis en las simulaciones.

• Se cuenta con 60 kilogramos de materia orgánica ubicada en un mesón cercano a la unidad de extracción por solventes.

• Las ventanas del laboratorio se consideran selladas y no permiten el flujo de aire con los alrededores.

El posterior análisis de los resultados (capítulo 10) de las simulaciones (capítulos 7, 8 y 9) se centrará sobre

los equipos de interés los cuales se presentan en la figura 7 donde (a) es la unidad de extracción por solventes,

(b) son los contenedores del solvente desde donde posiblemente se generará la liberación del etanol que

9  

producirá posteriormente el derrame, (c) es el equipo de liofilización, (d) es el analizador, (e) es el equipo de

toma automática de muestras y (f) es el armario de reactivos.

Número Nombre Material Número Nombre Material

1,3,28 Campanas de extracción Aluminio 15 Tanque de gases Acero

2,10 Armario de reactivos Hierro/Aluminio 16 Rota vapor Aluminio/Vidrio

4 Equipo de análisis ABS 17 AutoSampler ABS

5 Liofilizador ABS 18,19 Computadores ABS

6 Secador de Bandejas Hierro 20 Reactores Acero

7 Tamiz Hierro/Acero 21 Horno Aluminio

8 Equipo de pérdidas de

presión Madera/Hierro 22 Torre de absorción PE

9 Filtro ABS/PE 23 Unidad Doble Acero/Hi erro

11 Motor multipropósito Hierro 24 Hierro

12 Torre de pared humeda Vidrio/Hierro 25 Extracción por

solventes Acero/Hi erro

13 Oficina -* 26 Osmosis inversa Hierro

14 Transform ador Hierro/Cableado 27 Equipo de Control ABS/PE/Hierro

Tabla 1. Lista de equipos de la instalación.* La oficina cuenta con dos computadores y un armario.

10  

Figura 5. Laboratorio de investigación. Vista superior. Imagen CAD generada en MicroStation V8.

11  

Figura 6. Laboratorio de investigación. Vista isométrica acotada. Imagen CAD generada en MicroStation V8.

12  

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f) Figura 7. Equipos y accesorios más importantes del laboratorio: (a) Unidad de extracción, (b) Contenedores

de la unidad de extracción, (c) Liofilizador, (d) Analizador, (e) Autosampler y (f) Armario de reactivos.

13  

5. INTRODUCCIÓN A LOS INCENDIOS

5.1 Conceptos básicos de un incendio

Un incendio s e define como una reacción química compleja entre un materi al combustible y el oxígeno del

ambiente, en donde se da un proceso rápido de oxidación, el cual va de la mano con liberación de calor y

emisión de luz de di ferentes intensidades. La generación de un incendio comienza cuando s e transmite cierta

cantidad de calor al material combustible, el cual libera vapores que se mezclan a partir de medios

convectivos y difusivos con el oxígeno del ambiente, como se muestra en la figura 8. Una vez esto ocurre, una

fuente de ignición constituida por una fuent e de energí a ya sea mecánica, química o eléctrica rep resent ada por

una superfi cie caliente, una chispa débil de un corto circuito o una llama proveniente de algún equipo o

instrumento, es la encargada de generar el incendio, completándose así el triángulo de fuego en el cual se

describe la necesidad de contar con un material oxidante, un combustible y una fuente de ignición para que se

genere el incendio (Figura 9). En un laboratorio de investigación, especí fi camente, un incendio puede

generarse a raíz de di ferentes motivos tales como la sobrecarga de circuitos eléctricos, mal mantenimiento de

recubrimientos aislantes en los cables de los equipos, llamas desnudas, tuberías de gas en mal mantenimiento,

indebido almacenamiento de sustancias tóxicas o infl amables, inadecuado manejo de reactivos entre otros. Al

generarse el incendio, el calor liberado por la llama genera una liberación de calor continua calentando la

superficie del combustible y así acelerando el crecimiento del incendio [2].

Figura 8. Generación de un incendio a partir de un derrame. [1]

14  

Figura 9. Triangulo de combustión.

5.2 Elementos tomados en cuenta para la simulación de un incendio

La descripción de un incendio se da en términos de las consecuencias que éste tiene sobre la instalación

analizada. De esta manera, entre mejor s e realice l a especi fi cación del escenario, partiendo del combustible

que va a generar el incendio así como cada uno de los objetos que están involucrados en el sistema, mejores

resultados se obtendrán acerca de los efectos producidos por éste fenómeno en la instalación.

5.2.1 Fuente del incendio y sistemas de ventilación:

En la descripción de la fuente del incendio pueden contemplarse divers as posibilidades:

- Incendio a partir de un sólido: Al generar un incendio a partir de un sólido, la tasa de combustión depende

de la cantidad de calor devuelto a l a superfi cie del objeto, razón por la cual la co rrecta especi ficación de este

es de gran importancia.

- Incendio a partir de un derrame: En este tipo de incendio, se da un derrame de algún tipo de mat erial

combustible o inflamable, en donde la cantidad de calor devuelto a la superficie durant e el incendio determina

la tasa de combustión.

- Incendio a partir de una pared: Se genera un incendio a partir de un combustible expuesto verticalmente

involucrado con la pared.

- Incendio a partir del techo: Se genera un incendio a partir de un combustible involucrado con el techo

expuesto horizontalmente.

- Incendio tipo aerosol: Se genera el incendio a partir de un combustible emitido a presión, generando un

sistema bifásico.

También el material combustible a partir del cual se genera el incendio es de vital importancia en el momento

de evaluar los daños del incendio sobre los objetos y l as personas debido a que no todos generan igual

cantidad de gases de combustión y material particulado como el dióxido y el monóxido de carbono, partículas

15  

de carbono y cloruro de hidrógeno. De igual fo rma, la co rrecta especi fi cación de los sistemas de ventilación

natural y fo rzada es de g ran importancia en la obtención de resultados confiables debido a que estos

determinan la cantidad de gas es que se producen en el incendio así como la cantidad de oxígeno disponible en

el escenario.

5.2.2 Ceiling jet:

En un incendio la capa de gas es calientes que se fo rma cerca al techo está directament e ligada al área del

compartimiento y es de vital importancia en el comportamiento del incendio, ya que in fluye en el tiempo de

duración de este y por ende en el modelo a utilizarse para su simulación. Generalmente se pres enta la

situación en la que esta capa de gas es cercana al techo se form a antes de generarse la capa de gases calientes

producto del incendio. Cuando en el escenario ya se ha desarrollado esta capa de gas es calientes, esta primera

capa cercana al techo contribuye signi ficativam ente al calentamiento de las zonas superiores del

compartimiento ya que no alcanza a recibir la ent rada de gases fríos, contribuyendo a que se p resent en daños

aún mayores. [2]

5.2.3 Capa de gases calientes:

La capa de gases calientes constituye uno de los volúmenes de control utilizado por muchos programas

regidos por el modelo de zona, razón por la cual constituye un elem ento importante en la descripción del

incendio, tanto por el uso que se le da en los programas de simulación como por su importancia

fenomenológica.. Por otra parte, es la responsabl e de la mayor parte de los daños en el es cenario, ya sea por

su alta temperatura o por la alta concentración de gases de combustión alcanzada.

5.2.4 Capa de gases fría:

Al igual que la capa de gases caliente, en muchos programas regidos por el modelo de zona, constituye uno de

los volúmenes de control por lo que sus propiedades tales como l a concentración de gases de combustión y

temperatura son de gran interés fenomenológico y por ende para el comportamiento del sistema en las

simulaciones.

5.2.5 Objetos y materiales de la celda (techo, piso y paredes):

Los objetos en el compartimiento estudiado son de g ran importancia debido a la in fluencia que estos puede

tener sobre el incendio. A partir de las propiedades térmicas de los objetos, así como su ubicación relativa

frente al incendio, es posible evaluar los daños sobre estos al recibir calor liberado por radiación así como la

contribución que pueden llegar a tener en el incremento general del incendio. Por otra part e, los materiales

constituyentes de piso techo y paredes son determinantes en los efectos que tiene un incendio sobre la

instalación, debido a que en las primeras etapas de este, las zonas que determinan los límites del

compartimiento son las responsables de absorber casi la totalidad del calo r liberado por el incendio [2]. Los

16  

materiales del techo, piso y paredes determinan el nivel y la ext ensión de l a afect ación en los objetos y

equipos cercanos.

5.3 Etapas del desarrollo de un incendio

El desarrollo de un incendio en un recinto cerrado tipo caj a, se da en cuatro pasos, los cuales se describen en

detalle a continuación:

‐ Formación de columna ó capa de humo en el techo (ceiling jet) (ver Figura 10): Durante este

periodo, los gases producto de la combustión (gases boyantes ), se elevan debido a l a di ferencia de

densidad existente entre estos y el aire del compartimiento, extendiéndose radialmente a lo largo del

techo, y así conformando una capa delgada de gases calientes. Una vez la columna de gases al canza

el techo, esta arrastra continuam ente ai re frío del ambiente. Este aire frío, baja la temperatura de la

capa y las concentraciones de los productos de combustión al mismo tiempo que aumenta el volumen

de ésta. Los gases que siguen saliendo continuamente del incendio, golpean el techo y vuelven a

formar la capa de gases calientes hasta llenar completamente el área del techo.

‐ Periodo de llenado de humo del compartimiento (ver Figura 11): Una vez que la capa de gases

calientes ya abarca completament e el área del techo del compartimiento, comienza esta segunda

etapa en la cual la capa de humo desci ende debido a que el ai re que entra l a en fría continuamente,

provocando que la densidad aumente. Debido a que el incendio continúa generando gases de

combustión, la expansión de gases no s e detiene. Este periodo, en el caso de un compartimiento

cerrado, termina cuando la habitación se llena completam ente de humo o hasta que se agota el

combustible o la cantidad de oxígeno disponible para completar el triángulo del fuego mientras que

en el caso de un compartimiento abierto, la capa de humo desciende hasta el punto en donde la t asa

de flujo de masa que entra en la capa de humo se encuentra bal anceada con la tas a de humo que sale

del compartimiento a través de los sistemas de ventilación natural o forzada.

‐ Periodo preflashover del incendio (ver Figura 12): Este periodo comienza cuando el compartimiento

ya se encuentra lo suficient emente lleno de humo y comienza a fluir hacia las afueras. En el caso

donde se presentan sistemas de ventilación natural, se da una pérdida de calo r que afecta el balance

de energía que describe l a capa de humo, provocando que esta descienda y continúe expandiéndose.

En el caso de tener un compartimiento en el cual no existe ningún tipo de ventilación, a medida que

la capa de humo des ciende, la cantidad de aire frío restante es cada vez menos, por lo que no existe

ningún factor que evite un aumento de la temperatura en la capa de humo, a menos de que se agote el

combustible o la cantidad de oxígeno disponible. Por esta razón es difícil predecir el comportamiento

de un incendio en este tipo de escenarios.

‐ Periodo postflashover del incendio (ver Figura 13): En este periodo es en donde se presenta el mayor

daño de la instalación y sus alrededores debido a que se alcanzan las condiciones propi as para que

todos los materiales combustibles en el compartimiento se incendien muchas veces de m anera

simultánea y que exista la suficiente cantidad de flujo de aire para mantener las llamas aunque se

17  

encuentre limitado por los sistemas de ventilación tales como las puertas y ventanas. Si la cantidad

de aire entrante al sistema es su ficiente, el escenario puede encont rars e completamente en llamas,

presentándos e graves daños.

Figura 10. Formación de columna ó capa de humo en el techo [2]

Figura 11. Periodo de llenado de humo del compartimiento [2]

Figura 12. Periodo preflashover del incendio [2]

Figura 13. Periodo postflashover del incendio [2]

18  

6. CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DEL DERRAME

Para llevar a cabo una simulación de un incendio se debe partir de las condiciones del combustible que lo

generará, para posteriormente utilizarlas en conjunto con las ecuaciones del modelo para resolver el problema.

Estas condiciones son el volumen, el diámetro y l as propiedades termofísicas del derrame de combustible. A

continuación se describe como se lleva a cabo el cálculo de cada una de estas a excepción del volumen que ya

es conocido.

• Diámetro del derrame: para el cálculo del diámetro s e utilizan las ecuaciones propuestas por Mudan

[22] para la expansión horizontal de un líquido después de su vertimiento inicial en una superfi cie

plana. Estas ecuaciones tienen en cuenta el volumen, la tasa de reg resión (t asa de pérdida de m asa

por unidad de área sobre la densidad) y la gravedad. Adicionalmente se puede obtener una expresión

para el cambio del diámetro con respecto al tiempo a medida que el incendio se lleva a cabo, pero se

asume que el sistema comienza inicialmente con el diámetro máximo. El derrame obtenido se

representa gráfi cament e en la figura 14. Se debe anotar que este derram e se sale de los límites

derechos del laboratorio, por lo que se asume que la cantidad que los excede, se desvía a un canal.

• Propiedades termofísicas: las p ropiedades que se deben calcular con el calor de vaporización, la

temperatura de volatilización y el calo r especí fi co del combustible, para esto se utilizan los

parámet ros tabulados y las ecuaciones en el manual del ingeniero químico de Perry [23]. Para la

temperatura de volatilización se usa el método recomendado de Thornton.

Las propiedades físicas, termodinámicas y del derram e calculadas para el etanol se pres entan en la tabla 2.

V (m3) 0.02

D (m) 9.3128

Hv (kJ/kmol) 42550.8

Hc (kJ/kg) 26800

Cp (kJ/K kmol) 6.07041

Flash point (K) 286.15

Tabla 2. Propiedades del derrame de etanol

19  

6.1 Estimación del HRR

El comportamiento de un incendio esta determinado principalmente por las p ropiedades de un combustible,

como por ejemplo el calor de combustión, densidad, tasa de pérdida de masa y la tasa de liberación de calor,

entre otras. Esta última es de suma importancia para la simulación de un incendio, ya que con base a esta

propiedad, los programas pueden realizar cálculos para obtener flujo de calor liberado, temperatura alcanzada

y material combustible consumido, por lo que en la literatura se pres entan diversos estudios experimentales en

donde se apreci a el comportamiento de esta propi edad como lo muestra Bundy et. al. [20], también conocida

como HRR por sus siglas en ingles. EL HRR se define como la cantidad de calor liberado por el combustible

y depende de la t asa de masa perdida, del calor de combustión y del área del incendio. La principal rel ación

matemática para esta propiedad se muestra en la ec. 1.

∆ , ec. 1

Ya que no se cuenta con datos experimentales que repres entan fielmente el incendio a estudiar en este

proyecto, le debe buscar alguna forma de obtener el HRR que permita llevar a cabo l a simulación, por lo que

se busca encont rar puntos clave del sistema a simular, com enzando con el calor máximo liberado por el

incendio, calculado mediante la ec. 2.

"∆ , 1 ec. 2

Teniendo este valor se procede a estimar la ubicación en el tiempo de este mismo, para lo cual se observa que

tanto para Bundy et. al. [20] como para Moghaddam et. al. [21] el calor m áximo liberado por el incendio se

encuentra al rededor del 80% del tiempo total de l a prueba. Por otra parte el calor en t=0 y en t=tfinal es cero.

Para completar el perfil HRR se necesita otro punto, por lo que estudiando los perfiles de literatura, se

establece que para llegar al 50% del Qmax se necesita un 10% del tiempo total de la prueba.

20  

Figura 14. Representación gráfica del derrame de etanol (Vista superior).

21  

7. CFAST

7.1 PLANTEAMIENTO Y DESCRIPCIÓN

CFAST es el simulador de incendios basado en un modelo de zona creado por el Instituto Nacional de

Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos, y fue escogido para realizar la simulación del sistema

debido a su distribución gratuita y a su amplia validación en la literatura. La última versión distribuida al

público es la 6.0, la cual debe ser instalada cumpliendo los requerimientos mínimos de Hardware y Software

mostrados en la tabla 3.

Procesador 1 GHz Pentium III

Memoria RAM 256 MB

Sistema Operativo Microsoft Windows (2000, XP, Vista)

Tabla 3. Requerimientos mínimos de Hardware y Software para la instalación y uso de CFAST V.6.[17]

Como se presentó en el capítulo 3.3, CFAST es un modelo de zona que utiliza la conservación de masa,

energía y la l ey de los gases ideales para obtener las condiciones termodinámicas de un sistema, asumiendo

que su valor es un promedio en l a zona en la que se está calculando. Las ecuaciones us adas por el programa

son ecuaciones di ferenciales ordinarias (ODE), que responden a cambios en el tiempo medi ante métodos

numéricos basados en el cálculo de la matriz Jacobiana, dado que esta tiene una mayor flexibilidad

matemática que otros métodos como Runge-Kutta.

Variable Ecuación utilizada

Energía (ec. 3)

Temperatura (ec. 4)

Volumen 1 (ec. 5)

Presión (ec. 6)

Masa (ec. 7)

Densidad (ec. 8)

Tabla 4. Ecuaciones diferenciales que describen las condiciones del sistema [17].

22  

En la tabla 4 se presentan todas las ecuaciones diferencial es que se pueden obtener para caracterizar el

sistema, las cuales se encuentran relacionadas fácilmente mediante el uso de la ley de los gases ideales y otras

propiedades termodinámicas bási cas como la densidad, por lo que CFAST reduce su carga computacional

haciendo estos cambios algebrai cos y no computando cada ecuación como si fuese independient e de otras, por

lo que el programa solo utiliza las ecuaciones para l a temperatura de cada zona, la p resión del sistema y el

volumen del sistema. Ya que el programa divide el sistema en un conjunto de volúmenes de control, la

geometría del sistema debe cumplir ciertas condiciones generales para que la simulación no se s alga de

parámet ros, de las cuales la más import ante es que l a relación entre en largo y el ancho del compartimiento

principal (donde se da el incendio) sea menor que tres (3), ya que de lo contrario la geometría podría interferir

con el flujo ascendente del incendio y los cálculos realizados no servirían. La relación ancho/largo para el

sistema estudiado es de 2.55, por lo que se puede realizar la simulación sin ninguna consideración especial.

En este momento solo se tienen las ecuaciones que llevarían a des cribir el sistema en algún momento del

tiempo, pero mientras no exista alguna alteración a l as condiciones del sistema, los resultados siempre serán

los mismos, y es aquí donde se encuentra un sub modelo del programa, el cual se encarga de procesar el

incendio, su ignición, combustión y extinción. Es aquí donde la sección 6 juega un papel importante, ya que

todas las propiedades calculadas sirven para alimental al simulador y que este genere el incendio, que no es

más (para el simulador) que una tasa de liberación de masa de combustible que reacciona químicamente y

activa el cambio en las propi edades termodinámicas. Esta reacción (como cualquier otra se oxidación) se ve

limitada por el contenido del oxígeno en el sistema, pero en este caso de estudio se cuenta con todo el oxígeno

del laborato rio, más aquel que entra por puertas y ventanas, por lo que no hay una restricción que no sea la

misma del contenido de oxígeno en el aire, aunque la reacción puede verse limitada por el agotamiento de

cualquiera de los reactivos. La reacción de combustión se generaliza en la ec. 9 [24], en donde qi son los

coefici entes estequeomét ricos que balancean la reacción.

3.76 ec. 9

Mediante el balanceo matemático de esta reacción basado en el rendimiento de producción del dióxido y

monóxido de carbono, se obtiene el balance químico de la reacción que permite determinar la relación de

compuestos químicos necesari a para llevar a cabo el cálculo de calor liberado por radiación y convección,

mediante la manipulación de las entalpías del sistema y de la fracción de calor que se libera por radiación al

ambiente.

La siguiente consideración matemática gira en torno al flujo vertical del incendio, el cual se asum e que no es

afectado por corrientes externas (ej. aire que ent ra al sistema por puertas o ventanas ) en este modelo. Este

flujo vertical se asume unidireccional en el modelo de zona así como el transporte de masa y energía y se rige

bajo las correlaciones desarrolladas por McCaffrey (ec. 10) [25 (22)] que dependen de la altura y el calor total

23  

liberado por la combustión, lo cual permite una mayor precisión en los resultados y en la interacción entre las

zonas.

0.011.

0.00 0.08

0.026 /

. 0.08 0.20 ec. 10

0.124.

0.20

La siguiente restricción que se aplica al modelaje del flujo vertical es que el intercambio de masa se da gracias

a un diferencia ent re la presión del sistema y la densidad entre la zona superior y el flujo vertical, por lo que el

modelo aplica una inecuación (ec. 11) que permite limitar el flujo de masa transferida

, ec. 11

Las demás secciones del modelo de zona hacen referencia a los flujos horizontales y verticales de apertu ras

del compartimiento y la trans ferencia de calor en sus tres form as (conducción, radiación y convección), pero

debido a las numerosas co rrel aciones para el cálculo de los fenómenos generados por estos, no se presentan,

pero se pueden encontrar en la referencia [17].

Esto concluye la descripción general de las ecuaciones matemáticas usadas por CFAST para llevar a cabo la

simulación, ahora s e des cribe la estructura del p rogram a como tal, la cual se encarga de resolver

numéricament e el probl ema. Esta estructura es un conjunto de subrutinas que se encargan de resolver un

conjunto de ecuaciones di ferencial es ordinari as a través de una malla predeterminada, mediante el uso de las

rutinas SOLVE, DASSL y RESID, las cuales se encargan de llevar a cabo la completa resolución del sistema,

resolviendo las respectivas ecuaciones di ferenciales. Se debe aclarar que la rutina DASSL es la encargada de

llevar a cabo un proceso iterativo para realizar cálculos en un punto de la malla siguiente al punto

previamente calculado y aunque este procedimiento no es descrito por las guías técnicas de CFAST, puede ser

una numéri ca tipo Newton mediante el cálculo de la m atriz Jacobiana y un criterio de convergencia

determinado. Estas rutinas se encargan de resolver el sistema para cada punto de la malla, siendo

completamente independientes de las ecuaciones con las cuales se describe el modelo, facilitando así la

solución del problema.

Por último, un típico problema a ser resuelto en CFAST requiere ciert a in formación ingresada por el usuario

(ver tabla 5) y calcula los resultados en base a esta (ver tabla 6).

24  

Parámetro Variables ingresadas

Condiciones ambientales

Temperatura y Presión del sistema

Temperatura y Presión fuera del sistema

Velocidad del viento

Humedad relativa

Geometría

Largo, Ancho, Alto

Propiedades de las superficies (mat eriales)

Ventilación horizontal y vertical

Ventilación mecánica y su orientación

Especificaciones del

incendio

Posición y área del incendio

Límites de oxígeno

Calor de combustión

Temperatura inicial del combustible

Temperatura de ignición gaseosa

Fracción radiativa

HRR/Tasa de pérdida de masa

Conversión de productos de combustión

Tabla 5. Variables ingresadas por el usuario a CFAST [17].

Parámetro Variables de salida

Caract erísticas del compartimiento

Compartimiento Presión Altura de la interface

Capa

Temperatura Densidad Volumen

HRR Concentraciones

Calor radiativo (entrada y salida) Calor convectivo (entrada)

Ventilación Flujo másico Entrada de aire

Incendio

HRR Flujo másico vertical

Entrada de gases en el flujo vertical

Superficie Temperatura

Condiciones del sistema Temperatura

Tabla 6. Variables de salida de una simulación en CFAST [17].

25  

7.2 RESTRICCIONES

Aunque es posible definir el compartimiento con di ferentes relaciones área/altura, es neces ario que éste sea

simétrico para así implementar importantes simpli ficaciones en l as ecuaciones que gobiernan el programa de

tal forma que s e permiten enormes ahorros en l a exigencia del computador utilizado. Por ot ra parte, los

equipos incluidos en la simulación se consideran constituidos de un solo material debido a que no es posible

hacer especi ficaciones más exact as, por lo que se recurrió a una inspección del laboratorio y se estableci eron

los principales componentes de cada uno de los equipos y objetos de la instalación. Aunque CFAST cuenta

con una amplia base de datos de di ferentes materiales con sus co rrespondi entes propiedades térmicas, fue

neces ario complet arla con los que no se encont raban disponibles. Para l a obtención de los resultados, las

propiedades termofísicas de los materiales s e consideran constant es con respecto al tiempo y aunque varían

con la temperatura, la variación es tan pequeña que puede considerars e despreciabl e en la mayoría de los

materiales para los cuales conocer el valor de est as propiedades para una amplia gama de temperaturas es

complicado e inneces ario.

7.3 SIMULACIÓN

Debido a que l a base de datos o riginal de CFAST no contaba con las propi edades químicas necesarias para

recrear el es cenario descrito en el capítulo 4 en su totalidad, fue necesari a la implementación de algunas

sustancias que son parte de algunos equipos del laboratorio a partir de sus propiedades térmicas tales como la

conductividad, el calor especí fi co, la densidad y l a emisividad de la sustancia, así como de l a estructura del

mismo. Las propiedades especi fi cadas para cada uno de los materiales fueron obtenidas en bases de datos de

ingeniería [28]. La implementación de los datos de entrada que debe realizars e en CFAST para la

especi fi cación del problema está divida en nueve part es descritas a continuación:

- Entorno en el que se desarrolla el incendio: En esta sección se realiza la especi ficación del tiempo de

simulación, la fo rma en que se desea que se presenten los datos de salida y las condiciones ambientales

en las que se desarrolla el incendio. Para el caso de interés, se especi ficó un tiempo de simulación de

1500 segundos, tiempo que se dedujo a partir del perfil de la Tasa de Calor Liberado, en el cual se obtuvo

que el incendió duraría ap roximadamente 2.42 minutos (140 segundos) según las ecuaciones present adas

por Iqbal et. al. [32] y en el cual fuera posible ver el comportamiento del incendio en su totalidad. Se

obtuvieron datos de salida cada 50 s egundos y se especi ficaron l as condiciones ambient ales propias del

laboratorio, en este caso, las correspondientes a Bogotá, es decir, una temperatura p romedio de 14.85 °C,

una elevación de 2600 metros, una presión de 74660 Pa y una humedad relativa del 64%. Se consideraron

condiciones igual es en el interior y el exterior del laboratorio. La velocidad del vi ento se asumió como

cero en l a superfici e del laboratorio mientras que el valor utilizado en parámetros como el de la ley de

26  

potencia, fue el ingres ado automáticam ente por CFAST debido a la complejidad de su cálculo. La

interfaz gráfica del simulador implementado en esta primera etapa se muestra en la figura 15.

Figura 15. Especificación del entorno en el que se desarrolla el incendio en CFAST.

- Geometría del compartimiento: En esta s ección de la especi ficación, se definen las dimensiones del

compartimiento principal, así como las dimensiones de los compartimientos adjuntos al principal. El

laboratorio de investigación estudiado está conformado por l a sección p rincipal correspondiente a la

totalidad del laboratorio y la sección en repres entación de la o ficina interna del laboratorio con las

dimensiones definidas en l a Figura 6. Por otra parte, también se define la posi ción espacial de los

compartimientos en la simulación puntualizando las coordenadas que definen el origen de éstos para así

precisar adecuadamente el sistema de referencia de cada una de las estructuras y objetos. En este caso, el

origen corresponde a la esquina izquierda de la cara front al del compartimiento principal a partir de la

cual se ubi có el compartimiento interior y los equipos del laboratorio, Lo anterior puede verse en la

Figura 16 en las celdas de posición.

Finalmente, se definen las características de construcción del compartimiento tales como los materiales

que componen las paredes, el t echo y el piso. Esta defini ción de mat eriales obedece el complemento de

materiales ya realizado en el comienzo de la simulación. Los materiales definidos para la simulación del

laboratorio en particul ar fueron: concreto para el techo, yeso para las paredes y PVC para el piso. Debido

27  

a que el incendio originado se pres enta al interior de compartimiento principal y no lejos de éste, se

especifi co un flujo con caract erísticas normales. La figura 16 muestra la implementación de la geom etría

del compartimento en CFAST.

Figura 16. Especificación de características de los compartimientos del laboratorio de investigación

estudiado.

- Estructuras horizontales de ventilación natural: Los sistemas de ventilación horizontal tales como las

puertas y ventanas entre compartimientos o hacia el exterior son definidos en esta sección. Para lo

anterior, se deben especi fi car los compartimientos entre los que s e p roduce la conexión mediante estos

sistemas de ventilación, la medida de la altura desde el piso hasta la part e in ferio r, la altura desde el piso

hasta la parte superior y el ancho de la vent ana o puerta según corresponda. También, se especi fica si la

ventana o puerta se encuent ra abi erta, medio abiert a o totalmente cerrada. Para el caso de estudio, se

asumió que estos sistemas de ventilación natural permanecen abiertos durante todo el tiempo de la

simulación. La ubicación de los sistemas de ventilación se muestra en la tabla 7.

28  

Compartimiento

1

Compartimiento

2

Altura desde parte superior del

sistema de ventilación.

Altura parte inferior del

sistema de ventilación.

Oficina de Oscar Afuera 1.735 1.09

Laboratorio Afuera 2.17 2.19

Laboratorio Afuera 2.17 2.19

Laboratorio Afuera 2.17 2.19

Laboratorio Afuera 2.17 2.19

Laboratorio Afuera 2.23 1.2

Laboratorio Afuera 2.23 1.2

Laboratorio Afuera 2.23 2.38

Laboratorio Afuera 2.23 2.38

Laboratorio Afuera 2.23 1.2

Laboratorio Afuera 2.23 1.2

Laboratorio Afuera 2.23 1.13

Laboratorio Afuera 2.23 1.13

Tabla 7. Sistemas de ventilación natural en el laboratorio de investigación.

- Estructuras verticales de ventilación natural: Estos sistemas de ventilación vertical están constituidos por

huecos en el techo o el piso del compartimiento que representan algún tipo de entrada de aire. Para el caso

del laboratorio que desea recrearse, no fue necesario especifi car esta sección debido a que no se cuenta

con ninguna abertura en el techo o el piso.

- Sistemas de ventilación forzada: Los sistemas de ventilación fo rzada est án constituidos por los ductos de

aire acondicionado y ventiladores principalment e. Para el caso de estudio, y aunque el laboratorio cuent a

con un sistema de ventilación de este tipo, no se tuvo en cuenta debido a que se simuló el peor es cenario

posible, que incluye el mal funcionamiento de los sistemas de ventilación, el cual incluye el mal

funcionamiento de los sistemas de ventilación.

- Características del fuego: En esa sección se especi fican las características del derrame, así como su

ubicación en el compartimiento. En la caracterización del derrame, se incluye el material, las dimensiones,

la masa molar del material, la masa total y sus características térmicas tales como el calor de combustión,

el calor de gasi ficación, la temperatura de volatilización y la fracción de energía emitida por radiación.

Estas características para el etanol fuero definidas anteriorment e en el capítulo 6 (Tabla 2). Por otra parte,

también se debe especi ficar el calor emitido por unidad de tiempo al presentarse un incendio, razón por la

cual se introdujo el HRR estimado como se explico en el capítulo 6 a partir de las relaciones propuestas

por Bundy et. al. [8], relaciones matemáticas y datos experimentales para di ferentes materi ales

29  

encontrados en literatura. De esta manera, se introdujo el perfil de pérdida de calor en función del tiempo

mostrado en la figura 17.

Figura 17. Perfil de la Tasa de Calor Liberado en el tiempo (HRR).

Como se mencionó anteriormente, el incendio se genera a partir de un derrame de un líquido inflamable

(etanol) que actúa como el combustible, debido a una fuga en el contenedor del equipo de extracción por

solventes del laboratorio, por lo que en CFAST las coordenadas introducidas como el origen del incendio

fueron las correspondientes a la ubicación de ése equipo en el laboratorio.

En CFAST es posible asumir dos tipos de sistemas. En el primero, la cantidad de oxigeno disponible en

todo el laboratorio no tiene ningún tipo de restricción por lo cual la combustión que se da es completa. Por

otra parte, se encuentra el sistema con restricción de oxígeno en donde se dan productos de combustión

completa e incompleta obedeciendo la ecuación 9 mostrada secciones arriba. Ese último, fue el asumido

para la simulación de interés con un límite inferior de oxígeno correspondiente al 10%. La figura 18 muestra

la implementación de las características del fuego.

- Detección y supresión mediante detectores y aspersores: En esta sección se ubican sistemas de detección y

aspersores del compartimiento simulado. Sin embargo, para fines de la simulación realizada no se tuvieron

en cuenta, por lo que no fue especi ficada esta sección del programa.

- Definición de los objetos: En esta parte, se definen las caract erísticas de los objetos involucrados en el

escenario así como su ubicación, con el fin de obt ener el calor que le es irradi ado a cada uno de ellos y así

evaluar adecuadamente l as consecuencias del incendio sobre los mismos. La caracterización de los objetos

se da con la definición del material para lo que se asumió aquel del cual se conforma principalmente el

equipo. Por otra parte, la ubicación de los objetos se da introduciendo las coordenadas de ubicación para

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 50 100 150 200

Calor lib

erad

o (kW)

Tiempo (s)

HRR

30  

cada uno de los objetos obedeciendo el sistema establecido ant eriormente cuando se introdujo el

compartimiento principal.

Figura 18. Características del fuego especificadas en CFAST

También es necesario especi fi car la superfici e que recibe el calor liberado por el incendio para así obtener

adecuadament e los efectos térmicos sobre ellos. Para esto, se especi fica la dirección del vecto r normal a la

cara del objeto que se desea exponer. Para el caso de interés, se introdujeron las coordenadas de cada uno de

los objetos y equipos del laboratorio recreando lo más fi elmente posible el escenario deseado a partir de la

distancia a lo largo ancho y pro fundo. Se asumió que para cada uno de estos objetos, los efectos t érmicos

iban a ser recibidos por la cara superior del objeto razón por la cual los vectores normales especi ficados

siempre tienen la misma forma con componente únicamente en el eje Z donde el vector atraviesa la cara

superior del objeto.

- Conexión entre los compartimientos: Debido a que el laboratorio des crito posee un compartimiento interno

correspondiente a la o fi cina de l a persona encargada de di rigir el laborato rio, y en aras de recrear de la

manera más exacta posible este escenario, se implementó esta sección de CFAST en donde se especi fi có la

ubicación de ambos compartimientos así como la fracción compartida entre ellos. Ya que el compartimiento

31  

principal abarca en su totalidad el compartimiento correspondiente a l a o ficina del director de laboratorios,

la fracción especi fi cada fue de 1.

Finalmente, después de haber implementado cada una de las secciones anteriores, el laboratorio de

investigación obtenido se muestra en la Figura 19.

Figura 19. Laboratorio de investigación en CFAST con los equipos y objetos correspondientes.

Es necesario aclarar que en la especi ficación de todos los datos se realizó a partir del sistema internacional de

unidades utilizando como unidad fundamental el metro.

8. CFD

8.1 PLANTEAMIENTO Y DESCRIPCIÓN

Como se expuso en la sección 3 los simuladores CFD’s son herramientas muy poderos as en cuanto a

resultados ya que no generan volúmenes de control con condiciones termodinámicas promedio, sino que el

sistema se divide en una malla in finitesimal en donde se puede generar un cálculo de todas las propiedades

para cada punto, produciendo resultados mucho más precisos. En un principio se planteó simular el sistema en

COMSOL, pero después de un análisis de los demás simuladores se llegó a la conclusión que el Simulador

Dinámico de Incendios, FDS por sus siglas en ingles, es más apropiado para esta tarea. Este simulador fue

desarrollado por el NIST y se cuenta con la versión 5.0 de distribución gratuita, que aunque es un poderoso

simulador, por si solo requiere un ingreso del sistema por medio de código C, por lo que adicionalmente se

implementa el uso de PyroSim versión 1.0, el cual funciona como una interface gráfica de fácil uso que corre

en paralelo a FDS, para así poder manipular las variables ingresadas de manera más sencilla. Esta interface

permite la manipulación de la geometría y la importación de la misma desde archivos generados en CAD.

32  

Para el uso adecuado de FDS V.5 se deben cumplir ciertos requerimientos de hardware y so ftware

presentados en la tabla 8.

Procesador 1 GHz

Memoria RAM 512 MB

Memoria Física Gran capacidad debido al tamaño de un archivo de salida típico (1 GB)

Sistema Operativo Microsoft Windows (2000, XP, Vista), Mac OS X, Unix/Linux

Tabla 8. Requerimientos mínimos de Hardware y Software para la instalación y uso de FDS V.5 [26].

Los requerimientos mínimos para el uso de PyroSim se presentan en la tabla 9.

Memoria RAM 2 GB

Memoria Gráfi ca 128 MB

Sistema Operativo Microsoft Windows (2000, XP, Vista), Mac OS X, Unix/Linux

Tabla 9. Requerimientos mínimos de Hardware y Software para la instalación y uso de PyroSim V.1 [27]

FDS maneja las ecuaciones de Navier-Stokes para flujos de baja velocidad y que se impulsan gracias a

factores térmicos, generando ecuaciones di ferenciales para balances de mas a, energí a y momento, las cuales

se resuelven mediante el método numérico de diferencias finitas. Estas ecuaciones se present an en la tabla 10.

Conservación de masa · (ec. 12)

Conservación de momento · · (ec. 13)

Transporte de entalpía sensible · · (ec. 14)

Gases ideales (ec. 15)

Tabla 10. Ecuaciones diferenciales usadas por FDS para describir las condiciones del sistema [25].

Aunque estas ecuaciones se basan en los mismos principios teóricos que las utilizadas por CFAST, existe una

diferencia importante que radica en el cálculo de cada propi edad en cada punto de la malla, cambiando el

valor cada una de estas a través de la ubicación espacial en el sistema. Para el simulador FDS no se entrará en

33  

detalle de las ecuaciones manejadas, dada su complejidad y su amplia validación m ediante experiment ación

en la literatura como se presentó en el capítulo 3.

Uno de los pilares del desarrollo matemático de FDS y por tanto su importancia para la precisión de los

resultados, consiste en la suposición de números Mach pequeños que aseguran que no hay efectos de

compresibilidad, lo cual conllevaría a códigos computacional es y físicos mucho más complicados, que para el

caso en cuestión, no aplican. Otro de los pilares de FDS es su manejo de l as turbulencia, la cual se lleva a

cabo mediante Grandes Simulaciones de Eddy (LES) o por Simulaciones Numéricas Direct as (DNS), las que

se encargan de calculas la viscosidad, la conductividad térmica y l a difusividad de manera precisa. En el

primer método se realizan los cál culos de una manera indirecta ya que los efectos de las tres vari ables se

encuentran en una escal a menor a la de la malla del sistema, mientras que en el segundo método se debe

asegurar una longitud de malla de no más de un milímetro para poder llevar a cabo el cálculo directo de las

variables mediante el uso de teoría cinética.

8.2 SIMULACIÓN

Para el des arrollo de la simulación se describirá primeramente el manejo que se le dio al escenario y

posteriormente se definirán algunas variables de ingreso que fueron de gran importancia para la simulación.

8.2.1 Descripción del Escenario

Como ya se mencionó, la simulación fue generada empleando el programa PyroSim debido a la interfaz

gráfica sencilla que manej a (GUI por sus siglas en ingles). PyroSim también cuenta con la ventaja de permitir

importar el CAD para especificar los parám etros de la simulación, y ya que se cont aba con el CAD generado

en MicroStation V8, se esperaba que la simulación fuera sencilla y se redujera a especi ficar la malla de

evaluación, los material es y l as reacciones de combustión. Desafortunadamente no se pudo llevar a cabo la

importación del CAD debido a las superficies con geometrías complej as que PyroSim no es capaz de asimilar,

por lo que se recurrió a la herramienta de generación de geometrí as de PyroSim para repres entar el

laboratorio. Esta herramienta es rel ativamente sencilla y mediante l a generación de “ obstrucciones” se puede

representar básicament e cualquier geometría, a excepción de las circul ares, las cual es no son admitidas por el

programa y se deben generar a partir de numerosas obstrucciones rectangulares que permitan dar la curvatura

neces aria. Esta restricción no permite rep resent ar el laboratorio de una form a tan fiel como se hizo en

MicroStation, pero aún así se pueden ajustar las di ferentes fo rmas circulares para ap roximarse t anto como es

posible a la realidad. En un principio la figura cilíndrica más repres entativa es la del derrame, por lo que esta

se traduce a una geometría rectangular, respetando en g rosor del derrame y el área superfi cial, así como su

ubicación. También se ingresan los equipos más significativos debido a su valor económico y al alto riesgo de

daño obtenido a partir de la simulación en CFAST, los cuales son el liofilizador, el autosampler y el

analizador. Debido al peligro de in flam ación que rep resent an la celulosa que se usa para cargar la unidad de

extracción por solventes, y el armario de reactivos, también son introducidos al escenario para evaluar si

34  

generarán otro incendio o contribuirán a la continuación del incendio principal generado inicialmente a partir

de un derrame.

La figura 20 muestran el escenario simulado, en el cual se observa la simplifi cación que se realizó con el fin

de evaluar los equipos de mayor interés sin perder l a fidelidad de la geometría del laboratorio o algunos

elementos importantes como la ventilación generada por las puertas o la oficina del director de laboratorios.

Figura 20. Vista superior del escenario ingresado en PyroSim.

8.2.2 Variables de Entrada

Existen algunas variabl es de ingreso importantes para llevar a cabo una simulación que permita obtener

resultados fieles al evento, las cuales deben ser especi ficados con cuidado. Los primeros elementos que deben

ser ingresados y definidos cuidadosamente son los material es con los que se trabajará, ya que no solo

permitirá alimentar al programa in form ación del comportamiento termodinámico de estos, sino su

comportamiento como combustible como por ejemplo para el etanol o para la celulosa. En general para

materiales que no repres entan un combustible para el incendio, se definen el calor especí fico, la densidad y la

conducción térmica, mientras que para los combustibles se debe definir si son líquidos o sólidos, la fracción

de combustible que se volatiliza, el calor de combustión, el calor de reacción y si estos son endotérmicos o

exotérmicos.

En segundo lugar se debe definir un objeto (“ obstrucción”) que actúe como el agente que inicie el incendio, es

decir la posible chispa de la caja de control o la superfi cie caliente de la unidad de ext racción por solvent es,

por lo que se genera un obj eto que emite una cantidad especí fica de calor (500 kW) durant e un periodo de

tiempo determinado (5 segundos), lo cual permite el inicio del incendio en la simulación.

Posteriormente se debe definir la malla de evaluación, es decir la cantidad y las dimensiones de las di ferentes

subdivisiones del sistema para los cuales se calcularán las propiedades termodinámicas. En un principio se

comenzó con una malla recomendada de 19 mil subdivisiones, lo cual permitió observar errores de

35  

especi fi cación de la instalación tales como la mala definición de sistemas de ventilación natural constituidos

por las puertas y ventanas o la falta de especi ficación de algunos m aterial es en l as paredes del

compartimiento. Una vez se llegó a una simulación en donde los resultados adquiri eron una mayor similitud

con los resultados esperados y los arrojados por CFAST, se aumentó la malla de evaluación a 54 mil

subdivisiones, lo cual permitió observar algunos fenómenos con mucho más detalle, como por ejemplo la

ignición de la celulosa y el comportamiento del laboratorio posterior al agotamiento del combustible entre

otros.

FDS permite generar di ferent es tipos de resultados gráficos m ediante el uso de la interface SmokeView para

analizar con mayor pro fundidad el comportamiento del sistema. Estas pres entaciones se describen en l a tabla

11.

Elemento Descripción Variables de ingreso necesarias

Sensores de temperatura

Permite generar un perfil de la temperatura con respecto el tiempo para un punto especí fico del

sistema. Posición

Isosuperfici es Contornos animados tridimensionales que presentan

valores especí ficos de propiedades de los gases calientes.

Seleccionar variable de interés y los valores deseados para las

superficies de contorno.

Cortes (Slices) Superficies de contorno para una propiedad de los gases calientes, generadas sobre un punto de un eje

determinado.

Seleccionar variable de interés, el eje y el punto sobre este en el que

se generará la superficie de contorno.

Perfiles sólidos Representación por colorimetría de los efectos sobre las superficies sólidas de cierta variabl e de interés.

No están disponibles en PyroSim.

Selección de la variable de interés.

Estadísticas

Genera el comportamiento de variables de interés a través del tiempo, bien sea indicando su promedio, su valor máximo o mínimo para un volúmen de control

determinado.

Variable de interés, volumen de control, valor deseado (promedio,

máximo, mínimo).

Tabla 11. Posibles presentaciones de resultados en PyroSim [27].

Los resultados que el usuario desea obtener los cuales se p resent an en la t abla RES, junto con la malla

especi fi cada det erminan la magnitud de los archivos resultantes y por tanto el tiempo de la simulación. Ya

que para la simulación realizada s e estudiaron todos los elem entos presentados anteriormente, así como los

perfiles de t emperatura de 97 sensores establecidos sobre el derrame como se muestra en la figura 21, el

tiempo de cada simulación fue de aproximadamente 2 horas y media.

36  

Figura 21. Vista superior de la instalación con los sensores de temperatura.

9. DESARROLLO DEL SIMULADOR

9.1 BASE TEÓRICA

9.1.1 Descripción general

FireLab V1 es un programa realizado con el objetivo de calcular los efectos producidos por un incendio sobre

un entorno especí fico, teniendo en cuenta que este es producto de un derrame de material in flamable o

combustible. Para lo anterior, se siguió un algoritmo determinado bajo el cual se calculan los di ferentes

parámet ros y las relaciones necesarias para obtener resultados cuanti ficables sobre el comportamiento del

incendio que posteriormente permite al usuario evaluar en in fraestructura y equipos.

FireLab trabaja implementando un modelo de zona y permite obtener la distribución de la capa de gases en

una instalación, la temperatura de la capa de humo formada, la cantidad de calor emitido por el incendio hacia

los objetos cercanos y finalment e, la temperatura alcanzada por cada uno de los objetos distribuidos en el

laboratorio. Este p rogram a fue desarrollado con ayuda de la herramienta computacional Excel a partir de la

programación de una macro la cual, a grandes rasgos, sigue el algoritmo de cálculo mostrado en la figura 22.

9.1.2 Restricciones del programa

FireLabV1 maneja básicam ente l as mismas restri cciones descritas en el capítulo 3 para un modelo de zona.

Por lo anterior, los resultados están descritos para dos volúmenes de control, una capa superior y una capa

inferior en donde las propiedades termodinámicas no varían a lo largo de estas. Por otra parte, el programa fue

realizado en su totalidad para arrojar resultados confi ables en es cenarios que no incluyan sistemas de

ventilación fo rzada tales como aquella provenient e de sistemas de aire acondicionado o de cambio de aire.

37  

Figura 22. Algoritmo de programación de FireLab.

Debido a que los modelos utilizados en el cálculo del calor liberado por el incendio generado dependen en

gran medida de la especi ficación que se le a los factores que se ven directamente relacionados con la

generación del incendio, FireLab requi ere de una especi ficación p recis a de todos los elementos del incendio

descritos en el capítulo 5.

Como la gran parte de los modelos de zona, FireLab solo está en la capacidad de recibir coordenadas que

conformen un escenario rect angular, más conocido como tipo caja, ya que las ecuaciones que lo rigen se

caracterizan por tener simplifi caciones que solo funcionan para est e tipo de compartimientos, sin embargo no

existe restricción en la especifi cación del tamaño de este.

38  

9.1.3 Ecuaciones implementadas

9.1.3.1. Temperatura de capa de gases calientes

La temperatu ra de la capa de gas es formada depende de la cantidad de aire que entra al compartimiento y que

entra en cont acto con el incendio. De esta manera, teniendo en cuent a el balance de masa que describe la

entrada y salida de aire en la capa de gases se llega a la siguiente relación realizada por Mc Caffrey, Quintiere

y Harkleroad [32] .

∆ 6.85 ec. 16

∑ ec. 17

El término que describe el coefici ente de transferencia de calor s e calcula de di ferent es form as dependiendo

de si se puede considerar un sistema en estado estable o no. Lo anterior, lo define el tiempo de penetración, el

cual es el tiempo requerido para que el calor sea transferido a través del espesor del material antes de que

comience a perders e energí a.

ec. 18

Así, cuando t < tp , el sistema no esta en estado estable y el coeficient e de transferencia de calor debe ser

calculado de la siguiente fo rma:

ec. 19

Cuando t > tp , el sistema se encuentra en estado estable y el coeficiente de trans ferencia de calor se calcula:

ec. 20

9.1.3.2. Altura de la capa de gases formada

Para el cálculo de la capa de humo formada debido a l a combustión, se siguió el método de Yamana y

Tamaka en el cual, se determinó la altura de la capa formada en función del tiempo [32]:

/ ec. 21

Y la constante k se define como:

. ec. 22

39  

La cual, luego de sustituir los valores de arriba, se reduce a :

. ec. 23

ec. 24

∆ ec. 25

9.1.3.3. Altura de la llama

Para el cálculo de la altura de la llama, se utilizó la correlación de Heskestad y Thomas [32].

0.235 / 1.02 ec. 26

9.1.4 Variables de entrada

9.1.4.1 Introducción a las coordenadas del compartimiento

El usuario del program a está en l a capacidad de introducir las dimensiones del compartimiento que desea

recrear. De esta manera, s e le pide que introduzca las coordenadas como x (ancho), y (p ro fundo) y z (alto)

(ver figura 23), teniendo en cuenta que el compartimiento reproducido es siempre rectangular con origen en la

esquina izquierda delant era del rectángulo.

9.1.4.2 Introducción a las coordenadas de ventilación natural

Una vez definido el compartimiento, el usuario puede ingresar las coordenadas de los sistemas de ventilación

natural tales como puertas y ventanas. Estas coordenadas se rigen bajo el mismo marco de referencia utilizado

en la definición del compartimiento sin posibilidad de utilizar otro marco de referencia por lo que si se quiere

ingresar un sistema de ventilación por encima del nivel del suelo, el usuario debe realizar los cálculos o

conocer las coordenadas exactas.

Figura 23. Dimensiones del compartimiento.

z y 

x 

40  

9.1.4.3 Ingreso del HRR

Firelab V1, cuenta con la opción de introducir la cantidad de calor liberado en el tiempo si se cuenta con estos

datos y, con la opción de permitir que el programa lo cal cule, en caso de no tenerlo. De esta manera, cuando

se conocen los valores de HRR durante un tiempo determinado, estos pueden ser introducidos directamente.

Por otra parte, si no se conoce el comportamiento del calor liberado por el incendio en el tiempo, se le pide al

usuario que ingrese el volumen del derram e a partir del cual se genera para así calcular este perfil de

liberación de calor como se describió en el capítulo 6.

9.1.4.4 Escogencia del material principal del compartimiento y combustible del derrame

Como primera medida, se elaboró una base de datos con los di ferent es materiales y sustancias combustibles

que pueden pres entars e en un escenario así como algunas de sus propiedades necesari as para llevar a cabo los

cálculos pertinentes. Las listas de materi ales y de combustibles incluidos se p resent an en las t ablas 12 y 13

respectivamente.

A partir de ésta librería, el usuario está en la capacidad de recrear una amplia gama de escenarios que desee

especi fi cando el materi al que da origen al incendio así como el material del cual está elaborado el

compartimiento (piso, techo y paredes) y los objetos.

9.1.5 Modelos utilizados para el cálculo del calor recibido por un objeto

Para la estimación de la energí a por radiación recibida por un objeto desde el incendio considerada como la

fuente de energí a, se tomaron cuatro modelos propuestos di ferentes cada uno con ciert as restricciones en la

predicción de los resultados deseados. De esta manera, según el escenario que quiera reproducirse, el usuario

tiene la opción de utilizar el modelo que más se ajuste a sus necesidades.

Los cuatro modelos utilizados fueron l a co rrelación de Shokri y B eyler, el modelo de fuent e puntual, el

modelo planteado por Shokri y Beyler para objetos a la altura del derrame, el modelo planteado por Shokri y

Beyler para objetos ubicados por encima de la altura del derrame y finalment e, el modelo de Mudan [32].

Librería de materiales k c ρ ABS 0.0025 1.4235 1080 Acetone 0.00016 2.15 790 Aluminum Alloy 0.186 1.042 2770 Benzene 0.00016 1.85 878.8 Brick, Clay 0.0015 0.96 2645 Brick, Normal 0.00072 0.835 1920

Calcium Silicate Board 0.00018 1.293 737 Celullose Insulation 3.90E-05 1.3845 45

Cement Mortar 0.00072 0.78 1830 Chloroform 0.00013 1.05 1489

41  

Concrete, Light Weight 0.000125 1.05 525 Concrete, Normal Weight 0.00175 1 2200 Concrete/gypsum composite 0.00017 1.09 930

Cyclohexane 0.000123 1.85 778 Ethanol 0.0464 2.42 789.3

Firebrick 0.00036 0.75 1040 Glass 0.00138 0.74 2200

Glass Fiber, Coated 3.80E-05 0.835 32 Glass Fiber, Insulation 4.00E-05 0.72 105

Glass Fiber, Organic Bonded 3.60E-05 0.795 105 Glass Fiber, Poured 4.30E-05 0.835 16 Gypsum Board 0.00016 0.9 790 Gypsum Board, Type X (3/4 in) 0.00022 1.085 1680 Gypsum Board, Type X (5/8 in) 0.00014 0.9 770 Gypsum Marinite layered Construction 0.00011 1.33 720 Gypsum/Glass Composite 0.00016 0.9 790 Hardboard, High Density (1/2 in) 0.00015 1.38 1010 Hardboard, Siding 9.40E-05 1.17 640 Iron 0.00016 0.44 7874

Maranite Concret e Layered Construction 0.00017 1.04 128 Marmol 0.00209 0.879 2600

Methane (gas) 7.00E-05 1.09 930 Mineral Fiber Insulation 0.00022 1.047 128

Oil, Unused 0.145 1.909 884.1 Particle Board, High Density 0.00017 1.3 1000

Particle Board, Low Density 7.80E-05 1.3 590 Plate Glass 0.0014 0 2500 Plywood 0.00012 1.215 545 Polyethylene 0.00048 2.26 950 Polystyrene 0.00012 1.34 1057 PVC 0.00018 1.05 1440 Sheating, Regular Density 5.50E-05 1.3 290 Steel, 304 Stainless (1/4 in) 0.0198 0.557 7900

Steel, Plain Carbon 0.048 0.559 7854 Urethane, Insulation 2.60E-05 1.045 70

Vermiculite, Flex 6.80E-05 0.835 80 Wood Board, Shredded/Cemented (1/2 in) 8.75E-05 1.59 350

Wood, Hardwoods 0.00016 1.255 720 Wood, Softwoods 0.00012 1.38 510

Tabla 12. Lista de materiales disponibles en FireLab V1.

42  

Librería de Combustibles Mass Loss Rate Heat of Comb. ρ κβ Liquid H2 0.017 12000 70 6.1 LNG 0.078 50000 415 1.1

LPG 0.099 46000 585 1.4 Methanol 0.017 20000 796 100

Ethanol 0.015 26800 794 100 Butane 0.078 4700 573 2.7

Benzene 0.085 40100 874 2.7 Hexane 0.074 44700 650 1.9

Heptane 0.101 44600 675 1.1 Xylene 0.09 40800 870 1.4 Acetone 0.041 25800 791 1.9 Dioxane 0.018 26200 1035 5.4 Diethyl ether 0.085 34200 714 0.7 Benzine 0.048 44700 740 3.6 Gasoline 0.055 43700 740 2.1 Kerosene 0.039 43200 820 3.5 JP-4 0.051 43500 760 3.6 JP-5 0.054 43000 810 1.6

Transform er oil 0.039 46400 760 0.7 Fuel oil 0.035 39700 965 1.7

Crude oil 0.03 42600 850 2.8 Polymethylmethacrylate 0.02 24900 1184 3.3

Polypropylene 0.018 43200 905 100 Polystyrene 0.034 39700 1050 100

Silicon Transformer Fluid 0.005 28100 960 100 Tabla 13. Lista de combustibles disponibles en FireLab V1.

9.1.5.1 Restricciones de los modelos propuestos

A pesar de que todos los modelos propuestos están destinados al cálculo del calor recibido por un objeto a

partir de una fuent e térmica como lo es un incendio, cada uno de ellos está restringido a ciertos rangos que de

no ser respet ados, arrojan resultados con valores sobreestimados o subestimados. En la tabla 14 se muestra el

resumen de estas restricciones.

43  

Método de cálculo de

flujo de calor

Rango de uso

(kW/m2)

Ubicación del objeto

Correlación de Shokri y

Beyer

Todos Nivel del piso

Fuente Puntual 0-5 En el piso o por encima

de este

Shokri y Beyer >5 En el piso o por encima

de este

Tabla 14. Restricciones de flujo de calor y ubicación del objeto para cada uno de los modelos utilizados.

El rango de uso de la primera columna en la tabl a 14, se refi ere a que el modelo arroja resultados confi ables

para un incendio que libere el flujo de calor especi ficado. La columna que se refiere a la ubicación del objeto,

especi fi ca la restricción de cada uno de los modelos en cuanto a la ubicación de los objetos referida al sistema

de coordenadas del incendio.

9.1.5.2 . Correlación de Shokri y Beyer

Esta es una correlación definida por Shokri y Beyl er en donde se relaciona el flujo de calor por radiación en

función de la posición de un objeto. Es importante tener en cuenta que ésta correlación solo está definida para

objetos verticales que se encuentren a la altura del suelo considerando además que el derrame de combustible

tiene una geometría circular. Esta correl ación sigue las coordenadas p resent adas de manera gráfica en la

figura 24.

,, 15.4.

ec. 27

9.1.5.3. Modelo de fuente puntual

En éste modelo, se toma un punto en el centro del derram e por encima de la mitad de la altura total de la

llama real para predecir la radiación térmica emitida a los alrededores (ref) el cual varía con el cuadrado de la

distancia desde el punto establecido hasta el borde del objeto. Este modelo no constituye un método riguroso

sino la aproximación m ás simple entre el flujo de calor emitido por radiación y la distancia a un objeto. La

fracción de calor emitido por radiación depende de factores tales como el volumen inicial del derrame, la

sustancia combustible del derram e y la configuración de la llama, asumiendo valores que varian entre 0.15 y

0.60. Por lo general, los hidrocarburos tienen los valores mas altos para la fracción de calor por radiación.

Para el cálculo del calor emitido por radiación se utilizó la siguiente relación

´´ ec. 28

ec. 29

44  

0.21 0.0034 ec. 30

Figura 24. Coordenadas de referencia para el factor de vista.

El modelo de fuente puntual, fue diseñado para el cálculo del calor emitido hacia un objeto ubicado en el

nivel del piso o por encima de este nivel siguiendo el sistema de coordenadas de la figura 24. De esta manera,

para obj etos ubicados a nivel del piso, la expresión para el flujo de calor por radiación queda de la siguiente

manera:

´´ ec. 31

9.1.5.4 . Modelo de Shokry y Beyer

9.1.5.4.1 Modelo de Shokry y Beyer para objetos ubicados a la altura del suelo

El modelo realizado por Shokry y Beyler para objetos a la altura del suelo, relaciona el calor emitido por

radiación en términos del poder emisivo efectivo promedio de la llama [32]. De esta manera, se asume que la

llama fo rmada es un cuerpo negro cilíndrico el cual emite radiación a los objetos ubicados a su alrededor.

Para el cálculo del calor emitido por radiación desde la llama sobre el objeto, se origina el concepto de factor

de ángulo o factor de configuración el cual relaciona las dimensiones generales de la llama tales como su

diámetro y su altura, con las coordenadas de ubicación del objeto. Este factor puede adqui rir valores entre

cero y uno dependiendo de su cercanía con la llam a en cuyo caso alcanzarí a su valor máximo cuando se

encuentra muy cerca del incendio. Por otra part e, el facto r de configuración se calcula para orientaciones

verticales y horizontales del objeto tal y como se muestra a continuación:

, ec. 32

, ec. 33

             H/2  

�

D 

L 

R 

45  

Donde:

ec. 34

ec. 35

ec. 36

ec. 37

Por otra parte, el factor de configuración total se calcula como la suma vectorial de los dos anteriormente

calculados

, , ec. 38

Se asume que el diámetro del cilindro es el mismo del derrame y que la altura de éste es la misma altura de la

llama calculada con la correlación nombrada anteriormente en el documento. En la figura 25 se muestra el

sistema de coordenadas utilizado en la definición del modelo relacionado por Shokry y Beyer para objetos

ubicados a la altura del suelo.

Figura 25. Sistema de coordenadas para objetos al nivel del suelo.

De acuerdo a lo anterior, la intensidad del calor emitido por radiación ubicado a cierta distancia del objeto se

define como:

´´ ec. 39

Donde el poder emisivo efectivo promedio de la llama se calcula mediante una correlación elaborada por

Shokry y Beyer a partir de datos experimentales en la cual se involucra el diámetro del derrame según la

siguiente ecuación [32]:

Hf  D 

L  

46  

58 10 . ) ec. 40

9.1.5.4.2 Modelo de Shokry y Beyer para objetos ubicados por encima de la altura del suelo

El modelo realizado por Shokry y Beyl er para objetos por encima de la altura del suelo, sigue el mismo

principio usado para objetos a la altura del suelo. Se asume que la llama es un cilindro al igual que en el caso

anterior con la di ferencia de que se define un cilindro por encima de la altura del objeto y otro por debajo del

mismo. En la figura 26 se muestra el sistema de coordenadas utilizado en la definición del modelo

relacionado por Shokry y Beyer para objetos ubicados por encima de la altura del suelo.

Figura 26. Sistema de coordenadas para objetos por encima del nivel del suelo.

De esta manera, se calculan los factores de seguridad para cada uno de los cilindros establecidos a partir de

las siguientes relaciones:

,|

ec. 41

, ec. 42

Donde:

ec. 43

ec. 44

ec. 45

Hf2 

L 

Hf1  D 

47  

ec. 46

El factor de seguridad total se calcula como se muestra a continuación:

ec. 47

Finalmente el cálculo de calor transmitido por radiación desde el incendio sigue la relación

´´               ec. 48

9.2 SIMULACIÖN

En esta sección se llevará a cabo un resumen rápido de la form a en que se implementó el problema en FireLab

para el laborato rio de interés, siguiendo el algoritmo mostrado en la figura 22 hasta llegar a los resultados, que

serán analizados en detalle en el capítulo 10.2. El primer paso es ingresar al programa y seguir las

instrucciones al dar clic en “inicio” (ver figura 27), las cuales llevaran a una nueva página en donde se deberá

ingresar t anto las dimensiones del laboratorio (l as mismas que se expusieron en el capítulo 4) y los sistemas

de ventilación natural (ver figura 28).

Una vez s e cierran los cuadros de dialogo, se continua con l a opción en la que no se tiene el HRR, ya que

como fue mencionado en el capítulo 6, no se cuenta con estos datos experimentales. A continuación se genera

el HRR al escoger el combustible (etanol) y el volumen del mismo (0.02 m3), obteniendo los datos que se

utilizarán más adelante y el perfil HRR (ver figura 29).

Figura 27. Entrada a FireLab.

48  

Figura 28. Página de ingreso de datos de dimensiones y ventilación.

Figura 29. Cálculo del perfil HRR.

El siguiente paso fue implementar el perfil HRR para obt ener las demás variables de interés (temperatura y

altura de la capa de gas es calientes, altura de la llama y temperatura de objetos), las cual es se obtienen en una

gran hoja de cálculo en donde est as de relacionan unas con otras y se pres entan los resultados numéricos (ver

figura 30), los cuales pueden s er un poco di fíciles de interpretar para el usuario, aunque indispensabl es para

un análisis de riesgos como el que se realizará en el capítulo 10.2. Sin embargo también se cuenta con la

posibilidad de representar los datos de forma gráfica mediante colorimetría como se muestra en la figura 31.

49  

Figura 30. Presentación de resultados numéricos de las variables de interés.

Figura 31. Representación gráfica de los resultados numéricos en FireLab.

En la figura 31 se cuenta tanto con una vista superior de la instalación (cuyo color responde a colorimetrí a de

la temperatura, el circulo corresponde al derram e, la cruz roja al o rigen del derram e y la verde al objeto de

interés) y con una vista horizontal en donde se pres enta el progreso de la capa de gases calientes que asciende

y desciende dependiendo del tiempo transcurrido del incendio. Esto concluye los pasos básicos para realizar

la simulación del incendio en el laboratorio.

10. RESULTADOS

10.1 COMPARACIÓN DE LAS SIMULACIONES

En este punto, ya se han realizado las simulaciones del escenario mediante las tres diferentes herramientas

computacionales s eleccionadas (CFAST, FDS y FireLab), por lo que se p rocede a realizar un análisis

50  

comparativo de estos resultados para veri fi car que estos sean consistentes y así poder comenzar el análisis de

riesgos. Esta tarea present a ci ertos retos, ya que l as herramient as computacionales utilizadas usan di ferentes

modelos determinísticos para simular el escenario y por tanto da paso a la obtención de diferentes tipos de

resultados, que dependen tanto del modelo como de la estructura del program a como tal, razón por la cual el

análisis comparativo se llevara a cabo bajo ciertos puntos en común compartidos por las tres herramientas.

Aunque esto puede dar cabida a que se pres enten di ferencias en los resultados arroj ados por las simulaciones,

estas ya se esperaban teniendo en cuenta que la idea no era obtener tres simulaciones idénticas, sino abarcar

diferent es tipos de enfoques hacia un análisis que permitiera extraer la mayor cantidad de in formación útil

posible para así elaborar un análisis de riesgos que sirva como una importante herramienta con la cual se logre

alcanzar el objetivo principal planteado de disminuir o eliminar los posibles daños a la instalación, a los

equipos, y sobre todo al capital humano debido a la presenci a de una situación inesperada como lo es un

incendio.

Los factores que se analizarán para determinar la consistencia de los resultados se enlistan a continuación:

1. Tiempo de incendio

2. Tasa de calor liberado (HRR)

3. Temperatura de la capa de gases calientes

4. Temperatura de objetos

Estos son los parámetros que comparten los p rogramas y que representan una g ran importancia para los

resultados de las simulaciones, por lo que a continuación s e desarrollará el análisis de cada uno para los tres

programas, para al final realizar una matriz de comparación para evidenciar más claramente el análisis.

1. Tiempo de incendio: El tiempo de incendio es una variable de gran importancia, ya que este limita el

perfil HRR que se analizará en el siguiente numeral, y depende de la masa del combustible, su

inflamabilidad, y en general, de la configuración del escenario. Tanto en CFAST como en FDS se

especifi ca el tiempo de incendio, con la diferencia de que para el primero, se asumió este como el mismo

dado por el HRR estimado, mientras que para FDS se realizó un seguimiento de la simulación cuadro por

cuadro en el smokeview apoyando el tiempo en el que se apaga el incendio en los resultados obtenidos en

la simulación realizada con FDS. Se debe hacer uso de una observación detallada de las simulaciones y el

comportamiento de las variables como el calor liberado, ya que cuando el sistema deje de recibir más

calor puede suponers e que el incendio (sobre el derrame) ha finalizado. Por otra parte para FireLab, el

tiempo de incendio se calcula como se pres entó en el capítulo 6. Los tiempos observados y calculados se

presentan en la tabla 15.

51  

Programa Tiempo (s) Método

CFAST 145 Observación

FireLab 145 Cálculo

FDS 161 Observación

Tabla 15. Tiempo de incendio para las diferentes simulaciones.

Como se observa en la tabla 15, l as di ferencian entre los tiempos de incendio no son m ayores al 10%

entre los programas que implementan el modelo de zona (que dependen directamente del HRR) y los

que implementan el de campo, lo que implica un gran avance para poder determinar la consistencia de

los datos, ya que la simulación con el modelo de campo asegura que el tiempo calculado para el incendio

fue el adecuado.

2. Tasa de calor liberado (HRR): El HRR como se explicó en el capítulo 5 es una variable de suma

importancia, ya que determina la tas a total de calor liberada por el incendio y es l a que permite

determinar en una gran parte el comportamiento del escenario. En primer lugar CFAST y FireLab

manejan modelos de zona, lo cual significa que ambos programa requieren que el usuario ingres e el

HRR calculado de acuerdo al capítulo 6, siendo idéntico para los dos, obteniéndose un perfil como el

mostrado en la figura 32 (a), por lo que las simulaciones realizadas con estas herramientas en principio

deben ser consistentes. Por otra parte FDS que implementa un modelo de campo permite generar el HRR

a partir de la simulación y el perfil obtenido se presenta en la figura 32 (b).

(a) (b)

Figura 32. (a) Perfil HRR para CFAST y FireLab. (b) Perfil HRR obtenido en FDS.

Como se presenta en l a figura 32, se puede obs ervar que hay una di ferencia signi ficativa en l a magnitud

del calor total liberado, de casi el 50% para el perfil obtenido en FDS, lo cual se puede explicar fácilmente

debido a las bases t eóricas que rigen estos modelos utilizados, en donde los modelos de zona asumen

condiciones promedio en todo el sistema, mientras que el modelo de campo genera condi ciones

independientes para cada volumen de control, por lo que es lógico esperar un HRR más elevado en el

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 100 200 300

Q (k

W)

Tiempo (s)

02000400060008000

100001200014000

0 100 200

Q (k

W)

Tiempo (s)

52  

modelo de zona. Por otra parte el comportamiento del HRR debe ser similar y como se ve en l a figura s e

sigue el patrón esperado, llegando al valor m áximo al 80% del tiempo del incendio. Sin embargo, se

presentan ciertas anomalías, como el pico de m ás de 10 mil kW a los 7.7 segundos en la figura 32 (b), lo

cual puede explicarse a partir de la combustión de la celulosa así como otra anomalía en el

comportamiento, en donde el calor liberado no crece como se esperaba durante los primeros 50 segundos.

Esta última desviación del comportamiento esperado s e puede explicar debido al manejo que se da de l a

combustión en FDS, en donde no s e asume una llama de todo el derrame ni una liberación de calor del

mismo, sino una propagación térmica gradual en el tiempo, razón por la cual, el crecimiento se ve

disminuido. A pesar de lo anterior, estos resultados son coherentes con la t eoría y s e esperaban, sin

embargo est as deducciones y sus co rrespondi entes di ferenci as deben ser estudiadas una vez m ás al

analizar la temperatura de gases calientes en el siguiente numeral, ya que así se podrá analizar el

verdadero impacto de estas diferencias, sobre una variable de gran interés.

3. Temperatura de capa de gases calient es: uno de los factores que s e usan para realizar l a comparación y

que además es de una gran importancia para posteriores análisis es la temperatura de la capa de gases

calientes, ya que como se m encionó en el num eral anterior, permite entender las verdaderas di ferencias

en el sistema para l as di ferentes simulaciones. Para CFAST y FireLab se cuenta con perfiles de

temperatura respecto al tiempo, los cual es se muestran en la figura 33, permitiendo un análisis directo,

mientras que en FDS los resultados se obtienen como superficies límites, como las mostradas en la figura

34 en donde se cuenta con una escala de colorimetrí a, por lo que su análisis es un poco más complicado

en relación a los perfiles anteriormente mencionados.

 (a)            (b) 

Figura 33. Perfiles de la temperatura de la capa de gases calientes con respecto al tiempo para las simulaciones de (a) FireLab y (b) CFAST.

0

100200

300400

500

600700

800

0 100 200 300

Temperatura (C)

Tiempo (s)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300

Tempe

ratura (C

)

Tiempo (s)

53  

(a)

(b)

Figura 34. Superficies límites de la temperatura de la capa de gases calientes, obtenidos de la simulación de

FDS. (a) Vista isométrica, (b) Vista inferior.

Como se observa en las figuras PERF (a) y (b) los perfiles de l as temperaturas obtenidos tanto para

CFAST como para FireLab tienen comportamientos y valores similares, alcanzando una temperatura

máxima de 704 � C a los 110 segundos y 741 � C a los 115 segundos respectivamente, lo cual era de

esperarse debido a la implementación del modelo de zona. Por otra parte la simulación de FDS no permite

ver directam ente el perfil de t emperaturas pero si encontrar el cuadro de la simulación en que l a

temperatura de los gas es calientes es más elevada, siendo este a los 130 segundos y al canzando una

temperatura de 570 � C. Lo anterior refl eja la diferencia más importante entre los perfiles obtenidos en el

numeral anterior, puesto que un HRR menor refleja temperaturas menores, sin embargo, los resultados

indican que l a reducción de l a temperatura no es tanta como la que se esperaba, ya que el HRR para las

54  

simulación en FDS es un 50% menor, y la temperatura máxima al canzada es tan solo un 20% menor

respecto a la temperatura máxima alcanzada en CFAST y Firelab. Por otra part e, teniendo en cuenta las

diferencias teóricas de los modelos, esta diferencia permite concluir que aunque las simulaciones no

permiten obtener los mismos resultados numéricos, si hay una similitud considerable, lo cual permite

trabajar con todos los resultados y no desechar ninguno de estos por falta de exactitud.

4. La temperatura de los objetos de acuerdo a los resultados de FireLab, es consistente con los de CFAST y

en gran medida con los de FDS, pero estos serán discutidos en la siguiente sección (10.2) debido a su

importancia para el análisis de riesgos. Aún así se debe anotar que la similitud de los resultados es un

importante logro de FireLab y en cierta manera logra validar un poco más su funcionamiento.

10.2 ANÁLISIS DE RIESGOS

A continuación se presentarán los resultados más significativos de cada simulación realizada y posteriormente

el análisis de riesgos que se genera a partir de estos, para así finalment e realizar un análisis global que integre

todos los resultados obtenidos. De acuerdo a lo des crito en la sección 10.1, los resultados en los que se

centrará el análisis de riesgos, son los obtenidos medi ante CFAST y FireLab, mientras que los derivados de

FDS servirán como comprobante de estos, razón por la cual también serán tenidos en cuenta.

10.2.1 Resultados CFAST

Una vez se especi ficaron todos los datos necesarios para co rrer CFAST, se simuló el escenario con un tiempo

de 1500 segundos, teniendo en cuenta que debido al perfil estimado de la Tasa de Calor Liberado, el incendió

duraría aproximadamente 2.42 minutos (140 segundos), tiempo obtenido mediante la ecuaciones p resent adas

por Iqbal et. al. [32]. Los resultados se presentan en la figuras 7, 8, 9, 10 y 11.

La diferencia de temperaturas entre la capa de gases calientes y la capa in ferior, donde la primera llega a

alrededor de 715°C, mientras que la segunda apenas alcanza 100°C, es consistente con la teoría, la cual indica

que la capa superior es aquella en donde los productos de l a combustión se liberan y acumulan con una alta

temperatura y baj a densidad, mientras que la capa inferior sirve como la fuente de aire frio (temperatura

menor a la de l a capa de gases calientes) que contiene oxígeno y que debido a su mayor densidad perm anece

cerca al suelo (figura 35). Dado que la distancia entre el suelo y la capa de gas es calientes (figura 36), es de

un metro (1 m) durante aproximadamente 50 segundos mientras se da la combustión y ya que el 90% de los

equipos se encuentran a esta misma distancia o a una menor desde el suelo, la capa superior l a cual entre los

150 y 200 segundos alcanza su temperatu ra máxima afect a de manera significativa a los equipos y objetos del

laboratorio.

55  

Figura 35. Temperatura para cada zona del laboratorio con respecto al tiempo.

Por otra parte se observa que la temperatura de la capa in ferior logra estabilizars e en la temperatura ambiente

durante el tiempo que se corre la simulación, mientras que la capa de gases calientes reduce su temperatura

apenas hasta 45°C, lo que indica que aún después de consumido él combustible, esta capa se encuentra por

encima de la temperatura ambiente disipando su calor más lentamente debido a la alta concentración de gases

de combustión de la cual está conformada.

Figura 36.Distancia entre el suelo y la capa superior.

Un resultado importante y directamente ligado a los daños producidos por el humo formado durante el

incendio son las concentraciones de ciertas especies de combustión en la capa de gases calientes y frías

mostradas en la Figura 37.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250

Distancia (m

)

Tiempo (s)

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

0 50 100 150 200 250

Temperatura (C)

Tiempo (s)

Zona Superior

Zona Inferior

56  

Figura 37. Variación del Oxígeno y Dióxido de carbono respecto al tiempo en capa superior e inferior.

Se observa como el porcentaje de estas dos sustancias en el compartimiento correspondiente a la o fi cina

adjunta al compartimiento principal no p resent a cambios importantes con el tiempo. Paralelament e, en el

compartimiento principal puede vers e como a medida que la combustión va dándos e a través del tiempo, la

cantidad de oxígeno (O2) en la capa superior e in ferior disminuye así como al mismo tiempo aumenta la

cantidad de CO2 graci as a la reacción de combustión que se da. La razón para que l a variación del O2 en la

capa in ferior sea menor se debe a que los procesos de combustión se dan en su mayoría en la zona superior.

El volumen de a capa de gases calientes es de particul ar interés debido a los daños producidos por efectos

térmicos de ésta sobre los equipos, objetos e instalaciones del laboratorio. En la figura 38 es posible observar

la variación del comportamiento del volumen de la capa de gases calientes con el tiempo la cual, es

consistente con los resultados mostrados en l a Figura 35 en donde s e confirma que a mayor volumen de la

zona de gases calientes, mayor temperatura alcanza el compartimiento. Como se muestra en el perfil de la

Figura 38, el volumen de la capa de gases caliente aumenta considerablemente durante los primeros 50

segundos del incendio alcanzando aproximadament e un volumen de 550 m etros cúbi cos equival ente al 64%

del volumen total del laboratorio lo cual es consistente con el comportamiento general de un incendio

explicado anteriormente en la sección 5. Aunque este volumen se reduce debido al agotamiento del

combustible, la capa de gases calientes no se elimina por completo y se estabiliza en un volumen considerable

de aproximadamente 150 m etros cúbicos, que es equival ente al 17% del volumen del laboratorio, mostrando

que aún después de terminado el incendio, esta capa persiste y puede generar aún más problemas en la

instalación. Se debe resaltar que esta simulación llevada a cabo sin ventilación forzada, permite que se den

estas acumulaciones y que se analice el peor escenario posible.

0

5

10

15

20

0 100 200 300 400

%  Concentración 

Tiempo (s)

Laboratorio Capa Superior O2

Laboratorio Capa Superior CO2

Laboratorio Capa Inferior O2

Laboratorio Capa Inferior CO2

Oficina Oscar Capa Superior O2

Oficina Oscar Capa Inferior O2

57  

Figura 38.Volúmen de la capa de gases calientes con respecto al tiempo.

El comportamiento de la temperatura de las paredes que están en contacto con la capa in ferior, la capa de

gases calient es, el techo y el piso se evidencian en l a Figura 40. De estos componentes es lógico que las

paredes en contacto con la capa superior hayan al canzado una temperatura mayor a las paredes que se

encuentran en cont acto con la capa inferior de gas es más fríos. Estos resultados signi fican un g rave daño al

sistema de cableado que atravies a el techo de la instalación (figura 40), lo cual generará graves consecuencias

a los sistemas mecánicos y electrónicos que dependan de estos, bien sean de ventilación forzada o de

monitoreo entre otros, ya que el cableado cuyos recubrimientos son de teflón o de polietileno, se degradaría

de alcanzar los 260 y 110 grados centígrados respectivamente.

Por otra part e, a partir de la figura 36, se obs erva que a pes ar de que transcurridos 500 segundos la capa de

gases calient es se estabiliza a una altura cercana a la del techo del laboratorio, esta ya se ha en friado

considerabl emente alcanzando los 45°C (figura 35), mientras que l a zona de las paredes superio res siempre

está en contacto con la capa de gas es calientes desde que ésta se encuentra atravesando por su pi co más alto

de temperatura. Por otra parte, la altura total del laboratorio es de 3.35 metros y en la figura 36 puede

apreciars e que la altura máxima alcanzada por la capa de gas es caliente es de aproximadamente 2.6 met ros,

razón por la cual se espera que el techo no se caliente tanto como las paredes superiores. Aunque el techo

cuen ta con un área de contacto mayor que las paredes de la zona superior, las propiedades termofísicas del

concreto no permiten que la temperatura suba más de 120 �C, temperatura que igual es bastante alta para

este material, representando así el tamaño e intensidad del incendio. Como es de esperarse, las temperatu ras

alcanzadas por las paredes inferiores (280°C) y el piso (180°C) se encuentran por debajo de las alcanzadas a

través del tiempo para las paredes superiores.

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

0 500 1000 1500

Volum

en (m^3

)

Tiempo (s)

58  

Figura 39. Muestra del sistema de cableado que recorre el techo de la instalación.

Figura 40. Temperatura de las paredes, techo y piso del laboratorio con respecto al tiempo.

El último resultado presentado que es de gran importancia para este estudio, es el perfil de temperaturas sobre

objetos de gran interés debido a su valor monetario o por el riesgo que representan al alcanzar ciertas

temperaturas (Figura 41). Los objetos escogidos fueron el armario de reactivos (armario 1), el Lio filizador, al

Autosampler, el Analizador y por último los 60 kg de celulosa que se encuentran en el laborato rio para

realizar una prueba en el evaporador. Los resultados muestran que el liofilizador es el equipo que alcanza la

mayor temperatura de entre los otros, llegando a casi 375°C, lo cual se debe a su proximidad con el derrame y

el área de cont acto que tiene frente al derrame, la cual al ser grande, tiene más capacidad de absorber el calor

transmitido. Por otra parte, las propiedades térmicas del material simulado (aleación de aluminio que recubre

el equipo), tienen una alta capacidad calo rí fica que facilita alcanzar estas altas temperaturas.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000 1500

Tempe

ratura (C

)

Tiempo (s)

Techo

Parades Superiores

Paredes Inferiores

Piso

59  

El armario de reactivos no alcanza una t emperatura superior a los 140°C, lo cual representa un resultado

positivo, ya que la temperatura de autoignición de los reactivos contenidos es de 497.78°C para el benceno,

245°C para el ciclohexano y 465°C para la acetona. Aunque no se alcanza ninguna de estas, se debe

considerar que esta temperatu ras y el humo que s e trans fi ere al interior del armario, pueden llegar a generar

una presurización de los tanques, que de acuerdo al sellamiento que p roporcionan las tapas, pueden producir

fugas gaseosas o rompimiento del contenedor de vidrio y un derrame de materiales in flamabl es. El analizador

alcanza una temperatura de 175°C, lo cual también se debe a su p roximidad con el incendio. La simulación

indicó que el autosampler alcanza temperatura de más de 200°C, lo cual repres enta un peligro para la

integridad del equipo. Esta temperatura fue alcanzada, ya que el autosampler tiene un área de cont acto

considerabl e grande, la cual le permite absorber más calor. Por último la celulosa no presento una temperatura

significativam ente alta, lo cual se debe al tipo de celulosa utilizada en la simulación, que no se cataloga como

papel o madera que se podrían encontrar en el laboratorio.

Figura 41. Variación de la temperatura con el tiempo para algunos equipos y objetos del laboratorio.

10.2.2 Resultados Pirosym-FDS

A diferencia de CFAST, la simulación realizada en FDS no genera un registro de los resultados en fo rma

numérica, sino que permite una representación gráfica tridimensional de los mismos tal y como se expuso en

el capítulo 8 y 10.1, por lo que el análisis de riesgos a partir de esta simulación se llevará a cabo con ayuda de

las imágenes obtenidas de l a simulación que tengan particular importancia. Aunque este programa puede

generar una gran cantidad de datos como el cambio en la presión, entalpía, fracción másica de productos de

combustión, etc., este análisis se basará en las variables que se consideran tienen mayor relevancia en la

obtención de los efectos sobre los equipos más importantes de laboratorio y de sus instalaciones.

En primer lugar, en la figura 42 se muestra el comportamiento del sistema desde el tiempo cero hasta que el

material combustible del derrame alcanza su punto de ignición. Transcurridos los 4.4 segundos del incendio

ya se puede observar el comportamiento esperado del sistema en el cual se alcanza la temperatura que da paso

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000 1500

Temperatura (C)

Tiempo (s)

Armario 1

Liofilizador

Celulosa

AutoSampler

Analizador

60  

al incendio de todo el derrame. Posteriormente, se alcanza una temperatura su ficient e como se muestra en la

figura 44 (a), a partir del cual s e observa la acumulación de vapores calientes que dan paso a l a ignición del

bloque de materia orgánica (celulosa) s e incendie como se presenta en la figura 43, generando una

combustión rápida de aproximadam ente 5 segundos, en los cual es se libera su ficient e energía para que el

techo alcance temperaturas de alrededor de 600° C. Mediante el manejo de isosuperfici es, se puede obs ervar

que la capa de temperaturas más calientes se expande hasta la pared del armario de reactivos, lo cual

representa un primer riesgo para la ignición de los mismos, aunque esto se explicará con más detalle

posteriormente. Aunque la ignición de la celulosa genera como tal un flujo de calor hacia los equipos y un

incremento considerabl e de la t emperatu ra, no genera un m ayor efecto sobre el sistema debido a la b revedad

de esta combustión, pero si permite la transición a los verdaderos efector térmicos del incendio generados a

partir del derrame como tal, ya que una vez la combustión de la celulosa termina, el derrame comienza a

generar temperaturas mucho más altas (cercanas a los 200 y 300° C) en el sistema.

En la figura 44 s e pres enta la ignición de l a celulosa desde otro punto de vista, ya que se utilizan co rtes

transvers ales de la instalación para mostrar los perfiles de temperatura del sistema. Esta figura permite ver la

diferencia de comportamiento del sistema dependiendo de la posición en el laboratorio, lo cual no s e puede

diferenciar en las simulaciones de los modelos de zona debido a la restri cción del valor promedio de las

propiedades t ermodinámicas a lo largo de cada capa horizontal. Esta figura como t al no permite concluir

acerca de las cons ecuencias sobre el l aborato rio, pero ilustra como esta simulación permite un acercamiento

más puntual a cada zona o equipo de interés.

En la figura 45 se muestran cuatro diferentes tomas de la instalación con relación a la producción de humo, en

la cual se ve como el humo generado por la combustión en el derrame va llenando la instalación hasta que

aproximadament e a los 170 segundos ésta se llena completamente, lo cual rep resent aría serios daños a los

sistemas mecánicos de ventilación forzada y a elementos como puert as que podrías su frir p rocesos de

corrosión acel erada debido a los ácidos que contiene el humo y la alta temperatu ra de la capa de gases

calientes.

En la figura 46 (c) se muestra en diferent es perspectivas el comportamiento de la temperatura de los equipos y

paredes del sistema cuando el incendio alcanza su pico de liberación de calor, constituyendo un punto de gran

importancia para el análisis de riesgos, ya que es en este punto en donde se puede apreciar el impacto del

comportamiento del sistema sobre los equipos. Se encuentra que una de l as paredes del liofilizador al canza

515° C y el resto llegan alrededor de 405° C, lo cual representaría un daño irreparable en el ABS de la coraza

protectora y de una gran cantidad de componentes electrónicos. Por otra parte la figura 46 (a) muestra que el

analizador también alcanza una alta temperatura cercana a las 450° C, lo cual causaría un daño en la gran

cantidad de cristales y pi ezas pl ásticas, que al derretirse podrí an generar un daño g rave a los mecanismos de

movimiento del equipo.

61  

(a) (b) (c)

(d) (e)

Figura 42. Secuencia del inicio del incendio mediante isosuperficies. Las superficies moradas, blancas y verdes representan 100, 200 y 300 grados centígrados

respectivamente. La secuencia se da para tiempos de (a) 1.7 seg., (b) 2.8 seg., (c) 3.3 seg., (d) 3.9 seg., (e) 4.4 seg.

62  

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Figura 43. Secuencia de ignición de la celulosa isosuperficies. Las superficies moradas, blancas y verdes representan 100, 200 y 300 (verde claro) a 600 (verde

oscuro) grados centígrados respectivamente. La secuencia se da para tiempos de (a) 5.5 seg., (b) 6.1 seg., (c) 6.6 seg., (d) 7.2 seg., (e) 7.7 seg., (f) 9.9 seg.

63  

(a)

(b)

64  

(c)

(d)

65  

(e)

Figura 44. Comparación de las secuencias de la ignición de la celulosa mediante cortes transversales de la temperatura en el borde del derrame (Izquierda, 0.56

m) y a la mitad del bloque de celulosa (Derecha, 3.38 m). Los tiempos para la secuencia son (a) 5 seg., (b) 6.6 seg., (c) 7.2 seg., (d) 9.4 seg., (e) 11.6 seg.

Figura 45. Evolución de la producción de humo a diferentes tiempos en la instalación.

66  

(a) (b)

(c) (d)

Figura 46. Temperatura máxima de los equipos y de la instalación a los 130 seg. de la simulación. En las figuras se presentan: (a) el costado derecho y frente

del Autosampler (izquierda), (b) de izquierda a derecha: costado derecho y frente del liofilizador y el analizador, (c) de izquierda a derecha: frente del

liofilizador, analizador y contenedor de benceno, (d) de izquierda a derecha: costado izquierdo del liofilizador y del analizador.

67  

10.2.3 Resultados FireLab V1

Entre los resultados proporcionados por FireLab, tres de estos tienen la mayor importancia para llevar a cabo

el análisis de riesgos:

1. Temperatura de la capa de gases calientes

2. Altura de la capa de gases calient es

3. Temperatura de los objetos de interés

Se analizará el comportamiento del sistema a partir de cada uno de estos puntos y de la relación entre los

mismos. En primer lugar FireLab fue consistente con CFAST al arrojar un perfil de temperaturas de la capa

caliente muy similar como se discutió en el capítulo 10.1. Este perfil se muestra nuevamente en la figura 47.

Figura 47. Perfil de la temperatura de la capa de gases calientes con respecto al tiempo para la simulacion

de FireLab.

También se cuent a con el perfil de l a altura de la capa de gas es calientes con respecto al tiempo, la cual se

presenta en la figura 48.

Este perfil consistente con los resultados de CFAST, representa en conjunto con la figura 48 un importante

elemento para el análisis de riesgos, ya que la capa de gases calientes que alcanza temperaturas tan altas como

los 700 � C, llega a los 90 cm, altura a la cual se encuentran el 90% de los equipos del laboratorio, lo cual

significa que estos se ven expuestos a altas temperaturas. También significa que las puert as van a calentarse

hasta niveles en que no puedan ser manipuladas por el personal que intente evacuar o ingresar.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250

Tempe

ratura (C

)

Tiempo (s)

68  

Figura 48. Distancia entre el suelo y la capa superior.

Al igual que como se concluyó a partir de los resultados de CFAST, el cableado del techo de la instalación es

uno de los elementos más perjudicados, ya que al no tener ninguna protección especial y estar completam ente

expuestos a la t emperatura de la capa de gases calientes, estos se alcanzan a degradar y a caus ar daños a los

sistemas que dependen de estos.

En la figura 49 se present an los perfiles de temperatura alcanzada por los equipos de importancia con respecto

al tiempo. Los perfiles obtenidos en la figura 49, permite observar que los resultados de FireLab son

consistentes con los de CFAST, y por tanto las consecuenci as también, generando derretimiento del ABS,

plomo, pantallas de cristal líquido y cableado para los equipos estudiados.

(a)

00,51

1,52

2,53

3,54

0 50 100 150 200 250

Altura de

sde el techo (m)

Tiempo (s)

0

100

200

300

400

500

600

700

0 100 200 300

Tempe

ratura (C

)

Tiempo (s)

Point Source T (C)

Shokri Suelo T (C)

Shokri General T (C)

Correl. Shokri T (C)

69  

(b)

(c)

(d)

0

50

100

150

200

250

300

0 100 200 300

Tempe

ratura (C

)

Tiempo (s)

Point Source T (C)

Shokri Suelo T (C)

Shokri General T (C)

Correl. Shokri T (C)

0

50

100

150

200250

300

350

400

0 100 200 300

Tempe

ratura (C

)

Tiempo (s)

Point Source T (C)

Shokri Suelo T (C)

Shokri General T (C)

Correl. Shokri T (C)

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300

Temperatura (C)

Tiempo (s)

Point Source T (C)

Shokri Suelo T (C)

Shokri General T (C)

Correl. Shokri T (C)

70  

(e)

(f)

Figura 49. Perfil de temperatura del (a) liofilizador, (b) Analizador, (c) AutoSampler, (d) benzeno y

ciclohexano, (e) acetona, (f) Equipo de pruebas de presión.

10.2.4 Resumen

Al obtener los resultados y el análisis de riesgos para cada uno de estos, se puede concluir que el sistema sufre

lo siguientes fenómenos:

• Grave daño al sistema de cableado que atravi esa el techo de la instalación, lo cual generará graves

consecuencias a los sistemas mecánicos y elect rónicos que dependan de estos, bien sean de ventilación

fo rzada o de monitoreo entre otros, ya que el cableado cuyos recubrimientos son de teflón o de

polietileno, se degradaría de alcanzar los 260 y 110 grados centígrados respectivamente. • El armario de reactivos no alcanza una temperatu ra superior a los 140°C (CFAST) y 80°C (FireLab), lo

cual rep res enta un resultado positivo, ya que la temperatura de autoignición de los reactivos contenidos

es de 497.78°C para el benceno, 245°C para el ciclohexano y 465°C para la acetona. Aunque no se

020406080

100120140160180200

0 100 200 300

Tempe

ratura (C

)

Tiempo (s)

Point Source T (C)

Shokri Suelo T (C)

Shokri General T (C)

Correl. Shokri T (C)

050

100150200250300350400450

0 100 200 300

Tempe

ratura (C

)

Tiempo (s)

Point Source T (C)

Shokri Suelo T (C)

Shokri General T (C)

Correl. Shokri T (C)

71  

alcanza ninguna de estas, se debe considerar que esta temperaturas y el humo que se transfiere al interior

del armario, pueden llegar a generar una presurización de los tanques, que de acuerdo al sellamiento que

proporcionan las tapas, pueden producir fugas gaseosas o rompimiento del contenedor de vidrio y un

derrame de materiales inflamabl es. • El liofilizador al canza una temperatura de 360°C (CFAST), 300°C (FireLab) y 515°C (FDS). El

analizador alcanza una temperatura de 175°C (CFAST), 140°C (FireLab) y 450°C (FDS), lo cual se debe

a su proximidad con el incendio. La simulación indicó que el autosampler alcanza temperatura de m ás

de 200°C (CFAST), 175°C (FDS). Estos resultados implican un derretimiento de la coraza de ABS y de

las pantallas de cristal líquido, así como un derretimiento de los componente electrónicos que contengan

plomo y a los sistemas internos de cableado. • El diferencial de temperatura entre el interior y el exterior del laboratorio puede ocasionar un

rompimiento de los vidrios de este, ya que la temperatura interna del l aboratorio llega a los 705°C

(CFAST), 715°C (FireLab) y 560°C (FDS). • La simulación en CFAST reveló que el laboratorio llega a ser ocupado en un 64% por la capa de gas es

calientes, mientras que la realizada en FDS mostró que el laboratorio es ocupado en su totalidad por lo

gases de combustión, lo cual generaría un p roceso de corrosión acel erada en los mecanismos de

ventilación fo rzada y en las uniones metálicas de las puertas. • La simulación en CFAST reveló que las puertas alcanzan temperaturas de más de 100°C, lo cual

representarí a un serio riesgo de daño para el personal que intente evacuar o ingresar al laboratorio.

Por último se presenta un cuadro de daños en la tabla 16 en donde se resumen los daños de mayor importancia

en la instalación. Como se puede observar existe un gran riesgo de obtener pérdidas cuantiosas en caso que el

incendio estudiado se produzca, y aunque este caso en particular es el peor posible en donde la ventilación

forzada no está activada, se proponen algunas recomendaciones para que en caso que un incendio tipo

derrame se dé, los equipos de mayor valor sufran un menor impacto del que se calculó anteriormente.

72  

Material Posible Daño Temperatura (C) CFAST FDS FireLab

Concreto De rretimie nto >1000 ND ND ND

Bence no Autoignición 560Cale ntamiento Bajo Punto de Au toign ición

Evaporación del  ma terial  (s in 

e nvase )

Calenta mie nto Bajo Punto de Autoignición

Ciclohexano Autoignición 245Cale ntamiento Bajo Punto de Au toign ición

Evaporación del  ma terial  (s in 

e nvase )

Calenta mie nto Bajo Punto de Autoignición

Acetona Autoignición 465Cale ntamiento Bajo Punto de Au toign ición

Evaporación del  ma terial  (s in 

e nvase )

Calenta mie nto Bajo Punto de Autoignición

Pol ie ti leno De rretimie nto 110 Derre timien to Derretimiento Derretimiento

Teflón De gradación 260 Derre timien to Derretimiento Derretimiento

ABS De rretimie nto 105 Derre timien to Derretimiento Derretimiento

Alumin io De rretimie nto 600‐655

Da ño a  sold adura s e  integridad es tructural

Calen tamie nto Bajo Punto de 

Autoignición

Daño  a  s olda duras  e  integridad  es tructura l

Hie rro De rretimie nto >1500Cale ntamiento s igni ficativo de 

pue rtas

Ca lentamiento  s ign i fica tivo  de 

puertas

Ca lenta mien to s ign i ficativo de  

puertasAcero 

(aleación  de carbón)

De rretimie nto >1400 ND ND ND

Acero (In oxidable )

De rretimie nto >1500 ND ND ND

Cobre De rretimie nto 1084 ND ND ND

Plomo De rretimie nto 327.5

Derretimiento.  Da ño a  

componen tes e lectrónicos .

Derretimiento . Daño a  

compone ntes  electrónicos .

Derreti mien to. Daño a  

componentes  electrón ico s.

Made ra Autoignición 300‐1500Cale ntamiento Bajo Punto de Au toign ición

Ignición del  ma terial  de celulo sa.

Al to  Ca lentamiento  Ba jo Pun to de  Autoignición

Tolu eno Autoignición 530Cale ntamiento Bajo Punto de Au toign ición

Evaporación del  ma terial  (s in 

e nvase )

Leve Calenta mie nto

Etano l Autoignición 365 Ignición Ignición Ignición

PVC De rretimie nto 360Cale ntamiento 

le ve

De rretimie nto e n la  zona  del  derrame. Pos ibles  daños en todo  el  la borato rio

Derretimiento  en la  zona  de l  

derrame. Pos ibles  daño s e n todo e l  

labora torio

Propiedades Consecuencias

Tabla 16. Resumen de daños al laboratorio. En la segunda columna se describe el daño que se puede

ocasionar al alcanzar la temperatura de la tercera columna.

73  

10.3 SUGERENCIAS PREVENTIVAS Y CORRECTIVAS

A continuación se darán una serie de sugerencias tanto preventivas como correctivas para disminuir el riesgo

de los equipos de mayor valor y del personal del laboratorio en caso tal que un evento no des eado como un

derrame de etanol en l a unidad de extracción por solvent es se dé. Este es el último paso en el análisis de

riesgos realizado en est e estudio, y por tanto el más importante ya que es el que finalmente puede caus ar

algún cambio positivo, bien sea en el presente o en el futuro.

Sugerencias co rrectivas:

• Reorganizar el laboratorio, de fo rma tal que los equipos de mayor valor como el liofilizador, el analizador

y el autosampler, tengan una zona lo más alejada posible de la unidad de extracción por solvent es y que

preferiblemente esta tenga un sistema de extracción de humo cercana.

• Posicionar la unidad de extracción por solventes debajo de un extractor de humo para evitar la form ación

de atmosferas explosivas en caso que se llegue a dar una fuga del solvente.

• Posicionar la unidad de extracción de solventes tal que los contenedores del solvente queden ubicados

sobre alguno de los drenajes del laboratorio, o crear un drenaje especi al para esta unidad evitando la

fo rmación un derrame.

Sugerencias preventivas:

• Encerrar el cableado del techo en cajas met álicas o de materiales no conductores de calor debido al alto

riesgo que presenta este sistema debido a su posicionamiento.

• Implementar un sistema de aspersores de agua para menguar o neutralizar un posible incendio.

11. CONCLUSIONES

El análisis realizado en este estudio permite comprender el verdadero signi ficado de un posible incendio en el

laboratorio es cogido, revelando los daños puntual es a los equipos y la estructu ra, los cuales fueron obtenidos

mediante simulaciones detalladas del sistema utilizando tres diferentes herramientas mat emáticas, que

también permitió validar los resultados y a su vez el programa de simulación generado (FireLab). En cuanto a

FireLab, se puede concluir que s e generó un programa de fácil uso para obtener resultados muy puntuales

acerca del comportamiento del sistema, representándolos tanto numéricam ente (tabl as y gráficas ) como

mediante objetos (los cuales permiten una visualización sencilla del compartimiento). Por último se debe

concluir que la simulación es una herramient a muy potente para llevar a cabo estos estudios, pero debido a la

cantidad de variables que pueden cambiar en el escenario real día por día, es necesario pensar en este estudio

como un primer paso en un camino que puede llevar a comprender realmente el significado de un incendio en

condiciones normales en el sistema de interés.

74  

12. NOMENCLATURA

cp Capacidad calorí fica del aire a presión constante (J/kg K)

Tasa de adición de entalpía a la capa i (J/s)

Tasa de producción de componentes por evaporación

Flujo de masa transferida a la capa superior (kg/s)

Flujo del aire a la capa i (kg/s)

MW Peso molecular

P Presión (Pa) Flux convectivo y radiativo

Energía trans ferida a las gotas que se evaporan

Qf Calor total liberado (¿?)

Qf,c Calor convectivo liberado (¿?)

R Constante universal (¿?)

t T iempo (s)

Temperatura de la capa i (K)

Temperatura de la capa inferior (K)

Temperatura de la capa superior (K)

u Vector de component es de velocidad

V Volumen de gas emitido (m3)

Volumen de la capa i (m3)

γ Cociente cp/cv (adimensional)

ε Tasa de disipación

Densidad del gas en la capa i (kg/m3)

Tensor de estrés

∆T g Temperatura de la capa de gas es por encima de la temperatura ambiente (K)

Tasa de liberación de calor (kW)

AT Area total del compartimiento– Area total de zonas de ventilación (m2)

AV Area total de zonas de ventilación (m2)

hV Altura de la abertura de ventilación (m)

hK Coefici ente de transferencia de calor. (kW/m2 *K)

Densidad del material calentado (Kg/m3)

Cp Capacidad calorí fica del material calentado (kJ/ Kg *K)

75  

k Conductividad térmica del material calentado (kW/m* K)

Espesor del material (m)

C Calor especí fico del material (kJ/Kg* K)

t T iempo del incendio (s)

Z Altura de la capa de humo formada (m)

Ac Area del piso del compartimiento. (m2)

hc Altura del compartimiento. (m)

k: Constante usada en el cálculo de la altura de la capa de gases.

Densidad del ambiente. 1.20 (Kg/m3)

Densidad de capa de gases caliente. (Kg/m3)

Ta Temperatura ambiente del aire. 298 (K)

Cp Calor específico del aire. 1 (kJ/Kg*K)

g Aceleración de la gravedad. (9.8 m/ s2)

D Diámetro del derrame. (m)

L Distancia desde el centro del derrame hasta el borde del objeto (m)

Fraccion del calor emitido por radiación.

R Distancia desde el punto establecido hasta la orilla del objeto (m)

Calor emitido por radiación (kW/m2)

Hf1 Altura del cilindro establecido por debajo del objeto. (m)

Hf2 Altura del cilindro establecido por encima del objeto. (m)

76  

13. BIBLIOGRAFÍA

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