Diseño de los Sistemas de Control de Temperatura y Evacuación de Humos: vía tradicional vs. simulación informática de incendios

Siguiendo la línea de contenido técnico iniciada hace unas semanas en la que se compara el diseño de Sistemas de Control de Temperatura y Evacuación de Humos (en adelante SCTEH) cuando se sigue la vía tradicional y la alternativa a través de una simulación informática, en esta ocasión se aborda la manera en la que se considera la presencia de los rociadores automáticos en una y otra opción.

Las principales consecuencias tras la activación de uno o varios rociadores en caso de incendio son:

• Limitar la potencia del incendio debido a que se acota la zona afectada por la combustión.
• El caudal de agua liberado también produce un enfriamiento de los gases calientes contenidos en la masa de humos debido a la transmisión de calor por convección que se produce entre las partículas de agua y los citados gases.
• Las partículas de agua en su descenso arrastran hacia el suelo a parte de los humos que se encuentran ascendiendo en el penacho y parte de los que han conseguido llegar hasta la parte inferior de la cubierta.

Seguidamente se detalla cómo se tienen en cuenta estas casuísticas en ambas vías de diseño:

Potencia del incendio

a) Vía tradicional (“Método de las regiones de diseño”)

En lo que se refiere al área del incendio, se recuerda cuando se emplea la vía tradicional, se considera únicamente la potencia en el instante de máximo desarrollo que razonablemente pueda alcanzar el fuego. Este valor de potencia se obtiene a través del producto del área que ocupa el incendio y la potencia unitaria que libera el combustible.

Para definir la superficie del incendio en el sector industrial, la norma UNE 23585 contempla incendios de almacenamiento en altura (estanterías) o almacenaje bajo, donde también se recogen los casos de producción. En el primero de los supuestos, se ofrecen una serie de expresiones matemáticas para obtener la superficie del incendio tanto para el caso en el que se tienen rociadores a nivel de cubierta como cuando también existen rociadores a nivel intermedio. Cabe destacar que, según estas expresiones cuando se cuenta con rociadores en niveles intermedios el área máxima se reduce a la mitad con respecto a la situación en la que únicamente se tienen rociadores a nivel de cubierta. Por su parte, para el caso de almacenajes bajos o zonas de producción, la superficie máxima que se ofrece para el incendio no recoge la existencia de rociadores. De existir, se indica que el tamaño máximo del incendio sería menor, pero debe justificarse ante la autoridad competente el valor adoptado o como alternativa se ofrece tomar la misma superficie que en el caso de no existir rociadores.

En la mayor parte de diseños cuando se emplea la vía tradicional se escoge un valor promedio de la tasa de liberación de calor unitaria, argumentando que los materiales que pueden verse afectados en una hipotética combustión son de naturaleza dispar. Si este es el caso la norma dispone de un valor para el caso en el que existan rociadores, y al menos el doble de ese valor en el caso contrario.

En definitiva, las diferentes hipótesis para considerar los rociadores en el valor de potencia ante la que se diseña el SCTEH se recogen a continuación:

      b) Simulación informática

La capacidad de reproducir un incendio que evoluciona en función del tiempo permite hacer la consideración de la limitación de la superficie del incendio de dos formas diferentes:

1. Incendio programado

En este caso se le indica al programa de simulación la curva de liberación de potencia que se quiere que genere el incendio a lo largo del tiempo. En esta situación se realiza un cálculo inicial donde se reproduce la fase de latencia y de posterior crecimiento del incendio y se determina la secuencia de activación de los rociadores durante la citada fase. A partir de esta información junto con las conclusiones de diferentes estudios donde se indica el número de rociadores que se necesitan para controlar un incendio en función del tipo de rociador y la distribución de la carga, puede determinarse el instante en el que la curva deja de crecer y pasa a estabilizarse y cuáles han sido los rociadores que se han requerido para conseguirlo.

2. Incendio por materiales

El programa de cálculo permite definir los materiales que quiere que se vean envueltos en el proceso de combustión, tanto a nivel de volumetría como en lo referido a sus propiedades físicas y químicas que intervienen en la combustión. De esta manera y a partir de una fuente de ignición el fuego se inicia y desarrolla de manera natural, consumiendo el material que encuentra a su paso. De la misma forma se activan los rociadores, siendo capaces o no de detener el crecimiento del incendio. Una vez concluye el cálculo se puede conocer la curva de liberación de potencia que se ha generado en este proceso.

Enfriamiento de los humos

a) Vía tradicional (“Método de las regiones de diseño”)

En el caso de la vía tradicional se emplea un valor medio de temperatura para el diseño del SCTEH y se ofrece una expresión para su cálculo. Si existe una instalación de rociadores, el valor medio empleado es el mínimo entre el valor de cálculo y la temperatura de tarado del fusible del rociador, siendo ésta última la predominante en un alto porcentaje de los diseños. Este razonamiento se sustenta en el hecho de que cuando dejan de activarse rociadores es porque la temperatura de la masa de humos está por debajo de la de tarado de los fusibles. Dicho de otra forma, cuando la masa de humos sale del área de operación de los rociadores su temperatura debe ser como mucho la de tarado del fusible.

Sin embargo, la citada área de operación apenas representa, de forma habitual, una pequeña parte de la extensión de un depósito, con lo que la masa de humos tiene un cierto recorrido hasta ocupar toda la superficie. En este recorrido pierde temperatura, y por ello en una gran parte del depósito la temperatura de los humos estará por debajo de la de activación del rociador, por lo que se antoja que la consideración de la norma puede resultar poco conservadora.

Además del valor de la temperatura de la capa de humos, la norma UNE 23585 establece en su Apartado 7.1.2.5 que debe añadirse un exutorio adicional a los que revela el cálculo para compensar la pérdida de eficacia debido al enfriamiento ocasionado por la actuación de los rociadores.

b) Simulación informática

El cálculo de dinámica de fluidos que realizan los programas de simulación informática llevan implementadas las ecuaciones que gobiernan la transmisión de calor, por lo que pueden determinar el intercambio de calor que se produce entre los gases calientes contenidos en la masa de humos y las partículas de agua o el propio aire del interior del establecimiento que se encuentra a temperatura ambiente. De esta forma se obtiene como resultado la temperatura en cada punto de la capa de humos, y por tanto cada exutorio de la instalación rendirá acorde al gradiente térmico que se genera en su vertical.

Cabe destacar que la precisión a la hora de determinar el gradiente térmico resulta de capital importancia a la hora de obtener un diseño del SCTEH que funcione correctamente. Mientras que en el “Método de las regiones de diseño” se procede a partir de un valor medio derivado de la potencia máxima o de la temperatura de activación de los rociadores, con un cálculo informático se trabaja a partir del perfil de temperaturas completo de la capa de humos.

Arrastre de los humos

a) Vía tradicional (“Método de las regiones de diseño”)

Este efecto no se contempla de ninguna forma aplicando el método de las regiones de diseño.

b) Simulación informática

En el programa de simulación se incluyen físicamente las partículas de agua que libera el rociador, pudiendo incluso caracterizar el cono de agua que se forma en función del deflector e incluso precisando el diámetro de las citadas partículas. Por su parte también se caracteriza la reacción de combustión del material afectado, proceso en el que se genera una determinada fracción másica de diferentes gases y partículas de inquemado (hollín). A partir de esta información el programa determina la interferencia entre los diferentes fluidos y con ello reproduce el descenso de los humos que se produce en el área de operación de los rociadores.

Este efecto es importante por diferentes motivos. En primer lugar porque se genera una zona en la que las condiciones ambientales se ven afectadas por este fenómeno, y por otra parte porque los humos que descienden no pierden todo su gradiente térmico y se desplazan horizontalmente por el suelo hasta que salen del área de influencia del agua volviendo a ascender hacia cotas altas, lo cual puede suceder ya en depósitos adyacentes al afectado donde los aireadores introducen aire de reemplazamiento. Esta situación puede terminar también con humos en las cotas bajas de los depósitos adyacentes o con exutorios en los que se revierte el sentido del flujo y en vez de reemplazar aire evacúan humo.

CONCLUSION:

El “Método de las regiones de diseño” surge como consecuencia de aplicar una gran cantidad de simplificaciones sobre las ecuaciones que gobiernan el problema de la dinámica de fluidos, y como tal sus consideraciones sobre el efecto de los rociadores no dejan de ser simplificaciones adaptadas a un modelo de cálculo escalar y atemporal. Por su parte, los cálculos de dinámica de fluidos que desarrollan en especial los modelos de campo (programas de simulación informática), presentan un número de simplificaciones muy pequeño en comparación con el método descrito en la norma, y en consecuencia las consideraciones sobre la interacción entre los rociadores y el rendimiento del SCTEH son mucho más precisas.

Conocidos los efectos que produce la activación de un rociador, y como éstos pueden afectar al rendimiento de un SCTEH, parece lógico pensar que se deba buscar la máxima precisión a la hora de tenerlos en cuenta para conseguir el diseño óptimo de la citada instalación.