Análisis CFD

Garantizar niveles seguros de CO dentro de un recinto, es un objetivo muy importante en el diseño de sistemas HVAC. En este artículo revisaremos cómo el análisis CFD puede ayudar a mejorar la seguridad y eficiencia de una instalación.

El monóxido de carbono (CO) es un gas inodoro y representa uno de los mayores riesgos de intoxicación en lugares cerrados como los estacionamientos. Esto se debe a que suelen ser lugares cerrados, donde además circulan automóviles que emiten este gas, producto del funcionamiento de sus motores de combustión.

Una exposición moderada a este gas, puede originar síntomas como mareo, somnolencia, dolor de cabeza, debilidad muscular y náuseas. Los síntomas pueden variar de individuo a individuo, pero permanecer en un medio con niveles altos de monóxido, puede volverse mortal en cuestión de minutos, incluso antes de que las personas perciban alguna molestia.

Normativas y estándares

Para la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) la concentración recomendada de monóxido de carbono, para un recinto que será ocupado por personas por un periodo de 8 horas, debe ser de 9 ppm (partes por millón). Por otro lado, para la OSHA (Occupational Safety and Health Administration de EEUU) la máxima concentración admisible, para lugares con trabajadores expuestos por un periodo de 8 horas, es de 50 ppm.

Además de considerar los estándares internacionales, es necesario cumplir con las normativas nacionales y los valores máximos de concentración de monóxido, que estas establecen. Para el caso de Perú, la norma técnica EM.030 “Instalaciones de ventilación”, establece un límite de 50 ppm, de concentración máxima de CO, en lugares donde se prevé que existirán empleados y 100 ppm en caso contrario.

La norma EM.030, establece también que, en estacionamientos de más de cinco vehículos o de más de 100m2 útiles, se debe disponer de sensores de monóxido de carbono, que al detectar una concentración mayor a la permitida, envíen una señal de manera automática, para el encendido de los extractores mecánicos.
La tabla siguiente muestra un resumen de algunos estándares importantes.

Es importante, entonces, asegurar una correcta extracción de monóxido de carbono, a fin de evitar daños a la salud de los ocupantes o incluso consecuencias fatales. Además de ello, debemos garantizar el cumplimiento de las normas y estándares.

El análisis CFD

El análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), es una herramienta de cálculo de gran precisión y fiabilidad, que ha sido usada por décadas en industrias como la aeroespacial, automotriz, biomédica, metalúrgica y muchas otras. El análisis consiste (a grandes rasgos) en crear un modelo 3D del volumen de aire, dividirlo en pequeños volúmenes e identificar en él ciertas restricciones, como zonas donde ingresará el aire y por donde será evacuado. Se debe considerar cuidadosamente, las condiciones a las que ingresará el aire al volumen, el modelo matemático a usar para la turbulencia, entre muchas otras cosas que dejaremos de lado en este artículo.

Cabe mencionar que el avance constante de la capacidad de cómputo, hace posible ejecutar algunos análisis CFD en computadoras de escritorio, aunque para volúmenes grandes, aún se requiere de infraestructura especial y computadoras de gran capacidad, para ejecutar los análisis en periodos de tiempo razonables. Por ejemplo, un volumen de 100x50x5 metros, puede tardar en calcularse alrededor de 40 horas en una PC de escritorio de baja capacidad.

El aporte del CFD a la extracción de CO

Quizá el principal beneficio del análisis CFD, es que al ser un cálculo sobre volúmenes pequeños, en lugar de un volumen total; podemos observar con detalle, lo que ocurre con el fluido en cada zona. Parámetros como la velocidad y la temperatura, pueden observarse en gráficas.

En éstas gráficas, se puede observar los valores de temperatura, en una escala donde, a cada color le corresponde un valor numérico. Del mismo modo, se puede observar otros parámetros como concentración de CO y presión; generando una gráfica similar.

El siguiente gráfico muestra precisamente, la concentración de CO, en el estacionamiento de un edificio de oficinas, luego de haberse encendido los extractores, para remover el contaminante. En él podemos verificar los valores de concentración en la escala.

Gráfica de concentración de CO en un estacionamiento subterráneo.

Aquí podemos apreciar, existen zonas con mayor concentración de CO que otras. Este nivel de detalle sólo es posible con un análisis CFD, por lo que es difícil definir a priori, la posición de los impulsores dentro del recinto. En este caso se usan jetfans, pero la disposición de éstos, no logra reducir los niveles de CO en algunas zonas, por debajo de lo indicado por las normas técnicas. En el siguiente análisis, se han reubicado los mismos jetfans para lograr remover más CO del recinto.

Gráfica de concentración de CO luego encender los jetfan.

Como vemos, los valores de concentración de CO, están ahora dentro de los límites admisibles. En esta caso, no fue necesario incrementar la cantidad o capacidad de los jetfans, solo reubicarlos, de acuerdo a los resultados observados en el análisis CFD.

Otra ventaja de este análisis es que, al conocer las zonas donde hay mayor acumulación de CO, estas pueden ser preferidas para colocar los sensores y hacer, de este modo, un accionamiento oportuno de los extractores. Esto, sin duda, es un valor adicional en la seguridad de la instalación.

Existen muchas situaciones, en que el análisis CFD puede aportar resultados importantes al diseño de sistemas HVAC, en este artículo mostramos como, en el caso de la extracción de CO de estacionamientos, un análisis CFD puede ayudar a:

• Evaluar si la cantidad y disposición de jetfans garantiza la extracción del CO.
• Encontrar la posición final de los jetfan.
• Determinar las zonas preferibles, para la instalación de sensores de CO.

Si desea mayor información sobre análisis CFD y cómo puede ayudarle en su proceso de diseño, puede escribirnos a contacto@j2mech.com y solicitar la visita de uno de nuestros ingenieros.