INVESTIGACIÓN NUMÉRICA DE LA TERMODINÁMICA

DE EXTINCIÓN DE FUEGO MEDIANTE AGUA NEBULIZADA

EN UN CENTRO DE CÓMPUTO, EMPLEANDO LA DINÁMICA DE FLUIDOS

COMPUTACIONAL

PRESENTADO POR: ING. ARTURO ARCE CASTILLO M. Sc.

INVESTIGACIÓN NUMÉRICA DE LA TERMODINÁMICA

DE EXTINCIÓN DE FUEGO MEDIANTE AGUA NEBULIZADA

EN UN CENTRO DE CÓMPUTO, EMPLEANDO LA DINÁMICA DE FLUIDOS

COMPUTACIONAL

DISEÑO E IMPLEMENTACION

La implementación de estos sistemas de agua nebulizada no son grandes obstáculos a nivel económico; ya que los sistemas de rociadores permitidos y exigidos actualmente por los diferentes códigos poseen el problema de costos elevadísimos y el factor más importante que es el de requerir un gasto muy superior de agua y energía para extinguir los incendios respecto a los sistemas de agua nebulizada, consumo de agua menor hasta en un 90% de los sistemas de agua nebulizada respecto a los sistemas de rociadores tradicionales; esto debido a que los sistemas de rociadores requieren más energía para accionar las bombas hidráulicas y las densidades de aplicación de agua son mucho mayores con la utilización de sistemas de rociadores que con la utilización de sistemas de agua nebulizad. Las bombas comercialmente existentes en el mercado certificadas en servicio contra incendio para sistemas de rociadores tienen capacidades que van desde 25 galones por minuto hasta 5000

galones por minuto 42; las bombas con puntos de operación de 500 galones por minuto, poseen motores tipo diesel que están en el rango de entre 30 y 50 caballos de potencia, dependiendo de la presión de operación, mientras que las bombas que accionan sistemas de agua nebulizada poseen motores que se encuentran en el rango de entre 3 y 5 caballos de potencia dependiendo también de la presión de operación. Ante los bajos niveles de potencia requeridos por los sistemas de agua nebulizada respecto a los sistemas de rociadores convencionales en centros de cómputo se da la posibilidad de que las bombas de los sistemas de agua nebulizada sean alimentadas por fuentes de energías renovables, los paneles solares o micro turbinas pueden suministrar la potencia a bombas que están entre los rangos de 3 a 5 caballos de potencia; esto permitirá en las instalaciones de centros de cómputo, la instalación de sistemas de agua nebulizada con un importante ahorro de energía respecto a los centros de cómputo que poseen sistemas de rociadores, haciendo de los sistemas de agua nebulizada una forma de energía alternativa respecto a los sistemas de rociadores y aportando ambientalmente respecto a los sistemas de agentes halogenados.

Adicional a lo anterior el daño colateral generado por un sistema de rociadores en caso de descargarse, puede ser mucho mayor que el daño del mismo incendio. Se tiene de un lado el efecto ambiental y de costo causado por los agentes halogenados y de otro lado el costo y el gasto energético y de agua de los sistemas de rociadores, estas controversias respecto a los rociadores y a los sistemas de agentes limpios, pueden ser resueltas con la implementación de sistemas de agua nebulizada.

Estante (Rack) de tecnología de la información

En el diseño del modelo se instalara un rack de tecnología de la información; este tiene unas dimensiones de 2.20 metros de alto, 1 metro de profundidad y 0.60 metros de ancho. Se tomó como referencia el estante (rack) de tecnología de la información de la marca axis con referencia AXGP-7F100NM de 147 kilogramos de peso. La figura ilustra el tipo estante (rack) utilizado.

Típico estante utilizado en centro de cómputo.

El estante mostrado es el comercialmente más utilizado en los centros de cómputo. Dentro de estos estantes se encuentran equipos tales como discos magnéticos, papel, equipos enrutadores y cableado entrante y saliente entre otros. Ya que el cableado es la parte que tiene más facilidad de ignición y es por la que se presentan más incendios (tabla 1) por lo tanto sobre el cableado se realizó el análisis del fuego.

El material utilizado para aislar los cables y los alambres eléctricos es un compuesto fabricado de poliamidas; dentro de esta poliamidas se pueden distinguir dos tipo: las imidas poliamidas y las poliimidas, estos dos últimos compuestos son usados generalmente para todo lo que tiene que ver con aislamiento de cables y alambres.

En una molécula, una imida es un grupo que tiene una estructura general (dibujada en azul) mostrada a continuación:

Es decir que si la molécula mostrada arriba polimerizara, el producto sería, una poliimida. Las poliimidas adoptan generalmente dos formas. La primera es una estructura lineal donde los

átomos del grupo imida forman parte de la cadena lineal. La segunda es una estructura heterocíclica donde el grupo imida forma parte de una unidad cíclica en la cadena polimérica.

Las poliimidas heterocíclicas aromáticas, son típicas de la mayoría de las poliimidas comerciales, tales como el Ultem de G.E. y el Kapton de DuPont. Estos polímeros tienen características mecánicas y térmicas elevadas. Son utilizados en lugar de los metales y el vidrio en muchas aplicaciones de alta performance, ya sea en electrónica, en automotores e incluso en las industrias aeroespaciales. Aunque las poliimidas son difíciles de incendiarse esto no quiere decir que bajo ciertas condiciones estas no produzcan un incendio de proporciones importantes.

Centro de cómputo

Se tomó como centro de cómputo el volumen finito donde está ubicado el estante mostrado en la figura 9. Este volumen finito de control tiene dimensiones de 2 metros de largo, 2 metros de ancho y 0.850 metros de altura; para efectos del análisis no se toma el volumen completo del estante (rack) del centro de cómputo; solamente se toma la de dimensiones de 1 metro de profundidad y 0.60 metros de ancho; la altura solamente se tomara de 0.5 metros. Dentro de este volumen finito de control se ubicara una boquilla de agua nebulizada ubicada justo sobre el paquete combustible; es decir sobre el rack del centro de cómputo. A continuación se ilustra una imagen del volumen finito.

Volumen finito de control.

En la imagen anterior se puede apreciar el volumen finito considerado y dentro de este volumen la parte superior del rack del centro de cómputo; sobre la superficie superior se puede observar la boquilla, que aparece parecida a un punto.

para el proyecto se desarrolló una metodología de un modelo de dinámica computacional de fluidos; Se plantea un incendio en un centro de cómputo con dimensiones y carga combustible conocida (poliimida); así como también con un parámetro critico conocido como es la altura desde donde se descargara el agua a través de boquillas; a continuación se relaciona el modelo físico – químico donde se obtiene otros datos críticos tales como la tasa de liberación de calor y la velocidad del aire en el penacho de fuego.

CÁLCULO DE LA COMBUSTION Y PARAMETROS DE INCENDIO DEL CENTRO DE

CÓMPUTO

Análisis combustión de material de aislamiento de cables poliimida

A continuación se relaciona las restricciones del modelo utilizado para realizar el análisis del material del cableado del centro de cómputo denominado poliimida:

El análisis se limita a un proceso con combustión completa.

Se restringe solo para aislamiento de cables, fabricados en poliimida cuya

composición es:

C 8 H 6

La velocidad de la línea central del penacho, se toma a elevación por

encima de la altura de la llama y se toma en la línea central del penacho,

no se considera que al alejarse del centro del penacho la velocidad

disminuye. Esto hace el cálculo más conservador.

El paquete combustible se encuentra justamente por debajo de la boquilla.

Balanceo ecuación combustión.

Para el material en referencia se tiene, la ecuación de combustión que queda así:

C 8 H 6 CO2 + H2O

Ahora ubicando los coeficientes:

C 8 H 6 + X O2 Y CO2 + Z H2O

Donde X, Y y Z son los coeficientes de la ecuación de combustión; si:

Y = 8 y Z= 3

Entonces el balance de oxígeno es:

X O2 = 8 O2 + 3 O

X O2 = 8 O2 + 1.5 O2

X O2 = 9.5 O2

X= 9.5

Por lo tanto la ecuación de combustión para la poliimida es:

C 8 H 6 + 9.5 O2 8 CO2 + 3 H2O

Teniendo en cuenta el peso molecular de los componentes:

C = 12; O2 = 32; H = 1

H2O= 18 CO2 = 44 O = 16

Se tiene que el análisis por peso es:

C 8 H 6 + 9.5 O2 8 CO2 + 3 H2O

102 304 352 54

Dividiendo los pesos de los componentes de entrada y salida en la reacción de combustión

por el peso del plástico (102) se tiene que:

C 8 H 6 + 9.5 O2 8 CO2 + 25 H2O

1 2,98 3,45 0,52

Lo cual significa que por cada kilogramo de recubrimiento de cable (poliimida) se requiere

2,98 Kg de oxígeno (O2) liberando 3,45 Kg de dióxido de carbono (CO2) y 0,52 Kg de agua

con una combustión completa.

Para la determinación de la cantidad teórica de aire necesario para la combustión, se toma

en cuenta que este tiene una composición aproximada en peso de 21 % de oxígeno (O2) y 79

% de nitrógeno (N2). Para el efecto se han despreciado otros componentes como vapor de

agua y otros gases que se encuentran en menor proporción. En la reacción de combustión

aparece como componente de entrada y salida la fracción de nitrógeno.

La cantidad de aire entonces se determina dividiendo el peso del oxígeno de entrada (2,98)

entre el porcentaje de composición del oxígeno en el aire expresado como decimal,

obteniendo:

2,98 / 0,21 = 14,19

Esto quiere decir que por cada kilogramo de recubrimiento de cable (poliimida) se requiere

14,19 Kg de aire, produciendo 15,19 Kg de gases de combustión

C 8 H 6 + Aire Gases de combustión

1 14,19 15,19

Masa de combustible evaporada

Para el cálculo de la masa de combustible (M) evaporada del solido; este se tomara como un

incendio de piscina.

M = mc (1 – e –KB * D)

Dónde:

M: masa evaporada por unidad de tiempo y área (Lbm / ft2 s)

mc: masa evaporada para el sólido de referencia (Lbm / ft2 s)

KB: factor o variable (ft-1)

D: diámetro de fuego (ft)

Los factores mc y KB ante la ausencia de datos; el valor de KB será tomado para la poliimida

con el del polimetilmetacrilato, ya que el análisis estequiometrico no varía mucho y la relación

oxigeno / combustible en peso (ro) es prácticamente igual para la poliimida, este valor es de

13,00 para la poliimida y para el polimetalmetacrilato es de 12,67, el valor de mc será el del

estireno que sigue el mismo comportamiento de combustión de la poliimida.

mc= 0,007 lbm/ ft2 s

KB = 1,0 Ft -1

El diámetro de fuego se calcula de acuerdo a las dimensiones del solido en combustión; en

este caso se tomara de acuerdo a la parte superior del rack que tiene unas dimensiones de

0,60 metros por 1 metro; por lo tanto el área de incendio será de 0,6 m2. Se asume que esta

zona está totalmente llena de cable sin espacios entre los mismos.

Para paquetes no circulares de incendio como en este caso, puede estimarse un diámetro

efectivo (D) dado por:

D= 2 (Af/ᴨ)1/2

Dónde:

Af = área del incendio (m2).

ᴨ = 3.1416

D = Diámetro efectivo (m)

D= 2 (0.6/ᴨ)

D= 0,874038 metros = 2,867578 pies

Ahora reemplazando valores para la masa de combustible evaporada

M= 0.007 (1 - e –1,0 * 2,867578)

M= 0.007 (1 - e –2,867578)

M= 0.007 (1 – 0,0568364)

M= 0,006602145 lbm / ft2 s

M= 0,006602145 lbm / ft2 s * 0,453592 Kg/lbm

M= 0,002994686 Kg / ft2 s * 0,092903 ft2 /m2

M= 0,000278215 Kg/m2s

Teniendo en cuenta un área de incendio de 0,6 m2 se tiene que la rata de evaporación de

combustible (Me) es igual a:

Me = M * Ap

Dónde:

Me = tasa de evaporación de combustible (Kg/s)

M = masa evaporada para el sólido en referencia (Kg/m2s)

Ap = área del incendio (m2)

Me = (0,000278215 Kg/m2s) * (0,6 m2)

Me= 0,000166929 Kg/s

Me es el flujo másico de evaporación de combustible (ṁ)

Tasa de liberación de calor

Para la determinación de la rata de liberación de calor de la combustión (Q), se utiliza la

siguiente ecuación:

Q = ṁ * hc

Dónde:

Q = rata de calor liberado (Kw)

hc = Calor de combustión neto del solido combustible (Kj/Kg), que para la

poliimida tiene un valor de 38700 Kj/Kg.

ṁ = flujo másico de evaporación de combustible

Q = (0,000166929 Kg/s) * 38700 Kj/Kg

Q= 6,460152 Kj/s

Q= 6,460152 Kw

Q= 22042,9430 Btu/h

El calor producido por el sólido en combustión, es trasmitido al medio ambiente en forma

convectiva y radiante, generalmente la fracción convectiva (Qc) se considera el 70%; siendo

la fracción radiante el 30%. Se tiene:

Qc= 0,7 * Q

Qc = 0,7 * 6,460152 Kw

Qc = 4,522106 Kw

Altura de llama

Para el cálculo de la altura de llama se considera un modelo de incendio rectangular, en el

cual el combustible arde, limitado por la superficie rectangular del rack del centro de

cómputo, no permitiendo extenderse hacia otras áreas. Se puede obtener un cálculo

razonable de la altura de la llama en un paquete sin paredes cercanas con la ecuación:

Zf = 0,166 (Q/k)0,4

Dónde:

Zf = altura promedio de la llama (m)

Q = liberación de calor del incendio (Kw)

k = factor de pared (para este caso tiene un valor de 1 ya que no hay paredes

cercanas.

Reemplazando valores en la ecuación se tiene que:

Zf = 0,166 * (6,460152 / 1) 0,4

Zf = 0,350110 m

Temperatura de columna de humo

Para el cálculo de la temperatura media de columna de humo (T∞) se considera que esta

tiene el mismo comportamiento de una columna de aire caliente; se toma una temperatura

de 350 °C = 623 °K, para la columna de humo; por estequiometria se tiene:

C8 H6 + Aire Gases de combustión

1 Kg 14,19 Kg 15,19 Kg

C8 H6 + O2 + N2 CO2 + H2O + N2

1 Kg 2,98Kg 11,21 Kg 3,45 Kg 0,52 Kg 11,21 Kg

Se toma masa de 15,19 Kg

Media = (m1CO2 ) + ( m2H2O) + (m3N2) / m

Donde

m1 = masa de CO2 (Kg) CO2 = Densidad de CO2 (Kg/m3)

m2 = masa de H2 O (Kg) H2O = Densidad de H2O (Kg/m3)

m3 = masa de N2 (Kg) N2 = Densidad de N2 (Kg/m3)

m = masa total gases de combustión

Media = (3,45 * 0,8569) + (0,52 * 0,3516) + (11,21 * 0,55)

15,19

Media = 0,612 (Kg/m3)

Media = 0,612 (Kg/m3) esta es la densidad para la cortina de humo de gases de combustión

a temperatura media (623 K) y la densidad del aire a 623 K es aire = 0,5672 (Kg/m3).

Ya que las densidades son muy parecidas en valor, se concluye que la columna de humo

tiene el mismo comportamiento que una cortina de aire caliente; por ende se utilizan las

propiedades termodinámicas del aire. Para calcular la temperatura de la columna de humo se

tiene:

T∞ = To + 9,1 [ To/g*Cp2*o2]1/3 *[Q2/3 / Z5/3]

Donde

T∞= temperatura absoluta en la línea central de la columna de humo (ºK)

To = temperatura ambiente absoluta (ºK)

g = aceleración de la gravedad (m/s2 )

Cp = calor específico del aire (1 Kj/Kg ºK)

o = densidad del aire ambiente (Kg/m3)

Q = Calor disipado por el fuego en forma convectiva (Kw)

Z = altura encima de la base del fuego (m)

Reemplazando valores:

T∞ = 294,15 + 9,1* [294,15/9,81*12*1.22]1/3 * [ 4,5221062/3 / 0,3501105/3]

T∞ = 294,15 + 9,1 [294,15 / 14,1264]1/3 * [2,734600 / 0,173916]

T∞ = 294,15 + 9,1 * [ 2,751138] * [ 15,723682]

T∞ = 687,8 ºK

T∞ = 415 ºC

Fuente virtual del incendio

Con el fin de estimar la temperatura y la velocidad media de la línea central del penacho, se

debe determinar primero el origen virtual. El origen virtual es la ubicación o la elevación

hipotética asociada con una sustitución de un incendio con fuente puntual, para el incendio

real en cuestión; se tiene:

Zo = -1.02D +0.083 Q2/5

Dónde:

Zo = ubicación de la fuente virtual del incendio (m)

D = diámetro de la superficie del combustible en combustión (m)

Q = Calor disipado por el fuego (Kw)

Reemplazando valores se tiene:

Zo = -1.02 (0,874038) +0.083 (6,460152)2/5

Zo = -0.716463 m

Velocidad de la línea central del penacho

La velocidad en la línea central del penacho a elevaciones por encima de la altura media de la

llama puede estimarse a partir de:

Uo = 3,4 [g/Cp*∞* T∞]1/3 * Qc1/3 [Z- Zo] -1/3

Donde

Uo= velocidad media de la línea central (m/s)

g = aceleración de la gravedad (m/s2 )

Cp = calor específico del aire (1 Kj/Kg ºK)

∞ = densidad del aire ambiente (Kg/m3)

T∞= temperatura ambiente (°K)

Qc = Calor disipado por el fuego en forma convectiva (Kw)

Z = elevación por encima de la fuente del incendio del combustible que se quema

(m)

Zo = ubicación de la fuente virtual del incendio (m)

Reemplazando valores se tiene:

Uo = 3,4 [9,81/1*1,2* 294,15]1/3 * 4,5221061/3 [0,350110- -0.716463]-1/3

Uo = 3,4 [9,81/352,98]1/3 * 1,653662 [0,97874555]

Uo = 3,4 [0,302904] * 1,653662 [0,97874555]

Uo = 1,6668 m/s

Factor de decaimiento de velocidad entrada aire y temperatura

Se tiene que la boquilla de descarga según la hoja técnica del fabricante a 14 bares que

equivale a 203,05 PSI; produce aproximadamente 0,000125 m3/s lo que equivale a 1,9813

galones por minuto, se tiene que a una distancia de la boquilla de 37 centímetros respecto a

la parte superior del rack y con un ángulo de 60°, la cobertura de la boquilla a esta distancia

seria de 0,42 metros, este diámetro de cobertura daría un área de:

A= ᴨ*(r)2

Dónde:

A = Area (m2)

ᴨ = 3,1416

r = radio

A= ᴨ*(0,21)2

A= 0,1385 m2 o 1,4908 pie2

Teniendo entonces una densidad de descarga de 1,9813 galones por minuto se tiene:

1,9813 gpm 1,4908 pie2

Esto nos da un resultado de 1,3290 gpm / pie2, y con factor de decaimiento para 0,1gpm /

pie2 es 0,0023; se tiene:

gpm / pie2 K (factor de decaimiento)

0,1 0,0023

1,3290 x

Esto nos da un factor de decaimiento para la boquilla a esta distancia de 0,030567.

ENTRADA DE DATOS AL CFX

El programa de dinámica computacional de fluidos CFX para realizar las simulaciones de la extinción de incendio mediante agua nebulizada; requiere una serie de entrada de datos para unas variables previamente determinadas, las cuales fueron calculadas en “cálculo de la combustión y parámetros de incendio del centro de cómputo”; estas variables manejan unas ecuaciones de entrada para que el software realice el caculo de las variables.

Cualquier flujo en mecánica de fluidos es determinado por la ecuación más importante y que rige la mecánica de fluidos; que es la ecuación de Navier-Stokes:

Así mismo el software requiere las ecuaciones instantáneas de masa, momentum y conservación de la energía; las ecuaciones instantáneas para flujos turbulentos son promediadas dando lugar a términos adicionales; las ecuaciones instantáneas de masa, momentum, conservación de la energía y otras importantes ecuaciones solucionadas por el software pueden ser escritas tal como sigue:

ECUACION DE CONTINUIDAD

ECUACIONES

DE MOMENTUM

El esfuerzo tensor está relacionado con la velocidad de deformación

ECUACION DE

ENERGIA TERMICA

MODELO DE TURBULENCIA k-

épsilon (Ecuación de Continuidad)

MODELO DE TURBULENCIA

k-épsilon (Ecuación de Momentum)

PRESION TOTAL FLUJO MULTIFASE

Las ecuaciones arriba escritas son las principales ecuaciones que trabaja el software en la simulación de flujos multifase. En la tabla 6 se dan las convenciones de esta formulas, se hace énfasis que solamente se exponen las principales ecuaciones, mas no todas las operadas por el software en un flujo multifase.

CONVENCIONES DE ECUACIONES

SIMBOLO DESCRIPCION

Densidad

Vector de Velocidad

Operador Vector

Fuente u Origen de Momentum

Matriz de Identidad

Energía Mecánica

Fracción de Volumen

Densidad del Material

Densidad de la mezcla

Tabla Convenciones de ecuaciones operadas por el CFX en simulaciones multiflujo.

Una simulación multiflujo se presenta cuando más de un fluido está presente. Cada fluido posee su propio campo de flujo o todos los fluidos podrían poseer un mismo campo de flujo, en este caso se presentan fluidos donde cada uno tiene su propio campo de flujo, se realizó la simulación según el enfoque lagrangiano, donde se hace seguimiento a un número predeterminado de partículas.

Con los datos requeridos por el programa ya calculados; se plantea la metodología para realizar la simulación numérica.

Metodología para la simulación numérica ANSYS-CFX

1. Pre-procesador a. Geometría: dominio computacional b. Generación de malla c. Modelo físico

d. Definición de propiedades del fluido e. Condiciones iniciales y de frontera

2. Solucionador a. Algoritmo o esquema numérico

i. Integración de las ecuaciones ii. Discretización de las ecuaciones iii. Solución algebraica

3. Pos-procesados a. Dominio geométrico y malla b. Grafica de vectores c. Grafica de contornos d. Gráfica de superficies

Pre-procesamiento

Dentro de la metodología para realizar la simulación numérica, se encuentra la parte de pre-procesamiento, que es donde se genera la geometría en la que se va a realizar la simulación. El dominio computacional se generó para la parte superior de un estante (rack) de tecnología de la información centro de cómputo; con la geometría hecha del dominio computacional se procede a realizar la generación de la malla, se trabajó con una malla de 20 milímetros. La figura inferior exhibe el dominio computacional enmallado.

Dominio computacional con malla.

Después de haberse realizado el enmallado de la geometría del dominio computacional se procede a llevar al CFX lo que es el modelo físico, el modelo físico es el sólido enmallado pero listo para dar valores a los atributos de tanto los fluidos; como las condiciones de frontera. Con el modelo en el CFX, se inicia indicando el “tipo de análisis” si el análisis es estacionario o y transiente, para el proyecto se generaron dos tipos de análisis; el primero fue el estacionario y el segundo fue el transiente. El estado estacionario indica el fuego antes de la activación de las boquillas de agua nebulizada, se tomó este dato como de dos segundos, este dato realmente no tiene implicaciones importantes ya que a partir del tiempo 0 segundos se considera que el rack posee una combustión total y completa; es decir el fuego no crece; se toma como si el crecimiento de este fuera instantáneo en el tiempo cero (0) segundos, pero para efectos de cálculo se tomó de dos segundos; realizado esto se procede a dar valores a las variables del dominio computacional; dichas variables son: localización, tipo de dominio, presión de referencia, si el modelo posee flotabilidad, la morfología que se refiere a si el flujo es continuo o disperso, el tipo de modelo de transferencia de calor y el modelo de turbulencia entre otros.

Con las variables del dominio definidas se procede a definir las condiciones de frontera; se tomaron condiciones de frontera tales como: las aberturas, la entrada de agua, la entrada de aire y las paredes o muros.

Dominio computacional con condiciones de frontera.

En la figura se puede apreciar las condiciones de frontera; las flechas de color azul (laterales) indican las aberturas del volumen de control; mientras que las flechas negras (superior e inferior) indican la primera la entrada de agua y la segunda la entrada del aire caliente de la combustión al volumen de control. Después de cuantificar los valores de las condiciones

frontera se procede a determinar cuáles serán las unidades de solución. Con las unidades de solución definidas, se edita el “solver control” aquí se define el tiempo físico del que se habló; es decir los dos segundos, el número de iteraciones que se tomaron; que para el proyecto fue de sesenta y cinco iteraciones.

Ahora se procede a dar atributos al estado transiente; lo primero que se debe realizar es duplicar el estado estacionario, con el estado estacionario duplicado se procede a cambiarle el nombre a esta copia del estado estacionario, por el nombre de estado transiente. Con el nombre de estado transiente, ahora se procede a dar valores a este; ya que es una copia del estado estacionario; solo se deben cambiar atributos de entrada de aire y entrada de agua; estos datos son obtenidos del modelo “cálculo de la combustión y parámetros de incendio del centro de cómputo”. En la condición de frontera “entrada de agua” del análisis transiente; se da un numero de posiciones de 250 partículas, con diámetros de 90, 110, 130, 150, 180, 210, 230, 260, 290 y 320 micrones, el flujo másico es de 0.1185 kg^seg -1. La velocidad de entrada de agua a la boquilla es de 4.43 m/s y la temperatura del agua a la entrada es de 18°C, la entrada de aire tiene una velocidad de 1.6668 m/s. ahora se procede a editar el “solver control” aquí se define el control de convergencia donde se trabajó con un min. Coeff. Loop de 1 y con un max. Coeff. Loop de 4. Finalmente se hacen las “configurations” para el estado estable y el estado transiente; en estas se da la condición de activación de cada estado, para el estado estable la condición de activación es el inicio de la simulación. Para el estado transiente la condición de activación es que se haya completado el estado estacionario; realizado esto se procede a dar inicio a la simulación.

Solucionador

Al iniciar la simulación el software CFX lo que hace es plantear ecuaciones y darle soluciones por medio de algoritmos, la convergencia del CFX indica que esta debe ser la raíz media cuadrada RMS E-04 del parámetro evaluado. Se evaluaron las ecuaciones masa y momentum, la transferencia de calor, la turbulencia, la fracción de masa y la tasa de cambio de la partícula. Estas variables de evaluaron para el estado estacionario y para el estado transiente.

La duración de las simulaciones fue de: la simulación estacionaria tuvo una demora de seis (6) horas y cincuenta y dos (52) minutos; la simulación transiente tuvo una duración de diez y siete (17) horas y ocho (8) minutos. El equipó computacional en que se trabajo fue un equipo con un procesador I7 de tercera generación PENTIUM; la capacidad del equipo en memoria RAM fue de 32 megabytes.

A continuación se muestran las imágenes de los resultados del solucionador en estado estacionario.

Estado estable. Valor de variable de masa y momentum versus timesteep.

Estado estable. Valor de variable transferencia de calor versus timesteep.

Estado estable. Valor de variable turbulencia versus timesteep.

Estado estable. Valor de variable tasa de cambio de partículas versus timesteep.

Estado estable. Valor de variable fracción de masa versus timesteep.

A continuación se muestran las imágenes de los resultados del solucionador en estado transiente.

Estado transiente. Valor de variable masa y momentum versus timesteep.

Estado transiente. Valor de variable transferencia de calor versus timesteep.

Estado transiente. Valor de variable turbulencia versus timesteep.

Estado transiente. Valor de variable fracción de masa versus timesteep.

Estado transiente. Valor de variable tasa de cambio de partículas timesteep.

Ya que el pos procesamiento tiene que ver con los resultados; este se tratara en la siguiente seccion “resultados”.

RESULTADOS

En esta parte de la investigación se trata lo que se encontró en la investigación y la validación del modelo de acuerdo a los estudios realizados, como parte final de la simulación se encuentra el pos-procesado que es donde se analizan las variables de interés tales como temperatura, velocidad y presión entre otras.

Pos-procesamiento

Dentro del pos procesamiento lo que se hace es obtener datos numéricos y gráficos de contornos, superficies, vectores y líneas de corriente.

Ante la imposibilidad de documentación que tratara el tema de incendios en solidos se dan tres mecanismos por los cuales la niebla de agua podría extinguir un incendio:

1. Las gotitas de agua, mientras se evaporan, elimina el calor, ya sea en la superficie de combustible o dentro de la llama gaseosa. Este enfriamiento puede producir la extinción.

2. Las gotitas finas se evaporan en el ambiente caliente aun antes de llegar a la llama, generando vapor que atenúa, disminuye el porcentaje de oxígeno en el aire cerca de la llama, causando de esta manera la extinción pro un mecanismo similar al de un gas inerte.

3. La niebla bloquea la transferencia de calor radiante entre el fuego y el combustible.

Respecto al mecanismo 1 en lo que se refiere al enfriamiento de los gases, esto se logra si la niebla rocía directamente hacia el objetivo.

Ante la falta de documentación sobre extinción de incendios en sólidos, para el proyecto se tomó el criterio de extinción del mecanismo uno (1), ya que adicional la niebla de agua se encuentra justamente sobre el paquete combustible. Para ser más conservadores en el cálculo; se tomó criterio cuando el paquete combustible tenía una temperatura promedio ligeramente inferior a los cien grados centígrados (100°C) ya que a esta temperatura el agua nebulizada solo enfriara el paquete combustible y no se evaporara ya más; esto quiere decir que si el paquete combustible se encuentra a una temperatura promedio de 99 °C o menos se considera el incendio extinguido, también se tomó adicional un criterio aún más conservador se tomó también como temperatura de extinción el enfriamiento de los gases; esto es cuando los gases en el volumen de control tengan una temperatura promedio cercana a la temperatura ambiente, se consideran que han sido enfriados y por ende el incendio extinguido.

En la figura A se puede apreciar en un plano de corte del volumen de control; cuando las boquillas aún no se han activado en tiempo t= 0 segundos, las partes más rojas indican el valor más alto de la variable; en este caso la temperatura más alta y las partes más azules indican el valor más bajo de la variable; en este caso la temperatura más baja. La figura B muestra el mismo plano pero en un tiempo de t = 5 segundos.

Figura A. Plano de Visualización corte lateral del dominio de control en tiempo t= 0 segundos

Figura B. Plano de Visualización corte lateral del dominio de control en tiempo t= 5 segundos

Figura C. Vista isométrica del volumen de control donde se muestra la temperaturas de las gotas de agua nebulizada en un tiempo t = 1 segundo.

En la figura C se pueden apreciar las miles de gotas de agua nebulizada en un tiempo de t = 1 segundo, se puede apreciar que las gotas que salen de la boquilla instantáneamente adquieren una temperatura de más de 3000° C. en la figura D se puede apreciar el paquete combustible ardiendo con una temperatura aproximada de 415 °C en un tiempo t = 0 segundos.

Al utilizar la función “calculators” del software, se pudo determinar que la extinción del incendio ocurre en un tiempo t= 20 segundos; se pudo comprobar con esta función que la temperatura promedio en la condición de frontera entrada aire era de 368.5 °K (95.35 °C), esto determina que se cumple el primer criterio de extinción. La figura E muestra el paquete combustible en el tiempo de extinción del incendio t= 20 segundos. La figura F muestra el volumen de control en un tiempo t= 27 segundos donde se logra la extinción con el segundo criterio de extinción cuando gases tiene una temperatura promedio cercana a la temperatura ambiente se consideran enfriados y por ende el incendio extinguido; la temperatura promedio de los gases a los 27 °C es aproximadamente de 295 °C, también se puede apreciar el movimiento de las partículas de agua nebulizada.

Se puede apreciar que los dos criterios de extinción solo poseen una diferencia de desempeño de siete segundos, por lo tanto la extinción en este escenario seguramente si se dará.

Figura D. Vista isométrica del volumen de control donde se muestra la condición de frontera entrada aire en un tiempo t = 0 segundos.

Figura E. Vista isométrica del volumen de control donde se muestra la condición de frontera entrada aire en un tiempo t = 20 segundos. Extinción del incendio

Figura F. Vista isométrica del volumen de control donde se aprecia el movimiento de partículas de agua nebulizada y el enfriamiento de las condiciones de frontera en un tiempo t = 27 segundos. Extinción del incendio

Se encontró también que la temperatura de la condición de frontera “entrada aire” se comporta como una función exponencial según su gráfica (figura G), se tabularon valores encontrándose que el grafico temperatura versus tiempo, se comportaba exponencialmente. Se puede apreciar que a medida que el tiempo avanza, la temperatura va decreciendo.

El tamaño promedio de la partícula se da por el “averaged sauter mean particle diameter” esta variable en el tiempo de extinción de 20 segundos es de 159 micras. En el tiempo de extinción con 27 segundos es de 160 micras, por lo que se puede decir que la variación del diámetro promedio de la partícula es despreciable respecto a los tiempos de extinción para el volumen de control en cuestión.

VALIDACION DEL MODELO

Ante la escasa documentación respecto a la extinción de incendios en sólidos, se tomó como criterio de aceptación de extinción del fuego del proyecto los estudios realizados en el tema; se encontró que a variadas presiones; entre mayor fuera la presión de descarga del agua nebulizada, menor era el tiempo de extinción y viceversa; la figura H muestra en un incendio de combustible tipo diesel esta tendencia.

Se puede apreciar que con una boquilla instalada a dos metros de distancia del incendio, (el incendio de cubeta fue utilizado para prueba de un incendio de piscina) poseía unas

dimensiones de 0.22 metros con una altura de 0.04 metros. La extinción a 0.2 mpa y 0.3 mpa ocurre aproximadamente en un tiempo entre 18 y 22 segundos. Realizando la comparación respecto al tiempo de extinción del incendio del proyecto se tiene que el incendio se extinguió en tiempos de 20 segundos y 27 segundos, por lo que se consideran aceptables los resultados respecto a la validación del modelo.

Figura G. Temperatura de condición de frontera entrada aire versus tiempo.

Figura H. Tiempos de extinción bajo diferentes presiones de operación y flujos másicos.

También se tomó como referencia la supresión de un incendio de metilmetacrilato, la fuente del incendio poseía unas dimensiones de 0.5 metros por 0.5 metros y 10 milímetros de espesor.

Figura I Tiempos de extinción para metilmetacrilato bajo una presión de operación de 0.2 mpa (29 PSIg).

Se puede apreciar en la figura I, que ya que la presión de operación del sistema de agua nebulizada es baja; este demora más en realizar la extinción del fuego. A diferencia de la figura J en la que para el mismo incendio, este se extinguió en tan solo 7.2 segundos, con una presión de operación de 116 PSIg; por lo que se concluye que ya que la presión de operación en la boquilla de descarga del proyecto tiene una presión de trabajo de 203 PSIg y el incendio es en la parte superior del gabinete (rack) y es un área de incendio más grande (1 metro de profundidad y 0.60 metros de ancho);que los resultados también son aceptables.

Figura J. Tiempos de extinción para metilmetacrilato bajo una presión de operación de 0.8 mpa (116 PSIg).

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En esta parte del proyecto se enuncia lo más destacado que se encontró, dentro de lo más importante que se concluye se encuentra lo siguiente:

Al tener una presión mayor en un sistema de agua nebulizada, las velocidades son proporcionales a esta, conduciendo a una extinción más rápida a mayor velocidad de impulsión.

De acuerdo a la validación realizada en el proyecto se puede afirmar que la dinámica

computacional de fluidos es una herramienta confiable, para determinar la extinción

de incendios mediante agua nebulizada en centros de cómputo.

En comparación un sistema de agua contra un sistema de rociadores; se tiene que el

sistema de agua nebulizada consume solo aproximadamente el 15 % de potencia de

lo que consume un sistema de rociadores tradicional.

Respecto a la comparación de los sistemas de agua nebulizada contra un sistema de

rociadores, el sistema de rociadores tradicional requiere un tanque de agua de

aproximadamente 13500 galones, mientras que un sistema de agua nebulizada

requiere un tanque de solo 600 galones. Es decir el sistema de agua nebulizada

consume en agua tan solo el consumo del 4.45 % del consumo del sistema de

rociadores tradicional.

Los parámetros de supresión de incendios en solidos deben ser cambiados; ya que

el pos procesador del software no entrega datos de vapor ni de oxígeno, genera

datos del aire y del vapor de aire, sin especificar componente químico de estos.

Si es posible utilizar un sistema alternativo de energía al del funcionamiento de las

bombas tradicionales que operan con motores diesel o con energía eléctrica; ya que

los consumos de las bombas que impulsan el agua nebulizada son pequeños, es

totalmente viable instalar un sistema que energice la bomba por medio de paneles

solares.

Al descargar con una presión alta un sistema de agua nebulizada, este realiza la

extinción en un tiempo menor que el mismo sistema que tenga una presión de

descarga menor.

El agua nebulizada es el agente idóneo para reemplazar los sistemas de extinción

por medio de agente limpio y de gases inertes.

Al hacer una malla más densa para el dominio, los resultados de convergencia son

más elevados; es decir son más exactos, pero requiere mayor tiempo

computacional.

Se sugiere para estudios futuros, evaluar el paquete combustible con madera u otro

material que presente un desafío aun mayor que la poliimida.

Sería importante para la industria del agua nebulizada. Antes de diseñar una

boquilla; realizar el planteamiento previo con una herramienta tan importante como

la dinámica de fluidos computacional, así podría determinar ángulos de descarga,

presiones de descarga, flujos másicos, tipo de boquilla si es de descarga por chorro

o de choque y otros parámetros útiles en la investigación incipiente del agua

nebulizada en la extinción de incendios.

FUENTES Y REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Gerard G. Back III, Craig L. Beyler, Rich Hansen, A quasi-steady-state model for predicting fire suppression in spaces protected by water mist systems. Fire Safety Journal 35 (2000) 327-362.

[2] Hideki Yamada, Gyuyoug Yoon, Masaya Okumiya, Hiroyasu Okuyama, Study of Cooling System with Water Mist Sprayers: Fundamental Examination of Particle Size Distribution and Cooling Effects 2008.

[3] Zhigang Liu and Andrew K. Kim, A review of water mist fire suppression systems – fundamental studies, K1A 0R6.

[4] Derrick Alexander, Eric Li, Martec Limited, Water Mist Fire Suppression Modeling 2009-132.

[5] Mustapha Chaker, Ph. D.Director, Research and Development; Cyrus B. Meher-HomjiChief Engineer; Thomas Mee III, Chairman and CEO, Inlet Fogging Of Gas Turbine Engines - Part A: Fog Droplet Thermodynamics, Heat Transfer And Practical Considerations Proceedings of ASME Turbo Expo 2002 June 3-6, 2002 Amsterdam.

[6] Danardono A. Sumarsono, Yulianto S. Nugroho, Mariance, and I Gede Wahyu W. Ariasa Concept Design And Testing Of Multi-Nozzle Water Mist Fire Suppression System, vol. 14, no. 2, November 2010: 138-142.

[7] J.R Mawhinney, P. Eng national research council Canada. Engineering criteria for water mist fire suppression systems.

[8] Rudolf J. Schick Vice President, Spray Analysis and Research Services Spraying Systems Modeling the Use and Effectiveness of Spray Technology in Gas Conditioning Applications.

[9] K.C. Adiga, Robert F. Hatcher Jr, Ronald S. Sheinson, Frederick W. Williams, Scott Ayers, A computational and experimental study of ultra-fine water mist as a total flooding agent Fire Safety Journal 42 (2007) 150–160.

[10] Kuldeep Prasad, Gopal Patnaik, K. Kailasanath, A numerical study of water-mist suppression of large scale compartment fires. Fire Safety Journal 37 (2002) 569–589.

[11] X. Huang, X.S. Wang, G.X. Liao, Characterization of an effervescent atomization water mist nozzle and its fire suppression tests. Proceedings of the Combustion Institute 33 (2011) 2573–2579.

[12] Peizhong Yang, Tao Liu, Xian Qin, Experimental and numerical study on water mist suppression system on room fire. Building and Environment 45 (2010) 2309 – 2316.

[13] Bin Yao, Weicheng Fan, Guangxuan Liao, Interaction of water mists with a diffusion flame in a confined space. Fire Safety Journal 33 (1999) 129-139.

[14] Li De-pin, Chen Zu-ming, Numerical Simulation of Water Mist Fire Suppression Technology. Procedia Engineering 11 (2011) 205–209.

[15] Tianshui Liang, Siuming Lo, Xishi Wang, Guangxuan Liao, A Numerical study of the Fire-extinguishing Performance of Water Mist in an Opening Machinery Space. Procedia Engineering 31 (2012) 734 – 738.

[16] Jukka Vaari, A Study of Total Flooding Water Mist Fire Suppression System Performance Using a Transient One-Zone Computer Model. Fire Technology, 37, 327–342, 2001.

[17] Sung Chan Kim, Hong Sun Ryou, An experimental and numerical study on fire suppression using a water mist in an enclosure. Building and Environment 38 (2003) 1309 – 1316.

[18] Lijun Yang, Jianbo Zhao and Zhenyu Xu, Calculation of fire extinguishment time with water mist in an enclosed room. Journal of Thermal Science Vol.19, No.6 (2010) 561−566.

[19] Paolo E. Santangelo, Characterization of high-pressure water-mist sprays: Experimental analysis of droplet size and dispersion. Experimental Thermal and Fluid Science 34 (2010) 1353–1366.

[20] R. Rahimi, D. Abbaspour, Determination of pressure drop in wire mesh mist eliminator by CFD. Chemical Engineering and Processing 47 (2008) 1504–1508.

[21] B. Yao, B.H.Cong, J.Qin, W.K.Chowb, Experimental study of suppressing Poly (methylmethacrylate) fires using water mists. Fire Safety Journal 47 (2012) 32–39.

[22] Zhang Yongfeng, Fang Yudong, Huang Xin, Jin Xiang and Qin Jun, Experimental Study Of The Interaction Between The Water Mists And PVC Fire. Anhui Province, China. Vol 85 (B1) 39–44.

[23] LIU Jianghong, LIAO Guangxuan, LI Peide QIN Jun & LU Xiyun, Experimental study on the interaction of fine water mist with solid pool fires. October 20, 2002. Vol. 46 No. 2.

[24] H.K. Chelliah, Flame inhibition/suppression by water mist: Droplet size/surface area, flame structure, and flow residence time effects. Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007) 2711–2719.

[25] Paolo E. Santangelo, Paolo Tartarini, Full-scale experiments of fire suppression in high-hazard storages: A temperature-based analysis of water-mist systems. Applied Thermal Engineering 45-46 (2012) 99 – 107.

[26] Yuh-Ming Ferng, Cheng-Hong Liu, Numerically investigating fire suppression mechanisms for the water mist with various droplet sizes through FDS code. Nuclear Engineering and Design 241 (2011) 3142– 3148.

[27] J. Richard, J.P. Garo, J.M. Souil, J.P. Vantelon, On the flame structure at the base of a pool fire interacting with a water mist. Experimental Thermal and Fluid Science 27 (2003) 439–448.

[28] Liu Jianghong, Liao Guangxuan, Li Peide, Progress in research and application of water mist fire suppression technology. Chinese Science Bulletin 2003 Vol. 48 No.8 718 – 725.

[29] Xiao Xk, Kuang Kq, Liang TS, Tang Hd, Liao Gx, Yuen Kkr. Study on Flame Expansion Phenomenon in Pool Fire Extinguished by Water Mist. Procedia Engineering 11 (2011) 550–559.

[30] J. Qin, W.G. Weng, Preliminary study of water mist suppressing ghee flame in historical building in the northwest China. Journal of Cultural Heritage 7 (2006) 329–333.

[31] NFPA National Fire Protection Association, Manual de protección contra incendios. Quinta edición en español 2009. Volumen II sección 11 capitulo 20. 189 - 194

[32] NFPA National Fire Protection Association, Manual de protección contra incendios. Quinta edición en español 2009. Volumen II sección 8 capitulo 15. 237 - 268

[33] John R. Hall, Jr. Fire Analysis and research division, NFPA. July 2001.

[34] SFPE Society of Fire Protection Engineers, Water Mist For North America, Webinar. Mayo 2-2012

[35] NFPA 750 National Fire Protection Association, estándar sobre sistemas de protección contra incendios con agua nebulizada. Edición 2006.

[36] HI-FOG for large data centres, Mission- critical Fire Protection (2011)

[37] Emerson Electric de Colombia® http: //www.emerson.com, Emerson network power, knurr (accessed 01-Nov-2012)

[38] Yunus A. Cengel, John M. Cimbala, Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones. (2006), capítulo 15, 818-819

[39] 3M™ Novec™ 1230 Fire Protection Fluid. www.3M.com/novec1230fluid

[40] Industrial Hydraulic Spray Products. Spraying Systems Co.®

[41] Termodinámica de van wyllen

[42] NFPA 20 National Fire Protection Association, norma para la instalación de bombas estacionarias de protección contra incendios. Edición 2010. 22 – 26, 30 - 32

[43] http://www.axis-co.com/Gabinetedepisoservidores.pdf

[44] Las poliimidas (Gregory Bust, departamento de ciencias de polímeros, universidad del sur de Mississippi) http://pslc.ws/spanish/imide.htm

[45] NFPA 92 National Fire Protection Association norma para los sistemas de control de humo. Edición 2012

[46] NFPA National Fire Protection Association, Manual de protección contra incendios. Quinta edición en español 2009. Volumen II sección 10 capítulo 5. 85 - 96

[47] NFPA National Fire Protection Association, Manual de protección contra incendios. Quinta edición en español 2009. Volumen I sección 2 capítulo 4. 39 - 52

[48] ANSYS ANSYS CFX-Solver theory guide, capítulos 1 y 5. Noviembre 2011

[49] NFPA National Fire Protection Association, Manual de protección contra incendios. Quinta edición en español 2009. Volumen I sección 1 capítulo 4. 47 - 58

GLOSARIO DE TERMINOS

Agua Nebulizada: El término Agua nebulizada se sugiere en los diferentes documentos para el tamaño de gota en el cual el noventa y nueve (99%) de volumen de gota es menor a mil micrones (1000 µm). [26], [3], [28].

UPS: Fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) por sus siglas en ingles.

Incendio Tipo A: Incendio de materiales combustibles comunes como madera, tela, papel, caucho y muchos plásticos.

Incendio Tipo B: Incendios de líquidos inflamables, líquidos combustibles, grasas de petróleos, breas, aceites, pinturas a base de aceite, disolventes, lacas, alcoholes y gases inflamables.

Incendio Tipo C: Incendios que involucran equipo eléctrico energizado, donde la resistividad eléctrica del medio de extinción es de importancia.

Incendio de Cubeta: Incendio que esta contenido justamente dentro de una cubeta o balde.

Incendio de Piscina: Incendio que no está contenido y se encuentra sobre “el piso”.