Determinación de zonas críticas mediante análisis CFD para sensorización de la calidad del aire

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales DETERMINACIÓN DE ZONAS CRÍTICAS MEDIANTE ANÁLISIS CFD PARA SENSORIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE Autor: Melgosa Valls, Miguel Tutor(es): González Sánchez, José Luis Gayubo Rojo, Fernando Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática Valladolid, junio de 2023. II III RESUMEN La prevención de riesgos para la salud por deficiente calidad del aire en espacios interiores es el principal motivo para la realización de este trabajo, propuesto por el Centro Tecnológico CARTIF. El desarrollo del mismo consistirá en buscar en el interior de un laboratorio de prototipado y fabricación las zonas donde mayor concentración de dióxido de carbono se acumule, referidas como puntos críticos. La legislación española indica los niveles de dióxido de carbono permitidos en relación a dicha calidad del aire. Para ello se utilizará el software de simulación ANSYS Fluent, con el que se llevará a cabo un estudio de flujos sobre el modelo 3D del mencionado laboratorio, previamente creado en CATIA. Los resultados obtenidos en la simulación se verificarán comparando con datos reales de concentración de dióxido de carbono, monitorizados por varios sensores distribuidos en la estancia. Se confirma la existencia de un punto crítico para colocación de un sensor permanente en el interior del laboratorio. PALABRAS CLAVES: Calidad aire, dióxido de carbono, ANSYS Fluent, CFD, sensores de CO2. ABSTRACT The prevention of health risks due to poor indoor air quality is the main reason for carrying out this work, proposed by CARTIF Technology Centre. The development of the project will consist of searching inside a prototyping and manufacturing laboratory for the areas where the highest concentration of carbon dioxide accumulates, referred to as critical points. Spanish legislation indicates the levels of carbon dioxide permitted in relation to air quality. ANSYS Fluent simulation software will be used to carry out a flow study on the 3D model of the laboratory, previously created in CATIA. The results obtained in the simulation will be verified by comparing with real data of carbon dioxide concentration, monitored by several sensors distributed in the room. The existence of a critical point for the placement of a permanent sensor inside the laboratory is confirmed. KEY WORDS: Air quality, carbon dioxide, ANSYS Fluent, CFD, CO2 sensors. IV V ÍNDICE RESUMEN ........................................................................................................................................ III ABSTRACT ........................................................................................................................................ III CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .................................................................................... 1 1.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 3 1.2. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................ 4 1.3. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 5 1.4. ESTRUCTURA DEL TRABAJO ........................................................................................... 6 CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE ...................................................................................................... 9 2.1. ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................ 11 CAPÍTULO 3: FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS ..................................................... 15 3.1. MOVIMIENTO DE UN FLUIDO ........................................................................................ 17 3.2. RELACIONES INTEGRALES PARA UN VOLUMEN DE CONTROL .................................. 17 3.2.1. LEYES BÁSICAS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS ................................................. 17 3.2.2. TEOREMA DEL TRANSPORTE DE REYNOLDS ..................................................... 19 3.2.3. CONSERVACIÓN DE LA MASA .............................................................................. 19 3.2.4. CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO ......................................... 20 3.2.5. CONSERVACIÓN DEL MOMENTO CINÉTICO ........................................................ 21 3.2.6. ECUACIÓN DE LA ENERGÍA .................................................................................. 22 3.3. RELACIONES DIFERENCIALES PARA UNA PARTÍCULA FLUIDA ................................... 23 3.3.1. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE CONSERVACIÓN DE LA MASA .............................. 23 3.3.2. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO .......................................................................................................................... 25 3.3.3. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE CONSERVACIÓN DEL MOMENTO CINÉTICO ........ 27 3.3.4. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE LA ENERGÍA ........................................................... 28 CAPÍTULO 4: DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD) .................................................... 31 4.1. QUÉ ES EL CFD.............................................................................................................. 33 4.2. RESEÑA HISTÓRICA DEL CFD ....................................................................................... 33 4.3. CAMPOS DE APLICACIÓN DEL CFD .............................................................................. 35 4.4. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL CFD .................................................................... 36 4.5. PROCESAMIENTO SECUENCIAL DE ANÁLISIS CFD ..................................................... 37 CAPÍTULO 5: DIÓXIDO DE CARBONO ............................................................................................. 39 5.1. DIÓXIDO DE CARBONO ................................................................................................. 41 CAPÍTULO 6: MARCO NORMATIVO ................................................................................................ 47 6.1. MARCO NORMATIVO: CALIDAD DEL AIRE INTERIOR ................................................... 49 CAPÍTULO 7: MODELADO 3D ......................................................................................................... 53 VI 7.1. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS ...................................................................................... 55 7.2. MODELO 3D EN CATIA .................................................................................................. 61 CAPÍTULO 8: SIMULACIÓN EN ANSYS FLUENT ............................................................................ 71 8.1. GEOMETRÍA ANSYS ....................................................................................................... 73 8.2. MALLADO Y CONFIGURACIÓN EN ANSYS .................................................................... 73 CAPÍTULO 9: RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ........................................................................... 87 9.1. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ............................................................................... 89 CAPÍTULO 10: VERIFICACIÓN EXPERIMENTAL .............................................................................. 99 10.1. SENSORES ...................................................................................................................101 10.2. DATOS DE LOS SENSORES .........................................................................................107 CAPÍTULO 11: CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ...................................................................119 11.1. CONCLUSIONES ..........................................................................................................121 11.2. LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN ........................................................................124 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................................................125 ANEXO DE LEGISLACIÓN ..............................................................................................................129 VII ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Logo empresa `Aire Limpio´ [5] .................................................................................... 13 Figura 2. Logo empresa `SANOTEC´ [6]....................................................................................... 14 Figura 3. Logo empresa `ALDES España´ [7] .............................................................................. 14 Figura 4. Logo empresa `KUNAK´ [8] .......................................................................................... 14 Figura 5. Logo empresa `BSG Ingenieros´ [9] ............................................................................. 14 Figura 6. Volumen de control infinitesimal fijo ............................................................................. 24 Figura 7. Esfuerzos de cortadura en volumen de control infinitesimal fijo ................................ 27 Figura 8. Aumento de la concentración de CO2 desde la época preindustrial (RESPECTO REFERENCIA) [20] .......................................................................................................................... 41 Figura 9. Evolución de la concentración de CO2 desde la época preindustrial [20] .................. 42 Figura 10. Aumento de la temperatura global desde 1900 [22] ................................................ 42 Figura 11. Evolución de la temperatura veraniega respecto a la media del siglo XX [22] ........ 43 Figura 12. Porcentaje de muertes por contaminación del aire interior a nivel mundial (elaboración propia) ....................................................................................................................... 44 Figura 13. Porcentaje de enfermedades causadas por la contaminación del aire interior (elaboración propia) ....................................................................................................................... 45 Figura 14. Vista 1 FabLab de CARTIF ............................................................................................ 56 Figura 15. Vista 2 FabLab de CARTIF ............................................................................................ 56 Figura 16. Vista 3 FabLab de CARTIF ............................................................................................ 57 Figura 17. Vista 4 FabLab de CARTIF ............................................................................................ 57 Figura 18. Entrada FabLab de CARTIF .......................................................................................... 58 Figura 19. Cortadora y grabadora láser Leapion ......................................................................... 58 Figura 20. Cortadora por chorro de agua Wazer .......................................................................... 59 Figura 21. Impresora 3D 1 ............................................................................................................ 59 Figura 22. Impresora 3D 2 ............................................................................................................ 60 Figura 23. Torno ............................................................................................................................. 60 Figura 24. Fresadora...................................................................................................................... 60 Figura 25. Herramientas menú Catia ........................................................................................... 61 Figura 26. Tipos archivos Catia ..................................................................................................... 61 Figura 27. Configuración archivo `Part´ ...................................................................................... 62 Figura 28. Menú principal archivo `Part´..................................................................................... 62 Figura 29. Herramientas `Part´ .................................................................................................... 63 Figura 30. Árbol resumen `Part´ .................................................................................................. 63 Figura 31. Base de la geometría Catia ......................................................................................... 64 Figura 32. Árbol resumen `Part´ 2 ............................................................................................... 64 Figura 33. Herramientas `Part`2 ................................................................................................. 65 Figura 34. Volumen geometría Catia ............................................................................................ 65 Figura 35. Herramientas `Part´ 3................................................................................................. 66 Figura 36. Geometría final Catia vista 1 ....................................................................................... 66 Figura 37. Geometría final Catia vista 2 ....................................................................................... 67 Figura 38. Geometría final Catia vista 3 ....................................................................................... 67 Figura 39. Geometría final Catia vista 4 ....................................................................................... 68 Figura 40. Detalle entrada aire sala ............................................................................................. 68 Figura 41. Detalle salida aire sala ................................................................................................ 68 Figura 42. Geometría final Catia vista ejes .................................................................................. 69 Figura 43. Detalle entrada aire sala vista ejes ............................................................................ 69 VIII Figura 44. Detalle salida aire sala vista ejes ................................................................................ 69 Figura 45. Geometría laboratorio fabricación de CARTIF ............................................................ 73 Figura 46. Menú mallado ANSYS .................................................................................................. 74 Figura 47. Mallado ANSYS ............................................................................................................. 74 Figura 48. Configuración mallado 1 .............................................................................................. 75 Figura 49. Configuración mallado 2 .............................................................................................. 75 Figura 50. Calidad mallado ............................................................................................................ 76 Figura 51. Calidad mallado planta 1 ............................................................................................. 77 Figura 52. Calidad mallado planta 2 ............................................................................................. 77 Figura 53. Zonas conflictivas mallado .......................................................................................... 78 Figura 54. Detalle mallado sin refinamiento ................................................................................ 78 Figura 55. Detalle mallado con refinamiento ............................................................................... 79 Figura 56. Entradas de aire al laboratorio .................................................................................... 79 Figura 57. Salidas de aire del laboratorio ..................................................................................... 80 Figura 58. Menú configuración Fluent .......................................................................................... 80 Figura 59. Menú configuración general Fluent ............................................................................ 81 Figura 60. Menú configuración materiales Fluent ....................................................................... 81 Figura 61. Menú configuración modelos Fluent ........................................................................... 82 Figura 62. Menú configuración condiciones de contorno Fluent (entradas) .............................. 82 Figura 63. Menú configuración condiciones de contorno Fluent (salidas) ................................. 83 Figura 64. Menú configuración condiciones de contorno Fluent (temperatura entrada) .......... 83 Figura 65. Menú configuración inicialización Fluent .................................................................... 84 Figura 66. Menú configuración cálculos Fluent ........................................................................... 84 Figura 67. Resultados de los cálculos en Fluent .......................................................................... 85 Figura 68. Streamline 500 líneas vista 1 ..................................................................................... 89 Figura 69. Streamline 500 líneas vista 2 ..................................................................................... 90 Figura 70. Streamline 5000 líneas vista 1 ................................................................................... 91 Figura 71. Streamline 5000 líneas vista 2 ................................................................................... 91 Figura 72. Representación en volumen de la velocidad .............................................................. 92 Figura 73. Representación en volumen de la velocidad + streamline........................................ 92 Figura 74. Representación en volumen de la temperatura ......................................................... 93 Figura 75. Representación en volumen de la temperatura + streamline vista 1 ...................... 93 Figura 76. Representación en volumen de la temperatura + streamline vista 2 ...................... 94 Figura 77. Representación en volumen de la presión ................................................................. 94 Figura 78. Representación en plano de la presión ...................................................................... 95 Figura 79. Detalle del plano de presión ........................................................................................ 95 Figura 80. Representación en planos de la velocidad ................................................................. 96 Figura 81. Representación en planos de la temperatura ............................................................ 96 Figura 82. Zona crítica + representación en volumen de la temperatura + streamline ............ 97 Figura 83. Zona crítica + streamline ............................................................................................. 98 Figura 84. Senseair S8 LP ...........................................................................................................102 Figura 85. Dispositivo de medición CARTIF vista 1 ....................................................................102 Figura 86. Dispositivo de medición CARTIF vista 2 ....................................................................103 Figura 87. Dispositivo de medición CARTIF vista interior 1 .......................................................103 Figura 88. Dispositivo de medición CARTIF vista interior 2 .......................................................103 Figura 89. Esquema de comunicación dispositivo de medición-plataforma (elaboración propia) .......................................................................................................................................................104 Figura 90. Plataforma de visualización (panel) ..........................................................................105 IX Figura 91. Plataforma de visualización (gráficas) ...................................................................... 105 Figura 92. Plano laboratorio de fabricación de CARTIF ............................................................. 106 Figura 93. Vista 3D de la ubicación de los sensores ................................................................. 106 Figura 94. Prueba 1 sensores ..................................................................................................... 107 Figura 95. Prueba 2 sensores ..................................................................................................... 108 Figura 96. Concentraciones en ppm tomadas por el sensor 3 en una semana ...................... 109 Figura 97. Evolución de la concentración CO2 en ppm en el laboratorio (entre las 00:00-07:00 h) ................................................................................................................................................... 111 Figura 98. Evolución de la concentración CO2 en ppm en el laboratorio (entre las 07:00-11:30 h) ................................................................................................................................................... 113 Figura 99. Evolución de la concentración CO2 en ppm en el laboratorio (entre las 11:30-13:30 h) ................................................................................................................................................... 114 Figura 100. Evolución de la concentración CO2 en ppm en el laboratorio (entre las 13:3020:00 h) ........................................................................................................................................ 116 Figura 101. Evolución de la concentración Fablab (Jornada completa) ................................... 116 Figura 102. Dispositivo de medición definitivo vista 1 .............................................................. 123 Figura 103. Dispositivo de medición definitivo vista 2 .............................................................. 123 6 1.4. ESTRUCTURA DEL TRABAJO Este trabajo se ha estructurado de acuerdo a las recomendaciones de la Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Valladolid, en relación a la elaboración del TFG. Planteado el tema, a partir de una serie de palabras clave inicio la búsqueda bibliográfica relacionada con la temática de estudio. Desde la biblioteca de la Universidad se han revisado bases de datos (Scopus, Dialnet, Web of Science) encontrando libros, artículos, normativas, así como trabajos en el repositorio institucional de la UVA que han servido de guía en la realización del proyecto. El documento se ha distribuido en una serie de capítulos. • Capítulo 1. Introducción y objetivos En esta fase se justifica el tema y el contexto en el que se realizará el trabajo, y se plantean los objetivos previstos. • Capítulo 2. Estado del arte Se hace una revisión de las empresas que actualmente trabajan en el monitoreo y análisis de la calidad del aire en espacios interiores, así como en su ventilación o purificación. • Capítulos 36. Marco teórico y normativo Se presenta el comportamiento teórico de los fluidos y las ecuaciones que los gobiernan, así como la técnica de Dinámica de Fluidos Computacional usada en la simulación de flujos de aire, y la revisión realizada con respecto a las normativas vigentes en materia de contaminación por dióxido de carbono. • Capítulos 7 y 8. Modelado y simulación Para el desarrollo del proyecto lo primero ha sido construir la geometría del espacio que se analiza en la simulación, así como hacer el mallado del volumen a estudiar. Siguiendo con el estudio de flujos mediante el software ANSYS Fluent. • Capítulos 9 y 10. Resultados y verificación Terminada la simulación computacional, para su validación se ha procedido con la toma de datos reales a lo largo de diversas jornadas laborales en la sala analizada, mediante sensores de medición ubicados en dicho espacio. 7 • Capítulo 11. Conclusiones y líneas futuras A continuación, se han comparado estos resultados obtenidos, con el fin de contrastar la información generada en la simulación, se han expuesto las conclusiones y se plantean las posibles líneas futuras de trabajo. Se termina con las referencias bibliográficas y normativas legales empleadas en la elaboración del TFG. 8 9 CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE 10 11 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.1. ESTADO DEL ARTE La calidad del aire y su repercusión directa en la salud a través del sistema respiratorio es un fenómeno conocido desde la antigüedad. Son muchos los eventos de contaminación atmosférica producidos a lo largo de la historia, así cabe destacar lo ocurrido en el invierno de 1952 en Londres [1]. Unas temperaturas muy bajas fueron las causantes en la población de muchas muertes prematuras a consecuencia del humo generado en interiores por un mayor consumo de carbón rico en azufre. Fue el desencadenante de las primeras acciones e investigaciones sobre calidad del aire. Es en la segunda mitad del siglo XX cuando organismos de ámbito internacional como La Comisión Europea (CE), la Organización Mundial de la Salud (OMS), la Asociación Americana de Ingenieros de Calefacción y Acondicionamiento de Aire (ASHRAE), entre otras, trabajan en la elaboración de normas ante la exposición [2]. A pesar de haberse logrado reducir los niveles de contaminación atmosférica por las medidas de la legislación vigente, esto sigue siendo un problema de actualidad en España, Europa y el resto de continentes. En 1973 la crisis del petróleo genera un intento de ahorro en la factura energética con la consecuente mala ventilación y renovación del aire interior en los edificios dando lugar a un nuevo término que el Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo (INSST) define como Calidad Ambiental Interior (CAI) o Indoor Environmental Quality (IEQ). Según la OMS los habitantes de las ciudades pasan entre el 80% y el 90% de su tiempo en espacios cerrados, cuyo aire está en menor o mayor grado contaminado. La calidad ambiental depende de la interacción de agentes físicos, químicos y biológicos. En condiciones favorables se asegura el bienestar de los trabajadores y usuarios de las instalaciones y se minimizan los problemas de salud. Si la calidad del aire es ignorada, la ausencia de enfermedades en el interior de los edificios no está garantizada [3]. La legislación española, a partir del R.D. 1027/2007, de 20 de julio, aprueba el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) siendo uno de sus objetivos atender la demanda de bienestar e higiene de las personas durante su permanencia en los mismos. Así en el art. 11 se hace referencia a la calidad del aire interior, siendo necesaria la eliminación de contaminantes producidos en el recinto mediante el aporte de aire exterior y garantizando la extracción y expulsión del aire viciado. 12 El INSST en la guía sobre calidad del ambiente interior en el trabajo (2022) al hablar de los agentes químicos como contaminantes ambientales indica que uno de los principales compuestos es el dióxido de carbono. Los niveles que se hallan en un ambiente interior están relacionados con la calidad del aire exterior, fuentes interiores, niveles de ocupación y tasas de ventilación. La Guía Técnica del INSST para la evaluación y prevención de los riesgos relativos a la utilización de lugares de trabajo considera que, si la concentración de CO2 en un local supera el valor de 1000 ppm, significa que la ventilación es incorrecta, puede desplazar el oxígeno del aire y la respiración se complica. En cualquier caso, la calidad del aire interior es un referente prioritario en el ámbito de la salud en el contexto español y europeo. A inicios del año 2020 aparecen cientos de casos graves de neumonía de rápida extensión y contagio entre las personas. La OMS preocupada por los niveles de propagación de esta enfermedad, el 11 de marzo declara la situación como una pandemia debida a un coronavirus llamado SARS-COV-2 (COVID-19) que afecta a la población mundial. Debido a esto comienzan los confinamientos de las familias en los hogares conviviendo todos los miembros en espacios no siempre grandes en los que se llevan a cabo actividades laborales, domésticas y recreativas. Aparecen cientos de investigaciones en las que expertos en ventilación y calidad del aire atestiguan que el COVID-19 se transmite por el aire. El uso de mascarillas, la distancia interpersonal y la ventilación continua de los espacios disminuyen los contagios [4]. Es obvio que a pesar de que la modificación del RITE en 2013 (R.D. 238/2013) incorpora a las labores de mantenimiento preventivo de las instalaciones una revisión con carácter anual de la calidad ambiental en interiores según la norma UNE 171330, la crisis sanitaria provocada por el virus unido al tiempo que se permanece en espacios cerrados ha incrementado el interés social por los problemas de salud asociados a contaminantes en ambientes cerrados. Surge así la necesidad de profesionales con un riguroso conocimiento técnico y normativo para mantener el ambiente en condiciones de salubridad en la industria. Actualmente dentro del panorama español existen numerosas empresas dedicadas al monitoreo y análisis de la calidad del aire, así como a la posterior ventilación o purificación del espacio deseado. Es un sector que ha experimentado un gran crecimiento, principalmente tras la pandemia 13 declarada a principios del 2020, gracias a la cual fuimos realmente conscientes del peligro y las consecuencias de una mala higiene y ventilación de nuestras viviendas, espacios de trabajo y otras estancias. A lo largo de este trabajo se van a llevar a cabo procesos que son realizados diariamente por diversas empresas y que pueden ser contratados por entidades públicas o privadas. Se presentan algunas de las compañías más punteras de los últimos años, las cuales cuentan con acreditaciones y certificaciones de entidades europeas que aseguran la calidad de sus servicios. En primer lugar, mencionar al grupo AIRE LIMPIO 2000 S.L. [5] el cual trabaja para ofrecer soluciones que mejoran la calidad del aire interior. Entre la tecnología que utilizan cabe destacar los sistemas de polarización activa, que emplean la polarización electrostática sobre una media filtrante, sustituyendo a la filtración tradicional. La fotocatálisis, compuesta por emisores de luz ultravioleta del espectro germicida (259 nm) y un catalizador impregnado en dióxido de titanio, instalados en los conductos de ventilación para tratar el aire. Sistemas de monitorización de la calidad del aire, que ofrecen en tiempo real mediciones de los niveles de pequeñas partículas de distintos diámetros suspendidas en el aire, como PM2.5, PM10 y CO2. Purificadores de aire y sistemas de ahorro de ventilación entre otros productos. Han realizado instalaciones en las sedes de diversas empresas. Por ejemplo, en los edificios de BBVA, Telefónica, Allianz, Mapfre, Siemens, Iberdrola, Google… así como en el Banco de España y alguno de los principales hospitales a nivel nacional. FIGURA 1. LOGO EMPRESA `AIRE LIMPIO´ [5] En segundo lugar, la empresa SANOTEC [6] dedicada a la tecnología preventiva. Su función principal es la monitorización y control de la calidad del aire interior. Disponen de medidores profesionales de CO2, temperatura y humedad, que operan de forma inteligente alertando en tu teléfono móvil cualquier tipo de incidencia. Además de esta tecnología de medición, ofrecen purificadores de aire; teniendo la posibilidad de combinar ambos dispositivos y que operen autónomamente. 14 El diseño de estos aparatos se realiza en España y han trabajado con importantes entidades como el Ministerio de Ciencia e Innovación, el Ministerio de Defensa, Enagás y algunas universidades españolas. FIGURA 2. LOGO EMPRESA `SANOTEC´ [6] Existe también, ALDES ESPAÑA [7] dedicada fundamentalmente a la instalación de sistemas de ventilación, aunque también ofrece tecnología de medición y monitorización. Enfoca sus trabajos principalmente a viviendas, pero a su vez intervienen en colegios, oficinas u hoteles entre otros. FIGURA 3. LOGO EMPRESA `ALDES ESPAÑA´ [7] Por último, la empresa KUNAK [8] y BSG INGENIEROS [9], ambas dentro del campo de la calidad del aire, trabajan mayormente en entornos abiertos como obras, demoliciones, perímetros industriales, puertos, etc; instalando estaciones meteorológicas en distintos puntos. Es decir, están enfocados a la contaminación atmosférica y no concretamente a la contaminación de espacios interiores. FIGURA 4. LOGO EMPRESA `KUNAK´ [8] FIGURA 5. LOGO EMPRESA `BSG INGENIEROS´ [9] 15 CAPÍTULO 3: FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS 22 3.2.6. ECUACIÓN DE LA ENERGÍA Aplicando de nuevo el teorema de Reynolds, ahora a la primera ley de la termodinámica, vamos a obtener una última ecuación. Nuestra variable B será en este caso la energía E, quedando la ecuación para un volumen de control ⅆ𝑄 ⅆ𝑡 −ⅆ𝑤 ⅆ𝑡 =ⅆ𝐸 ⅆ𝑡 =ⅆ ⅆ𝑡(∫ ⅇ𝜌ⅆ𝑉 𝑉𝐶 )+∫ ⅇ𝜌(𝑉⋅𝑛)ⅆ𝐴 𝑆𝐶 (3.19) Donde una Q positiva va a significar que aportamos calor al sistema y una W positiva es trabajo realizado por el sistema. La energía por unidad de masa del sistema se representa como e y puede ser de distintos tipos (interna, cinética, potencial, otras…) ⅇ=𝑢+1 2𝑉2+𝑔𝑧 (3.20) El término de trabajo suele estar dividido en diferentes partes, como el trabajo por las fuerzas de presión que se produce en la superficie y se representa como la integral sobre la superficie de control. 𝑊󰇗𝑝=∫ 𝑝(𝑉⋅𝑛)ⅆ𝐴 𝑠𝐶 (3.21) Otro posible es el trabajo debido a esfuerzos viscosos que se produce en la superficie y consiste en el producto de cada esfuerzo viscoso por su respectiva componente de velocidad. Suele ser nulo en algunas ocasiones, por ejemplo, en entradas y salidas los esfuerzos viscosos normales son muy pequeños y es habitual despreciarlos. En resumen, el resultado global del término de trabajo W se puede descomponer como 𝑊󰇗=𝑊󰇗𝑠+∫𝑝(𝑉⋅𝑛)ⅆ𝐴 𝑠𝑐 −∫ (𝜏⋅𝑉)𝑆𝐶ⅆ𝐴 𝑆𝐶 (3.22) Que al sustituirlo en la ecuación 3.21 resulta la ecuación de la energía normalmente utilizada para un volumen de control: 23 𝑄󰇗−𝑊󰇗𝑠−𝑊󰇗𝑉=𝜕 𝜕𝑡(∫ ⅇ𝜌ⅆ𝑉 𝑉𝐶 )+∫ (ⅇ+𝑝 𝜌)𝜌(𝑉⋅𝑛)ⅆ𝐴 𝑠𝐶 (3.23) Si cogemos la ecuación 3.20 de e y sustituimos vemos como en la integral de superficie aparece la entalpía h=u+p/densidad: 𝑄󰇗−𝑊󰇗𝑠−𝑊󰇗𝑉=𝜕 𝜕𝑡[∫ (𝑢+1 2𝑉2+𝑔𝑧)𝜌ⅆ𝑉 𝑉𝐶 ] +∫ (ℎ +1 2𝑉2+𝑔𝑧)𝜌(𝑉⋅𝑛)ⅆ𝐴 𝑠𝐶 (3.24) 3.3. RELACIONES DIFERENCIALES PARA UNA PARTÍCULA FLUIDA Una vez tratado el primer enfoque de análisis del movimiento de un fluido, consistente en buscar la estimación de distintos efectos sobre una región conocida como volumen de control, vamos a centrarnos en la segunda forma de análisis. Se trata de estudiar punto a punto el campo fluido, diferenciando cada región infinitesimal de flujo. Es decir, aplicaremos las ecuaciones de conservación básicas a un volumen de control infinitesimal. 3.3.1. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE CONSERVACIÓN DE LA MASA Para poder trabajar escogemos un volumen de control infinitesimal fijo, que definiremos como dx, dy, dz. Junto con las ecuaciones para volúmenes de control explicadas en el apartado 3.2. En este primer caso partimos de un flujo unidimensional a través del elemento por tanto la conservación de la masa queda definida según ∫𝜕𝜌 𝜕𝑡ⅆ𝑉 𝑉𝐶 +∑(𝜌𝑖⋅𝐴𝑖⋅𝑉𝑖)𝑠𝑎𝑙 𝑖−∑(𝜌𝑖⋅𝐴𝑖⋅𝑉𝑖)𝑒𝑛𝑡 𝑖=0 (3.25) Al trabajar ahora con elementos tan pequeños el volumen queda reducido al término diferencial: ∫𝜕𝜌 𝜕𝑡ⅆ𝑉 𝑉𝐶 ≈𝜕𝜌 𝜕𝑡ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 (3.26) Si representamos nuestro volumen de control infinitesimal como un cubo vamos a tener flujos que atraviesen por cada una de las seis caras existentes. 24 FIGURA 6. VOLUMEN DE CONTROL INFINITESIMAL FIJO Caras Flujo másico de entrada Flujo másico de salida x 𝜌𝑢 ⅆ𝑦 ⅆ𝑧 [𝜌𝑢+𝜕 𝜕𝑥(𝜌𝑢)ⅆ𝑥]ⅆ𝑦ⅆ𝑧 y 𝜌𝑣 ⅆ𝑥 ⅆ𝑧 [𝜌𝑣+𝜕 𝜕𝑦(𝜌𝑣)ⅆ𝑦]ⅆ𝑥ⅆ𝑧 z 𝜌𝑤 ⅆ𝑥 ⅆ𝑦 [𝜌𝑤+𝜕 𝜕𝑧(𝜌𝑤)ⅆ𝑧]ⅆ𝑥ⅆ𝑦 TABLA 1. FLUJOS DE ENTRADA Y SALIDA EN LAS DISTINTAS CARAS Añadiendo cada uno de los términos de la tabla a la ecuación 3.25 y eliminando la diferencial de volumen de cada uno de ellos queda la siguiente ecuación diferencial 𝜕𝜌 𝜕𝑡ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧+ 𝜕 𝜕𝑥(𝜌𝑢)ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧+ 𝜕 𝜕𝑦(𝜌𝑣)ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 𝜕 𝜕𝑧(𝜌𝑤)ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧=0 (3.27) 𝜕𝜌 𝜕𝑡+𝜕 𝜕𝑥(𝜌𝑢)+𝜕 𝜕𝑦(𝜌𝑣)+𝜕 𝜕𝑧(𝜌𝑤)=0 (3.28) Esta ecuación puede simplificarse utilizando el operador gradiente, quedando su forma compacta, aunque esto no ayuda mucho a la hora de encontrar una solución: 𝛻=ⅈ 𝜕 𝜕𝑥+𝑗 𝜕 𝜕𝑦+𝑘 𝜕 𝜕𝑧 (3.29) 25 𝜕𝜌 𝜕𝑡+𝛻⋅(𝜌𝑉)=0 (3.30) 3.3.2. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO De igual forma que el análisis realizado en el apartado 3.3.1 vamos a utilizar el volumen de control infinitesimal definido en la figura 6. Partiendo de la ecuación de la cantidad de movimiento ∑𝐹= 𝜕 𝜕𝑡(∫ 𝑉𝜌ⅆ𝑉 𝑉𝑐 )+∑(𝑚󰇗𝑖⋅𝑉𝑖)𝑠𝑎𝑙 −∑(𝑚󰇗𝑖⋅𝑉𝑖)𝑒𝑛𝑡 (3.31) Aplicada a un volumen muy pequeño 𝜕 𝜕𝑡(𝑉𝜌ⅆ𝑣)=𝜕 𝜕𝑡(𝜌𝑉)ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 (3.32) Van a aparecer flujos en las seis caras, tres entrantes y tres salientes: Caras Flujo de cantidad de movimiento de entrada Flujo de cantidad de movimiento de salida x 𝜌𝑢𝑉 ⅆ𝑦 ⅆ𝑧 [𝜌𝑢𝑉+𝜕 𝜕𝑥(𝜌𝑢𝑉)ⅆ𝑥]ⅆ𝑦ⅆ𝑧 y 𝜌𝑣𝑉 ⅆ𝑥 ⅆ𝑧 [𝜌𝑣𝑉+ 𝜕 𝜕𝑦(𝜌𝑣𝑉)ⅆ𝑦]ⅆ𝑥ⅆ𝑧 z 𝜌𝑤𝑉 ⅆ𝑥 ⅆ𝑦 [𝜌𝑤𝑉+ 𝜕 𝜕𝑧(𝜌𝑤𝑉)ⅆ𝑧]ⅆ𝑥ⅆ𝑦 TABLA 2. FLUJOS DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO DE ENTRADA Y SALIDA EN LAS DISTINTAS CARAS Donde V es el campo vectorial de velocidades. Juntando estos términos con las ecuaciones 3.31 y 3.32 obtenemos la expresión ∑𝐹=ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧[𝜕 𝜕𝑡(𝜌𝑉)+𝜕 𝜕𝑥(𝜌𝑢𝑉)+𝜕 𝜕𝑦(𝜌𝑣𝑉)+𝜕 𝜕𝑧(𝜌𝑤𝑉)] (3.33) A la que aplicando una serie de simplificaciones resulta como ∑𝐹=𝜌ⅆ𝑉 ⅆ𝑡ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 (3.34) 26 Este sumatorio de fuerzas está compuesto por fuerzas volumétricas y fuerzas de superficie. Siendo la primera la fuerza de gravedad y las segundas la suma de presión hidrostática y esfuerzos viscosos, constituyendo estas últimas los esfuerzos en las caras de la superficie de control. Con la combinación de las fuerzas mencionadas obtenemos una expresión vectorial para la fuerza neta de superficie: (ⅆ𝐹 ⅆ𝑉)𝑠𝑢𝑝 =−𝛻𝑝+(ⅆ𝐹 ⅆ𝑉)𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑎 (3.35) En la que la fuerza viscosa que aparece está compuesta por nueve términos, en función de las distintas coordenadas. Para concluir podemos decir que la fuerza neta de superficie es la suma del vector gradiente de presión y de la divergencia del tensor de esfuerzos viscosos, quedando la ecuación de la cantidad de movimiento en forma diferencial: 𝜌𝑔−𝛻𝑝+𝛻⋅𝜏𝑖𝑗 =𝜌𝑑𝑡    𝑑𝑉 (3.36) Como puede observarse la composición de la fuerza gravitatoria por unidad de volumen junto con las fuerzas de presión y viscosas por unidad de volumen son igual a la densidad por la aceleración. Esta ecuación que a simple vista no presenta gran complejidad es una ecuación vectorial en la que sus componentes tienen nueve términos, es válida para cualquier fluido independientemente de su movimiento y su forma extendida quedaría de la forma siguiente: 𝜌𝑔𝑥−𝜕𝜌 𝜕𝑥+𝜕𝜏𝑥𝑥 𝜕𝑥 +𝜕𝜏𝑦𝑥 𝜕𝑦 +𝜕𝜏𝑧𝑥 𝜕𝑧 =𝜌(𝜕𝑢 𝜕𝑡+𝑢𝜕𝑢 𝜕𝑥+𝑣𝜕𝑢 𝜕𝑦+𝑤𝜕𝑢 𝜕𝑧) (3.37) 𝜌𝑔𝑦−𝜕𝜌 𝜕𝑦+𝜕𝜏𝑥𝑦 𝜕𝑥 +𝜕𝜏𝑦𝑦 𝜕𝑦 +𝜕𝜏𝑧𝑦 𝜕𝑧 =𝜌(𝜕𝑣 𝜕𝑡+𝑢𝜕𝑣 𝜕𝑥+𝑣𝜕𝑣 𝜕𝑦+𝑤𝜕𝑣 𝜕𝑧) (3.38) 𝜌𝑔𝑧−𝜕𝜌 𝜕𝑧+𝜕𝜏𝑥𝑧 𝜕𝑥 +𝜕𝜏𝑦𝑧 𝜕𝑦 +𝜕𝜏𝑧𝑧 𝜕𝑧 =𝜌(𝜕𝑤 𝜕𝑡 +𝑢𝜕𝑤 𝜕𝑥+𝑣𝜕𝑤 𝜕𝑦+𝑤𝜕𝑤 𝜕𝑧) (3.39) 27 3.3.3. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE CONSERVACIÓN DEL MOMENTO CINÉTICO Recordando, la ecuación de conservación del momento cinético para un volumen de control fijo en forma integral era ∑𝑀0=𝜕 𝜕𝑡[∫ (𝑟×𝑉)𝜌ⅆ𝑉 𝑉𝐶 ]+∫ (𝑟×𝑉)𝜌(𝑉⋅𝑛)ⅆ𝐴 𝑆𝐶 (3.40) Vamos a referirnos a un eje O paralelo al eje z, que pasa por el centro de masas de nuestro volumen de control. Por tanto, los esfuerzos de cortadura serán los únicos que generen momento alrededor de O, como podemos ver en la figura 7. La obtención de esta ecuación requiere numerosas operaciones, siendo el resultado final: [𝜏𝑥𝑦 −𝜏𝑦𝑥 +1 2𝜕 𝜕𝑥(𝜏𝑥𝑦)ⅆ𝑥−1 2𝜕 𝜕𝑥(𝜏𝑦𝑥)ⅆ𝑦]ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 =1 12𝜌(ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧)(ⅆ𝑥2+ⅆ𝑦2)ⅆ2𝜃 ⅆ𝑡2 (3.41) FIGURA 7. ESFUERZOS DE CORTADURA EN VOLUMEN DE CONTROL INFINITESIMAL FIJO Teniendo ahora en cuenta que la aceleración angular no es infinita, podemos despreciar los términos diferenciales de orden superior. Llegando a la conclusión de que los esfuerzos de cortadura son simétricos, por ello no hay ecuación diferencial del momento cinético. 28 3.3.4. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE LA ENERGÍA La forma integral de la ecuación de la energía para un volumen de control fijo es 𝑄󰇗−𝑊󰇗𝑚−𝑊󰇗𝑉=𝜕 𝜕𝑡(∫ ⅇ𝜌ⅆ𝑉 𝑉𝐶 )+∫ (ⅇ+𝑝 𝜌)𝜌(𝑉⋅𝑛)ⅆ𝐴 𝑠𝐶 (3.42) El término de trabajo motor es cero ya que no existe motor sobre el volumen de control ni partes móviles dentro del mismo. Esto, sumado al pequeño tamaño del elemento, transforma la ecuación como en el resto de casos anteriores, quedando: 𝑄󰇗−𝑊󰇗𝑣=[𝜕 𝜕𝑡(𝜌ⅇ)+𝜕 𝜕𝑥(𝜌𝑢𝜁)+𝜕 𝜕𝑦(𝜌𝑣𝜁)+𝜕 𝜕𝑧(𝜌𝑤𝜁)]ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 (3.43) Para estudiar el flujo de calor Q únicamente se considera la conducción a través de las caras del elemento, en la Tabla 3 podemos ver los diferentes flujos en función de cada una de las caras. Caras Flujo de calor de entrada Flujo de calor de salida x 𝑞𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 [𝑞𝑥+𝜕 𝜕𝑥(𝑞𝑥)ⅆ𝑥]ⅆ𝑦ⅆ𝑧 y 𝑞𝑦ⅆ𝑥ⅆ𝑧 [𝑞𝑦+𝜕 𝜕𝑦(𝑞𝑦)ⅆ𝑦]ⅆ𝑥ⅆ𝑧 z 𝑞𝑧ⅆ𝑥ⅆ𝑦 [𝑞𝑧+𝜕 𝜕𝑧(𝑞𝑧)ⅆ𝑧]ⅆ𝑥ⅆ𝑦 TABLA 3. FLUJOS DE CALOR DE ENTRADA Y SALIDA EN LAS DISTINTAS CARAS. Operando los términos de entradas y salidas e introduciendo la ley de Fourier, llegamos a una expresión que representa el flujo de calor total. 𝑄󰇗=𝛻⋅(𝑘𝛻𝑇)ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 (3.44) En cuanto al trabajo correspondiente a los efectos viscosos, se corresponde con el producto del esfuerzo por la velocidad correspondiente y por el área de la cara del elemento analizado. Tras restar los términos de salida a los de entrada obtenemos una potencia debida a la viscosidad que viene dada por: 29 𝑊󰇗𝑣=−[𝜕 𝜕𝑥(𝑢𝜏𝑥𝑥 +𝑣𝜏𝑥𝑦+𝑤𝜏𝑥𝑧)+ 𝜕 𝜕𝑦(𝑢𝜏𝑦𝑥 +𝑣𝜏𝑦𝑦 +𝑤𝜏𝑦𝑧) +𝜕 𝜕𝑧(𝑢𝜏𝑧𝑥 +𝑣𝜏𝑧𝑦 +𝑤𝜏𝑧𝑧)]ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧=−𝛻⋅(𝑉⋅𝜏𝑖𝑗)ⅆ𝑥ⅆ𝑦ⅆ𝑧 (3.45) Sustituyendo las ecuaciones 3.44 y 3.45 en la ecuación 3.43 y tras operar distintos términos para conseguir un resultado con una forma más útil, llegamos a la ecuación diferencial de la energía en su forma más utilizada: 𝜌ⅆ𝑢 ⅆ𝑡+𝑝(𝛻⋅𝑉)=𝛻⋅(𝑘𝛻𝑇)+𝛷 (3.46) Donde 𝛷 es la función de disipación viscosa. Concluyendo así con la obtención de las ecuaciones diferenciales básicas para los movimientos de los fluidos. 30 31 CAPÍTULO 4: DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD) 38 mapas de líneas de corriente, gráficos de superficies en dos y tres dimensiones, así como la exportación de resultados a otros formatos. No debe olvidarse que en cualquier simulación ingenieril los resultados deben analizarse adecuadamente y el CFD genera soluciones aproximadas, por ello para validar los modelos es conveniente comparar los datos obtenidos con los resultados experimentales [16]. 39 CAPÍTULO 5: DIÓXIDO DE CARBONO 40 41 CAPÍTULO 5. DIÓXIDO DE CARBONO 5.1. DIÓXIDO DE CARBONO El dióxido de carbono es un compuesto químico inorgánico cuya fórmula es CO2. También conocido por el nombre de anhídrido carbónico u óxido de carbono (IV), está formado por átomos de carbono e hidrógeno, concretamente por un átomo de carbono unido a dos átomos de oxígeno por enlaces covalentes dobles [18]. En condiciones de temperatura y presión ambiente, se presenta como un gas incoloro e inodoro. Se forma en la combustión de materiales que contienen carbono, en la respiración de los seres animales, en la fermentación y es empleado por las plantas en la fotosíntesis de los carbohidratos. Actualmente es uno de los gases de efecto invernadero más importantes, estando por ello muy relacionado con el calentamiento global, aunque es uno de los componentes minoritarios de la atmósfera terrestre [19]. El CO2 se encuentra de forma natural en la atmósfera como gas traza, lo cual quiere decir que está presente en baja cantidad, menos de 1% del volumen de gas de la misma. Los gases más abundantes son el nitrógeno con un 78,1% y el oxígeno con el 20,9%, por tanto, el resto de gases que la componen tendrán inevitablemente un volumen inferior al 1% del total. La concentración actual de dióxido de carbono es de aproximadamente un 0,04% lo que es ligeramente superior a 400 ppm (partes por millón) en volumen. Estos datos han sufrido un crecimiento constante de alrededor del 50% comparado con los niveles registrados antes del comienzo de la industrialización [20]. FIGURA 8. AUMENTO DE LA CONCENTRACIÓN DE CO2 DESDE LA ÉPOCA PREINDUSTRIAL (RESPECTO REFERENCIA) [20] 42 FIGURA 9. EVOLUCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE CO2 DESDE LA ÉPOCA PREINDUSTRIAL [20] La causa principal del aumento en la concentración de dióxido de carbono es el llamado efecto invernadero, el cual consiste en la retención de gran cantidad de radiación térmica dentro de la atmósfera terrestre. Esta radiación puede ser proveniente del sol, que parte de ella al llegar a la Tierra es reflejada y devuelta al espacio y otra es absorbida y retenida por la atmósfera lo cual eleva la temperatura en la superficie. También existe radiación emitida por la superficie terrestre que, en vez de ser liberada, es capturada por los gases de efecto invernadero. Como muestro a continuación, la temperatura media mundial sufre anomalías cada año, manteniendo una similitud con la evolución de la concentración de CO2. Existen otros numerosos gases invernadero que contribuyen en gran medida a esta problemática, como son el vapor de agua, el óxido nitroso, el metano o el ozono, pero podemos afirmar que el dióxido de carbono en cuestión es uno de ellos [21]. FIGURA 10. AUMENTO DE LA TEMPERATURA GLOBAL DESDE 1900 [22] 43 FIGURA 11. EVOLUCIÓN DE LA TEMPERATURA VERANIEGA RESPECTO A LA MEDIA DEL SIGLO XX [22] El mencionado efecto invernadero hace posible la vida en la Tierra, ya que sin él las variaciones de temperatura en la superficie serían extremas, pero una gran modificación de este efecto natural debido a comportamientos humanos podría traer graves consecuencias muy perjudiciales para la supervivencia de la raza humana [21]. A su vez, el dióxido de carbono tiene numerosas aplicaciones industriales; así en seguridad, es utilizado en equipos de extinción de incendios, al ser un gas no combustible que puede ser comprimido y no deja ningún residuo. Algunas máquinas como cortadoras láser lo utilizan como fuente de calor. También puede utilizarse en alimentación, ya que no es tóxico y tiene propiedades bactericidas verificadas, se agrega a ciertas bebidas para agregar efervescencia y su forma sólida se usa como refrigerante, el llamado hielo seco. Debido a esta característica, es a su vez un buen producto de limpieza [23]. Por último, cabe destacar su uso en el ámbito medicinal, comúnmente utilizado como agente de ventilación en cirugías, para el tratamiento de heridas y úlceras agudas, en algunos tratamientos estéticos y para solucionar problemas circulatorios. Una vez presentadas algunas de las ventajas y desventajas que tiene este compuesto me centraré en el tema sobre el que se fundamenta el trabajo, todo lo relativo a la contaminación del aire. La contaminación es uno de los mayores riesgos actuales para la salud, grandes cargas ambientales pueden ocasionar enfermedades cerebrovasculares, cardiopatías, cánceres de pulmón u otras afecciones respiratorias como el asma. Según la Organización Mundial de la Salud, en el año 2019 un 99% de la población residía en ciudades donde no se 44 respetaban las directrices marcadas sobre la calidad del aire; provocando esto en todo el mundo hasta 4,2 millones de muertes prematuras. El problema es que la mayoría de las fuentes de contaminación del aire escapan del control de uno mismo, requiriendo la intervención de organismos que dicten normativas locales, regionales y nacionales buscando la reducción de esta contaminación del aire [24]. Profundizando un poco más en el tema, nos vamos a centrar en la calidad del aire en interiores. A nivel doméstico hay millones de hogares que siguen utilizando fuegos abiertos para cocinar o calentarse, en los cuales queman madera, carbón u otros materiales. Se ha calculado que en 2020 la contaminación de aire doméstico causó 3,2 millones de muertes, de ellas: un 32% se deben a cardiopatía isquémica, un 23% a accidentes cerebrovasculares, un 21% a infecciones de las vías respiratorias, el 19% a enfermedad pulmonar obstructiva crónica y por último un 6% se debieron al cáncer de pulmón. Según datos recogidos en 2020 hubo aproximadamente 63 millones de muertes en el mundo, por tanto, se puede afirmar que más de un 5% de estas se debieron a problemas originados por la mala calidad del aire interior [25]. FIGURA 12. PORCENTAJE DE MUERTES POR CONTAMINACIÓN DEL AIRE INTERIOR A NIVEL MUNDIAL (ELABORACIÓN PROPIA) 95% 5% MUERTES EN EL MUNDO Otras causas Contaminación aire interior 45 FIGURA 13. PORCENTAJE DE ENFERMEDADES CAUSADAS POR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE INTERIOR (ELABORACIÓN PROPIA) El desarrollo de las enfermedades mencionadas sucede cuando la exposición a un ambiente contaminado es continua y durante largos periodos de tiempo. A corto plazo las personas podemos detectar que la ventilación de una estancia no es la adecuada cuando aparecen diversos síntomas que nos generan malestar. El dióxido de carbono es un gas tóxico para el ser humano en altas concentraciones, ya que reduce el nivel de oxígeno llegando a ser asfixiante en lugares con poca o mala ventilación. Cuando estamos expuestos a altos niveles de este gas nuestro cuerpo puede presentar molestias como irritación de los ojos, de la nariz o de la garganta, pudiendo llegar a sufrir mareos, vómitos o visión borrosa. Y con valores superiores al 10% en el aire incluso se puede perder el conocimiento rápidamente o morir [26]. Desde distintas organizaciones tanto a nivel nacional como mundial se buscan continuamente medidas o soluciones para intentar reducir lo máximo posible los datos expuestos anteriormente. Para ello se centran en campos de actuación muy concretos, en los que las personas nos encontramos la mayor parte del tiempo y que en el largo plazo más problemas pueden causarnos, por ejemplo, las viviendas, los lugares de trabajo y diversas instalaciones de uso público como colegios, hospitales, etc. Con la finalidad de mejorar las condiciones de salubridad se han redactado una serie de normas, tanto de obligado como de sugerido cumplimiento, que afectan a los espacios mencionados y su contaminación ambiental. 32% 23% 20% 19% 6% MUERTES POR CONTAMINACIÓN DE AIRE DOMÉSTICO Cardiopatía isquémica Accidentes cerebrovasculares Infección vías respiratorias Enfermedad pulmonar obstructiva Cáncer de pulmón 46 47 CAPÍTULO 6: MARCO NORMATIVO 54 55 CAPÍTULO 7. MODELADO 3D 7.1. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS Este estudio se ha realizado en el laboratorio de fabricación (FABLAB) del centro tecnológico CARTIF, del que paso a describir su geometría para dar a conocer las partes de las que se compondrá el modelo 3D. Se trata de una sala equipada con distintas máquinas para llevar a cabo tanto la creación como el mecanizado de diversas piezas. La estancia en este laboratorio no es continuada durante toda la jornada laboral, pero será importante garantizar una seguridad ambiental en ciertas horas en las cuales pueda haber un grupo de personas trabajando. En cuanto a sus dimensiones; cuenta con un espacio útil de 8,07x6,87 m, lo cual hace una superficie de 55,44 m2. El techo se encuentra a una altura de 2,63 m, por tanto, el volumen total de la sala es de 145,8 m3 aproximadamente. Cerca del centro de la sala nos encontramos una columna de base cuadrada de lado 0,40 m. Esto disminuye el volumen útil total a 145,38 m3, aunque no será relevante para nuestro análisis. Hay cuatro puertas; dos de ellas están permanentemente cerradas y dan acceso a despachos no comunicados con el exterior, por tanto, no las tendremos en cuenta a la hora de realizar el experimento. En cuanto a las otras dos; la principal comunica el laboratorio con el pasillo principal del edificio y la secundaria da acceso a otro laboratorio colindante. La pared que da al exterior tiene la mayor parte de superficie cubierta por una cristalera, con la posibilidad de abrir hasta 3 ventanas al exterior, cuyas dimensiones son 0,69x0,78 m. En el techo existen dos conductos de ventilación con caudal de entrada regulable e igual área de salida, 0,38x0,19 m. Además, cuenta con un conducto de extracción natural, no forzada, con una superficie de 0,38x0,28 m. La iluminación no se va a considerar en este caso. 56 FIGURA 14. VISTA 1 FABLAB DE CARTIF FIGURA 15. VISTA 2 FABLAB DE CARTIF 57 FIGURA 16. VISTA 3 FABLAB DE CARTIF FIGURA 17. VISTA 4 FABLAB DE CARTIF 58 FIGURA 18. ENTRADA FABLAB DE CARTIF Es muy importante tener en cuenta el mobiliario, objetos o máquinas que se encuentran en el laboratorio ya que algunos de ellos pueden influir en los resultados obtenidos, por tanto, es fundamental incluirlos en la geometría. El equipo de mayores dimensiones es una cortadora y grabadora láser de CO2 de la marca Leapion. Como su nombre indica se utiliza para cortar y grabar distintos tipos de materiales, principalmente usada para el grabado de metales y corte de madera. Está compuesta por el equipo de corte, sistemas de ventilación, depósito de CO2 y un panel de control, todo ello contenido dentro de una carcasa de aluminio que mejora su estética y sirve como protección. Funciona mediante CNC (control numérico computarizado). Sus dimensiones son 1,82x1,52x1,10 m. FIGURA 19. CORTADORA Y GRABADORA LÁSER LEAPION 59 Por otro lado, hay una cortadora por chorro de agua de la marca WAZER. Cabe destacar que ofrece un catálogo más amplio de materiales a cortar, siempre y cuando puedan mojarse y resistir la humedad. Su funcionamiento se basa en la proyección a alta presión de un chorro de agua acompañado de polvo abrasivo sobre la superficie de la pieza a cortar. Gracias a ello se arranca material y se puede mecanizar el producto final. Durante el tiempo de funcionamiento puede llegar a aumentar la humedad de la sala, ya que la elevada presión de salida del chorro provoca que parte del agua se evapore. Sus dimensiones son 0,91x0,68x1,45 m. FIGURA 20. CORTADORA POR CHORRO DE AGUA WAZER También existen diferentes modelos de impresora 3D, únicamente tendremos en cuenta aquellos con unas dimensiones lo suficientemente grandes como para interferir en la simulación. En primer lugar, la de mayor volumen está situada en la parte central de la sala y ocupa un espacio de 1,63x1x1,50 m. La segunda y última impresora a considerar se encuentra contra una de las paredes de la sala y su tamaño es de 0,75x0,77x1,82 m. FIGURA 21. IMPRESORA 3D 1 60 FIGURA 22. IMPRESORA 3D 2 Para finalizar añadir un torno y una fresadora controladas por ordenador cuyas dimensiones son 1,10x0,39x1,25 m y 0,35x0,43x1,69 m respectivamente. FIGURA 23. TORNO FIGURA 24. FRESADORA Tanto las mediciones de cada una de las máquinas como de algunas partes de la geometría de la propia sala se han llevado a cabo de forma manual, por tanto, puede haber algún error del orden de milímetros siendo esto irrelevante para los resultados finales obtenidos. 61 7.2. MODELO 3D EN CATIA El modelo 3D del laboratorio de fabricación de CARTIF se ha creado utilizando la herramienta CATIA. Se trata de un programa informático dedicado al diseño asistido por ordenador y comercializado por Dassault Systèmes. En un principio se desarrolló para utilizarlo en la industria aeronáutica, aunque también es ampliamente utilizado en la automovilística o en la construcción, por ello es una herramienta compleja utilizada por ingenieros o diseñadores. Está disponible en distintos idiomas, pero no en español, además es compatible con Windows. En esta ocasión se ha trabajado con la versión Catia V5R19. Para simplificar el proceso, toda la geometría se ha llevado a cabo en una misma hoja de pieza, comúnmente conocida en Catia como `Part´. Inicialmente se ha creado un volumen sólido de todo el laboratorio, al cual se le han sustraído los huecos ocupados por las distintas máquinas, mobiliario o elementos estructurales como columnas o pilares. Se ha elaborado de esta forma ya que facilita el posterior análisis y simulación con el software ANSYS Fluent. A continuación, voy a explicar más detalladamente cada uno de los pasos seguidos en la elaboración del modelo 3D en Catia. Iniciado el programa se crea un nuevo espacio de diseño, para ello se va a la pestaña `file´, se despliega una serie de opciones entre las cuales está `new´. FIGURA 25. HERRAMIENTAS MENÚ CATIA Se selecciona el tipo `Part´ para la creación del nuevo archivo. FIGURA 26. TIPOS ARCHIVOS CATIA 62 FIGURA 27. CONFIGURACIÓN ARCHIVO `PART´ Aparece un espacio de diseño inicialmente vacío, en el que se comienza a realizar el proyecto. FIGURA 28. MENÚ PRINCIPAL ARCHIVO `PART´ El primer paso es seleccionar la pestaña `sketch´ y elegir las direcciones de un plano en el que trabajar, en nuestro caso se dibuja la base de la habitación en el plano XY. 63 FIGURA 29. HERRAMIENTAS `PART´ FIGURA 30. ÁRBOL RESUMEN `PART´ Dentro de la mencionada pestaña `sketch´ aparecen múltiples herramientas de dibujo. Se puede hacer cualquier forma geométrica, teniendo la posibilidad de definir manualmente sus dimensiones. Para la base, o suelo de la sala, se ha creado una figura rectangular de 8,07x6,87 metros. Hay de tener cuidado al dimensionar ya que generalmente Catia nos muestra las cotas en milímetros, esto puede ser modificado desde los ajustes del programa. 70 capacidad computacional muy elevada de la que no dispone el ordenador. Por tanto, con la escala elegida, 1:10, se mejora notablemente la precisión y calidad del resultado obtenido, disminuyendo el tiempo de procesamiento y los cálculos de forma considerable. Con equipos suficientemente potentes el estudio puede hacerse a tamaño 1:1, lo cual permite aumentar el espacio analizado. 71 CAPÍTULO 8: SIMULACIÓN EN ANSYS FLUENT 72 73 CAPÍTULO 8. SIMULACIÓN EN ANSYS FLUENT ANSYS Fluent [27] es un software CFD utilizado para modelar flujos de fluidos, transferencias de calor, turbulencias o reacciones industriales. Es el principal programa elegido y utilizado por muchas empresas en todo el mundo, ya que tiene una precisión y un alcance destacados. La versión Fluent es un paquete bastante complejo diseñado para satisfacer casi cualquier tipo de necesidad en los ámbitos mencionados. 8.1. GEOMETRÍA ANSYS La geometría es una parte fundamental del estudio, ya que es lo que se analiza en la simulación. ANSYS tiene herramientas suficientes para generar distintos tipos de piezas y estructuras. Otra opción que ofrece el programa es importar una pieza ya diseñada con otro software, que es lo que hago en este trabajo. Esto se ha realizado por comodidad, por estar más familiarizado con otros entornos de diseño 3D. El archivo será importado en formato .stp FIGURA 45. GEOMETRÍA LABORATORIO FABRICACIÓN DE CARTIF 8.2. MALLADO Y CONFIGURACIÓN EN ANSYS El mallado consiste en la división del volumen de la geometría a estudiar en un cierto número de celdas, cada una de ellas está conectada con las que le rodean. ANSYS genera un mallado automático en toda la pieza con elementos tetraédricos, el cual se puede modificar en función del objetivo final; el mallado automático cambiará si nuestro estudio es mecánico, electromagnético, hidrodinámico o para CFD. Una vez elegido el tipo es 74 posible variar el tamaño del elemento de malla, cuanto más pequeño sea mayor precisión se obtendrá, pero esto supondrá un coste computacional o un tiempo de ejecución mayor. Otra de las posibilidades que ofrece el programa es ver la calidad de cada uno de los elementos que componen la malla. Esto ayuda a identificar qué tetraedros se han generado de una forma menos simétrica o más defectuosa para poder corregirlos en caso de ser necesario. De igual modo se pueden alterar individualmente ciertas zonas de la geometría en las que nos interese un tamaño de malla más pequeño o de una forma concreta para analizar mejor el comportamiento en ese espacio. En nuestro caso he seleccionado el mallado automático y a continuación, he reducido el tamaño general de la nube de celdas seleccionando una configuración de malla `fina´. FIGURA 46. MENÚ MALLADO ANSYS FIGURA 47. MALLADO ANSYS 75 Como he mencionado anteriormente voy a escoger la generación de una malla específica para análisis CFD y a continuación un espesor `fino´ de esta. FIGURA 48. CONFIGURACIÓN MALLADO 1 FIGURA 49. CONFIGURACIÓN MALLADO 2 Existen múltiples posibilidades a la hora de configurar el tipo de mallado que se va a utilizar. Entre ellas destacan las mallas con elementos en forma tetraédrica, hexaédrica y poliédrica [28]. Cuantos menos elementos compongan el mallado de la estructura, menor será el tiempo de cálculo necesario, pero, podemos perder precisión en los resultados obtenidos. En las poliédricas el número de elementos y tiempo de cálculo disminuye respecto al resto, aunque, el resultado físico también se altera ligeramente. Se ha escogido finalmente un mallado tetraédrico, obteniendo así resultados muy precisos ya que cuenta con aproximadamente el triple de elementos a estudiar. Además, el tiempo de simulación no se ha visto alterado de forma considerable. 76 Se comprueba la calidad del mallado seleccionando `element quality´ en el menú `display´, de esta forma cada uno de los nodos que componen la estructura adquirirá color según su calidad. FIGURA 50. CALIDAD MALLADO Aquellos con tonos azules son elementos que se han generado de forma prácticamente perfecta. Por el contrario, los anaranjados o rojos son los que podrían originar algunos problemas a la hora de calcular o donde dichos cálculos no serán tan precisos. En este punto se ha de valorar si la malla generada es adecuada o no para la simulación. Nos interesa que los nodos situados cerca del mobiliario o maquinaria del laboratorio sean buenos, ya que serán zonas de gran interés en nuestro caso. 77 FIGURA 51. CALIDAD MALLADO PLANTA 1 FIGURA 52. CALIDAD MALLADO PLANTA 2 Como puede observarse los peores elementos se encuentran en las entradas de ventilación del techo. Esto se debe a su pequeña geometría y mayor detalle, en comparación con el resto de elementos de la estancia. Es una zona que en principio no va a interferir en los resultados finales, aun así, existen formas de solucionar o minimizar los posibles errores derivados de las áreas con una calidad de malla inferior. 78 FIGURA 53. ZONAS CONFLICTIVAS MALLADO Llevaré a cabo un refinamiento en esta zona de la geometría. Esto consiste en la reducción del tamaño de esos nodos, consiguiendo así que uno de dudosa calidad pueda generar particiones mejores del mismo, disminuyendo el volumen inicial denominado como `malo´. En las siguientes imágenes podemos comparar el antes y el después de este proceso de refinamiento. Se aprecia claramente una disminución del tamaño de nodo, así como la desaparición de parte del área en color rojo. FIGURA 54. DETALLE MALLADO SIN REFINAMIENTO 79 FIGURA 55. DETALLE MALLADO CON REFINAMIENTO Este proceso puede llevarse a cabo en todas las zonas de la geometría que se necesite, sin olvidar que al aumentar el número de nodos también estamos aumentando el coste computacional posterior. Una vez definida la malla continúo con el resto de configuraciones de ANSYS Fluent. Para realizar el estudio de flujos es fundamental definir las entradas y salidas de aire existentes en la habitación. Se han seleccionado dos entradas forzadas de aire en el techo, correspondientes al sistema de ventilación. FIGURA 56. ENTRADAS DE AIRE AL LABORATORIO A su vez existen dos salidas no forzadas, por las cuales se evacua el aire del interior del laboratorio hacia el exterior. 86 87 CAPÍTULO 9: RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN 88 89 CAPÍTULO 9. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN 9.1. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN El entorno Fluent ofrece la posibilidad de ver los resultados obtenidos tras el proceso de cálculo de distintas maneras. Algunas van a ser utilizadas para comprobar que la simulación se ha llevado a cabo de forma adecuada y otras serán específicas para resolver el problema en cuestión. En primer lugar, se muestra el streamline o línea de corriente, que describe el movimiento que realizaría una partícula fluida a lo largo del tiempo dentro de la habitación. Las zonas de velocidad máxima son las entradas de aire superiores, con 3 m/s, y algunas cercanas a las salidas de aire no forzadas. Las figuras 68 y 69 muestran dos planos distintos de esta situación, todas las imágenes están a la misma escala. FIGURA 68. STREAMLINE 500 LÍNEAS VISTA 1 90 FIGURA 69. STREAMLINE 500 LÍNEAS VISTA 2 Podemos modificar el número de líneas de corriente que queremos visualizar para apreciar mejor el movimiento. En las figuras 70 y 71 se muestra en varias orientaciones el paso de 500 a 5000 líneas de flujo. Al aumentar el número de líneas de corriente representadas se puede apreciar cómo, algunas de ellas, tienen trayectorias completamente diferentes a las representadas en las figuras anteriores. Cuanta más cantidad de líneas simule, encontraré resultados más parecidos al movimiento del fluido en la realidad. El único inconveniente en este caso es que supone un coste computacional más elevado y la sobrecarga complica la visualización de ciertas zonas. 91 FIGURA 70. STREAMLINE 5000 LÍNEAS VISTA 1 FIGURA 71. STREAMLINE 5000 LÍNEAS VISTA 2 Este software también permite la opción de ver la evolución de una única magnitud, la herramienta de `representación en volumen´ es la más útil en este caso. Podemos ajustar su transparencia para ver la estructura a través de la zona coloreada. Para empezar, en la figura 72 se analizará la velocidad del flujo: 92 FIGURA 72. REPRESENTACIÓN EN VOLUMEN DE LA VELOCIDAD Como se puede observar en la imagen anterior, las zonas donde el flujo se acelera corresponden con las vistas en el streamline. Si se superponen ambas herramientas de visualización se aprecia de forma más clara, ver la imagen siguiente. FIGURA 73. REPRESENTACIÓN EN VOLUMEN DE LA VELOCIDAD + STREAMLINE De igual forma es posible ver la evolución del perfil de temperatura en todo el volumen de la sala, figura 74. Se parte de una temperatura inicial de 300 K y se ha establecido una temperatura de entrada de aire a través de los 93 conductos de ventilación de 285 K. Este valor puede resultar demasiado bajo para un sistema de ventilación, pero se ha escogido así para apreciar mejor el cambio de temperatura en las distintas zonas. FIGURA 74. REPRESENTACIÓN EN VOLUMEN DE LA TEMPERATURA De igual forma que en el caso anterior, si superpongo ambas herramientas de visualización (streamline y perfil de temperaturas), se aprecia claramente como las zonas con mayor cantidad de líneas de flujo son las de menor temperatura (figuras 75 y 76). FIGURA 75. REPRESENTACIÓN EN VOLUMEN DE LA TEMPERATURA + STREAMLINE VISTA 1 94 FIGURA 76. REPRESENTACIÓN EN VOLUMEN DE LA TEMPERATURA + STREAMLINE VISTA 2 El análisis de la presión en el volumen estudiado resulta interesante para ver y comprobar que realmente se produce una extracción de aire no forzada en la parte superior. Esta salida se debe únicamente a la diferencia de presiones entre el interior de la sala y el conducto de ventilación conectado con el exterior. Se aprecia una disminución de la presión a medida que nos acercamos a las mencionadas salidas, lo cual origina un aumento de velocidad del flujo de aire hacia dichas zonas. FIGURA 77. REPRESENTACIÓN EN VOLUMEN DE LA PRESIÓN 95 A simple vista la presión en la mayor parte del laboratorio permanece prácticamente constante en todo momento, figura 77. Pero esta aumenta ligeramente con la entrada de aire, siendo compensada por la salida a través de los conductos de ventilación natural. Extrayendo el detalle de estas zonas puede verse el fenómeno con mayor claridad, figura 79. FIGURA 78. REPRESENTACIÓN EN PLANO DE LA PRESIÓN FIGURA 79. DETALLE DEL PLANO DE PRESIÓN 102 FIGURA 84. SENSEAIR S8 LP Para su protección, se ha situado, junto al resto de componentes, en el interior de una carcasa creada mediante impresión 3D en el propio centro CARTIF; tiene la capacidad de funcionar un tiempo sin estar enchufado a la red ya que dispone de una pequeña batería, pero en este caso tengo la posibilidad de tener todos los sensores continuamente conectados a fuentes de alimentación del propio laboratorio. FIGURA 85. DISPOSITIVO DE MEDICIÓN CARTIF VISTA 1 103 FIGURA 86. DISPOSITIVO DE MEDICIÓN CARTIF VISTA 2 FIGURA 87. DISPOSITIVO DE MEDICIÓN CARTIF VISTA INTERIOR 1 FIGURA 88. DISPOSITIVO DE MEDICIÓN CARTIF VISTA INTERIOR 2 104 A continuación, se describe el proceso que se lleva a cabo desde que el sensor mide la concentración en un momento exacto hasta que visualizamos los resultados en la plataforma. FIGURA 89. ESQUEMA DE COMUNICACIÓN DISPOSITIVO DE MEDICIÓN-PLATAFORMA (ELABORACIÓN PROPIA) En primer lugar, el dispositivo de medición recoge el dato de concentración y lo envía en formato JSON, el cual es un formato de texto sencillo para el intercambio de datos. Esta información es recibida por el mosquitto, un intermediario de mensajes de código abierto o Broker Open Source, muy popular en el sector doméstico. Los clientes se conectan a este servidor central o broker que funciona bajo el protocolo MQTT (message queuing telemetry transport), este se trata de un protocolo de red ligero, de publicación y suscripción, de máquina a máquina. Usado en casos de clientes que necesitan una huella de código pequeña, que están conectados a redes no fiables o con recursos limitados. Está basado en la pila TCP/IP como base de la comunicación (Internet). Los datos recopilados por el sensor se publican en un topic y posteriormente son difundidos a los clientes suscritos a dicho topic. Es decir, el broker (mosquitto) los etiqueta jerárquicamente dentro de un mismo grupo, así cada cliente recibe solo los datos que le interesen en función del tema con el que se han etiquetado. En nuestro caso es la plataforma de visualización la que se suscribe al broker para recibir los datos de la concentración. Los cuales podemos ver en tiempo real cada vez que entramos en ella. 105 FIGURA 90. PLATAFORMA DE VISUALIZACIÓN (PANEL) FIGURA 91. PLATAFORMA DE VISUALIZACIÓN (GRÁFICAS) Una vez recibidos, la plataforma está conectada con la base de datos donde se almacenan cada una de las concentraciones, cuando hacemos alguna consulta se produce un intercambio de información entre ambas hasta poder visualizar la información deseada. A continuación, se muestra en el plano los puntos donde he colocado cada uno de los sensores. He recogido datos cada 30 segundos durante varias semanas para asegurarme del buen funcionamiento de estos. 106 FIGURA 92. PLANO LABORATORIO DE FABRICACIÓN DE CARTIF FIGURA 93. VISTA 3D DE LA UBICACIÓN DE LOS SENSORES 107 10.2. DATOS DE LOS SENSORES En este apartado se presentan los datos reales recopilados por los sensores durante distintas jornadas de trabajo. Para comprobar la sensibilidad de los mismos ante cambios de concentración, los dispositivos estuvieron funcionando durante dos semanas en una fase de prueba, en una sala contigua al laboratorio de prototipado y fabricación. De este modo se han podido observar las variaciones en la concentración según comenzaba la jornada de trabajo, en los ratos de descanso o cuando el día finalizaba, verificando así una correcta detección por parte de los sensores. Todos ellos toman datos cada 30 segundos, quedando registrados en una base de datos en la que podemos visualizar directamente los resultados o descargar un fichero para trabajar con ellos en otras plataformas. En este caso el tratamiento y presentación de estos se ha realizado utilizando Microsoft Excel. Se recopilan en torno a 2500 datos diarios por cada uno de los sensores, por ello, tras llevar a cabo el filtrado de estos, se han obtenido representaciones significativas de la variación de la concentración de dióxido de carbono en distintos días. A continuación, se presenta como ejemplo la evolución temporal de la concentración de CO2 durante dos días cualesquiera de prueba de los sensores. Puede apreciarse claramente en las figuras 94 y 95 que los niveles de dióxido de carbono aumentan significativamente con la llegada de personas y, por el contrario, disminuyen cuando el personal abandona la estancia, y que los perfiles en ambos casos son similares. FIGURA 94. PRUEBA 1 SENSORES 108 FIGURA 95. PRUEBA 2 SENSORES Tras el periodo de prueba anteriormente mencionado los sensores se colocaron en el laboratorio de fabricación de CARTIF según la figura 93. Una vez instalados se simularon las condiciones de trabajo habituales en la sala, poniendo en funcionamiento las diferentes máquinas y ocupando con 5 personas las distintas estaciones de trabajo. Se repite el proceso durante varias semanas. Estos datos son los que realmente me interesan para su posterior comparación con los resultados de la simulación. Se buscará correlación entre las zonas teóricamente más críticas, obtenidas en ANSYS Fluent, y los datos reales en distintos puntos de la sala a lo largo del día. De las mediciones registradas por los cuatro sensores en días consecutivos, se aprecia frecuencia de repetición de resultados; expongo como ejemplo los datos de concentración media de dióxido de carbono obtenidos por el sensor número 3 en cada hora a lo largo de cinco días. 109 Horas Promedio CO2_Sensor3 Lunes Promedio CO2_Sensor3 Martes Promedio CO2_Sensor3 Miércoles Promedio CO2_Sensor3 Jueves Promedio CO2_Sensor3 Viernes 0:00 425 430 450 437 443 1:00 440 431 445 442 450 2:00 450 440 455 449 455 3:00 443 445 462 450 453 4:00 450 454 465 452 440 5:00 475 465 461 459 435 6:00 460 478 465 467 470 7:00 465 470 482 473 461 8:00 457 472 473 462 455 9:00 593 599 615 594 583 10:00 592 561 570 588 601 11:00 609 584 615 606 600 12:00 801 802 785 809 822 13:00 684 651 702 694 661 14:00 642 664 637 651 651 15:00 648 628 652 635 663 16:00 580 569 571 583 601 17:00 523 500 504 508 526 18:00 457 450 482 454 471 19:00 425 426 430 427 427 20:00 412 428 435 421 415 21:00 403 401 420 417 410 TABLA 8. CONCENTRACIÓN MEDIA DE CO2 (PPM) MEDIDA POR EL SENSOR 3 EN UNA SEMANA FIGURA 96. CONCENTRACIONES EN PPM TOMADAS POR EL SENSOR 3 EN UNA SEMANA 400 500 600 700 800 900 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 CONCENTRACIÓN (PPM) HORAS Concentraciones medidas por el sensor 3 cada día Promedio CO2_Sensor3 Lunes Promedio CO2_Sensor3 Martes Promedio CO2_Sensor3 Miércoles Promedio CO2_Sensor3 Jueves Promedio CO2_Sensor3 Viernes 110 Como puede observarse las concentraciones registradas por un mismo sensor a lo largo de toda la semana son similares, siempre y cuando el laboratorio mantenga la misma actividad. En la siguiente tabla se expone la concentración media de dióxido de carbono en ppm registrada por cada sensor en cada hora uno de los días. El periodo va desde las 00:00 h de la madrugada hasta las 21:00 h de la noche. Horas Promedio CO2_S1 Promedio CO2_S2 Promedio CO2_S3 Promedio CO2_S4 0:00 438 436 437 459 1:00 443 440 442 463 2:00 448 447 449 468 3:00 450 447 450 468 4:00 452 450 452 470 5:00 458 457 459 476 6:00 466 463 467 484 7:00 474 472 473 492 8:00 457 455 462 471 9:00 599 580 594 677 10:00 604 595 588 607 11:00 560 568 606 629 12:00 750 766 809 819 13:00 702 702 694 719 14:00 650 656 651 671 15:00 635 635 635 654 16:00 574 586 583 596 17:00 499 517 508 527 18:00 456 464 454 477 19:00 432 430 427 451 20:00 425 421 421 442 21:00 423 419 417 437 TABLA 9. CONCENTRACIÓN MEDIA EN PPM DE CO2 POR FRANJAS HORARIAS Para ver mejor cada una de las variaciones que se generan se va a fragmentar la gráfica global de concentración de dióxido de carbono de dicha jornada completa en distintos tramos horarios, justificando para cada uno de ellos el comportamiento observado. En primer lugar, se representa la franja nocturna desde las 00:00 h hasta las 07:00 h de la mañana. Durante este periodo la habitación está completamente vacía, no se aprecian variaciones significativas de ningún tipo. La gráfica se acompaña de una pequeña parte de la tabla de datos para ver con mayor detalle sus tendencias. 111 HORA CO2_(ppm) SENSOR_1 CO2_(ppm) SENSOR_2 CO2_(ppm) SENSOR_3 CO2_(ppm) SENSOR_4 0:00 436 433 433 457 0:01 435 433 432 456 0:01 435 433 433 454 0:02 435 433 434 454 0:02 435 433 433 454 0:03 435 433 433 454 0:03 435 433 433 456 0:04 436 433 433 456 0:05 436 433 433 456 0:05 436 433 433 456 0:06 436 433 433 457 0:06 435 433 433 457 … 6:54 469 466 469 486 6:54 469 467 469 487 6:55 469 466 470 488 6:55 469 467 470 488 6:56 470 467 469 488 6:56 470 467 469 488 6:57 470 467 469 488 6:58 470 467 469 488 6:58 470 467 469 488 6:59 470 467 470 488 6:59 470 467 470 488 7:00 471 468 469 488 TABLA 10. FRAGMENTO EJEMPLO DE DATOS CONCENTRACIÓN EN PPM DE LA PRIMERA FRANJA HORARIA (ENTRE LAS 00:00-07:00 H) FIGURA 97. EVOLUCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN CO2 EN PPM EN EL LABORATORIO (ENTRE LAS 00:00-07:00 H) Durante la noche no hay variaciones significativas en la concentración. 118 119 CAPÍTULO 11: CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS 120 121 CAPÍTULO 11. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS 11.1. CONCLUSIONES • Este Trabajo Fin de Grado ha conseguido dar respuesta al objetivo general del mismo, encontrando la ubicación idónea para la colocación finalmente de un solo sensor de dióxido de carbono en el laboratorio de prototipado y fabricación de CARTIF, que actúe como una importante medida de prevención para evitar riesgos de salubridad derivados de una alta concentración de dicho compuesto. De esta forma se van a garantizar unas condiciones de trabajo seguras mientras la medición se mantenga dentro de los límites establecidos, contando con un tiempo de actuación suficiente en caso de emergencia, sin dar lugar a sorpresas ya que permite saber en todo momento cual es la concentración más elevada dentro de la estancia. • El marco teórico me ha permitido revisar las ecuaciones generales de Mecánica de Fluidos que utilizan las técnicas CFD, pudiendo realizar la simulación del flujo de aire en el espacio objeto de estudio mediante el software ANSYS Fluent que a pesar de la complejidad en su manejo permite reproducir los fenómenos que ocurren de forma amplia y fiable reduciendo el número de experimentos. El tiempo invertido en la comprensión y manejo de este software me ha servido para poder analizar e interpretar la información de la simulación, así como adquirir experiencia en estos modelos para solventar problemas de ingeniería desde un punto de vista computacional. • La construcción de la geometría con el programa CATIA, así como la tipología de elementos seleccionados para realizar el mallado del dominio fluido son aspectos muy significativos en el proceso, pues de ello dependerá la precisión en la resolución, así como la necesidad de un mayor o menor dominio computacional y de la facilidad de convergencia del modelo. A mayor complejidad, más carga computacional y en consecuencia más tiempo en conseguir la solución. He trabajado con un mallado tetraédrico de espesor fino que a pesar de tener mayor número de elementos permitió obtener los resultados en un tiempo razonable. Hice pequeños refinamientos en reducción de tamaño de nodos en la zona próxima a las entradas de ventilación del techo mejorando la calidad de la malla en su conjunto. • Los resultados de la simulación revelan que las zonas críticas en relación a una mayor acumulación de dióxido de carbono en las que deben colocarse los medidores de este gas corresponden con las 122 zonas de trabajo de los operarios y están más alejadas de las entradas de ventilación. • La validación de esta información se ha hecho por comparación con los resultados generados en las mediciones realizadas por cuatro sensores de dióxido de carbono ubicados en las zonas más problemáticas de ventilación. Se confirma que los niveles detectados aumentan con la llegada de los operarios al espacio de trabajo y con el funcionamiento de equipos, siendo el sensor número 4 el que registra concentraciones más altas, coincidiendo dicha posición con lo que se intuía en la simulación ANSYS. En consecuencia, se validan las técnicas CFD como herramienta eficaz para el estudio del comportamiento de los fluidos. • En relación a la normativa vigente en calidad de aire interior los niveles detectados cumplen un nivel de calidad IDA 2 (aire de buena calidad), lo que garantiza ser un lugar adecuado sin riesgo para la salud, pudiendo siempre ser mejorado a un nivel IDA 1 de óptima calidad con alguna entrada más de ventilación. Por último, mencionar que este trabajo me ha permitido reforzar los conocimientos académicos en Mecánica de Fluidos, y adquirir un importante aprendizaje de la técnica de simulación computacional ANSYS Fluent, pudiendo aplicar los conocimientos teóricos a la parte práctica. Este proyecto permite desarrollar y potenciar las competencias del TFG. Así en la fase de documentación bibliográfica e investigación se pone en juego la capacidad de análisis y síntesis, el manejo de especificaciones técnicas, así como la capacidad de aprendizaje y trabajo autónomo. En la etapa de desarrollo experimental, es decir, la simulación ANSYS del espacio analizado, así como las mediciones realizadas con los sensores, han significado trabajar la competencia de resolución de un problema, motivado durante todo su proceso con el compromiso social de mejora de las condiciones ambientales interiores en los lugares de trabajo. Para finalizar se muestra gráficamente el lugar elegido para la colocación del sensor, habiendo tenido en cuenta todos los aspectos y consideraciones mencionados a lo largo de este trabajo. 123 FIGURA 102. DISPOSITIVO DE MEDICIÓN DEFINITIVO VISTA 1 FIGURA 103. DISPOSITIVO DE MEDICIÓN DEFINITIVO VISTA 2 124 11.2. LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN A partir de la realización de este proyecto se pueden introducir líneas futuras de investigación. Entre las propuestas: • Realizar simulaciones con el modelo 3D ya generado, pero introduciendo ciertas modificaciones en la configuración de ANSYS Fluent, como son la apertura de puertas y ventanas. • Modificar los parámetros de ventilación, analizando el resultado ante distintas velocidades de entrada del aire. • Realizar análisis de otras partículas que también pueden ser detectadas por los sensores, como PM2.5 o PM10. • Aplicar el procedimiento en otros espacios interiores del centro tecnológico, ya que los datos tomados durante los periodos de prueba desvelaron lugares en los que la ventilación era ineficiente. • Continuando en el ámbito de la seguridad y prevención de riesgos, se ha planteado la utilización de ANSYS Fluent para estudiar la instalación de un sistema de supresión de incendios con agentes gaseosos, como CO2, gases halocarbonados y gases inertes. Siendo necesaria en este caso la resolución de dos problemas, la colocación de los sensores de detección de incendios y la colocación de los difusores de los compuestos mencionados. Con el fin de obtener el máximo rendimiento y capacidad de extinción generando los menores problemas posibles a los equipos de gran valor económico existentes en el laboratorio. 125 BIBLIOGRAFÍA [1] J.H. Ware, I.A. Thibodeau y E. Speizer, “Assessment of the health effects of atmospheric sulfur oxides and particulate matter: evidence from observational studies”, Environmental Health Perspectives, vol. 41(October), pp.255-276, 1981. [En línea]. Disponible en: https://doi.org/10.1289/ehp.8141255. Acceso: marzo 2023. [2] E.M. Castillo, M.C. Aguirre Ullauri y J. García, “La calidad de aire interior: una revisión histórica desde la normativa española”, Anales de Edificación, vol. 6(2), pp.74-85, 2020. [En línea]. Disponible en: https://doi.org/10.20868/ade.2020.2. Acceso: marzo 2023. [3] D. Norback, I. 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