Incendios de hidrocarburos : estudio de la formación y evolución del boilover de capa fina

TESIS DOCTORAL INCENDIOS DE HIDROCARBUROS: ESTUDIO DE LA FORMACIÓN Y EVOLUCIÓN DEL BO/LOVERDE CAPA FINA Doctorando: Director de Tesis: Fabio Perrero Josep Arnaldos Viger Barcelona, Marzo de 2006 Capitulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 127 5 EFECTO DEL BOILOVER SOBRE LA GEOMETRÍA DE LA LLAMA Y LA RADIACIÓN EMITIDA El objetivo del presente capítulo es evaluar el efecto de la ebullición de la capa de agua sobre la geometría de la llama, concretamente sobre la longitud y la inclinación de ésta, y la radiación emitida por el incendio durante dicha fase. Como ya se ha indicado en el capítulo 2, la geometría de la llama en incendios de balsas de hidrocarburos ha sido objeto de estudio a partir de los años cincuenta, debido a su notable interés práctico ya que su conocimiento es fundamental al fin de apreciar el impacto del incendio sobre instalaciones contiguas. En primer lugar, se describe el método adoptado para la obtención de las imágenes. A continuación, se explica el funcionamiento del programa que se ha utilizado al fin de obtener la información deseada sobre la geometría de la llama. El análisis se ha limitado al gasóleo, que como ya se ha indicado ha sido el único combustible que presenta boilover. Posteriormente, se han analizado las correlaciones existentes en la bibliografía para calcular la longitud de la llama, comprobando que dichas correlaciones no se ajustan a los datos experimentales obtenidos en esta tesis, sobre todo cuando éstas intentan estimar dicha longitud durante el boilover. Por lo tanto, se han propuesto nuevas ecuaciones para el cálculo de esta longitud, teniendo en cuenta la existencia de las dos situaciones: período estacionario sin boilover y con boilover. En los dos apartados siguientes se estudia la influencia del boilover sobre la inclinación y la frecuencia de pulsación de la llama. Por último, se propone un modelo para el cálculo de la radiación incidente sobre un receptor durante dicho período y la repercusión del mismo en la estimación de las distancias de seguridad. 5.1 Metodología de medida de la longitud de la llama El primer problema a tener en cuenta cuando se quiere medir una llama, independientemente del tipo de ésta a analizar, es definir sus límites. Además, cuando se quieren medir las dimensiones de una llama de tipo difusivo, otras tres dificultades complican el problema: la medición de un objeto tridimensional en un espacio geométrico bidimensional, el efecto de bloqueo de la radiación por el humo y la fluctuación de la altura, longitud e inclinación. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del boilover de capa fina 128 5.1.1 Límites de la llama Los límites de la llama se eligieron, de acuerdo con lo definido por Cowley y Johnson (1991) [COWL 1991], en base a la parte ocupada por los productos de combustión a elevada temperatura que pueden emitir en el campo visible. Cabe indicar que ésta no es exactamente la zona ocupada por todos los productos de combustión. Además, para determinar la geometría de un cuerpo radiante, lo que más interesa de dicho cuerpo es la parte que puede emitir energía. Por lo tanto, el estudio se basa en la grabación de imágenes de dicha parte visible de la llama utilizando videocámaras. 5.1.2 Medida de la imagen Una llama es un objeto tridimensional. Por lo tanto, su extremo, el cual define el contorno, se dispone en un punto del espacio que puede ser descrito por tres coordenadas. Por otra parte, hay que tener en cuenta que si se realiza una foto o una grabación de video de un objeto tridimensional en movimiento, se pierde la noción de la profundidad. En este caso, se utilizaron dos cámaras, las cuales se dispusieron en ángulo recto entre sí. Además, se optó por colocar los aparatos de forma que la dirección predominante del viento íuera ortogonal a uno de los dos. En el caso en que la dirección del viento no sea exactamente perpendicular a la cámara, la altura e inclinación obtenida de las imágenes se puede corregir si se conoce la dirección del viento relativa a la línea de visión [MOOR 1982]. Si dmg y Lmg representan, respectivamente, la inclinación y la longitud determinadas a partir de las imágenes y 6CW el ángulo entre la dirección del viento y la normal a la línea de visión; entonces, la longitud real y el ángulo real de la llama son: (5.1) (5.2) , '"* coso 5.1.3 Efecto de bloqueo del humo La formación de humo se debe a la falta de oxigeno en el interior de la llama; en llamas de tipo difusivo de gran tamaño, la entrada de aire no es suficiente para garantizar las condiciones estequiométricas en todo el incendio (especialmente en las zonas centrales, más lejanas de la antedicha entrada de aire). Por lo tanto, la combustión no puede realizarse completamente, apareciendo en los productos de combustión componentes pesados no oxidados. Estos se caracterizan por una emisividad mucho mayor que la del COa y del vapor de agua, pero, siendo de color negro ya que su temperatura es la más baja respecto al resto de componentes que forman la llama, dichos productos, oscurecen Capitulo S - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 129 parte de esta llama. Normalmente, la parte de la llama tapada por el humo se desprecia, ya que dicho humo bloquea la radiación emitida. 5.1.4 Pulsación Las características mecánicas de las llamas de tipo difusivo se manifiestan siempre en su fluctuación; es decir, en la repetición, a intervalos más o menos regulares, de un comportamiento característico. Las fases que se repiten son esencialmente la formación de la llama, su crecimiento debido a la entrada de aire desde el exterior, la consecuente turbulencia, el mantenimiento de una parte de la llama aún no exhausta y el retorno a la situación inicial. Según estudios previos [BEJA 1991], dichas fases se repiten con un periodo característico, generalmente variable con los factores que influyen sobre la turbulencia, especialmente la velocidad del viento. En este sentido, tiene mucho interés el boilover, debido a que la ebullición del agua aumenta la turbulencia del incendio. Por otra parte, el carácter pulsante se traduce en la necesidad de procesar las imágenes con una frecuencia superior o, por lo menos, comparable con la pulsación propia de la llama. Por lo tanto, en este caso, a partir de la grabación del incendio, se han extraído 25 imágenes (frames) por segundo. 5.2 Adquisición de los datos Como ya se ha dicho anteriormente, todas las pruebas realizadas han sido filmadas con dos cámaras de video, en posición perpendicular ente si, de manera de poder evaluar el efecto de la inclinación de la llama. En cada prueba la posición donde situar las videocámaras ha sido elegida, basándose en el dato de dirección del viento registrado por la estación meteorológica, para garantizar la máxima perpendicularidad posible entre la línea de visión de una de las dos cámaras —nombrada CAM1— y la dirección en que, bajo la acción del viento, se desarrolla la llama, como se muestra en la figura 5.1. En cambio la otra cámara (CAM2) ha sido colocada a 90 grados respecto a la C AMI, es decir, en la dirección del viento predominante, para determinar las desviaciones de dicha línea. Con la finalidad de obtener una información sobre la geometría de la llama que asegure la repetición y fiabilidad en los datos utilizados, se ha seguido un procedimiento específico. Los vídeos de las experiencias se han digitalizado en archivos .avi, por medio de una tarjeta capturadora de vídeo y se han almacenado en discos compactos. La tarjeta tenía, además de una entrada de video normal, una entrada S-Video, la cual permite una menor perdida de calidad de la imagen durante el proceso de captura al PC. A partir de estos archivos digitales, se han adquirido las imágenes con una frecuencia de 25 imágenes por segundo, como ya se ha indicado en el apartado anterior, memorizándolas en archivos de extensión jpg. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del hoi/over de capa fina 130 Figura í. 1. Posición de la cámara CAM I respecto a la llama. El primer programa, creado y utilizado por Falgas [FALG 2002], se basaba sobre el análisis de los valores RGB de los píxeles que conforman una imagen. En efecto, cada pixel está representado por tres valores numéricos que corresponden, respectivamente, a la intensidad de rojo (valor Red), a la intensidad de verde (valor Green) y a la intensidad del azul (valor Blue), los cuales definen el color del mismo pixel. El programa, utilizando los comandos predefinidos de MATLAB impixel e improfile, almacenaba la información RGB de la imagen en tres matrices distintas de igual tamaño. Las dimensiones de la matriz dependían solamente de la resolución de la imagen; por ejemplo, con una resolución de 320 x 480 pixel, las matrices tenían, obviamente, 320 líneas y 480 columnas. Posteriormente, el programa determinaba, de forma automática, el extremo superior de la llama en cada imagen, basándose en condiciones de pertenencia o no del pixel en el perfil del incendio. Pese a que las condiciones de pertenencia se habían determinado con precisión tras el análisis previo de varias imágenes de video, en algunos casos el programa proporcionaba datos incoherentes, debido a que, por sus características específicas, un punto del fondo de imagen o del cielo podía llegar a ser considerado como interno a la llama. Dicho programa fue rediseñado por Muñoz, dejando de ser "completamente automático" ya que implicaba la presencia de un operador que determinase manualmente el punto superior de la llama [MUÑO 2005). E\ algoritmo utilizado en la Capitulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 131 presente tesis, nombrado hdscanning, deriva de una modificación del programa rediseflado por Muñoz y su funcionamiento se detalla a continuación. Una vez especificado un directorio de trabajo, el programa lee previamente dos archivos de "entrada" que contienen información necesaria para la posterior obtención de datos. El primer archivo, cuyo nombre por defecto es imgftles.txt, contiene la lista de los archivos de imágenes que el programa abrirá de forma sucesiva. El otro archivo, cuyo nombre por defecto es parámetros, inf, se muestra en la figura 5.2. ä Lister - [E:\F<ibia\Scuold\Fac3Widea(Uinagin«_2Sfps\FOC3_03_G3_Cam2\Eitacionarionparametros.inrj Fichero Editar Opciones Ayuda FOC3_83_G3 Gasoline 17/85/28014 3 25 ».5 6.1 126 17 266 226 183 212 8 B e o Figura 5.2. Ejemplo de archivo de "entrada"parámetros.mf. Dicho archivo requiere en el siguiente orden: - el nombre del experimento, - el tipo de combustible, - la fecha de la prueba, - el diámetro de la balsa utilizada, expresado en m, - las imágenes por segundo (fps), - los factores de conversión horizontal y vertical (cm/pixel), - las coordenadas (x,y) del pixel que se elige como limite superior de la imagen, - las coordenadas (x,y) del pixel que se elige como limite inferior de la imagen, - las coordenadas (x,y) del pixel en que se sitúa el centro de la balsa, - el ángulo con la corrección 0^ (°) y su desviación estándar, - la velocidad media del viento (m/s) y su desviación estándar. Hay que destacar las siguientes consideraciones: • Los factores de conversión horizontal y vertical (cm/píxel) se determinaron previamente, utilizando referencias de una imagen grabada antes del inicio del incendio. • Elegir unos límites inferior y superior de la imagen no era una operación necesaria para el cálculo de las variables deseadas. Sin embargo, de esta forma el programa abre una imagen ampliada en la cual es más fácil caracterizar el extremo superior de la llama. • Las coordenadas del centro se refieren a la imagen no recortada. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del hoilover de capa fina 132 • El ángulo 9m se determina previamente tras la observación del dato de dirección del viento y de las grabaciones de video de los incendios. Una vez ejecutado el programa de lectura de datos, si hdscanning no encuentra errores en esta fase de lectura de los archivos de "entrada", se abre la primera imagen de la lista mediante el comando propio de MATLAB imread y se pone en modalidad de espera, hasta que el usuario no elija el extremo superior de la llama con un clic del ratón. Antes de pasar a una nueva imagen, el programa muestra la distancia entre el centro de la balsa y el extremo elegido, como se muestra en la figura 5.3. Además, con los factores de conversión, calcula la longitud, la altura y la inclinación de la llama y las corrige mediante las ecuaciones (5.1) y (5.2), memorizando toda la información en un archivo de "salida" (length.dat). Figura 5.3. Ejemplo Je imagen tratada. A continuación, el programa cierra la imagen tratada y abre la siguiente, esperando nuevamente al clic del ratón por parte del usuario. La operación continua hasta que se llega a leer la última imagen listada en el archivo imgfiles.lxt. En este punto, el programa genera dos archivos de "salida": • El archivo length.dal, en el cual se han almacenado progresivamente los datos de altura y longitud de llama (en cm), la inclinación y, además, la longitud y la inclinación corregidas. • El archivo intermilencia.dat, en el cual se memorizan los datos que conforman la curva de intermitencia de la longitud adimensional, a partir de la cual se podrán determinar los valores medio, máximo y mínimo de longitud, tal como se explicará en el siguiente apartado. Capitulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 133 5.3 Análisis cualitativo de la longitud de la llama Ronza [RONZ 2002], con la finalidad de un análisis cualitativo previo de la evolución de la geometría del incendio, estudió las imágenes grabadas con una frecuencia de una imagen por segundo. Dicho análisis, permitió evidenciar una tendencia general al aumento de la altura de la llama durante el boilover en las pruebas de gasóleo. En la presente tesis, no se ha realizado estudio previo, ya que los periodos del incendio han sido determinados con precisión en otros análisis (velocidad de combustión, temperatura del líquido). Por lo tanto, se ha procedido directamente a la determinación de las características geométricas de la llama en periodos específicamente elegidos. Mediante el uso del nuevo sistema de adquisición desarrollado (véase el apartado 3.4.1), ha sido posible caracterizar periodos con viento prácticamente constante en velocidad y dirección. Por lo tanto, se han podido determinar, con la ayuda de la observación de las grabaciones de las dos cámaras, fases con una llama estable; es decir, aptas para el análisis de las características geométricas, tanto para la fase estacionaria como para el boilover. Hay que destacar que, mientras que en el período estacionario ha sido siempre posible determinar un periodo de 15-20 segundos de viento casi constante, en algunos casos, durante el boilover —debido a su menor duración— las fases estables han sido del orden de los 10 segundos. Sin embargo, esto no ha supuesto ningún problema, ya que, según estudios previos [PAGN 1989, BEJA 1991], para los diámetros examinados la frecuencia de pulsación tiene que estar comprendida entre 0,5 y 1,5 Hz y, en todos los casos analizados, el intervalo ha sido satisfactorio para mantener dicha frecuencia, teniendo en cuenta que se utilizaron 25 imágenes por segundo. A continuación, se exponen los resultados obtenidos tras el tratamiento efectuado sobre los fotogramas de los incendios. En estos resultados se analizan la longitud de la llama, así como la inclinación de ésta y su frecuencia de pulsación. Hay que indicar que no se ha considerado la influencia del espesor inicial de combustible, en cuanto en la bibliografía, todos los autores concuerdan en excluir la relevancia de dicho parámetro en los fenómenos fluidodinámicos que regulan la geometría de la llama en los incendios de balsa. 5.3.1 Incendios de gasóleo: periodo estacionario En la figura 5.4 se muestra la evolución de la longitud de la llama en un intervalo de tiempo considerado, para la prueba FOC3_02_D3 (gasóleo, 3 m, espesor inicial de 15 mm). Es evidente la naturaleza pulsante de la llama, característica de incendios de grandes dimensiones; la longitud (y la altura) medida oscila alrededor de un valor medio, que se calcula para cada incendio según el criterio de la intermitencia, como se explicará a continuación. Cabe destacar que en la figura 5.4, las abscisas indican el tiempo relativo al inicio del intervalo elegido para el análisis y no al inicio del incendio. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del boilover de capa fina 134 Los datos de la figura 5.4 se utilizan para calcular la intermitencia de la llama /(¿), definida como la fracción de tiempo en la cual la longitud de dicha llama se encuentra por encima de una cota L [ZUKO 1995]. El cálculo de la intermitencia se efectúa una vez obtenidos los gráficos de longitud máxima en el periodo considerado y determinado el valor de longitud mínimo y máximo alcanzados, originando un rango de valores de este parámetro que se divide en diferentes clases. Entonces, para cada clase, se calcula la frecuencia de ocurrencia acumulada en el tiempo; es decir, el número de fotogramas en que la longitud visible de la llama cae en el interior de cada clase. A partir del dato de frecuencia acumulado se determina la intermitencia de la llama de forma porcentual. 10 Tiempo (s) 15 20 Figura 5.4. Evolución de ¡a longitud de la llama en el periodo estacionario para la prueba FOC3_02J>3. La figura 5.5 muestra la intermitencia para la prueba FOC3_02_D3, y en ella pueden verse los valores de: - / = 0,5 que determina la longitud media; - / = 0,05 que determina la longitud máxima; - / = 0,95 que determina la longitud mínima. Estas definiciones, las cuales son arbitrarias, han sido utilizadas por Zukoski [ZUKO 1995] para establecer las mencionadas longitudes. El cálculo de la intermitencia lo efectúa directamente el programa hdscanning al final de la adquisición de datos. Cabe indicar que; para cada prueba, la intermitencia ha sido calculada en función de la longitud adimensional (I/O) y no de L: el resultado es Capítulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 141 En las figuras 5.7 y 5.8 se muestra gráficamente el ajuste de las antedichas correlaciones a los datos experimentales. c •g o f 2^ o O § a) Heskestad Mangialavori Moorhose Cilindrica Moorhose Cónica Thomas 1 Thomas 2 Pritchard y Binding L/D Experimental c •o o co 2- o o § Heskestad Mangialavori Moorhose Cilindrica Moorhose Cónica Thomas 1 Thomas 2 Pritchard y Binding b) L/D Experimental Figura 5.7. Comparación gráfica del ajiixlc' de las correlacione* analizadas a los datos experimentales en el período estacionario: a) longitud media: h) longitud máxima. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del hoilover de capa fina 142 3- c •o 'o I 2-1 C o o § 1 - Heskestad Mangialavon Moorhose Cilindrica Moorhose Cónica Thomas 1 Thomas 2 Pritchard y Binding ODD a) L/D Experimental 3- o (D O O Heskestad Mangialavon Moorhose Cilindrica a o A v Moorhose Cónica O Thomas 1 O Thomas 2 t> Pritchard y Binding b) m D D D D L/D Experimental Figura í. 8. Comparación grá/ica del ajuste de lax correlaciones analizadas a los datos experimentales en el boilover; a) longitud media: h) longitud máxima. En el caso del período estacionario, la correlación de Mangialavori y Ruhino y la de Moorhouse para llamas cilindricas estiman con una aceptable aproximación la longitud Capitulo 5 - Efecto del boüover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 143 media de la llama, mientras que la ecuación de Pritchard y Binding parece adecuada para el cálculo de la longitud máxima. Así y todo, se ha creido conveniente obtener nuevas correlaciones para este período que se ajustasen mejor a los resultados experimentales de este trabajo. En la fase de boilover, como era de esperar, ninguna de las correlaciones anteriores calcula la longitud de la llama de forma satisfactoria. En consecuencia, se ha hecho imprescindible la obtención de nuevas ecuaciones para la estimación de dicha longitud en esta situación, las cuales correlacionen los datos experimentales con precisión. Para la obtención de las nuevas ecuaciones para el cálculo de la longitud de la llama, tanto para el período estacionario como para el boilover, se ha optado por el uso de correlaciones del tipo: (5.11) en base a las siguientes consideraciones: • La ecuación de Heskestad — que utiliza el parámetro Q* — han presentado grandes desviaciones respecto a los datos experimentales. • Ronza [RONZ 2002], analizando la longitud media de la llama en incendios de gasóleo y gasolina en la misma instalación, obtuvo valores notablemente inferiores a los determinados a partir de las ecuaciones que utilizan el parámetro Q* presentes en la bibliografía actual. La causa se atribuyó principalmente al hecho de que el parámetro Q* no contempla que, para balsas de gran tamaño, las reacciones de combustión de gasolina y, aún más, de gasóleo tienen una eficacia muy baja. En consecuencia, como en el cálculo de Q* no se incluye dicha eficacia, los valores de este parámetro están sobreestimados. • Vaccari [VACC 2002], a partir de los mismos datos experimentales, propuso nuevas correlaciones del tipo de la ecuación (5.12), incluyendo también la influencia del viento. Dichas correlaciones tenían factores de correlación bastante bajos. (5.12) 5.4.5 Obtención de las nuevas correlaciones En la tabla 5.6 se indican los valores de los parámetros a, ò y c de las nuevas correlaciones del tipo de la ecuación (5.11), tanto para el período estacionario como para el boilover. Hay que destacar que: • Las correlaciones han sido obtenidas a partir de la minimización de la suma de los errores cuadráticos medios entre los valores estimados y los datos experimentales. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del boilover de capa fina 144 En el cálculo de rii* para el período estacionario, se ha utilizado el valor de la velocidad de combustión obtenido según la ecuación (AI.6). Para estimar la velocidad de combustión durante el periodo del boilover se ha usado la ecuación (4.16). L i ±\h ( j,\c — = a(m*) (u*) a b c NMSE FB Longitud Media Estacionario Boilover 4,201 3.839 0,181 0,115 -0,082 -0,450 0.005 0.01 -0,002 -0,01 Longitud Máxima Estacionario Boilover 7.421 5.854 0,226 0,135 -0.147 -0,389 0.004 0,006 -0.002 0,004 En la tabla 5.6, también se presentan los valores de NMSE y FB para poder realizar la comparación entre las correlaciones actuales y las previas (tablas 5.4 y 5.5). En todos los casos, como era de previsible, las nuevas ecuaciones se ajustan a los datos experimentales de forma mucho mejor que las ecuaciones presentes en la bibliografía actual, como se observa también en las figuras 5.9 y 5.10. c -o o nj 2- o O § • L/D Media o L/D Máxima UD Experimental Figura 5.9. Comparación gráfica del ajuste Je lax nuevas correlaciones para el periodo estacionario Capitulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 145 3- •o 'o •gj 2- b o 1 - • L/D Media O L/D Máxima L/D Experimental Figura 5.10. Comparación gráfica del ajuste de lax nuevas correlaciones para el periodo boilover. A continuación, se compara el comportamiento de estas nuevas correlaciones con las observaciones experimentales, evidenciando la influencia del boilover, tanto para la longitud media como para la longitud máxima. Posteriormente, se presenta la posibilidad de utilizar, tanto para el período estacionario como para el boilover, una sola correlación para el cálculo de la longitud media y factores multiplicativos para determinar las longitudes máxima y mínima de la llama. Longitud inedia La figura 5.11 representa tridimensionalmente las nuevas correlaciones para el período estacionario y durante el boilover, obtenidas a partir de los datos del FOC3. La figura muestra como el boilover afecta a la longitud media de la llama y también como esta longitud es más baja a medida que la velocidad del viento es más grande. En efecto, a viento bajo (u* ~ \ ) la longitud media de la llama puede aumentar durante este período hasta un 40% más respecto al período estacionario, mientras que para valores de u* de, aproximadamente, 3, dicho aumento deja de ser apreciable. El hecho de que dicha longitud aumente durante el boilover se debe a la disminución en la formación de humo, ya que este período tiene una mejor eficacia de combustión. Por otro lado, el viento actúa en sentido contrario, limitando la influencia de la ebullición. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del boilover de capa fina 146 LID 0.010 m" 0,000*3 Figura 5.11. Represen/ación tridimensional de /as nuevas correlaciones para el cálculo de la longitud media. Longitud máxima Como muestra la figura 5.12, la influencia del boilover sobre la longitud máxima de la llama es totalmente análoga a la influencia sobre la longitud media, y, como para la antedicha longitud, el boilover tiene efecto para valores de M* inferiores a 3. LID u* 0,000"3 Estacionario Boilover Figura 5.12. Representación tridimensional de kis nuevas correlaciones para el cálculo Je la longitud máxima Capítulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 147 Factores multiplicativos Tras observar la antedicha correspondencia de comportamiento entre la longitud máxima y media de la llama, y suponer la misma analogía entre dicha longitud media y la longitud mínima, se ha pensado en utilizar una sola ecuación para estimar las tres longitudes con el uso de factores multiplicativos, tal como muestran las ecuaciones (5.13) y (5.14), según se propone en [MUÑO 2005]. (fu4) Los factores multiplicativos que minimizan el error respecto a los datos experimentales se presentan en la tabla 5.7. Tabla 5 7. Factores multiplicativos. Estacionario Fmin 0,633 Fmal 1,397 Boilover Fmm 0,710 Fm.. 1,385 Por lo tanto, independientemente de la fase del incendio, las longitudes máxima y mínima de la llama se pueden obtener multiplicando el valor medio por un factor de, aproximadamente, 1,4 y 0,7, respectivamente. Los factores multiplicativos varían presumiblemente con el tipo de combustible utilizado; sin embargo, esta metodología muestra como es suficiente obtener una correlación para el cálculo de la longitud media y de forma sencilla poder calcular también las longitudes máxima y mínima. 5.5 Inclinación de la llama Por lo que se refiere a la obtención de una ecuación para el cálculo de la inclinación de la llama, se han utilizado correlaciones del siguiente tipo: (5.15) 1 «*<1 La tabla 5.8 muestra los valores de los parámetros de la ecuación anterior determinados en esta tesis, los cuales minimizan el error cuadrático respecto a los datos experimentales, y los valores de los parámetros de las correlaciones existentes en la bibliografía actual. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del boilover de capa fina 148 Tabla 5.8. Valores de los parámetros correspondientes a las correlaciones para la estimación de la inclinación de la llama. AGAfMUDA 1984] Thomas [THOM 1963] Moorhouse [MOOR 1982] Nueva correlación: estacionario Nueva correlación: boilover a 1 0,7 0,86 0,92 0,92 b -0,50 -0,49 -0,25 -0,26 -0,17 Combustible GNL Listones de madera GNL, llamas cilindricas Gasóleo Gasóleo La figura 5.13 muestra la comparación de las distintas correlaciones con los datos experimentales. Tras examinar esta figura y los valores de NMSE y de FB de la tabla 5.9, se observa que, entre las correlaciones existentes en la bibliografía, la ecuación de la American Gas Association (AGA) y la ecuación de Moorhouse para llamas cilindricas se ajustan de forma discreta a los datos experimentales, tanto para el período estacionario como para el boilover. Como era de suponer, las nuevas correlaciones presentan un ajuste mejor. -, o, 0,8 • 8 0.7 0 0.6 0.5 0.4 Datos Experimentales Estacionario Datos Experimentales Boilover Moorhouse as . 8 1 - 0,9 . 08 ^ 06 0,5 0.4 b) Datos Experimentales Estacionario Datos Experimentales Boilover Boilover \ Estacionario Figura 5.13. Correlaciones para la estimación de la inclinación de la llama: a) correlaciones ya existentes: h) nuevas correlaciones. Tabla 5.9 Comparación del ajuste de las correlaciones para la estimación de la inclinación de la llama. Estacionario Boilover Moorhouse Nueva _. .,, . Moorhouse Nueva Thomas AGA „... . . ., Thomas AGA Cilindrica correlación ( ilmdrica correlación NMSE 0,103 0,014 0,015 FB 0,298 -0,055 0,071 0,()10 0,122 0,022 0.018 0,012 -0,004 0.312 0.039 0,070 -0,006 Capítulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 149 Como ya se ha indicado en el capítulo 2, para el cálculo de la inclinación de la llama también se utilizan ecuaciones del tipo: lanío) _ A._ ,. — y = a'Fr*Rec (5.16) cos(<9) Sin embargo, debido a la mayor complejidad de este tipo de ecuación, junto con el hecho de que los valores de NMSE y FB de las correlaciones existentes en la bibliografía fueron mayores — indicando un peor ajuste de los datos experimentales — , no se ha tomado en consideración su utilización. 5.6 Frecuencia de pulsación En los párrafos precedentes se ha observado que la evolución de la longitud de la llama es oscilatoria y, por lo tanto caracterizada por una frecuencia que se denomina frecuencia de pulsación. Dicho parámetro se utiliza para describir la dinámica de la llama, ya que se relaciona con el arrastre de aire hacía el interior de ésta. A continuación, se detalla el procedimiento utilizado para el cálculo de la frecuencia de pulsación. En primer lugar, se ha realizado para cada prueba un filtrado de los datos de longitud de llama, aplicando una transformada rápida de Fourier (FFT). De esta forma, la curva obtenida se suaviza y, consecuentemente, es mucho más fácilmente interpretable, como se puede observar en la figura 5.14 para el experimento FOC3_12_D6 (Gasóleo, 6 m). Posteriormente, se han estimado los intervalos en los cuales fuera posible observar una evolución sinusoidal alrededor del valor de longitud media anteriormente determinado (en el caso examinado se ha elegido el periodo entre 1,5 y 7,3 segundos). La frecuencia de pulsación / se calcula entonces como relación entre el número Np de picos de longitud máxima en el intervalo elegido y la duración A/ del mismo intervalo (ecuación 5.17). Nótese que, para que un punto sea considerado como pico, no es suficiente que sea un máximo absoluto, sino también tiene que haberse cruzado dos veces el valor de longitud media después del pico anterior, para que se haya cumplido una oscilación completa. (5.17, Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del hoilover de capa fina 150 4 6 Tiempo (s) 10 Figura 5.14. Determinación de la frecuencia de pulsación para el FOC3 12 D6 (Gasóleo. 6 m). El dato obtenido ha sido comparado con el valor de frecuencia (valor medio) en todo el intervalo en que se disponía de datos de longitud de llama, evidenciando diferencias despreciables. En la tabla 5.10 se indican las frecuencias de pulsación determinadas, ordenando los incendios por diámetro y tipo de combustible. En el caso del gasóleo, el parámetro ha sido determinado tanto en el periodo estacionario como en el boilover. Es evidente que la frecuencia de pulsación disminuye al aumentar el diámetro. En las figuras 5.15 y 5.16, los resultados obtenidos en esta tesis junto a los ya existentes en la bibliografia se comparan con la correlación de Pagni [PAGN 1989]: 23 D (5.18) En el caso del período estacionario, los valores se ajustan mucho a la curva definida por la ecuación (5.18), tanto para el gasóleo, como para la gasolina y la mezcla 50% gasóleo-50% gasolina. Por otro lado, estos datos representan una nueva información para los incendios de balsas de hidrocarburos, ya que en la bibliografía actual no hay prácticamente valores experimentales de frecuencia de pulsación para incendios de diámetros entre 1,5 y 6 m. Por lo que se refiere a la influencia del hoilover, la frecuencia de pulsación de la llama muestra una tendencia a aumentar en esta fase, debido al mayor arrastre de aire hacía la llama, lo cual aumenta la velocidad de formación de vórtices que se traduce en un aumento de la pulsación de dicha llama. Durante el boilover, la dispersión de los datos crece por el aumento de la turbulencia; esto, junto a la falta de Capítulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 159 Al fin de determinar cual de los cuatro modelos es el más apropiado, se han realizado los siguientes análisis: • Se han representado los valores promediados del poder emisivo medio, tanto para el período estacionario como para el boilover, en función del diámetro, para observar cuales de dichos modelos presentan una evolución efectivamente representativa de una situación real (figura 5.19). • Se han comparado, para los cuatro modelos, los flujos de calor experimentales con los calculados a partir de los poderes emisivos obtenidos. La comparación gráfica se presenta en la figura 5.20 y la bondad de los modelos se presenta en la tabla 5.14. De dichos análisis se pueden destacar las siguientes consideraciones: • Desde el punto de vista del ajuste a los datos experimentales, los modelos 9 y 10 son los que presentan mejores valores de NMSE y FB. • Las correlaciones de poder emisivo de E-REW_MOD y E-SHOKRI prevén poderes emisivos en el periodo estacionario siempre decrecientes con el diámetro. Sin embargo, estudios recientes, entre los cuales cabe destacar el de Muñoz [MUÑO 2005], han demostrado que el poder emisivo, en incendios de gasóleo y gasolina, aumenta con una pendiente suave hasta un cierto diámetro y, posteriormente, decrece repentinamente. El aumento inicial se debe al incremento de temperatura de la llama con las dimensiones del incendio. Sin embargo, a medida que el diámetro del incendio crece, la producción de humo aumenta, generando un mayor efecto de bloqueo de la radiación desprendida. La conjunción de los dos efectos lleva a la evolución del poder emisivo descrita. En este sentido, las ecuaciones para el cálculo del poder emisivo de E-FRAC_RAD y E-MUÑOZ parecen más apropiadas, ya que tienen en cuenta el comportamiento antedicho. • Los modelos 7 y 8, al tomar un valor de la transmisividad atmosférica igual a 1, presentan valores de poder emisivo medio de la llama más pequeños, llevando a una subestimación del flujo de calor a distancias próximas al centro del incendio. Por el contrario, los modelos 9 y 10 proporcionan valores de flujo de calor más elevados a dichas distancias y dan valores subestimados solo en puntos bastante alejados del incendio, fuera de la zona de interés para el estudio de las distancias de seguridad. • Por último, el modelo 10 estima un poder emisivo durante la fase de ebullición prácticamente constante con el diámetro de la balsa. Esto se puede justificar recordando que la disminución del humo durante el boilover es tanto menor cuanto más grande es el diámetro, a causa de la mayor dificultad de penetración del aire; por lo tanto, es razonable suponer, en este período, que el poder emisivo medio de la llama no varíe fuertemente con dicho diámetro, sino que se mantenga alrededor de un valor máximo, el cual corresponde al poder emisivo de la superficie más externa de la llama. Incendios de hidrocarburos: estudio de la formación y evolución del hoilover de capa fina 160 NJ E I LU ^ 5 áS ÜJ <l^v "E § S (N— E | LU ou - 70- 60 - 50- 40- 30- A Modelo 7 A * |« A A ^ * * * t i | i , i | i | i j 123456 60- 50- 40- 30- A Modelo 8 A A A ü . * ¿v -\ • \ • \ • i • \ • \ 123456 100 - 90- 80 - 70 -i A Modelo 9 A A A A A tu -\ • i • i • . i • i • i 123456 1 nn 90- 80- 70- 60- 50- 40- •?n - ü Modelo 10 A A A A . • • • • D(m) Figura 5.19. Representación de los valores calculados de poder emisivo medio de la llama en función del diámetro de incendio durante el hoilover v durante el periodo estacionario. En consecuencia y por el análisis realizado, el modelo 10 parece el más apropiado, para la determinación del incremento a aportar a la distancias de seguridad, por su mejor caracterización de la evolución del poder emisivo, tanto en el periodo estacionario como en el boilover. Capitulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 161 8 ro c 6 - 0) E 4 8- 2 x * (D 'o- O Modelo 7 • Estacionario • Boilover I 0) Q. O) Cr Modelo 8 (U I ^ (U Q. 9 x 'H (U "o- O Modelo 9 10 8- 6 - 4- x 2 - cu Q- O Modelo 10 O 2 4 6 8 10 c/ calculado Figura 5.20. Comparación entre los datos experimentales y los valores calculados de radiación incidente. Tabla 5.14. Ajuste a los datos experimentales de los valores de radiación incidente calculados en el periodo estacionario y en el boilover. Estacionario Modelo 7 8 9 10 L L L L L máxima máxima máxima máxima E E-REW MOD E-FRAC RAD E-SHOKRI E-MUNO7 Bagster y Bagster y r 1 1 Pitblado. Pitblado, 1989 1989 NMSE 0,077 0,073 0,044 0,065 FB 0,180 0,137 -0,064 -0,076 Boilover NMSE 0,104 0,101 0,081 0,102 FB 0,154 0,126 -0,074 -0,085 Los resultados proporcionados por el modelo 10 se han utilizado con la finalidad de determinar el incremento a aportar a las distancias de seguridad, en caso de aparición de un boilover de capa delgada. Se han considerado vientos variables entre O y 1,5 m/s, una temperatura ambiente de 20 °C y una humedad relativa del 50%. Para estimar las distancias de seguridad, se ha tomado el valor umbral de radiación térmica para un posible efecto dominó establecido en 8 kW/m2, de acuerdo con la Directriz Básica de Protección Civil (BOE núm. 242 del 9 de octubre de 2003). Incendios de hidrocarburos estudio de la formación y evolución del boüover de capa fina 162 Hay que destacar que las correlaciones implementadas para la determinación de la inclinación de la llama (véase el apartado 5 5) están determinadas de forma que consideran que la llama se inclina solo a partir de valores de u* superiores a 1 El parámetro adimensional w*, como muestran las ecuaciones (5 7) y (5 8), depende de la velocidad de combustión y, por lo tanto, a pandad de velocidad de viento, el período estacionario y el boüover presentan diferentes valores de u* Eso implica que la llama se puede inclinar a partir de distintas velocidades del viento En la tabla 5 15 se muestran los limites por debajo de los cuales la llama puede considerarse recta, tanto en el período estacionario como en el boüover, y el incremento a aportar a las distancias de segundad durante dicha fase de boüover Se observa que, de acuerdo al mayor incremento de poder emisivo medio de la llama en esta fase, las distancias de segundad tienen que ser aumentadas sobretodo para los incendios de menor diámetro Tabla 5 15 D(m) 1,5 3 4 5 6 Distancias de seguridad para llamas rectas y limites de velocidad del viento «(m/s) Estacionario Boüover 0,75 1,05 1,05 1,20 1,35 0,90 1,05 1,05 1,05 1,05 Estacionario 2,58 5,29 7,25 9,40 10,50 jcc(m) Boüover 4,29 7,74 9,50 12,17 13,13 Relación 1,66 1,46 1,31 1,29 1,25 En caso de que la velocidad del viento excediera dichos límites, puede decirse que, de forma general, cuanto más alta es dicha velocidad tanto menor es el incremento a aportar a las distancias de seguridad, como muestran a título de ejemplo las tablas 5 16 y 5 17 para incendios de 1,5 y 4 m, respectivamente Este comportamiento está de acuerdo con el hecho de que, como se puede ver en el apartado 545, la longitud de llama decrece más rápidamente durante el boüover que en el periodo estacionario Tabla 5 16 Distancias de seguridad para un incendio de 1 5 m de diámetro u (m/s) <0,75 1,20 1,35 1,50 M Estacionario <1,00 1,54 1,73 1,92 * Boüover < 1,00 1,24 1,39 1,55 Estacionario 2,58 3,65 3,74 3,80 -Mm) Boüover 4,29 5,30 5,32 5,30 Relación 1,66 1,45 1,42 1,39 Tabla 5 17 Distancias de seguridad para un incendio de 4 m de diámetro u (m/s) 1,05 1,20 1,35 1,50 u Estacionario 0,89 1,02 1,15 1,27 * Boüover 0,95 1,09 1,23 1,36 Estacionario 7,25 9,14 9,43 9,65 *c(m) Boüover 9,50 11,86 11,94 11,98 Relación 1,31 1,30 1,27 1,24 Capítulo 5 - Efecto del boilover sobre la geometría de la llama y la radiación emitida 163 La conclusión del análisis llevado a cabo, es que en el caso de presentarse el fenómeno del boilover de capa fina se deben incrementar las distancias de seguridad con respecto a las distancias adoptadas para el período estacionario sin boilover del incendio, tanto para la situación sin viento como con viento. Según la tabla 5.15, este incremento en las situaciones sin viento supone un aumento superior al 65% de dichas distancias para los incendios de pequeño diámetro (1,5 m), y para diámetros superiores a los 6 m la tendencia sugiere que este aumento sea del orden del 25-30%.