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Modelo de dos fluidos, dos temperaturas

Los tanques de combustible para naves espaciales y automóviles además de ciertos dispositivos microfluídicos requieren un modelado preciso de las fases líquidas y gaseosas para operaciones seguras y eficientes. Además de la presencia de una interfaz de fluido en tales sistemas, la física de la transferencia de calor y el cambio de fase también deben ser obtenidos con precisión por lo que puede llegar a ser muy complejo.

Para simular escenarios tan complejos, se ha introducido en FLOW-3D v12.0, la próxima versión del software, un modelo de dos fluidos y dos temperaturas.

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Modelo simplificado: dos fluidos, una temperatura

El método del monitoreo de la interfaz entre dos fluidos en FLOW-3D, TruVOF, funciona en conjunto con el modelo de dos fluidos, incluyendo los modelos de transferencia de calor y de cambio de fase. Una de las simplificaciones de este modelo, sin embargo, ha sido que la temperatura de la celda de malla que está dentro de la interfaz, está representada por una temperatura de mezcla (por lo tanto, un modelo simplificado) Tmix.

La aproximación de la temperatura de mezcla es adecuada cuando la temperatura es continua y suave a través de la interfaz, pero no se puede considerar estas hipótesis en los casos con líquidos y gases debido a las grandes diferencias en sus propiedades termofísicas.

La precisión de la solución en tales sistemas podría verse superada por la excesiva difusión numérica causada por el promedio de la energía del fluido y de la temperatura en las celdas que contienen la mezcla líquido-gas. El modelo de temperatura simplificado ofrece solo una solución parcial en tales casos.

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Modelo integral: dos fluidos, dos temperaturas

Para superar las deficiencias del enfoque de una temperatura, en la versión 11.3 se introdujo un modelo de dos temperaturas para la solución de dos fluidos. Esto implica resolver la ecuación de transporte de energía para cada fluido y también almacenar la temperatura de cada fase, como se muestra en el siguiente esquema. La celda de malla con la superficie libre ahora tiene una representación de las temperaturas del líquido (T1) y del gas (T2).

 

 

 

 

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Tank sloshing

En este estudio de sloshing en un tanque, el líquido está a la temperatura inicial de 300 K y el gas a 400 K. La diferencia en el alcance de la difusión numérica entre el modelo simplificado y el completo se muestra en las animaciones a continuación.

Desde la perspectiva de la temperatura, a medida que el tiempo avanza, la difusión numérica en la solución vista con el modelo de una temperatura avanza rápidamente eclipsando la interfaz de los fluidos.

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Soldadura por caída en aire

En este estudio de caso de soldadura por caída: el metal líquido cae a 2300 K por gravedad, a través del aire sobre un lecho metálico solidificado. Las temperaturas iniciales de aire y cama son 293K. Con el modelo simplificado, la caída de temperatura del metal líquido comienza a disminuir rápidamente incluso antes de llegar al lecho metálico, debido a la difusión numérica. Por otro lado, en el modelo integral, las gotas mantienen su temperatura inicial, lo que lleva a una mejor solución.

 

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Fuente: FLOW-3D

 

Modelización de flujos de líquido-gas en plantas de tratamiento de agua

La desinfección con Ozono es un proceso de las Plantas de Tratamiento para eliminar las bacterias / virus provenientes del agua infectada, reduciendo la concentración de hierro, magnesio y sulfato, y los problemas de sabor y hedor. La desinfección con Ozono es fundamental para asegurar una alta calidad en la planta de tratamiento del agua.

El Ozono es formado en las plantas de tratamiento usando un generador de Ozono. El agua sin tratar pasa a través de un tubo venturi, que introduce el ozono hacia el agua, creando una mezcla de ozono-agua. La efectiva desinfección de esta mezcla depende de la combinación, advección y disolución del ozono en el agua.

Conocer el comportamiento de la mezcla líquido-gas supone comprender claramente el efecto de la hidrodinámica local y de la mezcla. Una buena solución numérica puede capturar esta física compleja y modelar con precisión los flujos líquido-gas en las instalaciones de tratamiento de agua.

Por consiguiente, se pueden optimizar los parámetros físicos del equipo de mezcla de ozono-agua y las características de formación de ozono.

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Como funciona el Modelo de Disolución de Gas

El modelo de disolución de masa de gas realiza un seguimiento de las concentraciones relativas de gas en una celda computacional. Si la concentración de gas en la celda es menor que la concentración de saturación de gas, entonces hay una transferencia masiva de gas de las burbujas de gas al agua. La siguiente ecuación de transferencia de masa gas-líquido resume esta idea:

donde  es el coeficiente de transferencia de masa líquida,  es el área interfacial específica,  es la concentración de saturación del gas disuelto y  es la concentración local de gas. Con esta ecuación relativamente simple, el modelo de disolución de masa de gas FLOW-3D, hace un excelente trabajo de seguimiento de la disolución de gas en el fluido cercano.

En una simulación CFD típica que utiliza este modelo, el gas se genera y se introduce en el fluido, donde se rastrea la dinámica de la mezcla gas-fluido. Usando el modelo de partículas de FLOW-3D, el gas se genera como partículas, que luego se disuelven en el fluido con el tiempo, lo que aumenta la concentración de gas en el fluido.

 

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Simulación CFD de FLOW-3D que muestra la generación y disolución de partículas de gas en el fluido circundante

Esta simulación tiene una concentración de saturación (  ) de 0.0004 y un coeficiente local de transferencia de masa líquida ) de 0.07. Las partículas se generan a una velocidad de 100 partículas/s durante 100 segundos. Las partículas se mueven hacia arriba simplemente debido a la flotabilidad. A este nivel de concentración de saturación y coeficiente local de transferencia de masa líquida, todas las partículas de gas se disuelven casi por completo en el fluido y apenas llegan a la superficie libre. La animación también muestra la vida útil de las partículas, el número total de partículas y la concentración de gas en el fluido, lo que ilustra la disolución del gas a lo largo del tiempo.

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Simulación CFD de FLOW-3D que muestra la mezcla y disolución de partículas de gas dentro de un mezclador mecánico

Esta simulación tiene una mezcla de partículas de fluido y gas que se liberan en un recipiente que contiene la paleta mezcladora. A medida que la paleta gira, las partículas de gas se disuelven en el fluido. En esta simulación se activa un modelo de turbulencia (k-ε) para mejorar la mezcla, además de la mezcla mecánica ya acelerada que se produce debido a las paletas giratorias.

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Fuente: FLOW-3D

 

Mitigación del gas disuelto en la presa de Boundary

La presa de Boundary se encuentra en el río Pend Oreille en el noreste de Washington.

El proyecto consistió en una presa con un arco de 340 pies de alto, siete salidas de bajo nivel para las esclusas, dos aliviaderos de desbordamiento de alto nivel y una central eléctrica con capacidad de aproximadamente 1.003 MW.

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Se ha demostrado que la descarga del aliviadero y de las esclusas en el Desarrollo Hidroeléctrico Fronterizo produce altas concentraciones de gas disuelto (TDG) en el agua de escorrentía del aliviadero. Con el propósito de mitigar esta producción de gas, se encargaron estudios para determinar modificaciones sobre las estructuras del aliviadero del proyecto.

La resolución de muchos de los problemas del diseño hidráulico se basó en los resultados de los modelos numéricos hidráulicos. Estas modificaciones fueron construidas y probadas.

El modelo de CFD que se desarrolló en base a estos estudios, se utilizó para simular flujos a través de varias de las siete compuertas y los dos aliviaderos de desbordamiento del proyecto.

FLOW-3D fue seleccionada para el análisis dada su capacidad para simular los chorros en caída libre y su algoritmo único para simular la entrada de aire por turbulencia en la superficie libre.

Estas capacidades hacen que el programa sea el más adecuado para simular las variadas y complejas condiciones de flujo en el desarrollo del proyecto del canal.

Los modelos de FLOW-3D desarrollados para el estudio de la presa Boundary se han utilizado principalmente para comprender los procesos hidráulicos e hidrodinámicos que impulsan el intercambio de gases en el canal en condiciones de derrame. Además, estos modelos se usaron para desarrollar alternativas de mitigación de diseños estructurales TDG (incluida la estimación de las cargas hidráulicas), y en combinación con el modelo predictivo TDG, para predecir el rendimiento TDG de las alternativas de mitigación propuestas.

Para llevarlo a cabo, burbujas de aire fueron emitidas y rastreadas en el modelo del aliviadero durante su entrada en la piscina, su circulación a través de ésta y finalmente su salida por la superficie.

El modelo rastreó la presión y los históricos temporales asociados con cada una de estas burbujas de aire. Esta información se usó como entrada a una herramienta predictiva de TDG para ayudar a predecir la producción total de gas disuelto en la etapa final. El rendimiento predictivo global se calibró y validó con éxito a los datos reales del prototipo TDG.

Las predicciones TDG se realizaron para el proyecto en dos pasos: el modelo CFD se aplicó primero para evaluar el sistema hidráulico y los patrones de flujo de la piscina, y luego se importaron los resultados hidráulicos del modelo CFD al modelo PPGT  (transferencia de gas de la piscina de inmersión)  que se desarrolló empleando Excel.

El modelo se utilizó en primer lugar para simular las condiciones de flujo existente o caso base con flujos de 10,000, 13,000 y 20,000 cfs a través de cada uno de los aliviaderos del proyecto. Se analizó las condiciones de la simulación hidráulica para la prueba y, a continuación, se agregaron partículas de burbujas a este modelo. De este modo, se reinició la operación y se rastreó a las partículas hasta que pudieron alcanzar la superficie y volvieran a la atmósfera.

Los resultados finales del modelo se usaron para ayudar a evaluar el impacto que estas modificaciones tendrían en los niveles de TDG aguas abajo en un rango de flujos. Las simulaciones CFD se realizaron con flujos idénticos a través de los aliviaderos bajo condiciones existentes y modificadas y se extrajeron los historiales de burbujas de los resultados de CFD para ser utilizado en el modelo de hoja de cálculo predictivo de TDG.

Software Open Source vs Software Comercial

En general se define Software como el conjunto de instrucciones escritas en un determinado lenguaje de programación (Código Fuente) y compiladas (empaquetadas) para realizar de forma automatizada funciones muy diversas en un computador.

Un software de cálculo CFD (Computational Fluid Dynamics) por ejemplo, es aquel que incluye en las líneas de código, el cálculo mediante la resolución por aproximación de las ecuaciones de la dinámica de fluidos de Navier-Stokes. El usuario no requiere resolver de forma manual dichas ecuaciones sino que es el software el que realiza el trabajo.

Si además, el software incluye un entorno para entrada de datos (User Interface o UI), el trabajo del usuario se facilita aun más. Si el entorno para entrada de datos es gráfico para entrada y manipulación de geometría, se denomina GUI o Graphical User Interface. Bien el UI o GUI también forman parte del software, como otro elemento más.

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¿Qué es el Software Open Source o de Código abierto?

Un software de Código abierto u Open Source es un software en el que cualquier persona tiene acceso a las instrucciones escritas de programación del mismo o Código Fuente. El usuario puede: Usar, Estudiar, Modificar y Distribuir dicho código de forma libre y gratuita.

Lo más común es que bajo los términos de la licencia Open Source, el usuario que emplee dicho código, esté obligado a distribuir cualquier modificación de forma gratuita.

Algunos ejemplos de software Open Source muy conocidos:

Linux (Ubuntu, RedHat…) como sistemas operativos para ordenadores, Android para smartphones, OpenOffice como paquete ofimático, GIMP para retoque fotográfico, etc. En cuanto a software de cálculo CFD de código abierto, el más conocido es OpenFOAM.

En la tabla adjunta más abajo se indica las características más importantes (ventajas e inconvenientes del software de Código abierto)

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¿Qué es un software comercial o propietario?

Un software comercial o propietario es un software en el que sus desarrolladores tienen total control sobre su código fuente. El usuario no tiene acceso a dicho código y simplemente tiene derecho al uso del software en sí.

El propietario del software empaqueta el software en un entorno amigable y muy productivo para el usuario.

La licencia de uso de un software comercial está encaminada a limitar el uso indebido del mismo.

Entre los ejemplos de software propietario son también muy conocidos:

Windows / IOS como sistemas operativos para ordenadores, tabletas y smartphones, Office como paquete ofimático, Adobe Photoshop para retoque fotográfico, etc. En cuanto a software de cálculo CFD propietario hay muchas opciones en función de las aplicaciones a simular. Por ejemplo, nosotros apostamos por FLOW-3D (www.flow3d.es) para aplicaciones de cálculo de fluidos transitorios en lámina libre.

             

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Características. Ventajas e inconvenientes

Nos referiremos en este caso al comparativo de software libre y propietario en el ámbito del cálculo fluidodinámico que es el que conocemos.

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¿Entonces, cuál es el veredicto, qué elegir?

El software CFD libre y el software CFD comercial o propietario deberán coexistir en el tiempo.

Cada tipo de software está adaptado a unas demandas concretas. Por ejemplo, el software libre ofrece una buena plataforma de investigación y desarrollo donde no existen limitaciones en cuanto a tiempo, productividad y robustez, podría ser por ejemplo el caso de estudiantes, investigadores, universidades, etc. Cuando hablamos del ámbito empresarial o cuando la aplicación es muy específica, la cosa cambia. Las empresas o universidades involucradas en desarrollos de proyectos y productos o investigaciones respectivamente, normalmente cuentan con tiempos limitados y altos niveles de exigencia en cuanto a calidad y precisión. En la actualidad, estos estándares solamente se obtienen mediante códigos comerciales solventemente mantenidos.

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Para entenderlo, vamos a poner un símil en una empresa de mecanizado. Un software comercial sería como la máquina de control numérico (fresadora, torno, etc) que el Cliente compra para poder fabricar al día siguiente de forma precisa sus piezas. El fabricante de la máquina puede formar a trabajadores de la empresa (que no conocen la forma en la que la máquina ha sido fabricada). Si la máquina se rompe, puede llamar al soporte técnico y es reparada para que la producción no pare. Si el operario abandona la empresa, en poco tiempo otro operario es formado y se continúa la producción sin pausa.

Un software libre sería como fabricarse uno mismo una máquina de la que se tienen los planos en una página de internet. Estos planos funcionan porque a su vez otros usuarios aseguran que los han empleado de forma efectiva. La máquina fabricada puede llegar a funcionar bien pero requiere de un tiempo antes de que esto suceda, hay que conocer cómo fabricarla incluso contratar a alguien experto en ello. Además, si la máquina se rompe sería complicado encontrar a alguien que nos la repare para seguir produciendo.

Creemos que el software CFD libre es necesario y cumple una labor muy importante. Apoya e incentiva el desarrollo del software comercial y ofrece alternativas en determinados sectores. Sin embargo, creemos que aun hoy en día, la marcha establecida por las demandas de la empresa solamente es seguida por las empresas desarrolladoras de software CFD comercial. El software comercial es una máquina perfectamente engrasada para que funcione para lo que ha sido pensada y los usuarios manejan dicha máquina para ser productivos en el sector en el que desean ser punteros.

 

 

Modelo de Sedimentación de lodos

 La sedimentación es la primera etapa para el tratamiento de aguas residuales, seguida de la digestión y la eliminación. En FLOW-3D v11.3, se ha desarrollado un modelo de sedimentación que permite simularla en decantadores, fosas sépticas y otros equipos de tratamiento de aguas residuales.

El movimiento del lodo está determinado tanto por el propio flujo de aguas residuales como por la sedimentación, impulsada por la gravedad de los flóculos que componen el lodo.

La ecuación de transporte para el lodo es     donde C indica la concentración de lodo, que se define como la masa de lodo por unidad de volumen; D es el coeficiente de difusión del lodo;  es la velocidad total del lodo que se puede descomponer como   donde  es la velocidad de la mezcla de lodo-agua y  es la velocidad de sedimentación que siempre está en la dirección de la gravedad.

En general, el valor de  disminuye al aumentar C. Se reduce a cero cuando C alcanza un valor crítico, Cmax, que es la concentración máxima del lodo cuando este se asienta. En estas regiones completamente asentadas con C = Cmax, el lodo dejaría de decantarse, pero puede seguir siendo arrastrado por el flujo de agua. Cmax es un parámetro de entrada especificado por el usuario del modelo.

Los usuarios también tienen la opción de definir  como una función de C usando datos tabulados provenientes de un ensayo o la ecuación de Vesilind (1968).

La animación anterior es el resultado de la simulación de la decantación de lodos en un tanque séptico.

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Autor: Dr. Gengsheng Wei

Evaluación del tiempo de contacto efectivo en tanques de cloración mediante simulación numérica CFD. (parte I)

Los tanques de contacto son estructuras hidráulicas enmarcadas normalmente en las plantas de tratamiento de agua; plantas potabilizadoras, depuradoras, etc. En ellas, el agua se pone en contacto con algún agente desinfectante para inactivar cualquier patógeno antes de devolverla al medio. Aunque existen múltiples tipos de desinfectante como el ozono o los rayos UV, el más empleado es el cloro, suministrado bien en forma pura, o más habitualmente mediante la adición al flujo de algún compuesto clorado.

Simulación de planta de tratamiento de agua

“EPA Guidance Manual LT1ESWTR Disinfection Profiling and Benchmarking”

 

El producto de la concentración de desinfectante (C) por el tiempo de contacto con el agua (t), es comúnmente empleado como medida de la eficiencia del sistema de desinfección. Naturalmente, cuanto mayor sea la concentración de desinfectante, más intenso será el tratamiento (y los consumos de desinfectante). Por otro lado, cuanto mayor sea el tiempo de contacto, el desinfectante tendrá más tiempo para actuar y por lo tanto el proceso será más eficiente.

Existen diferentes aspectos que pueden afectar a la desinfección:

-La concentración y clase de microorganismos a tratar.

-La intensidad y eficiencia del pretratamiento.

-Las variaciones de temperatura y pH.

El diseño del tanque de contacto.

Debido a que la mayoría de los factores vienen dados por el emplazamiento de la planta o la calidad de las aguas suministrada, el único aspecto que se puede modificar para optimizar su rendimiento es su propia forma, buscando maximizar el tiempo de contacto.

Simulación CFD de tanque de cloración

“Tanque de contacto. Conrad Strehlau”

Tiempo de retención hidráulico

En un tanque ideal, en condiciones estacionarias y en el que no exista ningún tipo de recirculación, el tiempo de contacto vendrá dado por:

TRH = V/Q

Donde V es el volumen del tanque, Q será el caudal a tratar y TRH el tiempo de residencia hidráulico o ideal. Este tipo de flujo se conoce como flujo tipo pistón o “plug flow”.

El cálculo ha de plantearse para el peor escenario posible, que en principio será para el caudal máximo.

El tanque se dimensiona para cumplir un CT suficiente que consiga inactivar los patógenos. Este valor de CT dependerá de la temperatura del agua, del pH, del tipo de patógeno…

Tiempo de contacto efectivo

La realidad, es que siempre existe cierto grado de mezcla, zonas de recirculación y trayectorias preferentes, que podríamos llamar cortocircuitos o by-passes. Parte del caudal aportado tomará un camino preferencial, recorriendo el tanque en un tiempo menor que el TRH, lo que implica que otra parte recirculará, teniendo tiempos de residencia mayores que el TRH.

Debido a esto, el tiempo de retención hidráulico no es un criterio adecuado para asegurarnos la correcta desinfección, ya que parte del caudal habrá pasado por el tanque de contacto en un tiempo t< TRH, por lo que parte del agua saliente, lo hará con valores de CT inferiores a los necesarios para la completa desinfección, o que en su defecto, sea necesario aumentar la concentración de cloro, y por lo tanto aumentar los costes de la depuración.

Por lo tanto, es necesario definir el concepto de tiempo de contacto efectivo, tx, como el tiempo necesario para que un porcentaje x% del caudal de entrada, salga del mismo. Por ejemplo, un t90=100s quiere decir que el 90% del caudal de salida, habría sido inyectado hace 100s. Inversamente, esto implica que, en ese tiempo, el 10% restante habría recirculado y aun residiría en el tanque.

Al no ser la edad del agua homogénea para los diferentes puntos del tanque, un concepto útil es el de distribución de tiempos de residencia. Mediante esta distribución podemos identificar fácilmente las zonas de recirculación y los flujos preferentes.

 

Ingeniería CFD para tanques de cloración

Tanque de cloración. “Illiniois State Water Survey. Prairie research institute”

Test de trazador

La forma de determinar estos tiempos efectivos de contacto seria mediante los llamados test de trazador. Consiste en inyectar un trazador inerte a la entrada del tanque y monitorizar su concentración a lo largo del tiempo en la salida.

Existen dos tipos fundamentales de pruebas:

  •  Test de escalón: Es el método más sencillo. Para un t=0 se introduce un cambio instantáneo en la concentración del trazador, manteniendo su concentración hasta que esta sea igual a la entrada y la salida. Si graficamos la concentración a la salida en función del tiempo, podremos relacionar directamente los valores de concentración x% con sus tx .
  • Test de pico: En otras ocasiones es más conveniente dosificar todo el trazador en un único instante t=0. La concentración de trazador a la salida frente al tiempo representa el tiempo de residencia del trazador, siendo el área bajo la curva el tx correspondiente.

Herramientas para un correcto diseño del tanque

Guías de diseño

Durante el diseño, aunque existen guías generales que nos permiten estimar el tiempo de contacto efectivo, estas son de carácter aproximado y deja todo en manos del buen criterio y experiencia del diseñador a la hora de escoger el coeficiente de apantallamiento, que define el ratio TRH/tx.

Ensayos a escala

Otra opción más precisa, sería realizar ensayos a escala del tanque, disparando los costes y los tiempos necesarios para el diseño considerablemente. Además en los ensayos a escala no se reproducen de forma precisa todos los fenómenos físicos que se producen en la realidad.

Simulación numérica CFD

La tercera opción, sería la simulación numérica mediante mecánica de fluidos computacional, que nos permite de una forma rápida y precisa evaluar el tanque, corrigiendo y optimizando su geometría. Mediante esta herramienta podemos imitar las condiciones de test descritos anteriormente, sin que sea necesaria su construcción.

Además, tiene la ventaja de que podemos evaluar no solamente la concentración de salida del trazador, si no las propiedades del flujo en cualquier región del tanque; el campo de velocidades, la distribución de tiempos de residencia… identificando las zonas de recirculación y de by-passs.

También tenemos la posibilidad de evaluar el sistema para diferentes caudales, ya que el patrón del flujo y la intensidad de la mezcla puede cambiar para caudales menores.

Podemos corregir los posibles problemas que pueda presentar el sistema, idealmente desde una temprana etapa del diseño, o en caso de ya tener una instalación construida, emplearla como una herramienta de diagnóstico y mejora.

Tampoco es complicado incluir en ellos el cálculo del decaimiento del cloro o la cinética química de la neutralización de microorganismos.

Gas RADON en las vivivendas – ¿Como eliminarlo o combatirlo?

GasRadon

¿Qué es el radón?

El gas radón se genera a partir de la desintegración radiactiva natural del uranio,  presente en suelos y rocas. El radón también puede estar presente en el agua.

El radón emana fácilmente del suelo y pasa al aire, donde se desintegra y emite partículas radiactivas. Al respirar e inhalar esas partículas, estas se depositan en las células que recubren las vías respiratorias, donde pueden dañar el ADN y provocar cáncer de pulmón.

Al aire libre – Las concentraciones son muy bajas y no representa ningún problema. La concentración media de radón al aire libre varía de 5 Bq/m3 a 15 Bq/m3.

En espacios cerrados–  Las concentraciones de radón son más elevadas, en especial en lugares subterráneos o en contacto con el terreno como por ejemplo minas, cuevas y plantas de tratamiento de aguas, donde se registran los niveles más altos. En edificios (como viviendas, escuelas y oficinas), las concentraciones de radón varían de <10 Bq/m3 hasta más de 10 000 Bq/m3.

Efectos del radón para la salud

El radón es la segunda causa más importante de cáncer de pulmón después del tabaco, entre un 3% a un 14% de las causas.

Obviamente hay más riesgo en zonas subterráneas como minas, etc. pero hay estudios realizados en Europa, América del Norte y China que confirman que incluso en concentraciones bajas, como las que se encuentran en las viviendas, el radón también entraña riesgos para la salud y contribuye considerablemente a la aparición de cáncer de pulmón en todo el mundo.

El riesgo de cáncer de pulmón aumenta en un 16% con cada incremento de 100 Bq/m3 en la concentración media de radón a largo plazo. La relación dosis-respuesta es lineal: por ejemplo, el riesgo de cáncer de pulmón aumenta de manera proporcional al aumento de la exposición al radón.

El radón en las viviendas

La concentración de radón en una vivienda depende de:

  • la cantidad de uranio que contienen las rocas y el terreno del subsuelo
  • las vías que el radón encuentra para filtrarse en las viviendas
  • la tasa de intercambio de aire entre el interior y el exterior, que depende del tipo de construcción, los hábitos de ventilación de sus habitantes y la estanqueidad del edificio.

La forma en la que el radón puede penetrar en una vivienda puede ser:

  • A través de grietas en los suelos o en la unión del piso con las paredes
  • Por espacios alrededor de las tuberías o cables
  • A través de pequeños poros que presentan las pareces construidas con bloques de hormigón huecos
  • Por los sumideros y desagües.

Hay que prestar atención en los sótanos, bodegas y espacios habitables que están en contacto directo con el terreno.

Las concentraciones de radón varían son muy fluctuantes a lo largo del tiempo. Debido a esas fluctuaciones, es preferible calcular la concentración media anual en el aire de interiores, midiendo las concentraciones de radón al menos durante tres meses. Ahora bien, las mediciones han de llevarse a cabo con arreglo a los protocolos nacionales, a fin de garantizar su uniformidad y su fiabilidad a la hora de tomar decisiones.

Reducción de la concentración de radón en las viviendas

Existen métodos probados, duraderos y eficaces para prevenir la filtración de radón en viviendas de nueva construcción y reducir su concentración en las viviendas existentes. Al construir un edificio, hay que tener en cuenta la prevención de la exposición al radón, sobre todo en zonas geológicas con alta concentración de este gas. En muchos países de Europa y en los Estados Unidos, en las edificaciones nuevas, se adoptan medidas de protección de forma sistemática y en algunos países es, incluso, obligatorio.

Las concentraciones de radón en las viviendas existentes pueden reducirse del modo siguiente:

Sistemas pasivos

Indispensable tenerlos en cuenta en edificios nuevos y supone evitar que se produzca la migración del gas radón hacia la vivienda. Alguna medida a tomar en este sentido es:

  • Evitar la construcción del edificio en zonas afectadas por el gas radón (ver mapa)
  • Sellado exhaustivo del suelo y paredes

Sistemas activos

Cuando el edificio ya está construido, y se han detectado niveles elevados de radón en la vivienda, es posible que sea necesaria la toma de medidas para reducir las concentraciones.

  • Ventilación del suelo y forjado del edificio hacia el exterior. De esta manera, el gas radón es expulsado hacia el exterior
  • Instalación de un sistema de extracción mecánica del radón en el sótano, el forjado o la solera
  • Instalación de sistemas de ventilación natural o mecánica en zonas con posible afección de radón
  • Instalación de sistemas de sobrepresión

Los sistemas pasivos de mitigación pueden reducir los niveles de radón en interiores hasta más de un 50%. Si además, se utiliza un sistema de ventilación de radón esos niveles pueden descender aún más.

Estrategias de mitigación del radón

Como se ha comentado, algunas de las medidas indicadas sólo pueden afrontarse en caso de edificios de nueva construcción, sin embargo otras pueden ser abordadas desde el inicio de la fase edificatoria. Para edificios ya construidos, es necesario primero medir la concentración de gas y efectivamente ver si es necesario abordar alguna de las medidas mitigatorias.

Cuanto antes se tomen medidas, más barata y eficaz será la intervención. Este es un resumen de las medidas posibles.

Evaluación del emplazamiento previo a la construcción

En todo el mundo se emplean varios planteamientos distintos para valorar el potencial de una concentración elevada de radón en interiores en zonas geográficas más o menos amplias. Uno de estos planteamientos implica la elaboración de mapas de regiones, comarcas, municipios u otras zonas geográficas. Otro planteamiento utilizado en algunos países, implica la realización de pruebas en cada emplazamiento antes de construir en él a fin de establecer un índice de radón para dicho emplazamiento. Después, este índice se emplea para definir el grado de protección contra el radón necesario para construir en el emplazamiento. Sin embargo, en países como los Estados Unidos de América, Finlandia, Irlanda, Noruega, el Reino Unido, Suecia y Suiza, el planteamiento más costoefectivo parece ser el uso de opciones de control del radón en todas las viviendas nuevas (OMS 2007). En ocasiones, este planteamiento se limita a las zonas propensas al radón.

Mapa potencial radón España

Fuente: Consejo de Seguridad Nuclear

Evitar la difusión del radón hacia el interior de la vivienda

El mecanismo de transporte del radón más importante es el flujo de aire impulsado por presión (advección) desde el suelo hasta el espacio habitado. Entre otras fuerzas impulsoras figura la difusión. Como las diferencias de presión del aire entre el suelo y el espacio habitado constituyen la principal fuerza impulsora para la penetración de radón, las estrategias de prevención del radón suelen centrarse en invertir dicha diferencia de presiones.

Un método es la despresurización pasiva del suelo DPS  (sin ventiladores).  Se trata de poner en contacto una capa permeable del suelo con el exterior por medios naturales (convección natural). Es como un shunt de ventilación pero en este caso, lo que ventilas es el suelo. Así pues hay que evitar que el conducto pase por zonas frías, dimensionarlo adecuadamente y prever un espacio para instalar un ventilador de forma sencilla por si este método no es eficaz.

Despresurización pasiva suelo eliminar radón

Si el método anterior no es eficaz, es necesario instalar un ventilador. Corresponde a la despresurización activa del suelo DAS  (con ventiladores) del suelo.

Despresurizacion suelo eliminar radon

Sellado de las superficies

El sellado de las superficies que separan el espacio habitado interior del suelo puede mejorar la eficacia de otras estrategias de prevención como la DPS o la DAS. En esos casos, el sellado reduce las pérdidas de aire acondicionado desde el interior, que pueden ser sustanciales (Henschel 1993), y aumenta la inversión del diferencial de presión de aire entre el suelo y el interior.
Como única estrategia de prevención, el sellado presenta un potencial limitado de reducción del radón (Brennan et al. 1990, Scott 1993), especialmente con el paso del tiempo. El sellado no aborda la principal causa que hace que el radón pase del suelo al interior, esto es, el flujo de aire impulsado por la presión.

Barreras o membranas entre el suelo y el interior

Las barreras o membranas entre el suelo y el interior pueden emplearse como única estrategia de prevención del radón o en combinación con otras técnicas como la despresurización pasiva o activa del suelo. Las membranas también pueden ayudar a limitar la penetración de humedad en el interior. Debe plantearse la posibilidad de emplear barreras que cuenten con una homologación externa independiente en cuanto a características como estanqueidad al aire, difusión, resistencia y durabilidad (SINTEF 2007).

Ventilación de los espacios no habitables

La ventilación de los espacios no habitables existentes entre el suelo y el espacio habitado (p.ej., cámaras sanitarias ventiladas) puede reducir las concentraciones de radón en el interior al separar el interior del suelo y reducir la concentración de radón por debajo del espacio habitado. La eficacia de esta estrategia depende de una serie de factores, entre los que figuran el grado de estanqueidad al aire del piso situado sobre el espacio ventilado no habitable y, en el caso de la ventilación pasiva, la distribución de las aberturas de ventilación a lo largo del perímetro del espacio no habitable. Una variante de este planteamiento implica el uso de un ventilador para presurizar o despresurizar el espacio no habitable. Sin embargo, la despresurización de la cámara sanitaria mediante ventilador puede plantear problemas como tiro inverso en los aparatos de combustión o pérdidas energéticas (ASTM 2003a). La despresurización bajo losa o bajo membrana, que puede ser activa o pasiva, se recomienda para el control del radón en edificios con cámara sanitaria en la cimentación al proporcionar una mayor reducción del radón que la ventilación de la cámara sanitaria.

Ventilación de los espacios habitables

La ventilación de los espacios habitables es otro medio para eliminar el gas radón. Para una buena calidad general del aire interior resulta deseable que exista un intercambio entre el aire interior y exterior. Por lo que se refiere a la prevención del radón, la ventilación presenta resultados desiguales, y puede provocar pérdidas energéticas, especialmente en climas extremos. Si la principal fuente de radón son los materiales de construcción, la ventilación resulta necesaria. Sin embargo, es preferible evitar desde el primer momento el uso de materiales de construcción que constituyan una fuente de radón (CE 1999).

Simulaciones y Proyectos, SL para diseñar sistemas de eliminación de gas radón

Simulaciones y Proyectos SL puede realizar estudios de simulación y modelización para mitigar la concentración de gas radón en viviendas y cualquier edificio terciario o instalación industrial como por ejemplo minas, galerías, bodegas, etc. Podemos simular de forma anticipada si las medidas propuestas para la eliminación de gas radón son eficaces o no. Este tipo de modelizaciones pueden ayudar a definir el sistema a emplear para eliminar el gas radón en edificios.

Tenemos en cuenta todos los aspectos colaterales del tratamiento del gas radón a efectos de confort, consumos energéticos, costes, etc.

Consúltenos sin compromiso, somos expertos en modelización.

Simulacion térmofluidodinámica de la patente de García Esparza (UJI) de ventilacion de cubiertas

Noticia publicada el 30 / 1/ 2015 en la web de la Universidad Jaume I

Investigadores de la Universitat Jaume I de Castellón han desarrollado un sistema modular de ventilación para cubiertas inclinadas que resuelve el problema de la acumulación de calor por la radiación solar bajo los tejados sin necesidad de recurrir a instalaciones de refrigeración. El sistema patentado por la UJI supone una solución pasiva y energéticamente eficiente para el acondicionamiento térmico de edificios….El problema de los espacios bajo cubierta son espacios es que la temperatura suele ser muy elevada como consecuencia de la radiación directa”, explica Juan Antonio García Esparza, investigador del grupo de Tecnología, Calidad y Sostenibilidad en la edificación de la UJI. 

El módulo patentado básicamente consta en la creación de un espacio entre la cubierta y el local a través del que fluye el aire reduciendo el sobrecalentamiento de la cubierta y por lo tanto el calor cedido al local. Se crean aberturas para el ingreso de aire en los aleros y una salida en cumbrera. Este sistema permite que el aire entre a través de las aberturas de los aleros, recorra la cubierta a través del espacio libre que se crea con los armazones y salga por las aberturas de las piezas de cumbrera.

Ventilación natural de cubiertas Ventilacion natural de cubiertas

Leyenda

1 . Entrada de aire por el alero

2. Hueco creado para circulación de aire

4. Salida de aire

Debido a la radiación, el aire en el interior del hueco se calienta y por diferencia de densidades respecto al aire exterior tiende a moverse hacia arriba induciendo la entrada por las tomas en el alero. Este efecto térmico se puede complementar con el de inducción de aire de la propia cumbrera al paso de viento mejorando el movimiento y por tanto la reventilación de la cubierta.

Para ilustrar el funcionamiento del sistema y el efecto que se produce, la empresa Simulaciones y Proyectos, SL, ingeniería CFD y de simulación térmica y energética de edificios ha llevado a cabo una sencilla simulación. Sin ánimo de ajustar exactamente los valores del sistema y simplemente para mostrar el funcionamiento global del sistema se ha construido un modelo 3D térmico en el que se simula tanto el efecto térmico como el efecto del movimiento de aire por el interior de la cubierta y el efecto en temperaturas que produce en el espacio inferior a la misma.

Se ha hecho un estudio, donde se simula un habitáculo con este sistema instalado con las rejillas de entrada y salida, cerradas en el primer caso y abiertas en el segundo para observar su efectividad. La simulación se ha hecho con datos climatológicos de Barcelona, un 14 de agosto a las 17:00 horas

Ventilación natural de cubiertas

Modelo simulado con paso de aire bajo cubierta

Resultados caso 1: Rejillas cerradas

Ventilacion Cubiertas 4

Temperaturas obtenidas

Este primer caso podría asemejarse a una cubierta standard con un alto aislamiento pero que no aprovecha el efecto de la ventilación de aire de la misma. Los resultados son un alto calentamiento de la cubierta y por lo tanto esto se traduce en un incremento de temperatura de los espacios adyacentes a la misma.

Resultados caso 2: Rejillas abiertas

Ventilacion Cubiertas 5

Temperaturas obtenidas:

Ventilacion Cubiertas 6

Caudales de aire obtenidos


Puede comprobarse como la cubierta reduce su temperatura por el paso de aire. El aire circulante por el interior de la cubierta desaloja las cargas térmicas de la misma hacia el exterior. En la imagen de la derecha se comprueba que existe movimiento de aire a través del hueco creado en bajo la piel exterior de la cubierta por efecto térmico.

En el siguiente gráfico se muestra la temperatura media del habitáculo inferior a la cubierta a lo largo del día. De media se obtiene una reducción de 2 a 3ºC. En cualquier caso, no se trata de mostrar datos exactos del comportamiento del sistema de reventilación de cubierta sino solamente el funcionamiento del mismo.

Ventilacion Cubiertas 7

Se ha demostrado la viabilidad de la ventilación de cubierta con objeto de reducir la carga térmica arrojada al interior de la edificación. No se trata de un sistema novedoso por el funcionamiento en sí sino por el método constructivo que se entiende se podrá realizar en serie y su instalación se automatizará.

Las simulaciones térmicas y termofluidodinámicas CFD ayudan a entender el funcionamiento de los edificios y de los sistemas bioclimáticos y de ahorro energético empleados. Permiten cuantificar los ahorros energéticos y predecir el comportamiento térmico y de confort en el interior para los ocupantes del edificio.