Sistemas activos de control y extinción como complemento a la respuesta de los Servicios de Bomberos
José L. ToreroBRE Centre for Fire Safety EngineeringThe University of EdinburghEdinburgh, EH9 3JLUnited Kingdom
Evolución de un Incendio
El Incendio Desarrollado Inicialmente un incendio puede
describirse con un modelo de dos zonas
Cuando todo el compartimiento queda envuelto la generación de calor queda descrita por una sola zona
La transición se llama “Flashover”
En este caso la capacidad del incendio para succionar aire controla la generación de calor
Compartimiento
Pi
Presión Hidrostática
TS
Ta
VSVS
H TU
fm
emem
Sm
o,am
o,Sm
PoP
El Calor Generado
Por lo general “Q” se obtiene de manera empírica
fCmHQ Se puede encontrar en tablas pero solo para algunos combustibles simples, Ej.. líquidos
Se puede encontrar en tablas para algunas condiciones particulares
El Calor Generado
Calor generado se obtiene a base de medidas de consumo de oxigeno
MJm1.13Q2O
El Calorímetro de Cono (ASTM E 1354 )
Gasolina
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 25 50 75 100 125 150
Time (s)
HR
R (k
W/m
2 )
Series1Series2Series3
Calor de Combustión Metano 50.0 J/kg Gasolina 43.7 J/kg Polyetileno 43.3 J/kg Polypropileno43.0 J/kg PMMA 24.9 J/kg PVC 16.4 J/kg Madera 13-15 J/kg
fCmHQ
Las Aplicaciones Reales Calorímetros a Gran Escala
Factory Mutual Underwriters Laboratories BRE
Sillón (II)
Cama Camarote
Datos de “Fire on the Web” (www.bfrl.nist.gov)
Colchón
El Calor Generado
fCmHQ Se puede encontrar en tablas pero solo para algunos combustibles simples, Ej.. líquidos
Como se calcula?
Funciones de Generación de Calor
TIME
RE
LEA
SE
RA
TE
1 2 3 4
to tbo
Qtg
iQ
oQ
maxQ
Pre-Flashover
Incendio de Diseño El calor generado puede ser
representado de manera simple
22f
2f
2B t)V()tV(rA
fBCfC mAHmHQ
22f
2fCfBC ttm)V(HmAHQ
Caracterización Común de Incendios
Polinomio
Exponencial
n
go ttQQ
go τ
texpQQ
TIME
RE
LEA
SE
RA
TE
1 2 3 4
to tb
o
Qtg
iQ
oQ
maxQ
Resumen
El periodo de pre-flashover es el periodo critico para los cálculos asociados a la extinción Ignición Propagación de llama Calor generado
Mecanismos de Extinción
Combustion Zona de Reacción
Combustible
Transporte de Combustible
Transporte de Oxigeno
Reacción Química
La reacción química depende de: Energía generada: HC
Concentración de oxigeno: YO2
Concentración de Combustible: YF
Temperatura: T
RT/EFOC eYYHQ
2
Como Extingo?
Reduzco la Temperatura: T↓ Reduzco concentración de oxigeno: YO2↓ Reduzco el suministro de combustible: YF↓
Dilución Enfría
el gas
Diluye el oxigeno
Reduce la cantidad de combustible
Resumen
Los sistemas de extinción trabajan en base a diferentes mecanismos
La selección debe hacerse de manera tal que se aproveche al máximo la capacidad de extinción de un agente
Extinción Rociadores Brumas Gases Espumas & Películas Polvos Químicos
Basado en NFPA 13
Sistemas a Base de Agua Trabajan en base a absorber el calor y
desplazar el oxigeno Rociadores
Sistemas simples, bajo costo de instalación y mantenimiento El principio de funcionamiento es mojar el combustible
adyacente al incendio Es una técnica de control no de extinción Altas descargas de agua ~ 0.25 lt/m2s
Brumas (Water Mists) Descarga de agua controlada ~ 0.00025 lt/m2s Alta penetración debido a la elevada presión de operación Mas complicados que los rociadores
RociadoresAgua
Fusible
Estructura
Deflector
Brumas Operación es similar a la de los rociadores
Espumas y Películas Aplicaciones Limitadas
Combustibles Líquidos Protección de estructuras
Es necesario producir una película que se propaga a través del combustible.
Por lo general la composición química incluye flúor o cloro Ej. Espumas AFFF
C
F
F
C
F
F
C
F
F
C
F
F
C
F
F
C
F
F
C
F
F
C
F
F
F SO2N(CH2)3 N
CH3
CH3
CH3
+ I -
Mecanismos
Separa al combustible del oxigeno
Reduce la temperatura (menor)
Polvos Químicos Generalmente solo permiten una
descarga Reducida penetración Trabajan absorbiendo el calor – Son
poco eficientes Extinción química solo se da en caso
que el agente tenga algún “halógeno” Pueden ser corrosivos
Gases Alta efectividad
Químicamente activos – Ej. Halones
Baja Efectividad Químicamente Inertes – Extinción por reducción
de la concentración de oxigeno o por enfriamiento (CO2, FM 200, Inergen, etc.)
Ventajas No hay necesidad de limpieza después del uso,
fácil de almacenar, bajo peso/volumen, alta penetración, no conducen electricidad, no son corrosivos.
Necesitan mantener una concentración mínima
Mecanismos de Extinción
El mas efectivo es la inhibición química
Los Halones son muy efectivos atacando las reacciones de iniciación de la combustión: “chain branching”
Halones Nomenclatura
C F Cl Br IHalon 13011 3 0 1 CF3BrHalon 1011 1 0 1 1 CH2ClBrHalon 2402 2 4 0 2 C2F4Br2
Por que son tan efectivos los Halones?Combustión del Metano
HCOOHCO
OHHOH
COHHOHCH
OHOOH
MHCHMCH
2
2
223
2
34
BrOHOHHBr
HBrHBr
BrCFMBrCF
2
33
Halon 1301 + Calor
Por que los Halones son un Problema al medio Ambiente?
2
23
33
OBr2BrO2
OBrOOBr
BrCFUVBrCF
Resumen Hay muchos agentes de extinción Cada agente tiene ventajas y desventajas
Quienes son Agentes Limpios: Rociadores Brumas Gases químicamente inertes
Activación
Evolución de un Incendio
Tiempos
El sistema tiene que abrirse lo suficientemente rápido para lograr controlar el incendio
El tiempo de activación es MUY importante
Tipos de activación Activación por sensor térmico
Se basa en la transferencia de calor entre los gases calientes y el “detector”
Depende de la temperatura y la velocidad local de los gases
Activación por detección de humo Se basa en un detector de humo: ionización o
fotoeléctrico Sensor térmico es automático vs.
detección de humo es manual
Sensor “Térmico”
H
r
g,pl g,cg
Posición del Rociador
Parámetros del gas - Tg, ug
Correlaciones de AlpertTemperatura Velocidad
3/2,
,
3/5
3/2
,
)/(32.0
9.16
HrTT
HQT
plg
cjg
plg
6/5,
,
3/1
,
)/(2.0
95.0
Hruu
HQu
plg
cjg
plg
Tipos de Detectores De Temperatura de Activación
Valores típicos Tact~60oC
De Gradiente de Activación
Valores típicos: dTact/dt: 8.3ºC /min
actactd t
dtdT
dtdT
actactd tTT
Sensor de “Térmico” Ventajas:
Fiable No requiere verificación
Desventajas: Activación lenta Velocidad de activación depende la tecnología utilizada
Sensor de “Humo” Activación es casi inmediata
Alta eficiencia Tiempo de activación casi-independiente de la tecnología
Ventajas: Rapidez
Desventajas: Falsas alarmas Requiere verificación
Brumas – Water Mist
Condiciones de Operación
Agua: Diámetro de gotas: 100 – 400 m (Rociadores: 1 - 2
mm) Masa de Agua: 5 – 10 lt/min (20-40 gpm)
(Rociadores: 400 lt/min (100 gpm)) Presión: 10-70 bar (150 – 1000 p.s.i.) (Rociadores:
1.5 bar (20 p.s.i.)
Penetración
Sistema genera alta velocidades que permiten penetración en zonas cubiertas
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8
Distancia del Eje [m]
Vel
ocid
ad [m
/s]
70 bar (0.3 m)
70 bar (1.0 m)
12 bar (1.0 m)
12 bar (0.3 m)
Calculo Hidráulico
Similar al calculo hecho para rociadores Normalizado en NFPA 750
Densidad de agua definida en base a pruebas Puede ser una área máxima de aplicación Sistema de tipo diluvio
Pruebas Sistemas deben ser diseñados a medida
International Maritime Organization (IMO) IMO Res A800 IMO MSC/Circular 688
Factory Mutual Research Corporation (FMRC) Requerimientos para turbinas a gas y maquinarias
de combustión (5660), Riesgos ordinarios, “Wet Benches”
Underwriters Laboratories (UL) UL 2167
Verband der Schadenversichen, e.V. (VDS) VDS 2498
Agentes Limpios
Ventajas
sin olor o color no mancha eléctricamente no conductivo no daña equipo magnético no deja residuos o resinas no corrosivo
Desventajas Agentes limpios trabajan principalmente
por dilución Actividad química menor Reducción de la concentración de oxigeno por
debajo de los limites de inflamación Requieren evacuación antes de ser
utilizados Requieren mantener concentración por
un periodo determinado evitando el re-encendido
Concentración
Sistemas son diseñados para obtener una concentración necesaria que garantiza la extinción
La concentración debe mantenerse por un periodo de tiempo suficiente
Concentración esta definida por pruebas estandarizadas
Prueba Estandarizada “ICI Cup Burner
Test” Se encuentra la
“Minimum Extinguishing Concentration (MEC)”
Diferentes combustiblesAire +
AgenteCombustible
530 mm
85 mm
ConcentraciónMaterial Concentración necesaria
para extinción(%)
Concentración letal(%)
Halon 1301
PVC 2.00 8.32
Poliestireno 3.00
Polietileno 3.00
Poliester 5.00
Madera 3.00
Carbon 13.00
Nitrogeno 31.00
CO2 32.00
Argon 38.00
HFC-227ea: Heptafluoropropano (CF3CHFCF3) FM-200
6.2 9.00
HFC-125: Pentafluoroetano (CHF2CF3) - Ecaro
8.7 7.50
IG-541 (N2 (52%), CO2 (40%), Ar (8%) ) - INERGEN
35.00 >50.00
Concentración Letal Tres limites (concentraciones en
volumen (Va/V)): NOAEL: “No Observed Adverse Effects Level” LOAEL: “Lowest Observed Adverse Effects
Level” LC50: Concentración letal para 50% de las
personas
LC50>>>>>LOAEL>NOAEL FM-200: LC50>80%, LOAEL=10.5%,
NOAEL=9% (NFPA 2001)
Concentración Letal (II) Limites permiten dar una idea del efecto de los
agentes en las personas Diferencias entre el NOAEL, LOAEL y LC50 para
diferentes agentes solo son indicativas y no deben ser utilizadas para establecer ventajas o desventajas de diferentes agentes
En general si los limites son próximos de la concentración de extinción el sistema no debe ser activado hasta garantizar la evacuación completa del ambiente
Calculo de Carga Se basa en llegar a la concentración
necesaria en el recinto a proteger
VYm AA
Fugas
Agente
Volumen de Control
FAVC mmt
m
FAA mm
tm
VmVC
0iFF PPA.Cm 0iFAA,F PPA.CYm
Am
TRmPV
0
i
0
i
PP
Efecto de la Densidad
Si la densidad del agente es muy diferente a la del aire hay que incluir la estratificación como un mecanismo de fuga del agente
Esta evaluación es bastante compleja
Fuga
Fuga
Concentración La presión y la concentración evolucionan en el tiempo
AF y C so dos constantes empíricas que se obtienen mediante una prueba estandarizada (Área y coeficiente de fuga)
Las ecuaciones dan como resultado Pi(t) y YA(t)
t
Pi(t), YA(t)
P0
Pi(t)YA(t)
tmax
YA,crit
Fugas El sistema se va a diseñar para YA, max>YA,crit
El valor de YA,max aparece al obtener un tiempo residual necesario.
Es esencial establecer las fugas correctamente Se obtienen presurizando el ambiente a
proteger y midiendo la evolución de la presión Las pruebas arrojan el coeficiente AFC Un diseño no puede realizarse con precisión
sin estas pruebas
Tiempo Residual El tiempo residual es un valor empírico Es el tiempo necesario para extinguir, enfriar los
combustibles y evitar re-ignición, asegurar intervención de bomberos Valores típicos de extinción: <5 sec. Valores típicos:
Cables Horizontales: 15 sec Cables Verticales: 10 sec Polipropileno: 60 sec ABS: 20 sec Madera (Pino): 120 sec
Respuesta de Bomberos: > 5 min Tradicionalmente se pide que la concentración se
mantenga entre 10-20 min para asegurar cubrir el mayor de estos tiempos
Calculo Hidráulico Proceso de gasificación afecta el calculo
hidráulico Perturbaciones sobre el análisis convencional
dependen de las propiedades del agente
1
23
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 2 4 6
velocidad [m/s]
% d
el v
alor
cal
cula
do 1
32
Propiedades
Propiedad Unidades FC-3-1-10
HFC-125 HFC227ea
HFC-23 IG-55
Peso molecular g/mol 238 120 170 70 34
Punto de ebullición (760 mm Hg) oC -2.0 -48 -16.4 -82 -190
Punto de congelamiento oC -128 -102 -131 -155 -199
Temperatura critica oC 113 66 101 25.9 -134
Presión critica kPa 2323 3595 2912 4836 4150
Volumen critico cc/mol 371 210 274 133 -
Densidad critica kg/m3 629 571 621 525 -
Calor especifico (liquido) @ 25oC kJ/kg oC 1.05 1.26 1.184 1.549 -
Calor especifico (vapor) @ presión atmosférica y 25oC
kJ/kg oC 0.80 0.80 0.81 0.74 0.78
Calor de vaporización al punto de ebullición kJ/kg 96.3 164 132 239.6 181
Conductividad térmica (liquido) @ 25oC W/moC 0.05 0.065 0.069 0.078 -
Viscosidad (liquido) @ 25oC centipoise 0.324 0.145 0.184 0.083 -
Constante dieléctrica relativa (N2=1) @ 25oC y 760 mmHg
- 5.25 0.955 2.00 1.04 1.01
Solubilidad en agua @ 21oC % 0.001 0.07 0.06 0.001 0.006
Presión de vapor @ 21oC kPa 267 1371 457 4729 -
Densidad (liquido) @ 25oC kg/m3 1497 1245 1395 669 -
Fichas Técnicas
Pre-Cálculos
Instalación (Ej. INERGEN)
Door Fan Test
Flujo
Presión
Permite evaluar AFC
NFPA 2001- Apéndice C
ISO 14520
Conclusiones Los agentes limpios son de dos tipos:
Agua (rociadores + brumas) Gases (inertes + químicamente activos)
Agua extingue por enfriamiento y desplazamiento de oxigeno Brumas: fase gaseosa Rociadores: fase condensada y gaseosa
Gases Limpios: Fundamentalmente inertes Poca actividad química y poca capacidad de enfriamiento Extinguen mayoritariamente por desplazamiento de oxigeno por
ende son de inundación (total flooding) No existe un agente mejor que otro, desempeño debe
adecuarse al uso particular