Transcript Sistemas activos de control y extinción como complemento a la

Sistemas activos de control y
extinción como complemento a
la respuesta de los
Servicios de Bomberos
José L. Torero
BRE Centre for Fire Safety Engineering
The University of Edinburgh
Edinburgh, EH9 3JL
United 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
Presión Hidrostática
H
VS
TU
VS
TS
S
m
Ta
e
m
e
m
f
m
 S,o
m
 a,o
m
P
Po Pi
El Calor Generado
f
Q  HCm
Se puede encontrar
en tablas pero solo
para algunos
combustibles
simples, Ej.. líquidos
Se puede
encontrar en tablas
para algunas
condiciones
particulares
 Por lo general “Q” se obtiene de manera
empírica
El Calor Generado
O
Q  13.1 m
2
MJ
 Calor generado se obtiene a base de
medidas de consumo de oxigeno
El Calorímetro de Cono (ASTM E 1354 )
Gasolina
800
700
600
2
HRR (kW/m )
500
Series1
Series2
Series3
400
300
200
100
0
0
25
50
75
Time (s)
100
125
150
f
Calor de Combustión Q  HCm







Metano
50.0 J/kg
Gasolina
43.7 J/kg
Polyetileno
43.3 J/kg
Polypropileno 43.0 J/kg
PMMA
24.9 J/kg
PVC
16.4 J/kg
Madera
13-15 J/kg
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
f
Q  HCm
Se puede encontrar
en tablas pero solo
para algunos
combustibles
simples, Ej.. líquidos
Como se calcula?
Funciones de Generación de Calor
RELEASE RATE
1
2
3
4

Q
max
tg
Q o
Q
Q i
to
Pre-Flashover TIME
tbo
Incendio de Diseño
 El calor generado puede ser
representado de manera simple
  H m




Q


H
A
m
C
f
C B
f
A B  r  (Vf t)  (V )t
2
2

2
f
2

2
2
2



Q  H C A B mf  HC (Vf )mf t  t
Caracterización Común de Incendios
 Polinomio n
t 


Q  Qo  
t 
 g
RELEASE RATE
 Exponencial
 t


Q  Qo exp
τ
 g

Q
max
1

Q
o
2
3
tg
Q
4

Q
i
t
o
tb
TIME
o




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
Transporte de
Combustible
Transporte de
Oxigeno
Combustible
Reacción Química
 E / RT

Q  HCYO2 YFe
 La reacción química depende de:




Energía generada: HC
Concentración de oxigeno: YO2
Concentración de Combustible: YF
Temperatura: T
Como Extingo?
 Reduzco la Temperatura: T↓
 Reduzco concentración de oxigeno: YO2↓
 Reduzco el suministro de combustible: YF↓
Diluye el
oxigeno
Dilución
Enfría
el gas
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
Rociadores
Agua
Estructura
Fusible
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
F
F F
F
F
F
F
F
CH3
F C C C C C C C C SO2N(CH2)3 N CH3
F
F F
F
F
F
F
F
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
Halon 1301
Halon 1011
Halon 2402
C
1
1
2
F Cl Br
3 0 1
0
1 1
4
0 2
I
CF3Br
CH2ClBr
C2F4Br2
Por que son tan efectivos los
Halones?
Combustión del Metano


CH 4  M  CH 3  H  M
H   O 2  O   OH 

CH 3  OH   H 2  H 2 CO


H 2  O  H  OH



CO  OH  CO 2  H


Halon 1301 + Calor

CF3 Br  M  CF3  Br 
Br   H   HBr
HBr  OH   H 2 O  Br 
Por que los Halones son un Problema al
medio Ambiente?

CF3 Br  UV  CF3  Br


Br  O 3  BrO  O 2

2BrO  2Br  O 2
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”
r
g,pl
H
Posición del
Rociador
g,cg
Parámetros del gas - Tg, ug
 Correlaciones de Alpert
Temperatura
Tg , pl
Tg ,cj
Tg , pl
2/3

Q
 16.9 5 / 3
H
0.32

2/3
(r / H )
Velocidad
u g , pl
u g ,cj
u g , pl
1/ 3
 Q 
 0.95 
H
0.2

(r / H )5 / 6
Tipos de Detectores
 De Temperatura de Activación
Td  Tact  tact
 Valores típicos Tact~60oC
 De Gradiente de Activación
dTd dTact

 t act
dt
dt
 Valores típicos: dTact/dt: 8.3ºC /min
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 mm (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
18
16
70 bar (0.3 m)
14
Velocidad [m/s]
12
70 bar (1.0 m)
10
8
12 bar (0.3 m)
6
12 bar (1.0 m)
4
2
0
-2
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
Distancia del Eje [m]
 Sistema genera alta velocidades
que permiten penetración en
zonas cubiertas
0.8
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 reencendido
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
85 mm
530 mm
Combustible
Aire +
Agente
 “ICI Cup Burner
Test”
 Se encuentra la
“Minimum
Extinguishing
Concentration
(MEC)”
 Diferentes
combustibles
Concentración
Material
Concentración necesaria
para extinción
(%)
Concentración letal
(%)
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
Halon 1301
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
Agente
m VC
 A m
F
m
t
m A
 A m
F
m
t
Fugas
Volumen
de Control
 F ,A  YA C.A F Pi  P0
m
 F  C.A F Pi  P0
m
PV  mRT
Pi  i

P0  0
A
m
m VC  V
m A  YA V
Efecto de la Densidad
Fuga
Fuga
 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
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)
Pi(t), YA(t)
Pi(t)
YA(t)
P0
YA,crit
tmax
t
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
180
% del valor calculado
140
2
2
3
3
160
1
120
100
80
60
1
40
20
0
0
2
velocidad [m/s]
4
6
Propiedad
Unidades
FC-3-110
HFC-125
HFC227
ea
HFC-23
IG-55
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
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
kJ/kg
96.3
164
132
239.6
181
W/moC
0.05
0.065
0.069
0.078
-
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
kPa
267
1371
457
4729
-
kg/m3
1497
1245
1395
669
-
Peso molecular
Presión critica
Calor de vaporización al punto de ebullición
Conductividad térmica (liquido) @ 25oC
Viscosidad (liquido) @ 25oC
Presión de vapor @ 21oC
Densidad (liquido) @ 25oC
Propiedades
Fichas Técnicas
Pre-Cálculos
Instalación (Ej. INERGEN)
Door Fan Test
Flujo
Presión
 Permite evaluar
AFC
 NFPA 2001Apéndice 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