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