Sistemas activos de control y extinción como complemento a la respuesta de los servicios de bomberos

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
(Gp:) TS
(Gp:) Ta
(Gp:) VS
(Gp:) VS
(Gp:)

(Gp:)

(Gp:)

(Gp:)

(Gp:) H
(Gp:)

(Gp:) TU
(Gp:) Po

El Calor Generado
Por lo general “Q” se obtiene de manera empírica
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

El Calorímetro de Cono (ASTM E 1354 )

Gasolina

Calor de Combustión
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
Se puede encontrar en tablas pero solo para algunos combustibles simples, Ej.. líquidos
Como se calcula?

Funciones de Generación de Calor
(Gp:) TIME
(Gp:) RELEASE RATE
(Gp:) 1
(Gp:) 2
(Gp:) 3
(Gp:) 4
(Gp:) to
(Gp:) tbo
(Gp:) Q
(Gp:) tg

Pre-Flashover

Incendio de Diseño
El calor generado puede ser representado de manera simple

Caracterización Común de Incendios
Polinomio

Exponencial

(Gp:) TIME
(Gp:) RELEASE RATE
(Gp:) 1
(Gp:) 2
(Gp:) 3
(Gp:) 4
(Gp:) to
(Gp:) tbo
(Gp:) Q
(Gp:) tg

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: DHC
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?

(Gp:) Dilución

(Gp:) Enfría el gas
(Gp:) Diluye el oxigeno

(Gp:) 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
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

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 I
Halon 1301 1 3 0 1 CF3Br
Halon 1011 1 0 1 1 CH2ClBr
Halon 2402 2 4 0 2 C2F4Br2

Por que son tan efectivos los Halones?
Combustión del Metano
Halon 1301 + Calor

Por que los Halones son un Problema al medio Ambiente?

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”
(Gp:) H
(Gp:) r
(Gp:) g,pl
(Gp:) g,cg

Posición del Rociador

Parámetros del gas – Tg, ug
Correlaciones de Alpert
Temperatura Velocidad

Tipos de Detectores
De Temperatura de Activación

Valores típicos Tact~60oC
De Gradiente de Activación

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
Sistema genera alta velocidades que permiten penetración en zonas cubiertas

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 combustibles

Aire + Agente
(Gp:) Combustible
(Gp:) 530 mm
(Gp:) 85 mm

Concentración

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
(Gp:) Fugas
(Gp:) Agente
(Gp:) Volumen de Control

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
(Gp:) Fuga
(Gp:) 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
2
3

Propiedades

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