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 TS Ta VS H TU Po Pi

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 Can Por lo general “Q” se obtiene de manera empírica

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? Can

Funciones de Generación de Calor TIME RELEASE RATE 1 2 3 4 to tbo Q tg Pre-Flashover

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

Caracterización Común de Incendios Polinomio Exponencial TIME RELEASE RATE 1 2 3 4 to tbo Q 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 Transporte de Combustible Transporte de Oxigeno Combustible

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↓

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

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

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 Baja Efectividad Ventajas 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” H r g,pl 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: Desventajas: Fiable No requiere verificación Desventajas: Activación lenta Velocidad de activación depende la tecnología utilizada

Sensor de “Humo” Activación es casi inmediata Ventajas: Desventajas: 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” Combustible 530 mm 85 mm “ICI Cup Burner Test” Se encuentra la “Minimum Extinguishing Concentration (MEC)” Diferentes combustibles Aire + Agente

Concentración necesaria para extinción Material Concentración necesaria para extinción (%) Concentración letal Halon 1301 PVC 2.00 8.32 Poliestireno 3.00 Polietileno Poliester 5.00 Madera 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 Fugas Agente Volumen de Control

Efecto de la Densidad 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 Pi(t), YA(t) Pi(t) YA(t) YA,crit tmax t 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 2 3 1

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 -128 -102 -131 -155 -199 Temperatura critica 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 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 0.006 Presión de vapor @ 21oC 267 1371 457 4729 Densidad (liquido) @ 25oC 1497 1245 1395 669 Propiedades

Fichas Técnicas

Pre-Cálculos

Instalación (Ej. INERGEN)

Door Fan Test Flujo Presión Permite evaluar AFC NFPA 2001- Apéndice C ISO 14520 Flujo Presión

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