Modulo II-11 - Rociadores-Teoria de Funcionamiento

INSTITUTO SUPERIOR FEDERICO GROTE

“Técnico Superior en Higiene y Seguridad en el Trabajo" Prevención y Control de Incendios II

MODULO 11 ROCIADORES Teoría del Funcionamiento Funcionamiento

INSTITUTO SUPERIOR FEDERICO GROTE Carrera: Técnico Superior en Higiene y Seguridad en el Trabajo Materia: Prevención y Control de Incendios II

ROCIADORES-TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO (Ed. 2.001)

Compilado por: Ing. Néstor BOTTA

INDICE

1) RESPUESTA TÉRMICA DE LOS ROCIADORES 1.1) Flujo de Calor por Convección en los Incendios 2) CARACTERÍSTICAS DE LA DISTRIBUCIÓN DEL AGUA Y REFRIGERACIÓN POR ROCIADORES 3) INTERACCIÓN ENTRE LA DISTRIBUCIÓN DE LOS ROCIADORES Y EL COMBUSTIBLE INCENDIADO 4) CONTROL DE UN INCENDIO MEDIANTE ROCIADORES AUTOMÁTICOS 4.1) Compartimentación y Control del Fuego 5) SUPRESIÓN DEL INCENDIO MEDIANTE ROCIADORES AUTOMÁTICOS 5.1) Densidad Producida Necesaria (DPN) 5.2) Densidad Producida Real (DPR)

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La mayoría de los sistemas de rociadores contra incendios han sido diseñados de modo que cada uno de los rociadores pueda reaccionar ante el calor producido en un incendio, distribuyendo agua sobre la fuente que produce dicho calor. La naturaleza compleja de la interacción entre el fuego y los rociadores ha impedido históricamente que se hiciera un estudio analítico del diseño de los sistemas de rociadores, pero hoy día existe cada vez más la convicción de la necesidad de medir las características de su funcionamiento y de utilizar esas características en nuevas combinaciones para conseguir objetivos concretos de protección contra el fuego. Estas características incluyen la respuesta térmica, la distribución de agua y su capacidad de controlar y suprimir el fuego. En este apartado se explican las características de respuesta, distribución de agua y extinción de los sistemas de rociadores automáticos y los mecanismos según los cuales se cree que esas características actúan conjuntamente para el buen funcionamiento de los rociadores. 1) RESPUESTA TÉRMICA DE LOS ROCIADORES Aunque es posible equipar a los sistemas de rociadores con sofisticados sistemas de detección capaces de reconocer otros productos o secuelas del fuego, es la detección del calor lo que sirve de base a la respuesta de los sistemas de rociadores. Por tanto, un paso importante para empezar a saber cómo funcionan los rociadores es conocer básicamente como se produce y se mueve el calor en un incendio. 1.1)

Flujo de Calor por Convección en los Incendios

Como la combustión es un proceso exotérmico, los combustibles que se queman producen calor. Incluso los fuegos por rescoldos producen calor aunque su nivel puede ser tan bajo que no sea capaz de activar los detectores de calor. Sin embargo, estos fuegos generalmente crecen hasta una fase con llamas antes de producir condiciones insostenibles en la habitación, momento en el cual su velocidad de desprendimiento de calor crecerá rápidamente según la naturaleza del combustible, las condiciones de ventilación y, otros factores. El calor se desprende de un fuego en varias formas: por radiación, por conducción y por convección. Se sabe que la transmisión de calor por convección es la más importante para activar los rociadores. La convección supone la transmisión de calor a través de un medio circulante, que en el caso de los rociadores es el aire de la habitación. El aire calentado por el fuego sube en forma de penacho, haciendo que se mueva el resto del aire de la habitación a medida que sube el aire caliente. Cuando ese penacho llega al techo, generalmente se divide produciendo un chorro gaseoso desde el techo (ver la fig. 5-10A). El espesor de este chorro del techo es aproximadamente entre el 5 y el 12% de la altura entre el techo y la fuente de calor. La máxima temperatura velocidad se produce a un 1% de la distancia entre el techo y la fuente de calor. 2) CARACTERÍSTICAS DE LA DISTRIBUCIÓN DEL AGUA Y REFRIGERACIÓN POR ROCIADORES Módulo 11 - Pag. Nro.3/9




Desde el punto de vista de la ingeniería de proyectos, se puede hacer relativamente poco respecto al tipo concreto de pulverización que producen los rociadores. El modelo de distribución del agua de la mayoría de los tipos de rociadores se ha probado exclusivamente en cuanto a su cobertura general en condiciones geométricas concretas. Actualmente no hay método para predecir la cantidad total de agua que se verterá en una zona concreta en la que se haya declarado un fuego, sobre todo porque los modelos de pulverización de los rociadores varían según su presión de descarga. La figura 5-10F demuestra la gran variación de los modelos de pulverización en rociadores colgantes normales de 1/2" (12,7 min.) que descargan sin haber fuego, a presiones preestablecidas. La NFPA 13, Instalación de sistemas de rociadores, considera que la presión de trabajo mínima es de 7 psi (48,3 kPa). A esa presión mínima, el modelo de pulverización de los rociadores se aproxima al de la máxima separación permitida para edificios de riesgo ligero según la NFPA 13, cuando los rociadores están colocados a 2,4 m sobre el suelo. Ese modelo de pulverización se va ampliando a medida que crece la presión de trabajo hasta unos 70 psi (483 kPa) y después, a mayores presiones, empieza a contraerse haciéndose de forma más elíptica cuando se llega al extremo superior de las presiones permitidas. Dentro de la zona que se moja, la cantidad de agua aplicada varía considerablemente, de modo que el concepto de densidad media sobre la zona de cobertura de un rociador ofrece sólo una aproximación más o menos exacta de la cantidad de agua que podrían alcanzar en realidad sobre una determinada superficie.

3) INTERACCIÓN ENTRE LA DISTRIBUCIÓN DE LOS ROCIADORES Y EL COMBUSTIBLE INCENDIADO Los rociadores pueden ser eficaces contra un fuego por medios muy distintos. Uno de los más eficaces, en lo que se refiere al uso del agua, es sencillamente por el efecto refrigerante que tiene el chorro de agua. La producción de una niebla de gotas muy finas de agua puede enfriar mucho, lo que reduce el recalentamiento del fuego por radiación, por debajo de lo necesario para mantener la combustión. Además, la evaporación de las gotas de agua puede producir vapor en un volumen más de 1.700 veces superior a la del agua, privando al fuego del oxígeno necesario. Esta combinación de "enfriamiento Módulo 11 - Pag. Nro.4/9




por pulverización" y "ahogo", aunque es eficaz, tiene sus limitaciones. Generalmente funciona bien sólo si el fuego se ha producido en un recinto sin ventilación". La mayor eficacia se produce en los recintos pequeños, pues la mayoría de las gotas de agua se pueden evaporar al contacto con las paredes del recinto y aumenta el efecto de ahogo. En 1955 se revisaron toda una serie de pruebas de extinción manual con agua de incendios totalmente desarrollados en una habitación, sugiriendo que existe una "cantidad crítica" de agua a aplicar por debajo de la cual no se puede extinguir el incendio. Cuando aumenta la cantidad de agua aplicada por encima de ese valor crítico, el tiempo necesario para controlar o extinguir el fuego disminuye rápidamente. Si se aumenta más la cantidad de agua aplicada, el tiempo hasta la extinción disminuye más lentamente (fig. 5-10G). En el mejor de los casos, los fuegos en las habitaciones de los ensayos se pudieron extinguir con chorros dirigidos o con pulverizaciones de aproximadamente 4,5 litros cada 28,4 m3 de volumen de la habitación. Se descubrió que un spray fijo con una ventilación medía podría conseguir extinguir el fuego aproximadamente con 9 litros cada 28 m 3 de volumen de la habitación. Por supuesto, se espera que los rociadores automáticos funcionen antes de que toda la habitación esté en llamas. En cierta medida, esto hace su tarea más difícil porque el agua pulverizada por los rociadores no se evapora tan fácilmente hasta formar vapor. En una zona grande, abierta o muy ventilada, un fuego violento puede crear corrientes hacia arriba que barren las gotas pequeñas haciéndolas ineficaces. Por esta razón, el diseño tradicional de los rociadores se basa en la idea de distribuir gotas de muy diversos tamaños sobre la zona incendiada para mantener en el techo temperaturas relativamente bajas, al tiempo que se controla o se extingue el fuego.

4) CONTROL DE UN INCENDIO MEDIANTE ROCIADORES AUTOMÁTICOS El método tradicional mediante el cual los rociadores controlan un incendio se denomina actualmente "control del incendio". Este método presupone que alrededor de la zona del incendio se pondrá en marcha un determinado número de rociadores. Aunque puede ser que los rociadores situados inmediatamente encima del incendio no sean capaces de extinguirlo, funcionarán junto con otros rociadores abiertos para enfriar la atmósfera y evitar que los rociadores más alejados del incendio funcionen. Mientras tanto, los rociadores abiertos fuera de la proximidad inmediata del fuego pueden mojar los combustibles adyacentes, contribuyendo a evitar su propagación. La figura 5-19H representa el control del fuego que se puede conseguir mediante los rociadores. En una situación estable, es preciso que se produzca el equilibrio entre dos energías. Al nivel del combustible, el agua que llega al fuego debe ser capaz de reducir la velocidad de combustión hasta un punto en el cual, junto con el agua caída sobre los combustibles adyacentes, el fuego no se propague a otros combustibles. Simultáneamente y a la altura del techo, el efecto enfriador del agua pulverizada de Módulo 11 - Pag. Nro.5/9




los rociadores abiertos debe ser suficiente para absorber el calor del penacho de la llama y evitar así que entren en funcionamiento otros rociadores, manteniendo la temperatura por debajo de la que podría producir daños estructurales en el edificio.

Para controlar un incendio, la zona sobre la que abren los rociadores suele ser mayor que la superficie máxima del fuego. Cuando los rociadores funcionan para controlar el fuego, el núcleo del combustible del mismo se agota y se extingue. Para que los rociadores puedan controlar el fuego, la cantidad de calor desprendido por el mismo a lo largo del tiempo debe ser como indica la figura 5-10I.

Se han realizado diversos estudios sobre la cantidad de agua necesaria para extinguir o controlar los fuegos en zonas totalmente ventiladas, tanto en superficies sencillas como con el combustible distribuido de manera compleja. La cantidad crítica de agua parece estar entre 0,09 y 0,18 l/min/m 2, aumentando en cierta medida si se ha producido un quemado previo. Para algunas superficies plásticas, esta cantidad crítica puede ser del orden de los 0,8 a 2,65 l/min/m 2, mayor si hay radiación externa. Estos valores son por unidad de superficie que se quema, no de superficie del suelo, y se establecen en pruebas de laboratorio. Módulo 11 - Pag. Nro.6/9




Para los fuegos en situaciones reales, la unidad de superficie de combustible que se quema puede considerarse como un múltiplo de la unidad de superficie protegida por rociadores. Ensayos británicos de fuego han demostrado que, con rejillas de madera de tamaño medio, el agua aplicada por boquillas de chorro compacto en cantidades inferiores a 11,2 l/min/m 2 tiene poco efecto sobre la zona real de combustión. Estas pruebas indican también que con cantidades aplicadas de sólo 2,65 l/min/m 2 puede ser suficiente para limitar la propagación de las llamas en la rejilla. 4.2)

Compartimentación y Control del Fuego

En muchos programas de ensayo se ha observado que las paredes tienden a ayudar al sistema de rociadores para controlar el fuego, limitando el número de rociadores que entran en funcionamiento. Si se produce un fuego cerca de una pared, el número total de rociadores que funcionan tiende a reducirse por el hecho de que el supuesto “anillo exterior" de rociadores no existe en este caso, al menos por un lado. Esto tiende a conservar agua para los rociadores que funcionan, lo que produce una mayor cantidad aplicada y esto a su vez consigue controlar antes el fuego. Llevado a su extremo, esta es la ventaja de las paredes recocidas en el "método de diseño de habitación" que permite la NFPA 13 como alternativa al método de superficie/densidad. Sin embargo, uno podría preguntarse cómo la misma cantidad de calor puede ser absorbida por menos rociadores en funcionamiento. En otras palabras, si no hay rociadores por el lado de la pared que funcionen y absorban parte del calor del penacho de la llama, ¿no se desplazara ese calor al otro lado de la habitación, haciendo que se abran más rociadores por ese lado? Hay dos factores que rebaten esta tesis. Uno es que a no ser que el fuego se produzca exactamente a lo largo de la pared, produce el mismo aire caliente que un fuego en el centro, es decir, la misma cantidad de chorros de gas que se desplazan hacia el techo. Sin embargo, la pared evita que este aire se propague de forma simétrica por lo que la capa de gases o de humo en el techo será más espesa. Esta capa más espesa permite en realidad que la descarga de un rociador produzca un mayor enfriamiento, porque el desplazamiento de cada gota a través de esa capa es más prolongado. El otro factor es que la capacidad de enfriamiento de cada rociador aumenta cuando lo hace la presión. El enfriamiento depende de la superficie de las gotas, que aumenta con el caudal al producirse gotas de menor diámetro, siendo originado todo ello por la mayor presión. Con menos rociadores funcionando en las cercanías del incendio, se obtiene mayor presión del agua y, por tanto, mayor enfriamiento. 5) SUPRESIÓN DEL INCENDIO MEDIANTE ROCIADORES AUTOMÁTICOS En los últimos años hemos asistido al desarrollo de nuevos tipos de rociadores que tratan no sólo de controlar el fuego, sino de suprimirlo activamente. Para conseguir esta supresión, tiene que salir agua por los rociadores, llegar hasta la superficie del combustible en llamas en cantidad suficiente para interrumpir el proceso de combustión, reduciendo la cantidad de calor liberado y evitando que el fuego vuelva a brotar (fig. 5-10K). Si se consigue suprimir el fuego en sus inicios, sólo deberán funcionar los rociadores que están situados inmediatamente encima del fuego.





Por esta razón se ha desarrollado el término "supresión temprana". Hoy día este término se usa como nombre de un concepto y como un tipo especial de rociadores. El concepto es que la respuesta rápida de los rociadores puede suponer una ventaja para controlar el fuego si esa va acompañada por una descarga de densidad adecuada, es decir, el rociador produce una pulverización de agua capaz de llegar hasta el penacho de la llama en cantidad suficiente para suprimir la combustión. El primer rociador que ha llevado este nombre, el de supresión temprana y respuesta rápida (FSFR), fue desarrollado para aplicar este concepto a una clase determinada de incendio, es decir, para proteger muestras de material plástico de determinadas dimensiones y densidad almacenadas en estanterías altas normalizadas, utilizando únicamente rociadores en el techo. Como parte del programa de desarrollo de los rociadores ESFR, los investigadores crearon nuevos términos para investigar y definir el fenómeno de supresión temprana: DPN y DPA. 5.1)

Densidad Producida Necesaria (DPN)

La Densidad Producida Necesaria (DPN) es la cantidad mínima de agua aplicada que, si se descarga encima de un producto ardiendo, es capaz de suprimir el fuego en una etapa temprana. En el programa de los ESFR, la supresión temprana se definía a su vez como una limitación prolongada del fuego, suficiente para evitar que entraran en funcionamiento los rociadores que estuvieran más allá del anillo inicial. Los investigadores desarrollaron un equipo especial de pruebas para medir la DPN, consistente en una serie de tubos perforados suspendidos sobre un objeto que se quema, capaces de pulverizar una cantidad de agua uniforme directamente sobre la parte superior del fuego, de modo que el agua no tenga que llegar hasta el centro de la llama. Los tubos y el combustible se colocan debajo de un colector, un calorímetro grande que recoge todos los gases procedentes del fuego y determina la cantidad total de calor desprendido en función del tiempo. La aplicación de agua se inicia en un momento en el que se simula el funcionamiento de los rociadores, según una hipotética colocación, sensibilidad y temperatura de apertura de los mismos. El historial del calor desprendido mientras el agua ataca al fuego se utiliza después para predecir el funcionamiento de los rociadores situados detrás del primer anillo, teniendo en cuenta su situación respecto al fuego. 5.2)

Densidad Producida Real (DPR) Módulo 11 - Pag. Nro.8/9




La Densidad Producida Real (DPR) es la cantidad real de agua que puede descargar un determinado sistema de rociadores encima de un fuego, dependiendo de la fuerza hacia arriba que produzca la llama. El aparato para medir la DPR consiste en una serie de bandejas situadas sobre un quemador de gas. Estas bandejas de 0,5 m 2 simulan la parte superior de una estantería y miden la cantidad de agua recibida en cada zona de los distintos rociadores. El quemador de gas se utiliza para producir una corriente de aire hacia arriba a través de los espacios simulados entre estantes. De esta manera se pueden medir la capacidad los rociadores para lanzar agua sobre el fuego en una gran variedad de condiciones, simulando distintas etapas en el desarrollo del fuego. Normalmente, la DPR disminuye a medida que va aumentando el fuego.


Modulo II-11 - Rociadores-Teoria de Funcionamiento

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