análisis de sistemas de protección contra incendios en

XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE PROYECTOS
LUGO, 26-28 Septiembre, 2007
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA
INCENDIOS EN UNA CÁMARA FRIGORÍFICA MEDIANTE LA
APLICACIÓN DE UN MODELO COMPUTACIONAL DE
SIMULACIÓN DE INCENDIOS
C. Garrido (P), F. Bernal Roures, E. Loma-Ossorio Blanch, A. Hospitaler Pérez
Abstract
It is known that fire protection systems in freezing chambers (-24ºC) are complex, due
to low temperatures cause serious disadvantages.
Among the more habitual systems of extinction, dry sprinkler protection systems are
stand out, with or without preaction, and wet sprinkler systems with antifreezing fluid.
Nevertheless, these systems display serious disadvantages for the protection in case
of fire.
Also, the extinction systems must jointly settle with temperature control and smoke
evacuator systems, that is not designed either for the environmental conditions of the
cameras of freezing, as it is demonstrated with the results obtained by means of the
application of a Computational Model of Fire Simulation, as much in natural ventilation
as in forced ventilation.
It is necessary an alternative and innovating system, which allows to gather this type of
risks, in which the temperatures, very below the freezing limit of water, prevent the
installation of automatic water sprinkler systems, assuring, in addition, that
environmental conditions of the enclosure allow the personnel evacuation.
Installation of permanent inertisation systems is proposed, made up of a set of devices
that are able to maintain, by means of inert gas injection, an oxygen concentration low
enough to avoid the fire can take place. In the paper, most important aspects of this
new technology, as well as the advantages with respect to the traditional systems, are
analyzed.
Keywords: freezing chamber, extinction, smoke evacuator, Computational Model of
Fire Simulation, permanent inertisation
Resumen
Es conocido que los sistemas de protección contra incendios en una cámara frigorífica
de congelación (-24ºC) son complejos, ya que las bajas temperaturas plantean graves
inconvenientes.
Entre los sistemas de extinción más habituales destacan los sistemas de protección
por rociadores secos, con o sin preacción, y los sistemas de protección de rociadores
húmedos con líquido anticongelante. Sin embargo, estos sistemas presentan serios
inconvenientes para la protección en caso de incendio.
Asimismo, los sistemas de extinción deben instalarse conjuntamente con sistemas de
control de temperatura y evacuación de humos (SCTEH), que tampoco están
diseñados para las condiciones ambientales de las cámaras de congelación, como se
evidencia con los resultados obtenidos mediante la aplicación de un Modelo
2133
Computacional de Simulación de Incendios, tanto en el caso de ventilación natural
como en el caso de ventilación forzada.
Como alternativa, se requiere un sistema innovador que permita recoger este tipo de
riesgos, en los que las temperaturas, muy por debajo del límite de congelación del
agua, impidan la instalación de sistemas de rociadores automáticos de agua,
asegurando, además, que las condiciones ambientales del recinto permitan la
evacuación del personal.
Se propone la instalación de sistemas de inertización permanente, que consisten en
una serie de dispositivos que consiguen mantener, mediante la inyección de un gas
inerte, una concentración de oxígeno en el riesgo suficientemente baja para evitar que
el fuego pueda producirse. En la ponencia se analizan los aspectos más importantes
de esta nueva tecnología, así como las ventajas respecto a los sistemas tradicionales.
Palabras clave: cámaras de congelación, extinción, evacuación de humos, Modelo
Computacional de Simulación de Incendios, inertización permanente
1. Introducción
La protección contra incendios de grandes cámaras frigoríficas constituye uno de los
casos de mayor complejidad en el campo de la seguridad contra el fuego. En estas
instalaciones no se pueden aplicar las medidas tradicionales de protección ya que las
bajas temperaturas las hacen inservibles.
En cuanto a los sistemas de rociadores adaptados a estas temperaturas se cuenta
con:
x
Sistema de protección por rociadores secos, es decir, tubería presurizada con
aire en lugar de con agua; cuando se produce un incendio y un rociador se
rompe, el aire comprimido sale de la tubería dejando paso al agua procedente
del grupo de bombeo contra incendios.
x
Sistema de protección por rociadores secos con preacción, que consiste en
instalar un sistema de detección de respuesta rápida que posibilite cargar con
agua la instalación previo a la activación del rociador.
x
Sistema de protección de rociadores húmedos con líquido anticongelante, de
forma que el agua contenida en los tubos a baja temperatura no se congela.
No es fácil la decisión de cuál es el mejor sistema de rociadores, ya cualquiera de ellos
tiene inconvenientes que dificultan su aplicación.
Mayor problema plantea la instalación de sistemas de control de temperaturas y de
evacuación de humos (SCTEH), regulados por la UNE 23585, de obligado
cumplimiento según el RSCIEI (Reglamento de seguridad contra incendios en los
establecimientos industriales).
En la siguiente ponencia se demuestra, mediante técnicas de simulación
computacional de incendios, cómo los SCTEH no pueden ser aplicados a grandes
cámaras frigoríficas.
También se demuestra cómo el sistema de protección mediante inertización
permanente por reducción de la concentración de oxígeno constituye una solución
óptima para este tipo de instalaciones.
2134
2. Modelo numérico
Las simulaciones numéricas se han llevado a cabo mediante el empleo del modelo de
dinámica computacional de fluidos ‘Fire Dynamics Simulator’ (FDS V4.07). Este
modelo informático ha sido desarrollado por el NIST, Nacional Institute of Standard
and Technology, de manera específica para reproducir el fenómeno de los incendios
en recintos cerrados. Utiliza una forma de las ecuaciones de Navier-Stokes adecuadas
para aplicaciones con bajas velocidades de flujos.
En el estudio se han comparado los sistemas de control de temperaturas y de
evacuación de humos en cuatro casos diferentes sobre la misma geometría:
x
x
x
x
Ventilación natural en almacén a temperatura ambiente (20ºC)
Ventilación natural en cámara frigorífica (-25ºC).
Ventilación forzada en almacén a temperatura ambiente (20ºC)
Ventilación forzada en cámara frigorífica (-25ºC)
Las simulaciones se han llevado a cabo en dos almacenes de dimensiones diferentes:
Exutorios
Estanterías
Admisión
de aire
Figura 1. Almacén de 80 x 30 x 10.5m con estanterías de 9m de altura
Exutorios
Estanterías
Admisión
de aire
Figura 2. Almacén de 17 x 10 x 5.5m con estanterías de 4m de altura
Todos los resultados se han validado para las dos geometrías, aunque por razones de
espacio sólo se mostrarán los resultados sobre la más pequeña de ellas.
2135
En todas las simulaciones se genera el mismo incendio que inyecta en el interior del
local la misma cantidad de calor y de humo.
Figuras 3 y 4. Incendio generado para todas las simulaciones de 500 KW durante 80 min
2.1. Ventilación natural en almacén a temperatura ambiente.
Figura 5. Plano de temperaturas y evacuación del humo por ventilación natural en almacén a
temperatura ambiente
En las tres primeras simulaciones (Figura 5) se muestra la evolución de los gases
calientes a los 80, 110 y 180s. En la última se observa el humo después de 230s de
ventilación natural.
Se comprueba que la ventilación natural consigue evacuar el humo en una nave con
temperatura interior a 20ºC de forma efectiva.
Figura 6. Evacuación del humo por ventilación natural en almacén a temperatura ambiente
2136
Se observa que el aire que entra recorre la nave por la parte inferior mientras los
gases de la parte superior (humo) salen por los exutorios.
2.1. Ventilación natural en cámara frigorífica (-25ºC)
Figura 7. Plano de temperaturas y evacuación del humo por ventilación natural en cámara
frigorífica
En las tres primeras simulaciones (Figura 7) se muestra la evolución de los gases
calientes a los 80, 110 y 180s. En la última se observa el humo después de 230s de
ventilación natural.
En este caso, los gases entran por los exutorios de cubierta mientras que salen por las
rejillas de admisión de aire. El efecto es el contrario al buscado. El humo se extiende
por la nave y todo el aire frío termina por salir por la parte inferior descongelando la
cámara. Este efecto se debe a la mayor densidad del aire del interior de la cámara
respecto al de fuera (más caliente).
Figura 8. Evacuación del humo por ventilación natural en cámara frigorífica
El aire caliente entra por los exutorios manteniéndose en la parte superior de la
cámara. El aire frío sale por la parte inferior como si se tratara de un líquido. El humo
va descendiendo y circula por toda la cámara antes de salir por completo.
Se producirá pues una destrucción de la carga por afectación del humo y por
descongelación.
2137
Por tanto, la evacuación de humo por ventilación natural en una cámara frigorífica no
funciona.
2.3. Ventilación forzada en almacén a temperatura ambiente
Figura 9. Plano de temperaturas y evacuación del humo por ventilación forzada en almacén a
temperatura ambiente
En las tres primeras simulaciones (Figura 9) se muestra la evolución de los gases
calientes a los 80, 110 y 180s. En la última se observa el humo después de 230s de
ventilación forzada.
El aire sale por los exutorios de la cubierta a 2,5 m/s por exutorios de 4m2.
Se comprueba que el aire recorre toda la nave por la parte inferior y empuja el humo
hacia la parte superior. Hay renovación del aire interior y por lo tanto de los gases y
humos calientes del incendio y que se encuentran en la parte alta de la nave.
Figura 10. Evacuación del humo por ventilación forzada en almacén a temperatura ambiente
2138
2.4. Ventilación forzada en cámara frigorífica (-25ºC)
Figura 11. Plano de temperaturas y evacuación del humo con ventilación forzada en una
cámara frigorífica
La velocidad del aire extraído por los ventiladores es la misma que en el caso anterior.
El aire que entra, debido a su mayor temperatura, tiende a ascender nada más entrar y
a salir directamente al exterior por efecto de los ventiladores. Se observa que no hay
empuje de los gases y el humo y solo circula el aire a temperatura ambiente que entra
del exterior. Se forman unos canales de aire limpio que entran por la parte inferior y
sale por los ventiladores. El humo extraído de la cámara recircula por el exterior de
ésta volviendo a entrar por los laterales
Figura 12. Evacuación del humo por ventilación forzada en cámara frigorífica
El humo no termina de salir de la cámara y se distribuye turbulentamente por todo el
volumen.
De esta manera, el sistema evacuación de humos mediante ventilación forzada se
muestra ineficaz, ya que la carga se deteriora por la afección del humo y por la
descongelación.
2.5. Conclusiones
Los sistemas de control de temperaturas y de evacuación de humos no funcionan para
las cámaras frigoríficas (-25ºC). Tanto aplicando ventilación natural como ventilación
forzada la cámara resulta totalmente anegada durante plazos de tiempo amplios con lo
que la carga se deteriora por el humo y por la descongelación.
2139
3. Sistemas de inertización: PERMATEC®
3.1. Introducción
El sistema Permatec® actúa reduciendo el nivel de oxígeno del recinto a proteger,
disminuyendo o impidiendo el desarrollo del fuego.
Figura 13. Principios de actuación del Permatec®.
Esta reducción no llega a resultar peligrosa para las vidas humanas, ya que los rangos
de actuación de Permatec® se aproximan al 15% de concentración de oxígeno. No
obstante, este porcentaje varía en función del contenido del área cerrada a proteger.
3.2. Principio de funcionamiento
Figura 14. Esquema del sistema
La disminución del nivel de oxígeno se realiza mediante una inyección controlada de
nitrógeno, extraído de la propia atmósfera mediante la acción de un compresor, que
inyecta aire conduciéndolo a través de diferentes filtros dentro del mismo sistema de
membrana.
2140
Una vez el nitrógeno se ha ajustado a la riqueza requerida (95-99%) se inyecta en el
área a proteger, hasta alcanzar el rango requerido para su correcta protección.
Figura 15. Sistema de producción de nitrógeno
3.3. Ventajas del Permatec®
x
Concepto económico y ahorrador de espacio.
x
No se requieren mallas de tuberías: El suministro de nitrógeno en la sala se
realiza de forma centralizada desde uno o varios puntos a través de una
tubería.
x
No se requiere descarga de presión.
x
Sin problemas sanitarios por agentes extintores.Seguridad de vidas: Las salas
son accesibles sin ningún efecto hasta con un 15% de oxígeno residual. Mejor
protección para los bienes.
3.4. Campos de aplicación Permatec®
x
Almacenes a baja temperatura.
x
Silos y mezcladores.
x
Almacenes de material peligroso.
x
Archivos y almacenes de museos.
x
Aparcamientos robotizados.
x
Sistemas de telecomunicaciones.
x
CPD’s.
x
Salas seguras.
Figura 16. Sistema Permantec®
3.5. Ejemplo: almacén a baja temperatura
x
Datos:
– Volumen protegido: 24.750 m3
2141
– Entrada de aire fresco: 500 m3/h
– Material almacenado: comida ultracongelada y empaquetada
– Rango de control (concentración de O2): 15’2-14’8 %
x
Sistema de membrana abierta para producción de nitrógeno:
– Capacidad: 320 m3/h
– Pureza: 95%
– Demanda de aire comprimido: 638 m3/h
– Dimensiones: 2.400x1.400x1.900 mm
– Peso: 880 kg
x
Datos:
– Volumen protegido: 24.750 m3
– Entrada de aire fresco: 500 m3/h
– Material almacenado: comida ultracongelada y empaquetada
– Rango de control (concentración de O2): 15’2-14’8 %
x
Compresor
– Potencia: 90 KW
– Velocidad: 3.000 rpm
– Dimensiones: 2.150x980x2.000 mm
– Peso: 1.625 kg
– Tanque de presión: 2.000 l
Figura 17. Curva de inertización desde situación inicial hasta atmósfera inerte (15% O2)
3.6. Listado referencias sistema Permatec®
x
BERLYS Tafalla (Navarra): Almacén de masa de pan congelado a -25ºC.
Volumen inertizado aproximadamente 81.000m3
x
DELAFRÍO Noblejas (Toledo): Almacén de masa de pan congelado a -25ºC.
Volumen inertizado aproximadamente 81.000m3
x
CONGELADOS DELFÍN (Toledo): Almacén de pescado ultracongelado a 25ºC. Volumen inertizado aproximado 65.000m3
x
VIDAL (Valencia): A concretar en corto plazo
2142
4. Simulación computacional del funcionamiento de un sistema de
inertización permanente en una cámara frigorífica
Para las siguientes simulaciones se ha reproducido una estantería de paletas de
espume de poliuretano. Se ha implementado un material muy combustible para
observar la diferencia entre atmósfera normal y inertizada con un 16% O2.
El origen del incendio consiste en una fuente de calor 25 KW ubicada en la parte baja
de la primera paleta en el espacio que dejan dos bloques de éstas.
Espuma de
poliuretano
Altura
6 niveles
Origen del
incendio
Figura 18. Simulación del origen del incendio
En la siguiente secuencia se observa el progreso del incendio con atmósfera normal y
con atmósfera inerte o de aire hipóxico.
Figura 19. Simulación del incendio a los 30, 80, 100 y 150 s con aire inerte al 16% de volumen
de oxígeno.
Se observa que el fuego no progresa, y se llegará a extinguir al consumirse el
combustible inicial.
Figura 20. Simulación del incendio a los 30, 80, 100 y 150 s con aire normal al 20% de volumen
de oxígeno.
2143
En este caso, se produce destrucción total de la carga en pocos segundos.
La siguiente imagen muestra la diferente evolución de la potencia del incendio para
ambos casos.
Tasa de generación de calor
70000
60000
HRR (kW)
50000
40000
30000
20000
10000
0
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
180
195
Tiempo (seg)
16% O2
20% O2
Figura 21. Evolución de la potencia en incendio con 16% y 20% O2
Referencias
[1] Large Scale Experiments and Model Development, McGrattan K.B., Hamins A.,
Stroup D., Technical Report NISTIR 6196-1, National Institute of Standards and
Technology, Gaithersburg, Maryland, (1998).
[2] Limitaciones de la simulación Computacional en la protección contra incendios en
la edificación, GIDAI, Universidad de Cantabria, 2003.
[3] Fire Dynamics Simulator (Versión 4) – User’s Guide. K.B. McGrattan, G.P. Forney,
J.E. Floyd (2005)
[4] Fire Dynamics Simulator (Versión 4) – Técnical Reference Guide. K.B. McGrattan,
G.P. Forney, J.E. Floyd (2005)
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