XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE PROYECTOS LUGO, Septiembre, 2007

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1 XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE PROYECTOS LUGO, 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

2 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: 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. 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. 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

3 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: 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 Admisión de aire Estanterías 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

4 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

5 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 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

6 Por tanto, la evacuación de humo por ventilación natural en una cámara frigorífica no funciona 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 4m 2. 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

7 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 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

8 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 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

9 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 Ventajas del Permatec Figura 15. Sistema de producción de nitrógeno Concepto económico y ahorrador de espacio. 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. No se requiere descarga de presión. 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 Campos de aplicación Permatec Almacenes a baja temperatura. Silos y mezcladores. Almacenes de material peligroso. Archivos y almacenes de museos. Aparcamientos robotizados. Sistemas de telecomunicaciones. CPD s. Salas seguras. Figura 16. Sistema Permantec 3.5. Ejemplo: almacén a baja temperatura Datos: Volumen protegido: m3 2141

10 Entrada de aire fresco: 500 m3/h Material almacenado: comida ultracongelada y empaquetada Rango de control (concentración de O2): % 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 Datos: Volumen protegido: m3 Entrada de aire fresco: 500 m3/h Material almacenado: comida ultracongelada y empaquetada Rango de control (concentración de O2): % Compresor Potencia: 90 KW Velocidad: rpm Dimensiones: 2.150x980x2.000 mm Peso: kg Tanque de presión: l Figura 17. Curva de inertización desde situación inicial hasta atmósfera inerte (15% O 2 ) 3.6. Listado referencias sistema Permatec BERLYS Tafalla (Navarra): Almacén de masa de pan congelado a -25ºC. Volumen inertizado aproximadamente m3 DELAFRÍO Noblejas (Toledo): Almacén de masa de pan congelado a -25ºC. Volumen inertizado aproximadamente m3 CONGELADOS DELFÍN (Toledo): Almacén de pescado ultracongelado a - 25ºC. Volumen inertizado aproximado m3 VIDAL (Valencia): A concretar en corto plazo 2142

11 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

12 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 HRR (kw) Tiempo (seg) 16% O2 20% O2 Figura 21. Evolución de la potencia en incendio con 16% y 20% O 2 Referencias [1] Large Scale Experiments and Model Development, McGrattan K.B., Hamins A., Stroup D., Technical Report NISTIR , 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, [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) Correspondencia PEFIPRESA, Ronda Narciso Monturiol, 3 (Edificio ABM), Parque Tecnológico de Paterna, 46980, Valencia, Spain Phone: Fax: info.valencia@pefipresa.com URL: