Sisteme si instalatii de evacuare a fumului si gazelor fierbinti produse de incendiu

Sisteme si instalatii de evacuare a fumului si gazelor fierbinti produse de incendiu

Elemente generale

Incendiul produce fum si gaze de ardere, resturi ale combustiei (particule fine de combustibil nears, funingine, gudroane, cenusa, vapori de apa etc.) dispersate intr-un amestec gazos sub forma de aerosol.

In cladirea incendiata, deplasarea fumului pe verticala si orizontala se poate datora expansiunii gazelor care se incalzesc, tirajului ce se creeaza in timpul incendiului, functionarii instalatiilor de ventilare mecanica, presiunii vantului etc. Propagarea fumului poate fi impiedicata de etanseitatea elementelor de compartimentare a cladirii, de suprapresiune sau de curenti de aer proaspat care circula in sens opus directie de miscare naturala a fumului.

O parte din caldura degajata prin ardere in zona focarului se acumuleaza in masa gazelor de ardere, furnizand energie care provoaca apoi raspandirea fumului in cladire. in faza incipienta a incendiului, gazele din incapere, incalzite, se dilata, presiunea din interior creste si ca urmare, o parte din fumul generat de incendiu, este evacuat prin neetanseitatile usilor, ferestrelor si a altor goluri.

Gazele de ardere avand o densitate mai mica decat densitatea aerului din incaperea incendiata, ia nastere o forta ascensionala, care pune in miscare fumul, initial pe verticala spre plafon, apoi pe orizontala de-a lungul acestuia, acumulandu-se in strat din ce in ce mai gros.

Datorita curentilor de densitate, are loc o stratificare termica a fumului (fig.3.3),

Aceeasi stratificare se observa si la nivelul densitatii, al opacitatii si al toxicitatii, straturile cele mai fierbinti fiind cele mai putin diluate. Acest fenomen intarzie conditiile de stingere a incendiilor in incaperile invadate de fum.

Fig.3.3 Exemplu de stratificare termica a fumului

In absenta ventilarii mecanice, miscarea particulelor de fum poate avea loc prin difuzie sau convectie libera, formandu-se un con cu varful in sursa (focarul) de incendiu. Pe masura deplasarii in sus, particulele de fum si gaze de ardere se amesteca cu aerul inconjurator si se acumuleaza la partea superioara a compartimentului incendiat, unde concentratia de fum creste, iar viteza de deplasare a particulelor se micsoreaza.

Viteza de antrenare a aerului de catre flacarile produse de un incendiu depinde de marimea acestuia si de distanta dintre baza incendiului si partea de jos a stratului de gaze fierbinti. Cu cat incendiul este mai dezvoltat cu atat debitul de aer antrenat este mai mare. Daca se deschide usa de la incaperea incendiata, se creeaza un curent de aer rece, proaspat, care patrunde in incapere pe la partea inferioara a usii, iar pe la partea superioara, pe 2/3 din inaltimea usii, fumul navaleste in coridor sub forma de nori grosi. La o distanta egala cu 1/3 din inaltimea usii, masurata de la pardoseala, se afla axa neutra. in urma unor masuratori experimentale s-a constatat ca printr-o usa cu inaltimea de 2m si latimea de 0,75m la temperatura mediului ambiant de 200°C, debitul de fum poate fi de 60kg/min, ceea ce revine la circa 40kg/min pentru fiecare m² de usa.

In cazul cand usa este inchisa debitul de fum ce patrunde prin neetanseitati este de circa 0,01kg/s (0,600kg/min). Aceasta valoare pare la prima vedere destul de neinsemnata, fiind de circa 100 de ori mai redusa decat cea corespunzatoare pozitiei deschise a usii, insa ea poate duce la scaderea vizibilitatii la 5m, intr-un coridor normal, dintre doua scari, de 30m lungime, in interval de 5 minute. Cand suprafata sau numarul usilor este mai mare, debitul fumului patruns in cladire prin neetanseitatile acestora, creste corespunzator. Situatia devine deosebit de grava cand in peretii interiori exista panouri de geam obisnuit care se pot sparge datorita caldurii degajate de incendiu. Din incaperea incendiata fumul se imprastie pe coridoare, pe casa scarii, apoi pe verticala spre etajele superioare.

Deplasarea fumului intr-o cladire depinde de caracteristicile constructive ale cladirii, respectiv ale elementelor de constructii si instalatii, daca acestea pot deveni cai de propagare a fumului. in unele cazuri, datorita configuratiei constructiei, nu este posibil sa se utilizeze ventilarea naturala pentru a controla deplasarea fumului in interiorul cladirii.

Canalele de ventilare, chiar cand ventilatoarele nu functioneaza, constituie cai de propagare a fumului.

In cazul ventilarii mecanice, deplasarea fumului urmeaza traiectoria si viteza curentului de aer. Ventilarea poate contribui la dezvoltarea mai rapida a focarului, care degaja o cantitate de caldura mai mare intr-un interval de timp mai mic, iar gazele de ardere sunt diluate de excesul de aer. Curentii de aer evacueaza cantitati importante de caldura contribuind la atenuarea cresterii temperaturii in zona incendiata.

Daca ventilarea este insuficienta, arderea pe suprafata materialului combustibil este incompleta.

Un alt factor care contribuie la raspandirea fumului intr-o cladire il reprezinta temperatura ridicata care ia nastere in zona focarului. in aceasta zona volumul gazelor poate creste de 3 ori si in acest caz 2/3 din aceasta cantitate este transportata in exteriorul etajului cu incendiul, transportand fumul spre alte parti ale cladirii.

La deplasarea fumului o contributie importanta o au si parametrii aerului exterior, respectiv, temperatura si viteza vantului.

Temperatura aerului exterior influenteaza tirajul termic, care contribuie la imprastierea fumului.

In cazul in care incendiul se produce la un etaj inferior, in perioada rece a anului, datorita diferentei mari de temperatura dintre interior si exterior, fumul se imprastie rapid la etajele superioare, astfel ca intreaga cladire va ti invadata de fum in timp scurt.

In perioada de vara, cand temperatura aerului exterior este mai mare decat temperatura aerului din interiorul cladiri, directia curentilor de aer se inverseaza, aparand pericolul de invadare a fumului in caile de evacuare situate sub etajul incendiat, mai ales daca focarul este situat la un etaj deasupra planului neutru.

Vantul poate influenta procesul de raspandire a fumului datorita suprapresiunilor si depresiunilor create pe fatadele cladirii.

Actiunea vantului asupra cladirilor se manifesta printr-o miscare a aerului pe conturul acestora, asociata cu un camp de suprapresiuni si depresiuni, care influenteaza schimbul natural al aerului din cladiri si evacuarea in atmosfera a fumului si gazelor fierbinti din incaperile incendiate.

Distributia (profilul) vitezelor medii ale vantului in stratul limita atmosferic, depinde de rugozitatea solului (relief, vegetatie, constructii etc). In straturile joase ale atmosferei (0300 m deasupra solului), modulul si directia vitezei vantului variaza in timp. La nivelul solului, componenta orizontala a vitezei vantului este nula, datorita conditiei de aderenta, iar componenta verticala a vitezei este nula din conditia de impermeabilitate.

Notand:

V- viteza vantului la inaltimea, H, deasupra solului;

V_m - viteza maxima a vantului la inaltimea H_m

atunci, distributia (profilul) vitezelor se determina cu relatia:

_a

V _{= _}H_

V_M H_m  

in care a este un exponent functie de rugozitate, ale carui valori (dupa Davenport 17 sunt date in tabelul 3.4.

Tabelul 3.4.

Valorile coeficientului a

Profilul de viteze in stratul limita atmosferic se determina si cu relatia:

a

V _{= _}H_

V₁₀ H₁₀ 

in care

V₁₀ [m/s] este valoarea vitezei vantului in stratul limita atmosferic, masurata la inaltimea H₁₀ = 10 m deasupra solului, in camp deschis, iar exponentul a are diferite valori determinate experimental, de exemplu:

a pentru vanturi puternice (British Meteorological Office);

a (Shellard);

Presiunea dinamica datorata actiunii vantului se determina cu relatia:

p_{v =} k_v r_e v_v

2

in care:

k_v este un coeficient care exprima partea de energie cinetica a vantului

transformata in energie potentiala de presiune;

v_v - viteza vantului, [m/s];

r_e densitatea aerului exterior, [kg/m³].

Pentru distributia presiunilor dinamice, se introduce, ca si in cazul distributiei vitezelor, presiunea dinamica, P_H, masurata la inaltimea, H, deasupra solului si respectiv, presiunea, p₁₀, masurata la inaltimea H₁₀ = 10 m deasupra solului.

Distributia de presiuni modifica echilibrul aerodinamic al incaperilor si pozitia planului neutru pentru incaperea in care a izbucnit incendiul.

Daca incaperea incendiata dispune de o singura deschidere (fereastra), atunci zona neutra din aceasta nu se modifica sub influenta vantului. Daca valoarea presiunii din incaperile limitrofe cu incaperea incendiata nu este influentata de vant, atunci la canatul superior al usii dintre incaperea incendiata si spatiul limitrof se mentine o presiune mai mare decat presiunea dinamica p_v, iar la canatul inferior o presiune mai mica decat presiunea dinamica p_v.

Se mentioneaza ca, variatia temperaturii aerului exterior influenteaza distributia presiunilor, in sensul ca, la temperaturi scazute (iarna) este activat tirajul termic, iar la temperaturi ridicate (vara) tirajul termic este mat redus, in special in faza initiala a incendiului, cand fumul este umed.

Cantitatea teoretica de fum si gaze de ardere, rezultata din reactiile chimice specifice unui anumit incendiu, poate fi determinata prin calcule stoechiometrice. In multe cazuri insa, procesul de ardere este incomplet, substantele chimice ce intervin in reactiile de ardere neputand fi cunoscute cu precizie. Concentratia si natura componentelor gazelor de ardere depind de compozitia chimica a materialelor care ard, de cantitatea de oxigen disponibila si de temperatura produsa pe timpul arderii. Majoritatea materialelor combustibile contin carbon, care, prin ardere incompleta formeaza oxid de carbon, cand cantitatea de aer este insuficienta. In timpul arderii se pot forma si alte gaze toxice: hidrogen sulfurat, oxid de azot, fosgen, dioxid de sulf, acid clorhidric, amoniac, acid cianhidric etc. Inhalarea de catre oameni a gazelor de ardere constituie principala cauza de deces in incendii.

Opacitatea si toxicitatea fumului produs de incendiu

Opacitatea si toxicitatea fumului, asociata cu temperaturile ridicate ale flacarilor, ingreuneaza si uneori, fac chiar imposibil accesul personalului de interventie pentru salvarea oamenilor si stingerea incendiului. in aceste conditii, incendiul se amplifica si cresc riscurile de pierderi de vieti omenesti si pagubele materiale.

Opacitatea fumului se determina prin masurarea atenuarii intensitatii luminoase a unui fascicul de lumina care traverseaza un strat de fum de grosime data (fig.3.4)

Fig.3.4. Reducerea intensitatii luminoase, I(z) [cd], in stratul de fum produs de incendiu.

In absenta incendiului, intr-un compartiment de volum, V [m³], intensitatea luminoasa este I_o [cd].

La momentul initial t_o = 0 al izbucnirii incendiului si la z = 0 (vezi fig.3.4), intensitatea luminoasa este I(0)=I_o, iar dupa trecerea unui interval de timp t [s] si la o inaltime oarecare, z [m], intensitatea luminoasa in stratul de fum se reduce la I (z) < I_o.

In intervalul de timp infinit mic, dt, in stratul de fum de grosime infinit mica, dz, reducerea elementara a intensitatii luminoase, -dI, este data de relatia:

-dI = σ_*I_*dz

in care:

- coeficientul de absorbtie, definit ca raportul intre fluxul luminos emis si fluxul luminos incident.

Din ecuatia (3.6), separand variabilele si integrand de la z = 0 cand I = I_o, la o grosime oarecare z a stratului de fum, cand intensitatea luminoasa se reduce la valoarea, I, se obtine:

.

de unde:

(3.8)

sau

I(z) =I₀e^-σz [cd] (3.9)

Relatia (3.6) este reprezentata grafic in figura 3.3.

Opacitatea fumului este maxima la inaltimea z = H (sub plafonul compartimentului incendiat), unde intensitatea luminoasa este minima, I_min= I (H), astfel ca:

I_min = I₀ e^-σH [cd]

Coeficientul de absorbtie, σ, este direct proportional cu concentratia, C, a fumului din compartimentul incendiat:

σ = KC

unde:

K - este coeficientul de extinctie molara.

Inlocuind relatia (9) in relatia (7), se obtine:

I = I₀ e^-KCz [cd]

Densitatea optica a fumului este definita prin relatia:

sau, tinand seama de relatia (10):

Densitatea optica a fumului este maxima la inaltimea z = H, unde concentratia fumului este maxima, C_max:

Impartind membru cu membru relatiile (12) si (13), se obtine:

relatie din care se poate deduce variatia concentratiei de fum pe inaltimea, z, a compartimentului incendiat, in functie de densitatea optica a fumului:

Toxicitatea fumului este data de concentratia substantelor chimice gazoase periculoase pentru om, la o expunere de 30 minute si se exprima prin indicatorii LOAEL (cel mai mic efect advers observabil) si NOAEL (nici un efect advers observabil).

Dintre substantele toxice periculoase pentru oameni, care pot avea chiar efecte letale, se mentioneaza: oxidul de carbon, compusii sulfului, acidul clorhidric, acidul cianhidric, fenolii etc. Efectele toxice ale acestor substante au loc la concentratii foarte diferite (de exemplu, acidul cianhidric este de 30 de ori mai toxic decat oxidul de carbon).

Debitul de gaze fierbinti

evacuate din incaperea incendiata in incaperi adiacente

Debitul de fum si gaze de ardere evacuat din incaperea incendiata in incaperile adiacente sau catre caile de evacuare din cladire, se determina in functie de inaltimea la care se gaseste deschiderea deasupra zonei neutre dintre cele doua incaperi si de diferenta de presiune dintre acestea.

In planul zonei neutre, P_zn (fig.3.5), aflat la inaltimea, h_zn[m], masurata de la pardoseala, diferenta de presiuni dintre presiunea gazelor de ardere, p_g[N/m²], din incaperea incendiata si presiunea aerului, p_a[N/m²], din mediul inconjurator, este nula: Dp = p_g - p_a

In absenta incendiului, planul zonei neutre trece prin axa ferestrei (fig.3.3a). In caz de incendiu, prin spargerea geamului ferestrei, pentru evacuarea fumului si gazelor fierbinti si admisia aerului proaspat, planul zonei neutre coboara sub axa ferestrei (fig.3.5b) la o inaltime:

h_zn=h_p+Kh_f

in care:

h_zn este inaltimea (cota) planului zonei neutre, fata de pardoseala

incaperii incendiate, [m];

h_p - inaltimea parapetului ferestrei, respectiv canatului inferior al

ferestrei fata de pardoseala incaperii incendiate, [m];

h_f - inaltimea ferestrei, [m];

K coeficient, functie de temperatura din incaperea incendiata,

avand valorile redate in graficul din figura 3.6.