CO2 Especificaciones de Diseño

DIPLOMADO DE INGENIERÍA CONTRA INCENDIO

MÓDULO II I. Extinción con Sistemas de Dióxido de Carbono Ing. Alberto Valencia Ontiveros Ingeniería Contra Incendio CFE-GRPNO

Objetivo • Conocer y aplicar los parámetros de diseño de un sistema fijo de descarga automático de dióxido de carbono para el combate de incendios, así como sus esquemas de inspección, pruebas y mantenimiento.

Dióxido de Carbono Contenido 1. Generalidades. 2. Sistemas de Inundación Total. 3. Cálculo de sistemas de inundación total. 4. Inspección y pruebas.

Dióxido de Carbono

1. Generalidades

Dióxido de Carbono

El dióxido de carbono (CO2) es un gas inerte sin color, sin olor y eléctricamente no conductor, apropiado para la extinción de incendios.

Dióxido de Carbono La norma NFPA 12 “Standard on Carbon Dioxide Extinguishing Systems” (sistemas de extinción con dióxido de carbono) sirve de guía para la compra, diseño, instalación, prueba, inspección, operación o mantenimiento de sistemas de extinción con dióxido de carbono

Dióxido de Carbono Propiedades • No es combustible y no reacciona con la mayor parte de las sustancias y proporciona su propia presión para descargarlo del extintor o del cilindro donde se almacena. • Puede penetrar y repartirse por todas las zonas del área incendiada.

Dióxido de Carbono Propiedades • En forma de gas o como sólido finamente dividido llamado “nieve” o “hielo seco” no conduce la electricidad y puede emplearse contra fuegos de equipos eléctricos en tensión. •No deja residuos, eliminando la necesidad de limpieza del agente.

Dióxido de Carbono Propiedades termodinámicas

En condiciones normales, el CO2 es un gas. Se licúa fácilmente por compresión y enfriamiento y puede convertirse en sólido si continúa enfriándose.

Dióxido de Carbono Efectos de los cambios de temperatura y presión sobre el estado físico del CO2 a volumen constante.

Dióxido de Carbono Propiedades termodinámicas • Por encima de la temperatura crítica (31°C) es totalmente gas, independientemente de la presión. • Entre 31°C y 56.5°C en el interior de un envase cerrado, es parcialmente líquido y parcialmente gas. •Por debajo de 56.5°C está en estado sólido o gaseoso, dependiendo de la presión y temperatura.

Dióxido de Carbono Propiedades termodinámicas

Cuando el CO2 líquido se descarga a presión atmosférica, una porción se transforma instantáneamente en vapor y el resto se enfría por evaporación y se convierte en nieve carbónica finamente dividida (hielo seco) a una temperatura cercana a -79°C.

Dióxido de Carbono Propiedades de descarga

Una descarga típica de CO2 líquido posee una apariencia de nube blanca debido a las partículas finamente divididas de hielo seco transportadas con el vapor. Debido a la baja temperatura se produce alguna condensación de vapor de agua de la atmósfera provocando una niebla adicional.

Dióxido de Carbono Densidad del vapor

El CO2 tiene una densidad 1.5 veces superior al aire a la misma temperatura. La descarga fría tiene una densidad mucho mayor, lo cual explica su capacidad para reemplazar el aire por encima de la superficies de ignición y mantener una atmósfera sofocante.

Dióxido de Carbono Propiedades de extinción

Reduce la concentración de oxígeno, la fase de vapor del combustible o ambos en la atmósfera, hasta un punto en que no puede continuar la combustión. En condiciones adecuadas de control y aplicación, resulta también beneficioso el efecto refrigerante, sobre todo cuando se aplica directamente sobre el material que arde.

Dióxido de Carbono Propiedades de extinción

La concentración mínima de CO2 necesaria para extinguir fuegos superficiales esta determinada con exactitud. En la sección sobre “requisitos de para incendios superficiales” de la NFPA 12 se relacionan las concentraciones mínimas de CO2 para extinción.

Dióxido de Carbono Usos y limitaciones como agente extintor

Es útil donde se requiera de un agente inerte que no conduzca la electricidad, en donde la limpieza de otro agente represente un problema o en donde sea más económica la instalación que utilizando sistemas con otro agente.

Dióxido de Carbono Usos y limitaciones como agente extintor

Usos: • Materiales líquidos inflamables. • Riesgos eléctricos, tales como transformadores, interruptores, equipos rotativos y equipo electrónico. • Máquinas que utilicen gasolina u otro combustible líquido inflamable. •Combustibles ordinarios tales como papel, madera y textiles.

Dióxido de Carbono Usos y limitaciones como agente extintor

Se encuentra limitado en fuegos clase A debido a: 1. Reducida capacidad de enfriamiento (las partículas de hielo seco no “humedecen” o penetran). 2. Recintos inadecuados para mantener una atmósfera de extinción.

Dióxido de Carbono Usos y limitaciones como agente extintor

Asimismo no extinguirá incendios donde estén involucrados los siguientes materiales: • Químicos que contengan su propio suministro de oxígeno tal como el nitrato de celulosa. • Metales reactivos tales como el sodio, potasio, magnesio, titanio y zirconio.

Dióxido de Carbono Riesgos al personal El CO2 representa riesgos serios al personal tales como la sofocación y reducción de la visibilidad durante y después de la descarga.

Deben tomarse medidas de seguridad para una pronta evacuación, para prevenir la entrada a los espacios protegidos y contar con el equipo de rescate adecuado (SCBA). Se deben contar con alarmas de pre-descarga.

Dióxido de Carbono Riesgos al personal

El CO2 esta presente en la atmósfera a una concentración de 0.03%; en el cuerpo humano actúa como un regulador de la respiración asegurando un adecuado suministro de oxígeno al sistema. Un incremento de CO2 en la sangre causará un incremento en la frecuencia respiratoria.

Dióxido de Carbono Riesgos al personal

El máximo incremento en la respiración ocurre cuando se respira de 6 a 7 por ciento de CO2 en el aire. A concentraciones mayores, la respiración disminuirá; finalmente de 25 a 30 por ciento de CO2, se produce un efecto narcótico y la respiración se detiene inmediatamente.

Dióxido de Carbono Riesgos al personal Todo el personal debe estar advertido sobre los riesgos, señales de alarma y procedimiento de evacuación. La alarma de pre-descarga debe ser audible y visible.

La descarga directa sobre personas puede causar daños en los ojos, oídos y caídas debido a la pérdida de balance. El contacto en forma de hielo seco puede causar congelamiento.

Dióxido de Carbono Riesgos al personal

Para prevenir descargas deliberadas o accidentales, se debe contar con un “bloqueo” cuando se encuentren dentro del espacio protegido personas que desconocen el sistema y su operación. Asignar a un “fire watch” con un equipo extinguidor portátil y con comunicación para reestablecer el sistema.

Dióxido de Carbono Especificaciones.

• Deben ser preparados por personal altamente calificado. • Información y cálculos sobre: cantidad de CO2; ubicación y flujo de cada boquilla incluyendo el área de orificio equivalente; la ubicación, diámetros y longitudes equivalentes de tuberías, accesorios y mangueras; y la ubicación de almacenaje.

Dióxido de Carbono Especificaciones.

• Información sobre dispositivos de detección, dispositivos de operación y equipos auxiliares. •Instructivo y manual de mantenimiento que incluya una secuencia completa de operación.

Dióxido de Carbono Detección, activación y control.

Los sistemas pueden ser de: •Operación automática. •Operación manual. •Operación manual de emergencia.

Dióxido de Carbono Detección, activación y control.

•La detección automática debe ser a través de un dispositivo que sea capaz de detectar calor, flama, humo vapores combustibles o una condición anormal en el proceso. •Los controles manuales deben estar ubicados para su fácil acceso todo el tiempo incluso durante el incendio y deben ser fácilmente identificables.

Dióxido de Carbono Detección, activación y control. •Los controles manuales no deben requerir de más de 40 lb (fuerza) ni tampoco un movimiento de más de 14 pulg. Para su segura operación. Al menos un control manual para la activación debe estar posicionado a no más de 1.2 mts sobre el piso. • Interruptores de aborto no deben ser utilizados en sistemas de CO2.

Dióxido de Carbono Detección, activación y control.

•Se deben colocar alarmas de pre – descarga para advertir de una descarga en donde exista riesgo al personal. • Una alarma o indicador debe mostrar que el sistema ha operado y requiere recargarse.

Dióxido de Carbono Almacenamiento • El almacenamiento debe ser ubicado lo más cerca posible del riesgo a proteger sin que éste sea expuesto al incendio o explosión. • El suministro puede almacenarse en contenedores de presión alta y baja. Debido a las diferencias de presión, el diseño del sistema queda influenciado por el método de almacenaje.

Dióxido de Carbono Almacenamiento: Sistema de alta presión Los recipientes están calculados para almacenar el producto en forma líquida a temperatura ambiente a 850 psi. Puesto que la máxima presión del recipiente depende de la temperatura ambiente, es importante que el recipiente este calculado para resistir las máximas presiones previsibles.

Dióxido de Carbono Almacenamiento: Sistema de alta presión Los cilindros de almacenamiento se diseñan, ensayan y llenan según las especificaciones del DOT. La máxima densidad de llenado permitida es igual a 68% del peso del agua que el recipiente podría contener a 16°C.

Dióxido de Carbono Almacenamiento: Sistema de alta presión La temperatura ambiente aplicación local no debe ser menor a 0°C; para debe exceder 54°C y no 18°C.

de almacenaje para exceder 49°C y no inundación total no debe ser menor a -

Dióxido de Carbono Almacenamiento: Sistema de baja presión Los recipientes están calculados para una presión nominal de 300 psi. Se mantiene a una temperatura de -18°C por medio de aislamiento y refrigeración mecánica. Un compresor mandado por un interruptor de presión situado en el depósito, hace circular un refrigerante por serpentines situados cerca de la parte superior del recipiente.

Dióxido de Carbono Distribución Tuberías: Deben ser de material no combustible con características físicas y químicas tales que su deterioro bajo esfuerzo se pueda predecir confiablemente. En sistemas de alta presión la tubería debe soportar una presión de estallado de 5000 psi; para baja presión, 1800 psi.

Dióxido de Carbono Distribución Tuberías: El CO2 penetra en las tuberías como un líquido, la fricción provoca pérdidas de presión dando como resultado una mezcla de líquido y vapor, hecho que en los cálculos debe tenerse en cuenta. Las tuberías deben estar fijadas considerando su contracción y expansión.

Dióxido de Carbono Distribución Válvulas: En sistemas de alta presión deben soportar una presión de estallado de 6000 psi si están constantemente bajo presión, de lo contrario deben soportar 5000 psi; para baja presión se requiere 1800 psi.

Dióxido de Carbono Distribución Boquillas de descarga: Consiste de un orificio y cualquier escudo, placa de desviación o deflector asociado. Se clasifican por el diámetro equivalente del orificio al cual le corresponde un número de código. La determinación del diámetro de orificio esta en función de: presión de almacenaje y tubería, longitud equivalente, diámetro de tubería y gasto.

Dióxido de Carbono En sistemas de alta presión se utilizan conexiones flexibles entre cada cilindro y el tubo múltiple común. Esto es para facilitar el problema de comprobar los cilindros por peso y reemplazarlos después de cada uso. Cada cilindro está provisto de su propia válvula y un tubo de inmersión (tubo sifón que se extiende hasta el fondo.

Dióxido de Carbono

El cilindro debe ser montado solamente sobre el piso en posición vertical.

Dióxido de Carbono

La válvula maestra puede ser accionada mediante dos métodos de operación: Actuador manual / mecánico y actuador de solenoide (local o remoto).

Dióxido de Carbono

La válvula esclava es accionada cuando la presión del CO2 de la tubería del cabezal entra a través del puerto de descarga de la válvula haciendo presión en la parte superior de la cuerpo del pistón. Debido a la superficie mayor del pistón, la presión empuja el sello principal hacia abajo y permitiendo que el CO2 descargue a través del puerto de descarga hacia la tubería. La válvula maestra es accionada cuando la presión del CO2 del cilindro es enviada al puerto superior a través del puerto piloto.

Dióxido de Carbono

El tubo flexible de descarga es usado para proveer una conexión flexible entre la válvula y el cabezal. El tubo flexible tiene una válvula check interna que previene pérdida del agente mientras uno de los cilindros es removido.

Dióxido de Carbono

La boquilla deflectora es utilizada solamente para aplicaciones de inundación total. Provee un patrón de descarga de 180°.

La boquilla radial es utilizada en aplicaciones de inundación total. Las boquillas pueden ser localizadas alrededor del perímetro o en el centro del espacio protegido.

Dióxido de Carbono

2. Sistemas de Inundación Total

Dióxido de Carbono Sistemas de Inundación Total Es un suministro fijo permanentemente conectado a una tubería fija, con boquillas fijas para descargar el CO2 en un espacio cerrado.

El cerramiento debe permitir acumular y mantener la concentración de CO2 por el periodo requerido.

Dióxido de Carbono Sistemas de Inundación Total Tipos de incendio: 1. Incendios de superficie: involucran líquidos, gases y sólidos inflamables. 2. Incendios profundos: involucran sólidos sujetos a arder en rescoldo (material incandescente que queda bajo ceniza).

Dióxido de Carbono Sistemas de Inundación Total Cerramiento. Para esta protección se asume un espacio razonablemente encerrado con el fin de minimizar la pérdida del agente extintor. El área de aberturas sin cierre son permitidas en función del tipo de combustible comprometido.

Dióxido de Carbono Sistemas de Inundación Total Para incendio profundos, se deberían evitar las aberturas a nivel bajo sin importar los requisitos de alivio para poder mantener la concentración por el tiempo necesario. Estas deberían estar tan altas dentro del recinto como sea posible.

Dióxido de Carbono Sistemas de Inundación Total Donde estén involucrados sistemas de ventilación de aire forzado, deben apagarse o cerrarse con el comienzo de la descarga, o debe proveerse gas adicional de compensación.

Dióxido de Carbono

3. Cálculo de sistemas de inundación total.

Dióxido de Carbono La siguiente ecuación o curvas desarrolladas de ella deben usarse para determinar la caída de presión en la línea de tubería: 5.25 (3647)(D Y) 2 Q  L  8.08(D1.25Z)

Q = velocidad de circulación (lbs/min) D = diámetro interior real del tubo (pulgadas) L = longitud equivalente de la línea de tubería (pies) Y y Z = factores dependientes de la presión de almacenamiento y en la línea

Dióxido de Carbono El problema del cálculo de los tamaños de las tuberías se complica por el hecho de que la caída de presión no es lineal con respecto a la tubería. El CO2 sale de los recipientes de almacenamiento como un líquido; cuando la presión cae debido a la fricción de la tubería, el líquido hierve hasta producir una mezcla de líquido y vapor.

Dióxido de Carbono Por lo anterior, el volumen de la mezcla en circulación aumenta y la velocidad de circulación también debe aumentar. Entonces la caída de presión por unidad de longitud de tubería es mayor cerca al final de la tubería que al principio.

Dióxido de Carbono La presión de almacenamiento es un factor importante en el caudal; a baja presión la presión inicial en el recipiente retrocederá a nivel más bajo dependiendo de si todo o solo una parte del suministro es descargada. Debido a esto, la presión promedio durante la descarga será aproximadamente 285 psi. La ecuación de caudal está basada en presión absoluta; por lo tanto, se usa 300 psia para cálculos que involucran sistemas de baja presión.

Dióxido de Carbono En sistemas de alta presión, la presión de almacenamiento depende de la temperatura ambiente. La temperatura ambiente normal se asume que sea 70°F (21°C). Para esta condición la presión promedio en el cilindro durante la descarga de la porción líquida será aproximadamente 750 psia. Esta presión ha sido por lo tanto seleccionada para cálculos que involucran sistemas de alta presión.

Dióxido de Carbono La ecuación de caudal se puede reordenar como se muestra en la siguiente ecuación:

L (3647)Y  2 1.25 D  Q   2 D 

Dióxido de Carbono (los cálculos y referencias corresponden a la NFPA 12 edición 2000)

A) Calcular el volumen real y descontar el volumen de sólidos al interior. (2-3.3.1)

Dióxido de Carbono B) Calcular cantidad adicional por venteos. -

Fuegos superficiales (2-3.4, 2-3.5.1, 23.5.2, 2-3.5.3, gráfica A-2-3(b)) Fuegos profundos (2-4.4, 2-4.4.1, A-2-1, gráfica A-2-3(b))

Dióxido de Carbono C) Establecer concentración de diseño. -

Fuegos superficiales (2-3.2.1) Fuegos profundos (2-4.2.1)

Dióxido de Carbono D) Establecer factor de volumen. -

Fuegos superficiales (2-3.3.2)

-

Fuegos profundos (2-4.2.1)

Vol CO2 = (Volumen / factor volumen)

Dióxido de Carbono E) Calcular flujo. Flujo = Volumen / tiempo

Para alta presión dividir entre 1.4 (3-3.2.3)

Dióxido de Carbono F) Suponer diámetros. G) Determinar longitudes equivalentes y totales. Tablas A-1-10.5(d) y (e).

Dióxido de Carbono H) Calcular la presión terminal. Grafica A-1-10.5(a) y (b).

I) Corrección por elevación Tablas A-1-10.5(f) y (g).

Dióxido de Carbono J) Determinar boquillas. Con la presión terminal se obtiene la velocidad de descarga (Tablas 1-10.5.2 y 1-10.5.3), se divide el flujo entre la velocidad de descarga y se obtiene el área equivalente de orificio, se obtiene el código de orificio (tabla 1-10.4.4)

Dióxido de Carbono El diseño del sistema de distribución de la tubería está basado en el caudal deseado en cada boquilla. Esto a su vez determina el caudal en las líneas derivadas y la línea principal de la tubería. Es posible estimar por la experiencia práctica los tamaños aproximados de tubería requeridos.

Dióxido de Carbono

4. Inspección y pruebas.

Dióxido de Carbono Inspección Semanal: • Comprobar que las boquillas no estén dañadas. • Asegurarse de que todas las puertas son capaces de cerrarse automáticamente cuando se activa el sistema de inundación total. •Comprobar si se ha realizado algún cambio de tamaño o de tipo de riesgo dentro del local.

Dióxido de Carbono Inspección Semanal: • Comprobar el nivel del líquido en cada depósito de baja presión mediante la observación de los indicadores de nivel. Rellenar el depósito si la pérdida es mayor del 10% de su capacidad.

Dióxido de Carbono Inspección Mensual: • Comprobar las posibles fugas de los cilindros. • Comprobar los posibles daños físicos en los componentes del sistema. Anual: • Comprobar las mangueras de las conexiones flexibles por si están dañadas.

Dióxido de Carbono Pruebas Semestral: • Para los sistemas del alta presión, se pesarán los cilindros y se activarán las válvulas de descarga. Para realizar esto se retirarán los cabezales de control y se activarán los detectores o pulsadores manuales y se comprobará que el émbolo del cabezal de control se extiende totalmente.

Dióxido de Carbono Pruebas Semestral: • Para pesar el cilindro, se desconectará la válvula de descarga del sistema de tuberías. Retirar los cilindros con sus válvulas y pesarlos. Restar el peso del cilindro vacío. El peso resultante deberá ser igual al peso original de CO2 cuando se llenó el cilindro. Si el peso es el 90% del original se rellenará el cilindro.

Dióxido de Carbono

Método para pesar cilindros

Dióxido de Carbono Pruebas Anual: • Realizar la prueba de funcionamiento. Esto supone la prueba de todos los componentes del sistema sin producir la descarga de CO2, para lo cual se desconectará antes el cabezal de control. Incluye el chequeo de todas las funciones del panel de control, alimentación eléctrica, detectores, dispositivos de retardo, alarmas, dispositivos de cierre de puertas, equipos de disparo y activadores manuales.

Dióxido de Carbono Pruebas Cada 12 años: • Realizar la prueba de descarga. Debe realizarse justo antes de la prueba hidrostática de los cilindros, que se exige cada 12 años, y para la cual los cilindros han de estar vacíos. Solamente se realizará con personal entrenado.

Dióxido de Carbono Pruebas Cada 12 años: • Se recomienda la utilización de un analizador que mida la concentración. Se comprobará el adecuado funcionamiento del panel de control, los cabezales de control, la válvula de descarga y la descarga a través de todas las válvulas. Se sustituirá el disco de ruptura cuando se rearme el sistema.

Dióxido de Carbono Pruebas Cada 12 años: • Los latiguillos (conexiones flexibles) se probarán hidrostáticamente cada 5 años. La prueba para los sistemas de alta presión será a 2500 psi y en los sistema de baja presión a 900 psi.

Dióxido de Carbono Bibliografía NFPA 12. Sistemas Extintores de Dióxido de Carbono. Edición 2000, National Fire Protection Association. Editado por: Organización Iberoamericana de Protección contra Incendios. Fire Protection Handbook, National Association, Nineteenth edition, 2003.

Fire

Protection

NFPA 850. Recommended Practice for Fire Protection for Electric Generating Plants and High Voltage Direct Current Converter Stations. National Fire Protection Association, 1996 edition.

Dióxido de Carbono Bibliografía H1000-36 Guía para la prevención de incendios en centrales de generación termoeléctrica que utilizan combustóleo. H1000-37 Guía para la prevención y extinción de incendios en centrales con unidades duales (carbón – combustóleo) de generación termoeléctrica. H1000-39 Guía para la prevención y extinción de incendios en centrales de generación hidroeléctrica. H1000-40 Guía para la prevención y extinción de incendios en centrales de generación termoeléctrica de ciclo combinado y turbogas.

Dióxido de Carbono Bibliografía XXA00-14 Sistema integral de protección contra incendio en centrales termoeléctricas. XXA00-19 Sistema de protección contra incendio en centrales hidroeléctricas. XXA00-28 Sistema de protección contra incendio a base de gases de extinción en centrales termoeléctricas.