Explorando eventos de sobrepresión en incendios de compartimentos
Carlos Fleischmann, Daniel Madrzykowski y Nicolas Dow
Publicado: 13 de marzo de 2024
Abstracto
Durante más de un siglo, las explosiones de humo han estado documentadas en la literatura de investigación sobre incendios. Sin embargo, incluso con esta larga historia, las explosiones de humo han recibido muy poca atención en la comunidad de investigación sobre incendios. Los pocos artículos de revisión sobre explosiones inexplicables (eventos de sobrepresión) han adoptado los nombres convencionales de explosiones de humo, contracorriente, explosiones de gas humeante o progresión rápida del fuego. La evidencia anecdótica de los bomberos ha mostrado una serie de eventos de sobrepresión que no pueden explicarse como una fuga de gas o una ignición de líquidos inflamables. En este estudio, los experimentos se llevaron a cabo en un compartimento revestido de madera contrachapada con una cuna de madera como fuente de fuego sostenido y fuente de ignición. El compartimento tenía un único respiradero que estuvo abierto todo el tiempo. Después de un largo período de quema, las llamas se desprendieron de la cuna, viajaron por el compartimiento y finalmente se extinguieron por sí solas. Algún tiempo después de que las llamas se extinguieran por sí solas, el compartimento estalló en llamas que culminaron en una gran llama horizontal que se proyectaba a más de 2 m de la abertura de ventilación. En este estudio, se ha identificado un ciclo constante que conduce a un evento de sobrepresión. Se crearon un total de 29 eventos de sobrepresión en 13 experimentos y muchos experimentos experimentaron múltiples eventos de sobrepresión. Durante los experimentos se registraron las especies de gas, las temperaturas de los compartimentos, las velocidades de ventilación y la presión del compartimento. Se informan las condiciones en el compartimento inmediatamente antes del evento de sobrepresión. Habiendo demostrado que un evento de sobrepresión dentro de un compartimento combustible puede reproducirse, se recomienda realizar investigaciones futuras para cuantificar mejor las condiciones que conducen a un evento de sobrepresión.
1 Introducción
Una revisión de la literatura del servicio de bomberos muestra que ya en 1914, Steward [ 1 ] identificó eventos de sobrepresión (OPE) en incendios estructurales accidentales. La explicación de Steward para una explosión en un compartimento lleno de humo fue la combustión incompleta de material celulósico que produce partículas de carbono y gases presentes en el humo de manera similar a las explosiones de polvo. Steward se refirió a tales eventos como explosiones de humo, pero señaló que también se los denominaba “corrientes de retorno” o “explosiones de aire caliente”. Las revisiones posteriores de Croft [ 2 ] y más tarde de Chitty [ 3 ] se centraron en incidentes de incendio que involucraron explosiones inexplicables que resultaron en lesiones y muertes de bomberos. Los incidentes en los que la explosión podía explicarse fácilmente, como los incendios abiertos en plantas químicas, no se incluyeron en las revisiones. En el estudio de Croft, los incendios que implican este tipo de explosiones se denominan contracorrientes, explosiones de humo o explosiones de aire caliente. Croft revisó 2700 diarios de incendios de 1907 a 1976 en los que identificó 127 incendios en los que los bomberos fueron sometidos a explosiones. La revisión cubrió principalmente los EE. UU. y el Reino Unido y se limitó a incidentes en los que había suficiente información en los diarios de incendios para su inclusión en la revisión y el análisis. Los incendios se dividieron en tres categorías de incendios que involucraron explosiones: fuego latente, incendios en desarrollo e incendios en desarrollo con explosiones secundarias. Se produjeron 52 incendios latentes que provocaron 30 muertos y 86 heridos. En el 74% de los incendios latentes que implicaron explosiones, se identificaron combustibles celulósicos como el material que provocó la explosión. Este hallazgo demuestra claramente la importancia de los combustibles celulósicos en estas explosiones poco comprendidas.
La revisión más reciente de las muertes del servicio de bomberos de EE. UU., 2009-2018, realizada por Fahy [ 4 ], mostró que hubo 101 muertes de bomberos cuando los bomberos operaban dentro y sobre la estructura. De estas muertes, 20 bomberos quedaron atrapados o atrapados por la “progresión del fuego” que incluye contracorriente, descargas disruptivas y explosiones. Desafortunadamente, no es posible afinar más el término “progresiones de fuego”. Como resultado de estas muertes, Fahy enfatizó la importancia de que los bomberos comprendan estos fenómenos:
Los bomberos deben reconocer las señales de peligro: incendios en sótanos y áticos que indican la posibilidad de colapso estructural, humo caliente y llamas en el techo que indican una posible descarga súbita, y humo denso y sucio que se filtra a través de las grietas de las paredes y en los aleros, lo que indica una posible corriente de aire. , etc.—y respetarlos.
Desafortunadamente, en muchas publicaciones de los servicios de bomberos, las explosiones de humo y de contracorriente se utilizan como sinónimos. Esto incluye la norma más importante sobre investigación de incendios, NFPA 921, que define una explosión de humo remitiendo al lector a la definición de contracorriente [ 5 ]. El uso de los términos contracorriente y explosión de humo en el servicio de bomberos también se ha mezclado.
Investigaciones anteriores han intentado definir la diferencia entre explosiones de humo y contracorriente, donde la característica definitoria es un cambio en las condiciones de ventilación [ 6 ]. La mayor parte de la investigación sobre contracorrientes se ha centrado en el escenario de un incendio dentro de una habitación cerrada donde el fuego está severamente limitado por la ventilación, lo que provoca la producción de grandes cantidades de exceso de pirolizados (combustible no quemado). Cuando hay un respiradero disponible, como cuando un bombero abre una puerta, aire frío y rico en oxígeno ingresa al compartimiento, al tiempo que permite que los gases calientes (ricos en combustible) del compartimiento salgan del compartimiento. Esto da como resultado un flujo de intercambio impulsado por flotabilidad denominado corriente de gravedad que mezcla los gases ricos en combustible con el aire rico en oxígeno. Si esta mezcla de gases está dentro del rango inflamable y hay una fuente de ignición presente, se produce una contracorriente, que a menudo culmina en una gran bola de fuego fuera del compartimento del incendio. La corriente de gravedad puede resultar problemática para los bomberos, ya que puede permitirles entrar en el compartimento poco antes de que se produzca el incendio. Investigaciones posteriores han confirmado el retraso causado por la corriente de gravedad y han confirmado el escenario experimentalmente utilizando diferentes combustibles [ 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 ]. En estos estudios, los investigadores se han basado en una única fuente de fuego en un compartimento no combustible.
A diferencia de las corrientes de aire, se cree que las explosiones de humo ocurren sin ningún cambio en la ventilación, cuando un incendio en una habitación cerrada simplemente estalla con fuerza explosiva. Investigaciones anteriores sobre explosiones de humo se han centrado en incendios en compartimentos no combustibles con pequeñas aberturas de ventilación y una cuna de madera como única fuente de combustible [ 14 , 15 , 16 ]. En estos experimentos, el fuego comienza como una llama inicial que se convierte en una llama separada que viaja alrededor del compartimento antes de que la llama se autoextinga y la cuna entre en una fase de combustión lenta. El fuego puede oscilar entre estados de llamas separadas y de combustión lenta antes de estallar en una explosión de humo, descargando llamas fuera de los respiraderos. En algunos experimentos, pueden ocurrir múltiples explosiones de humo durante un experimento de 1 a 2 h.
Dada la disponibilidad cada vez mayor de dispositivos de grabación de vídeo, cada vez se documentan de manera informal más eventos de sobrepresión (OPE). La pregunta más común sobre estos eventos captados por la cámara es: ¿fue esto una corriente de aire o una explosión de humo?
El 13 de diciembre de 2018, el FDNY respondió a un incendio que involucró a varias tiendas que formaban parte de un edificio que ocupaba un lado de una cuadra de la ciudad. Las operaciones de extinción de incendios llevaban en marcha más de 45 minutos. Las puertas y algunas ventanas al nivel de la calle estaban abiertas, partes del techo estaban ventiladas y se aplicaba agua a múltiples áreas del edificio. El humo salía por las rejillas de ventilación del techo, las puertas abiertas y las ventanas. Sin ningún cambio identificable en la ventilación, el humo y las llamas salieron repentinamente de las rejillas de ventilación del edificio. Toda la OPE duró menos de 5 s. Los bomberos que se encontraban junto a las aberturas a nivel de la calle fueron derribados y los bomberos en el techo informaron que sintieron que el techo se levantaba. La sobrepresión no provocó daños apreciables en el edificio y no se desprendió ningún cristal ni se desplazaron paredes.
El 8 de mayo de 2019, el Departamento de Bomberos de la ciudad de Troy (NY) fue enviado al incendio de una bolera. Las personas que denunciaron el incidente indicaron que salía humo negro del techo y de las ventanas del edificio. Poco después de su llegada, el centro del edificio se vio envuelto en un incendio desde el nivel del suelo y que se ventilaba a través del techo. El humo se acumulaba hasta las puertas abiertas a nivel de la calle y no había visibilidad en la planta baja. Los bomberos fueron retirados del edificio justo antes de la OPE que comenzó con humo a alta velocidad saliendo de las puertas a nivel de la calle y extendiéndose horizontalmente de 10 a 15 m (30 a 50 pies) fuera del edificio. Esta fase de sobrepresión duró aproximadamente 20 s antes de que una ventana del piso de arriba se rompiera y un chorro turbulento de humo negro de alta velocidad fluyera fuera de la ventana durante aproximadamente 12 s antes de encenderse en una llama de chorro horizontal. Las llamas también salían por la puerta a nivel del suelo. La sobrepresión detrás de las llamas del chorro duró aproximadamente 30 s. Después de la OPE, una llama flotante subió por el edificio antes de ser arrastrada por el viento a través del techo del edificio. El impulso horizontal de la llama fue reemplazado por una pluma flotante.
El 5 de octubre de 2021, en Portland, Oregón, el departamento de bomberos respondió a un incendio que involucró una serie de tiendas y restaurantes. El edificio del tamaño de un bloque fue originalmente un taller de automóviles, antes de ser subdividido. Cuando llegaron los bomberos, el fuego ya había atravesado el techo del negocio donde se inició el incendio y se estaba extendiendo a otras tiendas y restaurantes. Se puso en marcha una corriente maestra. El fuego se había extendido a la parte trasera del restaurante en la esquina del edificio opuesta a la zona de origen. El tejado de este restaurante estaba prácticamente intacto. Humo de color claro salió de muchas áreas del edificio justo antes de que el humo a presión, seguido de las llamas, fueran empujadas desde la parte trasera del restaurante, desde la puerta principal y horizontalmente hacia la calle. Dos bomberos que se encontraban frente al restaurante fueron atropellados. La OPE duró menos de 10 s.
Entre abril de 2021 y abril de 2023, se produjeron varios incendios residenciales donde el fuego se había extendido al ático. En un caso, los bomberos estaban ventilando el techo cuando se produjo la OPE, enviando chorros de calor y humo a través del techo, hacia abajo a través de la casa y hacia las puertas del primer piso. En otros casos, los bomberos no habían ventilado ni cambiado las condiciones de ventilación cuando ocurrió la OPE.
Con respecto a la pregunta “¿cómo deberían llamarse estos incidentes?” Los incidentes generaron una sobrepresión que fue suficiente para derribar al bombero, pero no necesariamente causó daños estructurales y muchas veces ni siquiera rompió el vidrio. Los frentes de llamas que se formaron en estos incidentes duraron unos segundos y aparentemente fueron mucho más lentos que una deflagración clásica a través de una mezcla de aire inflamable.
Todos estos incidentes compartieron algunas características comunes:
1.El fuego ardió durante decenas de minutos en un espacio vacío.
2.Los espacios vacíos contenían cantidades significativas de combustible con grandes superficies expuestas de madera (combustible)
3.Los huecos estaban llenos de humo y pirolizados.
4.En la mayoría de los incidentes, no hubo cambios aparentes en las condiciones de ventilación de los espacios vacíos.
Este documento no intenta encajar estos eventos en las descripciones existentes de contracorriente, explosión de humo, explosión de aire caliente, etc. En el contexto de este documento, los eventos se denominan simplemente eventos de sobrepresión (OPE), descritos como la expulsión rápida de la combustión. productos de un edificio seguidos inmediatamente por llamas que no pueden explicarse por la liberación accidental de gases inflamables o la ignición de líquidos inflamables.
Con base en la revisión de las OPE que ocurrieron en el campo, en esta investigación se realizaron una serie de experimentos en un compartimiento de madera contrachapada diseñado para replicar las características comunes presentadas anteriormente. El objetivo de esta investigación es mejorar la comprensión de las condiciones que conducen a una OPE en un compartimento combustible con una pequeña cuna de madera como fuente de ignición y un incendio iniciado por un solo elemento. Investigaciones anteriores han investigado el impacto del diseño de la cuna en las explosiones de humo [ 17 ], pero en este proyecto, el diseño de la cuna fue fijo. También es exclusivo de esta investigación el uso de un único respiradero rectangular en una de las paredes. El respiradero rectangular es grande en comparación con los estudios anteriores, pero la gran superficie combustible en relación con el respiradero aseguró que la ventilación del incendio fuera severamente limitada. Durante los experimentos no se realizaron cambios en la abertura de ventilación. El objetivo principal de esta investigación es crear consistentemente una OPE en un compartimiento combustible para que investigaciones futuras puedan investigar cómo identificar de manera confiable el potencial de una OPE y desarrollar estrategias de mitigación para evitar que ocurran tales eventos.
2 Configuración experimental
Debido a la naturaleza inesperada y la gravedad desconocida de una OPE, los experimentos se llevaron a cabo en un ambiente abierto fuera del laboratorio. Los experimentos se llevaron a cabo en un compartimento de pequeña escala con unas dimensiones internas de piso de 0,76 m por 1,2 my una altura de techo de 0,76 m. El compartimento se construyó con madera contrachapada con clasificación de revestimiento estándar APA de 18 mm de espesor y 5 capas (APA Rated Sheathing 2011). Las uniones a lo largo de los límites de la superficie se revestiron con tiras de madera de 38 mm por 38 mm para proporcionar estabilidad estructural y ayudar a sellar las uniones de los límites. Para sellar aún más el compartimento, se instaló cinta adhesiva de aluminio sobre todas las costuras externas. El único respiradero del compartimento era una abertura de 0,40 m por 0,40 m centrada en una de las pequeñas paredes extremas conocida como pared de respiradero. Luego se controló el ancho del respiradero con piezas adicionales de madera contrachapada fijadas a la superficie exterior de la pared del respiradero. La altura de la abertura del respiradero se fijó en 0,40 m para todos los experimentos y el ancho del respiradero se varió de 0,10 ma 0,20 m en incrementos de 0,025 m.
El paquete de combustible inicial era una cuna de madera construida con palos de madera de 38 mm por 38 mm por 200 mm. La cuna se montó con tres palos por capa y tenía cinco capas de altura. La cuna pesaba 1,8 kg y tenía un contenido de humedad promedio de entre el 7 y el 9%. La cuna se encendió colocando cuatro toallas de papel (23 g) empapadas con 20 g de alcoholes minerales. La fuente de ignición fue suficiente para encender la cuna y ardió durante aproximadamente 60 s. A los 2 minutos de la ignición, las llamas de la cuna incidían en el techo. Se utilizó el mismo diseño de cuna para todos los experimentos. La Figura 1 es una fotografía que muestra el interior del compartimento revestido de madera contrachapada con la cuna instalada contra la pared de la cuna opuesta a la pared de ventilación. La foto fue tomada justo antes del encendido con toallas de papel empapadas con alcoholes minerales colocadas debajo de la cuna. La cuna se instaló a 38 mm de la pared y se elevó del suelo mediante cuatro cubos de madera de 38 mm colocados en cada esquina de la cuna. Todos los experimentos se extinguieron antes de que alguna de las cunas se derrumbara.
Figura 1
Fotografía del interior del compartimiento de madera contrachapada que muestra toallas de papel empapadas en alcoholes minerales debajo de la cuna justo antes del encendido. Para escalar la imagen, la pared trasera del compartimento tenía 0,76 m de alto y 0,76 m de ancho.
La instrumentación del compartimento fue diseñada para caracterizar las condiciones en el compartimento tanto antes como inmediatamente después de una OPE. Las mediciones incluyeron temperatura, presión del compartimiento, especies de gas (O 2 , CO 2 y CO ), masa del compartimiento y velocidad de ventilación. La Figura 2 es un boceto del plano del compartimiento con la instrumentación y la ubicación de la cámara interna indicadas en el plano.
Figura 2
Plano de planta del compartimiento que muestra las ubicaciones y dimensiones de la instrumentación
Las temperaturas del gas se midieron utilizando dos conjuntos de termopares (TC) de cromel-alumel (tipo K) revestidos de inconel, de 1,6 mm de diámetro. Estas mediciones en experimentos con incendios pueden tener incertidumbres del orden de ± 20% [ 18 ] y un tiempo de respuesta de aproximadamente 2 s. Aunque su respuesta es más lenta que la del TC con cuentas desnudas, el TC enfundado pudo reutilizarse en todos los experimentos. Los dos conjuntos de TC se instalaron a través de una de las paredes largas, a 0,2 m de la pared de la cuna y a 0,2 m de la pared de ventilación, como se muestra en la Figura 2 . El conjunto de TC comenzaba a 95 mm por debajo del techo y estaba espaciado verticalmente a 95 mm, dando un total de 7 TC en cada conjunto.
La velocidad a través del respiradero se midió utilizando dos sondas bidireccionales instaladas 50 mm por debajo del plafón y 50 mm por encima del alféizar. Se instaló un TC en cada una de las sondas bidireccionales para realizar estimaciones de la densidad del gas. La presión diferencial a través de cada sonda se midió utilizando transductores de presión Setra Modelo 264, con un rango de ± 125 Pa. Se ha demostrado que las mediciones de velocidad utilizando sondas bidireccionales tienen una incertidumbre ampliada que oscila entre ± 14% y ± 22% para pre- Los incendios súbitos aumentan la incertidumbre a medida que aumentan la velocidad y la temperatura en el flujo [ 19 ].
Para caracterizar la intensidad del evento, se registró la presión del compartimiento en el piso y el techo a lo largo del centro de una de las paredes largas del compartimiento, como se muestra en la Figura 2 . Como se desconocía el nivel de presión esperado, se utilizaron cinco transductores de presión para capturar el evento manteniendo la fidelidad deseada de la medición. Los rangos de medición de los transductores de presión fueron ± 25 Pa, ± 125 Pa, ± 250 Pa, ± 625 Pa, ± 2500 Pa. El puerto de alta presión estaba conectado al grifo de presión interior y el lado de baja estaba expuesto a la presión atmosférica fuera del compartimento. En los experimentos iniciales, la presión se tomó como muestra a 1 Hz, lo que resultó demasiado lento para capturar de manera confiable la presión máxima. Para los últimos cinco experimentos, la frecuencia de muestreo para la presión se aumentó a 5 Hz.
Las muestras de gas se extrajeron directamente de un compartimento, lo que resultó problemático en comparación con el muestreo de una campana extractora. En una campana extractora, los gases del compartimento se diluyen con el aire arrastrado, que diluye el contenido de humedad y hollín de la muestra. Ambos deben eliminarse antes de poder analizar la muestra. En estos experimentos, bajo ventilación severamente limitada, la combustión dentro del compartimiento fue ineficiente por diseño debido al tamaño relativamente pequeño del respiradero en comparación con la gran superficie de combustible de las paredes, el techo, el piso y la cuna. La ventilación muy limitada provocó grandes cantidades de productos de combustión incompleta y un alto contenido de humedad dentro del compartimento. Los sistemas típicos de acondicionamiento de gas utilizados para la calorimetría del consumo de oxígeno (OCC) se sobrecargarían a medida que los filtros de hollín se obstruyen y los sistemas de eliminación de humedad se saturan. El sistema de acondicionamiento de gas fue diseñado para ser resistente a estas condiciones, pero el sistema se obstruyó durante algunos experimentos.
Se instalaron cuatro puertos de muestreo de gas en el compartimento cerca de los conjuntos de TC, como se muestra en la Figura 2 . Se ubicaron dos puertos de muestreo en la capa superior, a 0,10 m por debajo del techo y dos en la capa inferior, a 0,10 m por encima del suelo. Los puertos de muestra se construyeron a partir de tubos de acero inoxidable de 9,5 mm y, una vez que salió del compartimento, la muestra se filtró a través de un filtro Solberg Modelo 843: filtro de poliéster de 5 micrones con un área de superficie de 0,056 m2 antes de pasar a través de un serpentín de condensación sumergido en un baño de hielo. Una vez que salió del serpentín de condensación, la muestra se extrajo a través de aproximadamente 20 m de tubo de polietileno de 9,5 mm de diámetro. Se instaló un filtro adicional, Solberg modelo 824: 2 micras con 0,086 m 2 de superficie antes de la bomba de diafragma de presión/vacío Cole Palmer modelo L-79200–30 con capacidad de 0,35 lps. Luego se pasó la muestra a través de una unidad desecante para secar completamente la muestra. Para proteger el analizador, la muestra se pasó a través de filtros coalescentes y de partículas de alta eficiencia (modelo Perma Pure, filtro FF-250-E-2.5G de 0,01 micrones) diseñados para muestras corrosivas a altas temperaturas. Finalmente, las muestras de gas se analizaron utilizando analizadores Siemens Ultramat/Oxymat con analizadores paramagnéticos de O 2 y analizadores de infrarrojos no dispersivos para CO y CO 2 . Los analizadores se calibraron antes de cada experimento de 0 a 25% para los analizadores de O 2 y CO 2 y de 0 a 5% para el CO. Los instrumentos de muestreo de gas utilizados para estos experimentos han demostrado una incertidumbre expandida relativa del 1% en comparación con el intervalo. fracciones de volumen de gas [ 20 ].
Se capturó un registro visual con cámaras de video en tres ubicaciones: elevación del respiradero, elevación de la pared lateral y ángulo isométrico con respecto a la pared del respiradero. También se incluyeron cámaras infrarrojas (IR) de bomberos para las vistas en alzado del respiradero y las paredes laterales. Se instaló una sola cámara a través del alféizar debajo del respiradero aproximadamente a 75 mm por encima del piso para capturar la vista interna de la cuna y la pared trasera, como se muestra en la Figura 2 .
3 observaciones
La revisión de los videos de 29 OPE ha mostrado un patrón consistente en el comportamiento del desarrollo del incendio del compartimiento en el rango de anchos de ventilación investigados. Este patrón consta de cuatro pasos y se denomina ciclo que se repite y puede culminar en una OPE. El incendio de la cuna comienza como una típica columna axisimétrica, denominada aquí fase de columna axisimétrica , como se ve en la Fig. 3 A. La imagen fue tomada 120 s después de la ignición, cuando las llamas comienzan a rodar por el techo. Alrededor de 300 s después de la ignición, la fase axisimétrica da paso a la fase de llama separada cuando las llamas se extienden lejos de la cuna tanto en dirección horizontal como vertical. La Figura 3 B muestra las llamas desprendidas alrededor de la cuna al nivel del piso. Después de aproximadamente 60 s de combustión ininterrumpida, las llamas se autoextinguen rápidamente. Ocasionalmente, se pueden ver algunas pulsaciones de humo desde el respiradero justo antes de que las llamas se extingan por sí solas y el fuego entre en la fase de combustión lenta . Durante la fase de combustión lenta, la cuna, las paredes y el techo liberan pirolizados en el compartimento. La fase de combustión lenta termina cuando la cuna se vuelve a encender, reiniciando el ciclo con una nueva fase axisimétrica, o el compartimiento repentinamente entra en erupción como un OPE con una llama proyectada horizontalmente que sale a través del respiradero. La OPE suele ocurrir después de 2 o 3 ciclos. Las Figuras 3 A y B son del ciclo inicial donde la pared y el techo muestran solo una carbonización menor. La Figura 3 C es representativa de la fase axisimétrica posterior en la que las paredes se han carbonizado y se esperaría que contribuyeran al combustible dentro del compartimento. La fase de desprendimiento posterior, también con paredes y techo carbonizados, se muestra en la Figura 3 D.
figura 3
Imágenes de vídeo que muestran fases importantes del desarrollo de un incendio que preceden a un evento de sobrepresión. Para escalar la imagen, la pared trasera del compartimento tenía 0,76 m de alto y 0,76 m de ancho.
La Figura 4 es una secuencia de imágenes de video de la cámara de video isométrica que muestra la proyección horizontal de la llama que es la culminación de algunas de las OPE. Las imágenes comienzan aproximadamente 0,5 s después del encendido del OPE que no es visible desde este ángulo de cámara. Las imágenes están tomadas con una diferencia de 0,1 s y muestran la proyección de la llama y el posterior colapso de la bola de fuego. Después de que se haya observado uno de dos resultados de OPE, el fuego puede regresar a una fase de pluma y reiniciar el ciclo, o las llamas pueden establecerse en la abertura del respiradero, consumiendo el oxígeno en el respiradero e impidiendo que el ciclo se reinicie. La imagen final en la Figura 4 muestra la llama que se ha estabilizado en la abertura y evitará que ocurran más eventos de OPE. Todos los OPE, desde el momento en que un flujo presurizado sale del compartimento hasta el final del flujo, fueron del orden de un segundo.
Figura 4
Secuencia de imágenes de video con una separación de 0,1 s, que muestra la proyección de llama horizontal externa de un evento de sobrepresión desde una abertura de ventilación de 0,15 m de ancho por 0,4 m de alto. Para escalar las imágenes, la distancia desde el respiradero hasta el borde del marco es de aproximadamente 2,5 m.
4 resultados
El objetivo principal de este estudio fue poder reproducir un OPE dentro de un compartimento combustible con características similares a los eventos reales descritos en la introducción. Se realizaron una serie de 15 experimentos, incluidas 3 ejecuciones preliminares y 12 ejecuciones posteriores con instrumentación completa. En los experimentos preliminares, se determinó que una abertura de 0,4 m de alto y 0,15 m de ancho podía producir una OPE de forma repetida. A menudo produce múltiples eventos durante un solo experimento. Se realizaron experimentos instrumentados posteriores variando el ancho de la abertura. En los últimos cinco experimentos, la frecuencia de escaneo del transductor de presión del compartimiento se aumentó a 5 Hz para capturar mejor cualquier evento de presión.
Las condiciones medidas antes de cada OPE se resumen en la Tabla 1 . Para mantener la coherencia en los datos informados, los valores proporcionados en la Tabla 1 se recopilaron 5 s antes de la presión máxima registrada asociada con cada OPE. En la Tabla 1 , cada OPE se identifica por el número de experimento y el número de OPE con guión en ese experimento. Por ejemplo, el experimento 4-2 representa el segundo OPE en el experimento 4. Los tiempos enumerados son el tiempo desde la ignición hasta la presión máxima registrada en los datos después de haber identificado primero el momento aproximado de un OPE a partir de las observaciones en video. Los conjuntos de especies para las fracciones de volumen de O 2 , CO 2 y CO se informan para las cuatro ubicaciones que se muestran en la Figura 2 . Para algunos eventos, las lecturas de CO excedieron el rango calibrado del analizador (5%), por lo que estos valores se informan como > 5. Las temperaturas informadas son la temperatura superior e inferior 4 s antes del OPE para cada uno de los 2 conjuntos de TC. La presión máxima en el compartimento solo se informa para los resultados de 5 Hz, ya que 1 Hz era demasiado lento para ser significativo, pero se pudo usar para determinar el momento del evento para los datos incluidos en la Tabla 1 . La tasa promedio de liberación de calor (HRR) se estima a partir de la medición de la pérdida de masa del compartimiento; los datos son inherentemente crudos debido a la construcción combustible, pero proporcionan valores indicativos para comparar. La “Magnitud del evento” es una medida relativa de la extensión horizontal de la llama fuera del respiradero del compartimiento. Un valor de 3 indica una llama que se extiende más de 2 m desde el respiradero (filas en azul), 2 indica llamas que se extienden entre 1 y 2 m (filas en naranja), 1 indica que las llamas se extienden hasta 1 m desde el respiradero (filas en verde ), y 0 indica que no hay llama visible fuera del respiradero (filas sin color). El OPE que se muestra en la secuencia de imágenes de vídeo de la Fig. 4 es una extensión de llama de magnitud 3. Los datos de la Tabla 1 se han organizado con la mayor extensión de llama, es decir, 3, en la parte superior y disminuyendo hacia abajo en la tabla. El criterio de clasificación secundario fue el ancho de la abertura de ventilación.
Tabla 1 Resumen de resultados que caracterizan las condiciones de los compartimentos antes de todos los eventos de sobrepresión
Antes de todos los eventos de sobrepresión De: Explorando eventos de sobrepresión en incendios de compartimentos
El número de ciclo que figura en la Tabla 1 señala que incluso si una OPE aparece como "-1" en un experimento determinado, esa OPE puede haber ocurrido después de dos a cuatro ciclos. Un ciclo incluye el cese de la combustión con llama en el compartimento y luego el reinicio de la combustión con llama en el compartimento. Este ciclo da como resultado un flujo oscilante en la abertura de ventilación. Algunos ciclos resultan en un ligero pulso de humo que sale del respiradero, en otros casos resulta en un OPE. En la configuración utilizada en esta serie de experimentos, el respiradero de 150 mm de ancho generó la mayoría de los OPE de mayor magnitud. En el caso del experimento 11-2, el experimento comenzó con un ancho de ventilación de 125 mm. Después de tres ciclos, se produjo OPE 11-1 con una OPE de magnitud 0. Otro ciclo ocurrió sin ningún evento. El ancho del respiradero se ajustó a 150 mm y en el siguiente ciclo se produjo un OPE con una magnitud de 3.
Las cuatro filas incluidas en la parte inferior de la Tabla 1 proporcionan el promedio, máximo, mínimo y desviación estándar de los resultados. Los resultados para la concentración de O 2 en la capa superior muestran que el valor promedio en la capa superior fue del 9,4% cerca de la pared de la cuna y del 9,5% cerca de la pared de ventilación. En la capa inferior, la concentración promedio fue mucho mayor: 15,4% cerca de la cuna y 14,8% cerca del respiradero. Teniendo en cuenta estos resultados en el contexto de la ignición del OPE, se ha medido experimentalmente que la concentración límite de O 2 (LOC) para los pirolizados de madera contrachapada en condiciones anaeróbicas es del 9% a 20 °C, ver referencia [ 21 ]. La investigación sobre el LOC [ 22 , 23 ] a temperaturas elevadas muestra que el LOC disminuye con temperaturas elevadas. Esto indica que en la mayoría de los experimentos, la ignición de un OPE es posible tanto en la capa inferior como en la superior. Sin embargo, la mayor concentración de oxígeno en la capa inferior indica que se espera que la ignición sea más fácil en la capa inferior. En muchos experimentos, fue difícil ver el lugar de encendido en el compartimento desde las cámaras exteriores. Incluso la cámara interna a menudo quedaba borrosa por el humo, lo que dificultaba discernir con precisión la ubicación del encendido. En algunos casos, el lugar de ignición podría identificarse como un pequeño punto blanco en un único cuadro de video que de otro modo sería oscuro. No hubo un lugar de ignición consistente; Se observó ignición dentro de la cuna, directamente encima de la cuna y muy por encima de la cuna en la capa cerca del techo.
La concentración de CO suele ser de interés como producto tóxico; sin embargo, en este estudio el CO es de más interés como contribuyente a la inflamabilidad de los gases del compartimento y como indicador de combustión incompleta. Como se mencionó anteriormente, en algunos de los experimentos el analizador de CO se saturó por encima del 5%. Con esta limitación, no se informan las concentraciones promedio de CO. Las concentraciones de CO se consideran inmediatamente peligrosas para la vida o la salud (IDLH), sin embargo, están por debajo del límite inflamable inferior del 12,5% en STP [ 24 ]. Esto indica que cuando ocurre una OPE, debe haber cantidades significativas de gases inflamables que no pudieron medirse en este estudio. Investigaciones anteriores [ 16 ] sobre explosiones de humo han demostrado que la concentración de CO por sí sola no es suficiente para producir una mezcla inflamable en el compartimento.
4.1 Datos de tasa de liberación de calor
La tasa de liberación de calor de una cuna de madera en un compartimento no combustible se rige por una de tres condiciones: el área de superficie de la cuna, la porosidad de la cuna o el límite de ventilación del compartimento. El área de superficie y el control de la porosidad son función de la geometría de la cuna y se describen en la referencia [ 25 ]. El límite de ventilación de la tasa de pirólisis para una cuna de madera en un compartimento no combustible es función del tamaño de la abertura utilizando la relación bien conocida [ 25 ]:
La ecuación 2 es una mejora de la tasa de pirólisis estequiométrica para un compartimento derivada del caudal de aire en el compartimento que se puede escribir como [ 25 ]:
La Tabla 2 muestra las tres condiciones de control para una cuna de madera en un compartimento y la HRR calculada para cada una. La HRR se calcula multiplicando la tasa de pirólisis por el calor de combustión supuesto (∆Hc ) para la madera, 12000 MJ/kg [ 25 ]. El control del área de la superficie es una función del tiempo y es máximo en t = 0. En la Tabla 2 se dan dos valores de control del área de la superficie , la HRR máxima (43 kW) en t = 0 s y 19 kW después del 90% de la cuna. se consumiría masa (t = 810 s). Después de 810 s, se supone que la cuna colapsaría y llegaría a agotarse, por lo que es posible que la correlación no se aplique. Se dan dos valores de control de ventilación basados en los límites del ancho de la abertura (0,1 m ≤ w ≤ 0,2 m). Para el respiradero de 0,2 m de ancho, la tasa de liberación de calor controlada por ventilación es de 73 kW y para el respiradero de 0,1 m de ancho, la tasa de liberación de calor controlada por ventilación es de 36 kW.
Tabla 2 Tasa de liberación de calor para el armazón de madera en el compartimiento según el control del área de la superficie, el control de la porosidad y el control de la ventilación
Para determinar la HRR real de la cuna utilizada en los experimentos, se realizaron cuatro pruebas de calorimetría repetidas en cunas idénticas. La Figura 5 muestra el historial de HRR para los cuatro resultados de pruebas replicadas junto con el área de superficie calculada, la porosidad y los valores controlados por ventilación. Los resultados muestran cuán consistentes son las HRR de las cunas de madera. Los controles calculados en el HRR muestran que para el respiradero de 0,10 m de ancho, el fuego estaría controlado por ventilación durante los primeros 180 s. Pasado este tiempo, el fuego pasaría a estar controlado por la superficie. Para anchos de ventilación más grandes utilizados en este estudio, el fuego sería controlado por el área de superficie. También se debe tener en cuenta que la tasa de liberación de calor de la cuna por sí sola no estaría controlada por la ventilación del compartimiento.
Figura 5
Historial de la tasa de liberación de calor de las pruebas de calorimetría de cuatro cunas idénticas utilizadas en los experimentos de eventos de sobrepresión
La discusión anterior sólo cuantifica el artíc*** que se encendió primero, es decir, la cuna. Es más difícil estimar la contribución del compartimento combustible. Debido a que los experimentos se realizaron al aire libre, en una atmósfera abierta, la calorimetría HRR no estaba disponible. Además, la construcción combustible significó que no era posible aislar las fuentes de combustible en una celda de carga como se hizo en investigaciones anteriores sobre explosiones de humo en compartimentos no combustibles [ 14 , 15 , 16 ]. Por lo tanto, fue necesario colocar todo el compartimento sobre una plataforma de celda de carga para obtener una medición continua de la masa del compartimento. Estos resultados proporcionan una estimación de la tasa de pérdida de masa de la cuna más toda la pérdida de masa de las superficies del compartimento. La medición de todo el compartimento se ve obstaculizada por la flotabilidad de la capa de gas caliente, el arrastre del cableado de instrumentación y las líneas de muestreo, junto con el impacto de cualquier condición de viento ambiental. Aunque no es una medición ideal, dadas las limitaciones experimentales, no había ningún otro método disponible para estimar la HRR o la tasa de pérdida de masa en estos experimentos.
La Tabla 3 compara los valores de HRR calculados y medidos para los anchos de ventilación utilizados en estos experimentos. La columna 1 proporciona el ancho de los respiraderos utilizados en los experimentos (0,1 a 0,2 m). La columna 2 es el factor de apertura utilizando el ancho del respiradero y 0,4 m de altura. Las columnas 3 y 4 dan la HRR calculada para la combustión controlada por ventilación y la HRR estequiométrica calculada para el compartimento utilizando las Ecuaciones 1 y 2 , respectivamente. La columna 5 proporciona la HRR experimental calculada a partir de la tasa de pérdida de masa del compartimento multiplicada por el calor de combustión de 12.000 kJ/g. Dividir la HRR experimental (columna 5) por la HRR para la combustión estequiométrica en el compartimento (columna 4) proporciona una estimación de la relación de equivalencia global para el compartimento que se muestra en la columna 6. La equivalencia global oscila entre 2,2 y 2,6, lo que demuestra que las condiciones en el compartimento son ricas en combustible.(𝐴𝑂𝐻𝑂)
Tabla 3 Tasa de liberación de calor para la combustión controlada por ventilación (ecuaciones 1 y 2 ) en comparación con la tasa de liberación de calor experimental basada en la tasa de pérdida de masa del compartimiento multiplicada por el calor de la combustión
4.2 Datos de temperatura
La Figura 6 muestra los historiales de temperatura del conjunto de termopares cerca de la pared de la cuna del compartimento para el experimento 13 donde solo había un OPE. A lo largo de la línea de tiempo se muestran varios eventos notables del experimento. En el gráfico del historial de temperatura se destaca el reencendido de la cuna, el encendido desprendido y la autoextinción durante 3 ciclos. En el experimento 13, la única OPE ocurrió a los 649 s, al final del tercer ciclo. El primer ciclo comienza con el encendido de las toallas de papel empapadas en alcoholes minerales debajo de la cuna en el momento 0. El fuego de la cuna se establece rápidamente a partir de esta fuerte fuente de ignición. Después de 3 minutos, los tres TC superiores superan los 500 °C en el compartimento. Los tres CT superiores comienzan a estabilizarse mientras que la temperatura de los CT inferiores continúa aumentando. Cuando las llamas se desprenden de la cuna y comienzan a viajar alrededor del compartimiento, solo la temperatura de los dos TC inferiores continúa aumentando mientras que los TC superiores continúan estabilizándose. A los 370 s, las llamas se autoextinguen y las temperaturas de todos los TC comienzan a disminuir exponencialmente hasta que la cuna se vuelve a encender a los 475 s. Después del reencendido, comienza el segundo ciclo, pero carece del largo período de meseta observado en el primer ciclo y el ciclo tiene una duración mucho más corta. El segundo ciclo también finaliza cuando la cuna se vuelve a encender, iniciando el tercer ciclo. El tercer ciclo exhibe las mismas tres fases identificadas en los dos ciclos anteriores. Cada ciclo sucesivo fue notablemente más corto: 480 s para el primero, 120 s para el segundo y 50 s para el tercero. Este experimento terminó después de la OPE, cuando las llamas se establecieron en el respiradero. Una vez que la llama se establece en el respiradero, se evita que entre aire en el compartimiento y el combustible no quemado liberado en el compartimiento se consume en la llama externa (como se ve en los últimos tres cuadros de la Figura 4 ).
Figura 6
Historial de temperatura ejemplar para el conjunto de termopares cerca de la pared de la cuna que destaca los tres ciclos de reencendido, llamas separadas y autoextinción que culminan en la ignición de un evento de sobrepresión.
4.3 Datos de especies
En la Figura 7 A y B se muestra la historia de especies ejemplares del experimento 13 para las muestras cerca de la pared de la cuna para las capas superior (A) e inferior (B). El mismo comportamiento cíclico descrito en la Figura 6 también se ve en la Figura 7 . Nota: cuando la concentración de CO excede el rango del analizador (5%), los datos se truncan. La combustión de la cuna reduce rápidamente la concentración de O 2 en la capa superior mientras que simultáneamente se acumula CO 2 en la capa superior. Alrededor de 150 s el fuego comienza a quedar limitado por la ventilación a medida que aumenta la concentración de CO. A los 220 s, la concentración de O 2 en la capa superior casi se ha consumido, pero en la capa inferior el O 2 sigue siendo bastante alto, un 19 %. Alrededor de 300 s las llamas se desprenden y se mueven por el compartimento. A medida que las llamas desprendidas viajan alrededor del compartimento, el O2 en la capa inferior comienza a disminuir y la llama desprendida comienza a quedarse sin O2 . A los 370 s, las llamas desprendidas se extinguen por sí solas y la madera comienza a arder. Con sólo una combustión latente en el compartimento, el O 2 comienza a aumentar, las concentraciones de CO 2 y CO disminuyen hasta que el O 2 alcanza un nivel en el que la cuna se vuelve a encender. Este ciclo se repite, pero cada vez que se repite, la duración del ciclo se reduce.
Figura 7
( A ) y ( B ) La historia de especies de gases ejemplares del experimento 13 muestra los tres ciclos de reencendido, llamas separadas y autoextinción que culminan con la ignición de un evento de sobrepresión después de tres ciclos. ( A ) muestra los analizadores de la capa superior del lado de la cuna y ( B ) son los analizadores de la capa inferior del lado de la cuna. Nota: cuando la concentración de CO excede el rango del analizador (5%), los datos se truncan
4.4 Velocidad
La velocidad del flujo de ventilación se midió con dos sondas bidireccionales que capturaban el flujo dentro y fuera del compartimento. Una velocidad positiva indica flujo que sale del compartimento, típico del flujo que sale por la parte superior del respiradero. La velocidad negativa demuestra un flujo hacia el compartimiento, comúnmente asociado con el flujo hacia el fondo de la abertura. Durante los experimentos, a medida que baja el nivel de oxígeno, la llama de la cuna comenzará a pulsar antes de desprenderse de la cuna y moverse por el compartimento. Este comportamiento pulsante hace que el flujo en el respiradero pase momentáneamente de bidireccional a unidireccional, lo que hace que el flujo del respiradero sea inestable. Esto se puede ver en las mediciones de velocidad, especialmente para la sonda inferior cuando la velocidad se vuelve momentáneamente positiva, lo que indica que el flujo inferior del respiradero está fuera del compartimiento. A medida que el comportamiento pulsante se vuelve más frecuente, la llama se desprenderá de la cuna y se moverá por el compartimento. Esto se puede ver en la Figura 8 a medida que los picos positivos en los datos de la sonda inferior se vuelven más frecuentes. Estos pulsos de corta duración son del orden de segundos y no se capturan con precisión con la frecuencia de exploración de 1 Hz utilizada en estos experimentos. Este flujo de ventilación altamente transitorio también dificulta la interpretación de los cálculos de flujo másico durante este comportamiento y en las proximidades del OPE. Con poca confianza en los cálculos del flujo másico durante estos ciclos, las estimaciones del índice de equivalencia cerca del OPE se consideraron demasiado poco confiables para informarlas en este documento.
Figura 8
Historial de velocidad del flujo de ventilación para las dos sondas bidireccionales colocadas 50 mm por debajo del sofito y 50 mm por encima del alféizar
4.5 Datos de presión
La Figura 9 muestra el historial de presión de la frecuencia de escaneo de 5 Hz acercándose al último ciclo antes del OPE en el experimento 13 (59009 s <t <670 s). La cuna se vuelve a encender a los 602 s y hay un ligero aumento en la presión del compartimiento. Luego, el fuego arde como una columna axisimétrica (Figura 3 C) durante aproximadamente 30 s. Luego, las llamas se desprenden de la cuna y arden alrededor de la misma antes de autoextinguirse 7 s después. Durante la fase de llamas desprendidas, se pueden ver pulsaciones en el historial de presión. Una vez que las llamas se autoextinguen, el compartimento continúa pirolizando pero no hay suficiente O 2 para quemar. Después de 13 s sin llama visible, el OPE se enciende enviando una larga llama horizontal a través del respiradero y aumentando la presión del compartimiento por encima de 175 Pa. A la frecuencia de escaneo de 5 Hz, el pico de presión es de solo 4 escaneos, con una duración de 0,8 s. Después de la OPE, la llama se establece en la abertura y se da por finalizado el experimento.
Figura 9
Perfil de presión detallado que cubre 80 s, incluido el ciclo final (reencendido, penacho axisimétrico, llamas desprendidas, autoextinción y reencendido) que culmina en un evento de sobrepresión.
5 Conclusiones
Con base en la revisión de las OPE ocurridas en campo, el compartimiento se construyó con un acabado interior en madera.
Los resultados de esta investigación identificaron un ciclo constante en un compartimento combustible que precede a un OPE y, en muchos casos, a múltiples OPE en el mismo experimento. El ciclo consta de tres fases:
fase de penacho axisimétrico
fase llameante separada
fase latente
La fase de penacho axisimétrico comienza con el encendido o reencendido de la llama de la cuna. La fase de llamas separadas comienza cuando las llamas se expanden alejándose de la cuna tanto en dirección horizontal como vertical. La fase de combustión comienza cuando la llama desprendida se autoextingue. La fase de combustión latente termina con el encendido de un OPE, o el reencendido de la cuna como una columna axisimétrica que reinicia el ciclo. Estas tres fases se denominan colectivamente ciclo y pueden repetirse varias veces antes de que ocurra una OPE. Cuando ocurren múltiples ciclos antes de una OPE, la duración de cada ciclo sucesivo se reduce.
Este ciclo se observó para todos los anchos de apertura de ventilación y la duración de cada fase aumentó a medida que disminuyó el ancho de apertura de ventilación.
Aunque las concentraciones de CO fueron IDLH, los valores estuvieron por debajo del rango inflamable, lo que indica que debe haber otros productos inflamables de la pirólisis de la madera que contribuyan a la aparición de un OPE.
Las siguientes observaciones que debe buscar el servicio de bomberos se basan en los exámenes de eventos OPE reales a escala comercial y residencial y en estos experimentos:
- El potencial de una OPE aumenta una vez que el incendio se ha extendido a áreas donde hay grandes superficies de combustible ardiendo, como madera, involucradas.
- Los compartimentos con ventilación limitada, como áticos o espacios vacíos, aumentan el potencial de una OPE.
- Los flujos oscilantes que salen de las aberturas pueden ser un precursor de una OPE
- La OPE puede ocurrir sin ningún cambio en la ventilación.
- Pueden ocurrir múltiples OPE en la misma área si no se toman medidas para cambiar las condiciones.
- La aplicación eficaz de agua en el compartimento puede evitar una OPE
- El aumento de la ventilación puede ser el catalizador (o desencadenante) de una OPE.
6 Investigación futura
- Se debe investigar la altura y el ancho de la abertura de ventilación para determinar el rango de factores de apertura de ventilación que pueden resultar en una OPE.
- Se debe aumentar la frecuencia de medición de presión y mejorar la respuesta del transductor a 100 Hz para caracterizar mejor el perfil de presión del OPE y la medición de la velocidad de ventilación.
- Se deben agregar mediciones de concentración total de hidrocarburos o phi durante cada experimento para evaluar más a fondo la inflamabilidad en los gases del compartimiento.
- El rango calibrado para la concentración de CO debe aumentarse al 10 % para capturar las concentraciones máximas.
- Los experimentos deben realizarse dentro de un laboratorio para reducir el impacto del medio ambiente local y permitir mediciones calorimétricas del consumo de oxígeno.
- Los experimentos futuros deberían explorar el uso de diagnóstico láser para comprender mejor el campo de flujo y los detalles de las concentraciones de especies.
- Una vez que se comprendan mejor los OPE, examine las tácticas y herramientas de extinción de incendios que pueden interferir con la dinámica del fuego y prevenir los OPE.
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Agradecimientos
Los autores desean agradecer a Bradley Morrissey de FSRI por su apoyo durante estos experimentos. Además, agradecemos a Craig Weinschenk de FSRI por brindar orientación sobre el desarrollo del programa de análisis de datos. Este estudio no sería posible sin la cooperación de los numerosos departamentos de bomberos que proporcionaron información sobre sus OPE. Estamos agradecidos de que ninguno de sus miembros resultó gravemente herido. Gracias a los siguientes departamentos de bomberos (en orden cronológico de su incidente): Departamento de Bomberos de la Ciudad de Nueva York-Nueva York, Departamento de Bomberos de Troy-Nueva York, Departamento de Bomberos de Casa Grande-Arizona, Portland Fire Rescue-Oregon, Bedford Fire Departamento-Texas, Departamento de Bomberos de Flower Mound-Texas, Departamento de Bomberos de Wantagh-Nueva York. Los autores desean agradecer especialmente al Capitán John Ceriello, Comando de Operaciones Especiales del FDNY, por las muchas discusiones útiles sobre las OPE.
Información del autor
Autores y afiliaciones
Instituto de Investigación sobre Seguridad de Bomberos de UL, Columbia, MD, EE. UU.
Charles Fleischmann, Daniel Madrzykowski y Nicholas Dow
Autor correspondiente
Correspondencia a Charles Fleischmann .
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