Comportamento ed efficacia dei sistemi di estinzione a gas Inerte

I gas estinguenti, una volta raggiunta e mantenuta la concentrazione di estinzione all'interno dell'ambiente da proteggere per un dato periodo di tempo, sono in grado di spegnere completamente un incendio.

La concentrazione di spegnimento richiesta per estinguere un fuoco di un determinato combustibile è calcolata attraverso prove di laboratorio effettuate o in scala ridotta ( cup burner test) od in scala reale (room fire test).

Gli errori e le approssimazioni nella determinazione della concentrazione di spegnimento e le eventuali imprecisioni nell'installazione delle apparecchiature di laboratorio vengono ovviati con l'aggiunta di un fattore di sicurezza alla concentrazione di spegnimento. La concentrazione di spegnimento maggiorata del fattore di sicurezza viene denominata concentrazione di progetto.

Un recente studio eseguito dalla VdS di Colonia- Germania (Verband der Shadenveruetung- ente assicurativo tedesco e laboratorio di prova per la certificazione di componenti nel settore della sicurezza) ha investigato l'efficacia e l'affidabilità dei sistemi che utilizzano gas inerti. Questo progetto di ricerca e sviluppo, denominato "Extinguishing behaviour of inert gases", è stato promosso dalla CEA (Comité Européen d' Assurances).

Lo studio effettuato dalla VdS si è posto i seguenti obiettivi:

1. Confrontare l'efficacia di estinzione dei diversi gas inerti;
2. Confrontare la concentrazione di ossigeno residuo in ambiente per le diverse tipologie di gas inerte dopo la scarica;
3. Indagare sui meccanismi di estinzione;
4. Indagare sull'efficacia allo spegnimento dei diversi gas estinguenti in relazione al tipo di combustibile utilizzato nei test;
5. Confrontare i risultati ottenuti tra i tests effettuati in laboratorio ed i tests effettuati in scala reale;
6. Definire le concentrazioni di spegnimento per differenti combinazioni di combustibile -gas estinguente e confrontarli con i dati già esistenti;
7. Sviluppare ed elaborare nuovi metodi di sperimentazione per determinare le concentrazioni di spegnimento.

I gas inerti alternativi e loro miscele oggetto dello studio della VdS sono stati rappresentati da:

1. Azoto;
2. Argon;
3. Anidride carbonica;
4. Inergen (52% Azoto, 40% Argon, 8% Anidride Carbonica).

Inizialmente nello studio del comportamento di questi gas si era assunto che essi potessero agire sul fuoco quasi esclusivamente per sottrazione di ossigeno ne conseguiva che qualsiasi gas dei su-menzionati mostrava gli stessi effetti per una stessa concentrazione in volume utilizzata sullo spegnimento.

Tuttavia col tempo si è dimostrato, attraverso tests di laboratorio, che i gas inerti partecipano alle reazioni termodinamiche della combustione. Si sono delineati quindi, nei confronti dello spegnimento, per ogni singolo gas inerte, comportamenti differenti .

Verranno esposti, qui di seguito, i procedimenti effettuati dalla VdS per valutare la risposta al fuoco dei gas considerati. Verrà data, poi, una valutazione dei risultati ottenuti dalle prove di spegnimento effettuate.

Descrizione dei tests effettuati in laboratorio e trasposizione dei risultati al caso reale

La concentrazione di spegnimento per ogni gas inerte è stata determinata con il metodo sperimentale denominato "cup burner test" utilizzando 7 tipologie di combustibile.

Per determinare l'influenza della grandezza dell'equipaggiamento e/o l'area di combustione per la determinazione della concentrazione di spegnimento dei combustibili solidi sui risultati ottenuti, è stato sviluppato dalla VdS un nuovo apparato di laboratorio chiamato "big cup burner".

Per verificare poi la congruità dei test effettuati in laboratorio con la situazione reale, sono state condotte delle prove di estinzione in un locale di 150 m3 con due scenari di riferimento: utilizzando la "wood crib" catasta di legna (fuochi di classe A) ed utilizzando n-eptano (fuochi di classe B).

Metodo del "cup burner test"

Il "cup burner test", in accordo con la ISO 6183, è stato utilizzato per la determinazione della concentrazione di spegnimento dei gas inerti per fuochi ottenuti da combustibili liquidi e gassosi. Il test consiste innanzitutto nell'accendere il combustibile che entra nello strumento di misura alla sua temperatura di ebollizione. Una volta acceso lo si fa entrare in contatto con una corrente di miscela di aria ed estinguente, quest'ultima in percentuale crescente fino allo spegnimento del fuoco. La concentrazione del gas nell'istante in cui il fuoco può essere dichiarato estinto è definita come la concentrazione di spegnimento per lo specifico combustibile.

Metodo del "big cup burner test"

Lo strumento utilizzato per questo test, elaborato per la prima volta dalla VdS, corrisponde al "cup burner" al quale vengono apportate le seguenti modifiche:

• L'apparato di prova è 4,7 volte più grande del precedente;
• La miscela aria/estinguente presenta la stessa velocità in prossimità della fiamma, pur variando le dimensioni dell'apparecchiatura;

Il nuovo apparato è stato utilizzato non solo per i combustibili liquidi ma anche per due tipologie di combustibili solidi plastici: il polipropilene ed il polietilene. Il test è stato condotto seguendo il protocollo definito dall'ISO 6183 con le seguenti modifiche:

• Il combustibile liquido non è stato scaldato, la temperatura iniziale del combustibile corrisponde alla temperatura ambiente;
• I combustibili solidi plastici (polietilene e polipropilene) sono stati posizionati a 30 mm. al di sopra della tazza su di una piastra di metallo forato. Ciascuna pila di combustibile consiste di 4 strati di quattro barrette quadrate il cui lato è di 8 mm. e la cui lunghezza è di 100 mm.. La pila è stata accesa attraverso un fuoco di supporto ottenuto con n-eptano.

Room fire (150 m2)

I testi di estinzione, che in questo caso sono stati effettuati in scala reale, sono stati condotti nell'ambito di un programma di ricerca e sviluppo che la VdS ha effettuato in cooperazione con compagnie associate all'EUROFEU.

I punti fondamentali che sono stati tenuti in considerazione per effettuare il test sono stati:

• Limitare il più possibile la riduzione del tenore di ossigeno all'interno del locale entro i range della norma;
• Disporre gli ugelli in modo che il loro flusso non influenzi il fuoco;
• Effettuare il test in uno scenario le cui caratteristiche siano specificate esattamente e nel quale siano ben definiti gli strumenti di misura;
• Il criterio di successo risulta essere lo spegnimento delle fiamme 30 secondi dopo la fine della scarica del gas. Nel caso della catasta di legna non vi deve essere né una riaccensione né presenza di braci dopo un tempo di permanenza del gas in ambiente di 10 minuti.
• Si ritiene adeguata la concentrazione di spegnimento determinata effettuando 3 estinzioni portate a termine con successo.

Contrariamente al "cup burner" test questo metodo non permette di variare con continuità la concentrazione di spegnimento nell'arco di una stessa prova, ma sono necessari numerosi tentativi per determinare il limite fra l'estinzione e la non estinzione. Il vantaggio di questo genere di test è legato al fatto che esso dia dei risultati prossimi alle reali condizioni di scarica: nel seguito sono riportate la più alta concentrazione di gas estinguente alla quale lo spegnimento non è avvenuto e la più bassa concentrazione di gas inerte alla quale il fuoco è stato spento.

Tabella dei risultati

Nella tabella 1 vengono indicati per ciascun gas inerte le concentrazioni di estinzione in ordine dei migliori risultati ottenuti.

Valutazione dei risultati ottenuti

Le più importanti conclusioni sul comportamento di estinzione dei gas inerti che possono essere tratte da questi risultati, sono:

• L'efficacia del gas in termini di spegnimento dipende dal tipo di test e dal combustibile: le più basse concentrazioni di estinzione sono state rivelate dal CO2 seguito dall'Azoto, dall'Inergen ed infine dall'Argon.
• Il valore di concentrazione di spegnimento dipende dal metodo di test utilizzato: le concentrazioni di spegnimento determinate con il "big cup burner" sono più elevate di quelle stabilite con il "cup burner" ISO 6183. Le concentrazioni di spegnimento per n-Heptano determinate nei test in scala reale sono prossime alle concentrazioni ottenute con il "big cup burner" (eccetto che per il gas Argon).
• Come già sottolineato in precedenza, nell'utilizzo dei gas inerti è stata definita l'influenza di molteplici fattori che determinano lo spegnimento. Il processo di estinzione di un gas inerte avviene raffreddando la fiamma e/o la zona di reazione al di sotto di un certo livello di temperatura, questo processo è influenzato dalla riduzione dell'ossigeno, dal calo del tasso di combustione, dalla massa, dalla capacità calorica e dalla conduttività termica dei gas estinguenti, dalle proprietà dei combustibili, dalle reazioni chimiche nella fiamma ed infine dalle condizioni ambientali.

Quindi se da un lato la riduzione dell'ossigeno può essere considerata una proprietà indipendente dal tipo di gas estinguente utilizzato, dall'altro anche le sue caratteristiche fisiche entrano in gioco nell'estinzione ed influiscono sulla concentrazione di spegnimento.

Tab. 2: Tenori residui di ossigeno per concentrazione di spegnimento derivate dal protocollo ISO 6183 per il "Cup Burner Test"

Sicurezza

Per ciò che riguarda le condizioni di sicurezza che debbono essere garantite nelle aree normalmente occupate da persone occorre sottolineare come l'anidride carbonica risulti il miglior estinguente tra i gas considerati. Essa è però altamente nociva per l'uomo: una concentrazione pari al 6-7% in volume è considerata il livello soglia al quale gli effetti pericolosi sugli esseri umani diventano evidenti, ed una concentrazione superiore al 9% causa la perdita di coscienza in un breve lasso di tempo. Poiché la concentrazione di spegnimento dell'anidride carbonica supera abbondantemente questa soglia devono essere prese particolari precauzioni per la sicurezza degli esseri umani, anche in zone saltuariamente occupate.

Nel caso di utilizzo di altri gas inerti la riduzione del tasso di ossigeno causata dall'alta concentrazione di spegnimento rappresenta un problema di minore entità.

L' EPA (Environmental Protection Agency) ha determinato che i gas inerti possono essere usati con concentrazioni fino al 43% in aree normalmente occupate: questo corrisponde ad avere all'interno del locale un tenore residuo di ossigeno pari al 12% in volume (limite che corrisponde convenzionalmente al NOAEL ( No Observed Adverse Effect Level) per gli estinguenti alogenati.

Per ciò che riguarda il LOAEL (Low Observed Adverse Effect Level) si deve considerare una concentrazione di gas estinguente pari al 52% che porta ad avere nel locale un tenore residuo di ossigeno pari al 10%.

Come si può osservare dalla tabella 2, l'Azoto è il gas inerte che consente la più alta concentrazione di ossigeno residuo grazie alla sua più bassa concentrazione di spegnimento. L'anidride carbonica pur essendo il migliore estinguente alle normali concentrazioni di estinzione risulta essere letale per l'uomo.