Analisi prestazionale mediante un codice CFD di un impianto antincendio a sprinkler

Di Vincenzopaolo Maggialetti

La progettazione di un impianto antincendio a sprinkler e i benefici apportati dall’utilizzo di un codice di calcolo fluidodinamico.

• Lingua: Italiano
• Editore: Youcanprint
• Data di uscita: 31 mar 2016
• ISBN: 9788892602489

Anteprima del libro

ingegneristico.

CAPITOLO I

LA DINAMICA DI UN INCENDIO

Il fuoco è una forma di combustione. La combustione è una rapida reazione di ossidazione, accompagnata dallo sviluppo di calore, fiamma, fumo e luce. La parola fuoco è comunemente riferita alla combinazione di un bagliore brillante coordinato ad una grande quantità di calore emessa durante un rapido processo autoalimentato di ossidazione esotermica di gas rilasciati da un combustibile. Le fiamme sono un corpo gassoso che rilascia calore e luce. I fuochi si accendono quando un combustibile è soggetto a calore o altra forma di energia, ad esempio un fiammifero o accendino, e sono alimentati da successive scariche di energia termica, finché tutto il combustibile non è stato consumato. Controllare il fuoco allo scopo di produrre luce e calore è stata una delle prime grandi conoscenze apprese dal genere umano. L'abilità del fuoco di generare luce e calore ha reso possibile migrazioni verso climi più freddi e ha dato agli uomini la possibilità di cuocere il cibo. I segnali prodotti con il fuoco, così come quelli ottenuti con il relativo fumo, furono un primitivo utilizzo del fuoco come mezzo di comunicazione. Il fuoco rese presto possibile la metallurgia. Un sito archeologico del Sudafrica, una delle culle dell'umanità, ha evidenziato tracce di fuoco controllato risalenti a 1 milione di anni fa. Il controllo del fuoco prevede tre tappe: conservazione del fuoco, trasporto del fuoco, produzione del fuoco. Si suppone che il passaggio da una tappa all'altra abbia richiesto alcune decine di migliaia di anni. L'esperienza diretta nella conservazione, trasporto e produzione del fuoco permette di comprendere come questi importanti salti dell'umanità siano avvenuti per intuizione più che per casualità. Fin dai tempi dell'introduzione dell'agricoltura basata su grano, nel Neolitico, gli uomini di tutto il mondo usano il fuoco come uno strumento fondamentale nell’amministrazione del territorio.

Un incendio è una combustione violenta ed incontrollata e che perdura nel tempo. Affinché si possa parlare di incendio è necessario che sussistano contemporaneamente tutte le suddette caratteristiche. Data la pericolosità degli incendi nei confronti delle vite umane, sono state create metodologie per prevenirli e strumenti per combatterli.

1.1 IL QUADRILATERO DEL FUOCO

Come già detto, la combustione é una reazione chimica di ossidazione, con sviluppo di luce e di calore. Affinché la reazione di ossidazione dia luogo ad una combustione devono essere coinvolte sostanze comburenti (come l’ossigeno dell’aria), sostanze combustibili che, nel corso della reazione si ossidano legandosi agli atomi dell’ossigeno, e fonte di innesco (energia minima di ignizione).

Qualsiasi combustione non controllata dall’uomo è classificabile come incendio.

I fattori indispensabili per la combustione possono essere schematizzati graficamente nel noto triangolo dell’incendio.

Lo schema grafico del triangolo in figura 3 indica che le condizioni che danno luogo all’incendio si trovano solo all’interno della sua area.

Eliminando uno qualsiasi dei tre lati che compongono lo schema l’incendio si spegne.

Durante la combustione le molecole di ossigeno si combinano con gli atomi di una sostanza combustibile, nel caso più comune il carbonio, elemento fondamentale per tutte le sostanze organiche, e l’idrogeno e danno luogo a molecole di ossido di carbonio (CO), di anidride carbonica (CO2), di acqua e di altri composti che formano i prodotti della combustione.

Le teorie moderne parlano del quadrilatero del fuoco aggiungendo, ai tre fondamentali elementi, anche il processo chimico della catalisi o autocatalisi. Infatti l’autosostentamento del processo è uno degli elementi fondamentali perché esso possa esserci.

1.2 LE FASI DI UN INCENDIO

Ogni incendio si caratterizza per quattro ben distinte fasi:

• inizio;

• espansione;

• incendio generalizzato;

• estinzione.

Il grafico temperatura-tempo nel caso di un incendio in un locale chiuso segue questo andamento. La figura 4 mostra le quattro fasi di un incendio, che si distinguono per i diversi valori di inclinazione della curva, cioè per la diversa velocità di variazione della temperatura nel tempo.

Le caratteristiche specifiche di ciascun incendio dipendono dalla geometria dei volumi, dal tipo e quantità di materiale combustibile, dalla ventilazione e dalle caratteristiche di diffusione del calore dei diversi materiali.

L’ignizione

Tutti gli incendi iniziano con un evento di innesco, l’ignizione: una sorgente di calore entra in contatto con del combustibile, determinando un processo di pirolisi che genera vapori infiammabili capaci di reagire con ossigeno esotermicamente, sviluppando i prodotti della combustione.

L’ignizione può essere avviata da un mezzo pilota esterno, come una fiamma indipendente,

una scintilla elettrica o un punto caldo, ma può anche avviarsi spontaneamente per effetto dello stato in cui si viene a trovare la miscela dei vapori infiammabili con l’ossigeno.

Solitamente l’innesco della combustione ha origini di natura termica o elettrica, come ad esempio cortocircuiti, scariche elettriche o quant’altro.

Lo sviluppo pre-flashover

La durata di questa fase è legata a diversi fattori: la geometria e la ventilazione del locale, la quantità e l’eventuale contatto tra i materiali combustibili e le loro proprietà isolanti di reazione al fuoco. In questa fase è possibile intervenire con pochi rischi per le squadre antincendio e con buone probabilità di limitare i danni a persone e cose.

Una volta innescata una combustione localizzata, si può verificare una delle seguenti possibilità:

• il materiale combustibile interessato dall’incendio brucia senza interessare altre superfici combustibili se esso è limitato ed isolato;

• in caso di ventilazione limitata, l’incendio può estinguersi o continuare molto lentamente a seconda della disponibilità dell’ossigeno;

• l’incendio può svilupparsi coinvolgendo altri materiali combustibili presenti nell’ambiente quando il combustibile e la ventilazione sono sufficienti.

Nella fase di espansione, la temperatura cresce velocemente (si noti la maggiore pendenza della curva temperatura-tempo) e anche zone non direttamente lambite dalle fiamme vengono a raggiungere temperature che innescano, col passar del tempo, la liberazione per degradazione termica di gas infiammabili.

Sottoposti a calore ed in assenza di combustione, i materiali solidi contenenti composti del carbonio si decompongono per effetto termochimico, cioè si scindono i legami chimici e si liberano dei gas caratterizzati da molecola più semplice.

Lo sviluppo dell’incendio, con l’allargamento delle fiamme fino a coinvolgere altri materiali combustibili, richiede che su questi giunga la potenza termica necessaria per il processo di volatilizzazione che dà luogo alla formazione di vapori infiammabili. Tale potenza termica deriva dall’irraggiamento delle fiamme esistenti, dai fumi che si addensano nella zona del soffitto e dal soffitto stesso, la cui temperatura aumenta rapidamente in presenza di incendio.

Nel caso in cui la combustione riesce a svilupparsi, si determinano le condizioni del flashover. Se, invece, la combustione non prende piede a causa di una limitata ventilazione, si parla di backdraught, cioè può accadere che i vapori derivanti dalla pirolisi si accumulino nello spazio, con il pericolo che brucino improvvisamente in caso di un improvviso aumento di ventilazione, come l’apertura di una porta.

Il flashover

Durante l’incendio in un locale si accumulano quindi gas infiammabili, che in genere salgono e si concentrano presso il soffitto, fino a quando, raggiunta la temperatura detta di flashover, si assiste alla combustione generalizzata degli stessi, caratterizzata da grande velocità di reazione e dall'immediato aumento dei gas surriscaldati, che si espandono sia in senso orizzontale che verticale. Il flashover segna quindi la transizione dall’incendio localizzato a quello generalizzato, in cui tutte le superfici bruciano contemporaneamente.

E' il fenomeno più pericoloso in assoluto, in cui lingue di fuoco saettano con grande velocità in tutto il volume disponibile. Si ha un rapido aumento della potenza termica rilasciata che continua ad alimentare sempre più il processo, per cui, in presenza di un elevato carico d’incendio, il processo non potrà che essere limitato dal solo grado di ventilazione presente. Infatti proprio per il timore di innescare il flashover, i vigili del fuoco mettono in atto particolari accorgimenti nell'aprire le porte chiuse delle stanze in fiamme. Pertanto, dopo il flashover, gli incendi finiscono per essere controllati in genere dalla ventilazione a causa della richiesta elevata di ossigeno necessaria per mantenere l’incendio generalizzato.

Non è possibile definire con precisione la temperatura a cui si verifica il flashover. Tuttavia secondo alcuni studi risulta che la temperatura media di flashover, per un normale incendio domestico, è di circa 500°C; fino a questa temperatura, i materiali solidi presenti nel locale liberano componenti gassose con velocità sempre maggiore, fino a quando la temperatura delle superfici solide sale al punto da provocare l'accensione dei gas da esse stesse rilasciati.

A questo punto l'incendio non è più limitato ai materiali solidi, ma prendono fuoco i gas infiammabili che si sono fino a quel momento accumulati nella stanza; é l'intero volume dei gas ad essere interessato dalle fiamme e l'effetto è un immediato e violentissimo aumento dell'intensità delle fiamme e della velocità di combustione, che a sua volta provoca una vera e propria espansione termica dei gas che può anche, in casi particolarmente gravi, dare origine a shock ondulatori sulla struttura portante. In breve tempo un incendio può raggiungere dimensioni tali da non essere più controllabile.

L’incendio completamente sviluppato

È lo stadio che segue il flashover o il backdraught. La potenza termica sviluppata raggiunge il picco e la temperatura può superare anche 1000 °C. L’incendio si può estendere ad altre parti dell’edificio e indurre danni strutturali. Anche se l’incendio rimane confinato, i fumi ed i gas tossici, caratterizzati da un moto turbolento, possono diffondersi lontano dalla sorgente originale determinando condizioni di estremo pericolo.

Il decadimento

La fase di estinzione inizia dopo il raggiungimento della massima temperatura, quando questa si riduce all’80 % del valore di picco. L’incendio si considera estinto quando la temperatura dell’ambiente scende intorno ai 300 °C circa. Le fiamme si estinguono e rimangono solo braci incandescenti.

La storia temporale è importante per valutare la severità dell’incendio in termini di danni indotti dallo stress termico sia sull’uomo sia sulle strutture. Generalmente i danni alle persone si verificano già nella fase pre-flashover, mentre i danni alle strutture compaiono essenzialmente dopo il flashover, poiché è proprio in questa fase che si possono superare i 1000 °C.

1.3 MODALITÀ DI INNESCO E DIFFUSIONE

Le sorgenti di innesco di un incendio possono essere dirette o indirette. Nel primo caso si parla di fiamme, scintille o materiale comunque incandescente che entra in contatto con del combustibile in presenza di ossigeno. Quando viene fornito calore per convezione, conduzione o irraggiamento termico, si ha a che fare con sorgenti indirette. Lo sfregamento di sue materiali causa un’accensione per attrito.

Avviene l’autocombustione quando, senza apporto di energia esterna, un combustibile brucia in seguito ad una reazione di ossidazione inizialmente lenta, con un successivo graduale e sensibile accumulo di calore. In tal caso la ventilazione assume notevole incisione.

La diffusione degli incendi è spesso strettamente legata alle condizioni climatiche. Infatti il

caldo estivo favorisce l’autoaccensione o la diffusione di incendi di origine dolosa. Il vento

apporta ossigeno in quantità elevate, e quindi alimenta l’incendio, e allo stesso tempo spinge il fronte di fiamma verso una direzione precisa, rendendo così più difficile l’estinzione operata dai vigili del fuoco. Inoltre il vento costituisce un mezzo di trasporto di