Capítulo 6 – Estudo de Caso
Este estudo de caso tem como objetivo ilustrar a implantação de um sistema fixo de combate a incêndio baseado no uso de agente de extinção gasoso. O ambiente para o qual o sistema fixo foi projetado é um laboratório de aula de graduação de engenharia química. A partir do estudo de caso torna-se possível comparar os diferentes projetos de sistemas fixos usando CO2 e agente limpo.
O local escolhido para a realização do estudo foi a Laboratório Multidisciplinar da Escola de Química da UFRJ. Trata-se de um laboratório de ensino usado por inúmeros alunos de graduação. O laboratório apresenta especial interesse devido a sua localização. O mesmo possui somente uma saída e estar localizado no subsolo. O laboratório localiza-se no subsolo do Bloco I, alinhado ao Bloco E, conforme Figura 6.1.
Figura 6.1 – Divisão em blocos do Centro de Tecnologia.
Fonte: Adaptado do Portal do Departamento de Engenharia Eletrônica e de Computação
O
laboratório é utilizado para ministrar aulas práticas dos cursos de graduação
em Engenharia Química, Engenharia de Bioprocessos, Engenharia de Alimentos e
Química Industrial.
O laboratório possui 17 m de comprimento (CL), 4,67 de largura (Lr) e 2 m de altura (HL). Sua área total é de 79 m2 e o volume, 158 m3. Uma planta baixa simplificada do laboratório é apresentada na Figura 6.2.
Figura 6.2 – Laboratório Multidisciplinar (Fonte: Escola de Química/UFRJ)
A
partir das informações extraídas dos roteiros das práticas ali realizadas, e de
visitas ao Laboratório Multidisciplinar, foram listados os agentes químicos de
uso mais frequente naquele ambiente.
Os reagentes mais usuais empregados
no laboratório são:
- Acetato de etila;
- Acetato
de sódio;
-
Carbonato de cálcio;
-
Diclorometano;
-
Etanol;
- Fenolftaleína;
- Soda
cáustica.
Os
reagentes químicos são armazenados em garrafas de vidro ou plástico. São
estocadas fechadas, exceto durante seu uso nas práticas de ensino. Alguns
reagentes localizam-se nas bancadas, enquanto outros são guardados nos
armários. Há também equipamentos elétricos e eletrônicos no ambiente.
É importante destacar que existem algumas restrições na utilização dos agentes limpos. O ambiente protegido, por exemplo, não pode ter produtos químicos que possuam característica de rápida reação na ausência de ar.
O laboratório possui uma arquitetura simples, sendo composto por paredes de alvenaria e somente uma área aberta onde se encontra a porta de acesso. Para este estudo foram desconsideradas as aberturas referentes às duas capelas localizadas ao fundo do ambiente.
a) Projeto de sistema fixo
usando dióxido de carbono
A concentração mínima de CO2 necessária para extinguir um incêndio neste espaço depende dos reagentes e materiais presentes em seu interior. Ou seja, depende dos combustíveis presentes no local, que alimentarão um possível incêndio.
A partir da norma NFPA 12 obtém-se a concentração de CO2 necessária para cada combustível, conforme a Tabela 6.2.
Tabela 6.1 – Concentrações de dióxido de carbono no ambiente protegido (EPA, 2000; NFPA 12, 2011)
Alguns
compostos presentes no laboratório não estão na lista de produtos químicos
avaliados na NFPA 12. Na ausência dessa informação existem alguns procedimentos
para estimar a concentração mínima de CO2 necessária: seja através da FISPQ do
produto; através de um agente semelhante já avaliado; ou mesmo realizando a
determinação pelo método de cup-burner.
Dentre os agentes presentes no ambiente apenas o etanol e o propileno têm suas concentrações mínimas de dióxido de carbono apresentadas na norma NFPA. Contudo, a concentração mínima do etanol é maior, resultando em um projeto mais conservador.
Assim, a partir da avaliação das FISPQ de cada reagente constatou-se que alguns são inflamáveis. Dentre os agentes avaliados, o etanol apresenta maior poder de inflamabilidade, sendo considerado o composto de referência para o projeto do sistema fixo de combate a incêndio.
Após estabelecer a concentração mínima de CO2 para extinção dos materiais presente no ambiente, determina-se o fator de inundação em função do volume do ambiente protegido. Usualmente, o agente extintor CO2 necessita de uma concentração mínima de 40%. Assim, foi elaborada uma tabela com esse parâmetro já determinado (Tabela 5.3).
Essa concentração de 40% garante a extinção de incêndios dos mais variados combustíveis.
Porém, está concentração pode não ser adequada para todos os combustíveis. No caso específico do Laboratório Multidisciplinar, a presença de etanol exige uma concentração mínima de dióxido de carbono maior que 40% para garantir a eficiência do sistema fixo de extinção. Deste modo, é necessário realizar uma correção no cálculo da massa necessária para inundação do ambiente protegido. Essa correção é implantada apenas ao final do cálculo.
O volume do ambiente protegido (laboratório) é de 158 m3. De acordo com a tabela de cálculo do fator de inundação, esse ambiente exige uma quantidade mínima de CO2 de 113,5 kg.
O cálculo da quantidade básica de CO2 é obtida a partir (Equação 5.1).
Conforme exigência normativa, essa quantidade de CO2 deve inundar o ambiente no tempo de 30 segundos. A vazão mássica de CO2 então é obtida a partir (Equação 5.2).
Entretanto,
o laboratório possui uma porta de entrada com dimensões de 2,77 m de largura
por 2 m de altura, ou área 5,54 m2. Em função desta porta é necessário difundir
uma quantidade adicional de CO2 no ambiente, pois durante a inundação do local
a porta poderá estar aberta. Considerar essa perda de agente extintor garante o
correto funcionamento e eficiência do sistema fixo de combate.
Inicialmente, calcula-se a “área aberta efetiva”, usando (Equação 5.3).
A vazão mássica da área efetiva por área é em função da altura do centro da abertura até o topo da porta do laboratório que é de 1 m (3,28 ft). A concentração de extinção adotada é 40%. Assim, a partir da (Figura 5.8) obtém-se o parâmetro L da equação de WL.
O cálculo da vazão de CO2 por área efetiva (WL) a partir (Equação 5.4).
Finalmente, a massa de CO2 adicional para a abertura é obtida a partir (Equação 5.5).
A
massa total de CO2 para inundação do ambiente protegido é estimada usando
(Equação 5.6).
A
vazão mássica total de CO2 para inundação é obtida através (Equação 5.7).
Conforme apresentado anteriormente, um dos combustíveis presentes no ambiente em estudo é o etanol, para o qual se especifica uma concentração mínima de dióxido de carbono de 43% CO2 – superior aos 40% padrões. Deve-se assim ajustar a massa total de CO2 e a vazão total de CO2 a partir do fator (Figura 5.7).
O fator de conversão é multiplicado na massa total de CO2 necessária para inundação da sala. A partir (Figura 5.7) obtém-se o valor do fator:
A massa total de CO2 para inundação corrigida com fator de correção - 1.
A vazão total de CO2 para inundação corrigida com fator de correção - 2.
A partir da massa total corrigida de 487,929 kg CO2 calcula-se a quantidade de cilindros de gás necessária. Usando três tamanhos de cilindros típicos, a Tabela 6.4 apresenta a quantidade de cilindros necessária. Nota-se que é necessário uma grande quantidade de cilindros de CO2 para inundar um ambiente de apenas 158 m3.
Tabela 6.2 – Quantidade de cilindros para Laboratório Multidisciplinar
Difusores
A quantidade e localização dos difusores é em função da altura e modelo do difusor utilizado, e do tipo de material a ser protegido que pode ser caracterizado como superfície líquida ou superfície revestida. O modelo de difusor mais usual é o tipo “S”, conforme (Figura 5.11).
Para o estudo de caso assumiu-se instalação do difusor tipo “S” próximo ao teto do laboratório (altura de 1,98m).
A área de atuação do difusor tipo “S” instalado em uma altura de 1,98 conforme (Tabela 5.6).
Considerou-se que os reagentes comportam-se como L1. Assim, a altura do difusor é:
A planta simplificada do Laboratório Multidisciplinar com os 75 difusores para CO2 posicionados é apresentada na Figura 6.3. Essa quantidade de difusores é devido a ineficiência do CO2 como agente extintor. Torna-se necessária uma grande quantidade de agentes para proteger o ambiente inundado. Outro fator que contribui para o elevado número de difusores é que o raio de atuação é muito baixo, principalmente para proteger ambientes que armazenam líquidos inflamáveis.
Após a elaboração do estudo de caso, nota-se que esse modelo de extinção necessita de uma grande quantidade de tubulações, difusores e vasos de pressão, tornando-se, na prática inviável.
Figura 6.3 – Planta do Laboratório Multidisciplinar com os difusores de CO2
b) Projeto de sistema fixo
usando agente limpo
Há duas opções de agentes limpos de ampla disponibilidade no mercado atualmente: o FM-200 e o NOVEC 1230. Os sistemas fixos para operar ambos os gases apresentam cálculos semelhantes. Em nível de ilustração escolheu-se projetar um sistema fixo baseado no agente NOVEC 1230, por tratar-se de um agente limpo com maior conformidade com as exigências ambientais atuais.
A partir das informações relativas aos agentes químicos presentes no local a ser protegido, foram listadas as concentrações de extinção do NOVEC 1230 para cada um dos compostos. Essas concentrações estão apresentadas na Tabela 6.3.
Tabela 6.3 – Concentração de NOVEC 1230 (NFPA 2001, 2012)
Alguns
reagentes presentes no laboratório não constam da lista de produtos químicos
descritos na norma NFPA 2001.
Conforme mencionado, o etanol foi considerado composto de referência para estabelecer a concentração mínima de NOVEC 1230 necessária no ambiente. Isto porque o etanol exige uma maior concentração de NOVEC 1230 do que os demais compostos presentes. Essa concentração será aproximada para 11% para fins de cálculos.
Deste modo o cálculo da massa de agente limpo é realizado conforme (Equação 5.10) (NFPA 2001, 2012).
Após o cálculo da massa de agente limpo necessária para inundar o laboratório, calcula-se o volume de NOVEC 1230 a partir (Tabela 5.10).
A densidade de preenchimento máximo (Q/V) para um concentração de 11% de NOVEC 1230 é de 1,68 kg/m3.
Essa quantidade de gás deve ser suficiente para inundar até 95% do ambiente protegido e é projetada para inundar o ambiente protegido em no máximo 10 segundos.
O cálculo do volume de NOVEC 1230 segue a (Equação 5.12) (NFPA 2001, 2012).
Finalmente, a vazão volumétrica de NOVEC 1230 é calculada de acordo com a Equação 5.14 (NFPA 2001, 2012).
Como
o laboratório está no nível do mar não há fator de correção atmosférico.
A partir da massa de 140 kg de agente limpo necessária para inundar o ambiente protegido, calcula-se a quantidade necessária de cilindros contendo NOVEC 1230.
Foram usadas as opções de mercado oferecidas pelo fabricante SAPPHIRE (Tabela 6.4). Adotando-se um cilindro de capacidade nominal de 177 kg torna-se necessária a instalação de somente um cilindro.
Tabela 6.4 – Quantidade de cilindros para Laboratório Multidisciplinar (SAPPHIRE, 2009)
Tubulação e Difusores
Após o cálculo da vazão mássica e volumétrica do NOVEC 1230, avaliam-se a disposição das tubulações e difusores.
Foi escolhido o modelo de difusor do tipo 360°, com um raio de operação de 8,11 m ou um quadrado de 11,4 m, conforme (Figura 5.17).
O ambiente protegido possui 17 m de comprimento e 4,67 de largura, ou seja uma área de 79 m2. A Figura 6.4 ilustra a planta simplificada do local. Para fins de cálculo, estabelece-se que o comprimento é representado pelo eixo X, enquanto a largura pelo eixo Y. As coordenadas iniciam no canto esquerdo inferior da Planta do Laboratório multidisciplinar.
Figura 6.4 – Planta do Laboratório multidisciplinar (Fonte: Escola de Química)
O
difusor tem sua localização definida de acordo com os eixos (X, Y). Sendo
instalado no teto do ambiente (Figura 5.13), sua altura aproximada é de 2 m.
A partir da planta do ambiente chega-se à conclusão que são necessários 2 difusores. A localização do Difusor 1 é (4,25m, 2,335m), onde o primeiro número é o valor de X e o segundo o valor de Y. Enquanto o Difusor 2 localiza-se em (12,75, 2,335). Com isso atendem a distância mínima de 3,3 m entre um e outro. O posicionamento está ilustrado na Figura 6.5.
Difusores possuem sempre limites de vazão. Esses limites dependem do modelo e fabricante escolhido. Normalmente esse limite é bastante elevado, sendo em torno de 216 kg (MINIMAX, 2014). No caso ilustrado a massa necessária o para inundar o ambiente é de 140 kg para dois difusores inundarem o ambiente. Com isso, cada difusor possui uma vazão de 70 kg/s.
Figura 6.5 – Planta do Laboratório multidisciplinar (Adaptado, Fonte: Escola de Química)
A Figura 6.6 ilustra a vazão em cada trecho de tubulação.
Figura 6.6 – Tubulação do sistema fixo de combate a incêndio (CHEMETRON MANUAL FM-200, 2004)
A
planta simplificada do Laboratório Multidisciplinar com os 2 difusores para
NOVEC 1230 posicionados é apresentada na Figura 6.5. Diferente do sistema a
partir de CO2, o sistema por NOVEC 1230 indicou uma baixa quantidade de agente
necessária para proteger o ambiente. Indicou ainda uma baixa quantidade de
difusores devido à alta eficiência. Além da alta eficiência do gás, esse baixo
número de difusores é devido ao raio de atuação dos difusores de NOVEC 1230. Os
difusores utilizados para NOVEC 1230 não sofrem alteração de desempenho na
variação da altura de instalação dentro dos limites de alturas previamente
determinados e também ao extinguir o fogo de materiais de superfície liquida ou
revestida.
c) Avaliação dos gases de
extinção a partir do estudo de caso
Após
a elaboração do estudo de caso, constataram-se as diferenças de projetos de
sistema fixo de combate a incêndio a partir de CO2 e NOVEC 1230.
A Tabela 6.5 resume as principais diferença entre os dois modelos.
Tabela 6.5 – Comparação entre os sistema CO2 e NOVEC 1230
Essa
grande diferença na quantidade mássica, número de difusores e quantidade de
vasos de pressão reflete diretamente no tempo de instalação e espaço ocupado do
sistema fixo de combate a incêndio.
O agente extintor NOVEC 1230 é recente e possui aperfeiçoamento tecnológicos do qual o tornam um produto de melhor desempenho do que o CO2 e também de maior valor agregado. No passado o CO2 era a única opção até ser quase extinto pelo gases Halon. Porém, devido às questões ambientais, voltou-se a utilizar o CO2 até que foram desenvolvidos gases como FM-200 e NOVEC 1230, que seguem os requisitos ambientais e possuem maior eficiência de extinção.
A avaliação de qual agente de extinção a ser utilizar deve prever essas condições impostas pelos dois modelos, como espaço do ambiente protegido, valor a ser investido e risco humano, uma vez que o sistema a CO2 pode levar a asfixia dos presentes no ambiente.
Nenhum comentário:
Postar um comentário