La chimica e la fisica del fuoco

Il fuoco è una manifestazione di combustione incontrollata. Coinvolge materiali combustibili che si trovano intorno a noi negli edifici in cui viviamo, lavoriamo e giochiamo, così come un'ampia gamma di gas, liquidi e solidi che si incontrano nell'industria e nel commercio. Sono comunemente a base di carbonio e possono essere indicati collettivamente come combustibili nel contesto di questa discussione. Nonostante l'ampia varietà di questi combustibili sia nei loro stati chimici che fisici, nel fuoco condividono caratteristiche comuni a tutti loro. Le differenze si riscontrano nella facilità con cui può essere avviato il fuoco (accensione), la velocità con cui il fuoco può svilupparsi (diffusione della fiamma), e la potenza che può essere generata (velocità di rilascio del calore), ma man mano che la nostra comprensione della scienza del fuoco migliora, diventiamo maggiormente in grado di quantificare e prevedere il comportamento del fuoco e applicare le nostre conoscenze alla sicurezza antincendio in generale. Lo scopo di questa sezione è rivedere alcuni dei principi sottostanti e fornire una guida per la comprensione dei processi di incendio.

Concetti di base

I materiali combustibili sono tutti intorno a noi. Date le circostanze appropriate, possono essere fatti bruciare sottoponendoli a un fonte di accensione che è in grado di avviare una reazione autosufficiente. In questo processo, il "combustibile" reagisce con l'ossigeno dell'aria per rilasciare energia (calore), mentre viene convertito in prodotti di combustione, alcuni dei quali possono essere dannosi. I meccanismi di accensione e combustione devono essere chiaramente compresi.

La maggior parte degli incendi quotidiani coinvolge materiali solidi (p. es., legno, prodotti in legno e polimeri sintetici), sebbene i combustibili gassosi e liquidi non siano rari. È auspicabile una breve rassegna della combustione di gas e liquidi prima di discutere alcuni dei concetti di base.

Diffusione e fiamme premiscelate

Un gas infiammabile (p. es., propano, C₃H₈) può essere bruciato in due modi: un flusso o un getto di gas da un tubo (cfr. il semplice becco Bunsen con l'ingresso dell'aria chiuso) può essere acceso e brucerà come un fiamma di diffusione in cui la combustione avviene in quelle regioni in cui il combustibile gassoso e l'aria si mescolano mediante processi diffusivi. Tale fiamma ha una caratteristica luminosità gialla, che indica la presenza di minuscole particelle di fuliggine formatesi a seguito di una combustione incompleta. Alcuni di questi bruceranno nella fiamma, ma altri emergeranno dalla punta della fiamma per formarsi fumare.

Se il gas e l'aria sono intimamente miscelati prima dell'accensione, si verificherà una combustione premiscelata, a condizione che la miscela gas/aria rientri in un intervallo di concentrazioni delimitato dal limite inferiore e superiore limiti di infiammabilità (vedi tabella 1). Al di fuori di questi limiti la miscela non è infiammabile. (Notare che A fiamma premiscelata è stabilizzato alla bocca di un becco Bunsen quando l'ingresso dell'aria è aperto.) Se una miscela è infiammabile, può essere incendiata da una piccola fonte di accensione, come una scintilla elettrica. Il stechiometrico la miscela è la più facilmente infiammabile, in cui la quantità di ossigeno presente è nella proporzione corretta per bruciare tutto il combustibile in anidride carbonica e acqua (vedere l'equazione allegata, di seguito, in cui si può vedere che l'azoto è presente nella stessa proporzione di in aria ma non prende parte alla reazione). Propano (C₃H₈) è il materiale combustibile in questa reazione:

C₃H₈ + 5O₂ + 18.8 N₂ = 3CO₂ + 4H₂O + 18.8N₂

Una scarica elettrica di appena 0.3 mJ è sufficiente per accendere una miscela stechiometrica propano/aria nella reazione illustrata. Questo rappresenta una scintilla statica appena percettibile, come sperimentato da qualcuno che ha camminato su un tappeto sintetico e toccato un oggetto a terra. Sono necessarie quantità di energia ancora minori per alcuni gas reattivi come idrogeno, etilene ed etino. In ossigeno puro (come nella reazione sopra, ma senza azoto presente come diluente), sono sufficienti energie ancora più basse.

Tabella 1. Limiti inferiore e superiore di infiammabilità in aria

La fiamma di diffusione associata a un flusso di combustibile gassoso esemplifica la modalità di combustione che si osserva quando un combustibile liquido o solido sta subendo una combustione fiammeggiante. Tuttavia, in questo caso, la fiamma è alimentata dai vapori di combustibile generati alla superficie della fase condensata. La velocità di erogazione di questi vapori è accoppiata alla loro velocità di combustione nella fiamma di diffusione. L'energia viene trasferita dalla fiamma alla superficie, fornendo così l'energia necessaria per produrre i vapori. Questo è un semplice processo di evaporazione per i combustibili liquidi, ma per i solidi deve essere fornita energia sufficiente per provocare la decomposizione chimica del combustibile, rompendo le grandi molecole polimeriche in frammenti più piccoli che possono vaporizzare e fuoriuscire dalla superficie. Questo feedback termico è essenziale per mantenere il flusso dei vapori e quindi supportare la fiamma di diffusione (figura 1). Le fiamme possono essere estinte interferendo con questo processo in diversi modi (vedi sotto).

Figura 1. Rappresentazione schematica di una superficie in fiamme che mostra i processi di trasferimento di calore e massa.

Il trasferimento di calore

La comprensione del trasferimento di calore (o energia) è la chiave per comprendere il comportamento e i processi del fuoco. L'argomento merita uno studio attento. Ci sono molti ottimi testi a cui ci si può rivolgere (Welty, Wilson e Wicks 1976; DiNenno 1988), ma per i presenti scopi è necessario solo attirare l'attenzione sui tre meccanismi: conduzione, convezione e radiazione. Le equazioni di base per il trasferimento di calore allo stato stazionario () sono:

Conduzione:   

Convezione:    

Radiazione:      

La conduzione è rilevante per il trasferimento di calore attraverso i solidi; (k è una proprietà del materiale nota come conducibilità termica (kW/mK ) e l è la distanza (m) dalla quale cade la temperatura T₁ a T₂ (in gradi Kelvin). La convezione in questo contesto si riferisce al trasferimento di calore da un fluido (in questo caso aria, fiamme o prodotti del fuoco) a una superficie (solida o liquida); h è il coefficiente di scambio termico convettivo kW/m²K) e dipende dalla configurazione della superficie e dalla natura del flusso del fluido oltre tale superficie. La radiazione è simile alla luce visibile (ma con una lunghezza d'onda maggiore) e non richiede alcun mezzo intermedio (può attraversare il vuoto); e è l'emissività (efficienza con cui una superficie può irradiare), s è la costante di Stefan-Boltzman (). La radiazione termica viaggia alla velocità della luce (3 x 10⁸ m/s) e un oggetto solido intermedio proietterà un'ombra.

Velocità di combustione e velocità di rilascio del calore

Il trasferimento di calore dalle fiamme alla superficie dei combustibili condensati (liquidi e solidi) comporta una miscela di convezione e irraggiamento, sebbene quest'ultima prevalga quando il diametro effettivo dell'incendio supera 1 m. La velocità di combustione (, (g/s)) può essere espressa dalla formula:

è il flusso di calore dalla fiamma alla superficie (kW/m²); è la perdita di calore dalla superficie (ad esempio, per irraggiamento e per conduzione attraverso il solido) espressa come flusso (kW/m²); A_carburante è la superficie del combustibile (m²); e L_v è il calore di gassificazione (equivalente al calore latente di evaporazione per un liquido) (kJ/g). Se un incendio si sviluppa in uno spazio ristretto, i gas fumosi caldi che salgono dall'incendio (spinti dalla galleggiabilità) vengono deviati sotto il soffitto, riscaldando le superfici superiori. Lo strato di fumo risultante e le superfici calde si irradiano fino alla parte inferiore dell'involucro, in particolare alla superficie del combustibile, aumentando così la velocità di combustione:

where è il calore extra fornito per irraggiamento dalla parte superiore dell'armadio (kW/m²). Questo feedback aggiuntivo porta a tassi di combustione notevolmente aumentati e al fenomeno del flashover in spazi chiusi dove c'è un'adeguata fornitura di aria e combustibile sufficiente per sostenere l'incendio (Drysdale 1985).

La velocità di combustione è moderata dalla grandezza del valore di L_v, il calore di gassificazione. Questo tende ad essere basso per i liquidi e relativamente alto per i solidi. Di conseguenza, i solidi tendono a bruciare molto più lentamente dei liquidi.

È stato sostenuto che il singolo parametro più importante che determina il comportamento al fuoco di un materiale (o insieme di materiali) è la velocità di rilascio del calore (RHR) che è accoppiato alla velocità di combustione attraverso l'equazione:

dove è il calore effettivo di combustione del combustibile (kJ/g). Sono ora disponibili nuove tecniche per misurare l'RHR a diversi flussi di calore (ad esempio, il calorimetro a cono) ed è ora possibile misurare l'RHR di oggetti di grandi dimensioni, come mobili imbottiti e rivestimenti murali in calorimetri su larga scala che utilizzano il consumo di ossigeno misurazioni per determinare il tasso di rilascio di calore (Babrauskas e Grayson 1992).

Va notato che man mano che un incendio cresce di dimensioni, non solo aumenta il tasso di rilascio di calore, ma aumenta anche il tasso di produzione dei "prodotti del fuoco". Questi contengono specie tossiche e nocive così come fumo di particolato, le cui rese aumenteranno quando un incendio che si sviluppa in un recinto dell'edificio diventa poco ventilato.

Accensione

L'accensione di un liquido o di un solido comporta l'innalzamento della temperatura superficiale fino a quando i vapori si sviluppano a una velocità sufficiente a sostenere una fiamma dopo che i vapori sono stati accesi. I combustibili liquidi possono essere classificati in base alla loro focolai, la temperatura più bassa alla quale è presente una miscela vapore/aria infiammabile in superficie (ovvero, la tensione di vapore corrisponde al limite inferiore di infiammabilità). Questi possono essere misurati utilizzando un apparecchio standard e esempi tipici sono forniti nella tabella 2. È necessaria una temperatura leggermente superiore per produrre un flusso di vapori sufficiente a supportare una fiamma di diffusione. Questo è noto come il fuoco. Per i solidi combustibili valgono gli stessi concetti, ma sono necessarie temperature più elevate poiché è coinvolta la decomposizione chimica. Il punto di fuoco è tipicamente superiore a 300 °C, a seconda del combustibile. In generale, i materiali ignifughi hanno punti di infiammabilità significativamente più alti (vedi Tabella 2).

Tabella 2. Punti di infiammabilità e punti di infiammabilità di combustibili liquidi e solidi

l = liquido; s = solido.
¹ Apparecchio a coppa chiusa di Pensky-Martens.
² Liquidi: mediante apparecchio a tazza aperta di Cleveland. Solidi: Drysdale e Thomson (1994).
(Si noti che i risultati per le specie ritardanti di fiamma si riferiscono ad un flusso termico di 37 kW/m²).

La facilità di ignizione di un materiale solido dipende quindi dalla facilità con cui la sua temperatura superficiale può essere innalzata fino al punto di fuoco, ad esempio per esposizione a calore radiante oa un flusso di gas caldi. Ciò dipende meno dalla chimica del processo di decomposizione che dallo spessore e dalle proprietà fisiche del solido, vale a dire la sua conducibilità termica (k), densità (r) e capacità termica (c). I solidi sottili, come i trucioli di legno (e tutte le sezioni sottili), possono essere accesi molto facilmente perché hanno una bassa massa termica, cioè è necessario relativamente poco calore per aumentare la temperatura fino al punto di combustione. Tuttavia, quando il calore viene trasferito alla superficie di un solido spesso, parte sarà condotto dalla superficie nel corpo del solido, moderando così l'aumento della temperatura della superficie. Si può dimostrare teoricamente che la velocità di aumento della temperatura superficiale è determinata dalla inerzia termica del materiale, cioè del prodotto KRC. Ciò è confermato nella pratica, poiché materiali spessi con un'elevata inerzia termica (es. rovere, poliuretano massiccio) impiegheranno molto tempo ad accendersi sotto un dato flusso di calore, mentre in condizioni identiche materiali spessi con una bassa inerzia termica (es. pannelli isolanti in fibra, schiuma poliuretanica) prenderanno fuoco rapidamente (Drysdale 1985).

Fonti di accensione

L'accensione è illustrata schematicamente in figura 2 (accensione pilotata). Per un'accensione riuscita, an fonte di accensione deve essere in grado non solo di aumentare la temperatura superficiale fino al punto di fuoco, o oltre, ma deve anche provocare l'accensione dei vapori. Una fiamma che colpisce agirà in entrambe le capacità, ma un flusso radiativo imposto da una sorgente remota può portare all'evoluzione di vapori a una temperatura superiore al fuoco, senza che i vapori si accendano. Tuttavia, se i vapori sviluppati sono abbastanza caldi (il che richiede che la temperatura superficiale sia molto più alta del punto di fuoco), possono accendersi spontaneamente mentre si mescolano con l'aria. Questo processo è noto come accensione spontanea.

Figura 2. Lo scenario dell'accensione pilotata.

È possibile identificare un gran numero di fonti di ignizione, ma hanno una cosa in comune, ovvero che sono il risultato di una qualche forma di negligenza o inerzia. Un elenco tipico includerebbe fiamme libere, "materiali per fumatori", riscaldamento per attrito, dispositivi elettrici (riscaldatori, ferri da stiro, fornelli, ecc.) e così via. Un'eccellente indagine può essere trovata in Cote (1991). Alcuni di questi sono riassunti nella tabella 3.

Tabella 3. Fonti di accensione

Va notato che le sigarette fumanti non possono avviare direttamente la combustione ardente (anche nei comuni combustibili gassosi), ma possono causare fumante in materiali che hanno la propensione a subire questo tipo di combustione. Questo si osserva solo con materiali che si carbonizzano per riscaldamento. La combustione senza fiamma comporta l'ossidazione superficiale del carbone, che genera abbastanza calore localmente per produrre carbone fresco dal combustibile incombusto adiacente. È un processo molto lento, ma alla fine può subire una transizione verso la fiammata. Successivamente, l'incendio si svilupperà molto rapidamente.

I materiali che hanno la propensione a bruciare possono anche presentare il fenomeno dell'autoriscaldamento (Bowes 1984). Ciò si verifica quando tale materiale viene immagazzinato in grandi quantità e in modo tale che il calore generato dalla lenta ossidazione superficiale non possa fuoriuscire, determinando un aumento della temperatura all'interno della massa. Se le condizioni sono giuste, ciò può portare a un processo incontrollato che alla fine si sviluppa in una reazione ardente in profondità all'interno del materiale.

Diffusione della fiamma

Un componente importante nella crescita di qualsiasi incendio è la velocità con cui la fiamma si diffonderà su superfici combustibili adiacenti. La propagazione della fiamma può essere modellata come un fronte di accensione avanzante in cui il bordo anteriore della fiamma funge da fonte di accensione per il combustibile che non sta ancora bruciando. La velocità di propagazione è determinata in parte dalle stesse proprietà del materiale che controllano la facilità di accensione e in parte dall'interazione tra la fiamma esistente e la superficie davanti al fronte. Verso l'alto, la diffusione verticale è la più rapida poiché la galleggiabilità assicura che le fiamme scorrano verso l'alto, esponendo la superficie sopra l'area in fiamme al trasferimento di calore diretto dalle fiamme. Ciò dovrebbe essere contrastato con la diffusione su una superficie orizzontale quando le fiamme dall'area in fiamme salgono verticalmente, lontano dalla superficie. Infatti, è esperienza comune che la diffusione verticale sia la più pericolosa (ad esempio, propagazione della fiamma su tende e drappeggi e su indumenti larghi come abiti e camicie da notte).

La velocità di diffusione è influenzata anche da un flusso di calore radiante imposto. Nello sviluppo di un incendio in una stanza, l'area dell'incendio crescerà più rapidamente a causa del crescente livello di radiazioni che si accumula con il progredire dell'incendio. Ciò contribuirà all'accelerazione della crescita del fuoco che è caratteristica del flashover.

Teoria dell'estinzione degli incendi

L'estinzione e la soppressione del fuoco possono essere esaminate nei termini dello schema di cui sopra della teoria del fuoco. I processi di combustione in fase gassosa (cioè le reazioni di fiamma) sono molto sensibili agli inibitori chimici. Alcuni dei ritardanti di fiamma utilizzati per migliorare le "proprietà ignifughe" dei materiali si basano sul fatto che piccole quantità di inibitore rilasciate con i vapori di carburante sopprimeranno l'instaurarsi della fiamma. La presenza di un ritardante di fiamma non può rendere incombustibile un materiale combustibile, ma può rendere più difficile l'accensione, forse impedendo del tutto l'accensione a condizione che la fonte di accensione sia piccola. Tuttavia, se un materiale ritardante di fiamma viene coinvolto in un incendio esistente, brucerà poiché gli elevati flussi di calore annullano l'effetto del ritardante.

L'estinzione di un incendio può essere ottenuta in diversi modi:

1. interrompere la fornitura di vapori di carburante

2. spegnimento della fiamma mediante estintori chimici (inibizione)

3. togliere l'apporto di aria (ossigeno) al fuoco (soffocamento)

4. "scoppio".

Controllo del flusso di vapori di carburante

Il primo metodo, l'interruzione dell'alimentazione dei vapori di carburante, è chiaramente applicabile a un incendio a getto di gas in cui l'alimentazione del carburante può essere semplicemente interrotta. Tuttavia, è anche il metodo più comune e più sicuro per estinguere un incendio che coinvolge combustibili condensati. Nel caso di un incendio che coinvolga un solido, ciò richiede che la superficie del combustibile venga raffreddata al di sotto del fuoco, quando il flusso di vapori diventa troppo piccolo per sostenere una fiamma. Ciò si ottiene nel modo più efficace mediante l'applicazione di acqua, manualmente o mediante un sistema automatico (irrigatori, getti d'acqua, ecc.). In generale, gli incendi liquidi non possono essere affrontati in questo modo: i combustibili liquidi con punti di infiammabilità bassi semplicemente non possono essere raffreddati a sufficienza, mentre nel caso di combustibili ad alto punto di infiammabilità, la vigorosa vaporizzazione dell'acqua quando viene a contatto con il liquido caldo alla superficie può causare l'espulsione di carburante in fiamme dal contenitore. Ciò può avere conseguenze molto gravi per coloro che combattono l'incendio. (Ci sono alcuni casi speciali in cui un sistema automatico di spruzzi d'acqua ad alta pressione può essere progettato per far fronte a quest'ultimo tipo di incendio, ma questo non è comune.)

Gli incendi liquidi sono comunemente estinti mediante l'uso di schiume antincendio (Cote 1991). Viene prodotto aspirando un concentrato di schiuma in un getto d'acqua che viene poi indirizzato verso il fuoco attraverso un apposito ugello che permette l'immissione di aria nel getto. Questo produce una schiuma che galleggia sopra il liquido, riducendo la velocità di erogazione dei vapori di carburante mediante un effetto di blocco e proteggendo la superficie dal trasferimento di calore dalle fiamme. La schiuma deve essere applicata con cura per formare una "zattera" che aumenta gradualmente di dimensioni per coprire la superficie liquida. Le fiamme diminuiranno di dimensione man mano che la zattera cresce, e contemporaneamente la schiuma si disgregherà gradualmente rilasciando acqua che favorirà il raffreddamento della superficie. Il meccanismo è infatti complesso, anche se il risultato netto è quello di controllare il flusso dei vapori.

Sono disponibili numerosi concentrati di schiuma ed è importante sceglierne uno compatibile con i liquidi da proteggere. Le originali "schiume proteiche" sono state sviluppate per gli incendi di idrocarburi liquidi, ma si rompono rapidamente se messe a contatto con combustibili liquidi solubili in acqua. È stata sviluppata una gamma di "schiume sintetiche" per affrontare l'intera gamma di incendi liquidi che si possono incontrare. Una di queste, la schiuma acquosa filmogena (AFFF), è una schiuma multiuso che produce anche un velo d'acqua sulla superficie del combustibile liquido, aumentandone così l'efficacia.

Spegnimento della fiamma

Questo metodo fa uso di soppressori chimici per estinguere la fiamma. Le reazioni che si verificano nella fiamma coinvolgono i radicali liberi, una specie altamente reattiva che ha solo un'esistenza fugace ma viene continuamente rigenerata da un processo a catena ramificata che mantiene concentrazioni sufficientemente elevate da consentire la reazione complessiva (ad esempio, una reazione di tipo R1) per procedere a un ritmo veloce. I soppressori chimici applicati in quantità sufficiente causeranno un drastico calo della concentrazione di questi radicali, spegnendo efficacemente la fiamma. Gli agenti più comuni che operano in questo modo sono gli halon e le polveri secche.

Gli halon reagiscono nella fiamma per generare altre specie intermedie con le quali i radicali di fiamma reagiscono preferenzialmente. Per estinguere un incendio sono necessarie quantità relativamente piccole di halon, e per questo motivo erano tradizionalmente considerate altamente desiderabili; le concentrazioni estinguenti sono “respirabili” (sebbene i prodotti generati passando attraverso la fiamma siano nocivi). Le polveri secche agiscono in modo simile, ma in determinate circostanze sono molto più efficaci. Le particelle fini vengono disperse nella fiamma e provocano l'interruzione delle catene radicaliche. È importante che le particelle siano piccole e numerose. Ciò viene ottenuto dai produttori di molti marchi proprietari di polveri secche selezionando una polvere che "decrepita", cioè le particelle si frammentano in particelle più piccole quando sono esposte alle alte temperature della fiamma.

Per una persona i cui vestiti hanno preso fuoco, un estintore a polvere secca è riconosciuto come il metodo migliore per controllare le fiamme e proteggere quell'individuo. L'intervento rapido fornisce un rapido "knockdown", riducendo così al minimo le lesioni. Tuttavia, la fiamma deve essere completamente spenta perché le particelle cadono rapidamente a terra e l'eventuale fiamma residua riacquisterà rapidamente presa. Allo stesso modo, gli halon rimarranno efficaci solo se le concentrazioni locali vengono mantenute. Se viene applicato all'aperto, il vapore di halon si disperde rapidamente, e ancora una volta il fuoco si ristabilirà rapidamente se c'è qualche fiamma residua. Più significativamente, la perdita del soppressore sarà seguita dalla riaccensione del carburante se le temperature superficiali sono sufficientemente elevate. Né gli halon né le polveri secche hanno alcun effetto di raffreddamento significativo sulla superficie del carburante.

Rimozione della fornitura di aria

La seguente descrizione è una semplificazione eccessiva del processo. Se “l'eliminazione dell'apporto d'aria” provocherà sicuramente lo spegnimento dell'incendio, per fare ciò è sufficiente ridurre la concentrazione di ossigeno al di sotto di un livello critico. Il noto "test dell'indice di ossigeno" classifica i materiali combustibili in base alla concentrazione minima di ossigeno in una miscela ossigeno/azoto che supporterà solo la fiamma. Molti materiali comuni bruciano a concentrazioni di ossigeno fino a circa il 14% a temperatura ambiente (circa 20°C) e in assenza di qualsiasi trasferimento di calore imposto. La concentrazione critica dipende dalla temperatura e diminuisce all'aumentare della temperatura. Pertanto, un fuoco che arde da tempo sarà in grado di sostenere le fiamme a concentrazioni anche inferiori al 7%. Un incendio in una stanza può essere tenuto sotto controllo e può anche autoestinguersi se l'apporto di ossigeno è limitato mantenendo porte e finestre chiuse. Le fiamme possono cessare, ma le fiamme continueranno a concentrazioni di ossigeno molto più basse. L'ingresso di aria aprendo una porta o rompendo una finestra prima che la stanza si sia sufficientemente raffreddata può portare a una vigorosa eruzione del fuoco, nota come riflusso, o backdraft.

La "rimozione dell'aria" è difficile da ottenere. Tuttavia, un'atmosfera può essere resa "inerte" mediante un allagamento totale per mezzo di un gas che non supporta la combustione, come azoto, anidride carbonica o gas provenienti da un processo di combustione (ad esempio, i motori di una nave) che sono a basso contenuto di ossigeno e ad alto contenuto di nell'anidride carbonica. Questa tecnica può essere utilizzata solo in ambienti chiusi in quanto è necessario mantenere la concentrazione richiesta del “gas inerte” fino al completo spegnimento dell'incendio o fino all'inizio delle operazioni di spegnimento. L'allagamento totale ha applicazioni speciali, come per le stive delle navi e le raccolte di libri rari nelle biblioteche. Le concentrazioni minime richieste dei gas inerti sono riportate nella Tabella 4. Queste si basano sul presupposto che l'incendio sia rilevato in una fase iniziale e che l'allagamento sia effettuato prima che si sia accumulato troppo calore nell'ambiente.

Tabella 4: Confronto delle concentrazioni di diversi gas richiesti per l'inertizzazione

La "rimozione dell'aria" può essere effettuata nelle immediate vicinanze di un piccolo incendio mediante l'applicazione locale di un soppressore da un estintore. L'anidride carbonica è l'unico gas utilizzato in questo modo. Tuttavia, poiché questo gas si disperde rapidamente, è essenziale spegnere tutte le fiamme durante l'attacco al fuoco; in caso contrario, la fiammata si ristabilirà. La riaccensione è possibile anche perché l'anidride carbonica ha un effetto di raffreddamento minimo o nullo. Vale la pena notare che un sottile getto d'acqua trascinato in una fiamma può causare l'estinzione come risultato combinato dell'evaporazione delle goccioline (che raffredda la zona di combustione) e della riduzione della concentrazione di ossigeno per diluizione da parte del vapore acqueo (che agisce allo stesso modo come anidride carbonica). Gli spruzzi d'acqua fini e le nebbie vengono presi in considerazione come possibili sostituti degli halon.

È opportuno ricordare qui che è sconsigliabile spegnere una fiamma di gas a meno che il flusso di gas non possa essere interrotto immediatamente dopo. In caso contrario, potrebbe accumularsi un volume considerevole di gas infiammabile che successivamente prenderebbe fuoco, con conseguenze potenzialmente gravi.

Spegnere

Questo metodo è incluso qui per completezza. La fiamma di un fiammifero può essere facilmente spenta aumentando la velocità dell'aria al di sopra di un valore critico in prossimità della fiamma. Il meccanismo funziona destabilizzando la fiamma in prossimità del combustibile. In linea di principio, gli incendi più grandi possono essere controllati allo stesso modo, ma normalmente sono necessarie cariche esplosive per generare velocità sufficienti. Gli incendi dei pozzi petroliferi possono essere estinti in questo modo.

Infine, una caratteristica comune che deve essere sottolineata è che la facilità con cui un incendio può essere estinto diminuisce rapidamente all'aumentare delle dimensioni dell'incendio. La diagnosi precoce consente l'estinzione con quantità minime di soppressore, con perdite ridotte. Nella scelta di un sistema di soppressione, si dovrebbe tener conto del potenziale tasso di sviluppo dell'incendio e del tipo di sistema di rilevamento disponibile.

Esplosioni

Un'esplosione è caratterizzata dall'improvviso rilascio di energia, che produce un'onda d'urto, o onda d'urto, che può essere in grado di causare danni a distanza. Esistono due tipi distinti di sorgenti, vale a dire l'alto esplosivo e lo scoppio a pressione. L'alto esplosivo è caratterizzato da composti come trinitrotoluene (TNT) e ciclotrimetilentrinitramina (RDX). Questi composti sono specie altamente esotermiche, che si decompongono per rilasciare notevoli quantità di energia. Sebbene termicamente stabili (sebbene alcuni lo siano meno e richiedano la desensibilizzazione per renderli sicuri da maneggiare), possono essere indotti a detonare, con decomposizione, propagandosi alla velocità del suono attraverso il solido. Se la quantità di energia rilasciata è sufficientemente elevata, un'onda d'urto si propagherà dalla sorgente con il potenziale di causare danni significativi a distanza.

Valutando i danni remoti, si può stimare l'entità dell'esplosione in termini di “equivalente TNT” (normalmente in tonnellate). Questa tecnica si basa sulla grande quantità di dati raccolti sul potenziale di danno del TNT (in gran parte durante la guerra) e utilizza leggi di scala empirica che sono state sviluppate dagli studi del danno causato da quantità note di TNT.

In tempo di pace, gli esplosivi ad alto potenziale vengono utilizzati in una varietà di attività, tra cui miniere, cave e grandi lavori di ingegneria civile. La loro presenza in un sito rappresenta un pericolo particolare che richiede una gestione specifica. Tuttavia, l'altra fonte di "esplosioni" può essere ugualmente devastante, in particolare se il pericolo non è stato riconosciuto. Le sovrappressioni che portano a picchi di pressione possono essere il risultato di processi chimici all'interno degli impianti o di effetti puramente fisici, come si verificherà se un recipiente viene riscaldato esternamente, portando alla sovrapressurizzazione. Il termine BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) ha qui le sue origini, riferendosi originariamente al guasto delle caldaie a vapore. Ora è anche comunemente usato per descrivere l'evento in cui un recipiente a pressione contenente un gas liquefatto come il GPL (gas di petrolio liquefatto) fallisce in un incendio, rilasciando il contenuto infiammabile, che poi si accende per produrre una "palla di fuoco".

D'altra parte, la sovrapressione può essere causata internamente da un processo chimico. Nelle industrie di processo, l'autoriscaldamento può portare a una reazione incontrollata, generando temperature e pressioni elevate in grado di provocare uno scoppio di pressione. Tuttavia, il tipo più comune di esplosione è causato dall'accensione di una miscela gas/aria infiammabile che è confinata all'interno di un elemento di un impianto o addirittura all'interno di qualsiasi struttura o involucro confinante. Il prerequisito è la formazione di una miscela infiammabile, un evento che dovrebbe essere evitato da una buona progettazione e gestione. In caso di rilascio accidentale, esisterà un'atmosfera infiammabile ovunque la concentrazione del gas (o del vapore) sia compresa tra il limite inferiore e superiore di infiammabilità (Tabella 1). Se una sorgente di ignizione viene introdotta in una di queste regioni, una fiamma premiscelata si propagherà rapidamente dalla sorgente, convertendo la miscela carburante/aria in prodotti di combustione a temperatura elevata. Questo può arrivare fino a 2,100 K, indicando che in un sistema completamente chiuso inizialmente a 300 K, è possibile una sovrapressione fino a 7 bar. Solo recipienti a pressione appositamente progettati sono in grado di contenere tali sovrapressioni. Gli edifici ordinari cadranno a meno che non siano protetti da pannelli di scarico della pressione o dischi di rottura o da un sistema di soppressione delle esplosioni. Se una miscela infiammabile si forma all'interno di un edificio, la successiva esplosione può causare danni strutturali significativi, forse la distruzione totale, a meno che l'esplosione non possa sfogarsi all'esterno attraverso aperture (ad esempio, il cedimento di finestre) create durante le prime fasi dell'esplosione.

Esplosioni di questo tipo sono anche associate all'accensione di sospensioni di polvere in aria (Palmer 1973). Questi si incontrano quando c'è un accumulo sostanziale di polvere "esplosiva" che viene rimossa da mensole, travi e sporgenze all'interno di un edificio per formare una nuvola, che viene poi esposta a una fonte di ignizione (ad esempio, in mulini, elevatori per cereali, ecc. .). La polvere deve (ovviamente) essere combustibile, ma non tutte le polveri combustibili sono esplosive a temperatura ambiente. I test standard sono stati progettati per determinare se una polvere è esplosiva. Questi possono anche essere usati per illustrare che le polveri esplosive presentano “limiti di esplosività”, simili nel concetto ai “limiti di infiammabilità” di gas e vapori. In generale, un'esplosione di polvere ha il potenziale per causare molti danni perché l'evento iniziale può causare il distacco di più polvere, formando una nuvola di polvere ancora più grande che inevitabilmente si accenderà, producendo un'esplosione ancora più grande.

Sfiato dell'esplosione, o sollievo dall'esplosione, funzionerà con successo solo se il tasso di sviluppo dell'esplosione è relativamente lento, come associato alla propagazione di una fiamma premiscelata attraverso una miscela infiammabile stazionaria o una nuvola di polvere esplosiva. Lo sfiato dell'esplosione è inutile se è coinvolta la detonazione. La ragione di ciò è che le aperture di scarico della pressione devono essere create in una fase iniziale dell'evento, quando la pressione è ancora relativamente bassa. Se si verifica una detonazione, la pressione aumenta troppo rapidamente perché i soccorsi siano efficaci e il recipiente che lo racchiude o l'elemento di una pianta subisce pressioni interne molto elevate che porteranno a una massiccia distruzione. Detonazione di una miscela di gas infiammabile può verificarsi se la miscela è contenuta all'interno di un lungo tubo o condotto. In determinate condizioni, la propagazione della fiamma premiscelata spingerà il gas incombusto davanti al fronte di fiamma ad una velocità che aumenterà la turbolenza, che a sua volta aumenterà la velocità di propagazione. Ciò fornisce un ciclo di feedback che farà accelerare la fiamma fino a formare un'onda d'urto. Questo, combinato con il processo di combustione, è un'onda di detonazione che può propagarsi a velocità ben superiori a 1,000 m/s. Questo può essere confrontato con il velocità di combustione fondamentale di una miscela stechiometrica propano/aria di 0.45 m/s. (Questa è la velocità con cui una fiamma si propagherà attraverso una miscela propano/aria quiescente (cioè non turbolenta).)

L'importanza della turbolenza sullo sviluppo di questo tipo di esplosione non può essere sottovalutata. Il corretto funzionamento di un sistema di protezione contro le esplosioni si basa sullo sfiato anticipato o sulla soppressione anticipata. Se la velocità di sviluppo dell'esplosione è troppo elevata, il sistema di protezione non sarà efficace e si possono produrre sovrapressioni inaccettabili.

Un'alternativa al sollievo dall'esplosione è soppressione dell'esplosione. Questo tipo di protezione richiede che l'esplosione venga rilevata in una fase molto precoce, il più vicino possibile all'accensione. Il rilevatore viene utilizzato per avviare il rapido rilascio di un soppressore nel percorso della fiamma che si propaga, arrestando efficacemente l'esplosione prima che la pressione sia aumentata a un livello tale da minacciare l'integrità dei confini di protezione. Gli halon sono stati comunemente usati per questo scopo, ma poiché questi vengono gradualmente eliminati, si sta ora prestando attenzione all'uso di sistemi di nebulizzazione dell'acqua ad alta pressione. Questo tipo di protezione è molto costoso e ha un'applicazione limitata in quanto può essere utilizzato solo in volumi relativamente piccoli all'interno dei quali l'inibitore può essere distribuito rapidamente e uniformemente (ad esempio, condotti che trasportano vapore infiammabile o polveri esplosive).

Analisi delle informazioni per la protezione antincendio

In termini generali, solo di recente la scienza del fuoco è stata sviluppata a uno stadio in cui è in grado di fornire la base di conoscenze su cui basare decisioni razionali riguardanti la progettazione ingegneristica, comprese le questioni di sicurezza. Tradizionalmente, la sicurezza antincendio si è sviluppata su un ad hoc base, rispondendo efficacemente agli incidenti imponendo regolamenti o altre restrizioni per garantire che non si ripetano. Si potrebbero citare molti esempi. Ad esempio, il Grande Incendio di Londra del 1666 portò a tempo debito all'istituzione dei primi regolamenti edilizi (o codici) e allo sviluppo dell'assicurazione contro gli incendi. Incidenti più recenti, come gli incendi di grattacieli a San Paolo, in Brasile, nel 1972 e nel 1974, hanno avviato modifiche ai regolamenti edilizi, inquadrati in modo tale da prevenire simili incendi con più vittime in futuro. Altri problemi sono stati affrontati in modo simile. In California, negli Stati Uniti, è stato riconosciuto il rischio associato ad alcuni tipi di mobili imbottiti moderni (in particolare quelli contenenti schiuma poliuretanica standard) e alla fine sono state introdotte norme rigorose per controllarne la disponibilità.

Si tratta di semplici casi in cui l'osservazione delle conseguenze di un incendio ha portato all'imposizione di un insieme di regole volte a migliorare la sicurezza dell'individuo e della collettività in caso di incendio. La decisione di agire su qualsiasi questione deve essere giustificata sulla base di un'analisi della nostra conoscenza degli incidenti di incendio. È necessario dimostrare che il problema è reale. In alcuni casi – come gli incendi di San Paolo – questo esercizio è accademico, ma in altri, come “dimostrare” che l'arredamento moderno è un problema, è necessario assicurarsi che i relativi costi siano saggiamente spesi. Ciò richiede una banca dati affidabile sugli incidenti di incendio che su un certo numero di anni sia in grado di mostrare le tendenze del numero di incendi, il numero di vittime, l'incidenza di un particolare tipo di accensione, ecc. Le tecniche statistiche possono quindi essere utilizzate per esaminare se una tendenza o un cambiamento è significativo e vengono prese misure appropriate.

In un certo numero di paesi, i vigili del fuoco sono tenuti a presentare un rapporto su ogni incendio assistito. Nel Regno Unito e negli Stati Uniti, l'ufficiale responsabile compila un modulo di segnalazione che viene poi presentato a un'organizzazione centrale (l'Home Office nel Regno Unito, la National Fire Protection Association, NFPA, negli Stati Uniti) che quindi codifica ed elabora i dati in modo prescritto. I dati sono quindi disponibili per l'ispezione da parte di enti governativi e altre parti interessate. Questi database hanno un valore inestimabile nell'evidenziare (ad esempio) le principali fonti di ignizione e gli elementi accesi per primi. Un esame dell'incidenza degli incidenti mortali e della loro relazione con fonti di ignizione, ecc. ha dimostrato che il numero di persone che muoiono in incendi provocati da materiali per fumatori è significativamente sproporzionato rispetto al numero di incendi che hanno origine in questo modo.

L'affidabilità di questi database dipende dall'abilità con cui i vigili del fuoco eseguono le indagini sugli incendi. L'indagine sugli incendi non è un compito facile e richiede notevoli capacità e conoscenze, in particolare una conoscenza della scienza del fuoco. I vigili del fuoco nel Regno Unito hanno l'obbligo legale di presentare un modulo di segnalazione dell'incendio per ogni incendio assistito, il che pone una notevole responsabilità sull'ufficiale responsabile. La costruzione del modulo è fondamentale, in quanto deve ottenere le informazioni richieste in modo sufficientemente dettagliato. Il “Basic Incident Report Form” raccomandato dalla NFPA è mostrato nel Manuale di protezione antincendio (Côte 1991).

I dati possono essere utilizzati in due modi, sia per identificare un problema di incendio sia per fornire l'argomentazione razionale necessaria per giustificare una particolare linea d'azione che può richiedere spese pubbliche o private. Un database di lunga data può essere utilizzato per mostrare gli effetti delle azioni intraprese. I seguenti dieci punti sono stati raccolti dalle statistiche NFPA nel periodo 1980-1989 (Cote 1991):

1. I rilevatori di fumo domestici sono ampiamente utilizzati e molto efficaci (ma permangono lacune significative nella strategia di rilevamento).

2. Gli irrigatori automatici producono grandi riduzioni della perdita di vite umane e proprietà. L'aumento dell'uso di apparecchiature portatili e di riscaldamento delle aree ha aumentato notevolmente gli incendi domestici che coinvolgono apparecchiature di riscaldamento.

3. Gli incendi incendiari e sospetti hanno continuato a diminuire rispetto al picco degli anni '1970, ma i danni alla proprietà associati hanno smesso di diminuire.

4. Gran parte dei decessi dei vigili del fuoco sono attribuiti ad attacchi di cuore e attività al di fuori del luogo dell'incendio.

5. Le aree rurali hanno i più alti tassi di morte per incendio.

6. I materiali da fumo che danno fuoco a mobili imbottiti, materassi o biancheria da letto producono gli scenari di incendio residenziale più letali.

7. I tassi di mortalità per incendi negli Stati Uniti e in Canada sono tra i più alti di tutti i paesi sviluppati.

8. Gli stati del Vecchio Sud negli Stati Uniti hanno i più alti tassi di morte per incendio.

9. Gli anziani sono particolarmente a rischio di morte in caso di incendio.

Tali conclusioni sono, ovviamente, specifiche per paese, sebbene vi siano alcune tendenze comuni. Un uso attento di tali dati può fornire i mezzi per formulare solide politiche in materia di sicurezza antincendio nella comunità. Tuttavia, va ricordato che questi sono inevitabilmente “reattivi”, piuttosto che “proattivi”. Le misure proattive possono essere introdotte solo dopo una dettagliata valutazione del rischio di incendio. Tale linea d'azione è stata introdotta progressivamente, a partire dall'industria nucleare e spostandosi nelle industrie chimiche, petrolchimiche e offshore, dove i rischi sono definiti molto più facilmente che in altri settori. La loro applicazione agli hotel e agli edifici pubblici in genere è molto più difficile e richiede l'applicazione di tecniche di modellazione del fuoco per prevedere l'andamento di un incendio e il modo in cui i prodotti dell'incendio si diffonderanno attraverso l'edificio influenzando gli occupanti. Sono stati compiuti importanti progressi in questo tipo di modellazione, anche se va detto che c'è ancora molta strada da fare prima che queste tecniche possano essere utilizzate con sicurezza. L'ingegneria della sicurezza antincendio ha ancora bisogno di molta ricerca di base nella scienza della sicurezza antincendio prima che strumenti affidabili di valutazione del rischio di incendio possano essere resi ampiamente disponibili.

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