L OSSIGENO, L INCENDIO, GLI EFFETTI SULL UOMO.

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1 in collaborazione con Consulta Regionale Ordini Ingegneri Lombardia L OSSIGENO, L INCENDIO, GLI EFFETTI SULL UOMO. Bortolo Balduzzi Mantova, 26 maggio 2017

2 L OSSIGENO molecolabiatomica O 2 ; numeroatomico8 1s 2 2s 2 2p 4 n quantico principale 1 n quantico principale 2 massaatomica15,9994gmol -1 massamolecolare32gmol -1 percentuale in volume nell aria ambiente20,9%;

3 CONSIDERAZIONI SUL VOLUME DEI GAS COINVOLTI NELL INCENDIO nell incendio, contrariamente a quanto avvieneperaltreconsiderazionisuiprocessi di combustione, non si tiene mai conto dell eccessod aria; tale considerazione deriva dal fatto che si presuppone che il materiale bruci fino al suototaleesaurimentoecheilquantitativo d aria necessario sia, nell ipotesi più cautelativa,quellostechiometrico;

4 CONSIDERAZIONI SUL VOLUME DEI GAS COINVOLTI NELL INCENDIO In realtà la massa combustibile interessata da incendio difficilmente partecipa nella sua totalità al processo di combustioneper: materiale combustibile entro contenitori incombustibili; distribuzionespazialesfavorevole; ammassamentosfavorevole; abbassamentodella%dio 2 nelcompart. umiditàdellamassacombustibile.

5 CONSIDERAZIONI SUL VOLUME DEI GAS COINVOLTI NELL INCENDIO di questa circostanza si tiene conto, per i materiali principalmente cellulosici, con il fattoredipartecipazioneallacombustione m i = 0,80 80 e con il fattore di limitazione alla combustione ψ i = 0,85 combustibili. 85 per contenitori non (UNI EN , D.M , D.M cap. S.2-Co.p.i.).

6 CONSIDERAZIONI SUL VOLUME DEI GAS COINVOLTI NELL INCENDIO Il rapporto tra la massa mo 2 di O 2, necessaria per ossidare una massa m c di combustibile è denominata oxigenfuel mass ratio ed è frequently indicatainletteraturaconr O m O r = 2 o m c

7 CONSIDERAZIONI SUL VOLUME DEI GAS COINVOLTI NELL INCENDIO Il rapporto tra la massa m aria di aria, necessaria per ossidare una massa m c di combustibile è indicata in letteratura conr aria r = aria m aria m c

8 CONSIDERAZIONI SUL VOLUME DEI GAS COINVOLTI NELL INCENDIO Considerando che una mole di aria ha massamolareparia28,8g,cheunadi O 2 ha massa molare di 32 g e che la percentuale,involume, dio 2 inariaè del21%siottiene: r aria r O = m m c aria m c mo 2 = 1 0,21 28,8 32 = 4,29 equindi: r = 4,29 r aria O

9 tab. 1 r O e r aria PER ALCUNI COMBUSTIBILI COMBUSTIBILE r o (g O2 /g combust. ) r aria (g aria /g combust. ) COMBUSTIBILE r o (g O2 /g combust. ) r aria (g aria /g combust. ) ACETILENE 3,10 13,30 FORMALDEIDE 1,07 4,59 ACETONE 2,20 9,40 IDROGENO 8,00 34,30 BENZENE 3,10 13,30 CARBONE 2,70 11,60 ETANOLO 2,10 9,00 ACIDO CIANIDRICO CARBON MONOXIDE POLICLORURO DI VINILE 1,48 6,53 0,57 2,44 1,40 6,00 METANO 4,00 17,20 POLISTIRENE 3,10 13,20 LEGNO 1,30 5,70 POLIURETANO 1,70 7,30 PROPANO 3,60 15,60 NYLON 2,30 9,90 POLIETILENE 3,40 14,60 CELLULOSA 1,20 5,10 POLIPROPILEN E 3,80 16,30 POLICARBONATO 2,30 9,80 STIRENE 3,07 13,30 TOLUENE 3,10 13,30

10 Con i valori di tab. 1 è rapido ed immediato eseguire i calcoli del fabbisogno di O 2. esercizio: per bruciare 664,48 g di CH 4 (1 m 3 a 20 C ed a p atmosferica) servono, con il dato di tab. 1, per il metano: 664,48 r aria CH4 = 664,48 x 17,20 = ,05 g di aria che, a 20 C, corrispondono ad un volume: R T ,05 8, ,15 V = n = = p 28,8 101,226E3 9,51 m 3 Per bruciare 1m 3 di metano, a pressione atmosferica, servono, notoriamente, ~ 10 m 3 di aria.

11 ENERGIA RILASCIATA DA UN COMBUSTIBILE PER UNITA DI MASSA DI COMBURENTE ARIA (MJ/kg aria ) Se si divide il valore del p.c.i. (MJ) di un qualsiasi combustibile per la massa di comburente necessaria per la combustione completa si ottiene che tale rapporto vale: P = 3, 00 c aria ΜJ kg aria

12 ENERGIA RILASCIATA DA UN COMBUSTIBILE PER UNITA DI MASSA DICOMBURENTE O 2 (MJ/kg O2 ) Se si divide il valore del p.c.i. (MJ) di un qualsiasi combustibile per la massa di comburente, necessaria per la combustione completa si ottiene che tale rapporto vale: MJ P c O 2 = 13, 10 kg O 2

13 esempio :il legno standard ha p.c.i. pari a x 427 x 9,8 E-6 = 17,57 MJ/kg e necessita di 5,7 kg di aria (o di 1,3 kg di O 2 ) (tab.1). Si ottiene pertanto: 17,57 P = = 3, 08 c aria, legno 5,7 MJ kg aria P c 17,57 = = 13, 51 O2, legno 1,3 MJ kg O 2

14 Tali rapporti sono fondamentali perché rappresentano l energia rilasciata dall incendio per unità di massa comburente entrante nel compartimento. E ciò indipendentemente dal combustibile ivi contenuto.

15 tab. 2 - ENERGIA RILASCIATA DA UN COMBUSTIBILE PER UNITA DIMASSADICOMBURENTE (MJ/kg O2,aria ) COMBUSTIBILE MJ/kg O2 MJ/kg aria METANO 12,54 2,91 PROPANO 12,80 2,97 ETANOLO 12,88 2,99 ACETONE 14,00 3,25 CELLULOSA 13,59 3,15 LEGNO 13,85 3,23 POLIETILENE 12,65 2,93 POLIPROPILENE 12,66 2,94 CLORURO DI VINILE 12,84 2,98 POLISTIRENE 12,97 3,01 NYLON 12,67 2,94 POLIURETANO 15,27 3,56 POLICARBONATO 13,12 3,04

16 Tali rapporti permettono facilmente, tra l altro,di: determinare la massima energia rilasciabiledall incendionotalaquantitàdi comburente in ingresso o presente nel compartimento; determinare la massa di combustibile che può bruciare a fronte di una determinata quantità di comburente disponibile nel compartimento.

17 determinare il volume di aria totale necessariaperlacombustione. Sinotiche: è possibile limitare lo sviluppo di energia da combustione limitando l apporto di aria (dio 2 )alcompartimento;

18 ENERGIA RILASCIATA DA UN COMBUSTIBILE PER UNITA DI MASSA DI COMBURENTE esempio: dato un compartimento avente dimensioni di 30,00 x 100,00 x 7,00 m, determinare la massima energia rilasciabile nel compartimento senza apporto di aria esterna; -volume di aria del compartimento: 30,00x100,00x7,00= m 3 30,00 m 7,00 m

19 ENERGIA RILASCIATA DA UN COMBUSTIBILE PER UNITA DI MASSA DI COMBURENTE -corrispondenteadunnumerodimolidio 2 n = p V R T = , 56 (0, ) 8, , 15 = ,23 moli di O 2 -massadio 2 presentenelcompartimento: ,23 E3 32 = 5.861,06 kg di O 2

20 ENERGIA RILASCIATA DA UN COMBUSTIBILE PER UNITA DI MASSA DI COMBURENTE -energia massima rilasciabile nel compartimento 5.861,06 P O 2 c = 1.172,21 13,1 = , 93 MJ corrispondente ad un carico specifico d incendio: q f ,93 MJ 25,60 kg = = 25,60 2 = = 1, m 17,5 m di l.s.

21 ENERGIA RILASCIATA DA UN COMBUSTIBILE PER UNITA DI MASSA DI COMBURENTE -nel compartimento quindi il carico di incendio di riferimento non può essere superioreatalevalore. -dividendo l energia massima rilasciabile, MJ, per il p.c.i. del materiale combustibile si ottiene la massa bruciabile. Nelcasodilegnocon p.c.i. = 18,41 MJ/kg m = = 834, 11 c 18, 41 kg

22 ENERGIA RILASCIATA DA UN COMBUSTIBILE PER UNITA DI MASSA DI COMBURENTE N.B. In realtà tale quantità di combustibile non potrà bruciare completamente; risultati sperimentali indicano infatti che quando la % di O 2 in ambiente scende al di sotto del % (~ ½ della concentrazione atmosferica) il processo di combustione non è più in grado diautosostenersi.

23 La piròlisi

24 La piròlisi

25 La piròlisi del legno n FASE t ( C) ESSICAZIONE EvaporazioneH 2 O GASSIFICAZIONE Scomposizione termica piròlisi, liberazione gas combustibili (CO, C n H m )ecarbonesolido(c) OSSIDAZIONE Combustione dei gas di piròlisi e del carbone(c) 100 < t < < t < < t < 1.300

26 Lapiròlisièpiùveloceinmasseconbassainerziatermica con: b ρ densità del materiale (kg/m 3 ); ( kj / m 2 s 0,5 K) c p calore specifico del materiale (kj/kg K); p = ρ λ conduttività termica del materiale (kw/m K); Esempio: -Poliuretano,inerziatermicab=41kJ/m 2 s 0,5 K -Legnodipino,inerziatermicab=500kJ/m 2 s 0,5 K c p λ IL POLIURETANO BRUCIA PIU FACILMENTE DEL LEGNO DI PINO

27 Temperatura T ( C) LA CURVA T-t Temperatura tempo (1) t = 0 INCENDIO PIENAMENTE SVILUPPATO (post Flashover) MISURE PASSIVE VELOCITA DI COMBUSTIONE ṁ c = COSTANTE Requisiti all.to A D. M R, E, EI, M, W, S.. 2 d T 2 dt = 0 tempo t (min)

28 LA CURVA T-t Temperatura tempo (2)

29 LA CURVA T-t Temperatura-tempo(3) la curva Temperatura - tempo non fornisce tutte le indicazioni utili per essere considerata un modello esaustivo dell incendio. fino al punto di flashover ha valore puramente convenzionale e non descrive fisicamente alcun fenomeno; il flashover è sempre possibile e non è noto il tempo a cui si verifica; parimenti non si hanno informazioni sulla durata dell incendio.

30 LA CURVA T-t Temperatura-tempo(3) non si hanno indicazioni sull energia messa in gioco (potenza liberata nel compartimento) nell evoluzione temporale dell incendio; non vengono forniti valori di concentrazione dei gas di combustione nel compartimento; gli effetti delle eventuali azioni di spegnimento sono di difficile valutazione;

31 VELOCITA MASSIMA DI COMBUSTIONE - INCENDIO PIENAMENTE SVILUPPATO E CONTROLLATO DALLA VENTILAZIONE (post FLASHOVER) (Kawagoe& Sekine) mc, max = 0,092 A v h ṁ c, max Velocità massima di combustione (kg/s) A v Area superfici ventilanti (m 2 ) i i i h Dato dall espressione: (m) A i Area di ventilazione i-esima (m 2 ) h = Σ Ah Σ A i i h i Altezza della i-esima superficie ventilante A i (m)

32 OPENING FACTOR O A v h eq (rappresenta la normalizzazione di rispetto ad A t ) O = A v h eq A t O Opening factor (m 0,5 ) rappresenta la normalizzazione del compartimento, rispetto ad A t, sotto il profilo dell apporto di aria comburente. h = h eq Dato dall espressione: (m) A t Area superficie totale del compartimento (pareti, soffitto, pavimento) (m 2 ) A v Area superfici ventilanti (m 2 ) eq Σi Avi h Σ A i vi A v = Σ bh i i i i

33 OPENING FACTOR O ) 0,5 t eq v (m h O A A = ) (m 2 A 2 t L L L L L L = ) (m bh Σ A i i i v 2 = (m) A A h Σ h v i vi i eq =

34 VENTILATION FACTOR O (dal manuale CFAST)

35 Es.4: determinare il fattore di ventilazione O di un compartimento avente dimensioni larghezza 19,00 m, lunghezza 23 m, altezza 4,00 m; sulle pareti laterali sono presenti: -n 2porte 2,00x2,20m -n 4finestre 2,00x1,50m -n 5finestre 2,50x1,50m 1.0-DIMENSIONI DEL COMPARTIMENTO (m) L1 L2 L3 4,00 19,00 23, DIMENSIONE APERTURE progr. n b h n b h n b h 2 DI VENTILAZIONE (m) 1 2 2,00 2,20 8,80 19, ,00 1,50 12,00 18, ,50 1,50 18,75 28, ,00 0,00 0,00 0, ,00 0,00 0,00 0, ,00 0,00 0,00 0, ,00 0,00 0,00 0, A t = 1.210,00 m h eq = 1,66 m 4.0- A v = 39,55 m O = 0,042 m 0,5

36 Burning rate ṁ c in funzione di q f e di O INCENDIO PIENAMENTE SVILUPPATO (curve sperimentali di Thomas-Heselden) ṁ c ventilation controlled fuel bed controlled key q f (MJ/m 2 ) x mc, max = 6 A v h ( Heselden) mc, max = 5, 5 A v h ( Kawagoe) A v A At h v h eq Da O. Vassart: Background & Applications Structural Fire Design

37 INCENDIO CONTROLLATO DALLA VENTILAZIONE E INCENDIO CONTROLLATO DAL COMBUSTIBILE(1) Incendio controllato dalla ventilazione: la velocità di combustione ṁ c dipende solo dall apporto di comburente valutato tramite il fattore di ventilazione O, (Kawagoe & Sekine, Heselden, Law.); Incendio controllato dal combustibile: la velocità di combustione è fortemente influenzata da quantità (q f ), forma, porosità, pezzatura, orientamento del combustibile e non dall apporto di comburente; ad es. le bobine di carta bruciano molto più facilmente se immagazzinate con l asse verticale anziché orizzontale.;

38 Lavelocitàdicombustioneṁ c èall incircaproporzionalealvaloredi q f ; INCENDIO CONTROLLATO DALLA VENTILAZIONE E INCENDIO CONTROLLATO DAL COMBUSTIBILE(2) Il valore di O che separa i due regimi è all incirca di 0,06 0,07m 0,5 (inletteraturavienespessoindicatoancheilvalore 0,08m 0,5 ). Generalmente l incendio, nelle prime fasi, ignizione e crescita, è controllato dal combustibile e, successivamente, in particolare dopo il flashover, diventa controllato dalla ventilazione;

39 VELOCITA MASSIMA DI COMBUSTIONE - INCENDIO PIENAMENTE SVILUPPATO E CONTROLLATO DALLA VENTILAZIONE (post FLASHOVER) - INFLUENZADI WeD(Law-1983) eq c, max = 0,18 Av e m h D W ( 0,036 Ω 1 ) ṁc, max Velocità massima di combustione (kg/s) A v Area superfici ventilanti (m 2 ) h = h eq Dato dall espressione: (m) A i Area di ventilazione i-esima (m 2 ) eq Σi Avi h Σ A i vi i h i Altezza della i-esima superficie ventilante A i (m)

40 VELOCITA MASSIMA DI COMBUSTIONE - INCENDIO PIENAMENTE SVILUPPATO E CONTROLLATO DALLA VENTILAZIONE (post FLASHOVER) - INFLUENZADI WeD(Law-1983) W D Larghezza del compartimento (m) Lunghezza del compartimento (m) Ω Dato dall espressione: (m -0,5 ) Ω Quando W=D(compartimento a pianta quadrata) ed O = = 0,05 = m 0,5 (W = 20) la formula di Law e quella di Kawagoe & Sekine forniscono gli stessi risultati. A A t v A h v eq A A v h eq t

41 Composizione dell aria atmosferica secca COMPONENTE FORMULA PROPORZIONE O FRAZIONE MOLARE AZOTO N 2 78,08% (in volume) OSSIGENO O 2 20,95% (in volume) ARGON Ar 0,934% (in volume) ANIDRIDECARBONICA CO 2 404,16 ppm NEON Ne 18,18 ppm ELIO He 5,24 ppm MONOSSIDO DI AZOTO NO 5 ppm KRIPTON Kr 1,14 ppm METANO CH ppm HIDROGENO H 2 0,5 ppm OSSIDO DIAZOTO N 2 O 0,5 ppm XENO Xe 0,087 ppm DIOSSIDO DIAZOTO NO 2 0,02 ppm OZONO O 3 da 0 a 0,01 ppm RADON Rn ppm

42 Standard atmosphere 1976 ALTITUDINE (geometrica, m) TEMPERATURA ASSOLUTA (K) PRESSIONE (hpa) DENSITÀ (kg/m³) VISCOSITÀ DINAMICA (Pa s) VELOCITÀ DEL SUONO (m/s)

43 O 2 (%lein vol.) effetti e sintomi 22,50 Massima concentrazione di sicurezza. 21 Concentrazione media in aria Non ci sono sintomi riconoscibili da parte della persona esposta. Si deve effettuare valutazione del rischio per appurarelasicurezza* ) Riduzione delle prestazioni fisiche e intellettuali senza che la personaespostanesiacosciente.* esposta ne sia ) Possibilità di svenimento entro pochi minuti, senza preavviso. Rischiodimorteper%lediO 2 <11%* ) Esposizione di 6 minuti: 50% di probabilità di morte; Esposizione di 8 minuti: 100% di probabilità di morte; Svenimento immediato, coma in 40 secondi, convulsioni, blocco respirazione, morte, danni cerebrali anche se la vittima èsoccorsa.* ) * ) Da documento

44 Legge di DALTON o delle proporzioni multiple In una miscuglio di gas, volume V e temperatura T, la pressione totale è pari alla somma della pressione che ciascun gas ha nel medesimo volume alla stessa temperatura. N 2 = 0,79 V V ptot p 2 p N 2 = V + O O 2 N 2 V O 2 = 0,21 V p tot = po2 + pn 2

45 p tot V Legge di DALTON o delle proporzioni multiple = ( no 2 + nn 2 ) R T (1) applicata a tutto il volume V p O 2 V = no 2R T (2) applicata a tutto il volume V al solo O 2 p tot 0,21V = no 2R T (3) applicata a 0,21 V al solo O 2 dividendo membro a m. la (2) con la (1) e tenendo conto della (3): p p O2 tot = n no 2 +n O2 tot = p 0, 21 V R T ptot V R T tot = 0, 21 Alla pressione di 760 mm Hg la tensione parziale di ossigeno vale: p O2 = 0, = 159,60mm Hg (0, ,225 E3 = 21,258 kpa)

46 pressione parziale O 2 kpa quota m. s.l.m. pressione atmosferica kpa

47 La saturazione dell emoglobina Gli eritrociti (globuli rossi) sono cellule anucleate presenti nel sangue, responsabili, tra l'altro, del suo colore rosso. La loro funzione di trasporto dell'ossigeno dai polmoni ai tessuti è resa possibile da una proteina in essi presente, l'emoglobina, capace di legarsi stabilmente alla molecoladio 2.

48 La saturazione dell emoglobina La loro forma biconcava si deve interpretare come un adattamento biologico che ne rende massima la superficie di scambio rapportata al volume(s/v max).

49 La saturazione dell emoglobina eritrociti cellule anucleate emoglobina Hb (proteina) gruppo EME Fe ++ catene α, catene β

50 La saturazione dell emoglobina

51 La saturazione dell emoglobina quota s.l.m. pressione parziale O 2 in aria (mm Hg) saturazione di O 2 (%ledi emoglobina saturata) 0, % % % 78% limite di sicurezza per la saturazione dell emoglobina Saturazione dell emoglobina in funzione della pressione parzialedio 2 inaria.