UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE COMBATE A INCÊNDIO
DE UMA BASE DE ARMAZENAMENTO DE COMBUSTÍVEIS
Luan Werneck Richa
DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE COMBATE A INCÊNDIO
DE UMA BASE DE ARMAZENAMENTO DE COMBUSTÍVEIS
Luan Werneck Richa
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Prof. Reinaldo de Falco, Eng.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL DEZEMBRO DE 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ
DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE COMBATE A INCÊNDIO
DE UMA BASE DE ARMAZENAMENTO DE COMBUSTÍVEIS
Luan Werneck Richa
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________ Prof. Reinaldo de Falco, Eng.
________________________________________________ Prof. Fábio Luiz Zamberlan, DSc.
________________________________________________ Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, DSc.
Richa, Luan Werneck
Dimensionamento Do Sistema De Combate A Incêndio De Uma Base De Armazenamento De Combustíveis/ Luan Werneck Richa – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2019.
XVI, 109 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Reinaldo de Falco, Eng.
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 68-69.
1. Sistema de combate a incêndio. 2. Cálculo hidráulico. 3. Armazenamento de combustíveis líquidos. I. de Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Dimensionamento do sistema de combate a incêndio de uma base de armazenamento de combustíveis.
"Your work is going to fill a large part of your life, and the only way to be truly satisfied is to do what you believe is great work. And the only way to do great work is to love what you do.”
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha família, sempre presente, apoiando e incentivando. Vocês foram a minha força nesse longo processo.
À Izadhora, minha noiva, por seu incentivo, paciência e suporte que são e serão sempre minha maior motivação.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Ricardo Naveiro, pela orientação acadêmica durante os anos de faculdade e pelas diversas oportunidades e ensinamentos que me proporcionou.
Ao Prof. Reinaldo de Falco, pela disposição e pela orientação no presente trabalho.
A todos os amigos da Equipe Icarus UFRJ de Formula SAE, com quem compartilhei dois anos de aprendizado, trabalho, conquistas e alegrias.
A todos os amigos e colegas de profissão com quem tive o prazer de compartilhar essa longa caminhada.
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Dimensionamento Do Sistema De Combate A Incêndio De Uma Base De Armazenamento De Combustíveis
Luan Werneck Richa Dezembro/2019
Orientador: Reinaldo de Falco. Curso: Engenharia Mecânica
Sistemas de combate a incêndio das instalações industriais contam com normas e procedimentos rigorosos para garantir a segurança, evitando e combatendo focos de incêndio. Em bases industriais voltadas para manipulação e armazenamento de combustíveis e inflamáveis este fato é ampliado devido à grande capacidade térmica envolvida que resulta em grandes impactos causados em caso de sinistro.
Este projeto é um estudo e dimensionamento de um sistema de combate a incêndio de uma base de armazenamento de combustíveis. Foi realizado o dimensionamento dos equipamentos, projeto dos dutos e a verificação dos requisitos hidráulicos da bomba, com objetivo de evitar e minimizar os impactos de um sinistro.
Para a realização dos cálculos, foi desenvolvida uma ferramenta computacional em Visual Basic for Applications contendo a equação de Hazen-Willians, o método de Hardy Cross e os princípios básico da mecânica dos fluidos.
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
Fire Protection Design for a Liquids Combustible Storage Base.
Luan Werneck Richa Dezembro/2019
Advisor: Reinaldo de Falco Course: Mechanical Engineering
Industrial fire protection systems have strict standards and procedures to ensure safety by preventing and fighting fire focus.
In industrial bases focused on storage and handling of combustible and flammables liquids this fact is increased due to the large termal capacity involved resulting in large impacts caused by hazards.
This project is a study and design of a fire protection system of a liquid combustible storage base. Therefore, the equipment, the piping sistem and the hidraulic requirements of the pump are designed to avoid and minimize the impacts of an hazard.
To perform the calculations, a computational tool was developed in Visual Basic for Applications containing the Hazen-Willians equation, the Hardy Cross method and the basic
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 1
OBJETIVOS ... 1
ESTRUTURA DO TRABALHO ... 2
2. INTRODUÇÃO A PREVENÇÃO E COMBATE A INCÊNDIO ... 3
SISTEMAS DE COMBATE A INCÊNDIO ... 3
TIPOS DE PROTEÇÕES CONTRA INCÊNDIO ... 3
MÉTODOS DE EXTINÇÃO DO INCÊNDIO ... 3
RESFRIAMENTO ... 4
ABAFAMENTO ... 4
ISOLAMENTO ... 4
QUEBRA DA REAÇÃO EM CADEIA ... 4
CLASSES DE INCÊNDIO ... 5 CLASSE A ... 5 CLASSE B ... 5 CLASSE C ... 6 CLASSE D ... 6 CLASSE K ... 6
VISÃO GERAL PARA BASES DE ARMAZENAMENTO DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS ... 7
DESCRIÇÃO DA UNIDADE ... 8
SISTEMA FIXO DE COMBATE A INCÊNDIO ... 9
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 11
EQUAÇÕES BÁSICAS ... 11
FORMULAÇÃO DE PERDA DE CARGA ... 12
EQUAÇÃO DE DARCY-WEISBACH ... 13
PERDAS DE CARGA LOCAIS ... 16
CAVITAÇÃO E NPSH ... 16
ANÁLISES DE ESCOAMENTOS EM REGIME PERMANENTE ... 18
REDES DE TUBULAÇÕES COM CIRCUITO FECHADO E DIVERSOS CONSUMIDORES ... 18
4. CRITÉRIOS DE CÁLCULO – CONSIDERAÇÕES GERAIS ... 20
SIMULTANEIDADE E RISCO PREDOMINANTE ... 20
TANQUES VIZINHOS, CONSIDERAÇÕES PARA CÁLCULO DE ESPUMA E ÁGUA DE RESFRIAMENTO ... 20
CRITÉRIOS DE CÁLCULO DE RESFRIAMENTO E ESPUMA – TANQUES HORIZONTAIS ... 21
CRITÉRIOS DE CÁLCULO DE RESFRIAMENTO E ESPUMA - TANQUES VERTICAIS ... 22
CRITÉRIOS DE CÁLCULO DE ESPUMA – PLATAFORMAS DE CARREGAMENTO ... 24
SUBDIVISÃO DA BACIA DE CONTENÇÃO ... 25
VERIFICAÇÃO DAS BACIAS DE CONTENÇÃO ... 26
ENTRADAS PARA CÁLCULO DO RISCO PREDOMINANTE ... 27
ANÁLISE DOS RISCOS PREDOMINANTES ... 29
TANQUE TQ-001 ... 29 TANQUE TQ-002 ... 30 TANQUE TQ-003 ... 31 TANQUE TQ-004 ... 32 TANQUE TQ-005 ... 33 TANQUE TQ-006 ... 34 TANQUE TQ-007 ... 35 PLATAFORMA DE CARREGAMENTO ... 36
RESERVAS E VAZÕES PARA OS CASOS CRÍTICOS ... 36
SISTEMA FIXO – ENCAMINHAMENTO SIMPLIFICADO ... 37
VERIFICAÇÃO DA TUBULAÇÃO – DIÂMETRO MÍNIMO ... 38
HIDRANTES E CANHÕES MONITORES ... 40
CÂMARAS DE ESPUMA ... 42
PROPORCIONADORES DE ESPUMA ... 44
MANGUEIRAS E ESGUICHOS PARA HIDRANTES E CANHÃO MONITOR .... 46
ANÉIS ASPERSORES ... 47
COMBATE UTILIZADO PARA CADA SINISTRO ... 48
5. ANÁLISE DO SISTEMA E DETERMINAÇÃO DA BOMBA ... 50
REQUISITOS DO SISTEMA PROPOSTO ... 50
METODOLOGIA DE CÁLCULO ... 54
CENÁRIOS DE RISCO ... 55
ATUALIZAÇÃO DAS VAZÕES NOS RAMAIS ... 56
VERIFICAÇÃO E ATUALIZAÇÃO DOS DIÂMETROS DA TUBULAÇÃO ... 56
CÁLCULO DA PERDA DE CARGA PARA CADA RAMAL, TRECHO E EQUIPAMENTO ... 56
CÁLCULO DOS REQUISITOS MÍNIMOS PARA A BOMBA CONFORME PERDAS DE CARGAS E VAZÕES ... 57
CÁLCULO DAS PRESSÕES DE CHEGADA NOS EQUIPAMENTOS ... 57
CÁLCULO DAS NOVAS VAZÕES NOS EQUIPAMENTOS ... 57
ANÁLISE DO SISTEMA ... 57
VERIFICAÇÃO DO PONTO DE OPERAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS ... 57
DEFINIÇÃO DO PONTO DE OPERAÇÃO PARA RISCO PREDOMINANTE ... 58
BOMBAS DE INCÊNDIO ... 60
KSB MEGANORM 100-400 COM 1750 RPM ... 61
VERIFICAÇÃO DO SISTEMA DADA A BOMBA ... 64
VERIFICAÇÃO DAS RESERVAS E VAZÕES PARA OS CASOS CRÍTICOS ... 65
6. CONCLUSÃO E SUGESTÕES ... 67
7. BIBLIOGRAFIA ... 68
ANEXO A - CROQUI, DADOS DE ENTRADA E RESULTADOS ... 70
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Tetraedro do fogo... 5
Figura 2 - Vista superior das plataformas e da bacia da base (cotas em centímetros) ... 9
Figura 3 - Diagrama de Moody ... 15
Figura 4 - Modelo de rede fechada com diversos consumidores. ... 19
Figura 5 - Subdivisão das bacias de contenção ... 26
Figura 6 - Encaminhamento previsto da tubulação. ... 38
Figura 7 – Coluna de hidrante de referência... 41
Figura 8 - Localização dos hidrantes e canhões monitores para atendimento dos tanques ... 41
Figura 9 - Canhão monitor de referência ... 42
Figura 10 - Curva de perda de carga por vazão para o canhão monitor de referência. .. 42
Figura 11 - Câmara de espuma tipo MCS - Kidde ... 43
Figura 12 - Modelos e vazões de câmaras de espuma ... 43
Figura 13 - Modelo de proporcionador em linha. ... 44
Figura 14 - Modelos de proporcionadores em linha do tipo PL - Kidde ... 45
Figura 15 - Curva de perda de carga para a mangueira. ... 46
Figura 16 – Projeção horizontal do bico (abscissa) para um dado afastamento (ordenada) ... 48
Figura 17 - Hidrantes mais desfavoráveis ... 51
Figura 18 - Esquemático de divisão do sistema (onde h é a altura manométrica) ... 52
Figura 19 - Distribuição de HEAD e vazão para os cenários (antes das modificações) . 59 Figura 20 - Distribuição de HEAD e vazão para os cenários (depois das modificações). ... 60
Figura 21 - Catálogo da KSB, Meganorm com 1750 RPM e ponto de operação desejados. ... 61
Figura 22 - Curva da bomba Meganorm 100-400 - 1750 RPM ... 62
Figura 23 - Altura manométrica e vazão da bomba e dos cenários. ... 63
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Resumo dos tipos de combustíveis e classes de incêndio... 7
Tabela 2 - Resumo dos tanques da base ... 8
Tabela 3 - Vazão de água de resfriamento para tanques vizinhos com base na distância (para hidrantes e canhões monitores) ... 22
Tabela 4 - Tempo de combate com base na capacidade útil de armazenamento (somatório dos volumes dos tanques que constituem o maior risco predominante)... 23
Tabela 5 - Tempo de aplicação de espuma em bacias de tanques verticais ... 23
Tabela 6 - Taxa e tempo de aplicação de espuma em tanques verticais com hidrocarbonetos (IT-25) ... 24
Tabela 7 - Taxa e tempo de aplicação de espuma em tanques verticais com solventes polares (IT-25) ... 24
Tabela 8 - Taxa e tempo de aplicação de espuma em plataforma ... 25
Tabela 9 - Nova distribuição de bacias de tanques ... 27
Tabela 10 - Relação de tanques vizinhos e distâncias ... 28
Tabela 11 - Vazão para o Sistema Fixo de Combate a Incêndio (l/min) ... 36
Tabela 12 - Vazões máximas nos anéis aspersores e nas câmaras de espuma ... 36
Tabela 13 - Consumos críticos para o Sistema Fixo de Combate a Incêndio ... 37
Tabela 14 - Diâmetros requeridos e adotados de tubulação. ... 39
Tabela 15 - Vazões e modelos adotados inicialmente por tanque ... 43
Tabela 16 - Estimativa de câmaras e vazões para os proporcionadores ... 46
Tabela 17 - Número de bicos para atendimento de cada tanque ... 48
Tabela 18 - Combate e resfriamento para cada caso de sinistro. (Vazão mínima – Vazão real em l/min*) ... 49
Tabela 19 - Perda de carga nos trechos de tubulação ... 53
Tabela 20 - Dados da bomba para os 10 cenário antes das modificações. ... 59
Tabela 21 - Dados da bomba para os 10 cenário depois das modificações. ... 59
Tabela 22 - Atualização das câmaras de espuma e placas de orifício. ... 64
Tabela 23 – Atualização da vazão para o Sistema Fixo de Combate a Incêndio (l/min) 65 Tabela 24 – Atualização das vazões máximas nas tubulações dos anéis aspersores e das câmaras de espuma ... 65
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS AA – Anel Aspersor
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. AFFF – Aqueous Film-Forming Foam concentrate.
B-100 – Combustível com 100% de concentração de Biodíesel. CBM – Corpo de Bombeiros Militar.
CE – Câmara de espuma CM – Canhão monitor.
FFFP – Film-Forming Fluroprotein Foam concentrate. IT – Instrução Técnica.
LGE – Líquido Gerador de Espuma. NBR – Norma Brasileira.
NFPA – National Fire Protection Association. NPSH - Net Positive Suction Head.
PL – Proporcionador de espuma do tipo Proporcionador de Linha. PPM – Parte por milhão.
RJ – Rio de Janeiro. RO – Rondônia.
SFCI – Sistema Fixo de Combate a Incêndio. S-10 – Óleo díesel com 10 ppm de enxofre. S-500 – Óleo díesel com 500 ppm de enxofre. Tip. – Típico.
TQ – Tanque. TR – Trecho.
UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro. VBA – Visual Basic for Application.
1. INTRODUÇÃO
Combustíveis fluidos, derivados do petróleo ou biocombustíveis, são as principais fontes de energia da matriz energética contemporânea. Características como densidade energética volumétrica e facilidade de queima fazem dos combustíveis líquidos quase absolutos em modais de transporte.
Entretanto, o armazenamento e manuseio desses combustíveis em centros de distribuição exigem atenção especial devido a periculosidade acentuada em virtude ao grande poder calorífico. Por esta razão, são objeto de estudo de diversos institutos de pesquisas, além de haver rígido controle pelos órgãos competentes.
Por essa criticidade e pela alta repetitividade do projeto e dos processos, diversas características dessas bases de armazenamento são constantes alvos de normalização e regulamentação, como aspectos construtivos dos componentes, processos e sistemas de prevenção e combate a incêndios. Segundo a instrução técnica número 25 Parte I (Corpo de Bombeiros Militar do Estado de Rondônia, 2017), o sistema de combate a incêndio de uma base são todos os componentes com objetivo de mitigar impactos causados pelo incêndio, sendo eles materiais, humanos ou ambientais. Fazem parte deste sistema componentes elétricos (botoeiras, sirenes, etc.), tubulação de incêndio e seus componentes, reservatórios de água e líquidos geradores de espuma (LGE), equipamentos de resfriamento e aplicação de espuma (hidrantes, canhões monitores, aspersores, câmaras de espuma, etc.).
No Brasil, o foro nacional de normalização trata do armazenamento de líquidos inflamáveis e combustíveis na norma NBR 17505, sendo esta composta por 7 partes. Também estão presentes regulamentos técnicos estaduais produzidos pelo corpo de bombeiros, sob o nome de Instrução Técnica (IT), tendo sido utilizada neste corrente trabalho a Instrução Técnica n. 25 do Corpo de Bombeiros Militar do Estado de Rondônia.
OBJETIVOS
O presente projeto visa efetuar o estudo e dimensionamento dos componentes de um sistema de combate a incêndio, de acordo com as normas pertinentes e boas práticas da engenharia, de uma base de armazenamento de combustíveis líquidos existente.
Este projeto terá como foco as áreas de risco predominante da base, ou seja, tanques e suas bacias e plataformas de carregamento e descarregamento. Outras áreas de bases que
fixo, porém estas áreas demandam menores vazões para o atendimento e, desta forma, não constituem o risco predominante para dimensionamento.
Este projeto traz dois núcleos de estudo. O primeiro núcleo trata o estudo da demanda hidráulica da base para o sistema de combate a incêndio, verificando as referências normativas e projetando o sistema com os equipamentos para suprir tal demanda. O segundo núcleo é o desenvolvimento de uma ferramenta para cálculo de um sistema hidráulico contendo uma rede mista, ou seja, uma rede contendo malhas e ramificações.
ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está organizado com uma estrutura para facilitar o entendimento e seguindo as etapas normais para um projeto desse tipo.
O capítulo 2 traz uma introdução a sistemas de proteção contra incêndio e descrição da base estudada, definindo, de forma preliminar, o tipo de combate a incêndio necessário para a base.
O capítulo 3 revisa a bibliografia referente a sistemas hidráulicos e bombas.
O capítulo 4 verifica a base de armazenamento de combustíveis frente aos critérios normativos, propõe alterações para a melhor proteção da base, o dimensionamento da bacia de tanques, as demandas dos cenários de risco e a escolha preliminar dos equipamentos e da tubulação de incêndio.
O capítulo 5 retrata o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para o cálculo do sistema hidráulico, faz a análise do sistema aplicando a ferramenta desenvolvida, aponta ajustes no sistema para a melhora do mesmo e seleciona hidraulicamente a bomba para o sistema.
O capitulo 6 traz as conclusões do trabalho e sugestões para um possível complemento ao trabalho.
O Anexo A contém materiais complementares para o trabalho, como croquis dos cenários de risco, dados de entrada no programa desenvolvido, resultados para cada cenário e convergência.
2. INTRODUÇÃO A PREVENÇÃO E COMBATE A
INCÊNDIO
SISTEMAS DE COMBATE A INCÊNDIO
Sistemas de proteção contra incêndio são sistemas planejados e aplicados para a mitigação dos impactos destrutivos causados por incêndios. Para o correto dimensionamento, é necessário o estudo prévio das classes de incêndio possíveis de ocorrerem em cada edificação da instalação, bem como o correto entendimento das dimensões e riscos envolvidos em possíveis incêndio e a brigada disponível para o combate. Introdução à prevenção e combate a incêndio
TIPOS DE PROTEÇÕES CONTRA INCÊNDIO
Segundo a IT-25 (Corpo de Bombeiros Militar do Estado de Rondônia, 2017), sistemas de proteção contra incêndio podem ser divididos em proteção passiva, rotas de fuga, acessibilidade às viaturas do corpo de bombeiros, meios de aviso e alerta, sinalização e os meios de combate a incêndio.
A proteção passiva engloba o isolamento do risco por meio de distânciamento de segurança e por barreiras estanques, a compartimentação para conter o fogo no ambiente de origem, a resistência ao fogo das estruturas e o revestimento dos materiais.
Os meios de combate a incêndio podem ser extintores portáteis / extintores sobre rodas, hidrantes / canhões monitores, mangotinhos, chuveiros automáticos (“sprinklers”), sistema de espuma mecânica, sistema fixo de CO2. Em muitos casos, se utiliza uma combinação de alguns dos sistemas acima, de forma a atender toda a gama de possibilidades e risco presente na edificação.
MÉTODOS DE EXTINÇÃO DO INCÊNDIO
Para que o incêndio se mantenha, são necessários quatro elementos (Corpo de Bombeiros Militar do Estado de Goiás, 2019), sendo eles comburente, combustível, reação em cadeia e calor, formando o tetraedro mostrado na figura 1. Os métodos de extinção do incêndio devem se basear no combate de um ou mais dos quatro componentes supracitados, observando-se o mais simples de eliminar.
RESFRIAMENTO
O resfriamento consiste na aplicação de um agente extintor que absorva mais calor que o incêndio é capaz de produzir, reduzindo a temperatura do combustível. Este método de combate é o mais utilizado, principalmente devido a utilização de água como agente extintor.
ABAFAMENTO
O abafamento objetiva a interrupção do fornecimento de comburente, impedindo ou diminuindo a reação de combustão. Para tal, são utilizados diversos agentes extintores, como terra, areia, vapor de água, espumas, pós e gases especiais.
Este método não é efetivo contra combustíveis e elementos que liberem oxigênio durante a queima e não necessitam de comburente externo, como peróxidos orgânicos e fósforo branco.
ISOLAMENTO
O isolamento é a extração do combustível da reação, seja retirando o combustível da região do incêndio ou possíveis combustíveis de regiões próximas, onde poderia haver um foco de incêndio via um dos processos de propagação.
É um dos métodos mais simples de combater um incêndio, podendo ser feita por um fechamento de válvula, interrupção de vazamento ou retirada de combustível já presente no local.
QUEBRA DA REAÇÃO EM CADEIA
A quebra da reação em cadeia (outrossim conhecido como extinção química) ocorre com a introdução de substâncias inibidoras da capacidade reativa do comburente com o combustível.
Essas substâncias inibidoras, quando sob ação do calor, agem sobre a área das chamas e reagem com os radicais liberados da oxidação do combustível, impedindo que os mesmos reajam com o comburente.
Figura 1 - Tetraedro do fogo
Fonte: Wikipédia 1
CLASSES DE INCÊNDIO
Os incêndios podem ser classificados em classes com base no material combustível (National Fire Protection Association, 2017), com cada classificação tendo uma forma de combate mais efetivo e usualmente mais utilizado.
CLASSE A
Os incêndios de classe A são combustíveis ordinários, sólidos e materiais fibrosos, como madeira, papel, plástico, borracha, tecidos, cereais, etc. Como característica e diferencial, estes combustíveis queimam em razão de seu volume e deixam resíduos após a sua queima.
Para esta classe, o método mais indicado para extinção é o resfriamento, usualmente com utilização de água.
CLASSE B
A classe B agrupa combustíveis do tipo inflamável, líquido ou gases, e os líquidos combustíveis. Esta classe possui queima em superfície e não deixam resíduos em sua queima.
O método mais utilizado para a extinção de incêndio em líquidos desta classe são abafamento com espuma e quebra da reação em cadeia (pó químico). No caso de gases desta classe, o mais utilizado é o isolamento com a regirada da fonte ou fechamento de registros.
CLASSE C
A classe C engloba equipamentos que estão submetidos a energia elétrica. Nesta classe fica vedada a utilização de água ou espuma tradicional, pois ambos conduzem corrente e o uso do mesmo irá aumentar a proporção do incêndio.
Pode ser utilizado pó químico e outros agentes extintores não condutores de eletricidade. No caso de ser desconectado (quando possível) da fonte de energia elétrica, o incêndio pode ser combatido da forma padrão para aquele combustível (deixando de ser classe C).
CLASSE D
Incêndios de classe D ocorrem quando os combustíveis são metais pirofóricos e tem diversas peculiaridades. Como características principais, irradiam luz forte e muito calor e são muito difíceis de serem combatidos.
Para o combate, o método utilizado é o abafamento e a quebra da reação em cadeia através de substâncias próprias para esse tipo de incêndio, jamais podendo ser utilizados água ou espuma, pois podem causar explosões.
CLASSE K
Incêndios de classe K são incêndios com combustíveis voltados para o cozimento de alimentos, como óleos, banha e gordura, vegetal ou animal.
Jamais pode ser combatido com água, pois o combustível aquecido em contato com a água gera explosões com espalhamento do combustível.
O método mais indicado para o combate deste incêndio é por abafamento, existindo uma unidade voltada especificamente para este princípio. Pode ser usado o pó químico para extinguir o fogo, porém este não faz o resfriamento e há alta possibilidade de volta do incêndio.
Tabela 1 – Resumo dos tipos de combustíveis e classes de incêndio
CLASSE EXEMPLOS DE COMBUSTÍVEL TIPO DE COMBATE
A Madeira, papel, plástico, borracha,
tecidos, cereais, etc. Usualmente, resfriamento
B Combustíveis líquidos e gasosos Abafamento com espuma e/ ou quebra da
reação em cadeia com pó químico
C Equipamentos elétricos Quebra da reação em cadeia com pó
químico
D Metais pirofóricos
Abafamento e a quebra da reação em cadeia (produto próprio para este tipo de incêndio
K Óleos, banha e gordura, vegetal ou
animal
Abafamento (produto próprio para este tipo de incêndio ou pó químico, sendo este menos eficiente)
Fonte: Autor
Para o projeto e planejamento dos sistemas, é importante entender e definir quais os casos de perigo e qual o tamanho da brigada que fará o combate, para o correto dimensionamento e posicionamento do sistema, de forma que cada área e cada edificação tenha posicionado sistemas de combate de acordo com a classe de combustível e a quantidade de agente extintor necessário para o completo atendimento.
VISÃO GERAL PARA BASES DE ARMAZENAMENTO DE
COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS
Bases de armazenamento e distribuição de combustíveis podem contar diversas edificações a depender dos serviços a serem executados. Entre essas edificações encontram-se guaritas; prédios administrativos; salas de controles, almoxarifados, casas de bombas de incêndio, armazéns, salas de análises, plataformas de carregamento e descarregamento, casas de bombas de produto e bacias de tanques.
As plataformas de carregamento podem ser classificadas de acordo com o modal de transporte a ser atendido, sendo os mais comuns o rodoviário, ferroviário e hidroviário. Conforme a NBR 17505-7 (Associação Brasileira De Normas Técnicas, 2013), deve ser previsto sistema fixo de combate a espuma para o atendimento das plataformas de carregamento e descarregamento e para os tanques e suas bacias. Para as demais edificações pode-se prever sistemas de combate a incêndio do tipo móvel, ou seja, por extintores portáteis e extintores sobre rodas.
DESCRIÇÃO DA UNIDADE
A base de armazenamento escopo deste projeto situa-se em Rondônia, trabalhando apenas com o modal rodoviário e fazendo operações de carregamento e descarregamento de gasolina, etanol, diesel (S-10 e S-500), álcool e biodiesel B-100.
A base contém uma bacia de tanques, uma plataforma de carregamento de caminhões tanque com duas posições de carregamento e uma plataforma de descarregamento de caminhões tanque com uma posição de descarregamento. Ambas as plataformas contêm canaletas de drenagem para impedir espalhamento do combustível em caso de vazamento. A bacia de tanques é única e contém todos os tanques da base, sendo eles 4 (quatro) tanques verticais, sendo 2 (dois) com capacidade de 559 m³ (TQ-001 e TQ-006) e dois com capacidade de 874 m³ (TQ-005 e TQ-007) e 3 (três) tanques horizontais de 70 m³ (TQ-002, TQ-003 E TQ-004), todos contidos na mesma bacia e sem taludes intermediários para separação e/ou isolamento em caso de vazamentos.
A Tabela 2 mostra um resumo dos tanques e suas características e a Figura 2 é uma visualização da vista superior da base, onde a Plataforma de carregamento é representada pelo número 1, a Plataforma de descarregamento é representada pelo 2, a bacia de tanques pelo número 3 e o pátio de bombas pelo número 4. As cotas da figura se encontram em centímetros.
Tabela 2 - Resumo dos tanques da base
TAG Produto Diâmetro
(m) Altura / Comprimento (m) Capacidade (m³) TQ-001 (vertical) S-500 7,64 12,2 559 TQ-002 (horizontal) B-100 2,86 9,90 70 TQ-003
(horizontal) Etanol Anidro 2,86 9,90 70
TQ-004 (horizontal) S-10 2,86 9,90 70 TQ-005 (vertical) Gasolina 9,55 12,2 874 TQ-006 (vertical) S-10 7,64 12,2 559 TQ-007 (vertical) S-500 9,55 12,2 874 Fonte: Autor
Figura 2 - Vista superior das plataformas e da bacia da base (cotas em centímetros)
Fonte: Autor
SISTEMA FIXO DE COMBATE A INCÊNDIO
Conforme o item 2.4, o combate a incêndio em caso de líquidos combustíveis pode ser feito através de abafamento com espuma e/ ou quebra da reação em cadeia com pó químico.
A base utilizará um combinado de sistemas de proteção contra incêndio, sendo um sistema fixo de combate a incêndio (SFCI) de espuma e água, de forma a abafar a chama no tanque onde ocorre o sinistro, e um sistema de resfriamento com água, para resfriar a superfície externa dos tanques próximos, visando a não propagação e não simultaneidade de eventos.
O SFCI é composto por um tanque reservatório de água (TQ-501), com 264 m³ de capacidade e líquido gerador de espuma (LGE). O LGE da base deve ser misturado em uma proporção de 3% para hidrocarbonetos e 6% para solventes polares, conforme as especificações da folha de dados de fabricantes e é encontrado em reservas de dois tipos, sendo o primeiro um tanque com capacidade de 2000 litros de LGE responsável pela espuma para as câmaras de espumas dos tanques verticais e o segundo tipo galões de LGE que estão espalhados pela base, próximos aos canhões monitores e hidrantes.
correta na saída dos hidrantes e na entrada da tubulação de espuma para a câmara de espuma. Os canhões monitores contam com esguichos auto-edutores e não necessitam de proporcionadores
O sistema de resfriamento do SFCI consistirá em aspersores nos tanques verticais e hidrantes e canhões-monitores distribuídos pela base de modo a garantir o resfriamento do tanque em chamas e seus vizinhos por dois pontos diferentes, de acordo com as normas vigentes.
Os tanques verticais TQ-001, TQ-005, TQ-006 e TQ-007 contarão com um sistema de aspersores de água para resfriamento do costado em caso de sinistro. O sistema será alimentado por uma tubulação independente da tubulação de hidrantes e canhões-monitores e serão disponibilizados hidrantes para estes tanques também, sendo o sistema reserva em caso de falha do primeiro.
A tubulação de incêndio contará com um trecho na sucção das bombas, duas bombas de incêndio a serem definidas pelo cálculo hidráulico, uma principal e uma reserva igual, uma bomba do tipo Jockey.
As descargas das bombas serão feitas em um header de onde saem as tubulações exclusivas para cada um dos anéis aspersores, para cada uma das câmaras de espuma e uma tubulação para o anel de hidrantes em torno da bacia.
Além disso, será estudado um sistema de proteção passiva através do isolamento do risco (subdivisões da bacia com novos taludes intermediários).
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os estudos da mecânica de fluidos são um ramo antigo da física e da engenharia, onde grandes nomes como Newton, Bernoulli, Euler, Lagrange, Navier, Poisson e Stokes fizeram estudos e avanços.
Os estudos hidráulicos de sistemas de tubulações se baseiam nos princípios básicos da mecânica dos fluidos, como a segunda lei de Newton, a lei de conservação de massa e a 1ª lei da termodinâmica (Simões, Schulz, & Porto, 2017). Devido à baixa compressibilidade dos líquidos presente na maior parte dos casos de estudo, também é utilizada a premissa de fluídos incompressíveis.
Existe uma grande variedade de sistemas hidráulicos, sendo variações desde simples linhas que ligam um reservatório a outro a redes malhadas e ramificadas de grandes centros urbanos. Para os sistemas mais simples, soluções linearizadas podem ser diretamente aplicadas, enquanto sistemas mais complexos são usualmente resolvidos por soluções iterativas e métodos computacionais.
EQUAÇÕES BÁSICAS
O princípio mais básico utilizado em cálculos hidráulicos é o princípio da conservação de massa. Para um determinado volume de controle V fechado por uma superfície S, a equação geral de conservação de massa é conforme equação ( 1 ).
𝜕
𝜕𝑡∫ 𝜌𝑑𝑉𝑉 + ∫ 𝜌𝑣⃗ · 𝑛⃗⃗𝑑𝑆𝑆 = 0 ( 1 ) Onde 𝑣⃗ = é a velocidade no ponto e 𝑛⃗⃗ é o vetor unitário normal à superfície de saída S e t é o tempo. O primeiro termo representa a acumulação de massa ao longo do tempo no volume de controle, sendo zero para regimes permanentes. O produto 𝑣⃗ · 𝑛⃗⃗ fornece o componente de velocidade que atravessa a superfície, e o segundo termo computa a vazão de fluido que atravessa a superfície de controle. Para regimes permanentes e fluidos incompressíveis em uma tubulação, a conservação de massa pode ser simplificada para o princípio da continuidade, conforme equação ( 2 ).
𝑄 = ∫ 𝑣 𝑑𝐴
𝐴
= 𝑉1𝐴1 = 𝑉2𝐴2 ( 2 )
Onde Q é a vazão volumétrica na seção transversal através da tubulação.
regime permanente e unidirecional, entre os pontos 1 e 2, pode ser escrita na forma de Head (altura manométrica) conforme equação ( 4 ).
𝑑𝑈 = 𝛿𝑄 − 𝛿𝑊 ( 3 ) ℎ1+ 𝑃1 𝛾 + 𝑉12 2𝑔 + 𝑊̇ 𝑚̇𝑔 = ℎ2+ 𝑃2 𝛾 + 𝑉22 2𝑔 + ℎ𝑓 ( 4 )
Onde U é a energia interna no sistema, Q é a energia acrescentada ao sistema, W é o trabalho realizado pelo sistema, V é a velocidade, P é a pressão, m é a massa, g é a gravidade local, 𝛾 é o peso específico, h é a elevação e o termo relacionado a energia potencial gravitacional, 𝑉
2
2𝑔 é a energia cinética, 𝑃
𝛾 é a energia potencial devido à pressão,
ℎ𝑓 é a perda de carga entre 1 e 2.
Finalmente, outro princípio muito importante a ser considerado (Larock, Jeppson, & Watters, 1999) é a conservação do momento linear, podendo ser escrita para redes hidráulicas conforme equação ( 5 )
𝜕
𝜕𝑡∫ 𝜌 𝑣⃗ 𝑑𝑉𝑉 + ∫ 𝑣⃗ (𝜌𝑣⃗ · 𝑛)𝑆 ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑑𝑆= 𝐹⃗ = 𝐹⃗𝑆+ 𝐹⃗𝐵 ( 5 ) Onde 𝐹⃗ é o somatório de força líquida no volume de controle, podendo ser dividida em duas forças, conforme a parte direita da equação acima, onde 𝐹⃗𝑆 é o fluxo de momento linear deixando o volume de controle através da superfície de controle e 𝐹⃗𝐵 é o acúmulo de momento dentro do volume de controle.
Para fluxo permanente, apenas o termo variante no tempo é zerado, enquanto para fluxo permanente, incompressível e unidimensional a equação de momento linear na direção do escoamento pode ser simplificado de ( 5 ) para ( 6 ).
𝐹⃗ = 𝜌𝑄 (𝑉⃗⃗⃗⃗ − 𝑉2 ⃗⃗⃗⃗ ) 1 ( 6 )
Quando os diâmetros são iguais em 1 e 2, a equação terá resultado trivial 𝐹⃗ = 0.
FORMULAÇÃO DE PERDA DE CARGA
A perda de carga é a perda de energia mecânica pelo sistema, sendo esta transformada em energia térmica e não mais recuperada em forma de pressão ou energia potencial. Existem dois principais fenômenos que induzem a perda de carga e consequentemente dois campos de estudos, sendo eles perdas de cargas distribuída ao longo do comprimento do tubo devido ao cisalhamento do fluido com a parede do tubo e a perda de carga local, sendo esta devido a acidentes e equipamentos.
Para determinação de perdas distribuídas foram criadas diversas equações e modelos empíricos, muitos dos quais utilizados até hoje pois atingem resultados muito precisos para determinadas situações e condições.
Posteriormente, foi realizada modelagem analítica da perda de carga conforme os principais fatores de interesse, conhecida como equação de Darcy-Weisbach, porém que necessita de fatores de atrito empíricos e implícitos que podem acarretar em maior custo para serem obtidos.
Existem muitas outras formulações além das citadas, porém as normas NBR 13714 (Associação Brasileira De Normas Técnicas, 2000)) e a NFPA 13 (National Fire Protection Association, 2019) citam estas como referências para este propósito.
EQUAÇÃO DE DARCY-WEISBACH
Uma primeira modelagem da perda de carga distribuída pode ser obtida aplicando a conservação de momento linear a um volume de controle com escoamento uniforme e uma entrada e uma saída, resultando na equação ( 7 ).
ℎ𝑓 = 4𝜏0 𝛾 ∙
𝐿
𝐷 ( 7 )
Onde D é o diâmetro hidráulico do conduto, L é o comprimento, 𝛾 é o peso específico e 𝜏0 é a tensão de cisalhamento. A equação ( 8 ) é relação da tensão de cisalhamento com as grandezas usualmente aplicadas em estudos hidráulicos.
𝜏0 = 𝜌 𝑉
2 𝑓
8 ( 8 )
Onde o termo 𝜌 é a massa específica do fluido, V é a velocidade do fluido e 𝑓 é a escrita simplificada do fator de atrito, sendo 𝑓 = 𝐹(𝑉𝐷𝜌
𝜇 , 𝑒
𝐷 ), 𝑒/𝐷 é o fator de rugosidade da
parede, 𝑉𝐷𝜌
𝜇 é o número de Reynolds.
Substituindo ( 8 ) em ( 7 ) temos a equação ( 9 ), que é a equação mais geral, funcional e utilizada para cálculos de perda de carga em tubulações, conhecida como equação de Darcy-Weisbach.
ℎ𝑓 = 𝑓 𝐿 𝐷
𝑉2
2𝑔 ( 9 )
Formas para a obtenção dos valores para o fator de rugosidade foram e são amplamente estudados e tabelados, tendo atualmente duas fontes amplamente utilizadas, a equação de Colebrook e o diagrama de Moody.
A equação de Colebrook reúne o equacionamento e experimentos de diversos autores, destacando-se os trabalhos de Prandtl e seus alunos Blasius, Kàrmàn e Nikkuradse (Simões, Schulz, & Porto, 2017), e tem sua forma implícita para a determinação fator de atrito 𝑓 conforme mostrado na equação ( 10 ).
1 √𝑓 = −2 log( 𝜀 3,71𝐷+ 2,51 𝑅𝑒√𝑓 ) ( 10 )
Apesar de muito robusta, a equação de Colebrook exige uso de métodos iterativos para a obtenção do fator f, resultando em modelagens mais demoradas e custosas. Por conta desta dificuldade, foram criadas diversas tabelas, ábacos e fórmulas explícitas, muito utilizadas em determinadas condições de escoamento.
Dentre estas alternativas, uma das suas principais fontes é o diagrama de Moody, que pode ser vista na Figura 3. O diagrama de Moody conta com valores bem estabelecidos para diferentes tipos de regimes de escoamentos e é amplamente utilizado para cálculos sem auxilio computacional.
Figura 3 - Diagrama de Moody
Fonte: Hydraulic of pipeline systems (Larock, Jeppson, & Watters, 1999)
EQUAÇÕES EMPÍRICAS
Equações empíricas para determinação de perda de carga é um campo de estudo antigo, com as primeiras equações precedendo as formulações de Darcy. Muitas equações empíricas continuam largamente utilizadas até hoje, seja por tradições de alguns seguimentos, seja pela menor dificuldade para cálculo devido ao não uso de fórmulas implícitas. Dentre as diversas fórmulas existentes, a mais amplamente utilizada é equação de Hazen-Willians, que relaciona a perda de carga no escoamento de água em temperatura ambiente e é mostrada em ( 11 ) nas unidades internacionais de medida.
ℎ𝑓 = 10,67 × 𝑄
1,85
𝐶1,85 × 𝐷4,87 × 𝐿 ( 11 )
Esta equação tem destaque especial em sistemas de combate a incêndio, redes de distribuição de água e sistema de irrigação, campos em que é empregada com imensa frequência pelas normas de referência.
PERDAS DE CARGA LOCAIS
Perdas de carga locais são perdas devido a efeitos localizados causados por equipamentos e acessórios, como válvulas, curvas, orifícios, tees e outros. Este efeito ocorre em um espaço finito onde o regime deixa de ser constante e homogêneo devido aos acidentes, sendo convencionado a ser considerado pontual.
As equações que descrevem esses fenômenos são usualmente experimentais, devido à natureza complexa do fenômeno. Desta forma, usualmente os acidentes são descritos
conforme equação ( 12 ) para equipamentos e junções em geral e conforme equação ( 13 ) para reduções e ampliações.
ℎ𝐿 = 𝐾 𝑉 2 2𝑔 ( 12 ) ℎ𝐿 = 𝐾 (𝑉1− 𝑉2) 2 2𝑔 ( 13 )
O coeficiente de perda K é disponível e catalogado em diversas literaturas e, para equipamentos mais complexos, usualmente disponível pelo fabricante como um K constante ou como uma curva ℎ𝑓 𝑋 𝑄.
Uma outra forma de considerar as perdas de carga locais é em forma de comprimento equivalente de tubulação, ou seja, considerar o comprimento de trecho reto que geraria uma perda de carga equivalente à perda de carga local considerada.
Comparando as equações ( 9 ) com a equação ( 12 ), encontra-se a relação para o comprimento equivalente, mostrada na equação ( 14 ).
𝐿 = 𝐾𝐷
𝑓 ( 14 )
CAVITAÇÃO E NPSH
O estudo e o entendimento da cavitação são extremamente importantes nos projetos de bombas. Segundo (de Mattos & de Falco, 1998), quando o líquido bombeado atinge a pressão crítica, próxima a pressão de vapor do fluido, há o surgimento de bolhas
macroscópicas que, quando posteriormente o líquido alcançar outra região com pressão absoluta acima do ponto de vapor, essas bolhas retornam a fase líquida resultando no surgimento de ondas de choque durante a liquefação do fluido, devido ao volume específico do estado líquido ser menor.
É fundamental o estudo para evitar a cavitação pois, quando ocorre, causa diversos aspectos negativos, dentre os quais barulho, vibração, alteração na curva característica e danos aos componentes da bomba.
O equacionamento adotado para mensurar o fenômeno da cavitação chama-se NET POSITIVE SUCTION HEAD (NPSH), que pode ser dividido entre dois termos, NPSH disponível (𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑) e NPSH requerido (𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟). O 𝑁𝑃𝑆𝐻 relaciona a pressão mínima
no olho do impelidor com a pressão disponível no sistema a montante da bomba e isolando os termos que se referem ao sistema dos termos relacionados às bombas. Desta forma, o termo relacionado às bombas, conhecido como 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 (lado direito da equação ( 15 ) e o termo relacionado ao sistema, conhecido como 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 (lado esquerdo da
equação ( 15 ). ℎ𝑠 + 𝑃𝑎− 𝑃𝑣 𝛾 = ℎ𝑓𝑖 + 𝑉12 2𝑔 + 𝜆 𝑉𝑟12 2𝑔 ( 15 )
Onde ℎ𝑠 é a altura manométrica na sucção, ℎ𝑓𝑖 é a perda de carga do flange ao olho do impelidor, 𝑃𝑎 é a pressão atmosférica local, 𝑃𝑣 é a pressão de vapor, 𝑉1 é a velocidade absoluta no olho do impelidor, 𝑉𝑟1 é a velocidade relativa no olho do impelidor,
O 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑, por ser um termo do projeto do sistema, deve ser calculado conforme o sistema
se apresentar e deve ser pensado para ser o maior possível (através da atuação sobre o ℎ𝑠, seja aumentando a pressão a montante da bomba, seja aumentando o nível relativo entre reservatório e o impelidor ou diminuindo a perda de carga a montante da bomba.
O 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 usualmente é obtido através de testes da bomba e disponibilizado por fornecedores em forma de curva 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 x Vazão.
O termo 𝑁𝑃𝑆𝐻 é equalizado para o ponto em que a pressão atinge a pressão de vapor do fluido, porém sabe-se que a cavitação começa próxima mas não exatamente na pressão de vapor. Desta forma, utiliza-se como premissa para cálculo uma margem de segurança, usualmente sendo valores absolutos (e.g. 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑− 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 ≥ 0,6 𝑚) ou relativos (e.g.
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑
ANÁLISES DE ESCOAMENTOS EM REGIME PERMANENTE
As análises de tubulações em regime permanente podem ser divididas em duas aplicações (Larock, Jeppson, & Watters, 1999) com diferentes metodologias de cálculo, sendo o caso de tubulações em série e tubulações em paralelo.
Quando tubulações são consideradas em série, o princípio da continuidade é garantidor de vazão constante ao longo da tubulação. Neste caso, a vazão será igual em todos os trechos de tubulação, enquanto a perda de carga em cada trecho deve ser somada para obter-se a perda de carga total do sistema.
Em tubulações em paralelo a vazão total do trecho em paralelo será a soma das vazões nas tubulações em paralelo devido ao princípio da continuidade. Além disso, a perda de carga em todas as tubulações em paralelo no trecho deve ser igual segundo a primeira lei (para um dado estado 1 no começo do trecho e um dado estado 2 no final, conserva-se a energia apenas se a perda de carga entre 1 e 2 for igual a diferença de energia entre 1 e 2).
Como a modelagem de tubulações em paralelo resultam em modelos mais custosos de serem resolvidos, pode-se utilizar o conceito de tubulações equivalentes, onde o conjunto de tubos em paralelo são substituídos por uma tubulação que resulte em uma mesma perda de carga para a mesma vazão do conjunto inicial, permitindo um menor uso de iterações para resolver o problema. Este conceito não foi utilizado pois, neste caso estudado, existem pontos de interesse em regiões das tubulações em paralelo, necessitando um estudo mais detalhado.
REDES DE TUBULAÇÕES COM CIRCUITO FECHADO E
DIVERSOS CONSUMIDORES
Um caso específico a ser abordado são as redes de tubulações com circuitos fechados e com equipamentos consumidores de água ou ramificações em diferentes nós dentro da rede, conforme mostrado na Figura 4. Esta configuração de rede com trechos em paralelo com ponto em comum a jusante tem como característica a necessidade de um método iterativo para a obtenção do equilíbrio de energia (somatório da perda de carga sendo iguais nos trechos em paralelo) por ser uma análise de equações não lineares, pois raramente a condição é obtido já na primeira estimativa de vazão (de Mattos & de Falco, 1998). Neste caso com um “anel” fechado, como as tubulações em paralelo devem ter a
mesma perda de carga, pode-se estipular que a vazão que percorre o anel no sentido horário será positiva e a que escoa no sentido anti-horário será negativa, bem como a perda de carga. Desta forma, o somatório da perda de carga no anel deve ser 0 para que a primeira lei seja atendida.
Figura 4 - Modelo de rede fechada com diversos consumidores.
Fonte: Autor
Portanto, quando a condição de não equilíbrio é obtida para o somatório de perda de carga, deve-se aplicar uma correção (ΔQ) no sistema. A correção deve ser aplicada em cada trecho da malha, tal que a vazão seja conforme equação ( 16 )
𝑄 = 𝑄0+ ΔQ ( 16 )
Onde 𝑄0 seria a vazão anterior e ΔQ a correção de vazão a ser aplicada.
Dentre os métodos propostos para o cálculo desta correção, o primeiro e mais utilizado método para aproximações sucessivas (Justino & Nogueira, 2013) é o método de Hardy Cross. A correção para o método é feito segundo equação ( 17 ).
ΔQ = ∑ ℎ𝑓 𝑛 ∑ℎ𝑓
𝑄
( 17 )
Conforme discutido por (Columna, 2009), outros métodos como Teoria Linear e Newton-Haphson podem ser mais eficientes se tratando de convergência para sistemas malhados complexos, resultando em análises com menor custo computacional. Apesar disso, foi adotado o método de Hardy Cross pois continua sendo o mais utilizado e aceito entre as normas e regulamentos.
4. CRITÉRIOS DE CÁLCULO – CONSIDERAÇÕES
GERAIS
SIMULTANEIDADE E RISCO PREDOMINANTE
Conforme as normas NBR 17505-7 (Associação Brasileira De Normas Técnicas, 2013) e a IT-25 parte II (Corpo de Bombeiros Militar do Estado de Rondônia, 2017), projetos de sistemas de proteção contra incêndio por água e espuma devem considerar dois conceitos fundamentais:
a) dimensionamento pelo maior risco predominante quanto à demanda de água e à condição de maior demanda de espuma;
b) não simultaneidade de eventos, isto é, o dimensionamento deve ser feito com base na ocorrência de apenas um evento.
Ou seja, para o cálculo do risco predominante, serão avaliados separadamente a reserva de água de resfriamento e para espuma, vazão de água de resfriamento, vazão de espuma e reserva de espuma. Adicionalmente, para os casos onde as normas divergiam quanto ao valor a ser considerado, será utilizado o maior valor.
TANQUES VIZINHOS, CONSIDERAÇÕES PARA CÁLCULO
DE ESPUMA E ÁGUA DE RESFRIAMENTO
Tanques vizinhos, para efeito das normas vigentes, são os tanques próximos ao tanque em chamas e sujeitos ao calor gerado devido ao sinistro.
Em caso de sinistro em tanques verticais são considerados vizinhos os tanques que estiverem a menos de uma vez e meia o diâmetro do tanque ou 15 metros, o maior entre ambos. Neste caso, deve-se aplicar espuma no tanque vertical e fazer o resfriamento dos tanques horizontais e verticais vizinhos.
Em caso de sinistro em tanques horizontais são considerados vizinhos os tanques cujo costado fique a menos de 15 metros da parede externa da bacia de contenção deste tanque e, para abafamento e resfriamento, deve-se considerar duas situações distintas, a primeira onde o tanque fica em incêndio sem colapso e a segunda onda há colapso do tanque horizontal, com vazamento do combustível para a bacia. No primeiro caso deve-se fazer
o resfriamento dos tanques vizinhos, no segundo caso deve-se apenas aplicar espuma em toda a área da bacia.
Para o cálculo de vazão e reserva para bacias de tanques, deve-se considerar o maior risco predominante considerando duas situações, conforme a NBR 17505-7 (Associação Brasileira De Normas Técnicas, 2013).
a) Resfriamento do tanque atmosférico vertical em chamas, dos seus tanques vizinhos (horizontais ou verticais), aplicação de espuma no tanque vertical em chamas e aplicação de espuma em sua bacia de contenção.
b) Aplicação de espuma na bacia de contenção do tanque horizontal em chamas, e resfriamento dos tanques (horizontais ou verticais) considerados vizinhos.
Nota: Em casos com diversos tanques vizinhos, a norma permite que o resfriamento seja
uma fração do indicado abaixo, diminuindo a demanda total em caso de sinistro. Esta opção não foi adotada por ser uma opção menos conservadora, tendo sido utilizado o pior caso de vazão e reserva de água.
Para as plataformas de carregamento e descarregamento, a norma NBR 17505-7 (Associação Brasileira De Normas Técnicas, 2013) define que deve ser utilizado, além de extintores, sistema fixo de espuma, devendo ter aplicação de duas posições distintas, sendo considerada como área a ser protegida a área contida pelas canaletas de captação, quando aplicável, como o é o caso corrente.
Para o presente projeto, foram adotadas câmaras de espuma para aplicação de espuma em tanques verticais, anéis aspersores para o resfriamento de tanques verticais, linhas manuais para resfriamento e aplicação de espuma em tanques horizontais e canhões monitores para as plataformas de carregamento.
CRITÉRIOS DE CÁLCULO DE RESFRIAMENTO E ESPUMA
– TANQUES HORIZONTAIS
Segundo a NBR 17505-7 (Associação Brasileira De Normas Técnicas, 2013), a aplicação da solução de espuma em ocorrências em tanques horizontais deve ser feita com base na área da bacia que contém o tanque, devendo ser calculada na vazão de 6,5 litros por minuto por metro quadrado. Além disso, a reserva deve atender a esta vazão durante 20 minutos para líquidos de classe II e 30 minutos para líquidos de classe I.
do costado do tanque vizinho ao costado do tanque em chamas, conforme a Tabela 3 e o tempo de combate depende do somatório do volume dos tanques que constituem o risco (o tempo mostrado acima com base no produto para tanques horizontais ou o tempo conforme explicado abaixo para tanques verticais), e devendo também atender o disposto na Tabela 4 conforme volume dos tanques constituintes do risco predominante.
Tabela 3 - Vazão de água de resfriamento para tanques vizinhos com base na distância (para hidrantes e canhões monitores)
Fonte: Autor com base na NBR 17505–7
CRITÉRIOS DE CÁLCULO DE RESFRIAMENTO E ESPUMA
- TANQUES VERTICAIS
Tanques verticais exigem diferentes formas de combate a incêndio de acordo com seus aspectos construtivos, como presença de solda fragilizada entre costado e teto e se há uso de teto ou selo flutuante. Na base em questão, todos os tanques verticais presentes têm teto fixo com solda fragilizada entre o teto e o costado e o tanque TQ-005 contém selo flutuante devido ao armazenamento de gasolina.
Quando se trata de tanques verticais na NBR 17505-7, a aplicação da solução de espuma em ocorrências em tanques verticais deve com base na área de superfície do líquido contido no tanque, devendo ser calculada na vazão de 4,1 litros por minuto por metro quadrado para hidrocarbonetos e 6,0 litros por minuto por metro quadrado para solventes polares. Além disso, a reserva deve atender a esta vazão durante, no mínimo, 30 minutos para líquidos de classe II e 55 minutos para líquidos de classe I e para solventes polares, e devendo também atender o disposto na Tabela 4 conforme volume dos tanques constituintes do risco predominante.
Por outro lado, a IT-25 parte II (Corpo de Bombeiros Militar do Estado de Rondônia, 2017) exige que a taxa de aplicação e tempo mínimo de espuma em tanques verticais sejam conforme o tipo de aplicador de espuma e que o tempo seja ainda conforme o tipo de produto armazenado. A Tabela 6 mostra as exigências para hidrocarbonetos e a Tabela 7 para os solventes polares. Adicionalmente, a IT-25 exige que seja previsto um canhão monitor como método complementar às câmaras de espuma para o caso destas serem danificadas com uma possível explosão no tanque.
Distância entre costados - d (m) Taxa de aplicação (L/min/m²) d ≤ 8 5 8 < d ≤ 12 3 d ˃ 12 2
Além da aplicação de espuma diretamente no tanque, a norma define que devem ser previstos, para bacias com tanques com diâmetros menores que 36 metros, dois aplicadores de espuma na bacia de tanques verticais, com 200 litros por minuto por aplicador e eles devem ser posicionados de forma a aplicar em áreas distintas da bacia. O tempo de aplicação em bacias com tanques verticais é definido pela NBR 17505-7 com base no diâmetro do maior tanque, sendo mostrado na Tabela 5.
O resfriamento de tanques verticais quando vizinhos a tanques em chamas deve ser baseada em sua área do costado, tendo uma vazão de 2 litros por minuto por metro quadrado (para o caso de uso de aspersores, conforme caso corrente) e o tempo de combate depende do somatório do volume dos tanques que constituem o risco (o tempo com base no produto para tanques horizontais ou o tempo conforme explicado acima para tanques verticais), e devendo também atender o disposto na Tabela 4 conforme volume dos tanques constituintes do risco predominante
Tabela 4 - Tempo de combate com base na capacidade útil de armazenamento (somatório dos volumes dos tanques que constituem o maior risco predominante).
Fonte: Autor com base na NBR 17505–7
Tabela 5 - Tempo de aplicação de espuma em bacias de tanques verticais
Fonte: Autor com base na NBR 17505-7
Capacidade útil de armazenamento de produtos do maior risco - C
(m³) Tempo (h) C ≥ 40000 6 40000 ˃ C ≥ 10000 4 10000 ˃ C ≥ 1000 2 1000 ˃ C ≥ 120 1 120 ˃ C ≥ 50 0.75 50 ˃ C ≥ 20 0.5
Diâmetro do maior tanque - D (m) Tempo (min) D ≤ 10.5 10 10.5 < D ≤ 28.5 20 D ˃ 28.5 30
Tabela 6 - Taxa e tempo de aplicação de espuma em tanques verticais com hidrocarbonetos (IT-25)
Fonte: Autor com base na IT-25 parte II
Tabela 7 - Taxa e tempo de aplicação de espuma em tanques verticais com solventes polares (IT-25)
Fonte: Autor com base na IT–25 parte II
CRITÉRIOS DE CÁLCULO DE ESPUMA – PLATAFORMAS
DE CARREGAMENTO
As plataformas de carregamento e descarregamento devem contar com sistemas fixos de proteção contra incêndio para aplicação de espuma, dois pontos de aplicação distintos de espuma, podendo ser por aplicação manual, canhão monitor ou aspersor, sendo considerada como área a ser protegida a área contida pelas canaletas de captação. O cálculo de vazão de espuma e o tempo de aplicação devem seguir o exposto na Tabela 8, sendo no mínimo 400 L/min segundo a IT-25 parte IV (Corpo de Bombeiros Militar do Estado de Rondônia, 2017).
Classe I Classe II Classe III Câmara de espuma
com aplicação suave 6.5 30 20 15 Câmara de espuma
com defletor 4.1 55 30 25 Linhas manuais ou
canhões monitores 6.0 65 50 45 Tipo de aplicação Taxa de aplicação
(L/min/m²)
Tempo de aplicação por classe do produto armazenado
(min)
Tipo de aplicação Taxa de aplicação (L/min/m²)
Tempo de aplicação para solventes polares
(min) Câmara de espuma
com aplicação suave 6.9 30 Câmara de espuma
com defletor 6.9 55
Linhas manuais ou
Tabela 8 - Taxa e tempo de aplicação de espuma em plataforma
Fonte: Autor com base na NBR 17505–7.
SUBDIVISÃO DA BACIA DE CONTENÇÃO
Conforme NBR 17505-2 (Associação Brasileira De Normas Técnicas, 2013), uma bacia de contenção deve ser capaz de conter um volume igual ao volume do maior tanque cheio, contendo ainda uma sobre altura destinada a movimentação de líquidos.
Devido a um menor custo na alocação de diversos tanques na mesma bacia pois é necessária menor área total pavimentada, é uma pratica recorrente ter uma bacia única para diversos tanques verticais.
Por outro lado, tanques horizontais necessitam que seja previsto estoque de LGE e água para aplicação em toda a bacia que contém o tanque, para caso de colapso no mesmo. Portanto, para tanques horizontais, a melhor solução para menor gasto de LGE e água são subdivisões nas bacias resultando em bacias individuais que os contenham, de forma a restringir a área em caso de vazamentos e fornecer uma proteção passiva via isolamento. Desta forma, a bacia existente na base foi subdividida na região dos tanques horizontais, de forma aos mesmos ficarem contidos em bacias próprias. Os tanques verticais por sua vez contam com o grande distanciamento para buscar uma proteção do tipo passiva através da separação.
Tipo de espuma Taxa de aplicação (L/min/m²)
Tempo de aplicação
(min) Produto armazenado Proteínica e fluorproteínica 6.5 15 Hidrocarbonetos AFFF e FFFP 4.1¹ 15 Hidrocarbonetos Espuma para solventes polares 6.0 15 Líquidos inflamáveis ou combustíveis que requeiram empuma para
solventes polares 1 - Se houver possibilidade de formação de uma camada de líquido armazenado superior a 2.5 cm, a taxa deverá ser 6.5
Figura 5 - Subdivisão das bacias de contenção
Fonte: Autor
VERIFICAÇÃO DAS BACIAS DE CONTENÇÃO
Para que haja completa contenção do líquido armazenado, conforme a norma NBR 17505-2 (Associação Brasileira De Normas Técnicas, 2013), as alturas das muretas podem ser calculadas de forma que o volume total contido da bacia seja igual ao volume do maior tanque mais o volume deslocado por outros tanques e muretas intermediárias mais 200 mm para deslocamento de líquidos. Portanto, os cálculos serão:
BACIA 1 - Área interna da bacia:
A = 1967 m² - Volume do maior tanque:
𝑉𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸 = 874 m³ (TQ-005) - Área dos outros tanques:
O deslocamento de líquidos ocorre devido a região ocupada pelos demais tanques da bacia e deve ser descontada da área total disponível na bacia. No caso corrente, a área projetada dos tanques TQ-001, TQ-006 e TQ-007.
𝐴𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸𝑆 = (𝜋 × (9,55
2+ 2 ∗ 7,642))
4
- Cálculo da altura H do muro:
Para cálculo da altura mínima do muro, temos que a capacidade líquida de contenção da bacia deve ser igual a capacidade do maior tanque, no caso o TQ-05, igual a 874 m³, mais o volume a ser deslocado pelos tanques. A seguinte fórmula é utilizada:
(𝐴 − 𝐴𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸𝑆) × 𝐻 = 𝑉𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸 → 𝐻 = (874)
1967−343= 0,54 𝑚
A altura mínima interna da Bacia 1, considerando 200 mm para a movimentação de líquidos, será de H = 0,74 m
BACIAS 2, 3 E 4
A bacia atual foi subdividida em 4 partes, dando origem às bacias 2, 3 e 4. Sendo assim, muretas deverão ser locadas entre os tanques da bacia, na direção transversal a mesma. - Área interna da menor bacia (bacia 2)
A = 122 m² - Volume dos TQ 002 / 003 / 004
𝑉𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸 = 70 m³
- Altura interna calculada do muro das Bacia 2, 3 e 4 𝐻 = 70
122= 0,57 m
- Altura interna mínima das Bacia 2, 3 e 4, considerando 200 mm para a movimentação de líquidos, será de H = 0,57 + 0,2 = 0,77 m
A Tabela 9 mostra um resumo das quatro bacias.
Tabela 9 - Nova distribuição de bacias de tanques
BACIA MAIOR TANQUE MAIOR DIÂMETRO POSSUI TANQUE HORIZONTAL ÁREA (m²) Bacia 1 TQ-05 9,55 NÃO 1967 Bacia 2 TQ-02 2,86 SIM 122 Bacia 3 TQ-03 2,86 SIM 125 Bacia 4 TQ-04 2,86 SIM 127 Fonte: Autor
ENTRADAS PARA CÁLCULO DO RISCO PREDOMINANTE
Tendo a definição da locação dos tanques e a verificação das bacias, inicia-se o processo do cálculo de risco predominante através da identificação dos tanques vizinhos e das distâncias entre os tanques, mostrado na Tabela 10.
Tabela 10 - Relação de tanques vizinhos e distâncias TANQUE (TAG) DIÂMETRO (m) PARÂMETROS Tanques Vizinhos Distância entre costados (m) 1,5 Diâmetro (m) 15 m TQ-001 7,56 11,4 15,00 TQ - 002 6,84 TQ - 003 7,18 TQ - 004 11,85 TQ - 006 10,34 TQ-002 2,86 - 15,00 TQ - 001 6,84 TQ - 003 7,18 TQ - 004 13,9 TQ-003 2,86 - 15,00 TQ - 001 7,18 TQ - 002 5,5 TQ - 004 5,6 TQ-004 2,86 - 15,00 TQ - 001 11,85 TQ – 002 13,9 TQ - 003 5,6 TQ - 005 10,1 TQ-005 9,55 14,4 15,00 TQ - 004 10,1 TQ - 007 9,8 TQ-006 9,55 14,4 15,00 TQ - 001 10,3 TQ-007 7,56 11,4 15,00 TQ - 005 9,8 Fonte: Autor
ANÁLISE DOS RISCOS PREDOMINANTES
TANQUE TQ-001 SISTEMA DE RESFRIAMENTO ITEM ÁREA (m²) TAXA APLICADA (L/min/m²) L/min TEMPO DE APLICAÇÃO (min) CONSUMO DE ÁGUA (m³) VAZÃO DE RESFRIAMENTO DO COSTADO 292,82 2 585,64 120 70,28TANQUES VIZINHOS – RESFRIADOS
POR ANEL ASPERSOR 366,03 2 732,05 120 87,85
TANQUES VIZINHOS – RESFRIADOS POR CANHÕES MONITOR E
HIDRANTES COM DISTANCIA ATÉ 8 METROS
62,92 5 314,60 120 37,75
TANQUES VIZINHOS – RESFRIADOS POR CANHÕES MONITOR E
HIDRANTES COM DISTANCIA ENTRE 8 E 12 METROS
31,46 3 94,38 120 11,33
TANQUES VIZINHOS – RESFRIADOS POR CANHÕES MONITOR E
HIDRANTES COM DISTANCIA ACIMA DE 12 METROS OU TANQUE HORIZONTAL
0,00 2 0,00 120 0,00
CONSUMO DE ÁGUA DO SISTEMA DE RESFRIAMENTO EM CASO DE EVENTO NO
TANQUE (m³): 207,20
SISTEMA DE ESPUMA BACIA DESTE TANQUE: Bacia 1
ITEM ÁREA (m²) TAXA DE ÁGUA + LGE APLICADA (L/min/m²) VAZÃO DE ÁGUA + LGE(L/min) TEMPO DE APLICAÇÃO (min) TAXA DE LGE NA MISTURA (%) CONSUMO DE ÁGUA (m³) CONSUMO DE LGE (L) VAZÃO DE ESPUMA PARA O TANQUE 45,84 4,1 187,96 30 3% 5,47 169,16 VAZÃO DE ESPUMA NA BACIA DE CONTENÇÃO 1967,18 - 400,00 10 3% 3,88 120,00
CONSUMO TOTAL DE LGE PARA O TANQUE (m³) 0,17 CONSUMO TOTAL DE ÁGUA (m³) 217
TANQUE TQ-002 SISTEMA DE RESFRIAMENTO ITEM ÁREA (m²) TAXA APLICADA (L/min/m²) L/min TEMPO DE APLICAÇÃO (min) CONSUMO DE ÁGUA (m³) TANQUES VIZINHOS –
RESFRIADOS POR ANEL ASPERSOR
292,82 2 585,64 60 35,14
TANQUES VIZINHOS – RESFRIADOS POR CANHÕES MONITOR E HIDRANTES COM DISTANCIA ABAIXO DE 8 m
31,46 5 157,30 60 9,44
TANQUES VIZINHOS – RESFRIADOS POR CANHÕES MONITOR E HIDRANTES COM DISTANCIA ACIMA DE 12 m
31,46 2 62,92 60 3,78
CONSUMO DE ÁGUA DO SISTEMA DE RESFRIAMENTO EM CASO DE EVENTO NO
TANQUE (m³): 48,35
SISTEMA DE ESPUMA BACIA DESTE TANQUE: Bacia 2
ITEM ÁREA (m²) TAXA DE ÁGUA + LGE APLICADA (L/min/m²) VAZÃO DE ÁGUA + LGE(L/min) TEMPO DE APLICAÇÃO (min) TAXA DE LGE NA MISTURA (%) CONSUMO DE ÁGUA (m³) CONSUMO DE LGE (L) VAZÃO DE ESPUMA NA BACIA DE CONTENÇÃO 122,40 6,5 795,58 20 3% 15,43 477,35
CONSUMO TOTAL DE LGE PARA O TANQUE (m³) 0,00 CONSUMO TOTAL DE ÁGUA (m³) 64 CONSUMO TOTAL DE LGE PARA A BACIA (m³) 0,48
TANQUE TQ-003 SISTEMA DE RESFRIAMENTO ITEM ÁREA (m²) TAXA APLICADA (L/min/m²) L/min TEMPO DE APLICAÇÃO (min) CONSUMO DE ÁGUA (m³) TANQUES VIZINHOS –
RESFRIADOS POR ANEL ASPERSOR
292,82 2 585,64 60 35,14
TANQUES VIZINHOS – RESFRIADOS POR CANHÕES MONITOR E HIDRANTES COM DISTANCIA ABAIXO DE 8 m
62,92 5 314,60 60 18,88
CONSUMO DE ÁGUA DO SISTEMA DE RESFRIAMENTO EM CASO DE EVENTO NO
TANQUE (m³): 54,01
SISTEMA DE ESPUMA BACIA DESTE TANQUE: Bacia 3
ITEM ÁREA (m²) TAXA DE ÁGUA + LGE APLICADA (L/min/m²) VAZÃO DE ÁGUA + LGE(L/min) TEMPO DE APLICAÇÃO (min) TAXA DE LGE NA MISTURA (%) CONSUMO DE ÁGUA (m³) CONSUMO DE LGE (L) VAZÃO DE ESPUMA NA BACIA DE CONTENÇÃO 124,99 6,5 812,41 30 6% 22,91 1462,35
CONSUMO TOTAL DE LGE PARA O TANQUE (m³) 0,00 CONSUMO TOTAL DE ÁGUA (m³) 77 CONSUMO TOTAL DE LGE PARA A BACIA (m³) 1,47
