Detectores automáticos para la protección contra incendios

Entre las herramientas modernas con las que contamos para la protección contra el fuego, se encuentran los detectores de incendios, que son elementos sumamente importantes ya que actúan fuera del accionar del hombre, es decir, en forma automática, y esto sin duda representa su gran ventaja respecto al resto de los equipos.

Cuando llevamos a cabo un estudio de carga de fuego, tenemos la posibilidad de utilizar además de las indicaciones legislativas y las normas respectivas que cada país posee (Argentina el decreto 351/79 de la ley 19587 de Higiene y Seguridad Laboral, y las Normas Iram de aplicación) respecto al método a utilizar, otras formas de cálculo, y entre ellas se encuentra el método de Pourt (o Purt), que fue confeccionado precisamente para indicar el tipo de detección o extinción automática que un sector de incendios requiere.

Se han desarrollado en el mundo una serie de dispositivos mecánicos, eléctricos y electrónicos para la detección de los cambios generados por el fuego para evitar la propagación del mismo y principalmente para la protección de las personas.

Existen diferentes tipos de detectores automáticos en función del elemento generado por el fuego que detectan. A continuación se detallan los diferentes tipos y sus principios de funcionamiento.

DETECTORES TERMICOS

Los detectores térmicos son los más antiguos. Comenzaron a emplearse con el desarrollo de rociadores automáticos. Un rociador es una combinación de un detector de incendio activado por el calor y un dispositivo extintor; cuando el sistema rociador incorpora indicadores de caudal de agua conectados al sistema de control de alarma de incendio. Los indicadores de caudal detectan el flujo de agua por las tuberías o el subsiguiente cambio de presión cuando el sistema actúa.

También existen detectores sin función extintora que simplemente hacen sonar una alarma.

Aunque este tipo de detectores es el más barato y es el que tiene el menor índice de falsas alarmas del resto de los detectores, su respuesta es más lenta.

Sus mejores aplicaciones son la detección de fuegos en pequeños sectores restringidos; donde pueden producirse fuegos con elevado desprendimiento de calor y rápido desarrollo, en zonas donde las condiciones ambientales no permitan el empleo de otros dispositivos o donde la velocidad de detección no sea el objetivo prioritario.

Los detectores responden a la energía calorífica transportada por convección y generalmente se sitúan en o cerca del techo. La respuesta se produce cuando el elemento de detección alcanza una temperatura fija determinada o cuando se llega a una velocidad específica de cambio de temperatura. Se diseñan para detectar un cambio predeterminado de una propiedad física o eléctrica de un material o de un gas.

Existen básicamente varios tipos: termostáticos, de compensación de velocidad, termovelocimétricos, neumáticos en línea cerrado, combinados y de efecto termoélectrico.

DETECTORES TERMOSTATICOS

Se accionan para dar la alarma cuando la temperatura del elemento operacional alcanza un valor específico. La temperatura del aire es generalmente mayor que la de regulación debido a que se necesita un cierto tiempo para que el aire eleve la temperatura del elemento hasta el valor prefijado. A este fenómeno se lo denomina inercia térmica. Estos detectores cubren una amplia gama de temperaturas de funcionamiento que va desde los 57 ºC en adelante.

Los metales eutécticos o las aleaciones de bismuto, plomo, estaño y cadmio, que funden rápidamente a una temperatura prefijada, pueden emplearse como elementos operativos para la detección de calor funcionando como un elemento fusible. Al fundirse el elemento, se desprende la cubierta del orificio, el agua fluye en el sistema y se inicia la alarma.

También se emplea un metal eutéctico para activar un detector eléctrico de calor. El metal se emplea frecuentemente como soldadura para asegurar un muelle en tensión. Cuando el elemento se funde, la acción del resorte cierra los contactos y se inicia la alarma. Los dispositivos que emplean metales eutécticos no pueden reponerse. El dispositivo o elemento operativo debe reemplazarse luego de funcionar.

Como alternativa a la detección termóstática del tipo puntual, se desarrollaron varios métodos de detección el línea.

El detector emplea dos conductores de acero que se mantienen separados por aislamiento termosensible en un circuito normalmente abierto. Están bajo tensión y forman un cable único mediante una vaina trenzada.

Cuando se alcanza la temperatura de diseño, el aislamiento se funde, se cierra el circuito y se inicia una alarma. Después de haber funcionado, la sección fundida del cable debe reemplazarse para restaurar el sistema.

Otro elemento o dispositivo operativo de este tipo de detectores e la utilización de un bimetálico. Cuando dos piezas metálicas con distintos coeficientes de dilatación están adheridas y se calientan, la dilatación diferencial provoca una flexión hacia el metal de menor coeficiente. De esta forma se cierra un circuito, abierto en condiciones normales. El metal de menor dilatación más empleado es el invar, aleación del 36 % de niquel y 64 % de hierro.

Para el de mayor dilatación pueden emplearse aleaciones de manganeso/cobre/níquel, níquel/cromo/hierro o acero inoxidable. Los bimetales se emplean como elementos operativos de distintos detectores de temperatura fija. Generalmente son de dos tipos: lámina bimetálica y disco bimetálico de acción de resorte.

En los del tipo lámina bimetálica, cuando se calienta la lámina, esta se deforma en la dirección del punto de contacto. Con un bimetal determinado, la amplitud del juego entre contactos determina la temperatura de funcionamiento.

El segundo tipo emplea como elemento un disco bimetálico de forma cóncava en un estado libre. Generalmente, se une un colector de calor a la armadura del detector para acelerar la transmisión de calor desde el aire del reciento al bimetal. Cuando se calienta el disco, se provocan esfuerzos que invierten la curvatura, la cual se transforma en convexa. Esto genera una rápida acción que cierra los contactos de la alarma. El disco no forma parte del circuito eléctrico.

Todos los detectores de calor que emplean elementos bimetálicos se autorreponen automáticamente después de funcionar, cuando la temperatura ambiente cae por debajo del punto de funcionamiento.

DETECTORES DE COMPENSACIÓN DE VELOCIDAD

Es un detector térmico que actúa cuando la temperatura que lo rodea alcanza un nivel predeterminado, independientemente de la rapidez de subida de la misma.

Consiste en una envoltura tubular de un metal que se expande longitudinalmente a medida que se calienta y un mecanismo de contacto que cierra cuando se alcanza una cierta elongación. Un segundo elemento metálico en el interior del tubo ejerce sobre los contactos una fuerza opuesta que tiende a mantenerlos abiertos.

Las fuerzas están equilibradas de forma que, a bajas tasas de aumento de temperatura, se dispone de más tiempo para que el calor se transmita al elemento interior, el cual impide que los contactos se cierren hasta que todo el dispositivo se ha calentado al nivel de la temperatura regulada.

Pero si la velocidad de subida es rápida, no se dispone de tiempo para que el calor penetre en el elemento interior, el cual ejerce un efecto menor, obteniéndose un cierre de contactos cuando todo el dispositivo se ha calentado a un nivel inferior. De esta forma se compensa la inercia térmica. Como en los casos anteriores estos detectores también se autoreestablecen automáticamente.

DETECTORES VELOCIMÉTRICOS

Los detectores de temperatura fija no inician la alarma hasta que la temperatura del aire cerca del techo no supera el punto de diseño. El detector de velocidad de aumento de temperatura (termovelocimétrico) funciona cuando la velocidad de incremento excede un valor prefijado, alrededor de 7.8 ºC por minuto. Se diseñan para compensar los cambios normales en la temperatura ambiente que se producen en condiciones habituales.

En un detector neumático, el aire caliente en el interior de un tubo o cámara se dilata, aumentando la presión. Esto ejerce una fuerza sobre un diafragma que cierra los contactos de alarma. Si el tubo o cámara están herméticamente cerrados, pequeños incrementos en la temperatura ambiente y/o una disminución de la presión barométrica provocan que el detector actúe independientemente de la velocidad de aumento de la temperatura.

Para que esto no ocurra estos detectores tiene un pequeño orificio que libera las sobrepresiones que se generan cuando se producen lentas subidas de temperatura o caídas de la presión barométrica. Los respiraderos se dimensionan de forma que cuando la temperatura cambia rápidamente, como en caso de incendio, la velocidad de dilatación exceda la de venteo y la presión suba. Cuando la subida de temperatura excede 7-8 ºC por minuto, la presión se transforma en acción mecánica mediante un diagrama flexible.

DETECTORES DE TIPO NEUMÁTICO EN LÍNEA CERRADO

Consiste en un tubo capilar que contiene una sala especial saturada de hidrógeno gaseoso. A temperaturas normales la mayor parte del hidrógeno se mantiene en la sal porosa y la presión en el tubo es baja. Cuando la temperatura, en cualquier punto del tubo, aumenta, se libera hidrógeno de la sal, subiendo la presión interna y disparándose un presostato de diafragma. Este sistema vigila la integridad del tubo capilar con una segundo presostato que controla las bajas presiones presentes a temperaturas normales.

DETECTORES COMBINADOS

Tienen más de un elemento para responder al fuego. Se diseñan para actuar por medio de cualquier elemento o mediante una combinación parcial o total de ambos elementos. Un ejemplo es un detector térmico que funciona según los principios de temperatura fija y de velocidad de aumento. La ventaja que presenta es que el elemento termovelocimétrico actúa con prontitud a un fuego de rápido desarrollo y el termostático responde a otro de lento desarrollo.

El tipo más común emplea una cámara de aire hemisférica con venteo y un diagrama flexible, para la función de velocidad de subida, y una lámina bimetálica o una ballestilla sujeta por un metal eutéctico, para la función de temperatura fija. Cuando el elemento termostático alcanza el punto de funcionamiento, la lámina bimetálica flexa hasta el punto de contacto o bien se funde el metal eutéctico, liberando el resorte que cierra los contactos.

DETECTORES DE EFECTO TERMOELÉCTRICO

Este tipo de detectores es un dispositivo que utiliza un elemento sensor consiste en uno o más termistores que producen un cambio en la resistencia eléctrica como respuesta a un aumento de temperatura. Este cambio de resistencia es detectado por un circuito electrónico asociado y el detector responde cuando la resistencia varía a una velocidad anormal (detector termovelocimétrico) o cuando la resistencia llega a un valor preestablecido (detector termostático).

Los detectores termovelocimétricos de este tipo utilizan dos termistores, uno de ellos expuesto a cambios de la temperatura ambiente. Cuando la temperatura cambia rápidamente porque se ha producido un fuego, la del termistor expuesto aumenta más rápidamente que la del interior de referencia, lo que genera un cambio en la resistencia que hace que el detector dispare la alarma.

La mayoría de los detectores termovelocimétricos está diseñada con otra función de temperatura fija, de modo que aunque la temperatura subiera más lentamente 8 ºC por minuto, el detector funcionaría cuando el termistor externo alcanzara una temperatura dada.

DETECTORES DE HUMO

Son detectores que actúan con mucha más rapidez que uno térmico en la mayoría de los incendios. Estos detectores se clasifican según su principio de funcionamiento. Encontramos los de ionización y los de fotoelectricidad. Los que funcionan según el principio fotoeléctrico responden con más rapidez al humo generado por fuegos de baja energía (rescoldos), ya que generalmente se producen partículas de mayor tamaño.

Los que actúan según el principio de ionización poseen una respuesta algo más rápida a fuegos de alta energía (con llama), donde se producen elevadas cantidades de partículas de menor tamaño.

A)   DETECTORES DE IONIZACION

Son detectores de tipo puntual. Se constituyen de una pequeña cantidad de material radiactivo que ioniza el aire en una cámara detectora, convirtiendo el mismo en conductor y permitiendo que pase una corriente entre dos electrodos cargados. Esto proporciona a la cámara una conductancia eléctrica bastante efectiva. Cuando las partículas de humo entran en la zona de ionización, disminuyen la conductancia del aire, adhiriéndose a los iones, causando una reducción en su movilidad. El detector responde cuando la conductancia baja de un nivel prefijado.

B)   DETECTORES FOTOELÉCTRICOS

El principio utilizado para este tipo de detectores es aquel que se da cuando la presencia de partículas de humo en suspensión generadas durante el proceso de combustión, afecta a la propagación de un haz luminoso a través del aire.

Esto nos permite detectar la presencia de un fuego de dos formas: por oscurecimiento de la intensidad luminosa a medida que pasa el haz y por dispersión del haz luminoso.

-      Principio de oscurecimiento

Los detectores que operan según este principio incorporan una fuente luminosa, un sistema de colimación del haz de luz y un dispositivo fotosensible. Cuando las partículas de humo penetran en el haz, la luz que alcanza el dispositivo fotosensible se reduce y la alarma se activa. La fuente generalmente es un diodo emisor de luz. Constituye una fuente fiable y duradera que funciona con baja intensidad de corriente. Los diodos pulsadores pueden generar suficiente corriente para su uso en equipos detectores, funcionando a niveles de energía aún más bajos.

En la práctica, la mayoría de los detectores de oscurecimiento de luz son del tipo haz luminoso y se emplean para la protección de grandes espacios abiertos. Se instalan con la fuente luminosa en un extremo de la zona que hay que proteger y el receptor (fotocélula o relé) en el otro extremo. En algunas aplicaciones, se emplean espejos para determinar la zona de cobertura, dirigiendo el haz según la trayectoria deseada. Por cada espejo empleado, la longitud nominal del haz debe reducirse progresivamente en un tercio. Los detectores de haz proyectados se instalan generalmente cerca del techo.

-      Principio de dispersión

Cuando las partículas de humo penetran en el haz, se produce dispersión de la luz. Los detectores que emplean este principio son generalmente puntuales. Contienen una fuente luminosa y un dispositivo fotosensible, dispuestos de tal forma que los rayos luminosos no inciden, normalmente, en el segundo. Cuando las partículas entran en la luz, ésta se dispersa sobre el dispositivo fotosensible, provocando la respuesta del detector.

-      Principio de la cámara de niebla

Un detector según este principio generalmente es del tipo de muestreo. Una bomba de aire aspira una muestra de este, de la/s zona/s protegida/s hacia una cámara de alta humedad dentro del detector. Una vez elevada la humedad de la muestra de aire a un elevado valor, la presión baja ligeramente. Si las partículas están presentes, la humedad se condensa sobre ellas formando niebla en la cámara. La densidad de dicha niebla se mide según un principio fotoeléctrico. Cuando dicha densidad es mayor que un valor prefijado, se produce la respuesta del detector.

DETECTORES DE GAS

Se producen muchos cambios en el contenido gaseoso ambiente durante un incendio. En ensayos de incendio se observó que los niveles detectables de gas se alcanzan después que los de humo y antes que los de calor. Se emplean dos principios de funcionamiento,

-      PRINCIPIO DEL SEMICONDUCTOR

Funciona respondiendo a la oxidación o reducción de los gases que generan sus cambios eléctricos en un semiconductor. El cambio de conductividad provoca la activación de la alarma.

-      PRINCIPIO DEL ELEMENTO CATALÍTICO

Estos detectores contienen un material que permanece sin cambio, pero acelera la oxidación de los gases combustibles. El siguiente cambio de temperatura del elemento inicia la alarma.

DETECTORTES DE LLAMA

Estos detectores reaccionan ante la aparición de la energía radiante visible para el ojo humano (aproximadamente entre 4000 y 7000 angstroms) o a la energía radiante que está fuera del campo de visión humana.

Estos detectores son sensibles a las brasas incandescentes y a las llamas que radian energía de suficiente intensidad y naturaleza espectral para motivar la reacción del detector.

Debido a su respuesta detectora rápida, suelen emplearse generalmente en zonas altamente peligrosas, tales como plataformas de carga de combustibles, áreas de procesos industriales, cámaras hiperbáricas, áreas con techos altos y atmósferas propensas a explosiones o fuegos rápidos.

Debido a que deben ser capaces de ver el fuego, pueden ser bloqueados por objetos situados frente a ellos, aunque el detector de infrarrojos posee cierta capacidad para detectar la radiación reflejada de las paredes.

-      DETECTOR DE INFRARROJOS

Consiste básicamente en un sistema de filtro y lentes que se emplea para apantallar longitudes de onda indeseables y focalizar la energía incidente en una célula fotovoltaica o fotorresistiva sensible a la energía infrarroja. Reaccionan al componente total de infrarrojos de la llama, sola o en combinación con el parpadeo de la llama en la banda de frecuencia de 5 a 30 Hz.

El mayor problema en el empleo de este detector que recibe la radiación total del IR es la posibilidad de interferencia de la radiación solar en la regió del IR. Si se sitúan en zonas de sombra solar, no es necesario filtrar o apantallar los rayos del sol.

-      DETECTOR DE ULTRAVIOLETRAS

Emplea generalmente como elemento sensible un dispositivo de estado sólido, carburo de silicio o nitruro de aluminio, o un tubo lleno de gas. Es insensible a la luz solar y artificial.

CONDICIONES AMBIENTALES QUE INFLUYEN EN LA RESPUESTA DE LOS DETECTORES

Existen condiciones ambientales que condicionan la selección, localización y capacidad de respuesta de los detectores. La elección o emplazamiento inadecuados de un tipo de detector puede crear problemas, que van desde la ausencia de alarma hasta excesivas falsas alarmas.

AMBIENTE CIRCUNDANTE

Cuando se elige un detector para un lugar específico se debe tener en cuenta el ambiente al que va a estar expuesto en condiciones normales. Por ejemplo un detector de IRA o UV que se emplee en lugares donde se lleven a cabo operaciones de soldadura con arco o autógena, puede generar falsas alarmas debido a la presencia de energía radiante.

Además, los detectores que responden a partículas de humo son especialmente propensos a falsas alarmas, de fuentes tales como humos de cocina, cigarrillos o escapes de automóviles.

CALEFACCIÓN, VENTILACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

En habitaciones, edificios, etc donde existe ventilación forzada, no deben colocarse en lugares donde el aire de los difusores pueda diluir el humo antes de alcanzar al detector. Deben colocarse de forma que favorezcan el flujo de aire hacia las aberturas de retorno.

Esto puede que exija detectores adicionales, puesto que si sólo se sitúan cerca de las aberturas de retorno, el equilibrio de la zona puede quedar inadecuadamente protegido cuando se detenga el sistema de aire forzado.

COMO ELEGIR UN DETECTOR

Al planificar un sistema de detección de incendios, los detectores deben elegirse teniendo en cuenta los siguientes factores:

• Tipo de fuegos potenciales que puedan producirse
• Tipo y cantidad de combustible presente
• Posibilidad de fuentes de ignición
• Condiciones ambientales
• Valor de la propiedad a proteger

En general, los detectores térmicos poseen el más bajo costo y tasa de falsas alarmas, pero son los más lentos de respuesta. Debido a que el calor generado por pequeños fuegos tiende a disiparse rápidamente, los detectores térmicos tienen su mejor aplicación en la protección de espacios confinados o directamente a las distancias recomendadas o con separaciones inferiores para obtener una respuesta más rápida. La temperatura de funcionamiento de un detector térmico debe ser al menos 14 ºC superior a la máxima temperatura ambiente esperada en la zona protegida.

Los detectores de humo son más costosos que los térmicos, pero responden más rápidamente a los incendios. Son más adecuados para la protección de grandes espacios abiertos porque el humo no se disipa con tanta rapidez como el calor en un espacio de las mismas dimensiones. Se instalan según una disposición en rejilla, o según las condiciones que prevalezcan en función de las corrientes de aire.

Los detectores de humo por ionización son útiles cuando se producen incendios con llama. Los detectores de humo fotoeléctricos tienen una mejor utilización en lugares que tengan posibilidad de ser afectados por incendios de rescoldos o incendios que afecten al aislante de cable de pirólisis a baja temperatura (PVC).

Los detectores de llama ofrecen una respuesta extremadamente rápida, pero se activa con cualquier fuente de radiación dentro de su campo de sensibilidad. Si se aplican inadecuadamente, las tasas de falsas alarmas pueden ser elevadas. Debido a que son dispositivos que necesitan ver el fuego, debe cuidarse que no sean bloqueados accidentalmente por equipos o materiales almacenados. Su sensibilidad va en función del tamaño de la llama y distancia de ésta al detector. Aunque son relativamente caros, son idóneos para proteger áreas con presencia de polvos o vapores explosivos o inflamables, debido a que normalmente está dotados de carcasas a prueba de explosiones.

COMO INSTALAR UN DETECTOR

Una vez elegido el detector más adecuado, el siguiente paso es instalarlo en la zona que hay que proteger. Los del tipo puntual se emplazan generalmente no más de 10 cm del techo o paredes.

Cuando se instalan detectores térmicos a las distancias certificadas, los tiempos de detección son aproximadamente equivalentes al tiempo de funcionamiento de los rodicadores normalizados de 74 ºC del tipo de palanca y varilla. Si se desea una respuesta más rápida, se debe reducir la separación del detector. También, cuando los techos sean altos, o cuando su construcción no sea lisa, la separación debe reducirse adecuadamente.

La norma NFPA 72 E- Norma para los detectores automáticos de incendio- establecen mayor información específica sobre la instalación de detectores.

-      SEPARACIÓN DE DETECTORES TÉRMICOS EN TECHOS ALTOS

Debido a que el aire al ascender durante el incendio es diluido por el aire frío, se ha creído siempre que los detectores térmicos deberían ser instalados muy juntos en techos altos para conseguir el mismo tiempo de respuesta que el que proporcionarían en un techo de 2,5 a 3 metros de altura. Los datos de múltiples ensayos demuestran que los detectores térmicos deberían estar más juntos, cuando se instalan en un techo alto, para alcanzar el mismo tiempo de respuesta que si estuvieran en techos de 3 metros. La norma NFPA 72 E exige la reducción de la separación cuando los detectores de calor están montados en techos de más de 3 metros de altura.

Cuando se instale cualquier tipo de detector térmico, deben tenerse en cuenta las fuentes de calor en el espacio protegido que podrían causar falsas alarmas. Por ejemplo, los detectores térmicos deberían situarse apartados de unidades calefactoras y hornos, de donde se espera salgan oleadas de aire caliente.

La instalación adecuada para los detectores de humo es más importante que la de los detectores térmicos, debido a que en un incendio de rescoldos, el transporte de humo está fuertemente influenciado por la corriente de aire convectiva en la zona protegida. A pesar de que se pueda instalar una parrilla, como punto de arranque, debe tenerse cuidado en colocar adecuadamente los registros de suministro de calor y los de retorno del aire. Los detectores de humo deberían colocarse aparte de las turbulencias producidas por las salidas de aire caliente. Su colocación debería favorecer el aire de retorno, debido a que el aire de retorno dirigirá el humo hacia el detector, y que la velocidad del aire de regreso, tiende a ser menor.

-      APLICACIONES ESPECIALES

Los detectores de humo de conductos de aire se instalan en los conductos de retorno de los sistemas HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado), procedente de un fuego en el edificio. Detectado el incendio, el sistema de control asociado detiene los sopladores de circulación, o los invierte a situación de escape de humos.

Se emplean también dispositivos activados por humo para cerrar automáticamente puertas contra incendios en edificios, a fin de limitar la propagación del humo en caso de incendio. Esto puede conseguirse con detectores montados en el techo de los corredores, conectados a dispositivos de apertura situados en las puertas y activados eléctricamente, o mediante detectores de humo integrados en las propias puertas.

Cuando se instalen detectores de humo, debe considerarse también la estratificación del humo. El humo puede estratificarse debajo del techo, debido a grandientes de temperatura, o a corrientes de aire a lo largo del techo. La instalación de detectores de gas es similar a la de los de humo puesto que los gases del incendio tienden a circular con el humo y se ven afectados de forma similar por las corrientes de convección en el espacio protegido. Deben emplazarse también lejos de fuentes de gases o vapores oxidables, tales como por ejemplo, disolventes hidrocarbonados o rociadores de aerosol, que podrían causar falsas alarmas.

Los requerimientos de los detectores de llama son distintos a los de calor o humo, que las distancias de separación no son importantes para los dispositivos de línea de visualización. Deben emplearse de forma que puedan ver la radiación luminosa que emane de cualquier punto del espacio protegido. Debido a que el cono de visión varía según el diseño del detecto , deben seguirse las recomendaciones del fabricante para la cobertura de la zona. Necesitan apantallarse o situarse de forma que lo vean fuentes de energía radiante que no procedan de fuegos y puedan provocar falsas alarmas.