Atmosfere esplosive: l’importanza del fattore ventilazione
Una ventilazione efficace può evitare potenziali rischi di esplosione.
Vediamo in quali casi, attraverso una guida esplicativa.
Attraverso un’analisi dei contesti esplosivi, distinti in ambienti aperti o chiusi, investighiamo i sistemi di ventilazione progettati per la protezione contro le esplosioni.
Focalizziamo l’attenzione sul grado di ventilazione e sui fattori che ne determinano l’efficacia.
In base all’articolo 288 del D.Lgs. 81/08 per “Atmosfera Esplosiva” si intende una miscela con l’aria, a condizioni atmosferiche, di sostanze infiammabili allo stato di gas, vapori, nebbie o polveri in cui, dopo accensione, la combustione si propaga nell’insieme della miscela incombusta.
Le condizioni atmosferiche sono quelle nelle quali la concentrazione di ossigeno nell’atmosfera è approssimativamente del 21% e che includono variazioni di pressione e temperatura al di sopra e al di sotto dei livelli di riferimento, denominate condizioni atmosferiche normali (pressione pari a 101325 Pa, temperatura pari a 293 K), purché tali variazioni abbiano un effetto trascurabile sulle proprietà esplosive della sostanza infiammabile o combustibile.
Alcune condizioni atmosferiche sono connesse ai fattori ambientali a loro volta legati al luogo in esame; detti fattori influiscono sia sulla qualificazione delle zone pericolose che si determinano a seguito di un’emissione di sostanza pericolosa dai sistemi di contenimento, sia sull’estensione delle zone pericolose.
LUOGHI E AMBIENTI:
Distinguiamo innanzitutto il luogo dall’ambiente: il Luogo Pericoloso è lo spazio in cui è o può essere presente un’atmosfera esplosiva per la presenza di gas, vapori, nebbie o polveri.
Il Luogo Pericoloso costituisce l’inviluppo delle singole zone pericolose afferenti alle relative sorgenti di emissione.
L’Ambiente è una parte o tutto il luogo, nel quale esistono condizioni di ventilazione univocamente definibili.
Per ciascun ambiente vanno definite le condizioni ambientali e cioè: temperatura massima, altitudine sul livello del mare, pressione atmosferica, caratteristiche della ventilazione, ecc.
Una prima macrodistinzione che si può operare tra i diversi ambienti è in ambienti Aperti o Chiusi.
Ambienti Aperti:
Sono quelli all’esterno di edifici di qualsiasi natura,in cui non esistono ostacoli al naturale movimento dell’aria ai fini della diluizione di gas,vapori, nebbie o polveri che possono essere immessi nell’atmosfera.
Sono anche considerati ambienti aperti, quelli delimitati da pareti, coperture o schermi, realizzati in modo da non limitare la diluizione nell’aria di gas, vapori o polveri che possono essere immessi nell’atmosfera (Un ambiente coperto da una tettoia, ma aperto lateralmente per tutta la sua altezza e per almeno il 60% del suo perimetro, può essere considerato come aperto, purché non contenga al suo interno ostacoli rilevanti che possono provocare accumuli di sostanza pericolosa).
In base alle norme, i valori di riferimento per le Condizioni Atmosferiche Normali, negli ambienti aperti, sono:
- 101325 Pa (1013 mbar);
- 20° C (293 K);
con variazioni che abbiano un effetto trascurabile sulle proprietà esplosive delle sostanze infiammabili (gas, vapori, nebbie) e di quelle combustibili (polvere).
Ambienti Chiusi:
Sono quelli all’interno di edifici di qualsiasi natura, in cui esistono ostacoli al naturale movimento dell’aria ai fini della diluizione di gas, vapori o polveri che possono essere immessi nell’atmosfera.
Le condizioni per gli ambienti chiusi devono essere definite singolarmente, facendo riferimento anche ai dati ambientali dell’ambiente aperto circostante e alla configurazione e disposizione delle aperture (ventilazione per effetto della spinta del vento).
Anche la differenza tra temperatura interna ed esterna di un ambiente chiuso, può determinare una ventilazione che in questo caso è denominata “Effetto Camino”.
LA VENTILAZIONE:
Per le norme tecniche la Ventilazione è il movimento dell’aria che provoca il ricambio dell’atmosfera con aria fresca per effetto del vento (spinta del vento), di gradienti di temperatura (effetto camino), o di mezzi artificiali (ad es. ventilatori o estrattori).
Da questa definizione di ventilazione, si distinguono due principali tipi di ventilazione: Ventilazione Naturale e Ventilazione Artificiale, a sua volta divisa in generale e locale.
La Ventilazione Naturale:
La Ventilazione Naturale è quella attuata dal movimento dell’aria causato dal vento e/o da gradienti di temperatura.
All’aperto, la ventilazione naturale spesso è sufficiente ad assicurare la dispersione di un’atmosfera esplosiva che si formi nel luogo.
La Ventilazione Naturale può essere efficace anche in determinati ambienti chiusi (ad es. in un edificio con aperture nei muri e/o sul soffitto).
La valutazione della ventilazione di luoghi all’aperto si basa su una velocità del vento minima presunta di 0,5 m/s: tale valore è conservativo e a favore della sicurezza, in quanto la velocità del vento frequentemente è superiore a 2 m/s.
Tuttavia, in prossimità del suolo tale velocità può essere inferiore a 0,5 m/s per effetto dello strato limite, quindi in assenza di dati si consiglia di assumere una velocità di 0,25 m/s fino a 3 m dal suolo.
La Ventilazione Naturale, dovuta alla spinta del vento, è efficace in ambienti chiusi quando esistono aperture fisse (prive di schermature e infissi) di ventilazione e quando esse sono ubicate nella direzione prevalente di provenienza del vento.
In questi casi l’effetto della ventilazione esterna può essere rilevato fino a circa 10 m dall’apertura di ingresso dell’aria.
Quando invece le aperture sono provviste di schermature o protezioni dalle intemperie, l’effetto della ventilazione esterna può essere rilevato fino a 3 m circa dall’apertura di ingresso dell’aria, con velocità dell’ordine di 0,05÷0,15 m/s.
Negli edifici di tipo industriale, anche quando non sono presenti apposite aperture fisse di ventilazione, esistono sempre ricambi d’aria per infiltrazioni naturali.
La ventilazione naturale, dovuta all’effetto camino, si ha in ambienti chiusi che presentano differenze di temperatura con il luogo all’aperto circostante.
È il caso, ad esempio, dell’inerzia termica di un edificio rispetto all’ambiente esterno, a seguito delle escursioni termiche tra giorno e notte; oppure quando la temperatura interna è riscaldata da impianti o componenti, come ad esempio una centrale termica alimentata a metano.
Con queste condizioni si creano dei moti convettivi dell’aria che possono essere agevolati dalla presenza di aperture fisse sulle pareti in basso e aperture o torrini in alto a soffitto.
Per avere un effetto camino significativo, occorrono differenze di temperatura tra interno ed esterno di almeno 2-3 K.
Esempi di luoghi con ventilazione naturale all’aperto sono le strutture tipiche dell’industria petrolifera, quali i percorsi delle tubazioni, le zone pompe e simili.
Sono luoghi con ventilazione naturale al chiuso, quelli degli edifici contenenti impianti di processo, con aperture permanenti realizzate ai fini della ventilazione.
La Ventilazione Artificiale:
La Ventilazione Artificiale è quella in cui il necessario movimento dell’aria è attuato con mezzi artificiali, quali ventilatori o estrattori.
La ventilazione artificiale viene essenzialmente impiegata all’interno di locali o spazi chiusi; essa tuttavia può essere usata anche all’aperto, per compensare la riduzione della ventilazione naturale causata da ostacoli.
La ventilazione artificiale di un luogo può essere Generale o Locale:
- Ventilazione Generale, quando applicata all’intero ambiente chiuso e quindi tramite estrattori a parete o a soffitto, oppure a una determinata area all’aperto per incrementare la ventilazione naturale in presenza di ostacoli.
- Ventilazione Locale, quando è applicata a singole sorgenti di emissione o a gruppi compatti di sorgenti di emissione ed in particolare per le sorgenti di emissione di grado continuo e primo.
Con l’impiego della ventilazione artificiale è possibile ottenere la riduzione dell’estensione delle zone pericolose, la diminuzione del tempo di permanenza dell’atmosfera esplosiva al cessare dell’emissione e la prevenzione della formazione di un’atmosfera esplosiva.
Nel caso della Ventilazione Artificiale Generale, la velocità dell’aria va tenuta a valori idonei per il benessere delle persone presenti nell’ambiente, tali valori sono stabiliti dalle norme e generalmente prevedono 0,1 m/s a 15° C e fino a 0,3 m/s a 25° C.
Per le sorgenti di emissione di grado continuo e primo, occorre valutare l’opportunità e la possibilità di applicare una Ventilazione Artificiale Locale.
Essendo questa, in genere, appositamente realizzata, la portata d’aria (Qa), i criteri costruttivi e la disponibilità di funzionamento, possono essere definiti considerando i risultati che si vogliono ottenere.
La portata di ventilazione e altre caratteristiche della ventilazione artificiale locale (area bocca di aspirazione, diametro condotte, distanza dalla sorgente di emissione, ecc.), devono essere tali da ridurre l’estensione della zona o delle zone pericolose, ad estensioni trascurabili, limitate al solo, piccolo volume compreso tra la sorgente di emissione e la bocca di aspirazione.
Per definire l’efficacia della ventilazione artificiale locale occorre considerare anche la sua disponibilità, cioè la sua presenza quando la sorgente di emissione è attiva, per la ventilazione artificiale locale si prendono in considerazione solo la disponibilità buona e adeguata.
Esempi di luoghi con ventilazione artificiale generale, sono quelli di un edificio dotato di ventilatori alle pareti e/o al soffitto, oppure i luoghi all’aperto con ventilatori ubicati in modo da migliorare la ventilazione naturale.
È da considerarsi invece ventilazione artificiale locale, il sistema di estrazione aria/gas applicato sulla racla di spalmatura di una macchina per la produzione di carte plastificate con uso di solventi; oppure il sistema di estrazione aria/polvere applicato ai bordi di una tramoggia, per lo scarico manuale di sacchi di polvere combustibile.
Ventilazione Artificiale per la Protezione contro le Esplosioni:
Un sistema di ventilazione artificiale progettato per la protezione contro l’esplosione, è idoneo se possiede i seguenti requisiti:
- La sua portata (flusso d’aria) è controllata e sorvegliata;
- E’ presa in considerazione la classificazione all’interno del sistema di estrazione e immediatamente al di fuori del punto di scarico dell’aria;
- Per la ventilazione di un luogo pericoloso, l’aria è normalmente aspirata da un luogo non pericoloso, tenendo presenti gli effetti di aspirazione sull’area circostante;
- Il dimensionamento e la collocazione delle bocchette (o cappe) del sistema di ventilazione è fatto tenendo conto della quantità,del grado, della portata e dell’ubicazione delle sorgenti di emissione;
- Sono considerati gli ostacoli e gli impedimenti alla circolazione dell’aria;
- Le bocche dimandata o aspirazione sono ubicate in relazione alla densità relativa all’aria dei gas o vapori e delle eventuali variazioni di temperatura.
Il Grado di Ventilazione:
Il grado di ventilazione è la quantità di aria di ventilazione che investe la sorgente di emissione in rapporto alla quantità di sostanze infiammabili emesse nell’ambiente.
Il rapporto può essere tale da limitare in varia misura la presenza di atmosfera esplosiva e ridurre o meno il tempo di persistenza della stessa al cessare dell’emissione.
Si riporta di seguito una descrizione generale dei gradi di ventilazione:
- Alto (VH): la ventilazione è in grado di ridurre la concentrazione in prossimità della sorgente di emissione in modo praticamente istantaneo, limitando la concentrazione al di sotto del LEL (Corrisponde all’inglese “Lower Explosion Limit” limite inferiore di esplosione). Ne risulta una zona di piccola estensione, tale da poter rendere trascurabile l’estensione della zona pericolosa. Quando la disponibilità della ventilazione non è buona, la suddetta zona di estensione trascurabile può essere circondata da un altro tipo di zona;
- Medio (VM): la ventilazione è in grado di influire sulla concentrazione, determinando una zona pericolosa entro limiti definiti mentre avviene l’emissione e tale da limitare il tempo di persistenza dell’atmosfera esplosiva al cessare dell’emissione. L’estensione ed il tipo della zona sono condizionati dalle grandezze caratteristiche di progetto;
- Basso (VL): la ventilazione non è in grado di controllare la concentrazione mentre avviene l’emissione e/o non può prevenire la persistenza eccessiva di un’atmosfera esplosiva dopo l’arresto dell’emissione.
Altro importante parametro da considerare per definire l’efficacia della ventilazione è la Disponibilità del grado di ventilazione considerato.
La disponibilità della ventilazione ha influenza sulla presenza o formazione di un’atmosfera esplosiva ed esprime il livello di disponibilità del grado di ventilazione considerato.
Si contemplano tre livelli di disponibilità:
Buona: quando la ventilazione considerata (portata e relativo fattore di efficacia) è presente in pratica con continuità, quando la sorgente di emissione è attiva. Possono essere ammesse, a volte, brevissime Interruzioni (Con ventilazione naturale all’aperto, la disponibilità è generalmente buona se si assume una velocità dell’aria pari a 0,5 m/s, o, specialmente in prossimità del suolo, un valore più basso, tali condizioni convenzionalmente rappresentano la “calma di vento”, presente in pratica sempre. Con ventilazione artificiale la disponibilità è buona quando la ventilazione è presente in pratica con continuità; sono ammesse brevissime interruzioni quale quella necessaria per l’avviamento automatico di ventilatori di riserva);
Adeguata: quando la ventilazione considerata (portata e relativo fattore di efficacia) è presente durante il funzionamento normale, quando la sorgente di emissione è attiva. Sono ammesse delle interruzioni purché siano poco frequenti e per brevi periodi;
Scarsa: quando la ventilazione considerata (portata e relativo fattore di efficacia) non risponde ai requisiti di “adeguata” o “buona” disponibilità: in ogni caso non sono previste interruzioni per lunghi periodi quando la sorgente di emissione è attiva.
L’efficacia della ventilazione:
Per definire globalmente la bontà della ventilazione si adotta il fattore di efficacia della ventilazione il quale rappresenta l’effettiva capacità di diluizione dell’atmosfera esplosiva rispetto agli impedimenti al flusso d’aria presenti nell’intorno delle singole sorgenti di emissione.
Il fattore di efficacia della ventilazione può essere definito dal rapporto tra la ventilazione necessaria in presenza di impedimenti e la ventilazione che si avrebbe senza detti impedimenti, per realizzare gli stessi ricambi d’aria nell’intorno della sorgente di emissione.
Può variare da 1 (situazione ideale), a 5 (flusso impedito da ostacoli).
Le guide tecniche del CEI forniscono i criteri, di seguito esposti, per determinare il fattore di efficacia della ventilazione (f), ferma restando la responsabilità del tecnico preposto alla classificazione nel valutare caso per caso.
Fattore di efficacia della ventilazione f = 1: Ventilazione naturale o artificiale con libera circolazione dell’aria e pratica assenza di impedimenti che possono ridurne l’efficacia di diluizione dell’atmosfera esplosiva nell’intorno della sorgente di emissione. Nel caso di ventilazione artificiale è applicabile solo alla ventilazione artificiale locale o alla ventilazione artificiale generale di piccoli locali (ad esempio: ambiente con sfiati convogliati al di sopra degli edifici o strutture circostanti, laboratori con cappe di aspirazione).
Fattore di efficacia della ventilazione f = 2: Ventilazione naturale o artificiale generale con presenza di qualche impedimento alla libera circolazione dell’aria che può ridurre in modo poco significativo la sua effettiva capacità di diluizione dell’atmosfera esplosiva nell’intorno della sorgente di emissione, ubicata a qualunque altezza dal suolo (ad esempio: ambiente con strutture aperte, ambienti senza avvallamenti significativi del terreno, ambienti con una perfetta conformazione del sistema di ventilazione e/o di distribuzione delle aperture di ventilazione).
Fattore di efficacia della ventilazione f = 3: Ventilazione naturale o artificiale generale in presenza di un numero medio di impedimenti alla libera circolazione dell’aria che possono ridurre in modo significativo la sua effettiva capacità di diluizione dell’atmosfera esplosiva nell’intorno della sorgente di emissione. (Ad esempio: ambiente con strutture solo parzialmente chiuse, interno di bacini di contenimento serbatoi di stoccaggio con diga o terrapieno non alto in relazione alla distanza dal serbatoio, avvallamenti poco profondi del terreno in presenza di gas pesanti, ambiente con una non perfetta conformazione del sistema di ventilazione e/o di distribuzione delle aperture di ventilazione).
Fattore di efficacia della ventilazione f = 4: Ventilazione naturale o artificiale generale in presenza di un grande numero di impedimenti alla libera circolazione dell’aria che possono ridurre molto la sua effettiva capacità di diluizione dell’atmosfera esplosiva nell’intorno della sorgente di emissione (ad esempio: ambiente con un grande numero di strutture aperte e/o parzialmente chiuse, interno di bacini di contenimento serbatoi di stoccaggio con diga o terrapieno mediamente alto in relazione alla distanza dal serbatoio, avvallamenti poco profondi del terreno in presenza di gas pesanti che però non possono essere assimilati a fosse, ambiente con una inadeguata conformazione del sistema di ventilazione e/o di distribuzione delle aperture di ventilazione).
Fattore di efficacia della ventilazione f = 5: Ventilazione naturale o artificiale generale in presenza di un grandissimo numero di impedimenti alla libera circolazione dell’aria che possono ridurre molto la sua effettiva capacità di diluizione dell’atmosfera esplosiva nell’intorno della sorgente di emissione (ad esempio: ambiente con le sorgenti di emissione poste immediatamente dietro a grandi ostacoli, ambiente con sorgenti di emissione aventi una ridottissima quantità di ricambi d’aria quali possono essere i sottotetti alti per gas leggeri, le fosse profonde per i gas pesanti, ambiente con una non corretta conformazione del sistema di ventilazione e/o di distribuzione delle aperture di ventilazione).