Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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CAPITULO 1
TEORÍA DEL FUEGO
1.1 INTRODUCCIÓN
A medida que las construcciones comienzan a acumular años, la necesidad de
introducir una concientización en materia de seguridad de las instalaciones eléctricas,
se convierte en una prioridad cada vez mayor. La seguridad y la fiabilidad de estas,
residen en el empleo de dispositivos de protección (desde interruptores automáticos y
diferenciales obligatorios, hasta sistemas de detección y extinción contra incendios).
La influencia del tiempo, con el consiguiente envejecimiento de los materiales y el
incremento del número de equipos receptores instalados en los comercios –que
pueden producir sobrecargas y cortocircuitos en la instalación eléctrica– afectan la
fiabilidad de las instalaciones y la seguridad de su funcionamiento. Por lo que es
necesario que todas las instalaciones eléctricas deben ser revisadas periódicamente.
En toda construcción como se sabe el tiempo degrada los materiales, los aislamientos
de conductores se endurecen y pueden romperse. De esta manera, con el tiempo, las
instalaciones eléctricas pierden sus características funcionales, produciendo posibles
conatos de incendios, creando un peligro hacia las personas y provocando graves
pérdidas económicas. Por lo tanto los incendios derivados de instalaciones eléctricas
inseguras se pueden prevenir.
A lo largo del tiempo se ha venido dando muchos incendios. Estos incendios son
debidos a diversas causas, siendo las más señaladas por parte de la población y el
personal que mitiga e investiga los mismos las de origen eléctrico, principalmente los
cortocircuitos.
Por tal razón es necesario dar a conocer y buscar objetivos de referencia para la
investigación y prevención de incendios en el sector comercial, por lo que en este
trabajo se pretende dar a conocer una guía de prevención de incendios debido a
causas eléctricas y con esto dar por asentado algunas ideas claras para una
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consideración eléctrica y esclarecer algunos falsos argumentos o suposiciones
equivocadas.
1.2 GENERALIDADES
¿Qué es la energía? De ella sabemos, por ejemplo, que puede fluir en diversas
formas, como la energía calórica, la energía eléctrica y el trabajo mecánico.
También, que se puede almacenar en diversas formas tales como energía de
formación en un resorte comprimido, energía interna en un cuerpo caliente y energía
química en un combustible. La verdad es que en realidad desconocemos la respuesta.
La mayoría de las materias científicas y tecnológicas comienzan con una aceptación
del concepto de energía y tratan las diversas formas de energía y masa como
elemento fundamental del universo. Los problemas que se refieren a la naturaleza
fundamental y la existencia de energía son más apropiados a los campos de la
filosofía y religión. La ciencia no puede dar razones de la existencia de energía o la
existencia del mundo físico. Nosotros mismos somos parte de este universo físico,
parte de la energía que deseamos entender y debido a esto es esencialmente
imposible entender la existencia de la energía. Sin embargo, esto no debe
desalentarnos en el estudio de las características de diversas energías. El progreso
realizado por el hombre y que lo ha llevado a su estado presente de civilización, ha
sido gracias a que ha recabado información acerca de ella.
El tema de este capítulo se refiere precisamente a una de las muchas manifestaciones
de la energía, el calor y sus posibles connotaciones como el fuego y las explosiones.
Al analizar situaciones físicas, la atención generalmente se enfoca en alguna porción
de la materia que se separa en forma imaginaria del medio ambiente que le rodea. A
tal porción se le denomina el sistema. A todo lo que esta fuera del sistema, y que
tiene una participación directa en su comportamiento, se le llama medio ambiente o
entorno. Después, se determina el comportamiento del sistema, encontrando la forma
en que interactúa con su entorno.
Un concepto esencial de la termodinámica (La termodinámica fija su atención en el
interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que
se llevan a cabo entre un sistema y otro) es el de sistema macroscópico, que se define
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como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con
un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico en
equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la
presión o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas. Ahora bien,
en el análisis de sistemas tiene vital importancia la cuantificación del "calor", el cual
se refiere a la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre
diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura.
En este capítulo se introducirá primero la diferencia entre temperatura y calor, para
luego presentar el estudio del calor como tal y sus formas de transmisión con las
ecuaciones generales que gobiernan la conducción, convección y radiación. Por otro
lado, se estudiará el fuego y sus características, para finalizar con el análisis de las
explosiones.
1.3 EL CALOR Y EL FUEGO
1.3.1 El Calor
Antes de estudiar la obtención del calor y el fuego con sus leyes y formulas debemos
explicar la diferencia existente entre las magnitudes físicas temperatura y calor.
Todas las sustancias, sean solidas, liquidas o gaseosas, pueden calentarse. Su estado
de agregación (solido, líquido o gaseoso) depende del grado de calentamiento.
Podemos tener:
Los alimentos y el agua se calientan en una casa con una cocina de gas o una
eléctrica.
Para trabajar (forjar, fundir y soldar) los metales se les calienta con llamas o
eléctricamente.
Los cojinetes mal lubricados de maquinas se calientan debido al rozamiento.
En estos casos se transforman diferentes formas de energía en calor. Por tanto se
llega a la conclusión que: el calor (cantidad de calor) es energía. La unidad de calor
es el joule.
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Para comprender lo que es calor vamos a suponer que tenemos un cubo de hielo a
una temperatura de -4°C. Se le calienta lentamente, o sea que se le suministra energía
que se transforma en calor. El cubo de hielo se calienta hasta 0°C y se funde
convirtiéndose en agua. Este punto se denomina punto de fusión. Si seguimos
suministrando energía, después que el hielo se haya transformado totalmente en agua
aumentará la temperatura hasta alcanzar un máximo de 100°C, con lo que habremos
alcanzado el punto de ebullición. El agua se transforma en vapor, o sea gas.
Las moléculas de agua, que en estado sólido (hielo) se encuentran fijas en un punto,
tienen una vibración propia. Como consecuencia del suministro de calor se
intensifica esta vibración hasta que finalmente las moléculas se separan unas de otras
y abandonan sus lugares físicos. Sin embargo, siguen encontrándose confinadas en
un determinado espacio. Si seguimos suministrando energía, la vibración sigue
intensificándose (el agua borbotea) hasta que finalmente, en el punto de ebullición,
es tan fuerte que las moléculas de agua se separan y se mueven libremente por el
espacio en forma de vapor.
“Por lo que se llega a la conclusión que el calor es energía de vibración de partículas.
La temperatura es una medida del estado térmico (estado de vibración) y la unidad de
medida son los grados” Si el calor es vibración de las partículas y la temperatura una
medida del estado de vibración, debe existir un estado en el que todo este en reposo,
que es el cero absoluto.
Entonces el calor es una manifestación de la energía provocada por el movimiento
molecular. Al calentarse un cuerpo, aumenta la energía cinética (energía en
movimiento) de las moléculas, produciéndose choques más o menos violentos, según
la cantidad de calor entregada.
1.3.2 Escalas de temperatura
El físico sueco Anders Celsius (1701-1744) llamaba al punto de fusión del hielo
“cero grados” (lo que hoy se conoce “cero grados Celsius” 0°C), y al punto de
ebullición del agua, “cien grados” (100°C). El cero absoluto de temperatura se
encuentra a -273,15°C.
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Paralelamente a la escala Celsius se introdujo la escala Kelvin de temperaturas, por
el físico ingles Lord Kelvin of Largs (Sir William Thomson) 1824-1907. En esta
escala el cero no se encuentra en el punto de fusión del hielo sino en el cero
absoluto. Con ello el punto de fusión del hielo esta a 273,15 °K y el punto de
ebullición del agua a 373,15°K.
En 1716 el físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) introdujo la escala
Fahrenheit, al punto de congelación del agua asigna el valor de 32°F y al de
ebullición el de 212°F; divide la escala en 180°.
Comparándola con la escala Celcius que divide ese intervalo en 100° resulta:
1.3.3 Intensidad de calor y cantidad de calor.
El calor es susceptible de medir; lo que se efectúa teniendo en cuenta dos magnitudes
fundamentales: intensidad de calor y cantidad de calor.
1- La intensidad de calor está relacionada con la velocidad del movimiento
molecular estableciéndose para medirla una práctica que da una idea del grado o
nivel del calor que tiene un cuerpo determinado. Arbitrariamente se fijan
parámetros comparativos que permiten determinar dicho nivel de calor, al que se
denomina temperatura. Se dice que un cuerpo con gran velocidad molecular
tiene más temperatura o más nivel de calor que otro.
2- La cantidad de calor de un cuerpo representa la suma de las energías térmicas de
todas las moléculas que lo componen. Es decir que mientras la intensidad de
calor o temperatura indica el grado de movimiento molecular o el nivel de calor
de un cuerpo, esta magnitud señala su contenido total de calor.
1.3.4 La ecuación calorimétrica
La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un
cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de
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temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la
ecuación calorimétrica.
Donde Q representa el calor cedido o absorbido, la masa del cuerpo y Tf y Ti las
temperaturas final e inicial respectivamente. Q será positivo si la temperatura final es
mayor que la inicial (Tf > Ti) y negativo en el caso contrario (Tf < Ti). La letra c
representa la constante de proporcionalidad correspondiente y su valor es
característico del tipo de sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Dicha
constante se denomina calor específico. Su significado puede deducirse de la
ecuación. Si se despeja c,de ella resulta:
El calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a una cantidad de calor por
unidad de masa y de temperatura; o en otros términos, es el calor que debe
suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elevar su temperatura
un grado.
Se demuestra que la cantidad de calor de un cuerpo es función de la masa del cuerpo
y de su temperatura, o lo que es lo mismo, del número de moléculas que lo
componen y de su nivel de intensidad térmica o velocidad molecular.
Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto
térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que
ambos cuerpos están a la misma temperatura.
FIG 1: Estado de equilibrio
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Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, TA>TB.
Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de
A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>TA, el cuerpo A
eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.
Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa
pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está
próxima a la del sistema grande.
Decimos que una cantidad de calor DQ se transfiere desde el sistema de mayor
temperatura al sistema de menor temperatura.
La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura
DT.
La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del
sistema.
DQ=C·DT
Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que
está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura
hasta que ambas se igualan
Si TA>TB
El cuerpo A cede calor: DQA=CA·(T-TA), entonces DQA<0
El cuerpo B recibe calor: DQB=CB·(T-TB), entonces DQB>0
Como
La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada
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La capacidad calorífica de la unidad de masa se denomina calor específico c. C=mc
La fórmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en términos de
la masa m, del calor específico c y del cambio de temperatura.
Donde Tf es la temperatura final y Ti es la temperatura inicial.
El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una
sustancia para que eleve en un grado centígrado su temperatura.
Joule demostró la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones
históricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele
expresar en calorías.
El calor específico del agua es c=1 cal/(g ºC). Hay que suministrar una caloría para
que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centígrado.
1.3.5 Transferencia de Calor
1.3.5.1 Conducción
- Conducción calorífica es el mecanismo de transferencia de energía que tiene
lugar mediante el intercambio de energía cinética entre las partículas (iones,
moléculas, átomos, etc.) de dos sistemas en contacto directo, o de dos partes de
un mismo sistema a distinta temperatura.
- Es, por tanto, una transferencia de energía desde una partícula a otra a través de
un medio material, pero sin desplazamiento de éste.
- Puede ocurrir en sólidos y fluidos, siendo los sólidos metálicos los mejores
conductores del calor.
- Consideraremos únicamente la conducción en régimen estacionario y en medios
homogéneos, de forma que dicha conducción ocurre en una sola dirección. El
ejemplo típico es la conducción de calor a través de una superficie sólida, cuyas
superficies se encuentran a distintas temperaturas.
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Ley de Fourier. (Régimen estacionario y medios homogéneos).
El flujo de calor por conducción es proporcional al área de la superficie de contacto
entre los sistemas y al gradiente de temperaturas, es decir, a la variación de
temperatura por unidad de longitud:
FIG 2: Flujo de calor por conducción
ΔT = |T1 – T2|
A = Área de la superficie.
d = distancia recorrida por el flujo de calor.
k = conductividad térmica (también se representa por λ).
Conductividad térmica.
La conductividad térmica es una propiedad física del medio que representa la mayor
o menor facilidad que posee para transmitir calor por conducción.
Unidades: W kcal/(h m ºC) Btu/(h ft ºF)
- Depende del material del que esté hecho el medio a través del que se conduce el
calor. En los gases depende también de la temperatura.
- En general, los sólidos son mejores conductores del calor que los líquidos, y éstos
mejores que los gases.
- Se consideran sustancias aislantes las que tienen una conductividad inferior a
0,06 W/ (m K).
- Los metales tendrán una conductividad térmica alta, mientras que existirán
materiales aislantes (corcho blanco, madera) con una baja conductividad térmica.
Esto explica el hecho de que al tocar un metal lo notemos más “frío” que un trozo
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de madera, aunque ambos tengan la misma temperatura. De la misma forma,
notamos más fría el agua que el aire que nos rodea, aún cuando ambos estén a la
misma temperatura.
- La conductividad térmica es prácticamente independiente de la presión. En los
sólidos metálicos y en los líquidos, k disminuye al aumentar la temperatura,
mientras que aumenta en los sólidos no metálicos y en los gases a baja presión.
- En la práctica, la mayoría de los materiales utilizados en construcción o como
aislantes no pueden considerarse como homogéneos, debido a que pueden estar
constituidos por diferentes materiales, o a que tengan una estructura porosa. En
estos casos, el valor de k será el de una conductividad térmica “aparente” que ya
tiene en cuenta la inhomogeneidad del material, y que puede ser diferente de la
conductividad del principal componente de dicho material.
Resistencia térmica.
Cuando se superponen superficies de distinto material, con distinto gradiente de
temperaturas y áreas diferentes, conviene definir los términos de conductancia y
resistencia térmica.
- La resistencia térmica (equivalente a la resistencia en electricidad) indica la
dificultad que presenta un trozo de material de un espesor determinado, al paso del
calor:
La conductancia térmica será la inversa de la resistencia: 1/R , y se medirá en W/( m2
K)
Flujo de calor por conducción en distintas superficies:
- En una pared plana, A será el área de la pared y d su espesor.
- En una pared cilíndrica y esférica:
d será la diferencia entre los radios externo e interno, d = r2 – r1
Como las superficies son distintas se calcula un área media logarítmica:
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FIG 3: Flujo de calor en superficies cilíndricas y esféricas
- Pared compuesta.
Consideramos varias paredes (planas, cilíndricas de longitud L o esféricas) en
serie, de igual área pero de distinto material y espesor.
Se cumple que el flujo de calor a través de cada superficie debe ser el mismo,
y entonces:
FIG 4: Flujo de calor en pared compuesta
Si las ares son iguales
1.3.5.2 Convección
Convección es el mecanismo de transmisión de calor que tiene lugar como resultado
del movimiento de un fluido. Se trata, por tanto, de un transporte simultáneo de masa
y energía, que requiere la existencia de un fluido.
- La convección es forzada cuando el movimiento del fluido está provocado por una
causa externa, como un ventilador o una bomba.
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- La convección es natural o libre cuando es debida a la diferencia de densidad entre
las zonas del fluido que se mantienen a distinta temperatura. Esta es la que da lugar,
por ejemplo, a las corrientes de aire. En el caso del agua que se está congelando, el
movimiento de convección, unido a la dilatación anómala del agua, hace que se
congele primero sólo la superficie. En el caso del cuerpo humano, la sangre actúa
como fluido convectivo, que transmite el calor desde el interior del cuerpo hasta su
superficie.
- El mecanismo de convección se utiliza en muchos sistemas de calefacción, como
el de radiadores de agua caliente.
Ley de enfriamiento de Newton.
El flujo de calor por convección entre una superficie sólida y un fluido en contacto
con ella es:
Siendo ΔT la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido (en valor
absoluto), A el área de contacto y h el coeficiente convectivo o coeficiente
superficial de transmisión de calor.
• Coeficiente convectivo. Resistencia térmica de convección.
Unidades: W m-2 K-1
No es una propiedad física del material, sino del proceso de convección, ya
que depende mucho de las características del fluido y del tipo de flujo que se
establezca en el fluido (laminar o turbulento), de la naturaleza y posición de
la superficie sólida, etc. Existen diversos procedimientos para determinarlo,
basados en el cálculo de números adimensionales (como el número de
Reynolds, que distingue entre el flujo laminar y el turbulento).
Termodinámica y Termotecnia Tema 4: Transmisión del calor - La
Resistencia térmica de convección o resistencia térmica superficial será el
inverso del coeficiente convectivo, Rs = 1/h, y puede sumarse a las
resistencias obtenidas por conducción.
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1.3.5.3 Radiación
Es una transmisión (emisión y recepción) de energía por medio de ondas
electromagnéticas:
- No necesita de medio material, es decir, se propaga incluso en el vacío.
- Está caracterizada por una determinada longitud de onda, por ejemplo:
radiación ultravioleta: 0.01 a 0.38 μm
radiación visible: 0.38 a 0.79 μm
radiación infrarroja: 0.79 a 100 μm
- Las sustancias pueden emitir radiación en distintas longitudes de onda y, por otra
parte, ser atravesadas o no por radiaciones de determinadas longitudes de onda.
El ejemplo más claro es el de la radiación que proviene del Sol y calienta la
Tierra.
- Todos los objetos emiten energía radiante en una mezcla de longitudes de onda y,
por otra parte, están expuestos a la radiación que les llega de los demás objetos.
- La emisión y recepción de radiación depende de la naturaleza de la sustancia, de
su temperatura, del estado de su superficie y, en los gases, de su presión y del
espesor de la muestra.
- Los cuerpos a bajas temperaturas emiten ondas largas, es decir, emiten
microondas o radiación infrarroja. Los cuerpos a mayor temperatura llegan a
emitir luz visible o radiación ultravioleta (ondas cortas)
FIG 5: Espectro de radiación electromagnética
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- Cuando la radiación incide sobre una sustancia, parte de la energía es absorbida,
aumentando la energía interna de dicha sustancia, y el resto es reflejada o
transmitida.
FIG 6: Radiación en una sustancia
- En los sólidos la parte absorbida se transmite rápidamente hacia su interior, por
lo que sólo interviene en el fenómeno una capa superficial. En los gases y en
algunos líquidos la absorción es mucho menor, y entonces interviene todo su
volumen.
- Las plantas se comportan de igual manera que el resto de materiales frente a la
radiación solar. Así, por ejemplo, las hojas del manzano absorben el 80% de la
radiación que les llega, reflejando un 10% y transmitiendo otro 10% (Amigo,
2000).
Ley de Stefan-Boltzmann.
El flujo de energía radiante, o potencia radiante, emitido por un cuerpo viene dada
por:
Donde A es el área de la superficie del cuerpo, T su temperatura en kelvin, y σ es la
constante de Stefan-Boltzmann:
Y finalmente, ε es una propiedad del material del que esté hecho la sustancia,
denominada emisividad, cuyo valor varía entre 0 y 1. La emisividad de un cuerpo
depende de la cantidad de radiación que puede absorber. Es decir, un cuerpo que
absorbe mucha radiación emitirá también mucha radiación.
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Se define cuerpo negro, como aquel que es capaz de absorber toda la energía radiante
que incide sobre él y su emisividad será la unidad: ε = 1. Por el contrario, un cuerpo
fuertemente reflectante tendrá una emisividad nula, y sería un mal emisor y receptor
de energía radiante (por ejemplo, las paredes internas de los “termos” son muy
reflectantes, para disminuir las pérdidas de calor por radiación).
Flujo de radiación térmica.
Las sustancias emiten radiación, pero también la reciben de los objetos que le rodean.
Ahora bien, la energía emitida vendrá determinada por la temperatura del cuerpo, T1,
mientras que la absorbida vendrá dada por la temperatura exterior, T2.
El flujo neto de radiación térmica que el cuerpo gana o pierde vendrá dada por:
- En el equilibrio térmico, la cantidad de radiación emitida será igual a la absorbida
y no habrá flujo neto.
- Cuando se trata de obtener el flujo de radiación entre dos objetos, habrá que tener
en cuenta que no toda la energía emitida por un cuerpo será captada por el otro, y
por tanto será necesario incluir un factor corrector o, dicho de otro modo, un
porcentaje de “rendimiento” del proceso emisión-recepción.
1.3.6 EL FUEGO
Los primeros químicos creían que el fuego se causaba por la liberación de una
sustancia, el flogisto, que se encontraba en todos los combustibles naturales. Pero las
observaciones realizadas desde finales del siglo XVIII revelaron un ingrediente
decididamente menos misterioso: el oxígeno. El fuego es una reacción química que
libera luz y calor. Su visión señala normalmente el encuentro entre un material
combustible y el oxígeno, aunque otros elementos químicos también pueden
provocar llamas. Estas llamas surgen cuando pequeñas partículas de material
combustible se calientan hasta el punto de incandescencia y son disparadas hacia
arriba. Dando un suministro constante de combustible, esta reacción exotérmica
continuará imperturbable. Pero el fuego consume combustible ávidamente, y por ello
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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es necesario alimentar las hogueras frecuentemente para mantener el fuego
encendido. Incluso el sol - que crea calor y luz mediante reacciones nucleares, que
implican la fusión de átomos de hidrógeno en helio - se mantendrá vivo consumiendo
su propio combustible durante al menos 4.000 millones de años más.
Fuego e incendio
Por lo tanto podemos definir al fuego como el resultado de la combinación química
de un material combustible con el oxígeno en presencia del calor. Normalmente éste
proceso se encuentra acompañado por la generación de luz, humo y calor, aunque
hay materiales tales como el hidrógeno y el alcohol en los cuales es imposible
distinguir la llama a la luz del día. El incendio en cambio es la consecuencia directa
del fuego, ya que a un incendio se lo define como un fuego que no se puede controlar
en el tiempo ni en el espacio fácilmente. Por ejemplo podemos tener un incendio
forestal.
1.3.7 Química y Física del fuego
El Átomo.- Constituyen las partículas fundamentales de la composición química y
sus dimensiones son sumamente reducidas. Las sustancias formadas por átomos de
una sola clase se denominan elementos. El átomo está formado por un núcleo
compacto alrededor del cual se mueven los electrones (-), el núcleo está formado con
protones (+) y neutrones (sin carga).
La combinación de un grupo de átomos se denomina Moléculas. Las moléculas
compuestas por dos o más clases de diferentes átomos se llaman compuestos. La
Fórmula Química es la que expresa el número de átomos de los distintos elementos
en la molécula, pero no siempre indica su distribución.
Ejemplo: Fórmula Química de Propano.
CH 3CH 2CH 3.
La C representa el Carbono. Los Números nos indica la cantidad de moléculas de
Hidrógeno, la H representa el Hidrógeno.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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1.3.7.1 Combustión.
Es una reacción exotérmica auto-alimentante que abarca un combustible en fase
condensada, en fase gaseosa, o en ambas fases la oxidación del combustible por el
oxígeno atmosférico y la emisión de la luz. Es un proceso físico-químico mediante
el cual una sustancia que se denomina combustible bajo ciertas condiciones
especiales, cede electrones (se oxida a otra llamada Comburente o agente oxidante
con generación de energía), es la oxidación rápida de una materia. Se dice también
que es la oxidación rápida de un combustible combinado con el agente comburente
desprendiendo luz, llama y calor.
Podemos definir algunos términos:
Ignición.- La ignición constituye el fenómeno que inicia la combustión. La ignición
producida al introducir una pequeña llama externa, chispa o brasa incandescente.
Constituye la denominada ignición, provoca un foco externo se denomina auto-
ignición.
Energía calorífica Química: Las reacciones de oxidación generalmente producen
calor. Estas fuentes de calor tales como el calor de combustión, calentamiento
espontáneo y calor por disolución, constituyen conceptos muy importantes para el
personal dedicado a la prevención y protección contra incendios.
Calor de Combustión: El calor de combustión es la cantidad de calor emitido
durante la completa oxidación de una sustancia.
Calentamiento Espontáneo: Es el proceso de aumento de temperatura de un
material dado, sin que para ello extraiga calor del medio ambiente y tiene por
resultado la ignición espontánea o la combustión espontánea.
Calor por Disolución: El calor por disolución es el que se desprende al disolverse
una sustancia en un líquido. Los productos químicos que reaccionan con agua (sodio,
magnesio)
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Reacción Química: Los cambios químicos siempre van acompañados de cambios
energéticos. Estas variaciones de energías constituyen uno de los aspectos más
importantes en el estudio de las reacciones químicas.
Reacción Endotérmica: Son las sustancias nuevas formadas que contienen más
energía que los materiales reaccionantes, es decir, hay absorción de energía.
Reacción Exotérmica.- Las reacciones exotérmicas producen sustancias con menos
energía que los materiales participantes en la reacción y por lo tanto libera energía.
Reacción Oxidante: Las reacciones oxidantes relacionadas con los incendios son
exotérmicas, lo que significa que el calor es uno de sus productos. Son reacciones
complejas y no se conocen por completo. Exigen la presencia de un materia
combustible. El oxígeno del aire es el material oxidante más frecuente.
Límites de inflamabilidad: Son los límites, máximo y mínimo, de la concentración
de un combustible dentro de un medio oxidante para entrar en combustión.
Punto de Inflamación: Es la temperatura más baja que necesita un líquido
contenido en un recipiente abierto, para emitir vapores en proporción suficiente para
permitir la combustión.
Materiales Estables: Son aquellos que, normalmente, no experimentan cambios en
su composición química, aunque estén expuestos al agua, aire, calor, presión y
golpes. Por ejemplo, los materiales sólidos pertenecen a esta categoría.
Materiales Inestables: Los materiales inestables expuestos al aire, agua, calor,
golpe y presión se polimerizan, se descomponen, condensan o reaccionan por sí
mismos.
1.3.7.2 Componentes básicos de la combustión
Un incendio es el resultado de una reacción química de oxidación-reducción
fuertemente exotérmica que recibe el nombre de combustión:
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Combustible + Comburente (O2) Combustión + Calor
Para que se produzca el incendio se precisa de la concurrencia de tres factores, que se
han dado en llamar triángulo del fuego: combustible, comburente y fuente de calor.
Actualmente se habla más que de triángulo de fuego, de tetraedro de fuego, al
introducir un cuarto factor, el de reacción en cadena. Este aspecto se tratará con
mayor profundidad más adelante.
1.3.7.3 Productos de la combustión
Como consecuencia de la combustión se desprenden una serie de productos
derivados de ella, entre los productos más importantes destacamos:
FIG 7: Productos de la combustión
1.3.7.3.1 Gases.
Llamamos gases a los productos que se vaporizan en la combustión. Los
combustibles más comunes contienen carbono que, al arder, forman dióxido de
carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO). La composición química del
combustible es la que determina los gases que se forman al arder. En la mayoría de
los combustibles el carbono puede quemarse en su totalidad mediante la aportación
adecuada de oxigeno, lo que denominamos combustión completa.
El monóxido de carbono es el más tóxico de todos los gases procedentes de la
combustión y es el mayor causante de muertes por fuego porque es el más abundante.
Concentraciones ligeras de CO por mucho tiempo son tan nocivas como una
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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concentración alta por poco tiempo. Se caracteriza porque es incoloro e insípido y un
poco más ligero que el aire. Este gas es también frecuente en fosas sépticas,
alcantarillas, cuevas, pozos, minas y en los humos de escape de los automóviles,
estufas y cocinas. El sulfuro de hidrogeno o ácido sulfúrico es otro gas que podemos
encontrar como consecuencia de un fuego que se produce al arder sustancias
orgánicas que contienen azufre, tales como lana, carne y cueros. Es incoloro, con
fuerte olor a huevos podridos y es altamente tóxico. Otros gases con contenido en
nitrógeno u óxidos de nitrógeno son también altamente peligrosos.
1.3.7.3.2 Llama
Es el cuerpo visible y luminoso de un gas en combustión, que aumenta su
temperatura y se hace menos luminoso cuando se aumenta la cantidad de oxigeno
aportado.
1.3.7.3.3 Calor
El calor es una forma de energía cuya medida es la temperatura en grados y que nos
muestra la intensidad del calor. Para el profesional contra incendios, el calor es ese
producto de la combustión que propaga el fuego, es también el causante directo de
quemaduras, estados de deshidratación, agotamiento y daños en las vías respiratorias.
El calor junto con la falta de oxigeno y la formación de monóxido de carbono
constituyen los tres principales peligros que origina el fuego.
1.3.7.3.4 Humo
El humo es el producto visible de la combustión incompleta. El humo que podemos
encontrar en cualquier fuego es una mezcla de oxigeno, dióxido de carbono, algo de
monóxido de carbono, partículas finas de hollín y carbón y una mezcla heterogénea
de productos que desprenden el material de combustión.
En el interior de un espacio el humo se hace cada vez más denso reduciendo la
visibilidad mientras no se lleve a cabo una buena ventilación. La falla de visibilidad
es causante de desorientación y de imposibilidad de encontrar la salida.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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36
1.3.7.4 Fases de la combustión
Podemos definir algunos términos utilizados en este proceso:
Punto de inflamabilidad: Es la temperatura más baja necesaria a la que un
combustible comienza a desprender vapores, los cuales forman una mezcla con el
oxigeno de aire o cualquier otro producto oxidante, que se capaz de arder y que en el
mayor de los casos puede originar una inflamación violenta de la mezcla la cual no
logra mantenerse (centelleo).
Gasolina -43º Centígrados Alcohol Butílico -38º Centígrados Alcohol Etílico 12º Centígrados Alcohol metílico 11º Centígrados Benceno 20 Centígrados Hexano -28 Centígrados Nafta de petróleo -2º Centígrados Kerosén 65 º a 85º centígrados Gasoil 150º Centígrados Tolueno 9º Centígrados
Tabla 1.1: Puntos de inflamabilidad de combustibles
Punto de incendio: es la temperatura más baja a la que un combustible contenido en
un medio oxidante, emite o desprende vapores con suficiente velocidad para
propiciar una combustión continuada.
Temperatura de ignición: es la temperatura más baja necesaria para que una mezcla
entre en combustión debido a la acción de una fuente de calor o ignición.
Temperatura de auto-ignición: es la temperatura más baja necesaria para que una
mezcla de combustible-aire contenido en cualquier espacio entre en combustión sin
haber estado en contacto directo con una fuente de calor o de ignición.
Los incendios estructurales comienzan típicamente con la ignición, por diferentes
causas posibles, de algún material combustible, presente en uno de los espacios. A
partir de ese momento, se produce inicialmente un lento incremento de la
temperatura en el local afectado, en la medida en que el incipiente incendio, que está
en su fase de crecimiento y propagación de las llamas, encuentra cantidades
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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suficientes de materiales combustibles fácilmente inflamables. El paulatino
incremento de la temperatura en el lugar facilita la ignición de cantidades cada vez
mayores de materiales combustibles, hasta alcanzar un punto en que se produce el así
llamado “flash over” o “combustión brusca generalizada”, definida como la
“transición súbita al estado de combustión generalizada de toda la superficie del
conjunto de los materiales combustibles incluidos dentro de un recinto”.
FIG 8: Fases de la combustión
A partir del “flash over” se llega rápidamente a un estado aproximado de equilibrio
termodinámico del incendio, en que la cantidad de calor producido por unidad de
tiempo es aproximadamente igual al calor desprendido por unidad de tiempo, debido
a la convección, la radiación y la conducción, incluyendo la energía acumulada por
calentamiento de los elementos constructivos y los materiales depositados en el
interior del local. En esta fase, el incendio se ha desarrollado totalmente y la
temperatura en el recinto permanece aproximadamente constante. Si se están
realizando tareas de apagado de incendio, con agua, el calor latente de vaporización
de los volúmenes de agua volcados por unidad de tiempo, incide en el balance
termodinámico, disminuyendo la temperatura del incendio, con lo cual se logra
disminuir la intensidad y duración del mismo.
Transcurrido algún tiempo, la energía producida por el incendio empieza a decrecer y
ya no alcanza a igualar las pérdidas de calor debidas a los fenómenos mencionados
en el párrafo anterior: el incendio entró en su fase de decrecimiento, con la
disminución de la temperatura en el local, hasta la extinción total.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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Podemos decir que en el fuego se puede hablar de tres fases progresivas:
1.3.7.4.1 Fase de inicio
En esta fase, debido a que la cantidad de oxigeno no se ha reducido todavía, los
productos de la combustión que se forman son vapor de agua, dióxido de carbono,
monóxido de carbono y otros gases. Además comienza a generarse calor, con una
temperatura que puede estar en el orden de 35 a 400°C.
Esta etapa se caracteriza por:
Oxigeno abundante
Temperatura no se ha elevado
La corriente térmica sube acumulándose en los puntos más altos. Se respira con
facilidad.
La ventilación no es problema Se comienza a producir algo de vapor.
1.3.7.4.2 Fase de desarrollo total
La segunda fase se caracteriza porque el fuego arde con libertad. En esta fase el
fuego se alimenta con un aire rico en oxigeno aportado por corrientes de convección
(elevación de gases calientes a la zona superior). La temperatura alcanzada en esas
zonas es muy alta (400 a 550°C) por lo que no se puede respirar y es necesario el uso
de equipos autónomos de respiración.
Esta etapa se caracteriza por:
El fuego avanza prendiendo todo el combustible que encuentra a su paso.
Se comienza a agotar el suministro de oxigeno.
El calor se acumula en las zonas superiores.
Se respira con dificultad por lo que se hace aconsejable el uso de equipos
autónomos.
La ventilación no es estrictamente necesaria.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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Existe una gran producción de vapor.
1.3.7.4.3 Fase de arder sin llama.
En esta fase, las llamas pueden dejar de existir si el área de contención es cerrada con
una hermeticidad suficiente. En este caso la combustión está reducida a brasas
incandescentes. La habitación se llena de humo y gases ocasionados por la
combustión, con presión suficiente para empezar a salir por las grietas del edificio. El
fuego continúa ardiendo sin llama, llenando la habitación de humo haciéndose una
atmósfera peligrosa para el ser humano. La producción de calor es muy elevada, con
temperaturas de 550 hasta 1100 °C.
FIG 9: Fase de arder sin llama
Esta etapa se caracteriza por:
El suministro de oxigeno es menor que el que el fuego necesita.
La temperatura se hace muy alta en todo el edificio.
No es posible respirar normalmente y se requiere ventilación.
La falta de oxigeno puede originar explosión de humo.
1.3.7.5 Tipos de combustión.
El fuego es consecuencia del calor y la luz que se producen durante las reacciones
químicas, denominadas estas de combustión. En la mayoría de los fuegos, la reacción
de combustión se basa en el oxigeno del aire, al reaccionar este con un material
inflamable, tal como la madera, la ropa, el papel, el petróleo, o los solventes, los
cuales entran en la clasificación química general de compuestos orgánicos; Por
ejemplo los compuestos de carbono.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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Una reacción de combustión muy simple es la que ocurre entre el gas metano, CH4, y
el oxigeno, para dar bióxido de carbono, CO2 y agua. Esto es una reacción completa
y muestra que una molécula (unidad) de metano, requiere de dos moléculas
(unidades) de oxigeno para dar una combustión completa, si la reacción se realiza sin
el oxigeno suficiente, se dice que es incompleta. La combustión incompleta de
compuestos orgánicos producirá monóxido de carbono y partículas de carbono, las
que con pequeños fragmentos de material no quemado, causan humo. La formación
de bióxido de carbono en la atmósfera hará más difícil la respiración. La mayoría de
las personas que mueren en incendios, mueren a consecuencia del efecto toxico del
humo y de los gases calientes, y no como consecuencia directa de las quemaduras.
La combustión de la gasolina en el motor de un automóvil constituye un buen
ejemplo de una reacción de combustión incompleta, el monóxido de carbono, el
bióxido de carbono, el agua y el humo, todos son emitidos por el tubo de escape,
depositándose una buena cantidad de carbono u hollín. Para lograr que la mezcla de
aire y gasolina se "enciendan" se debe contar con una bujía eficaz como fuente de
ignición.
La combinación de combustible, oxigeno y calor, suministran los tres componentes
de la reacción de combustión que puede dar origen al fuego.
1.3.8 Triangulo y tetraedro del Fuego
El fuego no puede existir sin la conjunción simultánea del Combustible (material que
arde), comburente (oxígeno del aire) y de la energía de activación (calor). Si falta
alguno de estos elementos, la combustión no es posible. A cada uno de estos
elementos se los representa como lados de un triángulo, llamado TRIANGULO
DEL FUEGO, que es la representación de una combustión sin llama o
incandescente. Existe otro factor, "reacción en cadena", que interviene de manera
decisiva en el incendio. Si se interrumpe la transmisión de calor de unas partículas a
otras del combustible, no será posible la continuación del incendio, por lo que
ampliando el concepto de Triángulo del Fuego a otro similar con cuatro factores
obtendremos el TETRAEDRO DEL FUEGO, que representa una combustión con
llama.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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FIG 10: Triangulo y tetraedro del fuego
1.3.8.1 Combustible
Básicamente, podemos decir que un combustible es toda sustancia que, bajo ciertas
condiciones, resulta capaz de arder. Podemos clasificar a los combustibles como:
Combustibles sólidos: los materiales sólidos más combustibles son de naturaleza
celulósica. Cuando el material se halla subdividido, el peligro de iniciación y/o
propagación de un incendio es mucho más grande.
FIG 11: Combustibles sólidos
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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Combustibles líquidos: los líquidos inflamables son muy usados en distintas
actividades, y su empleo negligente o inadecuado provoca muchos incendios. Los
líquidos no arden, los que lo hacen son los vapores que se desprenden de ellos. Tales
vapores son, por lo general, más pesados que el aire, y pueden entrar en ignición a
considerable distancia de la fuente de emisión. La variedad de líquidos inflamables
utilizados actualmente en distintas actividades es muy grande. Los combustibles
líquidos más pesados -como los aceites- no arden a temperaturas ordinarias pero
cuando se los calienta, desprenden vapores que, en forma progresiva, favorecen la
posibilidad de la combustión, cuya concreción se logra a una temperatura
suficientemente alta.
Combustibles gaseosos: los gases inflamables arden en una atmósfera de aire o de
oxigeno. Sin embargo, un gas no inflamable como el cloro puede entrar en ignición
en un ambiente de hidrógeno. Inversamente, un gas inflamable no arde en medio de
una atmósfera de anhídrido carbónico o de nitrógeno. Existen dos clases de gases no
combustibles: los que actúan como comburentes (que posibilitan la combustión) y los
que tienden a suprimirla. Los gases comburentes contienen distintas proporciones de
oxigeno, y los que suprimen la combustión reciben el nombre de gases inertes.
FIG 12: Combustibles líquidos y gaseosos
1.3.8.2 Oxigeno
El aire que respiramos está compuesto de 21% de oxigeno. El fuego requiere una
atmósfera de por lo menos 16% de oxigeno. El oxigeno es un carburante, es decir
activa la combustión. En la mayoría de los casos el agente oxidante será el oxigeno
que se encuentra en el aire; sin embargo, el uso del término agente oxidante ayudar a
explicar cómo algunos compuestos como el nitrato de sodio y el cloruro de potasio,
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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que liberan su propio oxigeno durante el proceso de combustión, pueden arder en un
ambiente sin oxigeno.
1.3.8.3 El Calor
Es la energía requerida para elevar la temperatura del combustible hasta el punto en
que se despiden suficientes vapores que permiten que ocurra la ignición. Para que las
materias en estado normal actúen como reductores necesitan que se les aporte una
determinada cantidad de energía para liberar sus electrones y compartirlos con los
más próximos del oxigeno. Esta energía se llama “energía de activación” y se
proporciona desde el exterior por un foco de ignición. De la energía desprendida en
la reacción parte se disipa en el ambiente provocando los efectos térmicos derivados
del incendio y el resto calienta a unos productos reaccionantes aportando la energía
de activación precisa para que el proceso continúe.
La humedad, la luz, forma de apilado, temperatura ambiente, etc. son factores que
junto con las características físicas de los combustibles, hacen variar la energía de
activación necesaria.
1.3.8.4 Reacción Química
Es el proceso mediante el cual progresa la reacción en el seno de una mezcla
comburente-combustible. Para entender los principios de una reacción química en
cadena, primeramente debemos saber que parte de la combustión que produce llamas
es el resultado de la separación de vapores de la fuente de combustible. Estos vapores
contienen sustancias que combinadas en proporciones correctas con oxigeno, van a
arder.
Se ha comprobado que introduciendo ciertos agentes al proceso de la combustión,
causa una rápida extinción de las llamas. La extinción resulta debido a que las
sustancias activas presentes en los vapores del combustible son inhibidas y así no
pueden completar sus papeles en las reacciones necesarias para la combustión.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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1.4 EXPLOSION
Una explosión es una liberación súbita de gas a alta presión en el ambiente. Súbita
porque la liberación debe ser lo suficientemente rápida de forma que la energía
contenida en el gas se disipe mediante una onda de choque. A alta presión porque
significa que en el instante de la liberación de la presión del gas es superior a la de la
atmósfera circundante. Una explosión puede resultar de una sobre presión de un
contenedor o estructura por medios físicos (rotura de un globo), medios
fisicoquímicos (explosión de una caldera) o una reacción química (combustión de
una mezcla de gas).
1.4.1 Explosiones físicas
En determinados casos el gas de alta presión se genera por medios mecánicos o por
fenómenos sin presencia de un cambio fundamental en la sustancia química. Es
decir, alcanza presión mecánicamente, por aporte de calor a gases, líquidos o sólidos
o bien el sobrecalentamiento de un líquido puede originar una explosión por medios
mecánicos debido a la evaporación repentina del mismo. Ninguno de estos
fenómenos significa cambio en la sustancia química de las sustancias involucradas.
La mayor parte de las explosiones físicas involucran a un contenedor tal como
calderas, cilindros de gas, compresores, etc. En el contenedor se genera alta presión
por compresión mecánica de gas, calentamiento del contenido o introducción de otro
gas a elevada presión desde otro contenedor. Cuando la presión alcanza el límite de
resistencia de la parte más débil del contenedor se produce el fallo. Los daños
generados dependen básicamente del modo de fallo. Si fallan pequeños elementos
pero el contenedor permanece prácticamente intacto, la metralla proyectada resulta
peligrosa como balas, pero la descarga de gas es direccional y controlada. En estas
condiciones los daños causados se limitan a penetración de metrallas, quemaduras y
otros efectos dañinos por gases calientes.
Cuando el fallo ocurre en las paredes del contenedor se producen proyecciones de
metrallas de mayor tamaño provocando un violento empuje de la estructura del
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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contenedor en la dirección opuesta a la descarga del gas. En este caso la liberación
del gas es extremadamente rápida y genera una violenta onda de choque.
En el caso de que el contendor almacene un líquido sobrecalentado (líquido a
temperatura superior a su punto de ebullición o un gas licuado como amoníaco o
dióxido de carbono) cuando el contenedor se rompa se producirá súbita evaporación
del líquido. El volumen evaporado es suficiente como para enfriar el producto
liberado hasta su punto de ebullición y aumentar los efectos de la presión. Este
fenómeno se conoce como BLEVE (explosión de vapor en expansión de un líquido
en ebullición). Otro fenómeno es la evaporación de un líquido puesto en contacto con
otra sustancia a una temperatura muy por encima del punto de ebullición del líquido.
Este es el caso de la introducción de agua de tubos de calderas, cómo
intercambiadores de calor o tanques de fluidos de transferencia de calor, a alta
temperatura pueden provocar violentas explosiones.
1.4.1.1 Estallido de depósitos (BLEVE)
El término BLEVE se utiliza para designar mediante su acrónimo en inglés una
explosión mecánica en la que interviene un líquido en ebullición que se incorpora
rápidamente al vapor en expansión. La traducción literal sería la de "expansión
explosiva del vapor de un líquido en ebullición" correspondiente a "boiling liquid
expanding vapour explosion", o BLEVE. Es un caso especial de estallido de un
depósito en cuyo interior se almacena un líquido bajo presión.
Cuando se almacena un líquido a presión elevada (normalmente a su presión de
vapor a la temperatura de almacenamiento), la temperatura de almacenamiento suele
ser notablemente mayor que su temperatura de ebullición normal. Cuando se produce
la ruptura del recipiente, el líquido de su interior entra en ebullición rápidamente
debido a que la temperatura exterior es muy superior a la temperatura de ebullición
de la sustancia. El cambio masivo a fase vapor, provoca la explosión del depósito
porque se supera la resistencia mecánica del mismo. Se genera una onda de presión
acompañada de proyectiles del propio depósito y piezas menores unidas a él que
alcanzan distancias considerables. Además, en el caso de que la sustancia
almacenada sea un líquido inflamable, se produce la ignición de la nube formando lo
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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que se denomina bola de fuego que se irá expandiendo a medida que va ardiendo la
masa de vapor.
La característica principal de una BLEVE es precisamente la expansión explosiva de
toda la masa de líquido evaporada súbitamente. Normalmente, la causa más frecuente
de este tipo de explosiones es debida a un incendio externo que envuelve al depósito
en cuestión, debilita mecánicamente el contenido, lo que produce una fisura o ruptura
del mismo, con la despresurización, ondas de presión y el BLEVE del conjunto.
Por tanto, las consecuencias de una BLEVE de un depósito que almacena bajo
presión un líquido inflamable son las siguientes:
1. Sobrepresión por la onda expansiva.
2. Proyección de fragmentos metálicos o proyectiles del depósito y piezas
adyacentes.
3. Radiación térmica por la bola de fuego que se forma.
De todos los efectos, el que generalmente tiene un alcance mayor es el de la
radiación por la bola de fuego. Los factores que influyen fundamentalmente en dicho
efecto son el tipo y cantidad de producto y las condiciones ambientales,
fundamentalmente temperatura y humedad relativa. Con respecto al efecto de
sobrepresión, depende fundamentalmente de la presión de almacenamiento, la
relación de calores específicos del producto implicado y de la resistencia mecánica
del depósito. La formación de proyectiles no está todavía del todo resuelta y
normalmente se utiliza un método indirecto para su determinación y cuantificación.
Otro de los efectos secundarios nocivos que podrían producirse es el denominado
efecto dominó, como consecuencia de que los efectos de sobrepresión, radiación y
proyectiles alcancen a otros depósitos, instalaciones o establecimientos con
sustancias peligrosas y generen en ellos a su vez otros accidentes secundarios
propagando y aumentando las consecuencias iniciales.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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1.4.2 EXPLOSIONES QUIMICAS
En otros casos la generación del gas a alta presión resulta de la reacción química de
un producto donde la naturaleza del mismo difiere de la inicial (reactivo), La
reacción química más común presente en las explosiones es la combustión, dónde un
combustible (por ejemplo metano) se mezcla con el aire, se inflama y arde generando
dióxido de carbono, vapor de agua y otros subproductos. Hay otras reacciones
químicas que generan gases a alta presión.
Las explosiones resultan de la descomposición de sustancias puras. Cualquier
reacción química puede provocar una explosión si se emiten productos gaseosos, si
se evaporizan sustancias ajenas por el calor liberado en la reacción o si se eleva la
temperatura de gases presentes, por la energía liberada. La reacción química más
conocida que produce gases a alta presión por medio de otros gases o vapores, en la
combustión de gases en el aire. Sin embargo, otros gases oxidantes cómo el oxígeno,
cloro, flúor, etc., pueden ser sustituidos por algo, produciendo con frecuencia
procesos de combustión muchos más intensos.
Los polvos y nebulizadores (líquidos en estado pulverizado) pueden generar, al
quemarse en el aire o en otro medio gaseoso reactivo, gases a elevada presión. La
combustión puede producirse con cualquier partícula, pero en la práctica de mayores
riesgos se encuentran en las de 840 micras o menos. A medida que disminuye el
tamaño más fácil se produce la dispersión y más estable y duradera resulta. Las
partículas más finamente definida implica mayor riesgo al facilitar la formación de
dispersiones, mantenerlas durante más tiempo y quemarse más rápidamente las
partículas de mayor tamaño.
Las reacciones químicas pueden clasificarse en uniformes que son transformaciones
químicas que involucran toda la masa reactiva y reacciones de propagación, en la que
existe un frente de reacción, claramente definido que separa el material sin reacción
de los productos de la reacción, avanzando a través de toda la masa reactiva.
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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1.4.2.1 Reacciones uniformes
En este tipo de reacciones la velocidad sólo depende de la temperatura y la
concentración de los agentes de la reacción manteniéndose constante en toda la masa
reactiva. A medida que aumenta la temperatura de la masa, la reacción se acelera
alcanzando el punto de calentamiento en el que el calor generado supera al disipado
por al ambiente. Puesto que se genera calor en toda la masa reactiva, pero disipa más
lentamente desde el centro que desde la superficie exterior, el centro se calienta más
y aumenta su velocidad de reacción.
1.4.2.2 Reacciones de propagaciones:
Una mezcla de hidrógeno y oxígeno se puede almacenar a temperatura ambiente
durante extensos períodos de tiempo sin indicios de reacciones químicas. No
obstante, la mayoría de estas mezclas reaccionan violentamente si se aplica una
fuente de ignición.
La reacción comienza en dicha fuente y se propaga por la mezcla. Pueden
diferenciarse tres zonas distintas:
la zona de reacción;
la zona de producto (detrás de la llama); y,
la zona sin reacción (frente a la llama).
Una reacción de propagación siempre es exotérmica. La reacción se inicia con una
zona relativamente pequeña de alta temperatura, generada por un encendedor externo
o por acumulación de calor en el núcleo de un sistema de reacción uniforme. Para
que la reacción se propague, el núcleo, activado por el inflamador, debe elevar
suficientemente la temperatura del material circundante de forma que entre en
reacción. Cuanto más elevada sea la temperatura inicial del sistema, más fácilmente
se inflama y más probable resulta la reacción de propagación, puesto que se requiere
menos transmisión de energía para que entre en reacción el material
circundante. Puesto que una reacción de propagación se inicia en un punto
específico y se propaga a través de la masa reactiva, la velocidad de disipación
depende de la propagación del frente de reacción. Las velocidades de propagación
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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varían desde cero a varias veces la velocidad del sonido, dependiendo de la
composición, temperatura, presión, grado de confinamiento y otros factores.
1.4.3 Sobrepresión: explosión súbita del vapor en expansión
El modelo propuesto permite obtener la sobrepresión producida por la onda de
presión debida a la explosión del depósito a una distancia dada. El modelo se basa en
el método de Brode para la determinación de la sobrepresión debida al estallido de
depósitos esféricos.
Este método es aplicable a depósitos de geometría esférica, no obstante, puede
obtenerse una aproximación a otros tipos determinando uno esférico equivalente.
Aunque en rigor el método es válido para sobrepresiones de 0,1 bar, puede
extrapolarse hasta 0,05 bar con un error por defecto inferior al 20%.
Datos necesarios
Los datos necesarios a suministrar al modelo son los siguientes:
Presión y volumen del depósito.
Relación de calores específicos del producto que se expande.
Descripción
La energía involucrada en el estallido se calcula mediante la expresión:
Modelo matemático para la explosión física
E: Energía liberada en el estallido (kJ).
P: Presión de los gases en el interior del tanque en el momento de la explosión (kPa).
Patm: Presión atmosférica (101,3 kPa).
: Coeficiente de capacidades caloríficas del gas en las condiciones del estallido
(adimensional).
V: Volumen del tanque (m3)
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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La presión de los gases en el interior del tanque en el momento de la explosión se
puede estimar a partir de las condiciones de diseño del tanque. Se suele tomar como
valor de cálculo 1,25 veces la presión de tarado de las válvulas de seguridad.
El coeficiente de capacidades caloríficas del gas en las condiciones de estallido se
calcula teniendo en cuenta que el fluido experimenta un proceso isócoro (a volumen
constante), desde las condiciones nominales hasta las de estallido.
Modelo matemático para la explosión Química
E: Energía liberada en el estallido (kJ).
Qr : Calor de reacción (kJ/kmol).
M: Masa equivalente de substancia que reacciona (kg).
Pm: Peso molecular (kg/kmol).
La masa equivalente de substancia reaccionante no coincidirá, en general, con la
contenida inicialmente en el tanque y para su determinación habrá que tener en
cuenta:
Tanto por ciento de substancia que reacciona.
Energía consumida, de la total liberada en la reacción, para la elevación de
temperatura hasta el punto de ebullición y la posterior vaporización de la mezcla
reactivos-productos.
Energía inicial de expansión disponible (en el caso de almacenamientos en
tanques a presión).
Dilución o tanto por ciento de pureza del almacenamiento.
Conocida la energía total liberada en el estallido, determinaremos las energías
disponibles para ondas de presión y para proyectiles en función del tipo de rotura del
tanque. El reparto se realiza en función de los siguientes criterios:
Capítulo TEORÍA DEL FUEGO
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Tipo de rotura
Fracción de la energía total utilizada en proyección de
fragmentos
Fracción de la energía total disipada en ondas de
sobrepresión
Frágil 0,2 0,8
Dúctil 0,4 0,6
Tabla 1.2: Tipos de rotura de un tanque
De esta forma, si llamamos f a la fracción (tanto por uno) de la energía total que se
disipa en forma de ondas de sobrepresión, las energías disponibles para ondas de
presión y para misiles (Ep y Em respectivamente) serán:
Conocida Ep determinaremos la "escala de longitudes" mediante la ecuación:
Se determina una "escala de longitudes" que relaciona distancias con sobrepresiones
reducidas P.
Finalmente, la "sobrepresión" se determina mediante: