Más allá de un arbitrario poliedro
Más de una vez escuché cerrar el tema del cuarto componente del fuego (la reacción química en cadena) con explicaciones que resultaban ser,
por decirlo menos, arbitrarias y bastante abstractas. Esta vez intentaremos dar una
explicación que, con algo de concentración y algunos conocimientos previos de
química y física muy elemental, todos podremos entender.
El fuego es un fenómeno físico y químico que es fuertemente
interactivo por naturaleza. Las interacciones entre las llamas, el combustible,
y los alrededores no son lineales y el
proceso de modelado suele ser muy complejo.
Los procesos de un incendio cerrado involucran flujos de masas y calor
hacia y desde el combustible y sus alrededores.
Esta vista esquemática (Figura 1) de los flujos de calor y flujos de masa que se
producen en un incendio cerrado nos muestran estas interacciones, lo que indica
la complejidad de la transferencia de masa y calor que ocurren en un incendio cerrado.
Para entender estos conceptos vamos a enfrentar su explicación desde tres
frentes, el primero (probablemente el más aburrido para muchos) nos permitirá
entender los conceptos fundamentales del proceso de combustión y la importancia
del agente oxidante en este proceso.
El segundo nos permitirá entender como estos principios, bajo una descripción
cualitativa de la evolución de un incendio cerrado, influyen y son influenciados por el entorno de
recinto. También nos permitirá conceptualizar el principio de severidad, y por
ende la amenaza para la vida.
Finalmente trataremos de explicar el fenómeno de la transferencia de
calor y el rol del humo y su comportamiento físico bajo los principios de
conducción y radiación de calor.
CONCEPTOS GENERALES DE LA COMBUSTIÓN
Resumamos en un solo párrafo los conceptos generales del tetraedro del
fuego y luego los desmenuzaremos en conceptos unitarios y trataremos de modelar
cada una de las posibles reacciones. El tetraedro es un poliedro de cuatro
caras triangulares que forman una pirámide a la que cada lado le corresponde
uno de los componentes del fuego. Uno de estos componentes es la llamada
“reacción química en cadena” o “reacción en cadena no inhibida”, el resto de
componentes son los ya conocidos calor, combustible y el agente oxidante.
Considere la imagen de una pequeña llama en una vela encendida (Figura 2) y la
distribución de temperatura a través esta. Una fuente de ignición, un fósforo
por ejemplo, calienta la mecha y se inicia la fusión de la cera sólida. La cera
de la mecha se evapora, y el movimiento los gases, debido al proceso de
difusión, alcanzan una región en la que encuentra oxígeno. Estos gases son
oxidados en una compleja serie de reacciones químicas dentro de la región
donde la mezcla de oxígeno-combustible es inflamable.
Figura 2
A partir de este momento la llama de la vela es estable y permanente, esta irradia
energía hacia nueva cera sólida, que se funde y vaporiza. Dado que la cera que
impregna la mecha se vaporiza y se consume, nueva cera derretida del cuerpo de
la vela sube hacia la mecha, se vuelve a evaporar, combustiona y el resultado
es un proceso de combustión continua.
Podemos notar entonces que la reacción en cadena ocurre cuando el exceso
de calor de la reacción exotérmica se irradia hacia más combustible para producir
más vapores que debido a que la alta temperatura, que ya está por encima del
punto de ignición, se incendia en ausencia de la fuente de ignición original.
La reacción química
La explicación de este fenómeno la vamos a limitar a dos tipos de
combustibles: hidrocarburos con la forma CxHy y los alcoholes y otros combustibles que contienen
oxígeno en la forma CxHyOz.
En general el proceso de
combustión envuelve un multiplicador del suministro de aire (m) y
como este se compara con un multiplicador corregido o estequiométrico (ms).
Esta reacción se clasifica
como:
1.- Estequiométrica donde m=ms
2.- Riqueza del combustible donde m<ms y
R=ms/m>1 *
3.- Pobreza del combustible donde m>ms y R=ms/m<1 *
4.- Cantidad mínima de oxígeno donde m=m_min
Aquí m
es el multiplicador de la fuente de aire en la ecuación de equilibrio químico.
Así mismo, ms
es el multiplicador correcto o estequiométrico del suministro de aire, con el cual solo hay suficiente oxígeno para
completar los carbonos y las reacciones de hidrógeno hacia dióxido de carbono y
vapor de agua, y no existen excedentes de oxígeno en estos productos. Con este
multiplicador corregido, hay una cantidad de oxígeno tan exacta que no permite
formar ningún monóxido de carbono en los productos resultantes, a menos que exista
una mezcla inadecuada de combustible y oxígeno.
* El símbolo R=ms/m es una relación de equivalencia, el cual es un número
adimensional que representa el grado de riqueza del combustible dentro de la
mezcla reactante con respecto al combustible y al oxígeno.
Si nos concentramos en 1kg-mol de combustible (una cantidad de
combustible igual a su peso molecular escrito en kg), se aplicaría la siguiente
ecuación:
Para combustibles hidrocarburos:
CxHy + m(O2 + fN2) →
n1CO + n2CO2 + n3H2O + n4N2 + n5O2 + n6H2
Para combustibles alcoholes o que contienen
oxígeno:
CxHyOz + m(O2 + fN2) → n1CO + n2CO2 + n3H2O + n4N2 + n5O2 + n6H2
Aquí m
determina la cantidad de oxidante suministrado en relación a la cantidad de
combustible suministrado. El valor de f determina la cantidad de nitrógeno en relación a
la cantidad de oxígeno en el aire. El valor de f=3.76 da la combinación del aire
estándar con 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno. Los valores n1, n2, n3, n4, n5,
n6 valores son las cantidades molares (kg-mol) de especies de productos
resultado de la quema de 1 kg-mol de combustible. La disociación** es
depreciable y n6=0 para todos los casos.
** Disociación: La ruptura parcial del CO2 a CO y O2, así como la
ruptura parcial de H2O a H2 y O2 en altas temperaturas.
Los combustibles de hidrocarburos tienen la forma CxHy donde x e y son
ya conocidos según el combustible elegido. Las parafinas más conocidas tienen
la forma y =2x + 2. Por ejemplo, el metano CH4, el propano C3H8, y el butano
C4H10. Por otro lado los combustibles alcoholes tienen la forma CxHyOz, por
ejemplo el Metanol CH3OH y el etanol C2H5OH. Otros combustibles bien conocidos,
como la celulosa (C6H10O5) tienen la forma CxHyOz y pueden ser manejados de la
misma manera.
Por tanto, si ocurre una
reacción estequiométrica, la ecuación se convierte en:
CxHyOz + (x + y / 4 - z / 2) (O8 + fN2) → n2CO2 + n3H2O + n4N2
y es claro que esta cantidad de oxidante produce enteramente CO2 y
H2O, sus cantidades son fáciles de determinar y no hay CO, O2 ni H2 en los
productos que tuvieron
m=ms= x + y / 4 - z / 2
n2=x
n3=y/2
n4=mf
n1=n5=n6=0
Si ocurre la combustión de un
combustible rico, la ecuación se vuelve:
CxHyOz + m(O2 + fN2) → n1CO + n2CO2 + n3H2O + n4N2
aquí es deducible que no hay O2 o H2 en los productos, por tanto
n1=2(ms-m)
n2=2(m-m_min)
n3=y/2
n4=mf
n5=n6=0
Con las siguientes fórmulas podemos encontrar el multiplicador
estequiométrico y multiplicador mínimo de suministro de aire:
ms=
x + y / 4 - z / 2
m_min=
x/2 + y/4 – z/2
Si es un combustible pobre,
entonces
CxHyOz + m(O2 + fN2) → n2CO2 + n3H2O + n4N2 + n5O2
Ahora no hay CO o Hz en los productos y
el flujo tiene las siguientes cantidades:
n1=0
n2=x
n3=y/2
n4=mf
n5=m-ms
n6=0
Si la combustión es con el
monto mínimo de oxidante, entonces:
CxHyOz + (x/2 + y/4 – z/2)(O2 + fN2) → n1CO + n3H2O + n4N2
Como puede observar la cantidad de oxígeno es solo suficiente para
oxidar todo el combustible a CO y H2O y no hay CO2 ni O2 en los productos
generados con
m=
m_min = x/2 + y/4 - z/2
n1= x
n3= y/2
n4=mf
n2=n5=n6=0
Note que n3= y/2 y n6=0 ocurre en todos los casos, la teoría de no
disociación elimina la posibilidad que se produzca hidrógeno en los productos.
LA COMBUSTIÓN DENTRO DE UNA ESTRUCTURA OCUPADA
La evaluación del potencial de riesgo de combustión implica más que sólo
la superficie involucrada y carga total de combustible en términos de la masa
de los combustibles ordinarios equivalentes por unidad de área (en kg/m^2 o
lbm/ft^2).
La disposición de los combustibles, su composición química, el estado
físico, la facilidad de ignición, las tasas de crecimiento del fuego, y así
sucesivamente son todos factores a ser evaluados, además de la geometría y
tamaño de la habitación, la capacidad de ventilación y los sistemas de
protección de incendios existentes. Generalmente, cuanto más rápido se
desarrolla un incendio, la amenaza será mucho mayor.
Los acabados interiores de las paredes, techos y suelos pueden afectar
de manera significativa el crecimiento inicial de fuego. La propagación del
fuego sobre acabados interiores por lo tanto merece una atención especial, y se
puede observar que las tasas de propagación del fuego varían enormemente lo que
hace bastante complicado obtener modelos matemáticos con pocas variables. El
riesgo relativo de un acabado interior se determina generalmente por el test
llamado Túnel de Steiner de acuerdo con
ASTM E 84-07 (b) (2007), la NFPA 255 (2006b) y UL 723 (2003).
Los acabados y el mobiliario juegan un papel fundamental en la propagación del fuego en un ambiente cerrado, este video (Video 1) nos permite ver como con tan solo modificar la naturaleza del material usado en los contenidos el escenario y el modelo cambia radicalmente.
La clasificación de los materiales de los acabados es A, B o C según el
rango de propagación de la llama que puede ser de 0-25, 26-75 o 76-200. El
desarrollo del humo y el valor del aporte del combustible también se contemplan
en el test por medio de los registros de temperatura y densidad del humo. La NFPA101,
Código de Seguridad Humana (2006a) limita los usos y materiales de las paredes
interiores, el techo y los acabados del piso.
En esta figura (Figura 3) podemos demostrar con una línea recta, vertical, que al pasar directamente del
punto C llega a alcanzar altas temperaturas. En este punto, por lo general, un
Backdraft sólo tendrá una duración de tiempo muy corta, en el orden de segundos
(sin embargo, se han observado backdraft con duración de minutos). Bajo este
escenario generalmente un backdraft normalmente será seguido nuevamente por un
flashover, ya que la violencia térmica encenderá todo el combustible inflamable
que pueda quedar en el recinto, lo que lleva a un incendio cerrado
completamente desarrollado.
Mientras existan las condiciones el fuego se
comportará de esta manera, por ello mencionamos que su modelo matemático está
bastante lejos de una simple ecuación lineal.
Figura 3
Estos conceptos son importantes porque los acabados interiores
combustibles, tales como techos de planchas de fibra de baja densidad y los
revestimientos sintéticos para el suelo, ofrecen factores importantes en el
desarrollo del fuego permitiendo que el fuego se expanda incluso a objetos
lejanos al origen del incendio.
Los incendios que alcanzan el flashover
(combustión plena en toda la habitación)
generaran productos de la combustión
letalmente agudos, incluyendo el humo, monóxido de carbono, cianuro de
hidrógeno, acroleína, cloruro de hidrógeno, óxido(s) de nitrógeno, y así
sucesivamente, además de temperaturas extremadamente altas y reducción importante del oxígeno. Estos gases se
producen en grandes cantidades y conducidos a zonas remotas, lo que provoca situaciones
que amenazan la vida. La inhalación de los gases de la combustión (especial los
considerados tóxicos) son la principal causa de muerte en los incendios.
Por estas razones, cualquier combinación de los acabados, los
materiales de construcción combustibles, los contenidos y el mobiliario resultarán
en un flashover en pocos minutos, lo
que representa una amenaza grave en la mayoría de las ocupaciones de cualquier casa, oficina o
comercio. Bajo esta premisa la educación en protección de incendios hacia los ciudadanos debe estar orientada a la evacuación inmediata.
Tomemos estos conceptos y modelemos la curva de un escenario real, el
video (Video 2) mostrado a continuación nos permite ver el desarrollo del proceso de combustión de una habitación y
como su comportamiento es predecible y concordante con la teoría explicada
hasta ahora.
Video 2
Tabulando los tiempos y temperaturas alcanzadas de la habitación de este video en el Minitab (software de estadística y modelado predictivo) la curva
resultante (Figura 4) no es otra que la ya descrita línea arriba.
Figura 4
Si esta misma curva es invertida y tomamos la temperatura como un
curva descendente (Figura 5) , podemos darnos cuenta del poco tiempo que esta habitación
mantiene condiciones sostenibles para la vida.
La capacidad de estimar numéricamente la cantidad de calor que se
transfiere entre el fuego, los gases de la combustión, el combustible, y las superficies en un recinto es esencial para
cualquier evaluación de riesgo de incendio. El balance de energía es directamente
proporcional al calor se transfiere de las llamas y los gases calientes a las
superficies del recinto y hacia fuera a través de las aberturas de la
estructura. El calor transferido a partir de estas fuentes hacia un paquete de
combustible influye en la velocidad a la que se evapora este combustible y la
cantidad de calor que liberará.
3.- LA TRANSFERENCIA DE CALOR
Fundamentalmente, sólo hay dos mecanismos de transferencia de calor,
la convexión si existe, pero como una forma de conducción entre una masa de fluidos que tienen una capacidad de transmitir calor pero también de ofrecer resistencia.
El calor es energía transmitida debido a una diferencia de
temperatura. Esto puede ocurrir debido a conducción
y radiación donde
· La conducción
es un transporte de energía molecular.
· La radiación
es una transferencia de energía electromagnética resultante de un organismo
dotado de energía térmica indicado por (absoluta) de temperatura.
El primero depende de la materia para la transferencia de calor, mientras
que el segundo propaga el calor a través del vacío.
La conducción
Se expresa por la ley de Fourier, desarrollado a inicios de 1800. Esta
afirma que la tasa de transferencia de calor que fluye en una dirección dada,
es directamente proporcional al área (q”) y al
gradiente de temperatura.
Gradiente de Temperatura= (∇T).
La conducción también puede ser inducida por un gradiente de
concentración (efecto Dufour) y gradiente electro potencial (efecto Seebeck),
pero estos son generalmente insignificantes. Sin embargo, este último es la
base de la operación de los termopares, una de las herramientas más usadas para
medir las temperaturas en experimentos de incendios.
La constante de proporcionalidad usada con (∇T) es la de
conductividad térmica, (k).
El flujo de calor se escribe como: q”=-k (∇T)
Se requiere un conocimiento del campo de temperatura para calcular (q”). Debemos tener en cuenta que el flujo de calor
es un valor vectorial que tiene magnitud y dirección.
En adelante, por
comodidad usaremos dejaremos la notación vectorial (q”),
y para mayor comodidad solo la escribiremos como (q”).
¿y la convección?
La transferencia de calor por convección no es más que la
transferencia de calor por conducción desde un fluido en movimiento hacia el
sólido que lo contiene. El comportamiento de los efectos de los fluidos del
campo de la temperatura, y por lo tanto el flujo de transferencia de calor
dependen de la velocidad y las propiedades del fluido. Es conveniente
representar la transferencia de calor por convección a través un coeficiente (h) que
contiene todos los efectos de todos los fluidos específicos,
q”=
h (T-Ts)
Donde h=
es el coeficiente de transferencia de calor por convección,
T= es la temperatura de la corriente de fluido,
Ts=
es la temperatura límite sólido que contiene el fluido.
Radiación térmica
Fue debidamente descrita a inicios de 1900 por la Ley de Planck, que
provee la cantidad ideal de energía emitida por unidad de área y una onda del
espectro electromagnético. Esto es conocido como la potencia de emisión monocromática,
Ebλ=
[C1 λ^(-5)] / [(e^(C2/λT)) -1]
Donde
C1 = 3.743 * 10^8 * W -μm^4 / m^2
C2 = 1.4387 *10^4 * μm * k
T = La temperatura del cuerpo (k)
λ =La longitud de onda de la energía (μm)
Si añadimos toda la energía del espectro (integrando la ecuación
anterior desde 0 al ∞), obtenemos la potencia de emisión de un cuerpo negro
(ideal),
Eb= s^4
Donde s es la constante de Stefan–Boltzmann,
5,67*10^-8 *W/[m^2*K^4]
La radiación puede ser absorbida, reflejada o transmitida a través de
la materia. Esto se puede ver en la figura 6 para una superficie y un
medio (pe. un gas, niebla o una ventana). Las propiedades de reflectividad (r) absorvisividad (a) y transmisibilidad (t) representan las
fracciones de energía incidente reflejada, absorbida y transmitida respectivamente.
Todas estas propiedades dependen del material, la longitud de onda de la
energía incidente, y la temperatura de los materiales.
Figura 6
Algunas superficies pueden ser opacas, τ = 0, y los gases y otros
medios transferencia pueden absorber selectivamente las longitudes de onda más
débiles, mientras que los aerosoles, como los alquitranes de hollín o grasa en
los productos de combustión son atenuadores espectrales.
Conclusiones
La protección con rociadores automáticos, el uso de construcciones que
retarden la propagación del fuego, sistemas de protección pasiva como
separación o compartimentación, puertas corta fuego son elementos a menudo
necesarios pero lamentablemente no obligatorios en nuestro medio.
La protección de incendios debe estar orientada a proteger vidas como su
fin primordial, proteger las propiedades es una consecuencia de una buena
gestión del riesgo de incendio.
La existencia de mangueras contra incendio en edificios
multifamiliares nos evidencia la pobreza de nuestra legislación y, sobre todo,
la pobreza del nivel técnico de las autoridades competentes. Si a esto le
sumamos el hecho de que nuestro reglamento permite distorsiones tan perversas
como la existencia de columnas secas de agua contra incendio en edificios de
vivienda que dan una falsa sensación de seguridad al ocupante, no puede sino
hacernos pensar que tarde o temprano tendremos una desgracia importante en
nuestro país.
Imagínese usted a cuanto aumenta este riesgo si consideramos los
edificios comerciales con almacenamiento de mercadería , las fabricas
verticales de crecimiento vegetativo en el emporio de Gamarra, o los inmensos almacenes que no tienen
rociadores sino unas poco esperanzadoras pero sí muy baratas mangueras contra
incendio.
Si un propietario no invierte en un buen sistema de protección de
incendios, entonces es poco probable que invierta en el
mantenimiento de este mismo sistema mediocre desde su concepción.
Nuestras autoridades deben reforzar y exigir los principios de
protección pasiva que esté orientada a proteger al ocupante durante su
evacuación o durante la espera de los servicios de emergencia.
Instalar redes
de mangueras que probablemente nunca serán usadas, sin reserva propia de agua, sin bomba, y que contradicen el principio de evacuar inmediatamente, puede ser un
buen negocio, puede ser legal, pero nunca será ético.
M.P.C.
Bibliografía:
Fire Safety
Engineering: Enclosure Fire Dynamics
-Björn Karlsson / James G. Quintiere
Applied science and engineering:
fire dynamics
-David G. Lilley
Status of Mathematical
Modeling of Fires
-Friedman, R.
