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

Capítulo TEORÍA DEL FUEGO

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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

Capítulo TEORÍA DEL FUEGO

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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.

Capítulo TEORÍA DEL FUEGO

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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)

Capítulo TEORÍA DEL FUEGO

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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

1

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

1

37

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

1

38

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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39

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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40

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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41

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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42

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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43

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

1

44

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

1

45

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

1

46

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

1

47

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

1

48

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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49

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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50

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: