UD000002_V(03) MD_UDxxxxxx_V(12)Esp.dot. Teoría del fuego I

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1 UD000002_V(03) MD_UDxxxxxx_V(12)Esp.dot Teoría del fuego I

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3 TEORÍA DEL FUEGO I ÍNDICE MOTIVACIÓN... 5 PROPÓSITOS... 7 PREPARACIÓN PARA LA UNIDAD TEORÍA DEL FUEGO EL FUEGO LA COMBUSTIÓN EL TRIÁNGULO DEL FUEGO Combustible Combustibles sólidos Combustibles líquidos Combustibles gaseosos Comburente Energía de activación EL TETRAEDRO DEL FUEGO Reacción en cadena PELIGROSIDAD DEL COMBUSTIBLE QUÍMICA DE LA IGNICIÓN PUNTO DE INFLAMACIÓN PUNTO DE COMBUSTIÓN PUNTO DE IGNICIÓN PUNTO DE AUTOIGNICIÓN RANGO DE INFLAMABILIDAD PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN

4 3.1. LAS LLAMAS Llamas de difusión Llamas de premezcla Pirólisis EL CALOR EL HUMO LOS GASES TIPOS DE COMBUSTIÓN COMBUSTIÓN INCANDESCENTE COMBUSTIÓN CON LLAMAS COMBUSTIÓN ESPONTÁNEA COMBUSTIÓN INCOMPLETA FLASH-OVER Condiciones para el Flash-over Fuentes de ignición Tipos de Flash-over Señales del Flash-over Ejemplos de Flash-over EXPLOSIÓN DE GASES O BACKDRAFT Condiciones para el Backdraft Precauciones ante el Backdraft Plano neutro del incendio TIPOS DE FLASHOVER Y BACKDRAFT SEGÚN LAS ESCUELAS INGLESA Y SUECA Escuela inglesa Escuela sueca ROLL-OVER TIPOS DE FUEGO POR EL TAMAÑO POR LA DISPOSICIÓN DEL COMBUSTIBLE POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE POR LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN OTROS TIPOS DE EXPLOSIONES Consideraciones comunes Bleve Boil-over...56 CONCLUSIONES

5 TEORÍA DEL FUEGO I RECAPITULACIÓN AUTOCOMPROBACIÓN SOLUCIONARIO PROPUESTAS DE AMPLIACIÓN BIBLIOGRAFÍA

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7 TEORÍA DEL FUEGO I MOTIVACIÓN Esta unidad es de vital importancia para asentar las bases de los conocimientos químicos y físicos que debes tener para poder avanzar con unidades relacionadas con la teoría del fuego y métodos de extinción. En las diferentes bibliografías que consultes puedes encontrar títulos o epígrafes distintos a los que aquí se presentan sobre la química del fuego, pero recuerda que lo importante es el contenido que reflejan, no como se denominan. Un ejemplo muy claro es el punto de ignición de una combustión. La definición dada por la norma UNE es muy clara y no debes confundirla con otra terminología. Lo mismo puede pasarte con rango de explosividad o rango de inflamabilidad, combustible o material combustible, cantidad de sustancia o concentración Son palabras diferentes que en muchos casos hacen referencia a un mismo significado. Por lo que en esta unidad trataremos de aclarar estos términos para no confundirlos. Veamos ahora otros ejemplos. No es lo mismo que un material sea combustible que hablar de comburente o decir que el aire es comburente cuando en realidad el componente que permite la combustión (comburente), no es el aire, sino el oxígeno del aire. Sabes adónde vamos a parar? La amplia terminología que encontrarás en el tema puede resultarte novedosa y en algunos casos algo liosa. Queremos que seas capaz de diferenciar términos técnicos, químicos, físicos parecidos o que sepas que dos términos diferentes pueden estar referidos a una misma definición. No te preocupes por esto. Vamos a intentar que te quede todo muy claro, para que lo que estudies lo aprendas y puedas resolver preguntas o supuestos formulados de manera diferente. 5

8 Sabrías explicar la diferencia entre autoignición e ignición espontánea? En principio parecen términos similares, verdad?. No te preocupes, cuando termines el tema sabrás explicar exactamente cuál es la diferencia. Pero, la hay? Averígualo. Ánimo. Esto no ha hecho más que empezar. 6

9 TEORÍA DEL FUEGO I PROPÓSITOS Con la lectura de este tema, se pretende: Introducirnos en la importancia de la teoría del fuego. Conocer la teoría del triángulo del fuego. Conocer la teoría del tetraedro del fuego. Concepto de combustión. Profundizar en el estudio de cada uno de los factores de la combustión. El combustible y sus tipos. Los cambios de estado. El comburente. La energía de activación. La reacción en cadena. Entender la peligrosidad de un combustible en función de variables técnicas: Punto de inflamación. Punto de combustión. Punto de ignición. Punto de autoignición. Rango de inflamabilidad. Conocer los productos de la combustión y sus características. Tipos de combustión. 7

10 Clasificar los fuegos siguiendo distintos criterios como: La extensión del incendio. La disponibilidad del combustible. El tipo de combustible. La velocidad del frente de reacción. 8

11 TEORÍA DEL FUEGO I PREPARACIÓN PARA LA UNIDAD En la presente unidad se van a presentar las bases de la teoría del fuego. Para ello comenzaremos por una aproximación al concepto del fuego en sí mismo para terminar entendiendo la importancia del fuego y comprender todo el proceso que lleva a dar lugar a un incendio. A continuación, podremos aproximarnos a la primera teoría que trata de explicar esta reacción: el triángulo del fuego. Teoría que recibe este nombre por los tres elementos que sostiene como productores del fuego: combustible, comburente y calor. Nos detendremos en analizar el papel de cada uno en esta teoría. Un paso más en nuestro estudio nos conduce a introducir un nuevo elemento a la teoría del fuego: la reacción en cadena y de este modo se vuelve a renombrar dicha teoría como el tetraedro del fuego. Una vez entendidas estas bases teóricas, podremos pasar a un estudio de la peligrosidad de los combustibles según ciertas características técnicas. Después estudiaremos los productos de la combustión. Finalmente presentaremos una clasificación de los distintos tipos de fuegos siguiendo diferentes criterios como son la extensión del incendio, la disponibilidad del combustible, el tipo de combustible o la velocidad del frente de reacción. 9

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13 TEORÍA DEL FUEGO I 1. TEORÍA DEL FUEGO Comenzamos la unidad con los conceptos más básicos sobre la teoría del fuego. Todos tenemos una ligera idea de lo que es una combustión o un comburente pero en este apartado vamos a profundizar un poco más en estos términos. También se verán las teorías del triángulo y del tetraedro del fuego, que resultan imprescindibles para entender el mecanismo de este fenómeno EL FUEGO Todos conocemos la importancia que tiene y ha tenido el fuego desde siempre para la humanidad. Con el descubrimiento del fuego nuestros antepasados dieron un paso importantísimo para el desarrollo de la humanidad. El fuego ha sido siempre un símbolo; el poder estaba ligado al dominio y manejo del mismo y hasta las distintas religiones y mitologías lo divinizaron o mitificaron. El Sol, que es fundamental para la vida, no es sino una gran bola de fuego. En nuestra época actual seguimos teniendo referencias explícitas al fuego en la vida cotidiana, lo entendemos como un componente más de la vida diaria al calentar una comida por ejemplo, aunque a veces no caigamos en la cuenta de su importancia. Incluso las modernas teorías para explicar el origen del universo centran todo inicio en una gran explosión (el Big Bang). Hace no muchos años el fuego se dominaba y se utilizaba a nuestro antojo para quemar superficies arbóreas y convertirlas en superficies de pasto aprovechables por los animales de ganado. En cambio, hoy en día hemos perdido buena parte de ese conocimiento popular del dominio del fuego que es tan importante. 11

14 Reflejada la importancia del fuego, pasemos a preguntarnos qué es en definitiva el fuego; la definición general que tenemos de fuego es: Fuego. Combustión que se manifiesta con desprendimiento de luz, calor intenso y/o llama. La definición que acabamos de dar de fuego es una definición general, que no es necesario memorizar. Las definiciones más estrictas vienen dadas por la Norma UNE 13943, que sí deben conocerse. Y debemos, por tanto, presentar un concepto químico que es la combustión LA COMBUSTIÓN Partiremos de la explicación de lo que es una reacción química. Decimos que ocurre una reacción química cuando tiene lugar la ruptura de ciertos enlaces químicos formándose otros nuevos. En una reacción química las sustancias iniciales que intervienen las denominamos reactivos y las sustancias formadas al final productos. Por tanto, lo que ocurre en una reacción química es que los reactivos son sustituidos por los productos. Veamos un ejemplo de formación de un producto a partir de unos reactivos: 2 H2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(g) REACTIVOS PRODUCTO Lo que se acaba de representar es la ecuación química de la reacción, ecuación en la que se representa el cambio producido por dicha reacción. El ejemplo considerado muestra cómo partiendo de Hidrógeno y Oxígeno, ambos en forma molecular, se obtiene agua. En la ecuación se indica qué especies son consumidas (reactivos) y qué especies se producen (productos). Existen diferentes tipos de reacciones, pero en el tema que nos ocupa nos basaremos en las reacciones de combustión. 12

15 TEORÍA DEL FUEGO I La combustión es una reacción química de oxidación-reducción en la que hay un desprendimiento de energía. Normalmente a estas reacciones se les suele denominar reacciones Redox: red por reducción y ox por oxidación. Las reacciones de oxidación-reducción son aquellas interacciones entre dos materias en las que hay una transferencia de electrones entre ellos. Cuándo decimos que se oxida un objeto? Y que se reduce? Originariamente se denominó oxidación a toda reacción con oxígeno. Hoy en día el concepto es más amplio: Oxidación es todo proceso químico que suponga pérdida de electrones. Reducción es todo proceso químico que suponga ganancia de electrones. Por tanto, en las reacciones Redox habrá un cuerpo que pierda electrones y otro que los gane. Del cuerpo que gana electrones (gana cargas negativas) se dice que se reduce; el otro cuerpo será aquel que ha cedido los electrones y se dice que se oxida. Es muy importante saber que siempre que se dé una oxidación habrá una reducción y viceversa. Por qué? Porque son reacciones químicas con transferencia o intercambio de electrones y por tanto, cuando un elemento pierda electrones, necesariamente habrá otro que los capte. En definitiva, en toda reacción de oxidación-reducción habrá un agente reductor que ceda electrones y se oxide y otro cuerpo, que será el agente oxidante, que se reduce porque gana electrones. AGENTE REDUCTOR AGENTE OXIDANTE CEDE ELECTRONES GANA ELECTRONES SE OXIDA SE REDUCE Para un ejemplo concreto de un tronco que se quema, tendríamos al tronco como agente reductor que está cediendo electrones al oxígeno del aire. Al ceder electrones está pediendo cargas negativas y por tanto, se va a oxidar. Por otro lado, el oxígeno, al captar los electrones que le cede el tronco, aumenta su número de cargas negativas y por tanto, se reduce. 13

16 Agente oxidante: ejerce la acción de oxidar a otro elemento. A él le ocurre la acción inversa de la que realiza: se reduce. Gana electrones: gana en cargas negativas. Agente reductor: ejerce la acción de reducir a otro elemento. A él le ocurre la acción inversa de la que realiza: se oxida. Pierde electrones: pierde cargas negativas. En el proceso de combustión hay un fuerte desprendimiento de calor. El calor es una forma de energía. En términos químicos decimos que la combustión es una reacción exotérmica porque desprende energía EL TRIÁNGULO DEL FUEGO Hemos visto en el ejemplo expuesto anteriormente cómo un tronco puede arder gracias a la reacción de combustión que tiene lugar en presencia del aire, pero como es lógico, un tronco no arde espontáneamente. Para que comience dicha reacción es necesario que apliquemos nosotros un primer fuego, es decir, que apliquemos una energía en forma de calor. De esta forma acabamos de identificar los tres componentes básicos de un fuego según la teoría del triángulo del fuego: el tronco que arde es el combustible, el Oxígeno del aire que capta los electrones en el proceso de combustión es el comburente y el tercer componente es el calor que aplicamos para que comience el fuego; a este primer calor aportado también se le llama energía de activación. Figura 1. Triángulo de fuego 14

17 TEORÍA DEL FUEGO I Los tres factores del incendio son combustible, comburente y energía de activación. Se identifica con un triángulo porque cada lado del mismo está en íntimo contacto con los otros dos, así como cada factor de esta teoría está en íntima relación con los otros dos. Ahora pasamos a analizar más detalladamente cada uno de estos factores: COMBUSTIBLE En la reacción de combustión que es el fuego: el combustible es el agente reductor, se oxida, así que es el componente que pierde electrones. Dicho esto podemos definir combustible como la sustancia con tendencia a perder electrones. Y con una definición más cercana podemos decir que combustible es toda sustancia capaz de arder en presencia de un agente oxidante. Los combustibles generalmente serán ricos en dos elementos: carbono e hidrógeno; por tener tendencia a oxidarse. Los combustibles se pueden clasificar en función del estado en que se encuentren. Así, tendremos: Combustibles sólidos. Combustibles líquidos. Combustibles gaseosos Combustibles sólidos Los combustibles sólidos van a ser generalmente de naturaleza celulósica. La inflamación de un material sólido combustible va a depender en gran medida de su presentación. Cuanto más pequeño sea, más superficie tendrá expuesta a la reacción y por tanto, más fácil será que reaccione. Los sólidos con muy alto estado de disgregación, como puede ser el material pulverulento, llegan a presentar verdaderas explosiones en su combustión Combustibles líquidos Existe gran variedad de combustibles líquidos, muchos de ellos usados hoy en día habitualmente como gasolina, queroseno, alcohol, etc. Su uso inapropiado y sin precaución puede dar lugar a importantes incendios. 15

18 Los líquidos, así como los sólidos, no arden. Lo que arde realmente son los gases procedentes de ellos Combustibles gaseosos Los gases en combustión dan lugar al fenómeno lumínico que son las llamas y en combustiones instantáneas los gases pueden producir explosiones. Los gases inflamables más comunes son el hidrógeno, el acetileno, el butano, el propano, etc. Muchos de los gases resultantes como producto de la combustión también son inflamables y producen un mayor peligro de incendio. Respecto al estado del combustible, se debe recordar que esta no es una característica fija del combustible sino que según las condiciones un material puede presentarse en un estado o en otro. Los distintos cambios de estado se recogen en este esquema: Figura 2. Cambios de estado COMBURENTE El comburente es la sustancia que va a actuar como agente oxidante en el proceso de combustión o lo que es lo mismo, se encarga de captar los electrones y por tanto, se reduce. Naturalmente, el Oxígeno del aire es quien actúa como comburente en la mayor parte de los fuegos. Se encuentra en el aire en una concentración del 21% en volumen. 16

19 TEORÍA DEL FUEGO I Generalmente nos referiremos al comburente cuando hablemos del Oxígeno del aire o viceversa; pero no solo el Oxígeno actúa como comburente. También muchos otros elementos pueden ejercer el papel de agente oxidante en la combustión, por ejemplo, el flúor o el cloro o bien ciertos compuestos como los peróxidos, nitritos y nitratos, cloratos o sulfatos. Finalmente, otros productos pueden arder también sin necesidad de un aporte extra de comburente debido a que contienen oxígeno en su propia estructura molecular o son químicamente inestables bajo ciertas condiciones como, por ejemplo, ocurre con la nitrocelulosa, el acetileno o etino, el nitrometano y la hidracina ENERGÍA DE ACTIVACIÓN Como ya dijimos, espontáneamente al juntar combustible y comburente, no producen el fuego por sí solos. Necesitamos este tercer componente del triángulo del fuego que es un primer aporte de energía. Basta una pequeña cantidad de calor para que se desencadene una combustión. Como esta energía es lo que hace que se active el fuego recibe el nombre de energía de activación o fuente de ignición. Según de donde provenga el origen de esta primera fuente de energía diremos que la energía de activación es de origen: Químico: toda reacción química exotérmica va a desprender un calor que puede ser empleado para iniciar una combustión. Mecánico: bien por fricción o bien por compresión, la fuerza mecánica de dos cuerpos se puede transformar en energía calorífica que sirva para iniciar un fuego. Eléctrico: el paso de una corriente eléctrica produce energía en forma de calor y este calor puede servir como energía de activación. Nuclear: tanto la fisión como la fusión nuclear pueden ser el origen o fuente de calor. Naturales: como por ejemplo los rayos que caen provocando los incendios forestales o la propia energía del sol EL TETRAEDRO DEL FUEGO En 1961, las investigaciones de Walter M. Haessler conducen a la introducción de un elemento más en la teoría del fuego. Así, de la concepción plana de un triángulo pasamos a una imagen tridimensional de una pirámide de cuatro caras, en la que cada una representa a uno de los factores. Los tres que habíamos visto hasta ahora y un cuarto, que es la reacción en cadena. 17

20 Figura 3. Tetraedro del fuego Se escoge la imagen de una pirámide y no la de un cuadrado porque con ello se vuelve a representar que cada cara está en íntimo contacto con todas las demás; de esta manera interactúan los cuatro factores. Veamos, pues, las diferencias principales entre triángulo del fuego y tetraedro del fuego: Figura 4. Triángulo del fuego Figura 5. Tetraedro del fuego Pasemos entonces a conocer a este cuarto factor. 18

21 TEORÍA DEL FUEGO I REACCIÓN EN CADENA Este cuarto factor de la teoría del fuego explica el hecho de que un fuego cuando esté ardiendo se autoalimente. Como la combustión es una reacción exotérmica, de esta energía que se desprende no toda se está perdiendo sino que se vuelve a reutilizar como energía de activación del fuego. Este hecho permite que el fuego, es decir, la combustión, continúe gracias a su propia energía y se automantenga. Es por eso que se denomina reacción en cadena. Para que el calor desprendido sirva como energía de activación y el fuego esté automantenido, este calor debe ser mayor a la energía requerida por la reacción. Qué quiere decir esto? Sencillamente que la energía inicial que invertimos para que se dé la reacción de combustión, siempre deberá ser menor que la energía que obtenemos tras finalizar la reacción, solo así tenemos una reacción exotérmica y podemos garantizar que la reacción se automantenga. 19

22 2. PELIGROSIDAD DEL COMBUSTIBLE Hemos estudiado lo que es un combustible y sabemos que actúa como agente reductor en la reacción de combustión. Ahora profundizaremos más en su conocimiento; ciertos materiales son más peligrosos que otros en un incendio debido a sus características. Ello depende de ciertas variables, como son el punto de inflamación, el punto de combustión, el punto de autoignición y el rango de inflamabilidad QUÍMICA DE LA IGNICIÓN Para una ignición se requieren unas condiciones favorables de partida, que por lo general, suelen ser un calentamiento suficiente del sistema para cubrir la demanda inicial de energía de la reacción en cadena. Las reacciones suelen ser exotérmicas, es decir, durante la combustión se libera calor, fenómeno que a menudo va acompañado de una llama visible. La ignición es el inicio para que la combustión continúe su proceso de automantenimiento. Según de dónde provenga la fuente de ignición, se pueden distinguir dos tipos: ignición dirigida (o forzada), si proviene de una fuente de ignición externa o autoignición, si la ignición es el resultado de las reacciones que se producen en el propio material combustible con liberación de calor. La ignición de un líquido o de un sólido requiere el aumento de su temperatura superficial hasta que se desprenden vapores a una velocidad suficiente para, una vez iniciada la ignición de estos, mantener la llama. Los combustibles líquidos pueden clasificarse según su punto de inflamación o temperatura mínima a la que puede existir un vapor o una mezcla de aire inflamable en la superficie (es decir, la presión del vapor corresponde al límite inferior de inflamabilidad). 20

23 TEORÍA DEL FUEGO I La facilidad de ignición de un material sólido depende, por tanto, de la facilidad con que se eleva su temperatura superficial hasta alcanzar el punto de ignición, por ejemplo, mediante la exposición a un calor radiante o a un flujo caliente de gases. Conociendo estos conceptos, podemos desarrollar las siguientes definiciones: Punto de inflamación. Punto de combustión. Punto de ignición Punto de autoignición. Rango de inflamabilidad PUNTO DE INFLAMACIÓN El punto de inflamación es la temperatura mínima a la cual es necesario calentar un material o un producto para que se prendan los vapores emitidos momentáneamente en presencia de llama bajo las condiciones especificadas (normalmente expresados en unidades de grados Celsius). Estas definiciones vienen establecidas según la norma UNE-EN ISO Seguridad contra incendio. Vocabulario, (en su última edición de Julio de 2012). IMPORTANTE: Según esta última edición de la Norma UNE-EN ISO de Julio de 2012, el punto de inflamación se traduce del término inglés Flash point. En ediciones anteriores de la Norma UNE-EN ISO, el término punto de inflamación se traducía como Fire point. En resumen, lo correcto, según la última versión es: Punto de inflamación equivale al término en inglés Flash point. Es decir, es la mínima temperatura en que un combustible alcanza su LII y cualquier foco de ignición provoca su combustión. La llama se extingue si se retira el foco. 21

24 2.3. PUNTO DE COMBUSTIÓN El punto de combustión es la temperatura mínima a la cual se prende un material y continúa ardiendo durante un tiempo especificado después de que se haya aplicado una llama pequeña normalizada a su superficie bajo las condiciones especificadas. Se expresa en unidades de grados Celsius (ºC). Esta definición de punto de combustión viene establecida, igualemnte, según la norma UNE-EN ISO Seguridad contra incendio. Vocabulario, (en su última edición de Julio de 2012). IMPORTANTE: Según esta última edición de la Norma UNE-EN ISO de Julio de 2012, el punto de inflamación se traduce del término inglés Fire point. En resumen, lo correcto, según la última versión es: Punto de combustión equivale al término en inglés Fire point. Asimismo, en la Norma UNE-EN ISO Seguridad contra incendio. Vocabulario, (en su última edición de Julio de 2012), se indica que en algunos países, el término punto de combustión tiene otro significado que es el de una ubicación donde el equipo de extinción de incendio está colocado, y que se puede corresponder igualmente con un punto de activación de alarma contra incendios, así como letreros con instrucciones frente a los incendios. Es una temperatura de escala inmediatamente superior al punto de inflamación (1 ó 2 ºC) en la mayoría de los líquidos y algo mayores en los sólidos y ninguna diferencia en los gases. Alcanzada esta temperatura y una vez iniciada la ignición, la velocidad de aporte de vapores emitidos es suficiente para que se mantenga la llama. Si retiramos la energía de activación, se mantiene la combustión. RESPONDE Utiliza el tarjetón para ocultar la respuesta y realiza el siguiente ejercicio. De acuerdo con la última publicación de la Norma UNE 13943, Cuál es la principal diferencia entre punto de inflamación y punto de combustión? Solución: La principal diferencia es que para el caso del punto de combustión, si quitamos la energía de activación, la llama no se apaga, pero para el punto de inflamación, la llama no continúa si quitamos el foco de ignición. 22

25 TEORÍA DEL FUEGO I Conocido estos conceptos, podremos entender la diferencia según sus definiciones entre combustible e inflamable, que se indican en la misma Norma UNE Combustible: capaz de prenderse y quemarse. Inflamable: capaz de combustión con llama bajo las condiciones especificadas 2.4. PUNTO DE IGNICIÓN El punto de ignición o temperatura mínima de ignición se define como la temperatura mínima a la cual puede iniciarse la combustión sostenida bajo las condiciones de ensayo especificadas. Se expresa en unidades Celsius (ºC). También la definición de punto de ignición viene establecida según la norma UNE-EN ISO Seguridad contra incendio. Vocabulario, (en su última edición de Julio de 2012). En esta definición también debe considerarse el significado del término combustión sostenida que según la misma Norma UNE se refiere a la combustión de una muestra que persiste durante un periodo de tiempo mayor del definido PUNTO DE AUTOIGNICIÓN El punto de autoignición o punto de ignición espontánea es el punto de temperatura mínimo a la cual se obtiene la autoignición en un ensayo de fuego. La autoignición se define a su vez como la ignición resultante de un aumento de temperatura sin una fuente de ignición separada. Por otro lado, aclarar que la ignición puede ser causada por autocalentamiento o por calentamiento a partir de una fuente externa. Por lo que en este caso, y más concretamente derivando del término Norteamericano, la ignición espontánea hace referencia a la ignición causada por autocalentamiento. Las definiciones anteriores vienen establecidas según la norma UNE-EN ISO Seguridad contra incendio. Vocabulario, (en su última edición de Julio de 2012). 23

26 La autoignición se da si el fenómeno es resultado de reacciones exotérmicas que se producen en el propio material combustible con liberación de calor. Las reacciones químicas que generan calor de forma espontánea, al ser fuentes internas de ignición, conllevan un riesgo de ignición y combustión. Materiales propensos al calentamiento y la ignición espontáneos pueden convertirse en fuentes de ignición secundarias y provocar la ignición de materiales combustibles próximos. El autocalentamiento que se produce puede dividirse en sustancias químicas u objetos electrónicos que por su desprendimiento de calor pueden provocar la ignición. La autoignición química es una característica más común entre los gases aunque también la sufren algunos líquidos y en menor medida los sólidos. La tabla siguiente recoge algunas sustancias gaseosas (g), líquidas (l) y sólidas (s) a temperatura ambiente (25 ºC) y sus puntos de autoignición (los datos mostrados pueden variar dependiendo de las condiciones de ensayo y pureza de las sustancias): Puntos de autoignición de varias sustancias COMPUESTO TEMPERATURA (ºC) COMPUESTO TEMPERATURA (ºC) Acetileno (g) 325 Benceno(l) 500 Amoniaco (g) 630 Tolueno (l) 535 Etileno (g) 425 Gasolina (l) 456 Propano (g) 470 Hexano (l) 223 Hidrógeno (g) 560. Polietileno (s) 349 Acetona (l) 465 PVC (s) 454 Etanol (l) 423 Papel periódico (s) RANGO DE INFLAMABILIDAD Hablaremos de rangos de inflamabilidad refiriéndonos a los rangos o intervalos de concentraciones (forma de medir cantidades) que deben existir entre combustible y comburente para que estos puedan entrar en combustión. De todas las mezclas combustible-aire solamente serán capaces de entrar en combustión las que tienen una determinada concentración. O dicho de otra forma, solo aquellas mezclas en las que el combustible alcanza unas determinadas concentraciones arderán. 24

27 TEORÍA DEL FUEGO I Para que un combustible arda en presencia de aire es necesario que estos dos componentes se encuentren dentro de un rango de concentraciones. Los límites inferior y superior que marcan este rango se denominan: Límite inferior de inflamabilidad (o explosividad), LII. Es la menor concentración de combustible en aire por debajo de la cual no habría combustión. Límite superior de inflamabilidad (o explosividad), LSI. Es la mayor concentración de combustible en aire por encima de la cual no habría combustión. Los límites de inflamabilidad se pueden medir en tanto por ciento de volumen, es decir, la cantidad de combustible expresado en tanto por ciento de volumen que debe haber en un % de aire. Monóxido de carbono (CO) Límites de inflamabilidad de varias sustancias Límite inferior de inflamabilidad (% volumen) Límite superior de inflamabilidad (% volumen) 12,5 74 Gas natural 5 17 Hidrógeno 4 75 Gasolina 1,1 7,6 Propano 2,2 9,5 Acetileno 2,5 83 Amoníaco Etileno 3,1 32 Metano 5 15 Tolueno 1,3 7 Etanol 3,3 19 Acetona 2,6 12,8 Benceno 1,4 8 Butano comercial 1,8 8,5 Vamos a verlo mejor con un ejemplo: Atendiendo a la tabla de ejemplos de LII y LSI que acabamos de ver, el rango de inflamabilidad del monóxido de carbono (CO) está entre un 12,5 y un 74% de volumen de CO en aire. 25

28 Por tanto, el límite inferior de inflamabilidad será de un volumen de CO de 12,5 en 87,5 de aire, ya que si el 12,5% es CO, el resto hasta 100% será de aire. Se calcula mediante una simple resta: % de aire cuando estamos en el LII de CO: ,5= 87,5%. Mientras que el límite superior de inflamabilidad será de un volumen de 74% de CO en 26% de aire. Podemos interpretar estos datos como que la concentración (en % volumen) de CO para que entre en combustión en aire va desde 12,5 hasta 74. Entre este rango de concentración la mezcla CO-aire entraría en combustión. Por debajo de 12,5 o por encima de 74 % de CO en aire, no se daría la combustión. Estos rangos de concentraciones son variables para cada material según las condiciones en las que se encuentren y están referenciados a las condiciones normales de experimentación o ensayo. Hacemos aquí una pequeña aclaración para diferenciar las condiciones estándar de ensayo con las condiciones normales: Condiciones de temperatura y presión normal: son las condiciones que corresponden a 1 atm y 25 ºC o 298 K. Condiciones estándar de temperatura y presión: 0,986 atm (100 kpa), 0 ºC o 273 K. Aunque tenemos que aclarar que pueden existir discrepancias según las bibliografías consultadas. Según la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), las condiciones que acabamos de dar son las correctas. 26

29 TEORÍA DEL FUEGO I CASO PRÁCTICO Realiza el siguiente ejercicio. El límite inferior de inflamabilidad (en %) del metano en aire es de 5%. Por otro lado, la concentración (en tanto por ciento) de aire que puede existir para que haya combustión con el metano cuando este se encuentre en su límite superior de inflamabilidad es de 85%. Cuál sería el límite superior de inflamabilidad de metano en aire, en tanto por ciento? Solución: 15%. Existe una relación entre el límite inferior de inflamabilidad y el punto de inflamación. El punto de inflamación corresponde a la temperatura mínima en la que podemos tener una concentración inflamable. Los límites de inflamabilidad varían con la temperatura y la presión de vapor. Con la siguiente gráfica se ve más claro lo que significan estas dos afirmaciones: Figura 6. Límites de inflamabilidad para una sustancia dada Según la Tabla 4, la acetona tiene un LII de 2,6% en condiciones normales pero a medida que aumenta la temperatura el LII disminuye y el LSI aumenta y por lo tanto, el rango de inflamabilidad se hace cada vez mayor. Por debajo del LII la mezcla es demasiado pobre en combustible para arder, y por encima del LSI la mezcla es demasiado pobre en oxidante. 27

30 3. PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN Los productos que se obtienen de la combustión son: Llamas. Calor. Humos. Gases LAS LLAMAS Las llamas son el efecto lumínico consecuencia de la reacción de combustión. Pero no siempre que se da una reacción de combustión hay llama, un ejemplo de ello son las brasas. Para que un combustible emita llama en su combustión, este debe estar en estado gaseoso. Cuando el combustible está en estado líquido, este puede pasar a estado gaseoso por el fenómeno de la vaporización. El calor o la energía necesaria para producir ese cambio de estado, proviene de la energía que se desprende en el propio fuego. Cuando el combustible se encuentra en estado sólido, también debe llegar hasta estado gaseoso para que produzca llama en el proceso de combustión. Para explicar este cambio de estado introduciremos el concepto de pirólisis. El color que normalmente muestran las llamas es debido a partículas sólidas formadas principalmente por carbono. Algunos elementos inorgánicos tienen colores muy característicos. Por ejemplo, la presencia de sodio produce llamas de color amarillo-anaranjado, el calcio las produce de color rojo, el cobre y el boro verdes y el potasio violetas. 28

31 TEORÍA DEL FUEGO I El color de la llama no solo depende del tipo de combustible, sino también de la cantidad de oxígeno presente; de tal forma que si la proporción de oxígeno es elevada, las llamas son oxidantes y de color amarillo muy luminoso. Por el contrario, si la proporción de oxígeno es baja, las llamas se vuelven azules, son reductoras y más energéticas. En el caso de la combustión de los gases una llama de color naranja o amarilla puede indicar lo contrario, una combustión incompleta. Por ejemplo: Es muy importante vigilar el color de la llama en la combustión del gas natural para evitar accidentes graves. Si la combustión del gas natural se produce de forma correcta, el color de la llama es azul. Sin embargo, si se observa que el color tiene tonalidades amarillas, anaranjadas e incluso rojas, significa que la combustión no se está dando de forma completa y por lo tanto, se está desprendiendo monóxido de carbono. El monóxido de carbono es un gas altamente tóxico que puede producir incluso la muerte LLAMAS DE DIFUSIÓN Las llamas de difusión son aquellas que se generan de forma natural cuando se encuentran en un mismo lugar el combustible y el aire, sin mezcla previa. La difusión se define como una mezcla por contacto superficial entre dos volúmenes. Llevando esta definición a las llamas, la difusión sería el momento en el que un gas inflamable se encuentra de forma natural con el oxígeno del aire. La zona donde se produce este fenómeno, zona de reacción, no es muy extensa y es donde se produce la combustión. Figura 7. Ejemplo de llama de difusión. 29

32 LLAMAS DE PREMEZCLA Este tipo de llamas se producen de forma no natural cuando el combustible o gas inflamable se mezcla con el aire antes de producirse la ignición. En este caso la mezcla de aire y combustible entrarán en combustión solo cuando se encuentren dentro del rango de inflamabilidad. Un ejemplo de este tipo de llamas son las que se producen en un soplete de soldadura o en un mechero Bunsen de laboratorio. Si la mezcla se encuentra dentro del rango de inflamabilidad y aplicamos una chispa o fuente de ignición, arderá. En ese momento, las llamas se propagan rápidamente y se extienden hasta que toda la mezcla se haya inflamado. El avance se produce a medida que la mezcla va ardiendo, aumentando el volumen y empujando el frente de reacción de la llama hacia fuera como si se tratara de un globo hinchándose rápidamente PIRÓLISIS El significado etimológico de la palabra pirólisis es rotura por el fuego. Podemos definirlo como una descomposición de la materia mediante calentamiento. Y es que la pirólisis es la degradación de la materia sólida a gases debido al calor. No se trata de un cambio de estado, es una degradación de los materiales sólidos a gases. Los enlaces químicos de las moléculas se rompen por el calor y se transforman en otras moléculas más pequeñas, normalmente gaseosas. Como vemos, en el concepto de pirólisis no interviene el oxígeno, por tanto, aún no hay combustión. La materia sólida sometida a elevadas temperaturas sufre una descomposición en vapores y posteriormente serán estos vapores los que puedan arder dando lugar al fenómeno lumínico que son las llamas. Es decir, que para el caso de los materiales sólidos, el paso previo a la combustión es la pirólisis. El combustible sólido se ve sometido a altas temperaturas y va produciendo vapores. Estos vapores posteriormente al reaccionar con el oxígeno es cuando dan la combustión mediante la reacción Redox. Para el caso de los materiales gaseosos la pirólisis no se da ya que, al estar en estado gas, combustionan directamente. Lo mismo para materiales líquidos; elevando la temperatura el líquido se evapora y los gases producidos en la evaporación serán los que den la reacción de combustión. 30

33 TEORÍA DEL FUEGO I Debido a que la pirólisis consiste en una ruptura de las moléculas que forman el sólido inicial, los productos que pueden derivarse de ella son diferentes según las condiciones de la reacción (es decir, según la presión, temperatura, etc. tendremos unos productos u otros). Pirólisis: descomposición química de los combustibles en estado sólido por elevación de la temperatura sin reacción con el oxígeno. Según la Norma UNE-EN ISO Seguridad contra incendio. Vocabulario (en su última edición de 2012), se define: Pirólisis: descomposición química de una sustancia por la acción del calor. Este término se emplea para denominar una etapa del incendio en la que no ha comenzado la combustión con llama. Así mismo, dado que la definición primera indica que se trata de un proceso sin reacción con el oxígeno, debemos aclarar que en el ámbito de incendios, no se realizan suposiciones sobre la presencia o ausencia de oxígeno EL CALOR El calor es la energía calorífica que se desprende de la reacción de combustión, que ya dijimos que se trata de una reacción exotérmica. Según el combustible empleado, este calor desprendido va a ser mayor o menor. Cuanto mayor sea el poder calorífico del combustible, mayor será la energía calorífica producida. En un incendio la temperatura ambiental varía entre los 200 ºC y los 600 ºC, pudiendo verse superada, sobre todo en recintos confinados. Parte de esta energía calorífica o calor producido se liberará y se perderá. Pero otra gran parte se reutiliza en el proceso de combustión produciendo la reacción en cadena. El calor es una magnitud medible, como todo en física y química. Una de las unidades que mide el calor es la caloría. De allí deriva el término energía calorífica, ya que el calor también es una fuente de energía. Por eso, cuando una reacción química desprende calor e interesa medirlo, lo haremos mediante la energía calorífica o calorías desprendidas tras la reacción. 31

34 La propagación del fuego se debe en gran parte al calor. Cuanta mayor es la energía cinética de las moléculas, mayores son los choques que se producen entre ellas y debido a estos choques se despende calor EL HUMO El humo es el conjunto de las partículas de polvo y los gases en suspensión en el aire. Es el producto de una combustión incompleta, por eso quedan partículas sin reaccionar. El color del humo, así como el de la llama, va a ser variable dependiendo principalmente del tipo de combustible. Los efectos dañinos del humo se deben tanto a su posible toxicidad, como a los daños producidos por el calor (pues se encuentra a altas temperaturas), como a los problemas derivados de la falta de visibilidad. El color del humo desprendido en una combustión va a ser un dato significativo que aporta información respecto al tipo desarrollo de la combustión. De forma general para el color del humo se pueden considerar las siguientes indicaciones: Humo blanco: El humo de este color indicará que arde libremente, además, será la combustión de productos vegetales como piensos o forrajes. Humo gris: Proviene de combustibles como la celulosa o fibras artificiales. Humo negro: En caso de ser negro claro, indicará combustible tipo caucho, mientras que si es negro intenso indica combustible como petróleo o fibras acrílicas. Además, siempre que aparezca humo negro indica que hay falta de oxígeno en la combustión. Humo amarillo: presencia de gases tóxicos, es decir, provienen de sustancias que contengan azufre, ácido clorhídrico y nítrico LOS GASES Los gases son el producto más nocivo de la combustión. Estos gases, suelen ser tóxicos y asfixiantes. Cuando se produce una combustión incompleta, los gases producto de la combustión aún pueden seguir siendo oxidados (esto es, son combustibles) lo cual va a favorecer la propagación del incendio; además serán gases asfixiantes. El principal gas letal en los incendios es el monóxido de carbono, que procede de una combustión incompleta del carbono. 32

35 TEORÍA DEL FUEGO I A continuación se presentan algunos de los principales gases nocivos producto de la combustión: Monóxido de carbono: CO. Es un gas que aparece en todas las combustiones, siendo incoloro, inodoro e insípido, proveniente de combustibles orgánicos. Aparece en las combustiones incompletas, es decir, cuando el combustible podría seguir oxidándose, pero por falta de oxígeno, no puede hacerlo. Dióxido de carbono: CO 2. Es un gas asfixiante. En la línea de lo explicado para el CO, aparece cuando hay combustibles orgánicos, pero la combustión ha sido completa, es decir, en ambientes donde no ha habido carencia de Oxígeno para la combustión. Dióxido de azufre: SO 2. Es un gas irritante. Aparece cuando tenemos combustibles orgánicos que contengan azufre y además se formará siempre en combustiones completas, es decir, sin falta de oxígeno. Ácido cianhídrico: HCN. Se caracteriza porque cuando se forma puede oler levemente a almendras amargas. Aparecerá siempre que en la combustión tengamos combustibles plásticos, nylon, papel, caucho. Cloruro de carbonilo / Fosgeno: COCl 2. Es un gas insípido e incoloro. Se producirá en las combustiones con productos clorados, por ejemplo PVC. Es muy tóxico. Ácido sulfhídrico/ sulfuro de hidrógeno: SH 2. Posee un olor característico a huevos podridos y es incoloro. Se desprende en las combustiones incompletas de productos que contengan azufre tales como el caucho o en sustancias en proceso de descomposición. Amoníaco: NH 3. Gas con un olor intenso y desagradable, siendo altamente irritante. Proviene de combustiones en las que intervengan combustibles con nitrógeno en su composición. Por ejemplo, lanas, productos agrarios, polímeros, etc. Acroleína: C 3 H 4 O. Es un gas irritante, llegando a ser mortal a altas concentraciones. Se desprende en la combustión de productos petrolíferos y celulósicos. Ácido fluorhídrico: HF. Altamente tóxico por inhalación. Presente en las industrias de vidrio y petrolíferas. Se deriva de productos con flúor en su composición. 33

36 Ácido clorhídrico: HCl. Es un gas corrosivo que puede formase en la combustión de ciertos plásticos, sobretodo del PVC. Monóxido de nitrógeno: NO. Surge en las combustiones de gasolinas y derivados del petróleo en general. En los incendios forestales también se producen emisiones de NO y NO 2 así como en la quema de pastos. Dióxido de nitrógeno: NO 2. Es un gas de color marrón-rojizo muy tóxico. El NO y NO 2 suelen ir acompañados, desprendiéndose en las combustiones de celulosas, nitratos y aquellas en las que el ácido nítrico esté presente. Lo que hace que una reacción de combustión sea exotérmica es el desprendimiento de energía que se obtiene cuando se da la combustión. Pero hay que tener en cuenta que no toda la energía calorífica desprendida es utilizada y que además, hemos tenido que invertir una energía de activación inicial. Por supuesto, esta inversión inicial se ve recuperada finalmente cuando la reacción es exotérmica. 34

37 TEORÍA DEL FUEGO I 4. TIPOS DE COMBUSTIÓN Hasta aquí se ha estudiado la combustión de forma genérica, sus componentes y sus productos. El fuego es una reacción de combustión, pero no todo fuego es un incendio. Un incendio es un fuego incontrolado. A continuación vamos a hacer una clasificación de los tipos de combustión COMBUSTIÓN INCANDESCENTE Es la combustión en la que no hay presencia de llamas. Como ya hemos visto, las llamas solo son producto de la combustión de gases. Un ejemplo claro de la combustión incandescente son las brasas o las ascuas de una hoguera. Como hemos indicado, la combustión incandescente se realiza sin llama pero sí con emisión de luz COMBUSTIÓN CON LLAMAS Esta es la combustión típica, aquella en la que observamos las llamas del fuego. Como ya conocemos, la llama es el efecto lumínico producto de la combustión de los gases COMBUSTIÓN ESPONTÁNEA Este tipo de combustión aparece cuando no hay un primer aporte exterior de energía de activación, sino que la temperatura ambiente resulta suficiente para hacer comenzar la reacción de combustión. 35

38 Ejemplo de combustión espontánea son los fuegos que se producen en vertederos, en silos o en bodegas. Según la Norma UNE-EN ISO Seguridad contra incendio. Vocabulario (en su última edición de 2012), el término combustión espontánea está desaconsejado siendo más correcto hablar de autoignición o ignición espontánea COMBUSTIÓN INCOMPLETA Este tipo de combustión tiene lugar cuando se ha iniciado un fuego pero en un cierto punto se consume todo el aire disponible y no queda oxígeno libre que pueda seguir produciendo la combustión. Se obtienen unos productos de la combustión que aún no están totalmente oxidados, el principal es el monóxido de carbono (CO); estos productos están ávidos por encontrar oxígeno que termine la combustión, de ahí su peligro. El ejemplo típico de esta combustión es el que se da cuando se inicia un incendio normal en una habitación cerrada y en un determinado momento ya se ha consumido todo el oxígeno de la habitación y se está en situación de combustión incompleta. Por el contrario estaríamos hablando de combustión completa cuando todos los productos de la combustión se oxidan completamente. Es decir, cuando el agente oxidante (que en el caso de un incendio normalmente es el oxígeno) oxida todo el carbono convirtiéndose en dióxido de carbono, todo el hidrógeno se convierte en agua y el resto de elementos distintos al carbono, oxígeno e hidrógeno se convierten en los productos más estables en sus estados normalizados a 298 K FLASH-OVER Este es el nombre sajón con el que se conoce a la combustión súbita generalizada (CSG). Este fenómeno habitualmente es el paso siguiente al crecimiento del incendio y se produce en ambientes o habitaciones confinadas. 36

39 TEORÍA DEL FUEGO I Figura 8. Evolución de un incendio. Imaginemos una habitación cerrada o casi cerrada en la que todos sus elementos están ardiendo a temperaturas muy elevadas. Al permanecer la habitación cerrada, no hay un aporte de oxígeno suficiente por lo que se produce una combustión incompleta. Si de repente dejamos entrar aire al abrir una puerta o una ventana, todos los elementos de la habitación arderán instantáneamente y de forma violenta. Por lo tanto, en estas situaciones puede darse inicialmente el Flash-over o combustión súbita generalizada y el Backdraft, que veremos más adelante. En el momento en el que el desarrollo del incendio produce una aportación continua de calor y en consecuencia, la temperatura de la capa de humos del techo aumenta, se dan las circunstancias ideales para que se produzca el Flash-over. El Flash-over es un fenómeno complejo y difícil de definir, aunque algunos autores lo han conseguido indicando que: El Flash-over es un fenómeno físico-químico en el que se produce un aumento repentino de la velocidad de propagación de un incendio confinado como consecuencia de la combustión súbita generalizada (CSG) de los gases calientes que se acumulan bajo el techo y la inflamación de los materiales combustibles (muebles, cortinas, etc.) En la norma UNE-EN ISO 13943, se define Flash-over como: La transición a un estado de participación de la superficie total en un incendio de materiales combustibles dentro de una envolvente. Se traduce como Combustión súbita generalizada. Para que se dé el fenómeno del Flash-over, como hemos indicado, se deben contemplar unas condiciones concretas que vemos a continuación. 37

40 CONDICIONES PARA EL FLASH-OVER Existen principalmente tres condiciones para que se desarrolle el Flash-over. Según las condiciones de cada incendio, puede variar la violencia con la que se da este fenómeno: Punto del rango de inflamabilidad en el que se produce el Flash-over. Como se ha explicado anteriormente, el rango de inflamabilidad es el intervalo de concentraciones que deben existir entre combustible y comburente para que haya combustión y depende de la temperatura y la presión. Si nos encontramos cerca del límite inferior de inflamabilidad puede, en ocasiones, ser suficiente para que la mezcla se inflame. En el caso del límite superior, el aporte de oxígeno es menor y se desprende un humo negro con movimientos ondulantes aunque igualmente podría darse la combustión. En conclusión, el Flash-over se desarrollará más rápidamente cuanto más cerca nos encontremos del punto del rango en el que la mezcla de combustible y comburente sea la idónea. Por el contrario, se desarrollará lentamente cuanto más nos aproximemos a los límites inferior y superior. Energía de los gases producidos y su capacidad para regenerarse. Un alto contenido energético de los gases incrementa la intensidad del Flash-over en el punto de la mezcla ideal. Los gases calientes y el techo de la habitación incendiada emiten radiación hacia abajo que provoca un aumento de la temperatura de las superficies combustibles. Una vez alcanzada una cierta temperatura, estas superficies combustibles comienzan a liberar sustancias volátiles inflamables como consecuencia de la pirólisis que sufren. Aporte de oxígeno en el recinto. El aporte de gases y aire al recinto determina la duración y repetición de un Flash-over. Según este aporte tenemos: Combustiones sin o bajo aporte de aire: en este caso el Flashover consume enseguida el poco oxígeno que existe en el aire y en consecuencia su duración es corta. Igualmente ocurriría en recintos con pocos materiales combustibles y/o techos incombustibles. Tras el Flash-over, el fuego decae y se limita a la zona real del incendio. Con un aporte amplio de aire: las repeticiones en este caso pueden ser periódicas, produciendo un fuego a impulsos, dependiendo de las variaciones de temperatura. 38