Química y Física del Fuego

El fuego es un proceso complejo que involucra diversas interacciones entre procesos químicos y físicos.

Reacción química continua con generación de luz y calor, en que se combinan agentes reductores con oxidantes, en presencia de calor, y todos ellos en

cantidades adecuadas.

Es una reacción de oxidación de material combustible acompañada de una liberación de energía en forma

de luz y calor.

• El modelo simplificado de una superficie incendiándose se traduce a como se mantiene el flujo de vapores combustibles por medio de la transferencia de calor, de las llamas a la superficie.

Transferencia de Calor

• Cuando hablamos o escuchamos sobre incendios, es común el pensar en términos de temperaturas, tales como la temperatura de ignición de un combustible sólido, el punto de ablandamiento de algún material termoplástico (polímeros como polietileno, acrílico, polipropileno, etc.), y la temperatura suficiente para debilitar una estructura de acero. Sin embargo esta visión es muy simplista, por lo que tenemos que considerar que estas temperaturas son el resultado de una transferencia de calor.

• No se cae en una exageración cuando nos referimos a la transferencia de calor como la que gobierna todos los aspectos del fuego, desde su ignición hasta un fuego totalmente desarrollado y aun mas allá, hasta la falla de los elementos estructurales.

• La TRANSFERENCIA DE CALOR se da por diferencias en temperaturas: el calor siempre fluye de temperaturas altas a temperaturas bajas.

Unidades de Temperatura• Celsius – Un grado Celsius o Centígrado (°C) equivale a 1/100 parte de la diferencia

entre la temperatura necesaria para derretir hielo (fusión) y el punto de ebullición del agua, a una presión atmosférica estándar de 1 atm (101.3 kPa). En la escala Celsius, el cero (0 °C) está definido como el punto donde el hielo empieza a derretir, y 100 °C como el punto de ebullición del agua. La unidad (grado) Celsius pertenece al Sistema Internacional de Unidades.

• Kelvin – La escala Kelvin (K) conserva la misma dimensión y base que el grado Celsius aunque el cero absoluto equivale a -273.15 °C. La escala Kelvin pues, nos indica las temperaturas absolutas. La unidad Kelvin pertenece al Sistema Internacional de Unidades.

• Fahrenheit – Un grado Fahrenheit (°F) es 1/180 parte de la diferencia entre la temperatura necesaria para derretir hielo y el punto de ebullición del agua, a una presión atmosférica estantard de 1 atm (101.3 kPa). En la escala Fahrenheit, el punto de ebullición del agua equivale a 212 °F y de fusión 32 °F.

• Rankine – Un grado Rankine (°R) conserva la misma dimensión y base que el grado Fahrenheit aunque el cero absoluto equivale a -459.67 °F (-273.15 °C). La escala Rankine nos provee las temperaturas absolutas.

• Los grados Fahrenheit y Rankine no son unidades aprobadas por el Sistema Internacional de Unidades.

Existen básicamente tres mecanismos para la transferencia de calor: Conducción, Convección y Radiación. Estas tres condiciones se presentan en mayor o menor grado en todo tipo de

incendio.

La CONDUCCION se da cuando la transferencia de calor se da a través de un solido.La CONVECCION ocurre cuando, estando en contacto, existe transferencia de calor entre una

superficie solida (o liquida) y un fluido (como el aire). La RADIACION térmica es una forma de energía que viaja a través del espacio sin la necesidad de

que exista un objeto de por medio, tales como sólidos o líquidos. Esta viaja en forma de ondas electromagnéticas y en línea recta.

Mecanismos de Transferencia de Calor

Incendio por los diversos mecanismos de transferencia de calor.

a) Inicia un fuego localizado en un área produciendo un “efecto de techo”

Incendio por los diversos mecanismos de transferencia de calor

b) Descarga de humo del compartimiento de origen.

Incendio por los diversos mecanismos de transferencia de calor

c) Aumento en tamaño del fuego y aumento en la capa de humo

Incendio por los diversos mecanismos de transferencia de calor

d) Diferentes presiones y flujos de aire

Incendio por los diversos mecanismos de transferencia de calor

e) Transición de un cuarto a otro generándose un efecto denominado “Flashover”

La etapa en donde la radiación térmica total procedente de la pluma del incendio, los gases calientes y los combustibles generan la ignición súbita de todas las fuentes combustibles del recinto se le llama FLASHOVER.

Incendio por los diversos mecanismos de transferencia de calor

f) Cuarto o compartimento totalmente incendiado o “Postflashover”

Teoría de la Extinción de Fuego

Uno o más de los siguientes mecanismos –usualmente varios de ellos simultáneamente – pueden ser utilizados para extinguir un fuego.

* Separar físicamente la substancia combustible de la flama* Remover o diluir el oxigeno* Reducir la temperatura del combustible o la flama* Agregar compuestos que puedan modificar la química de combustión

Un ejemplo seria cuando a un combustible sólido se le aplica agua, varios mecanismos de extinción se ven involucrados simultáneamente. El sólido es enfriado por contacto con el agua, teniendo como resultado que el ritmo de pirolisis o gasificación disminuya

considerablemente. La llama gaseosa es enfriada provocando una reducción del calentamiento del material y a su vez retrasando el ritmo en su pirolisis. Se genera vapor, que bajo condiciones de confinamiento, previenen que el oxigeno llegue al

fuego. El agua en forma de neblina bloquea la transferencia de calor por radiación.

Otro ejemplo, la aplicación de una capa de espuma acuosa a un derrame de líquidos inflamables. La espuma evita que el calor generado por las llamas caliente la superficie disminuyendo así la evaporización del combustible.

Cuando un químico seco es aplicado a un fuego, los siguientes mecanismos de extinción podrán actuar:

* Interacción química con la flama* Recubrimiento de la superficie combustible* Enfriamiento de la flama* Bloqueo de la transferencia de energía radiada

Extinción Utilizando Agua

Cualquiera pudiera pensar que el agua es el medio más común de extinción de incendios debido a su bajo costo y fácil disponibilidad. Este elemento es muy superior a cualquier otro por las siguientes características:

* Posee un punto muy alto de vaporización – hasta 4 veces más que cualquier otro líquido no inflamable.* No es toxico* Pude ser almacenada bajo presiones y temperaturas normales

Sin embargo no es un agente extintor perfecto:* Se congela a 0 °C* Es conductor de electricidad* Puede dañar ciertos artículos * Cuando es aplicado en chorro no es efectivo en líquidos inflamables, especialmente con hidrocarburos* No es compatible con ciertos metales calientes y con ciertos químicos (magnesio, titanio, sodio, potasio,…)

Extinción Utilizando Espumas Acuosas

Los agentes extintores a base de espumas acuosas se utilizan principalmente para extinguir fuegos causados por líquidos inflamables. Si el líquido inflamable es más ligero y no es soluble en agua, al aplicar agua este flotara sobre la misma.

Si el líquido inflamable es soluble en agua, como los alcoholes, se deberá utilizar una espuma resistente a alcoholes (AR-AFFF).

Debido a que la espuma es más ligera que cualquier liquido inflamable, esta llega a flotar sobre este produciendo una inhibición de oxigeno, sellando y atrapando los vapores combustibles y enfriando el material.

Extinción Utilizando Rocío de Agua

Al utilizar rocío de agua, las pequeñas gotas de agua ayudan a remover el calor tanto en la superficie como en los gases combustibles. Estas finas gotas de agua, en un ambiente de calor extremo, se llegan a evaporar mucho antes de hacer contacto con el fuego por lo que el efecto ayuda a diluir el oxigeno requerido para la combustión. De igual manera bloquea la transferencia de calor por radiación que se da entre el fuego y el material combustible.

Este método se utiliza generalmente en espacios cerrados y es tan efectivo como la utilización de chorro de agua pero sin la destrucción que este ultimo ocasiona.

Extinción con Gases Inertes

El agua como agente extintor actúa principalmente enfriando, aunque la formación de vapor de agua ayuda a diluir la concentración de oxigeno. Por otro lado, los gases inertes extinguen fuegos por medio de la dilución de oxigeno. El CO2 es el gas inerte más comúnmente utilizado. De igual manera se podría utilizar el helio, neón, nitrógeno y argón. Sin embargo, estos gases tienen un costo elevado por lo que su uso no es conveniente. Solo en ciertos casos especiales, como en los causados con magnesio son utilizados.

Extinción con Agentes Halogenados o Halocarbonados

Los agentes halogenados pueden ser aplicados al igual que el CO2. Principalmente se utilizan en fuegos causados por cuestiones eléctricas o en aquellos casos donde el agua o el polvo químico seco puedan dañar los materiales.

La primera generación de halones dañaban la capa de ozono y contribuían al calentamiento global, por lo que a partir del año 1994 su fabricación fue suspendida (Harón 1301, 2402 y 1211). Actualmente se utilizan halones de segunda generación los cuales contaminan menos que la primera generación. Se sigue investigando al respecto y se espera que muy pronto se obtengan halones más amigables al medio ambiente.

Extinción con Agentes Químicos Secos

Los químicos secos dan otra alternativa al CO2 y los Halones para extinguir fuegos sin uso de agua. De todos los tipos de químicos secos utilizados, el Fosfato Mono amónico es el más efectivo y popular. Penetra más fácilmente los fuegos, cubre las superficies y es menos corrosivo que los demás.

Otros tipos de químicos secos son: bicarbonato de sodio, sal, bicarbonato de potasio (Purpura K), cloruro de potasio (Súper K) y urea mas bicarbonato de potasio (Monnex).

El fuego es un fenómeno complejo. Para tratar de entenderlo, la Ingeniería en Protección de Incendios se basa bajo los siguientes principios:

1.- Para que la combustión se lleve a cabo es necesario que exista un agente oxidante, un material combustible y una fuente de ignición. La excepción se da en la combustión espontanea, la cual no requiere de una fuente de ignición independiente.

2.- El material combustible debe ser previamente calentado y llevado a su temperatura de punto de ignición para que este finalmente arda.

3.- La subsecuente quema de material está gobernada por la constante retroalimentación que generan las llamas hacia el material que genera los vapores combustibles.

4.- El fuego continuara hasta que suceda alguno de los siguientes supuestos:a) El material combustible haya sido consumidob) La concentración del agente oxidante (normalmente oxigeno del aire) haya sido disminuido por debajo de la concentración necesaria requerida para la combustión.c) Que el material combustible no tenga el suficiente calor que lo haga arder.d) Que las flamas sean inhibidas químicamente y así evitar una futura reacción.

Colocación Extintores• NFPA 10 • 6.1.3.1 Los extintores de incendios deben estar colocados visiblemente donde

estén fácilmente accesibles y a disposición inmediata en caso de incendio.• 6.1.3.2 Los extintores de incendios deben estar colocados a lo largo de las vías

normales de desplazamiento, incluyendo las salidas de las áreas.• 6.1.3.3.1 Los extintores de incendios no deben estar obstruidos ni ocultos a la vista.• 6.1.3.8 Altura de Instalación• 6.1.3.8.1 Los extintores de incendio con un peso bruto no mayor a 18.14 kg (40 lb)

deben instalarse de manera que la parte superior de extintor no está a más de 1.53 m (5 pies) sobre el suelo.

• 6.1.3.8.2 Los extintores de incendios con un peso bruto mayor a 18.14 kg (40 lb) (excepto aquellos sobre ruedas), se deben instalar de manera que la parte superior del extintor no esté a más de 1.07 m (3.5 pies) sobre el suelo.

• 6.1.3.8.3 En ningún caso el espacio libre entre el fondo del extintor y el peso debe ser menor de 102 mm (4 in).