La química y la física del fuego

El fuego es una manifestación de la combustión incontrolada. Se trata de materiales combustibles que se encuentran a nuestro alrededor en los edificios en los que vivimos, trabajamos y jugamos, así como una amplia gama de gases, líquidos y sólidos que se encuentran en la industria y el comercio. Por lo general, se basan en el carbono y pueden denominarse colectivamente como combustibles en el contexto de esta discusión. A pesar de la gran variedad de estos combustibles tanto en su estado químico como físico, en el fuego comparten características que son comunes a todos ellos. Se encuentran diferencias en la facilidad con la que se puede iniciar el fuego (ignición), la velocidad a la que puede desarrollarse el fuego (propagación de la llama), y la potencia que se puede generar (tasa de liberación de calor), pero a medida que mejora nuestra comprensión de la ciencia del fuego, somos más capaces de cuantificar y predecir el comportamiento del fuego y aplicar nuestro conocimiento a la seguridad contra incendios en general. El propósito de esta sección es revisar algunos de los principios subyacentes y brindar orientación para comprender los procesos de incendio.

Conceptos Básicos

Los materiales combustibles nos rodean por todas partes. Dadas las circunstancias apropiadas, se pueden hacer arder sometiéndolos a un fuente de ignición que es capaz de iniciar una reacción autosostenida. En este proceso, el “combustible” reacciona con el oxígeno del aire para liberar energía (calor), mientras se convierte en productos de combustión, algunos de los cuales pueden ser dañinos. Los mecanismos de ignición y combustión deben entenderse claramente.

La mayoría de los incendios cotidianos involucran materiales sólidos (p. ej., madera, productos de madera y polímeros sintéticos), aunque los combustibles gaseosos y líquidos no son infrecuentes. Es deseable una breve revisión de la combustión de gases y líquidos antes de discutir algunos de los conceptos básicos.

Difusión y llamas premezcladas

Un gas inflamable (p. ej., propano, C₃H₈) se puede quemar de dos maneras: una corriente o chorro de gas de una tubería (cf. el mechero Bunsen simple con la entrada de aire cerrada) se puede encender y arderá como un llama de difusión en el que la quema ocurre en aquellas regiones donde el combustible gaseoso y el aire se mezclan por procesos de difusión. Dicha llama tiene una luminosidad amarilla característica, lo que indica la presencia de diminutas partículas de hollín formadas como resultado de una combustión incompleta. Algunos de estos arderán en la llama, pero otros emergerán de la punta de la llama para formar humo.

Si el gas y el aire se mezclan íntimamente antes de la ignición, ocurrirá una combustión premezclada, siempre que la mezcla de gas y aire se encuentre dentro de un rango de concentraciones delimitado por el límite superior e inferior. límites de inflamabilidad (ver tabla 1). Fuera de estos límites, la mezcla no es inflamable. (Tenga en cuenta que un llama premezclada se estabiliza en la boca de un mechero Bunsen cuando la entrada de aire está abierta). Si una mezcla es inflamable, entonces puede encenderse por una pequeña fuente de ignición, como una chispa eléctrica. Él estequiométrico la mezcla es la que se enciende más fácilmente, en la que la cantidad de oxígeno presente está en la proporción correcta para quemar todo el combustible a dióxido de carbono y agua (consulte la ecuación adjunta, a continuación, en la que se puede ver que el nitrógeno está presente en la misma proporción que en el aire pero no participa en la reacción). Propano (C₃H₈) es el material combustible en esta reacción:

C₃H₈ + 5O₂ + 18.8N₂ = 3CO₂ + 4H₂O + 18.8N₂

Una descarga eléctrica tan pequeña como 0.3 mJ es suficiente para encender una mezcla estequiométrica de propano/aire en la reacción ilustrada. Esto representa una chispa estática apenas perceptible, como la experimenta alguien que ha caminado sobre una alfombra sintética y ha tocado un objeto conectado a tierra. Se requieren cantidades de energía aún más pequeñas para ciertos gases reactivos como el hidrógeno, el etileno y el etino. En oxígeno puro (como en la reacción anterior, pero sin nitrógeno presente como diluyente), incluso energías más bajas son suficientes.

Tabla 1. Límites inferior y superior de inflamabilidad en el aire

La llama de difusión asociada con un flujo de combustible gaseoso ejemplifica el modo de combustión que se observa cuando un combustible líquido o sólido experimenta una combustión con llama. Sin embargo, en este caso, la llama es alimentada por vapores de combustible generados en la superficie de la fase condensada. La tasa de suministro de estos vapores está acoplada a su tasa de combustión en la llama de difusión. La energía se transfiere de la llama a la superficie, proporcionando así la energía necesaria para producir los vapores. Este es un proceso de evaporación simple para los combustibles líquidos, pero para los sólidos, se debe proporcionar suficiente energía para provocar la descomposición química del combustible, rompiendo grandes moléculas poliméricas en fragmentos más pequeños que pueden vaporizarse y escapar de la superficie. Esta retroalimentación térmica es esencial para mantener el flujo de vapores y, por lo tanto, respaldar la llama de difusión (figura 1). Las llamas se pueden extinguir al interferir con este proceso de varias maneras (ver más abajo).

Figura 1. Representación esquemática de una superficie en llamas que muestra los procesos de transferencia de calor y masa.

La transferencia de calor

La comprensión de la transferencia de calor (o energía) es la clave para comprender el comportamiento y los procesos del fuego. El tema merece un estudio cuidadoso. Hay muchos textos excelentes a los que se puede recurrir (Welty, Wilson y Wicks 1976; DiNenno 1988), pero para los propósitos presentes solo es necesario llamar la atención sobre los tres mecanismos: conducción, convección y radiación. Las ecuaciones básicas para la transferencia de calor en estado estacionario () son:

Conducción:   

Convección:    

Radiación:      

La conducción es relevante para la transferencia de calor a través de sólidos; (k es una propiedad material conocida como conductividad térmica (kW/mK) y l es la distancia (m) sobre la cual la temperatura cae desde T₁ a T₂ (en grados Kelvin). La convección en este contexto se refiere a la transferencia de calor de un fluido (en este caso, aire, llamas o productos del fuego) a una superficie (sólida o líquida); h es el coeficiente de transferencia de calor por convección kW/m²K) y depende de la configuración de la superficie y la naturaleza del flujo de fluido que pasa por esa superficie. La radiación es similar a la luz visible (pero con una longitud de onda más larga) y no requiere un medio intermedio (puede atravesar el vacío); e es la emisividad (eficiencia por la cual una superficie puede irradiar), s es la constante de Stefan-Boltzman (). La radiación térmica viaja a la velocidad de la luz (3 x 10⁸ m/s) y un objeto sólido intermedio proyectará una sombra.

Tasa de combustión y tasa de liberación de calor.

La transferencia de calor de las llamas a la superficie de los combustibles condensados ​​(líquidos y sólidos) implica una mezcla de convección y radiación, aunque esta última domina cuando el diámetro efectivo del fuego supera 1 m. La velocidad de combustión (, (g/s)) se puede expresar mediante la fórmula:

es el flujo de calor de la llama a la superficie (kW/m²); es la pérdida de calor de la superficie (p. ej., por radiación y por conducción a través del sólido) expresada como flujo (kW/m²); A_combustible es el área superficial del combustible (m²); y L_v es el calor de gasificación (equivalente al calor latente de evaporación de un líquido) (kJ/g). Si se desarrolla un incendio en un espacio confinado, los gases humeantes calientes que se elevan del fuego (impulsados ​​por la flotabilidad) se desvían por debajo del techo, calentando las superficies superiores. La capa de humo resultante y las superficies calientes se irradian hacia la parte inferior del recinto, en particular hacia la superficie del combustible, aumentando así la velocidad de combustión:

donde es el calor extra suministrado por la radiación de la parte superior del recinto (kW/m²). Esta retroalimentación adicional conduce a índices de combustión muy mejorados y al fenómeno del flashover en espacios cerrados donde hay un suministro adecuado de aire y suficiente combustible para mantener el fuego (Drysdale 1985).

La velocidad de combustión está moderada por la magnitud del valor de L_v, el calor de la gasificación. Esto tiende a ser bajo para líquidos y relativamente alto para sólidos. En consecuencia, los sólidos tienden a quemarse mucho más lentamente que los líquidos.

Se ha argumentado que el parámetro individual más importante que determina el comportamiento al fuego de un material (o conjunto de materiales) es la tasa de liberación de calor (RHR) que se acopla a la tasa de quemado a través de la ecuación:

donde es el calor efectivo de combustión del combustible (kJ/g). Ahora hay nuevas técnicas disponibles para medir la RHR a diferentes flujos de calor (p. ej., el calorímetro de cono), y ahora es posible medir la RHR de artículos grandes, como muebles tapizados y revestimientos de paredes en calorímetros a gran escala que utilizan el consumo de oxígeno. mediciones para determinar la tasa de liberación de calor (Babrauskas y Grayson 1992).

Cabe señalar que a medida que crece el tamaño de un incendio, no solo aumenta la tasa de liberación de calor, sino que también aumenta la tasa de producción de "productos del fuego". Estos contienen especies tóxicas y nocivas, así como partículas de humo, cuyos rendimientos aumentarán cuando un incendio que se desarrolla en el recinto de un edificio no se ventila adecuadamente.

Ignición

La ignición de un líquido o sólido implica elevar la temperatura de la superficie hasta que los vapores se desprendan a una velocidad suficiente para sostener una llama después de que los vapores se hayan encendido. Los combustibles líquidos se pueden clasificar según su puntos de inflamación, la temperatura más baja a la que existe una mezcla de aire/vapor inflamable en la superficie (es decir, la presión de vapor corresponde al límite inferior de inflamabilidad). Éstos se pueden medir utilizando un aparato estándar, y los ejemplos típicos se dan en la tabla 2. Se requiere una temperatura ligeramente más alta para producir un flujo suficiente de vapores para soportar una llama de difusión. Esto se conoce como el punto de fuego. Para sólidos combustibles, los mismos conceptos son válidos, pero se requieren temperaturas más altas ya que se trata de descomposición química. El punto de combustión suele superar los 300 °C, según el combustible. En general, los materiales ignífugos tienen puntos de inflamación significativamente más altos (consulte la Tabla 2).

Tabla 2. Puntos de inflamación y puntos de combustión de combustibles líquidos y sólidos

l = líquido; s = sólido.
¹ Aparato de copa cerrada de Pensky-Martens.
² Líquidos: por aparato de copa abierta de Cleveland. Sólidos: Drysdale y Thomson (1994).
(Tenga en cuenta que los resultados para las especies ignífugas se refieren a un flujo de calor de 37 kW/m²).

Por lo tanto, la facilidad de ignición de un material sólido depende de la facilidad con la que la temperatura de su superficie pueda elevarse hasta el punto de ignición, por ejemplo, por exposición al calor radiante oa un flujo de gases calientes. Esto depende menos de la química del proceso de descomposición que del espesor y las propiedades físicas del sólido, es decir, su conductividad térmica (k), densidad (r) y capacidad calorífica (c). Los sólidos delgados, como las virutas de madera (y todas las secciones delgadas), pueden encenderse muy fácilmente porque tienen una masa térmica baja, es decir, se requiere relativamente poco calor para elevar la temperatura hasta el punto de combustión. Sin embargo, cuando el calor se transfiere a la superficie de un sólido grueso, algo será conducido desde la superficie hacia el cuerpo del sólido, moderando así el aumento de temperatura de la superficie. Se puede demostrar teóricamente que la tasa de aumento de la temperatura de la superficie está determinada por la Inercia térmica del material, es decir, del producto krc. Esto se confirma en la práctica, ya que los materiales gruesos con una alta inercia térmica (p. ej., roble, poliuretano sólido) tardarán mucho tiempo en inflamarse bajo un flujo de calor dado, mientras que, en condiciones idénticas, los materiales gruesos con una baja inercia térmica (p. ej., tablero aislante de fibra, espuma de poliuretano) se encenderá rápidamente (Drysdale 1985).

Fuentes de ignición

El encendido se ilustra esquemáticamente en la figura 2 (encendido pilotado). Para un encendido exitoso, un fuente de ignición debe ser capaz no solo de elevar la temperatura de la superficie hasta el punto de ignición o más, sino que también debe hacer que los vapores se enciendan. Una llama incidente actuará en ambas capacidades, pero un flujo radiativo impuesto desde una fuente remota puede conducir a la evolución de vapores a una temperatura por encima del punto de ignición, sin que los vapores se enciendan. Sin embargo, si los vapores emitidos están lo suficientemente calientes (lo que requiere que la temperatura de la superficie sea mucho más alta que el punto de combustión), pueden encenderse espontáneamente al mezclarse con el aire. Este proceso se conoce como encendido espontáneo.

Figura 2. El escenario para la ignición pilotada.

Se puede identificar una gran cantidad de fuentes de ignición, pero tienen una cosa en común, y es que son el resultado de algún tipo de descuido o inacción. Una lista típica incluiría llamas desnudas, "materiales para fumadores", calefacción por fricción, dispositivos eléctricos (calentadores, planchas, cocinas, etc.) y así sucesivamente. Se puede encontrar una excelente encuesta en Cote (1991). Algunas de ellas se resumen en la tabla 3.

Tabla 3. Fuentes de ignición

Cabe señalar que los cigarrillos ardiendo sin llama no pueden iniciar directamente la combustión con llama (incluso en los combustibles gaseosos comunes), pero pueden causar latente en materiales que tienen propensión a sufrir este tipo de combustión. Esto se observa sólo con materiales que se carbonizan al calentarse. La combustión lenta implica la oxidación de la superficie del carbón, lo que genera suficiente calor localmente para producir carbón fresco a partir del combustible no quemado adyacente. Es un proceso muy lento, pero eventualmente puede sufrir una transición a flamear. A partir de entonces, el fuego se desarrollará muy rápidamente.

Los materiales que tienen propensión a arder sin llama también pueden exhibir el fenómeno de autocalentamiento (Bowes 1984). Esto surge cuando dicho material se almacena en grandes cantidades y de tal manera que el calor generado por la oxidación superficial lenta no puede escapar, lo que lleva a un aumento de la temperatura dentro de la masa. Si las condiciones son adecuadas, esto puede conducir a un proceso descontrolado que finalmente se convierte en una reacción latente en las profundidades del material.

Propagación de la llama

Un componente importante en el crecimiento de cualquier incendio es la velocidad a la que la llama se propagará sobre las superficies combustibles adyacentes. La propagación de la llama se puede modelar como un frente de ignición en avance en el que el borde delantero de la llama actúa como fuente de ignición para el combustible que aún no se está quemando. La tasa de propagación está determinada en parte por las mismas propiedades del material que controlan la facilidad de ignición y en parte por la interacción entre la llama existente y la superficie por delante del frente. La propagación vertical hacia arriba es la más rápida, ya que la flotabilidad asegura que las llamas fluyan hacia arriba, exponiendo la superficie sobre el área de combustión a la transferencia directa de calor de las llamas. Esto debe contrastarse con la propagación sobre una superficie horizontal cuando las llamas del área de combustión se elevan verticalmente, alejándose de la superficie. De hecho, es experiencia común que la propagación vertical es la más peligrosa (p. ej., la propagación de llamas en cortinas y cortinas y en ropa suelta como vestidos y camisones).

La tasa de propagación también se ve afectada por un flujo de calor radiante impuesto. En el desarrollo de un incendio en una habitación, el área del incendio crecerá más rápidamente bajo el nivel creciente de radiación que se acumula a medida que avanza el incendio. Esto contribuirá a la aceleración del crecimiento del fuego que es característico del flashover.

Teoría de la extinción de incendios

La extinción y supresión de incendios pueden examinarse en términos del esquema anterior de la teoría del fuego. Los procesos de combustión en fase gaseosa (es decir, las reacciones de llama) son muy sensibles a los inhibidores químicos. Algunos de los retardantes de llama utilizados para mejorar las "propiedades de fuego" de los materiales se basan en el hecho de que pequeñas cantidades de inhibidor liberadas con los vapores de combustible suprimirán el establecimiento de la llama. La presencia de un retardante de llama no puede hacer que un material combustible no sea combustible, pero puede dificultar la ignición, tal vez impidiendo la ignición siempre que la fuente de ignición sea pequeña. Sin embargo, si un material ignífugo se involucra en un incendio existente, se quemará a medida que los altos flujos de calor superen el efecto del retardante.

La extinción de un incendio se puede lograr de varias maneras:

1. detener el suministro de vapores de combustible

2. apagar la llama con extintores químicos (inhibir)

3. quitar el suministro de aire (oxígeno) al fuego (sofocar)

4. "explosión".

Control del flujo de vapores de combustible

El primer método, detener el suministro de vapores de combustible, es claramente aplicable a un incendio de chorro de gas en el que el suministro de combustible puede simplemente cerrarse. Sin embargo, también es el método más común y seguro para extinguir un incendio que involucre combustibles condensados. En el caso de un incendio que involucre un sólido, esto requiere que la superficie del combustible se enfríe por debajo del punto de combustión, cuando el flujo de vapores se vuelve demasiado pequeño para soportar una llama. Esto se logra de manera más efectiva mediante la aplicación de agua, ya sea manualmente o por medio de un sistema automático (aspersores, aspersión de agua, etc.). En general, los incendios de líquidos no pueden tratarse de esta manera: los combustibles líquidos con puntos de inflamación bajos simplemente no pueden enfriarse lo suficiente, mientras que en el caso de un combustible con un punto de inflamación alto, la vaporización vigorosa del agua cuando entra en contacto con el líquido caliente en el superficie puede hacer que el combustible quemado sea expulsado del contenedor. Esto puede tener consecuencias muy graves para quienes luchan contra el fuego. (Hay algunos casos especiales en los que se puede diseñar un sistema automático de rociado de agua a alta presión para hacer frente a este último tipo de incendio, pero esto no es común).

Los incendios de líquidos se suelen extinguir mediante el uso de espumas para combatir incendios (Cote 1991). Esto se produce aspirando un concentrado de espuma en una corriente de agua que luego se dirige al fuego a través de una boquilla especial que permite que el aire entre en el flujo. Esto produce una espuma que flota sobre el líquido, reduciendo la tasa de suministro de vapores de combustible por un efecto de bloqueo y protegiendo la superficie de la transferencia de calor de las llamas. La espuma debe aplicarse con cuidado para formar una "balsa" que aumenta gradualmente de tamaño para cubrir la superficie del líquido. Las llamas disminuirán de tamaño a medida que crezca la balsa, y al mismo tiempo la espuma se descompondrá gradualmente, liberando agua que ayudará al enfriamiento de la superficie. De hecho, el mecanismo es complejo, aunque el resultado neto es controlar el flujo de vapores.

Hay varios concentrados de espuma disponibles, y es importante elegir uno que sea compatible con los líquidos que se van a proteger. Las “espumas proteicas” originales se desarrollaron para incendios de hidrocarburos líquidos, pero se descomponen rápidamente si entran en contacto con combustibles líquidos que son solubles en agua. Se ha desarrollado una gama de "espumas sintéticas" para hacer frente a toda la gama de incendios de líquidos que se pueden encontrar. Una de ellas, la espuma formadora de película acuosa (AFFF), es una espuma multiusos que también produce una película de agua en la superficie del combustible líquido, aumentando así su eficacia.

apagando la llama

Este método hace uso de supresores químicos para extinguir la llama. Las reacciones que ocurren en la llama involucran radicales libres, una especie altamente reactiva que tiene solo una existencia fugaz pero que se regenera continuamente mediante un proceso de cadena ramificada que mantiene concentraciones lo suficientemente altas para permitir que la reacción general (por ejemplo, una reacción de tipo R1) continúe. a un ritmo rápido. Los supresores químicos aplicados en cantidad suficiente causarán una caída dramática en la concentración de estos radicales, apagando efectivamente la llama. Los agentes más comunes que actúan de esta forma son los halones y los polvos secos.

Los halones reaccionan en la llama para generar otras especies intermedias con las que reaccionan preferentemente los radicales de la llama. Se requieren cantidades relativamente pequeñas de halones para extinguir un incendio y, por esta razón, tradicionalmente se consideraban muy deseables; las concentraciones extintoras son “respirables” (aunque los productos generados al pasar por la llama son nocivos). Los polvos secos actúan de manera similar, pero bajo ciertas circunstancias son mucho más efectivos. Las partículas finas se dispersan en la llama y provocan la terminación de las cadenas de radicales. Es importante que las partículas sean pequeñas y numerosas. Esto lo logran los fabricantes de muchas marcas registradas de polvos secos seleccionando un polvo que “decrepita”, es decir, las partículas se fragmentan en partículas más pequeñas cuando se exponen a las altas temperaturas de la llama.

Para una persona cuya ropa se ha incendiado, se reconoce que un extintor de polvo seco es el mejor método para controlar las llamas y proteger a esa persona. La intervención rápida da un “caída” rápido, minimizando así las lesiones. Sin embargo, la llama debe extinguirse por completo porque las partículas caen rápidamente al suelo y cualquier llama residual se recuperará rápidamente. De manera similar, los halones solo seguirán siendo efectivos si se mantienen las concentraciones locales. Si se aplica al aire libre, el vapor de halón se dispersa rápidamente y, una vez más, el fuego se restablecerá rápidamente si queda alguna llama residual. Más significativamente, la pérdida del supresor será seguida por el reinicio del combustible si las temperaturas de la superficie son lo suficientemente altas. Ni los halones ni los polvos secos tienen un efecto de enfriamiento significativo en la superficie del combustible.

Quitar el suministro de aire

La siguiente descripción es una simplificación excesiva del proceso. Si bien "eliminar el suministro de aire" ciertamente hará que el fuego se extinga, para hacerlo solo es necesario reducir la concentración de oxígeno por debajo de un nivel crítico. La conocida “prueba del índice de oxígeno” clasifica los materiales combustibles según la concentración mínima de oxígeno en una mezcla de oxígeno/nitrógeno que apenas soportará la llama. Muchos materiales comunes se quemarán con concentraciones de oxígeno de hasta aproximadamente el 14 % a temperatura ambiente (aprox. 20 °C) y en ausencia de cualquier transferencia de calor impuesta. La concentración crítica depende de la temperatura, disminuyendo a medida que aumenta la temperatura. Por lo tanto, un fuego que ha estado ardiendo durante algún tiempo será capaz de soportar llamas en concentraciones quizás tan bajas como el 7%. Un incendio en una habitación puede controlarse e incluso puede autoextinguirse si el suministro de oxígeno se limita manteniendo puertas y ventanas cerradas. Las llamas pueden cesar, pero la combustión lenta continuará a concentraciones de oxígeno mucho más bajas. La entrada de aire al abrir una puerta o romper una ventana antes de que la habitación se haya enfriado lo suficiente puede provocar una erupción vigorosa del fuego, conocida como tiro de retrocesoo backdraft.

La "eliminación del aire" es difícil de lograr. Sin embargo, una atmósfera puede volverse "inerte" por inundación total por medio de un gas que no permita la combustión, como nitrógeno, dióxido de carbono o gases de un proceso de combustión (por ejemplo, los motores de un barco) que son bajos en oxígeno y altos en oxígeno. en dióxido de carbono. Esta técnica solo se puede utilizar en espacios cerrados, ya que es necesario mantener la concentración requerida del “gas inerte” hasta que el fuego se haya extinguido por completo o se puedan iniciar las operaciones de extinción. La inundación total tiene aplicaciones especiales, como bodegas de barcos y colecciones de libros raros en bibliotecas. Las concentraciones mínimas requeridas de los gases inertes se muestran en la Tabla 4. Estas se basan en la suposición de que el incendio se detecta en una etapa temprana y que la inundación se lleva a cabo antes de que se acumule demasiado calor en el espacio.

Tabla 4: Comparación de concentraciones de diferentes gases necesarios para la inertización

La “eliminación de aire” puede efectuarse en las inmediaciones de un incendio pequeño mediante la aplicación local de un supresor de un extintor. El dióxido de carbono es el único gas que se utiliza de esta manera. Sin embargo, como este gas se dispersa rápidamente, es imprescindible extinguir todas las llamas durante el ataque al fuego; de lo contrario, la llama se restablecerá. El reencendido también es posible porque el dióxido de carbono tiene poco o ningún efecto de enfriamiento. Vale la pena señalar que un fino rocío de agua arrastrado hacia una llama puede causar la extinción como resultado combinado de la evaporación de las gotas (que enfría la zona de combustión) y la reducción de la concentración de oxígeno por dilución con vapor de agua (que actúa de la misma manera). como dióxido de carbono). Los rocíos y neblinas de agua fina se están considerando como posibles reemplazos de los halones.

Es apropiado mencionar aquí que no es aconsejable apagar una llama de gas a menos que el flujo de gas pueda detenerse inmediatamente después. De lo contrario, se puede acumular un volumen sustancial de gas inflamable y luego encenderse, con consecuencias potencialmente graves.

Reventar

Este método se incluye aquí para completar. La llama de un fósforo puede apagarse fácilmente aumentando la velocidad del aire por encima de un valor crítico en la vecindad de la llama. El mecanismo opera desestabilizando la llama en la vecindad del combustible. En principio, los incendios más grandes se pueden controlar de la misma manera, pero normalmente se requieren cargas explosivas para generar velocidades suficientes. Los incendios de pozos de petróleo se pueden extinguir de esta manera.

Finalmente, una característica común que debe enfatizarse es que la facilidad con la que se puede extinguir un incendio disminuye rápidamente a medida que aumenta el tamaño del incendio. La detección temprana permite la extinción con cantidades mínimas de supresor, con pérdidas reducidas. Al elegir un sistema de supresión, se debe tener en cuenta la tasa potencial de desarrollo de incendios y qué tipo de sistema de detección está disponible.

Explosiones

Una explosión se caracteriza por la liberación repentina de energía, que produce una onda de choque, u onda expansiva, que puede ser capaz de causar daños remotos. Hay dos tipos distintos de fuentes, a saber, el alto explosivo y el estallido de presión. El alto explosivo está tipificado por compuestos como el trinitrotolueno (TNT) y la ciclotrimetilenotrinitramina (RDX). Estos compuestos son especies altamente exotérmicas, descomponiéndose para liberar cantidades sustanciales de energía. Aunque son térmicamente estables (aunque algunos lo son menos y requieren desensibilización para que sean seguros de manejar), pueden ser inducidos a detonar, con descomposición, propagándose a la velocidad del sonido a través del sólido. Si la cantidad de energía liberada es lo suficientemente alta, una onda expansiva se propagará desde la fuente con el potencial de causar un daño significativo a distancia.

Al evaluar el daño remoto, se puede estimar el tamaño de la explosión en términos de "equivalente de TNT" (normalmente en toneladas métricas). Esta técnica se basa en la gran cantidad de datos que se han recopilado sobre el daño potencial del TNT (muchos de ellos durante la guerra) y utiliza leyes de escala empíricas que se han desarrollado a partir de estudios del daño causado por cantidades conocidas de TNT.

En tiempos de paz, los explosivos de alta potencia se utilizan en una variedad de actividades, incluidas la minería, la explotación de canteras y las principales obras de ingeniería civil. Su presencia en un sitio representa un peligro particular que requiere una gestión específica. Sin embargo, la otra fuente de “explosiones” puede ser igualmente devastadora, particularmente si no se ha reconocido el peligro. Las sobrepresiones que conducen a estallidos de presión pueden ser el resultado de procesos químicos dentro de las plantas o de efectos puramente físicos, como ocurrirá si un recipiente se calienta externamente, lo que lleva a una sobrepresurización. El termino BLEVE (explosión de vapor en expansión de líquido hirviendo) tiene su origen aquí, refiriéndose originalmente a la falla de las calderas de vapor. Ahora también se usa comúnmente para describir el evento en el que un recipiente a presión que contiene un gas licuado como GLP (gas licuado de petróleo) falla en un incendio, liberando el contenido inflamable, que luego se enciende para producir una "bola de fuego".

Por otro lado, la sobrepresión puede ser causada internamente por un proceso químico. En las industrias de proceso, el autocalentamiento puede conducir a una reacción desbocada, generando altas temperaturas y presiones capaces de causar un estallido de presión. Sin embargo, el tipo más común de explosión es causado por la ignición de una mezcla de aire/gas inflamable que está confinada dentro de un elemento de una planta o, de hecho, dentro de cualquier estructura o recinto de confinamiento. El requisito previo es la formación de una mezcla inflamable, algo que debe evitarse mediante un buen diseño y gestión. En el caso de una liberación accidental, existirá una atmósfera inflamable siempre que la concentración del gas (o vapor) se encuentre entre los límites inferior y superior de inflamabilidad (Tabla 1). Si se introduce una fuente de ignición en una de estas regiones, una llama premezclada se propagará rápidamente desde la fuente, convirtiendo la mezcla de aire y combustible en productos de combustión a una temperatura elevada. Esto puede ser tan alto como 2,100 K, lo que indica que en un sistema completamente cerrado inicialmente a 300 K, es posible una sobrepresión de hasta 7 bares. Solo los recipientes a presión especialmente diseñados son capaces de contener tales sobrepresiones. Los edificios ordinarios se derrumbarán a menos que estén protegidos por paneles de alivio de presión o discos de ruptura o por un sistema de supresión de explosiones. Si se forma una mezcla inflamable dentro de un edificio, la explosión subsiguiente puede causar un daño estructural significativo, tal vez la destrucción total, a menos que la explosión pueda salir al exterior a través de las aberturas (p. ej., la falla de las ventanas) creadas durante las primeras etapas de la explosión.

Las explosiones de este tipo también están asociadas con la ignición de suspensiones de polvo en el aire (Palmer 1973). Estos se encuentran cuando hay una acumulación sustancial de polvo "explosible" que se desprende de los estantes, vigas y repisas dentro de un edificio para formar una nube, que luego se expone a una fuente de ignición (por ejemplo, en molinos harineros, elevadores de granos, etc. .). El polvo debe (obviamente) ser combustible, pero no todos los polvos combustibles son explosivos a temperatura ambiente. Se han diseñado pruebas estándar para determinar si un polvo es explosivo. Estos también se pueden usar para ilustrar que los polvos explosivos exhiben "límites de explosividad", similares en concepto a los "límites de inflamabilidad" de gases y vapores. En general, una explosión de polvo tiene el potencial de causar un gran daño porque el evento inicial puede hacer que se desprenda más polvo, formando una nube de polvo aún mayor que inevitablemente se encenderá para producir una explosión aún mayor.

Venteo de explosióno alivio de explosión, solo funcionará con éxito si la tasa de desarrollo de la explosión es relativamente lenta, como la asociada con la propagación de una llama premezclada a través de una mezcla inflamable estacionaria o una nube de polvo explosiva. La ventilación de explosión no sirve de nada si se trata de una detonación. La razón de esto es que las aberturas de alivio de presión deben crearse en una etapa temprana del evento cuando la presión aún es relativamente baja. Si ocurre una detonación, la presión aumenta demasiado rápido para que el alivio sea efectivo, y el recipiente o elemento de una planta que lo encierra experimenta presiones internas muy altas que conducirán a una destrucción masiva. Detonación de una mezcla de gases inflamables puede ocurrir si la mezcla está contenida dentro de una tubería o conducto largo. Bajo ciertas condiciones, la propagación de la llama premezclada empujará el gas no quemado por delante del frente de la llama a una velocidad que aumentará la turbulencia, lo que a su vez aumentará la velocidad de propagación. Esto proporciona un circuito de retroalimentación que hará que la llama se acelere hasta que se forme una onda de choque. Esto, combinado con el proceso de combustión, es una onda de detonación que puede propagarse a velocidades muy por encima de los 1,000 m/s. Esto puede compararse con el velocidad fundamental de combustión de una mezcla estequiométrica de propano/aire de 0.45 m/s. (Esta es la velocidad a la que se propagará una llama a través de una mezcla de propano/aire en reposo (es decir, no turbulenta).)

No se puede subestimar la importancia de la turbulencia en el desarrollo de este tipo de explosión. La operación exitosa de un sistema de protección contra explosiones se basa en la ventilación temprana o la supresión temprana. Si la velocidad de desarrollo de la explosión es demasiado rápida, entonces el sistema de protección no será efectivo y se pueden producir sobrepresiones inaceptables.

Una alternativa al alivio de explosiones es supresión de explosiones. Este tipo de protección requiere que la explosión se detecte en una etapa muy temprana, lo más cerca posible de la ignición. El detector se utiliza para iniciar la liberación rápida de un supresor en la trayectoria de la llama que se propaga, deteniendo eficazmente la explosión antes de que la presión haya aumentado hasta el punto en que se vea amenazada la integridad de los límites del recinto. Los halones se han usado comúnmente para este propósito, pero a medida que se están eliminando, ahora se está prestando atención al uso de sistemas de rociado de agua a alta presión. Este tipo de protección es muy costoso y tiene una aplicación limitada, ya que solo se puede usar en volúmenes relativamente pequeños dentro de los cuales el supresor se puede distribuir rápida y uniformemente (por ejemplo, conductos que transportan vapor inflamable o polvos explosivos).

Análisis de Información para Protección contra Incendios

En términos generales, la ciencia del fuego se ha desarrollado recientemente hasta una etapa en la que es capaz de proporcionar la base de conocimientos en la que se pueden basar las decisiones racionales con respecto al diseño de ingeniería, incluidos los problemas de seguridad. Tradicionalmente, la seguridad contra incendios se ha desarrollado sobre un ad-hoc base, respondiendo de manera efectiva a los incidentes mediante la imposición de regulaciones u otras restricciones para garantizar que no vuelvan a ocurrir. Se podrían citar muchos ejemplos. Por ejemplo, el Gran Incendio de Londres en 1666 condujo a su debido tiempo al establecimiento de las primeras normas (o códigos) de construcción y al desarrollo del seguro contra incendios. Incidentes más recientes, como los incendios de bloques de oficinas de gran altura en São Paulo, Brasil, en 1972 y 1974, iniciaron cambios en los códigos de construcción, enmarcados de tal manera que se evitaran incendios similares con muertes múltiples en el futuro. Otros problemas se han abordado de manera similar. En California, Estados Unidos, se reconoció el peligro asociado con ciertos tipos de muebles tapizados modernos (particularmente los que contienen espuma de poliuretano estándar) y finalmente se introdujeron normas estrictas para controlar su disponibilidad.

Se trata de casos sencillos en los que la observación de las consecuencias del fuego ha llevado a la imposición de un conjunto de normas destinadas a mejorar la seguridad del individuo y de la comunidad en caso de incendio. La decisión de actuar sobre cualquier tema debe justificarse sobre la base de un análisis de nuestro conocimiento de los incidentes de incendio. Es necesario demostrar que el problema es real. En algunos casos, como los incendios de São Paulo, este ejercicio es académico, pero en otros, como “demostrar” que los muebles modernos son un problema, es necesario asegurarse de que los costos asociados se gasten de manera inteligente. Esto requiere una base de datos confiable sobre incidentes de incendios que durante varios años sea capaz de mostrar tendencias en el número de incendios, el número de muertes, la incidencia de un tipo particular de ignición, etc. Las técnicas estadísticas pueden luego usarse para examinar si una tendencia, o un cambio, es significativo y se toman las medidas apropiadas.

En varios países, el cuerpo de bomberos está obligado a presentar un informe sobre cada incendio atendido. En el Reino Unido y los Estados Unidos, el oficial a cargo completa un formulario de informe que luego se envía a una organización central (el Ministerio del Interior en el Reino Unido, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios, NFPA, en los Estados Unidos) que luego codifica y procesa los datos de una manera prescrita. Luego, los datos están disponibles para su inspección por parte de los organismos gubernamentales y otras partes interesadas. Estas bases de datos son invaluables para resaltar (por ejemplo) las principales fuentes de ignición y los artículos que se prendieron primero. Un examen de la incidencia de muertes y su relación con las fuentes de ignición, etc. ha demostrado que el número de personas que mueren en incendios provocados por materiales de fumadores está significativamente fuera de proporción con el número de incendios que se originan de esta manera.

La fiabilidad de estas bases de datos depende de la habilidad con la que los bomberos lleven a cabo la investigación del incendio. La investigación de incendios no es una tarea fácil y requiere una habilidad y un conocimiento considerables, en particular, un conocimiento de la ciencia del fuego. El Servicio de Bomberos del Reino Unido tiene la obligación legal de enviar un formulario de informe de incendios para cada incendio atendido, lo que impone una responsabilidad considerable al oficial a cargo. La construcción del formulario es crucial, ya que debe obtener la información requerida con suficiente detalle. El “Formulario Básico de Informe de Incidentes” recomendado por la NFPA se muestra en la Manual de protección contra incendios (Coté 1991).

Los datos se pueden utilizar de dos maneras, ya sea para identificar un problema de incendio o para proporcionar el argumento racional necesario para justificar un curso de acción particular que puede requerir un gasto público o privado. Se puede utilizar una base de datos de larga data para mostrar los efectos de las acciones realizadas. Los siguientes diez puntos se han extraído de las estadísticas de la NFPA durante el período de 1980 a 1989 (Cote 1991):

1. Los detectores de humo para el hogar se usan ampliamente y son muy efectivos (pero quedan vacíos significativos en la estrategia del detector).

2. Los rociadores automáticos producen grandes reducciones en la pérdida de vidas y propiedades. El aumento en el uso de equipos de calefacción portátiles y de área aumentó considerablemente los incendios domésticos relacionados con equipos de calefacción.

3. Los incendios incendiarios y sospechosos continuaron disminuyendo desde el pico de la década de 1970, pero los daños a la propiedad asociados dejaron de disminuir.

4. Una gran parte de las muertes de bomberos se atribuyen a ataques cardíacos y actividades fuera del lugar del incendio.

5. Las áreas rurales tienen las tasas más altas de muertes por incendios.

6. Los materiales humeantes que encienden muebles tapizados, colchones o ropa de cama producen los escenarios de incendios residenciales más letales.

7. Las tasas de mortalidad por incendios de EE. UU. y Canadá se encuentran entre las más altas de todos los países desarrollados.

8. Los estados del Viejo Sur de los Estados Unidos tienen las tasas más altas de muertes por incendios.

9. Los adultos mayores corren un riesgo particularmente alto de morir en un incendio.

Tales conclusiones son, por supuesto, específicas de cada país, aunque existen algunas tendencias comunes. El uso cuidadoso de tales datos puede proporcionar los medios para formular políticas sólidas con respecto a la seguridad contra incendios en la comunidad. Sin embargo, debe recordarse que estos son inevitablemente "reactivos", en lugar de "proactivos". Las medidas proactivas solo se pueden introducir después de una evaluación detallada del riesgo de incendio. Este curso de acción se ha introducido progresivamente, comenzando en la industria nuclear y pasando a las industrias química, petroquímica y de alta mar, donde los riesgos se definen mucho más fácilmente que en otras industrias. Su aplicación a hoteles y edificios públicos generalmente es mucho más difícil y requiere la aplicación de técnicas de modelado de incendios para predecir el curso de un incendio y cómo los productos del fuego se propagarán por el edificio para afectar a los ocupantes. Se han hecho grandes avances en este tipo de modelado, aunque hay que decir que queda un largo camino por recorrer antes de que estas técnicas se puedan utilizar con confianza. La ingeniería de seguridad contra incendios todavía necesita mucha investigación básica en la ciencia de la seguridad contra incendios antes de que las herramientas confiables de evaluación de riesgos de incendios puedan estar ampliamente disponibles.

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