TEMA 1: Teoría del fuego. Elementos que componen el fuego. Tipos de combustión, clases de fuego. Propagación del calor.

Definición: El fuego es una reacción química de oxidación-reducción rápida y fuertemente exotérmica, en la que interviene un agente combustible y otro comburente en unas condiciones energéticas favorables, obteniendo como resultados humos, gases, calor y llamas.

Se denomina reacción oxidación-reducción aquellas en las que se produce un intercambio de electrones entre un oxidante que los gana y un reductor que los pierde.Combustible: Sustancia reductora, cede electronesComburente: Sustancia oxidante, roba electrones.

Esta reacción de (combustión) necesita energía (calor) para que se inicie el proceso, emitiendo de esta manera luz y calor.

Para que la combustión ocurra se requieren los siguientes factores:

- CALOR: Energía- COMBUSTIBLE: Puede encontrarse en uno de los tres estados, sólido, líquido o

gas. Para que ocurra una combustión con llama, un sólido o líquido debe transformarse a su estado vapor.

- OXÍGENO: El combustible se mezcla con el aire y reacciona con el oxígeno.

Este proceso se conoce como el “Triángulo del fuego”. Cuando se dispone de estos tres factores y en las proporciones correctas, la combustión ocurrirá. A partir del momento en que el proceso es capaz de aportarse a sí mismo suficiente cantidad de energía como para mantener una emisión de gases constantes (radicales libres) se le añade un cuarto factor, la Reacción en cadena. Es el proceso mediante el cual progresa la reacción en el seno de una mezcla comburente-combustible. Se entenderá como automantenido, cuando se alcanza este estadio, comúnmente se conoce como “Tetraedro del fuego”.

Existe un factor más que afectará al triángulo del fuego lo que denominamos “agentes pasivos”. Los agentes pasivos están presentes en cualquier proceso de combustión y no toman parte en la reacción química de combustión. Pero el hecho de que absorberán o robarán la energía (calor) afectará sobre el comportamiento del fuego.

Ejemplos de agentes pasivos

GASES NO IMFLAMABLES: Dióxido de carbono, vapor de aguaHOLLÍN: Partículas de carbónAGUA: Temperatura y humedadNITRÓGENO: Un componente del aire que permanece inerte a través de la combustión.

Tipos de combustión

* Nota: los combustibles gaseosos presentan mayor facilidad de mezcla que los líquidos y éstos a su vez, de los sólidos. Por este motivo pueden obtenerse menores excesos de aire con los combustibles gaseosos.

* La mayoría de los materiales combustibles normales contienen en su estructura interna carbono junto a combinaciones de hidrógeno y oxígeno.

1) Según sea el modo en que se realiza mezcla combustible-aire y si existen productos sobrantes de las combustiones

Combustión completa (exceso de oxígeno)

Conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de hidrocarburos: carbono en CO2, hidrogeno en H2O, azufre en SO2, nitrógeno en N2.

El oxígeno se será el oxidante y el nitrógeno se considera inerte (A altas temperaturas pueden formarse óxidos de nitrógeno en pequeñas proporciones). La llama resultante de este tipo de combustiones al igual que en la combustión estequiométrica es poco luminosa de potencia calorífica.

En este caso existe aire en exceso para conseguir la oxidación total de todos los combustibles.

Combustión estequiométrica

También denominada perfecta o neutra, aquella combustión en la que todos los elementos del combustible, al reaccionar se oxidan al completo (oxidación perfecta). Todo el carbono se transforma en CO2 y todo el hidrógeno en vapor de agua.

Llama poco luminosa de potencia calorífica. Se consigue cuando se aporta la cantidad estricta de oxígeno, es decir, el aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible.

Este tipo de combustión es prácticamente irrealizable, lo que obliga a operar con excesos de aire con el fin de logar combustiones completas.

Combustión incompleta

La que normalmente se produce en los incendios. También denominada imperfecta donde los componentes del combustible no se oxidan totalmente, por lo que aparecen, además de dióxido de carbono y vapor de agua, los denominados inquemados (materia combustible que ha quedado sin quemar o parcialmente quemada) de los cuales, los más importantes son el carbono (hollín, responsable fundamental del ennegrecimiento de los humos), el CO y el H2 junto con otras sustancias intermedias (restos de combustible)

La llama resultante de este tipo de combustiones es muy luminosa y de baja potencia calorífica debido fundamentalmente a la incandescencia de las partículas de carbono formadas.

Cuando aparecen inquemados, es señal de que no se ha aprovechado bien el combustible, por lo que la combustión que se está realizando es mala.

2) Según la velocidad de propagación se distinguen 4 combustiones

a) Combustión muy lenta

No se lo considera combustión tal como suele definir, ya que la energía desprendida se disipa en el medio, no produciendo un aumento significativo de temperatura, excepto un poco a nivel local. No hay emisión de luz (llama no visible). Se puede decir que en este tipo de oxidaciones no existe reacción en cadena, la liberación de calor por unidad de tiempo es muy baja.

Ejemplos de estos tipos de oxidaciones: el amarilleado del papel, la oxidación de los metales, el deterioro de los alimentos, la fermentación del vino…etc.

b) Combustión lenta: OXIDACIÓN

Se pueden incluir en este tipo de oxidaciones las “combustiones latentes” con falta de oxígeno (cigarrillo, carbón…etc.). Suelen producirse también en recintos confinados con escasez de aire, combustibles muy compactos (pacas de algodón, guía de teléfono)

Cuando la combustión latente es debido a la deficiencia de oxígeno, puede resultar peligrosa una entrada repentina de aire, pudiendo dar lugar a una aceleración del incendio o incluso a una deflagración.

c) Combustión normal: COMBUSTIÓN

En estos tipos de combustión, la velocidad de propagación es altamente perceptible por los sentidos del ser humano, debido a las potentes manifestaciones luminosas (emisión de llamas) y caloríficas de estas reacciones.

Estas velocidades de reacción, se producen cuando existe aire suficiente para la combustión, tal que pueda mantenerse la reacción química de oxidación- reducción al emplear parte de la energía desprendida de la combustión (la energía restante se disipa en el entorno) en la generación rápida de reacciones intermedias de oxidaciones-reducciones (mediante un mecanismo de radicales libres) que van desprendiendo más calor que retroalimenta al fuego, mintiendo una reacción en cadena que permite la propagación del incendio.

Los incendios normales con combustiones de este tipo, el frente de la llama tiene unos valores de varios centímetros por segundo, pero siempre manteniéndose la velocidad de propagación por debajo de 1m/seg.

Ejemplos: Madera, papel, mobiliario, decoración doméstica, pastos…etc.

Combustión con llama

Reacción endotérmica: Cuando un combustible desprende vapores o gases inflamables, estos se combinan con el oxígeno del aire, si se encuentran en unas condiciones adecuadas y en presencia de una fuente de ignición entran en combustión en reacción endotérmica (absorbe el calor)

Reacción exotérmica: Cuando estos gases de inflamables empiezan a reaccionar, desprenden calor y la reacción pasa a ser exotérmica.

Tipos de llama

- Llamas de difusión: Aquellas en las que los gases no están mezclados antes de la ignición, no arden limpiamente. Llama fría que se distingue por: Color de la llama (naranja/rojo), Menor ruido, Menor velocidad de deflagración, Perfil de la llama definido. En la mayoría de los incendios en la que los equipos de bomberos intervienen se producen llamas de difusión.

- Llamas de premezcla: Aquellas en las que los gases están mezclados antes de la mezcla, por lo consiguiente arden limpiamente, llama más caliente la cual puede distinguirse por: El color de la llama (azul), mayor ruido, mayor velocidad de deflagración, llama más estable pero más difícil de delimitar su borde debido a lo borroso de su perfil, mayor eficacia de la combustión.

c) Combustiones rápidas: DEFLAGRACIÓN

Combustión que se produce cuando la velocidad de propagación del frente de la llama es menor que la del sonido; su valor se sitúa en el orden de metros por segundo.

En este tipo de combustiones aparecen fenómenos de presión (entre 1 y 10 veces la presión inicial) que se producen debido a la combustión rápida de una sustancia, con desprendimiento de llamas, pero sin la producción de una explosión propiamente dicha.

En la deflagración, la velocidad de propagación de la zona de reacción o del frente de llamas es superior a 1m/seg. (su valor se sitúa en el orden de algunos metros por segundo) pero inferior a la velocidad del sonido (333 m/s) en el medio. El frente de las llamas avanza por fenómenos de difusión térmica del gas todavía frío.

Una deflagración será posible en determinadas condiciones:

- Que la mezcla de gases y vapores combustibles con el aire, alcancen su punto de ignición mediante el aporte de una fuente de ignición.

- Que se produzca una reacción espontánea de esos gases y vapores inflamables al estímulo calórico que actúa como catalizador o iniciador primario de reacción.

Ejemplos de combustiones rápidas. Deflagraciones que se producen debido a vapores de líquidos inflamables, las de mezclas aéreas de polvos combustibles.

d) Combustión muy rápida: DETONACIÓN

Detonación o explosión de la combustión que se produce con una velocidad de propagación de la llama superior a la del sonido (333 m/s). En este caso, la combustión de la masa de gas se realiza en décimas de segundo, estando acompañada de la onda de

choque de la explosión la cual, por su elevada presión (con valores que pueden superar en 100 veces la presión inicial) ocasiona daños sobre las estructuras próximas a ella, con pérdidas de bienes y vidas.

El frente de llamas acompaña al frente de presiones, debido la circunstancia de que es precisamente la onda de choque la que aporta la energía de activación a la masa reaccionante.Esta velocidad de propagación da lugar a ondas de presión discontinuas y por tanto, a una onda de choque supersónica (la zona de reacción queda detrás de esta onda) cuya expansión produce fenómenos destructivos.

La detonación se produce cuando existe una acumulación de vapores y gases mezclados con el aire dentro del rango de inflamabilidad y en un recinto cerrado, produciéndose en presencia de una ignición, una súbita liberación de estos gases y vapores a alta presión al ambiente.

Ejemplo: Detonación producida por explosivos detonantes industriales o por la combinación súbita de mezclas de gases y vapores con el aire en especiales circunstancias.

*Nota:

*Aunque deflagración y detonación se pueden presentar de manera independiente es muy corriente que la detonación sea una fase posterior a la deflagración, sirviendo ésta última de transición a un fenómeno más destructivo como es la detonación.

* Los combustibles sólidos finamente divididos (harina de molinos, polvo de granos en silos) esparcidos y suspendidos en el aire, pueden dar lugar a combustiones rápidas con importantes fenómenos destructivos.

Productos de la combustión. Gases de incendio.

Cuando se habla de los productos de la combustión (humo) se está refiriendo a los propios Gases de incendio generados por el mismo, subproductos de combustión y agentes pasivos presentes de manera que su composición será:

GASES NO INFLAMABLES: Dióxido de carbono y vapor de aguaGASES INFLAMABLES: Debidos a la pirólisis y combustión incompleta, incluye el monóxido de carbono.AIRE: Fundamentalmente Nitrógeno (79%) y Oxígeno (21%)HOLLÍN: Partículas de carbono.

CLASES DE FUEGOS

Según el tipo de combustible

Según la normativa europea vigente UNE-EN 2:1994/A1:2004 nos clasifica el fuego en 5 tipos:

CLASE A: Materias sólidas de origen orgánico, así como fuegos de sustancias con un elevado punto de fusión que queman con producción de brasas, son fuegos profundos que retienen el oxígeno en su interior. Ejemplo: fuegos de madera, carbón, paja..etc.

CLASE B: Fuego de líquidos inflamables, sólidos de bajo punto de fusión y sólidos grasos, son fuegos superficiales, solamente arden en la superficie que esta en contacto con el oxígeno del aire. Ejemplo: gasolina, aceite, alquitrán

CLASE C: Fuego de gases inflamables. Ejemplo: butano, propano.

CLASE D: Fuego de metales combustibles y de combustión químicos. La característica común a este tipo de fuegos es que no permiten el empleo de agua como agente extintor, este tipo de fuegos arden a temperaturas superiores, que oscilaran entre 1500º-2000º, lo que origina la descomposición de la molécula de agua (H20) en Hidrógeno y en oxígeno por separarlo, y las consiguientes explosiones del gas de hidrógeno (sodio, magnesio, titanio). Requieren de agentes extintores específicos.

CLASE F: Fuegos derivados de aceites y grasas vegetales o animales, utilizados para cocinar.

Según el foco en el que se producen

Foco plano: Cuado el incendio se desarrolla en un plano preferentemente horizontal.

Foco vertical: Cuando el incendio de desarrolla preferentemente sobre varios planos horizontales, o inclinados y verticales.

Focos alimentados: Aquel que es alimentado por aportación de combustible desde almacenamientos o depósitos no afectados por el fuego.

Por el entorno del incendio

Urbano: Son incendios que se producen y se desarrollan en zonas destinadas a residencias, establecimientos sanitarios, espectáculos, deportivos. Principalmente riego de víctimas humanas.

Industrial: Se inician y afectan a zonas de producción, transformación y almacenamiento de productos. Su peligrosidad viene determinada

Forestal: Son incendios en los que el material combustible, es materia vegetal (arbóreo, arbustivo o herbáceo), desarrollándose en bosques, con dificultad de acceso; su principal riego es la posibilidad que afecten a las viviendas próximas al monte.

En el caso de incendios que afecten a productos vegetales de elaboración como campos de trigo o de cultivo, se denominan incendios agrícolas.

Según el tamaño

Pequeños: Incendio de hasta 4m2 de superficie activa en llamas

Mediano: Entre 4-10m2 de superficie activa en llamas.

Grande: Entre 10-100m2

De envergadura: Superior a 100m2 de superficie y las llamas sobrepasan alturas superiores a la diagonal media de la superficie incendiada.

Por el lugar en que se desarrollan

Fuegos de interiores: Incendios que se dan en el lugar del establecimiento, sin existir manifestación de los productos al exterior.

Fuegos exteriorizados: Son aquellos en los que los productos de incendio, han sido propagados al exterior, por lo que su manifestación (principalmente humo y llamas) es visible desde el exterior del establecimiento.

Por la existencia de llamas

Fuegos con llama: Se dan cuando el combustible-comburente se encuentran en fase gaseosa Gases y líquidos: arden siempre con llama Sólidos: Ocurre llama si hay reacción en cadena.

Fuegos sin llama, incandescencia: Fuegos en los que no existe reacción en cadena. La combustión es representada por el triángulo del fuego. Sucede en los sólidos, en el caso de que no existe suficiente calor para que se descompongan y generen suficientes gases inflamables.

* Estas dos modalidades no se excluyen, pueden tener lugar conjuntamente (carbón).

Métodos de propagación del calor

El calor se propaga de los lugares con una mayor temperatura a los de menos con el fin de conseguir un equilibrio térmico. En las intervenciones el conocer como funciona la propagación del calor, nos dará información importante a la hora de decidir tácticas de intervención.

Conducción

Mecanismo de propagación en el cual la propagación se produce por un contacto directo entre un punto a otro punto, a través de un medio conductor.

Puede darse en sólidos, líquidos o gases, aunque se presenta con mayor claridad en los sólidos. En la conducción, la energía calorífica se transmite desde una molécula a la

contigua. Las moléculas vibran alrededor de su posición media y transmiten la energía calorífica por choque con sus vecinas.La capacidad de conducción de calor (conductividad térmica) varía con los materiales. Los mejores conductores son la plata y el cobre. Los sólidos no metálicos son poco conductores y todos los líquidos (excepto el mercurio) y los gases, son muy poco conductores del calor

Las moléculas del cuerpo caliente están sumidas en unos movimientos violentos y caóticos sin embargo, las moléculas del medio conductor se mueven más lentamente. Cuando chocan las moléculas de los dos cuerpos, se pasan parte de dicho movimiento, haciendo que el conductor aumente su energía cinética con ella que a la vez se transmitirá por todo su cuerpo. La energía de agitación es transmitida a lo largo del conductor a través de sus moléculas.

La conducción aparece cuando el cuerpo se encuentra partes a diferentes temperaturas, la dirección del flujo calorífico será siempre de los puntos de mayor a los de menor temperatura. Cuanto mayor es el grado de disgregación del material menor es la conducción del calor, transmitiéndose mejor en los sólidos que en los líquidos, y mejor en los líquidos que en los gases, en el vacío al no haber soporte de material no existe propagación de calor por conducción.

En general, los buenos conductores de la electricidad son buenos conductores del calor y viceversa. La capacidad de un material para conducir calor se puede medir experimentalmente y se denomina " conductividad térmica’'

Ejemplo de propagación del calor por conducción: aplicar calor a un extremo de una barra de hierro, y la cogemos por el otro extremo, al poco tiempo, podemos observar como aumenta el calor en nuestro extremo. El calor aplicado en el extremo hace que las moléculas se muevan más rápidamente, transmitiendo la vibración de unas moléculas a otras hasta el lugar donde la cogemos.

La capacidad de conducción varía según las características de los cuerpos, siendo la plata y el cobre los metales más conductores.

Foto: Una viga de acero atravesando de una a otra parte de una pared incombustible, podría ser la causa de propagación del fuego debido a la conducción del calor a lo largo de la viga.

Convección

Ocurre únicamente en los gases. Cuando un líquido o un gas se calienta, se expande y así se vuelve menos denso, tendiendo a subir de nivel y desplazar al volumen más frío hacia abajo.

El movimiento suele ser convectivo en general ascendente, debido a que los gases al ser calentados se expanden, disminuyendo su densidad y con un peso inferior a los gases fríos, por lo que tienden a ocupar las partes altas, cuando estos se enfrían van descendiendo a las partes bajas y si vuelven a calentarse de nuevo ascenderán produciéndose un ciclo continuo.

La conducción puede ser - Natural o libre (no se utilizan otros medios para favorecer su movimiento)- Forzada (a través de otros elementos se favorece el movimiento convectivo)

La convección juega un papel muy importante en los incendios ya que propaga las llamas, humos y gases calientes, a otras partes superiores del incendio provocando otros focos secundarios en partes superiores y si además nos encontramos con un patio interior o hueco de escalera “efecto chimenea” esta propagación será muy superior.

Ejemplo: Si colocamos un radiador en el centro de la habitación, se observa al poco tiempo como el aire caliente asciende para colocarse en las partes altas. Cuando el aire caliente se enfría, aumenta su densidad y desciende a las partes bajas hasta que vuelva a ser calentado y disminuya así su densidad y por lo tanto vuelva a ascender.

Radiación

Es el proceso de transmisión de calor de un cuerpo a otro a través del espacio en línea recta. Este tipo de transmisión no implica ningún contacto entre los cuerpos. Son ondas electromagnéticas similares a las ondas de la luz. No obstante, cuerpos que no emitan luz pueden radiar calor por ondas infrarrojas. Todas las formas de energía radiante se propagan en línea recta a la velocidad de la luz. La intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia a la fuente de radiación.

Todos los cuerpos emiten continuamente una energía radiante, esta se propaga a través de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz, transmitiéndose

incluso a través del vacío, esta se propaga en todas las direcciones. Como norma general, los buenos reflectantes suelen ser malos absorbentes.

Este tipo de propagación se está produciendo siempre, no importa la diferencia de temperatura, aunque a una mayor temperatura mayor será la cantidad de calor que se transmita.

Cuando estas ondas inciden sobre los cuerpos que no son transparentes a ellas, son absorbidas por estos y la energía absorbida es transformada en calor. Todo cuerpo caliente emite radiaciones calóricas.

Se considera al calor radiante como un movimiento ondulatorio, producido como consecuencia de las vibraciones de las moléculas de los cuerpos emisores, esta se propaga siempre en línea recta y en todas las direcciones denominándose rayo calorífico a cada una de estas direcciones.

Tipos de ondas electromagnéticas:- Ultravioletas ( cuando la longitud de onda larga trae luz pero no calor)- Infrarroja (cuando la longitud de onda trae calor. No es visible al ojo humano)