Teoría del fuego: introducción, elementos y productos de la combustión

Definición y fundamentos de la combustión según UNE EN ISO 13943

1 TEMA 5: Teoría del fuego. Introducción. Elementos que componen el fuego. Productos de la combustión. Puntos de temperatura. Rango de inflamabilidad. Calor y temperatura. Transferencia de calor. Velocidad de propagación. Clasificación de los fuegos. V 5.0 1 .- Introducción Según la UNE EN ISO 13943, define la combustion como una reacción exotérmica de una sustancia con la participación de un oxidante. La combustión generalmente emite efluentes acompañados de llamas y/o luz visible. Reactivos -> Productos CH4 + 202 -> CO2 + 2 H2O Dióxido de Carbono O O C 0 O Metano Oxígeno (2 Moléculas) Agua (2 Moléculas) Metano + oxígeno -> dióxido de carbono + vapor de agua Combustible + comburente -> productos de la combustión Como se aprecia en el ejemplo, la reacción química de combustión tiene lugar con la participación de un agente oxidante que generalmente es el oxígeno del aire, y un agente reductor que es la sustancia combustible, en el ejemplo el gas metano. Las reacciones de reducción-oxidación (también conocido como reacción redox) son las reacciones de transferencia de electrones. El calor es uno de los productos de la reacción, por eso se dice que es una reacción exotérmica, el cual es parcialmente disipado en el ambiente y parcialmente invertido en activar nuevas reacciones de combustión en el seno de la mezcla combustible-comburente.

Roles en la reacción química de combustión

DENOMINACIÓN AGENTE CAUSA CONSECUENCIA COMBUSTIBLE REDUCTOR Cede electrones Se oxida COMBURENTE OXIDANTE Roba electrones Se reduce

Concepto y tipos de combustión

2. Concepto de combustión La combustion es una reacción exotérmica de oxidación, en la cual concurren dos productos: un combustible en fase condensada o gaseosa, o ambas a la vez, y un oxidante del combustible. Por lo general, el fenómeno va acompañado de una emisión de luz y calor. J.M.2 Si la combustion transcurre en fase condensada produce incandescencia, mientras que si lo hace en la fase de vapor produce llama visible. Cuando el fenómeno transcurre en un recinto cerrado, aumenta rápidamente la presión y puede originar explosiones. Por ejemplo, la vida animal es una combustión lenta y controlada (oxidación). La combustion con llamas son los fuegos e incendios que vemos normalmente. La llama, como se ha dicho, se produce en fase gaseosa, por lo que arderán siempre con llama combustibles líquidos y gaseosos, y en ocasiones los sólidos. La UNE EN ISO 13943 la define como combustión en fase gaseosa, con emisión de luz usualmente. La combustion incandescente es aquella que se produce sin llamas, pero tiene manifestación visible en forma de ascuas. El ejemplo típico serían las brasas de carbón o de madera. La UNE EN ISO 13943 la define como combustión de un material en fase solida sin llama, pero con emisión de luz desde la zona de combustión. El proceso de aumento de temperatura de un material dado, sin necesidad de un aporte de calor externo de su entorno, se llama calentamiento espontáneo. El calentamiento espontáneo de un material hasta su temperatura de ignición tiene por resultado la ignición espontánea o combustión espontánea. La combustion espontánea suele ser muy frecuente en los basureros y vertederos y suelen derivar reacciones químicas o biológicas muy complejas que producen calor suficiente para que el material arda. Otro ejemplo sería los incendios en los almacenes de carbón (sótanos, bodegas de barcos, etc.). Hay 3 factores que influyen o hacen que se produzca una combustión espontánea: · La cantidad de calor generada. · Los efectos de la ventilación. · Los efectos aislantes de los materiales que hay alrededor. La combustion incompleta se produce cuando parte del combustible no reacciona completamente porque el oxígeno no es suficiente. Por lo tanto, hay presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción. Se manifiesta por cuerpos parcialmente quemados, generando partículas de carbón, gases y vapor. La combustion completa se produce cuando las sustancias combustibles del combustible se queman hasta el máximo grado posible de oxidación. En consecuencia, no habrá sustancias combustibles en los humos. Entre los factores que influyen en la combustion están la temperatura, la humedad del material (higroscopicidad) y ambiental, la disgregación del material, la superficie de contacto, la magnitud (extensión, superficie o volumen del material ardiendo), la forma física y tamaño del material, el tiempo de exposición del material a focos de ignición, la facilidad de autocombustión de algunas sustancias al contacto con el aire (piróforas), etc. Para completar este punto, vamos a definir los siguientes conceptos según la UNE EN ISO 13943: · Fuego: combustión autosoportada que ha sido deliberadamente puesta en marcha para beneficiarse de sus efectos y que está controlada en su duración y extensión espacial. · Incendio: combustión autosoportada que propaga incontrolada en el tiempo y en el espacio. · Carga de fuego o carga calorífica: cantidad de calor que puede ser emitida por combustión completa de todo el combustible presentes, en un volumen, e incluyendo todos los revestimientos de todas las superficies presentes. Se expresa en julios. · Densidad de la carga de fuego: carga de fuego o carga calorífica por unidad de superficie de suelo. Se expresa en julios por metro cuadrado. · Calor de combustión: energía térmica producida por combustión de la unidad de masa de una sustancia dada. Se expresa en julios por kilogramo.

Factores esenciales para el inicio del fuego

2.1. Inicio del fuego Aunque los procesos de combustión son muy complejos, se pueden representar mediante un triángulo en el que cada uno de sus lados representa a uno de los tres factores esenciales para producir un fuego: combustible, comburente y temperatura (también energía de activación o simplemente calor) a nivel suficientemente alto, tal como se representa en la figura. J.M.3 CALOR COMBURENTE COMBUSTIBLE

Características y estados del combustible

2.1.1. Combustible Todas aquellas sustancias que no han alcanzado su máximo grado de oxidación, va a constituir el grupo de los combustibles, desde un punto de vista práctico, todos aquellos materiales que contengan Carbono o Hidrógeno pueden ser oxidados (existiendo estos elementos en elevadas proporciones en los líquidos y gases de origen orgánico). Por lo que podemos decir que este agente reductor se puede oxidar y perder los electrones. Los combustibles pueden encontrarse en cualquiera de los tres estados de la materia, sólido (no fluye en estado natural), líquido (sus moléculas pueden moverse libremente, pero no tienden a separarse) y gaseoso (sus moléculas se mueven libremente y tienden a separarse), pero la combustion de cualquier sustancia combustible sólo puede producirse en fase vapor o gas. Si el estado inicial es sólido o líquido, necesita aporte inicial de energía: · Pirolisis: Descomposición química de un combustible sólido, provocada por el calor, antes de la combustión (no hay reacción química). · Evaporación: Es el paso de un combustible líquido a fase vapor o gas, antes de su ebullición.

Definición y características del comburente

2.1.2. Comburente Se considera comburente toda aquella mezcla de gases en la cual el oxígeno está en proporción suficiente para que en su seno se inicie y desarrolle la combustion. El comburente más normal es el aire, que contiene aproximadamente un 21 % en volumen de oxígeno. Algunas sustancias químicas desprenden oxígeno bajo ciertas condiciones (NaNO3, KClO3, etc.), son agentes oxidantes cuya presencia puede provocar la combustión en ausencia de comburente. Otros productos, como la nitrocelulosa arden sin ser necesaria la presencia del aire por contener el oxígeno en su propia estructura molecular. También el cloro y el fluor pueden actuar como oxidantes. Para que se desarrolle la combustión, en procesos normales, debe de existir una proporción mínima de oxígeno en el ambiente. Existen otras combustiones en las que el O2 no es imprescindible, como es el caso del aluminio o el magnesio en presencia de nitrógeno puro, o del polvo de circonio en contacto con atmósferas cargadas de anhídrido carbónico. Puede suceder también que el propio combustible contenga O2, y lo ceda al sistema, alimentando y manteniendo la combustión. J.M.4 COMPONENTES DEL AIRE Oxígeno 20.9% Nitrogeno 78% Argón 0.90% Otros Gases 0.17% Dióxido de Carbono 0.03%

Importancia de la energía de activación

2.1.3. Energía de activación Para que una combustión tenga lugar necesitamos lo que se denomina energía de activación, que será la que active las moléculas del combustible y así reaccionen con el comburente. Con lo cual es la mínima energía necesaria por los productos para que se inicie la reacción. Dicha energía se aporta por los focos de ignición: químicos, mecánicos, eléctricos y natural. · Origen Químico Cualquier reacción exotérmica, aunque no sea de combustión, provoca calor que puede ser el origen de un incendio. · Origen Mecánico Los choques o roces entre metales y entre otros cuerpos generan calor y chispas que pueden aportar la necesaria energía para iniciar el incendio. Recordemos la imagen de las tribus indígenas generando fuego a base de friccionar palos de madera. · Origen Eléctrico El paso de una corriente eléctrica provoca calor (Ley de Joule) y puede ser, y de hecho lo es, causa de numerosos incendios: cortocircuitos, sobrecargas, chispas eléctricas, arcos voltaicos, etc. · Origen Natural Rayos, etc. Según la diferencia de aporte de energía a la mezcla podemos clasificar en: · Puntos calientes: energías de baja temperatura independiente de extensión e intensidad. No inflamarán el combustible si la temperatura de la superficie es inferior a la de inflamación del combustible. · Llamas: energías de alta temperatura, extensión y larga duración. Dichos focos son los más peligrosos, pues seguramente iniciarán y desarrollarán el incendio si hay combustible preciso. J.M.5 · Chispas: energías de muy alta temperatura, pequeña extensión y corta duración. Se puede superar en un punto la temperatura de autoignición y que la combustion se propague (gases, vapores y polvos aéreos) o no (madera).

Mantenimiento y evolución del fuego

2.2. Mantenimiento del fuego El triángulo del fuego se acepto dura mucho tiempo. Sin embargo muchos fenómenos anómalos no podían explicarse completamente en base a este triángulo. Para poder explicar tales fenómenos, es necesario incluir un cuarto factor la existencia de reacciones en cadena. Por ello se ha propuesto una nueva representación, que comprende las condiciones necesarias para que se produzca un fuego, en forma de tetraedro representado en la figura adjunta. La razón para emplear un tetraedro y no un cuadrado es que cada uno de los cuatro elementos está directamente adyacente y en conexión con cada uno de los otros tres. El retirar uno o más de los cuatro elementos de tetraedro hará que éste esté incompleto y, por consiguiente, el resultado será la extinción. CALOR (ENERGIA DE ACTIVACIÓN) BURENTE (OXIGENOİ COMBUSTIBLE REACCIÓN EN CADENA

Elementos del tetraedro del fuego

2.2.1. Combustible Ya descrito en el punto 2.1. 2.2.2. Comburente Ya descrito en el punto 2.1. 2.2.3. Temperatura o energía de activación Ya descrito en el punto 2.1.

Importancia de la reacción en cadena

2.2.4. Reacción en cadena Es el proceso mediante el cual progresa la reacción en el seno de la mezcla combustible-comburente. De la energía desprendida en la reacción, parte es disipada al ambiente provocando los efectos térmicos derivados del incendio y el resto calienta a más productos reaccionantes aportando la energía de activación precisa para que el proceso continúe. Si esta última energía no es suficiente, el proceso se detiene y si es superior a la necesaria el proceso se acelera. A nivel molecular, la energía de activación permite que los productos reaccionantes distiendan sus enlaces formándose partículas de gran actividad que reciben el nombre de radicales libres que provocan la reordenación de átomos, grupos de átomos y partículas activas dando lugar a los productos de reacción (dicha reacción está asegurada si la energía desprendida por un número de moléculas es suficiente para activar a un número igual o mayor de forma que progrese la reacción). La reacción en cadena está asegurada siempre y cuando el aporte energético sea suficiente y exista.

Productos derivados de la combustión

3. Productos de la combustión. J.M.