Diploma de Especialización Especialización Profesional Universitario en Servicios de Prevención, Extinción de Incendios y Salvamento. MÓDULO IV: FUNDAMENTOS TEORICOS Y TECNICOS Jose Miguel Basset Ingeniero Técnico en Química Industrial. Oficial del Consorcio Provincial de Bomberos de Valencia Adela Mauri y Jorge Verdú Profesores Titulares Química Analítica. Universitat de Valencia Juan Miguel Suay Belenguer Ingeniero Industrial. Jefe de Sección de Innovación Tecnológicas del Consorcio Provincial de Alicante
ISBN: 84-96586-00-6 - 978-84-96586-00-0 Depósito Legal: v-4185-2005 © Los autores Composición Composición - compaginación: compaginación: General Asde, S.A.® Imprime: Alfa Delta Digital S.L. Editorial: Alfa Delta Digital S.L. C/ Albocacer, 25 - 46020 Valencia (España) Printed in Spain Reservados todos los derechos. No puede reproducirse, almacenarse en sistema de recuperación o transmitirse en forma alguna por medio de cualquier procedimiento, procedimiento, sea éste mecánico, electrónico, de fotocopia, grabación o cualquier otro, sin el previo permiso escrito del editor.
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SUMARIO: LA NATURALEZA DEL FUEGO. DINAMICA Y EVOLUCION DE LOS INCENDIOS. HUMOS Y GASES DE COMBUSTION. COMBUSTION. EFECTOS EXPLOSIVOS, EXPLOSIVOS, FLASHOVER Y BACKDRAUGHT.................. BACKDRAUGHT............ ...... 6 1 NATURALEZA DEL FUEGO ............................................................... .......................................................... 6 1.1 DEFINICIONES BÁSICAS Y PROPIEDADES........................................................................ 6 1.2 REACCIONES QUÍMICAS: ENDOTÉRMICAS, EXOTÉRMICAS Y OXIDACIÓN.... OXIDACIÓN.......... ......... ... 7 1.3 COMBUSTION................................................................................... ......................................................... 7 1.4 TEMPERATURAS DE IGNICIÓN Y AUTOIGNICIÓN................... AUTOIGNICIÓN............................................................................ ......................................................... 9 2
GASES DE COMBUSTIÓN ............................................................... ....................................... 10 2.1 EL PROCESO DE INCENDIO ........................................................... ....................................................... 10 2.2 AGENTES PASIVOS ................................................................ .............................................................. .. 10 2.3 TIPOS DE LLAMA........................................................................................... LLAMA...................... ..................................................................... ......................................... 11 2.3.1 LLAMAS DE DIFUSIÓN................. ................................................................ ................................... 11 2.3.2 LLAMAS PREMEZCLADAS................................................................................................... ............ 12 2.4 PIROLISIS .......................................................... ................................................................. ...................... 13 2.5 GASES DE INCENDIO ............................................................. .............................................................. .. 14 2.6 LÍMITES DE INFLAMABILIDAD.................. INFLAMABILIDAD.................................................................................. ................................................................ ......................... 14 2.6.1 LÍMITE INFERIOR DE INFLAMABILIDAD................................. .................................................... 14 2.6.2 LÍMITE SUPERIOR DE INFLAMABILIDAD............ INFLAMABILIDAD................................................................................. ..................................................................... ... 15 2.6.3 RANGO DE INFLAMABILIDAD ......................................................... .............................................. 16 2.6.4 FACTORES FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RANGO DE INFLAMABILIDAD INFLAMABILIDAD .......................................... 17
3 DINÁMICA DINÁMICA Y EVOLUCIÓN DE INCENDIOS INCENDIOS........................................................... ........................................................... ................................ 18 3.1 DESARROLLO DE INCENDIOS ....................................................... ...................................................... 18 3.2 MECANISMOS DE PROPAGACIÓN ........................................................ .............................................. 19 3.3 FASES DEL DESARROLLO DEL INCENDIO EN UN RECINTO CERRADO...................................... 20 3.4 FACTORES DE INFLUENCIA......................... INFLUENCIA......................................................................................... ................................................................ ........................ 24 4 FENÓMENOS ASOCIADOS AL DESARROLLO DE INCENDIOS EN RECINTOS CERRADOS CERRADOS .... 25 4.1 FLASHOVER ...................................................... ................................................................ ...................... 26 4.2 BACKDRAUGHT/BACKDR BACKDRAUGHT/BACKDRAFT AFT ............................................................... ............................................. 26 4.3 EXPLOSIONES DE GASES DE INCENDIO............................................... ............................................. 27 4.4 SEÑALES Y SÍNTOMAS........................................................ ................................................................. . 29 5 TÉCNICAS DE EXTINCIÓN DE INCENDIOS ..................................................................... ..................... 31 5.1 ATAQUE INDIRECTO ...................................................................... ....................................................... 34 5.2 ATAQUE DIRECTO............................................................................. ..................................................... 35 5.3 ENFRIAMIENTO DE LOS GASES DEL INCENDIO................................................................... INCENDIO... ................................................................ ........... 36 5.4 MÉTODO DE ATAQUE OFENSIVO ............................................................. .......................................... 40 6 CONSIDERACIONES FINALES .............................................................. .................................................... 45 ANEXO TÉCNICO............................................................................................ ................................................. 49 SUSTANCIAS EXTINTORAS E INSTALACIONES..................................................................................... INSTALACIONES..................................................................................... 58 1.- INTRODUCCIÓN ............................................................... ............................................................... ........... 58 2.- CLASIFICACIÓN DE LOS FUEGOS ......................................................... ............................................... 62 3.- AGENTES EXTINTORES .................................................................... ....................................................... 62 3.1.- AGUA ....................................................... ............................................................... ................................ 62 3.2.- ESPUMA ........................................................... ................................................................ ...................... 65 3.3.- POLVO EXTINTOR................................................................ .............................................................. .. 68 3.4.- ANHÍDRIDO CARBÓNICO (CO2).............................................................................................. ).............................. ................................................................ ........... 70
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3.5.- HALONES......................................................... HALONES ......................................................... ................................................................ ...................... 71 3.6.- GASES HALOGENADOS ...................................................... ............................................................... . 74 3.7.- GASES INERTES......................................................................................... INERTES.................... ..................................................................... ........................................... 74 3.8.- ELECCIÓN DEL AGENTE EXTINTOR ................................................................ ................................ 75 4.- EXTINTORES EXTINTORES DE INCENDIO PORTÁTILES............................................................... .......................... 76 4.1.- EMPLAZAMIENTO DE LOS EXTINTORES................................................................... ..................... 80 4.2.- VERIFICACIÓN Y MANTENIMIENTO ............................................................. .................................. 81 4.3.- NORMAS 4.3.- NORMAS DE UTILIZACIÓN .......................................................... ...................................................... 83 5.- INSTALACIONES INSTALACIONES FIJAS EN LOS EDIFICIOS EDIFICIOS ............................................................................ ........... 83 5.1.- BOCAS DE INCENDIO EQUIPADAS (BIE) ....................................................... .................................. 84 5.2.- SISTEMAS DE DETECCIÓN Y DE ALARMA DE INCENDIO INCENDIO ............. .................... .............. ............. ............. ............. ............. ............. ...... 85 5.3.- SISTEMAS DE EXTINCIÓN AUTOMÁTICA ............................................................ .......................... 86 5.4.- COLUMNAS SECAS .............................................................. ............................................................... . 87 5.5.- HIDRANTES............................................................ HIDRANTES ............................................................ .................................................................... ........... 87 5.6.- ASCENSOR DE ASCENSOR DE EMERGENCIA................................................................................. EMERGENCIA................. ................................................................ ........................... 88 6.- BIBLIOGRAFÍA ............................................................ ................................................................... ............ 89 HIDRÁULICA APLICADA A BOMBEROS..................................................... .............................................. 90 1 INTRODUCCIÓN ............................................................... ................................................................. ........... 90 2 CONCEPTOS CONCEPTOS BÁSICOS DE HIDRÁULICA................................................ ............................................... 90 2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS. DENSIDAD. VISCOSIDAD ......................................................... ........... 90 2.2 PRESIÓN ...................................................... ............................................................... ................................. 91 2.2.1 Definición de presión estática absoluta absoluta y manométrica..................................................................... manométrica...... ............................................................... 92 2.2.2 Barómetros y manómetros................... ..................................................................... .......................... 92 2.2.3 Presión Presión dinámica. Altura de velocidad.............................................................................. ................. 94 2.3 HIDRODINÁMICA .............................................................. ............................................................... ............ 95 2.4 CAUDAL. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD ............................................................ ........................................... 97 2.5 ECUACIÓN DE BERNOULLI.......................................................... ................................................................ . 99 2.6 ECUACIÓN GENERAL DE LA ENERGÍA................................................................ ......................................... 102 2.7 ECUACIÓN DE DESCARGA ........................................................... ............................................................... 104 3 BOMBAS CENTRÍFUGAS .......................................................... ................................................................ 105 3.1 ELEMENTOS Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA .............. .................... ............. ............. ............. ........... 107 3.2 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UNA BOMBA............................................................... ............................... 112 3.3 ALTURA DE ASPIRACIÓN. CAVITACIÓN ............................................................ ......................................... 113 3.4 MOTOBOMBAS. ELECTROBOMBAS. TURBOBOMBA ................................................................ .................... 115 3.5 MECANISMOS DE CEBADO .......................................................... ............................................................... 116 4 INSTALACIONES INSTALACIONES HIDRAULICAS DE BOMBEROS....................................................................... BOMBEROS ....................................................................... ...... 118 4.1 I NSTALACIÓN BÁSICA ....................................................... ............................................................... .......... 118 4.1.1 Mangueras, Mangueras, mangotes y elementos auxiliares ....................................................................... ........... 119 4.1.2 Instalaciones de ataque y alimentación...................... ...................................................................... 120 4.2 LANZAS ....................................................... ............................................................... ............................... 123 4.2.1 Lanza selectora de caudal y automática............................................................................ ............... 124 4.2.2 Monitores Monitores y lanza formadora formadora de cortina ..................................................................... ..................... 125 4.2.3 Reacción Reacción y alcance de una lanza................................................................................ lanza.... ............................................................................ ...................... 126 4.3 PÉRDIDAS DE CARGA ........................................................ ............................................................... .......... 128 4.4 PUNTO DE FUNCIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN ................................................................ .................... 134 4.5 GOLPE DE ARIETE ............................................................. ............................................................... .......... 136 4.6 DOSIFICADORES Y GENERADORES DE ESPUMA ........................................................... ............................... 138 5 CÁLCULOS DE INSTALACIONES HIDRÁULICAS DE BOMBEROS .............................................. 140 5.1 EJEMPLOS DE CÁLCULOS DE INSTALACIONES ............................................................. ............................... 141
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APÉNDICE: CONCEPTOS BÁSICOS DE FÍSICA .................................................................. ................... 147 ÁPIDEZ, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN ........................................................... ......................................... 147 A1.-R ÁPIDEZ A2.- FUERZA, TRABAJO, ENERGÍA MECÁNICA Y POTENCIA .......................................................... .................... 148 A2.1.- Fuerza................................................................. Fuerza. ................................................................ .................................................................... ........ 148 A2.2.- Trabajo. Trabajo. Energía Energía cinética y potencial........................................................... .................................. 150 A2.3.- Principio de conservación conservación de la energía energía ....................................................................... ................. 152 A2.4.- principio de conservación conservación de la energía............................................................. ............................ 152
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LA NATURAL NATURALEZA EZA DEL FUEGO. DINAMICA DINAMI CA Y EVOLUCION DE LOS INCEN DIOS. HUMOS Y GASES DE COMBUSTION. EFECTOS EXPLOSIVOS, FLASHOVER Y BACKDRAUGHT Jose Miguel Basset
1 NATURALEZA DEL FUEGO El fuego es un proceso de combustión que se caracteriza por la emisión de calor y que además viene acompañado por la aparición de humo, llamas y/o brasas. Este proceso químico, también viene acompañado de una serie de efectos físicos como son la emisión de luz, y los cambios en el estado de agregación de las materias involucradas en el proceso. Antes de entrar a analizar en profundidad la naturaleza del fuego, vamos a establecer una serie de definiciones que nos van a resultar útiles a lo largo de nuestra exposición.
1.1 DEFINICIONES DEFINICIONES BÁSICAS Y PROPIEDADES Para alcanzar un adecuado grado de comprensión acerca del proceso que tiene lugar cuando el fuego se desarrolla, vamos a establecer una serie de definiciones y de propiedades acerca de la materia en general:
Átomos: Son las partículas más elementales en la composición química de los materiales. Las sustancias que se componen de un solo tipo de átomos se denominan elementos. Los átomos se componen de un núcleo central compacto, alrededor del cual se mueven los electrones (unidades de materia cargadas negativamente) en orbitales. Los núcleos se componen de protones (unidades de materia cargadas positivamente) y neutrones (los cuales poseen masa pero no carga). Moléculas: Se denominan así a las agrupaciones de átomos combinados en proporciones fijas. Las sustancias compuestas por moleculas que contienen dos o más tipos de átomos diferentes se denominan compuestos. Formula química: La formula química indica el número de átomos de los diferentes elementos que componen la molécula. Por ejemplo la formula del propano es C 3H8. donde C indica los átomos de carbono y H los de hidrógeno. Peso molecular: Indica el peso de una molécula expresado en gramos. Densidad relativa: Es la relación entre el peso de una sustancia sólida o líquida y el peso de un volumen igual de agua. El valor de la densidad del agua se establece como la unidad. Densidad relativa de un gas: Es la relación entre el peso de un gas y el peso un volumen de igual de aire seco a la misma temperatura y presión. También se puede expresar como la relación entre el peso molecular del gas divido por 29, siendo este valor el del peso molecular de la composición del aire.
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Presión de vapor: Es una medida del grado de volatilidad de las sustancias. La presión de vapor es la presión de equilibrio de un líquido o un sólido a una temperatura dada. Se mide en Pascales (Pa), y la unidad usual es el kiloPascal (kPa). Las tablas de valores de la presión de vapor, se miden normalmente a una temperatura de +20°C. Temperatura de ebullición: Es la temperatura (°C) a la que una sustancia se transforma del estado líquido a estado gaseoso. En el punto de ebullición, la presión de vapor de la sustancia y la presión ambiente son iguales (normalmente (normalment e es igual a la presión atmosférica es 101,3 kPa). Pirolisis: Consiste en proceso de descomposición química o cualquier otra conversión química donde materiales compuestos se transforman en simples por efecto del calor. La palabra deriva del Griego “piro” = fuego y “lisis” = romper.
1.2 REACCIONES QUÍMICAS: ENDOTÉRMICAS, EXOTÉRMICAS Y OXIDACIÓN Se entiende por reacción química cuando dos materias interaccionan entre sí dando como resultado productos con propiedades diferentes a los que originalmente formaron parte del proceso, pudiendo o no generar o absorber energía durante la duración del proceso. Dentro de las reacciones químicas existen varios tipos, y en concreto las que nos interesan desde el punto de vista del desarrollo de incendios son las reacciones químicas de carácter endotérmico, las de carácter exotérmico y las de oxidación. 1.2.1 Reacciones Endotérmicas y Exotérmicas El calor de reacción, es la cantidad de energía absorbida o liberada cuando una reacción química tiene lugar. En las reacciones endotérmicas, las nuevas sustancias generadas contienen más energía que las materias reaccionantes, de manera que en estos casos se precisa una absorción de energía para que esta se produzca. En las reacciones exotérmicas, exotérmicas, se generan nuevas sustancias las cuales contienen menos energía que las materias reaccionantes, de manera que en este tipo de reacciones se desprende energía. En general, la energía puede adoptar diferentes formas, pero en los procesos químicos lo habitual es que se manifieste en forma de absorción o desprendimiento desprendimiento de calor. 1.2.2 Reacciones de oxidación En los procesos de incendio, las reacciones que tienen lugar son reacciones de oxidación exotérmicas. Este tipo de reacciones son complejas y no se conocen en su totalidad, sin embargo podemos hacer algunas consideraciones consideraciones de carácter general. Para que una reacción de oxidación tenga lugar, deben estar presentes un material combustible (combustible) y un agente oxidante. Los combustibles forman parte un gran número de materiales los cuales, debido a sus propiedades químicas, pueden ser oxidados para generar especies estables, tales como dióxido de carbono (CO 2) y agua (H2O).
1.3 COMBUSTION La combustión, se define como una reacción química exotérmica de oxidación automantenida en la cual intervienen materiales combustibles y generalmente el oxígeno del aire,
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que es quién actúa como agente oxidante. Como resultado del proceso, se obtiene un desprendimiento de calor y en la mayoría de los casos de luz. La combustión generalmente desprende el suficiente calor como para que los materiales combustibles adyacentes alcancen su temperatura de ignición. Para que un proceso de combustión tenga lugar, es preciso que se den tres condiciones básicas:
Suficiente cantidad de material combustible disponible. Debe existir algún material susceptible de arder y que sea capaz de reaccionar con el oxígeno del aire con el consiguiente desarrollo de calor. La cantidad de gases inflamables (generados desde el principio, o como producto de la pirolisis) debe ser la suficiente para que la ignición ocurra. Los gases emitidos por los materiales combustibles sólidos por efecto de la pirolisis son inflamables. Suficiente cantidad de oxígeno disponible. Las limitaciones volumétricas, propias del recinto donde se produzca el incendio, con el tiempo pueden reducir la cantidad de oxigeno disponible ya que este se consume en el proceso del incendio. El oxígeno es un constituyente básico del aire (21%). Además del oxígeno, el aire se compone de Nitrógeno (78%), dióxido de carbono (0,03%) y gases nobles (0,97%). La concentración mínima de oxígeno necesaria – en una mezcla de oxígeno y nitrógeno – para mantener una combustión con llama de un material bajo situaciones estándar se denomina índice de oxígeno, el cual se mide en porcentaje de O2 contenido. Una temperatura suficientemente alta. Para alcanzar el nivel necesario de energía, en la mayoría de los casos se necesita una fuente de energía externa. La temperatura necesaria para que un sólido entre en combustión, se denomina temperatura crítica. Generalmente, la temperatura en la superficie de una materia sólida debe ser del orden de 300 a 400ºC para que ocurra la ignición utilizando una llama piloto. Basados en la velocidad a la que puede tener lugar la combustión podemos clasificarlas en tres tipos diferentes: combustión sin llama, combustión con llama y combustiones rápidas (explosiones) Combustión sin llama: Solo ocurre en materiales combustibles sólidos, es relativamente lenta en comparación con la combustión con llama. Puede tener lugar en la superficie o en el interior de materiales combustibles porosos cuando estos no se encuentran en el mismo estado que el agente oxidante, por ejemplo cuando el combustible es un sólido y el agente oxidante un gas. También se puede deber a una temperatura baja, pero es la composición química del material combustible la que origina que el incendio genere brasa y no produzca llamas. Por ejemplo la brasa de un cigarrillo, que después de haberse encendido tan solo presenta brasa. Otro caso importante es el aislante de las paredes en el interior de los tabiques, si se le aporta el suficiente oxígeno acabará en una combustión con llama. Otro ejemplo es el de la combustión del poliuretano, el cual genera gases amarillos y blancos – los cuales son tóxicos-. En este tipo de incendios a menudo se observa que parte del poliuretano se carboniza, dejando alquitrán y otras sustancias ricas en carbón. Por lo general una combustión sin llama produce grandes cantidades de productos de pirolisis los cuales no se oxidan a la vez.
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Combustión con llama: Este es el tipo de combustión que estamos acostumbrados a ver – incendios con presencia de llamas- . Como mencionamos anteriormente, solo la fase gaseosa arde en este tipo de combustiones. A diferencia que en el caso anterior, este tipo de combustión se puede dar tanto en combustibles gaseosos, líquidos o sólidos. Combustiones con llama en gases: las moléculas de los gases tienen la facultad de moverse libremente. Si aumentamos la temperatura, estas se moverán más rápidamente aún, lo cual se traduce en un aumento del volumen/presión del gas. En un incendio esto se traduce en que las moléculas colisionan violentamente provocando la ruptura de las mismas. Para que un incendio se inicie y se mantenga es necesario disponer de concentraciones determinadas de oxígeno y de gases combustibles, si estas proporciones no se alcanzan, la combustión simplemente simplemente no se producirá. Combustiones con llama en líquidos: Como resulta evidente, por lo expuesto anteriormente, los líquidos no arden por sí mismos, son los gases generados sobre la superficie del líquido los que lo hacen, dependiendo la cantidad de gases emitidos de su presión de vapor. La temperatura en este caso debe ser lo suficientemente alta para que se produzca gas en la suficiente cantidad como para que se produzca la inflamación. A esta temperatura, especifica para cada líquido, se le denomina temperatura de ignición. Combustiones con llama en sólidos: al igual que los líquidos, los sólidos no arden por sí mismos. Deben ser como en el caso anterior convertidos en gases para que ardan. Combustiones rápidas (explosiones): Este tipo de reacciones son más rápidas que las combustiones con llama y van acompañadas de otros efectos peligrosos, como es la liberación de presión. Normalmente pensamos que solo los explosivos son capaces de reaccionar de esta manera, pero existen muchas otras sustancias que en algunas condiciones pueden explotar – por ejemplo los gases inflamables-. Podemos clasificar las explosiones en dos clases: deflagraciones y detonaciones. La deflagración es una reacción cuya velocidad de reacción va desde 1 m/s a la velocidad del sonido. Cuando la velocidad de la reacción es mayor que la del sonido se consideran detonaciones.
1.4 TEMPERATURAS DE IGNICIÓN Y AUTOIGNICIÓN AUTOIGNICIÓN La temperatura de ignición es la mínima temperatura (en °C) a la cual una sustancia inflamable emite los suficientes vapores en el aire, los cuales en presencia de una llama pueden inflamarse. En los procesos de combustión los gases generados por las sustancias inflamables tanto sólidas como líquidas deben alcanzar esta temperatura para poder comenzar el proceso de combustión. Además de la temperatura de ignición debemos hacer mención a la temperatura de auto-ignición la cual es la mínima temperatura (en °C) requerida para que una mezcla combustible/aire se inflame, sin necesidad de que exista una llama o cualquier otra fuente de ignición presente. Desde el punto de vista de los procesos de combustión estas temperaturas son importantes, ya que marcan la posibilidad de que los materiales afectados por el proceso ardan o no, así mismo también regulan la posibilidad de que ciertos fenómenos asociados a los procesos de incendio puedan tener lugar, tales como inflamaciones súbitas del tipo flashover, por ejemplo.
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2 GASES DE COMBUSTIÓN De lo expuesto en el apartado anterior, podemos intuir que para que el proceso de combustión tenga lugar, debemos disponer de la materia en su estado gaseoso. En el caso de un incendio las especies gaseosas procedentes de la descomposición descomposició n o del cambio de estado (según el estado de agregación de los materiales combustibles) las tenemos presentes en el humo generado por el incendio, el cual, por lo general viene acompañado de partículas de carbón no quemado y de diferentes especies gaseosas. Estos gases junto con la cantidad de aire disponible y las diferentes condiciones que se dan en los recintos donde potencialmente puede generarse un incendio van a definir el proceso y la dinámica del mismo.
2.1 EL PROCESO DE INCENDIO En este proceso, las moléculas que componen los materiales combustibles, deben adquirir una gran velocidad para que la colisión entre ellas sea lo suficiente violenta como para romperlas en átomos y/o radicales libres (los radicales libres, son partes – trozos - de molécula cargados eléctricamente), esto es un requisito previo para que tengan lugar este tipo de reacciones. En el proceso de la combustión tienen lugar varios procesos, donde algunos de ellos requieren energía y otros la desprenden. En primer lugar, las moléculas – tanto las del combustible como las de oxígeno – deben alcanzar una velocidad lo suficientemente alta como para que las la colisión entre ellas sea lo suficientemente violenta para que un segundo proceso tenga lugar. Este segundo proceso consiste en la división o escisión de las moléculas que han colisionado en átomos y/o radicales libres. Ambos procesos requieren energía. Un tercer proceso afecta a estos átomos y/o radicales libres convirtiéndolos en nuevas moléculas. Este último proceso, que genera nuevos enlaces entre los átomos creados, conlleva el desprendimiento de energía en forma de luz y calor. Los tres procesos a los que hemos hecho referencia no conducen por ellos mismos a un fuego que puede mantenerse por si mismo mediante una reacción en cadena. Tal reacción es el resultado de un cuarto tipo de colisión molecular: entre los átomos/radicales simples originados y nuevas moléculas de combustible y/o oxígeno. Las nuevas moléculas de combustible y/o oxígeno se dividen por sí mismas en átomos/radicales adicionales, los cuales a su vez vuelven a colisionar con nuevas moléculas de combustible y/o oxígeno repitiéndose este proceso hasta que el combustible o el oxígeno se agotan. De lo expuesto, se evidencia que el nivel de temperatura afecta directamente a la velocidad de las moléculas – tiene una gran influencia en que un incendio ocurra o no y la velocidad con que se desarrolle -.
2.2 AGENTES PASIVOS Tal y como hemos descrito, se requiere que el combustible y el oxígeno estén presentes para que, con la aportación de la energía necesaria en cada caso, la combustión ocurra. Sin embargo, existen una serie de agentes presentes durante el proceso que si bien no actúan de forma directa su presencia va a influir en el mismo. A estos agentes se les denomina "agentes pasivos" de la combustión. Los agentes pasivos, como comúnmente se les denomina, están presentes en cualquier proceso de combustión y no toman parte en la reacción química del proceso, pero su presencia
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afectará al comportamiento del incendio ya que absorberán o robarán parte de la energía que este necesita para evolucionar. Ejemplos de Agentes Pasivos son:
Gases no Inflamables Hollín Agua
Nitrógeno
Dióxido de carbono y vapor de agua, producto de la propia combustión Partículas de carbón no quemadas En función de la temperatura y humedad, presente en los materiales combustibles
Componente del aire (79%) que no reacciona en el proceso de combustión
2.3 TIPOS DE LLAMA El efecto más importante de un incendio, son las llamas. La apariencia de la llama producida por la combustión de una sustancia puede facilitar información acerca de la eficacia (rendimiento) (rendimien to) del proceso de combustión. En general se establecen dos tipos de llama: las llamas de difusión y las premezcladas.
2.3.1 LLAMAS D E DIFUSIÓN Son el tipo de llamas más común en un recinto cerrado. Este tipo de llamas tiene lugar cuando el combustible y el oxígeno se encuentran el uno con el otro. En este caso, el combustible y el oxígeno no se han mezclado de forma previa antes de su ignición (ambos se encuentran separados, por lo general el combustible formando una bolsa gaseosa inmersa en aire). En este caso lo que ocurre es una mezcla por difusión molecular del oxígeno en la superficie del volumen de gas de combustible, lo cual es un proceso relativamente lento, aún cuando la velocidad del proceso aumente por las elevadas temperaturas. Las llamas de difusión por lo general son amarillas debido a la incandescencia del carbón que se forma en el proceso. Un ejemplo típico es el de un quemador Bunsen cuando la apertura del aire está cerrada , lo que resulta en una llama lenta, brillante y lacia. Lo mismo, por ejemplo, ocurre con la llama
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de una vela. Se estima que el rendimiento en el proceso de combustión de una vela es de un 25%. 2.3.2 LLAMAS PREMEZCLADAS Este tipo de llamas se dan cuando el combustible y el oxígeno se han mezclado previamente y la mezcla se encuentra dentro del rango de inflamabilidad antes de que la combustión se produzca. Este tipo de llamas en el transcurso de un incendio en un recinto cerrado pueden darse cuando por ejemplo se produce un backdraught (ver sección de fenómenos asociados al desarrollo de incendios). incendios). Si volvemos a nuestro quemador Bunsen, descrito anteriormente, y en esta ocasión abrimos el paso de aire lentamente, esto permite al oxígeno y al combustible mezclarse de forma previa antes de que ocurra la combustión aumentando considerablemente la eficacia de la misma, lo cual se demuestra por el color, temperatura y velocidad de la llama.
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LLAMAS DE DIFUSION
LLAMAS PREMEZCLADAS
Gases mezclados antes de la ignición Por 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
Gases no mezclados antes de la ignición Por consiguiente no arden limpiamente limpiamente Llama más fría la cual puede distinguirse por: El color de la Llama (naranja / rojo) Menor ruido Menor velocidad de deflagración Perfil de la llama definido Menor eficacia de la combustión
2.4 PIROLISIS Anteriormente Anteriorm ente hemos definido lo que significa pirolisis, todas las sustancias, si se les aplica calor, se descompondrán desde su estado sólido o líquido al estado vapor. Por tanto si una sustancia inflamable, que se encuentre como sólido o líquido se calienta, esta emitirá gases inflamables y cuando se den las condiciones de concentración y temperatura adecuadas estos gases se inflamarán. El contenido y estructura (pintura, madera, plásticos, productos textiles, etc.) incluidos en un recinto, producirán gases inflamables debidos a la pirolisis, los cuales aumentaran su concentración en la medida en que la temperatura aumente. El proceso de pirolisis, puede tener lugar a partir de los 80 ºC. La pirolisis de la madera tiene lugar entre los 150 - 200 ºC.
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2.5 GASES DE INCENDIO Cuando se habla de los productos de la combustión se está haciendo referencia a los gases y partículas sólidas producto de la combustión. En el proceso de la combustión son los gases producto de la descomposición/ruptura de los materiales combustibles, los que nos van a interesar, pudiendo encontrar diferentes composiciones de los mismos y donde por lo general vamos a encontrar subproductos de la combustión, y agentes pasivos, los cuales sin pretender extensivos podemos esquematizar en la siguiente tabla:
GASES NO INFLAMABLES GASES INFLAMABLES AIRE
Principalmente dióxido de carbono y vapor de agua Debidos a la pirolisis y combustión incompleta, incompleta, incluido el monóxido de carbono Fundamentalmente Nitrógeno (79%) y Oxígeno (21%)
2.6 LÍMITES DE INFLAMABILIDAD INFLAMABILIDAD El análisis de la inflamabilidad de los gases procedentes de la pirolisis debe considerarse como el de cualquier otro gas inflamable, sin embargo, existe un factor que diferencia claramente unos de otros, mientras los gases de pirolisis están compuestos por una mezcla de diferentes gases que son función de los materiales que intervienen en el proceso y de las propias condiciones del incendio (cantidad de oxígeno presente, temperatura, etc.), el resto de los gases inflamables con los que estamos acostumbrados a trabajar suelen ser gases de composición simple, es decir, de un solo componente (butano, propano, etc.). Precisamente esta característica, hace que al aplicar los criterios de inflamabilidad de un gas simple a los gases de incendio se haga difícil, por no decir imposible, establecer donde se encuentran sus límites así como el resto de características que definen su comportamiento. Así pues, resulta difícil determinar con exactitud tanto los limites de inflamabilidad de estos gases como su propio rango, el cual, además, se ve influenciado en el caso de un incendio por la temperatura y la concentración de oxígeno, pudiendo incluso no presentar inflamabilidad si la temperatura no es lo suficientemente elevada y el valor de la mezcla ideal es alto. Sin embargo, no por ello, dejan de comportarse como gases inflamables y consecuentemente de poseer un rango de inflamabilidad. Vamos a analizar en que consisten estos límites y como varían en función de las condiciones del incendio. 2.6.1 LÍMITE INFERIOR D INFERIOR D E INFLAMABILIDAD Se define como límite inferior de inflamabilidad (LII) la mínima concentración a la cual un gas mezclado con aire puede arder. Por debajo del límite inferior de inflamabilidad, la concentración concentración de vapores en aire es demasiado baja para permitir la combustión del producto.
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2.6.2 LÍMITE SUPERIOR D SUPERIOR D E INFLAMABILIDAD Se define como límite superior de inflamabilidad (LSI) a la máxima concentración a la cual de gas mezclada con el aire un gas mezclado con aire puede arder. Por encima del límite superior de inflamabilidad, la concentración de vapores en aire es demasiado alta para permitir la combustión combustión del producto. Si representásemos de forma gráfica la curva del efecto del incendio sobre la concentración de combustible, obtendríamos algo similar a lo representado en la figura ENERGÍA/ INTENSIDAD
MÁS OXÍGENO
0
2 LII
MENOS OXÍGENO
4 MI COMBUSTIBLE % de PROPANO EN AIRE
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10 LSI
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2.6.3 RANGO D E INFLAMABILIDAD Entre las valores comprendidos entre el L.I.I. y el L.S.I. existe toda una gama de concentraciones de gas que en la medida en que se combinan con el oxígeno del aire son inflamables, a esta gama o rango de concentraciones se le denomina Rango de Inflamabilidad. Para cada gas, o mezcla de gases, existe una cierta concentración que es exactamente la necesaria para que su combinación con el oxígeno produzca una reacción al 100% efectiva o de rendimiento total, en este punto es donde mayor y más notable se hace la intensidad con que se da el efecto de la ignición, y se le denomina punto de Mezcla Ideal (M.I.). Es aquí donde la mezcla combustible/aire arde a la perfección, mientras que en los límites lo hace con cierta dificultad.
A continuación se presenta una tabla donde se pueden apreciar los valores de inflamabilidad de algunos gases: Prod Produc ucto to
Lími Límite te Infe Inferi rior or
Mezc Mezcla la Idea Ideall
Acetato de etilo
2.2
4.0
11.4
Acetileno
2.0
7.4
80.0
Acetona
2.0
4.8
13.0
15.0
21.0
27.0
Benceno
1.4
2.6
7.0
Butano
1.8
3.0
9.0
Etano
3.0
5.4
12.5
Etanol
3.0
6.0
19.0
Gasolina
0.7
1.6
7.0
Hidrogeno
4.0
28.8
76.0
Metano
5.0
9.0
15.0
Metanol
6.0
12.0
37.0
12.0
28.8
74.0
Pentano
1.4
2.4
7.8
Propano
2.0
4.0
10.0
Tolueno
1.2
2.2
7.0
Amoniaco
Monóxido de Carbono
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Lími Límite te Su Supe peri rior or
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2.6.4 FACTORES Q U E INFLUYEN E N E L RANGO D E INFLAMABILIDAD Fundamentalmente son dos los factores que influyen en el rango de inflamabilidad: Temperatura. Concentración de oxígeno. Efecto de la Temperatura: este efecto es especialmente importante, ya que la temperatura influye tanto sobre el combustible como sobre el comburente, de tal forma que el aumento de esta actúa sobre dos parámetros, el aporte de energía calorífica al combustible, mediante el cual este se aproxima a los valores correspondientes correspo ndientes a la temperatura de inflamación del material y en consecuencia cantidades insignificantes de este pueden resultar inflamables, y la disminución del efecto refrigerante del aire excedente en el recinto. De esta manera cuando la temperatura aumenta el rango de inflamabilidad se modifica tendiendo a desplazar el valor del L.I.I. hacia el valor cero en la misma proporción en que tiende a desplazar el valor del L.S.I. hacía valores más elevados con lo cual el rango de inflamabilidad se amplía. Según datos experimentales, por cada 100º de aumento de la temperatura, los límites de inflamabilidad se ven afectados en un 8%, de tal manera que la concentración mínima para alcanzar el LII será un 8% menor mientras que la concentración requerida para alcanzar el LSI será un 8% mayor. Efecto de la Concentración de Oxígeno: a diferencia de la temperatura, la variación en la concentración de oxígeno afecta a los límites de inflamabilidad de forma distinta, y la implicación es clara, si hemos definido la mezcla ideal como la cantidad de combustible que un volumen concreto de aire puede quemar, si el volumen de oxígeno contenido en el mismo se reduce, lógicamente la cantidad de combustible que pueda arder será menor, es decir el valor de la mezcla ideal se reduce. Este efecto influye de manera distinta a los dos límites. Por una parte en el L.I.I. la mezcla apenas es combustible, debido principalmente al efecto refrigerante del aire circundante en exceso, si el contenido de oxígeno en el aire es normal o bajo, apenas va a influir en el inicio de la combustión ya que las concentraciones de oxígeno en las proximidades de este límite están en exceso, todo se limitará a que una cantidad mínima de oxígeno esté presente para que la pequeña cantidad de combustible existente comience a arder. Desde el punto de vista del L.S.I., el descenso de la concentración de oxígeno provocará un descenso del valor de la mezcla ideal de forma lineal, es decir contra menor sea la cantidad de oxígeno disponible más descenderá el valor de la mezcla ideal y en consecuencia el descenso
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del L.S.I. será aún más rápido, de tal forma que cuando la mezcla ideal y el L.S.I. coincidan con el L.I.I., no se producirá la inflamación, expresado en otros términos, la saturación o exceso de combustible producido por el incendio cuando existe una carencia de oxígeno, alcanzará antes los valores superiores en el rango que si la cantidad de oxígeno es la normalmente requerida.
3 DINÁMICA Y EVOLUCIÓN EVOLUCIÓN DE INCENDIOS Para que un incendio se desarrolle y evolucione más allá del material donde se inicia, el calor liberado por el proceso de combustión debe ser transmitido más allá de dicho material hacia fuentes de combustible adicionales. En la primera etapa de un incendio, el calor aumenta y genera un cojín de gases calientes – también llamado pluma de incendio en diferentes manuales –
3.1 DESARROLLO DE INCENDIOS Cuando un incendio transcurre en un espacio abierto (en el exterior o en un gran edificio), el cojín de gases crece sin ningún impedimento, y se alimenta de aire en la medida que crece. Precisamente porque este aire aportado al cojín está más frío que los gases del incendio, esta acción tiene un efecto refrigerante en los gases generados por el incendio. La propagación del incendio en un área abierta se debe en origen a la energía calorífica que se transmite desde el cojín de gases a los combustibles cercanos. La propagación del incendio en exteriores puede aumentar por la acción del viento y la inclinación del terreno que facilita el precalentamiento de los combustibles combustibles por exposición. exposición. El desarrollo de incendios en recintos cerrados es mucho más complejo que los declarados en espacios abiertos. A los efectos de esta explicación, consideraremos como recinto cerrado a una habitación o espacio cerrado en el interior de un edificio. Se define como incendio de interior al incendio que transcurre en un espacio como el definido. El crecimiento y desarrollo de un incendio de interior está controlado principalmente principalmente por la disponibilidad disponibilidad de combustible y de oxígeno, esto se traduce en dos posibilidades de evolución de un incendio: cuando el incendio se encuentra “controlado por el combustible” y cuando el incendio se encuentra “controlado por la ventilación” . Cuando un incendio se encuentra controlado por el combustible, la cantidad de calor liberado viene determinada por la cantidad de combustible que está participando en el proceso de combustión. En tales casos, la disponibilidad de oxígeno es suficiente para todo el combustible que en ese momento se encuentra involucrado en el proceso, y por ello es la cantidad de combustible la que limita la velocidad de crecimiento del incendio – podemos decir que la cantidad de oxígeno es “ilimitada” -. Durante las etapas iniciales del incendio, este está a menudo controlado por el combustible. Cuando un incendio se encuentra controlado por ventilación, es la cantidad de oxígeno disponible en el recinto – por ejemplo en función del tamaño de las aberturas - la que establece la cantidad de calor liberado, ya que en este caso, se dispone de gran cantidad de material combustible en el proceso de combustión y literalmente no se dispone de suficiente aporte de aire para quemar todos los gases la velocidad a la que se están produciendo. Durante un incendio controlado por ventilación predominará una combustión incompleta y parte de la combustión se desarrollará en el exterior de la habitación incendiada.
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3.2 MECANISMOS DE PROPAGACIÓN La transferencia de calor determina la ignición, el incendio y la extinción de los materiales combustibles en la mayoría de los incendios. Normalmente se reconocen tres formas o mecanismos de transmisión de calor: conducción, convección y radiación. En un incendio se suelen dar varios de estos mecanismos de forma simultanea provocando la propagación del incendio. Conducción: Se conoce como el mecanismo de transmisión mediante el cual el calor se transfiere por contacto directo de un cuerpo a otro. La cantidad de energía calorífica transferida por conducción a través de un cuerpo en un tiempo determinado es función de la diferencia de temperatura y de la capacidad de conducir el calor entre los dos cuerpos implicados. Convección: la transmisión de calor por convección implica la transferencia de calor a través de un medio – puede tratarse de un medio gaseoso o líquido -. De esta manera, el calor generado por una estufa se distribuye a lo largo de una habitación inicialmente calentando el aire en contacto con la estufa por conducción; el movimiento circulatorio de este aire calentado a través de la habitación a objetos distantes transfiere el calor por convección. El aire caliente se expande y asciende, por esta razón, el calor transferido por conducción a menudo se produce en dirección ascendente, aunque las corrientes de aire pueden transportar el calor por convección en cualquier dirección. Radiación: La transmisión de calor por radiación es la forma en que la energía viaja a través del espacio o a través de los materiales como ondas electromagnéticas, como la luz, las ondas de radio o los rayos X. En el vacío, todas las ondas de energía radiante se desplazan a la misma velocidad de la luz. Al alcanzar un cuerpo, esta es absorbida, reflejada o transmitida. La llama de una vela es un ejemplo común de radiación. El aire calentado por la llama asciende mientras que el aire frío se desplaza hacia la vela para proporcionar más oxígeno a la llama, manteniendo el proceso de la combustión. Si colocamos la mano frente a la llama, experimentaremos sensación de calor. Esta energía se denomina calor radiante o radiación.
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3.3 FASES DEL DESARROLLO DEL INCENDIO EN UN RECINTO CERRADO En los últimos tiempos, los investigadores han decidido describir los incendios que se desarrollan en recintos cerrados en términos de etapas o fases que se suceden en la medida en que el incendio se desarrolla. Estas fases son las siguientes: Ignición Crecimiento Flashover Incendio totalmente desarrollado Decrecimiento
La figura siguiente muestra el desarrollo de un incendio de interior en función del tiempo y la temperatura.
Debe entenderse que las fases representadas tratan de describir el complejo mecanismo mediante el cual se desarrolla el incendio sin que se actúe sobre él, es decir, que se desarrolla libremente. La ignición y desarrollo de un incendio en el interior de un recinto constituye un proceso muy complejo y en él influyen numerosas variables. Consecuentemente, no todos los incendios pueden desarrollarse a través de cada una de las etapas descritas. Lo que el gráfico intenta describir es la representación de un incendio como un suceso dinámico cuyo crecimiento crecimiento y desarrollo depende de múltiples factores. IGNICIÓN La ignición describe el periodo donde todos los elementos capaces de iniciar el incendio comienzan a interaccionar. El acto físico de la ignición puede ser provocado (mediante una chispa o llama) o no provocado (cuando un material alcanza su temperatura de ignición como resultado del auto-calentamiento) tal como sucede en una combustión espontánea. En este punto, el incendio es pequeño y generalmente se restringe al material (combustible) que se
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incendia en primer lugar. Todos los incendios – en espacios abiertos o en recintos cerradosocurren como resultado de algún tipo de ignición. CRECIMIENTO Poco después de la ignición, comienza a formarse un cojín de gases de incendio sobre el combustible incendiado. En la medida en que el cojín se desarrolla, comienza la succión o entrada de aire desde los espacios circundantes hacia el interior de la columna de gases. El crecimiento inicial es similar al de un incendio que transcurre en el exterior, en un espacio no confinado, y su crecimiento está en función del combustible que ha comenzado arder en primer lugar. No obstante, a diferencia de un incendio no confinado, el cojín de gases en un recinto cerrado se ve rápidamente afectado por la distancia al techo y las paredes del recinto. El primer factor de influencia es la cantidad de aire que se incorpora a la columna de gases. Dado que el aire está más frío que los gases calientes procedentes del incendio, el aire ejerce un efecto refrigerante en las temperaturas del interior del cojín. La ubicación de la fuente de combustible en relación con las paredes del recinto determina la cantidad de aire que se introduce y en consecuencia el grado de enfriamiento que tiene lugar. Fuentes de combustible cercanas a las paredes implican un menor aporte de aire y por consiguiente unas mayores temperaturas en las columnas de gases. Fuentes de combustibles en las esquinas todavía limitan más la entrada de aire en la columna de humo y es donde se consiguen mayores temperaturas. Este factor afecta significativamente las temperaturas en el desarrollo de las capas calientes de gases que se encuentran sobre el incendio. Como el volumen de gases calientes aumenta, estos comienzan a propagarse hacia el exterior del recinto cuando alcanzan el nivel del techo. Los gases continúan dispersándose hasta que alcanzan las paredes del recinto. La profundidad de la capa de gases comienza entonces a aumentar. La temperatura en el recinto durante este periodo depende de la cantidad del calor por conducción en el techo y paredes del recinto así como del flujo calórico procedente de los gases que se sitúan en la parte superior, la ubicación del foco del incendio inicial y de la cantidad de aire que entra. Las investigaciones muestran que la temperatura de los gases disminuye conforme aumenta la distancia a la línea central de la columna de gases. La figura muestra la pluma generada en un incendio de interior tipo y los factores que afectan el desarrollo de la temperatura de la capa de gases calientes.
La etapa de crecimiento continua si se dispone de suficiente combustible y oxígeno. Los incendios en interiores en la etapa de crecimiento están generalmente controlados por el
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combustible. combustible. En la medida que el incendio crece, aumenta la temperatura en todo el recinto, al igual que lo hace la temperatura de la capa de gas a nivel del techo. Si la cantidad de aire aportado al incendio no es la suficiente (incendio controlado por ventilación) los gases calientes (pero por debajo de la temperatura de autoinflamación) saldrán al exterior provocando, según las condiciones, una elevación del plano neutro, y la entrada de aire limpio a través de la zona de presión negativa únicamente como consecuencia de la liberación de presión en la zona de presión positiva, cuando este aire alcance el foco o los focos de ignición el efecto se traduce en un nuevo aumento de la cantidad de gases de pirolisis y de la presión en el recinto, un descenso nuevamente de la cantidad de oxigeno y la liberación de gases enriquecidos de incendio al exterior a través de la vía de entrada de aire. Una vez alcanzado este punto, el proceso descrito no cesará, al contrario tenderá a reiterarse de forma que el ciclo establecido se irá repitiendo de forma sucesiva generando lo que conocemos como pulsaciones (o respiración) del incendio, estas acrecentarán su intensidad en la medida en que los valores de temperatura dentro del recinto aumenten como consecuencia de las aportaciones energéticas procedentes de las combustiones que se generan, lo que provoca a su vez que la cantidad de aire que entra cada vez sea mayor. FLASHOVER El fenómeno conocido como Flashover consiste en la transición entre las etapas de un incendio en fase de crecimiento a la de incendio totalmente desarrollado. Durante la etapa de flashover, las condiciones en el recinto cambian muy rápidamente, siendo esta la consecuencia que más claramente marca esta etapa. Estos cambios se producen en la medida en que el incendio pasa de estar controlado por la combustión de los materiales que han comenzado a arder en primer lugar (incendio controlado por combustible) hasta que este se extiende a todas las superficies de los materiales combustibles que se encuentran dentro del recinto. La capa de gases calientes que se desarrolla a nivel del techo durante la etapa de crecimiento provoca la incidencia de calor radiante sobre los materiales combustibles alejados del foco inicial del incendio, tal como se muestra en la figura.
Por lo general, la energía radiante desde la capa de gases calientes excede los 20 Kw/m 2 cuando se produce el flashover. Este calor radiante es el que da origen a la pirolisis de los materiales combustibles que se encuentran en el interior del recinto. Mediante la energía radiante procedente del cojín de gases generados durante esta etapa estos elevan su temperatura hasta alcanzar la de ignición.
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A pesar de que los científicos definen el flashover de diferentes formas, la mayoría basan su definición (momento en el cual comienza a producirse) basados en la temperatura del recinto, y como consecuencia de la cual resulta la ignición simultanea e incluso la auto-ignición de todos los combustibles contenidos en el mismo. Aunque el fenómeno no se asocia una temperatura exacta, este suele darse en un rango comprendido entre los 483º C y 649º C. Este rango se corresponde con la temperatura de auto-inflamación (609º C) del monóxido de carbono (CO), uno de los gases más comunes obtenidos como resultado de la pirolisis. Justo antes de que tenga lugar el flashover, se suceden diferentes fenómenos dentro del recinto incendiado: Las temperaturas aumentan rápidamente, los combustibles adicionales en el recinto se ven envueltos en el proceso, y todos ellos emanan gases combustibles como resultado de la pirolisis. Cuando el flashover ocurre, los materiales combustibles combustibles en el recinto y los gases generados por la pirolisis se incendian. El resultado es un incendio totalmente desarrollado en el recinto. El calor liberado por una habitación totalmente incendiada en la fase de flashover puede alcanzar valores que superan los 10.000 Kw. Los ocupantes que no hayan escapado de un recinto antes de que se produzca el flashover probablemente no sobrevivirán. Los bomberos que se encuentren en un recinto cerrado cuando se produce un flashover se encuentran en una situación de extremo peligro aunque se encuentren equipados equipados con su Equipo de Protección Personal. INCENDIO TOTALMENTE DESARROLLADO La etapa de incendio totalmente desarrollado tiene lugar cuando todos los materiales combustibles en el recinto se encuentran incendiados. Durante este periodo de tiempo, todos los combustibles incendiados en el interior del recinto están liberando la máxima cantidad de calor posible generándose grandes cantidades de gases de incendio. El calor liberado y el volumen de gases de incendio producidos dependen del número y tamaño de las aberturas de ventilación en el recinto. En esta etapa, el incendio frecuentemente ya se encuentra controlado por ventilación, y es por ello que se generan grandes cantidades de gases no quemados. Durante esta etapa, los gases de incendio no quemados es probable que comiencen a fluir desde el recinto donde se esta desarrollando el incendio hacia espacios adyacentes u otros recintos. Estos gases se inflaman si entran en espacios donde el aire es más abundante y si se encuentran a las temperaturas de inflamación o auto-inflamación.
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DECRECIMIENTO En la medida en que el fuego consume el combustible disponible, la cantidad de calor liberado comienza a disminuir. Una vez el incendio vuelve a estar controlado por el combustible, la cantidad de calor liberado disminuye, y la temperatura dentro del recinto comienza a descender. La cantidad de restos ardiendo (rescoldos) pueden, sin embargo, generar temperaturas moderadamente altas en el recinto durante algún tiempo.
3.4 FACTORES DE INFLUENCIA Para que un incendio se desarrolle desde la etapa de ignición hasta la de decrecimiento, son varios los factores que afectan a su comportamiento y desarrollo en el interior del recinto:
Tamaño, número y distribución de los huecos (aberturas) de ventilación. Volumen del recinto. Propiedades térmicas de los cerramientos del recinto. Altura del techo del recinto. Tamaño, composición y localización de las fuentes de combustible que se incendian en primer lugar. Disponibilidad y ubicación de fuentes de combustible adicionales (combustibles objetivos del incendio).
Para que un incendio se desarrolle, debe existir suficiente aporte de aire para mantener la combustión en la etapa de ignición. El tamaño y número de los huecos de ventilación en un recinto determinan si el incendio se desarrollará o no en su interior. El tamaño del recinto su forma y la altura del techo determinan si se formará una capa de gases calientes significativa. La ubicación de la fuente de combustible inicial es también muy importante en el desarrollo de la capa de gases calientes. Los cojines generados por fuentes de combustible en el centro de un recinto toman más cantidad de aire y se enfrían más que aquellas que se encuentran contra las paredes o esquinas del recinto. De los factores de influencia expuestos cabe destacar el papel fundamental que adoptan en la velocidad con que el incendio se desarrolla en el recinto, las propiedades térmicas de los cerramientos, cerramient os, o lo que es lo mismo su capacidad de transmitir calor y la altura del techo del recinto. Capacidad de la Estructura de Transmitir Calor: va a determinar la cantidad de calor que se puede concentrar para contribuir a la velocidad de desarrollo del incendio y la que se va a disipar al ambiente exterior. Altura del techo del recinto: Los techos juegan un papel no menos importante en la velocidad de propagación del incendio, de tal forma que los techos bajos van a favorecer una propagación mucho más rápida que los techos altos, ya que en los primeros, la llama alcanza rápidamente el techo propagándose rápidamente a lo largo Pág. 24
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de él, suministrando de esta forma la energía de radiación necesaria para que los elementos combustibles contenidos en el recinto alcancen en menos tiempo la energía de activación necesaria y contribuir así a la rápida evolución del incendio.
Si las llamas no llegan al techo, la cantidad calor radiado es menor y la evolución del incendio queda condicionada por la proximidad de los materiales al foco de ignición.
Podemos decir, y este es un factor importante a la hora de evaluar la fase del incendio donde nos encontramos, que el momento crítico o de transición del incendio llega precisamente cuando las llamas alcanzan el techo, ya que como hemos dicho el valor de la energía radiante aumenta de forma considerable.
4 FENÓMENOS ASOCIADOS AL DESARROLLO DE INCENDIOS EN RECINTOS CERRADOS En la sección anterior hemos tratado en profundidad las etapas que forman parte del desarrollo de un incendio en un recinto cerrado, y se ha hecho especial hincapié en lo que consiste el fenómeno conocido como flashover. Sin embargo, como conclusión lógica a todo lo expuesto hasta el momento, cabe la siguiente reflexión: Si la evolución de un incendio va a estar determinada por las condiciones en que el combustible y el comburente se combinan en función de los parámetros expuestos, cabe esperar, que cada incendio se va a desarrollar de forma diferente y por lo tanto podemos encontrarnos con tantas situaciones distintas, como escenarios seamos capaces de imaginar. En realidad esto es cierto, cada incendio va a evolucionar de forma diferente, en consecuencia, resultaría absurdo el planteamiento de infinitos escenarios con el fin de dar explicación a cada uno de ellos. En la actualidad, se distinguen tres tipos de escenarios, como los más habituales que se pueden producir en el incendio de un recinto cerrado, y estos se basan en los tipos de fenómenos en que el incendio puede derivar, estos fenómenos asociados al desarrollo de
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incendios en recintos cerrados se conocen como: Flashover, Backdraught – o más conocido como backdraft, en inglés americano – y explosiones de gases de incendio.
4.1 FLASHOVER Hemos definido flashover en la sección donde hablamos de las etapas de un incendio, sin embargo se debe remarcar el hecho de que cuando el flashover se produce marca un incremento drástico en las condiciones del incendio debido al confinamiento de la habitación. Si en un incendio se alcanzan las condiciones de flashover, esto implica siempre que el incendio alcanzará su etapa de totalmente desarrollado en la cual todo el combustible que se encuentra dentro del recinto participa en el mismo y la temperatura aumenta. Puede darse el caso de que en el recinto no todos los gases generados ardan, debido a que la cantidad de aire disponible está limitada. Para ser más precisos, diremos que un incendio que se está viendo limitado por la cantidad de aire aportado es un incendio “controlado por ventilación”. Cuando se alcanza esta situación, la producción de CO junto con el resto de productos de combustión que componen el humo y la energía desprendida alcanzan sus máximos valores. Así mismo, la concentración de oxígeno en la capa de humo se hace prácticamente cero. El periodo de flashover marca la transición en la cual el desarrollo del incendio que previamente estaba siendo controlado por los materiales combustibles pasa a continuación a estar controlado por las condiciones de ventilación, las cuales dependen del recinto y de la geometría del edificio. Además de todo lo descrito, debemos incidir en que en un incendio solo llegaremos a esta etapa si se dispone de la suficiente cantidad de aire para que todo el proceso descrito tenga lugar, lo cual no implica necesariamente que todo el gas combustible generado pueda quemarse. Finalmente, y a pesar de toda la controversia que la denominación del término flashover ha generado con el paso del tiempo, debemos decir que es el único término - a diferencia de los de Backdraught/backdraft, explosiones de gases de incendio, rollover, etc.. - recogido por la norma ISO 8421-8 de 1990 (International Standards Organization), donde se define como: "TRANSICIÓN RÁPIDA AL ESTADO DONDE TODAS LAS SUPERFICIES DE LOS MATERIALES CONTENIDOS EN UN COMPARTIMENTO SE VEN INVOLUCRADOS EN UN INCENDIO".
Con lo que al menos, en este caso, se cuenta con una definición aceptada a nivel internacional, la cual ha puesto punto final a un discusión en el mundo científico prolongada en el tiempo.
4.2 BACKDRAUGHT/BACKDRAFT BACKDRAUGHT/BACKDRAFT Cuando un incendio se encuentra controlado por ventilación puede producirse un backdraft. En algunos casos el backdraft puede ser muy violento debido a una inflamación muy rápida de los gases del incendio en un recinto – tan rápidos que no hay tiempo de reaccionar -. Por consiguiente es muy importante ser capaz de identificar los signos que indiquen que esto puede ocurrir. Un backdraft puede ser definido de la siguiente manera: En un incendio que esté siendo controlado por ventilación, por ejemplo, porque no se ha podido llegar al punto de transición
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entre flashover e incendio totalmente desarrollado debido a la insuficiente ventilación a través de las aberturas, genera una situación donde se generado muchos gases no quemados en la habitación incendiada. Cuando una puerta, ventana o cualquier otra vía de entrada de aire es abierta, este es succionado hacia el interior de la habitación. Este aire introducido se mezcla con los gases del incendio dando lugar a un premezcla en algún lugar de la habitación generalmente en la parte inferior del cojín de gases donde las turbulencias son más acusadas -. La ubicación de la fuente de ignición juega un papel crucial en este momento, ya que va a determinar la cantidad de gases que se van a mezclar con el aire entrante antes de que ocurra la ignición. En el momento de la ignición se producen llamas de difusión y premezcladas. En la zona de premezcla la llama de premezcla se propaga rápidamente. Tras la aparición de esta llama, los productos calientes de la pirolisis son empujados y mezclados con la capa que contiene más aire, generando una llama de difusión. La rápida combustión genera un aumento de la temperatura y la consecuente expansión de los gases en la habitación incendiada, lo cual provoca que los gases que no se han inflamado sean expulsados fuera de la habitación donde finalmente se inflaman – generalmente formando una bola de fuego -, ya que en el exterior suele haber disponibilidad de aire. Un backdraft puede acabar haciendo que una habitación incendiada alcance el estado de incendio totalmente desarrollado, pero algunas veces la habitación simplemente queda vacía de gases de incendio y solo permanecen en su interior pequeños focos de incendio. BACKDRAUGHT Flashover
a r u t a r e p m e T Pulsaciones Ventilación Límitada
Tiempo Desarrollo del Incendio en Compartimentos Ventilados Desarrollo del Incendio en Compartimentos sin suficiente Ventilación
4.3 EXPLOSIONES DE GASES DE INCENDIO En casos extremos, puede darse una premezcla muy buena del aire con los gases de incendio existentes, lógicamente, esto suele darse en las zonas exteriores a la propia habitación incendiada, donde las condiciones de turbulencias en los gases de incendio y las presiones pueden favorecer esta situación, en este caso se puede producir lo que se denomina como una explosión de gases de incendio la cual trae aparejado un potente incremento de la presión. Este fenómeno, afortunadamente, afortunadamente, es poco probable. Aunque queda claro que flashover y backdraught son dos fenómenos diferentes, existen además situaciones donde pueden ocurrir igniciones de gases de incendio en el interior de compartimentos. Estos "eventos" adicionales pueden no ajustarse necesariamente a cualquiera de las definiciones anteriores pero presentaran un desenlace similar en términos de
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propagación rápida del incendio. Es importante para los bomberos tener un conocimiento básico de todas las situaciones que pueden llevar a tales igniciones bajo condiciones variables en las que una estructura se ve afectada por un incendio.
La formación de llamas de tamaño variable de gases de incendio puede ocurrir en el interior de un edificio. Éstas pueden existir en el propio compartimento incendiado, o en los compartimentos adyacentes, vestíbulos de entrada y corredores. También pueden trasladarse a cierta distancia de la fuente de ignición a través de huecos estructurales o falsos techos. El “ aporte de aire y/o una fuente de calor no es un requisito para la ignición” de estos gases, los cuales ya han alcanzado un estado de pre-mezcla, simplemente esperando una fuente de ignición. Si en este punto aparece una fuente de ignición, entonces la deflagración resultante se parecerá a un backdraught pero en términos reales, lo que ocurre es una explosión de humo o gases de incendio. Puede ocurrir una ignición extensa de gases de incendio calentados en el lugar donde estos se mezclan con el aire, en la salida del recinto. Esto puede tener lugar en una puerta o ventana y el fuego resultante puede provocar un retroceso de la llama hacia el interior del compartimento a través de las capas de gas, algo similar a un retroceso de llama en un quemador Bunsen.
Aunque puede ser difícil diferenciar entre explosión de gases de incendio y backdraught, existen tres factores fundamentales que hacen que las explosiones de gases de incendio sean diferentes: Conducción El calor puede trasladarse del recinto incendiado a otros compartimentos. Esto puede ocasionar que otros materiales se descompongan y produzcan pirolisis en el interior de otros compartimentos, los cuales no están afectados por el propio incendio. Filtración Puede producirse una filtración de gases de incendio desde el recinto incendiado a través de diferentes huecos, cavidades y conductos a otros compartimentos, los cuales pueden incrementarse con el paso del tiempo. Tipo de Construcción Las características de los diferentes tipos de construcción influenciaran la posibilidad de que se produzca una explosión de gases de incendio, no solo debido a la filtración referida anteriormente, sino también por combustiones lentas causadas por el calor radiante del incendio. Estas combustiones lentas pueden estar confinadas en el interior, por ejemplo, de paneles tipo sándwich, si no se detectan, se permitirá la formación de gases de incendio incontrolados. Debe tenerse en cuenta también, que no es habitual que se produzca una explosión de gases de incendio en el compartimento en los momentos iniciales de un incendio
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4.4 SEÑALES Y SÍNTOMAS Existen una serie de “señales” y “síntomas” que nos pueden ayudar a “diagnosticar” la posibilidad de que tenga lugar cualquiera de los fenómenos antes descritos. Para ello bastará con aprender a efectuar un análisis “rápido” de los conceptos que hemos utilizado hasta el momento. De esta forma, la detección comienza antes de introducirse en el recinto siniestrado, así si en la entrada al propio incendio, nos encontramos con un recinto abierto con poca cantidad de humo y un frente de llamas desarrollándose libremente podremos decir que estamos ante un incendio en pleno desarrollo, aquí podremos decir que el incendio se desarrolla en las proximidades del Límite Inferior de Inflamabilidad, ya que los gases de incendio estarán ardiendo en la medida en que se producen, sin dar lugar a mezclas inflamables ricas en combustible. Si nos encontramos con que por los huecos de puertas o ventanas, vemos que columnas de humo denso formando grandes volutas se inflaman al contacto con el aire exterior, podremos deducir que el incendio se encuentra en una etapa donde el aporte de aire al incendio es insuficiente como para alcanzar el estado de incendio totalmente desarrollado, pero sí con la suficiente temperatura como para que en el exterior (donde se dispone de la suficiente cantidad de aire) los gases se inflamen por el efecto que provocan las llamas procedentes del foco de incendio y que se trasladan por la inter-fase (cojín de gases que salen y aire que entra) del plano neutro. Finalmente si estas volutas son significativas, no se inflaman al contacto con el aire y observamos pulsaciones a través de orificios o rendijas, debemos tener en cuenta la posibilidad posibilidad de que ocurra un backdraught. Sin embargo, podemos encontrarnos con que estos síntomas externos no son claramente visibles y accedamos al recinto, en este caso debemos saber que en el proceso de incendio, nos encontramos con que las propias llamas están compuestas por gases inflamados, de los cuales el que se encuentra en una mayor proporción es el nitrógeno (aproximadamente un 64%), generándose una estratificación de gases en el cojín debida a la diferencia de densidad de las distintas especies gaseosas presentes, en general los gases de incendio son menos densos que los del exterior ya que 1 m 3 de aire pesa 1,2 Kg., mientras que la misma cantidad de llamas puede pesar unos 0,3 Kg. Estos factores tienen su importancia ya que en el cojín de gases superior se establecen diferentes zonas de calor como consecuencia de los diferentes gases que lo componen, lo que por otra parte evidencia la existencia de zonas de flujo laminar a diferentes temperaturas.
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Debido a este hecho los sonidos se amortiguan (al igual que ocurre con el forro del capó de los coches) haciéndose patente una sensación de silencio debido a que las ondas sonoras se rompen o amortiguan al atravesar las capas de diferente densidad. Los síntomas que preceden a un flashover, en este caso, son precisamente la amortiguación del ruido crepitante del incendio, lo cual da una sensación de falsa seguridad al bombero que se encuentra en el interior del recinto, seguido de un aumento súbito de la temperatura. En resumen podemos concluir lo siguiente: Antes de entrar en un compartimento los bomberos necesitan decidir si es seguro entrar o no.
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Los siguientes signos indican el desarrollo de un flashover: f lashover:
INCENDIO VENTILADO CALOR RADIANTE DOLOROSO DOTACIONES FORZADAS A PERMANECER AGACHADAS POR LAS ALTAS TEMPERATURAS SUPERFICIES CALIENTES LLAMAS A NIVEL DEL TECHO DESCENSO DEL PLANO NEUTRO INCREMENTO EN LA VELOCIDAD DE PIROLISIS PI ROLISIS INCREMENTO DE LA TURBULENCIA EN EL PLANO NEUTRO*
*Un aumento en la velocidad y/o turbulencia de los gases indica que la situación evoluciona rápidamente hacia Flashover. Puede observarse un Efecto Ondular de los gases. Los bomberos necesitan reconocer las condiciones donde se puede presentar una situación de backdraught. El factor más importante para determinarlo es conocer la HISTORIA DEL INCENDIO, como por ejemplo saber cuánto tiempo lleva el incendio en marcha, o que tipo de materiales estaban involucrados en el mismo. Los siguientes signos indican la posibilidad de que se produzca un Backdraught:
INCENDIO CON VENTILACIÓN LIMITADA O SIN VENTILACIÓN HUMO NEGRO ESPESO, AMARILLO Y/O FRIO LLAMAS AZULES PUERTAS Y VENTANAS CALIENTES VENTANAS ENEGRECIDAS DE HOLLÍN AUSENCIA DE LLAMAS VISIBLES AIRE SIENDO ARRASTRADO (SUCCIONADO) (SUCCIONADO) HACIA EL INTERIOR (RUIDO DE SILBIDO) PULSACIONES DE HUMO a través de pequeños huecos en las entradas.
5 TÉCNICAS DE EXTINCIÓN DE INCENDIOS Hemos definido el origen y evolución de un fenómeno natural como es el desarrollo de un incendio en las condiciones que se pueden dar en un recinto cerrado. Si se analizan los factores que lo controlan vemos que se hace difícil intentar definir todas las posibilidades a través de las cuales puede evolucionar el fenómeno, y consecuentemente todas las acciones que podemos adoptar para su control, este conocimiento solo es posible adquirirlo con el suficiente entrenamiento y con la propia experiencia adquirida en los diferentes servicios en los que se ha participado (acabamos de definir el principio de que ningún incendio se parece a otro).
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Sin embargo lo que sí podemos hacer es definir unas pautas de actuación que podemos aplicar en todos ellos y que creo que en la medida en que se respeten y se pongan en práctica nos pueden ayudar servicio tras servicio a tener un mayor nivel de eficacia en nuestras intervenciones. Cuando un incendio se desarrolla en el interior de un compartimento aparecen dos capas separadas.
La capa superior contendrá los productos del incendio (gases de incendio) y la capa inferior contendrá el aire remanente en la habitación. habitación. A la línea de separación imaginaria de estas dos capas se le denomina plano neutro. A medida que el incendio se desarrolla la presión en la capa superior aumentará debido al aumento de la temperatura y a la producción de gases desde la fuente de ignición y por efecto de la pirolisis. En la capa inferior la presión decrecerá ya que el aire remanente en el compartimento está siendo utilizado y arrastrado hacía el incendio.
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Extinción con Agua El agua es un medio ideal de extinción ya que esta se encuentra disponible en abundancia y cuando se aplica a un incendio esta incide sobre todos los lados del triángulo del fuego, es decir: Reduce la concentración de COMBUSTIBLE
La rápida conversión del agua a vapor y su expansión, diluye los gases inflamables. Además reduce la producción de gases inflamables por efecto de la pirolisis, ya que se reduce el calor. La expansión del agua a vapor empuja al exterior algunos de los gases existentes.
Reduce el CALOR
Absorbe el calor cuando el agua líquida se convierte en vapor.
Reduce la concentración de OXÍGENO
El vapor limita la cantidad de oxígeno que llega al incendio sofocándolo.
Cuando el agua se transforma en vapor, esta expande su volumen a razón de 1:1700 veces a la temperatura de 100 ºC. Si la temperatura aumenta a 450 ºC el vapor duplicará su expansión, es decir, 1:3500. En la siguiente tabla podemos observar como aumenta la expansión del vapor de agua en función de la temperatura
El 80 % de la energía de los incendios será absorbida por la transformación del agua del estado líquido a estado vapor. Así por ejemplo, si aplicamos un litro de agua a un incendio y la temperatura final resultante es de 450 ºC, esta tomará el 80% del calor ya que producirá 3500 litros de vapor.
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TÉCNICAS DE EXTINCIÓN Una intervención bien realizada supone evitar que se den episodios de flashover o backdraught. La forma de conseguir pasa por la combinación de dos acciones, por una parte se deberá hacer disminuir la temperatura de los gases calientes mediante la técnica adecuada de aplicación de agua y por otra sacar a la mezcla de su rango de inflamabilidad mediante la dilución de los gases de incendio mediante el vapor de agua generado. Posteriormente se extinguirán los focos de ignición. Cuando se introduce una partícula, o dicho con mayor propiedad, cuando se introduce un flujo de partículas en el seno de un cojín de gases calientes inflamados, la diferencia de temperaturas entre las partículas que componen dicho flujo y la de las llamas, provocan que alrededor de cada una de estas partículas se genere un espacio de extinción, al menos mientras estas no igualan su temperatura con la de las llamas. A este efecto se le denomina efecto Devy. De esta manera, cuando se extingue una llama con polvo químico, alrededor de cada partícula de polvo se forma una zona de aproximadamente 1 mm de espesor donde no existe combustión, la suma de todos estos espacios “sin llama” acaba por extinguirla, por supuesto con independencia del efecto inhibidor de la reacción de combustión que provoca la incorporación del polvo químico al proceso de combustión. Si se pudiesen obtener gotas de agua lo suficientemente pequeñas y compactas entre sí en el interior de la llama, ésta también se extinguiría. Para conseguirlo, la cantidad de gotas necesarias serán función de la temperatura de los gases incendiados y de la cantidad de flujo de los mismos. Teóricamente, según cálculos empíricos realizados, se necesitarían unos 200 millones de gotas de agua por metro cúbico de llama para su extinción según el efecto descrito. Si las gotas de agua se mueven rápidamente entre las llamas, estas enfriarán un volumen mayor. Según Krister Gilselsson y Mats Rosander este efecto comienza a notarse cuando las gotas de agua adquieren un diámetro cercano a los 0,3 mm. lo que equivaldría a unos 2,83 litros de agua. Las diferentes técnicas de extinción las podemos agrupar en las siguientes: Ataque Indirecto Ataque Directo Enfriamiento de los gases del incendio
5.1 ATAQUE INDIRECTO Esta técnica es desarrollada durante la segunda guerra mundial, donde se aplicaba con notable eficacia en los incendios que se declaraban en los buques de guerra. Su efectividad, sencillez y seguridad para los efectivos de intervención la hicieron convertirse en la técnica por excelencia en este tipo de incendios. Sin embargo para el caso de edificios deben tenerse en cuanta también otros parámetros.
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Intención El principio de esta técnica consiste en generar una gran cantidad de vapor de agua, para conseguir esto se dirige el agua al interior del compartimento intentando que esta impacte contra los cerramientos y superficies calientes, con el fin de producir la mayor cantidad de vapor posible y crear una sobre presión, la cual desplazará hacia el exterior el aire y sofocará el incendio. Este método debe utilizarse solamente desde el exterior del recinto, cuando no existen víctimas en el interior del compartimento. Procedimiento Se utiliza agua pulverizada con el cono en posición de abertura media dirigida a la parte superior y circundante del fuego. La lanza debe moverse en forma circular de forma que se asegure la máxima cobertura. Efecto Se consigue un doble efecto, por una parte enfriar y por otra diluir los gases del incendio. Enfriar la estructura del compartimento. Por otra parte las grandes cantidades de vapor producido ejercen un efecto de sofocación sobre el incendio. El plano neutro desciende, con la consecuente reducción de la visibilidad y el empeoramiento de las condiciones de seguridad para los bomberos y las víctimas. Solo debe ser aplicado desde el exterior del compartimento debido a las grandes cantidades de vapor a alta temperatura que se producen.
5.2 ATAQUE DIRECTO Intención Con esta técnica se pretende extinguir directamente el/los foco/os de ignición. Resulta útil en los incendios que se encuentran en su etapa inicial, cuando el incendio es exterior o para rematar el incendio una vez controlado. Se aplica directamente sobre el lugar donde se encuentra el foco del incendio. Procedimiento Se aplica chorro/niebla con ajuste del cono en un ángulo mínimo dirigido directamente al foco del incendio.
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Efecto Extinción del fuego. Posibles daños causados por el agua. Entrada de aire en el compartimento compartimento por efecto Venturi, lo cual puede provocar el incremento del incendio si no se utiliza correctamente. correctamente. Se generan una condiciones muy severas tanto para los bomberos como para las posibles víctimas atrapadas en el interior.
5.3 ENFRIAMIENTO DE LOS GASES DEL INCENDIO El uso de la técnica de enfriamiento de los gases del incendio, también denominada por algunos autores como técnica tridimensional (3D) o agua-niebla, supone atacar directamente a la fase gaseosa del incendio, es un método relativamente reciente e innovador que se empezó a desarrollar a principio de los años 80 en Suecia y que en el momento actual se encuentra ampliamente adoptado en todo el mundo. Debe quedar claro que tales aplicaciones se utilizan -no (solamente) para la extinción del incendio- principalmente para "asegurar" la vía de penetración al incendio y reducir la probabilidad de que se produzcan episodios de flashover-backdraught y/o Explosiones de Gases de Incendio. Incendio . Esta técnica no ha sido diseñada para reemplazar los métodos de ataque "directo" o “indirecto” al incendio utilizando el agua en la forma descrita anteriormente, sino que constituye una técnica por sí misma. Esta debe aplicarse conjuntamente con las expuestas anteriormente para obtener su finalidad, que en definitiva es la de incrementar la seguridad y efectividad de los equipos de bomberos. La técnica de "Enfriamiento de Gases", cuando se utiliza como una herramienta de extinción de incendios, consiste en colocar el agua pulverizada directamente en los gases de incendio calientes o incendiados, utilizando proyecciones cortas y rápidas de forma que permitan controlar la cantidad de agua necesaria de la forma más controlada posible en la zona de sobrepresión. La consecuencia, será la incorporación de un flujo de gotas de aguas que se moverán en el seno de los gases calientes y/o inflamados de manera que en su trayectoria hasta evaporarse generarán "zonas de extinción" y de contracción de los gases haciendo que el plano neutro se eleve. La aplicación de esta técnica implica un control bastante riguroso de la cantidad de agua aplicada, ya que pequeños excesos pueden provocar grandes cantidades de vapor (mayores cuanto mayor sea la temperatura). El efecto que se consigue de esta forma es el del enfriamiento de la masa gaseosa caliente y por consiguiente su contracción. Si la cantidad de agua aplicada es la correcta la contracción que se producirá en los gases calientes será mucho mayor que la expansión producida por el vapor del agua aplicada , y
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de esta forma el resultado final será la contracción del volumen de final de gases (gases calientes enfriados más el vapor de agua) frente al que había inicialmente (gases calientes solamente). De esta forma quedará libre el espacio que queda delante de los bomberos que manejan la lanza. Esta maniobra, de hecho, genera una presión negativa en el interior del compartimento incendiado y los bomberos no se ven afectados por las quemaduras que provoca la expansión del vapor a altas temperaturas. Además también se incrementan las probabilidades de supervivencia de las víctimas que se puedan encontrar en otros compartimentos. Para conseguir este efecto, es necesario el uso de lanzas específicas mediante las cuales se puede controlar el caudal y el ángulo de salida del agua. La idea es conseguir un cono de agua ajustado al volumen de la masa de gases calientes y combinar el caudal y la presión en bomba de manera que el tamaño de la gota oscile alrededor de los 0.3 mm de diámetro. diámetro . De no mantener estos parámetros, las gotas de agua podrán ser demasiado ligeras, con lo cual no serán capaces de moverse en el seno de la masa gaseosa antes de evaporarse, o incluso no podrán alcanzar la misma. O por el contrario ser demasiado pesadas, con lo que las gotas entrarán en la masa gaseosa y caerán al suelo nuevamente con lo cual no se evaporan perdiéndose así un elevado porcentaje de su capacidad de restar energía al incendio. Así mismo la lanza debe ser manipulada de una forma determinada, generando “pulsaciones” de agua de manera que se llegue a conseguir de forma adecuada el efecto antes descrito. Básicamente existen tres "técnicas de pulsaciones" diferentes: Pulsaciones cortas Pulsaciones largas Pulsaciones Pulsaciones largas con barrido
Pulsaciones cortas Procedimiento Se debe ajustar una posición del cono de la lanza donde obtengamos el ángulo suficiente para abarcar el mayor volumen posible de gases calientes/llamas. Efectuar pulsaciones cortas, dirigidas directamente sobre los gases del incendio en la zona de sobrepresión. Podemos fijar un caudal de lanza próximo a los 100 l/min. Efecto
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Enfriar y diluir los gases inflamables y por consiguiente prevenir que los gases de incendio alcancen su temperatura de auto-ignición. Este tipo de pulsaciones es práctico cuando la carga de fuego es pequeña y se quiere aprovechar al máximo el efecto de absorción de energía al evaporarse el agua. También permite un control mayor del agua aplicada. La aplicación de pulsaciones cortas sobre un volumen relativamente grande de gases calientes o de llamas comporta un gran esfuerzo por parte del bombero, ya que se deben realizar con mucha rapidez y muy seguidas ya el caudal de agua proyectado en cada una de ellas es pequeño. En estos casos resulta más aconsejable alargar la pulsación con el fin de introducir un flujo mayor de agua en el cojín de gases. Pulsaciones largas Procedimiento Como hemos comentado en el apartado anterior, con estas pulsaciones conseguimos introducir un caudal mayor de agua en el cojín de gases clientes o llamas. La posición a adoptar en el cono de la lanza será, al igual que en el caso anterior, el necesario para abarcar el mayor volumen posible de gases clientes. Ya que el requerimiento de caudal en este caso es mayor podemos optar por mantener el de 100 l/min. Tener en cuenta que estamos aumentando el tiempo de la pulsación y por tanto introduciendo más cantidad de agua. O bien pasar un caudal mayor si fuese necesario. En este caso podemos optar en reducir el ángulo del cono, con lo cual el alcance será mayor y por consiguiente mantenernos a mayor distancia. O por el contrario, aumentar el tamaño del cono, con lo que conseguiremos abarcar un mayor volumen de gases calientes, pero deberemos acortar la distancia al frente de llamas para poder llegar a él con el agua. En consecuencia la radiación recibida por el bombero, también aumentará. Ajustar el tiempo de la pulsación, dependiendo de la respuesta de los gases calientes al ser atacados. Mientras se observe que los gases se contraen y la visibilidad aumenta podemos seguir con la pulsación, cuando se genere vapor y el plano neutro comience a descender deberemos parar. Dirigir el agua directamente sobre la zona de sobre presión a los gases incendiados. Si observamos que con este tipo de pulsaciones, no conseguimos el efecto deseado, es decir, elevar y mantener el plano neutro y la visibilidad, y tampoco nos vemos sobrecogidos por grandes nubes de vapor de agua, es un indicativo de que el flujo de gases calientes o llamas al que nos enfrentamos requiere de un mayor caudal. También puede ser un indicativo de que estamos tratando con un volumen de gases calientes muy grande y en consecuencia el caudal de agua requerido es mayor, en estos caso podemos
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optar por efectuar pulsaciones más largas intentado “barrer” todo el volumen de gases calientes o llamas. Efecto Enfriar y diluir las llamas en combustión, permitiendo además a los bomberos penetrar en el interior del compartimento. compartimento. Pulsación larga con barrido Procedimiento En este caso, tratamos de conseguir un caudal de agua adecuado a la cantidad de fuego o de gases calientes presentes en el recinto donde estamos intentando penetrar. En este caso intentaremos utilizar un ángulo para el cono de la lanza que nos permita llegar sin problemas al cojín de gases o llamas. Podemos mantener el caudal en unos 150 a 200 l/min. O incluso pasar a una posición posición cercana a los los 300 l/min. Al igual que con las pulsaciones largas, dirigir el chorro directamente sobre la zona de sobre presión a los gases incendiados moviendo la lanza en forma que podamos “barrer” todo el volumen de gases calientes o llamas, intentando proyectar la mayor cantidad de posible de gotas de agua en el seno de los gases calientes, ya que cuando hablamos de grandes volumnes de gases calientes se precisan de grandes caudales para neutralizarlos, es decir, enfriarlos y sacarlos fuera de rango para evitar que se incendien. Efecto En este caso, habrá que estar muy atento a la evolución del incendio. Si se observa que efectuado este tipo de aplicaciones la intensidad del incendio disminuye, continuaremos así hasta ir alcanzando el control. Si a pesar de ello el incendio no remite, deberemos plantearnos la posibilidad de utilizar caudales de agua aún mayores o incluso retirarse a una zona segura.
Utilización efectiva del agua Para efectuar de la forma más eficiente posible el enfriamiento de los gases de incendio, es preciso disponer de una lanza adecuada que proporcione el tipo de niebla (agua pulverizada) adecuado y ser capaz de suministrar un caudal aproximado de 300 l/m. La proyección a los gases calientes se realiza mediante pulsaciones, tal como se ha expuesto. De esta manera, la evaporación del agua aplicada provoca una contracción de los gases inflamados o calientes con la consiguiente elevación del plano neutro. Dicha contracción se debe al descenso de la temperatura provocado en los gases de incendio. Cuando la cantidad de agua utilizada y la forma en que se aplica son las correctas, el efecto global es el de una contracción. El volumen inicial de gases de incendio se contraerá, mientras que el agua aplicada se vaporizará. Si la maniobra es correcta, entonces el volumen totoal de gases en el recinto, es decir, el volumen de los gases de incendio contraídos más el del vapor de agua generado, será inferior al volumen inicial de los gases calientes. Con el fin de mantener estos parámetros estables, en la extinción de un incendio los buceadores de humo deben mantener un delicado equilibrio entre las cantidad de agua aplicada y el volumen final del conjunto de gases en el recinto, con el fin de mantener al
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mínimo la cantidad de vapor producido pero aportando el agua suficiente para extinguir el incendio. Un gran exceso de agua daría lugar a grandes cantidades de vapor, haciendo que el plano neutro descienda, empeorando así las condiciones para los bomberos, ya que se reduce el campo de visión y quedan expuestos a un “aumento de la temperatura aparente” como consecuencia de la fuerte corriente de vapor de agua sobrecalentado (a más de 100ºC) que penetra sin dificultad en el interior del equipo de protección individual. Para enfriar la máxima cantidad de gases con la mínima cantidad de agua, el tamaño de las gotas desde la lanza deben mantenerse tan pequeño como sea posible, y así aumentar la superficie del agua disponible para enfriar. Estas gotas aplicadas en pulsaciones cortas asegurará un enfriamiento rápido a medida que estas atraviesan los gases calientes produciendo la mínima cantidad de vapor. Así mismo, se aseguran unas condiciones en el interior del compartimento lo más confortables posibles. También permitirá tener un control más eficaz sobre el posible exceso de vapor de agua, ya que será posible dejar de aplicar agua cuando el exceso no sea demasiado grande, en caso contrario, no será posible corregir con tanta eficacia. Además de la cantidad de agua utilizada, el lugar donde esta se coloca es importante también. Si el agua que aplicamos cae sobre el piso porque no llegamos a los gases calientes, no está siendo efectiva, por consiguiente el agua debe aplicarse en el interior de la capa de gases calientes donde se aprovechará en su mayor parte. Conseguir el nivel de técnica adecuado en el uso de la lanza, es una cuestión de familiarizarse con ella y de entrenamiento. En general las primeras veces estas maniobras no resultan sencillas, sencillas, por lo que es necesario practicar con asiduidad. En general la experiencia y la práctica en extinción de incendios en maniobras controladas, permitirán al bombero utilizar la técnica más adecuada en función de las circunstancias particulares de cada situación de incendio.
Los factores que determinan el caudal necesario de la lanza son:
EL TAMAÑO DEL COMPARTIMENTO LA NECESIDAD DE RESCATAR VÍCTIMAS TIPO Y TAMAÑO DE LA LANZA EL CONTENIDO DEL COMPARTIMENTO LA EXTENSION DEL INCENDIO
5.4 MÉTODO DE ATAQUE OFENSIVO Este método se desarrolló a principios de los años 80 en los servicios de extinción de incendios en Suecia. Su precursor, el ingeniero de fuego Sueco Krister Giselsson, puso todo su empeño en diseñar tanto la primera lanza de caudal regulable capaz de conseguir el tamaño necesario de las gotas de agua, como en definir la actuación que los bomberos debían seguir en el interior de un recinto incendiado.
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Este método de extinción es el resultado de la aplicación práctica de los conceptos previos teóricos establecidos anteriormente. De tal manera que se combinan las técnicas de extinción antes descritas en un orden establecido Se aplica en recintos donde existen gases de combustión originados por un incendio. Su implementación va más allá de la mera forma en que debemos proyectar el agua. El método consiste en un aprovechamiento integral tanto de las técnicas de extinción descritas como de los efectos físicos derivados del uso adecuado del agua. Para ello se establece un procedimiento articulado en cinco acciones. Del correcto desempeño de las mismas dependerá el éxito en la intervención. De la observación y del riguroso seguimiento del procedimiento por parte de la dotación dependerá que la intervención se verifique de forma rápida y eficaz. La técnica consiste en un método agresivo hacia los gases del incendio, recordemos que éstos podían ser de alto contenido energético o normal, y los podíamos encontrar inflamados o sin inflamar, dentro o fuera de su rango de inflamabilidad, dependiendo de la forma en que el incendio haya evolucionado. Como consideración previa, se debe matizar que en toda intervención debe establecerse con anterioridad un procedimiento mediante mediante el cual se establezca el número de bomberos que van a intervenir, y las tareas que cada uno de ellos realizará. También es conveniente dar nombre a estos procedimientos con el fin de optimizar el tiempo de intervención y sobre todo la coordinación. Otro de los problemas con que nos vamos a encontrar es el del tipo de instalación a utilizar para la aplicación de esta técnica. Como se ha dicho, este método se desarrolla en Suecia, en la década de los 80 se utilizaban líneas de manguera de 1,5 pulgadas, es decir, de 38 mm de diámetro, y bombas de baja presión, lo que les permitía alcanzar sin problemas caudales comprendidos entre los 100 y los 300 l/min. Según su estándar, estos debían ser los requerimientos mínimos para introducirse en un incendio de interior. En la actualidad, han aumentado su diámetro de manga hasta los 42 mm y siguen utilizando bombas de baja presión. En nuestro país, este tema es uno de los más polémicos, ya que nuestros diámetros de manguera son de 25, 45 y 70 mm. Si se quiere mantener este estándar nos vemos obligados a desembocar en las siguientes opciones:
Instalación con baja presión y mangueras de 45 mm de diámetro, con lo cual debemos asegurar una presión en punta de lanza de 8 bares y regular el caudal de la lanza en la posición más apropiada a la carga de fuego a que se enfrenten los bomberos. De esta manera siempre dispondremos de ese caudal máximo de 300 l/min. e incluso mayor ya que podremos llegar hasta los 475 l/min. con una abertura de cono adecuada al frente que se desea cubrir. El segundo tipo de instalación que se puede tratar de efectuar, es con una línea de 25 mm de diámetro y utilizar alta presión, con una lanza adecuada para trabajar en estas condiciones.
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Aquí los requerimientos de bomba suelen estar entre los 25 y 30 bar de presión para que en la posición de 115 l/min., podamos obtener un caudal próximo a los 300 l/min. (nunca superior a los 240 l/min.), la abertura del cono será la misma que en el caso anterior. Como se puede deducir de la lectura anterior, la polémica queda sobre la mesa, ya que el uso de líneas de 25 mm para ataque de incendios a interiores, está más que extendida en nuestro país. Sin embargo, tampoco se nos debe escapar que en determinadas circunstancias estamos trabajando en precario, en cuanto a caudales se refiere. Además, si estamos planificando un ataque en un edificio de altura, las enormes perdidas de carga que se generan en una línea de 25 en alta presión, pueden llegar a jugarnos una mala pasada a la hora de intervenir. En cualquier caso, en función de la situación, deberá ser el mando de la unidad de intervención quién decida, en base a su valoración de la situación, el tipo de instalación a llevar a cabo. Establecidos estos parámetros iniciales podemos resumir en 5 pasos el método de ataque ofensivo: Como consideración previa, y tal como se ha expuesto, el mando a cargo de la unidad de intervención, debe efectuar una “lectura del recinto/edificio” previa a la entrada de los bomberos desde la cual identifique los factores descritos anteriormente de tal forma que el equipo de intervención pueda tener una idea aproximada de la fase del desarrollo del incendio en que éste se encuentra. 1. Asegurar la entrada/salida al recinto: El binomio de bomberos que va a introducirse en el recinto, debe de observar la cantidad de humos, el color, la densidad y la forma en que los gases de incendio se desarrollan en el exterior a través de las puertas y ventanas, pues este es un indicador del estado de la temperatura y concentración de los gases. De esta forma, se dispondrá de una idea aproximada en cuanto a la posibilidad de que el incendio evolucione hacia un episodio de backdraught al abrir la puerta y que los gases evolucionen desde el límite superior de inflamabilidad hacia el rango de inflamabilidad, o en general cualquier otro de los fenómenos que hemos descrito. Para evitarlo, se “aseguran” el acceso y salida del personal, mediante la proyección de agua pulverizada sobre la puerta y los gases que ya se encuentren en el exterior enfriándolos. Cuando los dos acceden al interior del recinto, en el lugar por donde penetran debe permanecer otro miembro del equipo de ataque para asegurar que los gases que
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saldrán al exterior no se auto-inflamen y observar su evolución con el fin de hacer salir al equipo del interior o reforzarlo en caso de ser necesario. Utilizar la protección de puertas y paredes, permaneciendo siempre agachados. Recordar que las paredes son más resistentes que las puertas y darán una mayor protección antes de entrar, por tanto cuando sea posible utilizar las paredes como protección antes que las puertas. 2. Control de temperatura: t emperatura: Tras la penetración del binomio, debe tenerse la precaución de restringir en la medida de lo posible la entrada de aire al recinto, con el fin de evitar el aporte de oxígeno al incendio, y proceder inmediatamente a proyectar agua en la zona de presión positiva para enfriar y diluir los gases del incendio, a esta operación se le denomina “control de temperatura” . Esto se consigue ajustando la apertura de la puerta de manera que quién quede en esa posición puede abrir o restringir el paso de aire en función de la necesidades. También con esta acción se consigue tener una idea de cuál es el volumen de gases calientes que se tiene sobre la dotación de intervención. Esta acción se efectúa sobre los gases que nos encontramos nada más entrar en el recinto, mediante pulsaciones cortas y rápidas tal y como se ha expuesto anteriormente, si el agua proyectada se gasifica de forma rápida, significa que tenemos altas temperaturas de los gases de combustión y debemos actuar rápidamente refrescando y diluyendo estos gases, si es preciso mediante pulsaciones algo más largas aunque no menos frecuentes.
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3. Ataque ofensivo a los gases del incendio/ llamas: En la medida en que se avanza, se deben efectuar pulsaciones de agua con el fin de enfriar y diluir los gases de combustión, cuando nos encontremos con el frente de llamas donde los gases de combustión se encuentran en su pleno desarrollo, actuaremos de forma “ofensiva” aumentando el efecto de las pulsaciones, prolongando si es preciso el tiempo de la pulsación y reduciendo el tiempo entre ellas, teniendo en cuenta que no debemos aplicar más cantidad de agua de la necesaria, ya que de lo contrario romperíamos el equilibrio entre los volúmenes de gases generados, provocando un fuerte incremento de la cantidad de vapor de agua el cual a una temperatura superior a los 100º C ocuparía la mayor parte del volumen del recinto provocando quemaduras mucho más graves que las que el propio incendio generaría por efecto del calor radiante y anulando así mismo el efecto deseado de enfriamiento y aumento de visibilidad como consecuencia de la contracción de los gases de combustión. 4. Pintar paredes: Si persistimos en el ataque a los gases de combustión, finalmente conseguiremos cortar el avance de propagación del incendio de tal forma que solo quedará activo el foco primario del incendio y el efecto de destilación de los materiales próximos a él en estado de pirolisis como consecuencia de la inercia térmica que todavía sigue acompañando al proceso. En este punto se procede a “pintar paredes” , lo cual consiste en aplicar un caudal muy pequeño de agua en las superficies calientes (como si se estuviese pintando) de tal forma que el proceso de pirolisis se interrumpa. Procedimiento Aplicar agua a chorro pleno, es decir, con el cono al mínimo. Utilizar un caudal de agua pequeño, dependiendo de la penetración requerida. Dirigir el agua hacía las zonas altas de tal manera que esta se descuelgue hacía abajo.
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Efecto Evitamos la pirólisis de los materiales en combustión detrás del recorrido de acceso hacía el foco/s del incendio y en la misma habitación donde se ha producido el incendio. De esta forma evitamos la posibilidad de que una vez controlados los gases calientes o las llamas se produzcan acumulaciones de gases por pirólisis, que nos puedan generar una inflamación inflamación posterior 5. Ataque directo: Una vez detenido el proceso de pirolisis y por consiguiente de acumulación de gases, se procede a finalizar la extinción mediante el “ ataque directo” al foco primario del incendio, para lo cual no es necesario actuar con un caudal excesivo, sino el mínimo necesario para conseguir enfriar y cortar de forma definitiva el proceso de incendio. Si se sigue la secuencia que se acaba de definir, se está asegurando que la intervención de la unidad sea segura, bajo el punto de vista de evitar que el incendio pueda superar su capacidad de ataque y en caso contrario de disponer de la suficiente cantidad de agua para protección.
6 CONSIDERACIONES FINALES Cuando los bomberos se encuentran en el interior de un compartimento deben considerar siempre las tres opciones siguientes: Mantener la posición
Proteger su posición utilizando el enfriamiento de gases.
Desplazarse hacia adelante
Atacar los gases de incendio utilizando enfriamiento de gases con pulsaciones cortas o largas o con barridos.
Retirarse
Si las condiciones se complican, retroceder protegiéndose a sí mismos utilizando enfriamiento de gases y atacar desde la puerta de acceso o utilizar mangueras de gran diámetro.
Los bomberos deben intentar utilizar la mínima cantidad de agua y de la forma más efectiva posible, asegurándose de que el plano neutro se mantenga tan elevado como sea posible, aunque enfriando y diluyendo la mayor cantidad posible de gases de incendio en la zona de sobrepresión.
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Si el método de enfriamiento de gases se aplica correctamente entonces los gases de incendio se diluirán y enfriaran lo suficiente para mantenerlos alejados alejados de su rango de inflamabilidad. Utilizando la técnica de pintar para "PINTAR" las superficies calientes con agua enfriará las superficies e impedirá la producción de más gases de incendio inflamables generados por la pirolisis. Procedimientos de Acceso Utilizar la protección de puertas y paredes, permaneciendo siempre agachados. agachados. Recordar que las paredes son más resistentes que las puertas y darán una mayor protección antes de entrar, por tanto cuando sea posible utilizar las paredes como protección antes que las puertas. Procedimiento de Entrada y Apertura.
Antes de que los bomberos atraviesen la entrada del compartimento deben asegurar que se ha efectuado una buena evaluación de las condiciones externas, observando los signos y síntomas de flashover y backdraught. Evaluar de qué forma abre la puerta y asegurarse de que los bomberos se encuentran en el lado seguro en el caso de que se produzca una deflagración súbita, de manera que el desplazamiento de la puerta no les produzca lesiones. Utilizando la lanza con un ajuste para agua pulverizada con chorro cerrado, proyectar una pequeña cantidad de agua en el hueco entre la apertura de la puerta el marco. Si hay un compartimento adyacente, pasillo o corredor, esta acción evitará que los gases de incendio calientes se inflamen cuando se pongan en contacto con el aire fresco. Una vez abierta la puerta, asegurarse de que tienen el control de la puerta en todo momento, los bomberos deben hacer una rápida evaluación del interior del compartimento, observando las condiciones, disposición de la habitación y cualquier víctima en las proximidades. Si los bomberos se encuentran disponibles para entrar, entonces bien con pulsaciones largas o cortas dependiendo de la situación que se les presente, deben dirigirse hacia el interior del compartimento, cerrando la puerta tan pronto como sea posible después de haber entrado. Esta acción debe repetirse tantas veces como sea necesario hasta que pueda efectuarse la entrada en el compartimento. Al entrar en el compartimento, los bomberos deben estar pendientes de observar los gases de incendio en todo momento mientras se alejan del umbral de la puerta. Debe hacerse un control de la temperatura mediante mediante "pulsaciones cortas" dirigidas sobre sus cabezas para controlar la temperatura de los gases calientes. Debe seguirse inmediatamente proyectando agua mediante más pulsaciones en la zona de sobrepresión utilizando pulsaciones cortas o largas en la medida que las condiciones condiciones lo requieran. Cada pulsación debe dirigirse a diferentes posiciones dentro de la zona de sobrepresión, de esta manera se obtiene el máximo efecto de enfriamiento de los gases de incendio utilizando la menor cantidad de agua, aunque evitando en la medida de lo posible una “acción de barrido”. Pág. 46
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El bombero que maneja la lanza debe encontrar un fino equilibrio aplicando la cantidad de agua nebulizada adecuada en la zona de sobrepresión evitando excederse en la cantidad. Esto solo puede obtenerse analizando y observando cada situación en la que se vea envuelto. Este procedimiento debe repetirse permitiendo de esta manera el avance de los bomberos hacía el interior del compartimento. compartimento. Si existe una zona clara de visibilidad bajo el plano neutro cerca del suelo, esta debe mantenerse aplicando pulsaciones sobre los gases de incendio calientes y al mismo tiempo evitando el contacto del agua, por ejemplo, con superficies calientes las cuales producirán vapor. Esta zona puede entonces utilizarse para la localización del fuego y de cualquier victima que se puedan encontrar en el interior del compartimento. compartimento. Manteniendo el “equilibrio térmico” de esta manera, y enfriando y diluyendo los gases del incendio en la zona de sobre presión, el compartimento se tornará notablemente refrigerado y se reducirá considerablemente la posibilidad de ignición de los gases de incendio.
Algunos bomberos Europeos, especialmente los Suecos, prefieren cerrar parcialmente la puerta del compartimento detrás de ellos cuando entran (ellos denominan esta operación “anti-ventilación”). El motivo de tal acción es el de mantener el “control del aire”, haciendo disminuir la cantidad de aire que alimenta el incendio. La dotación de bomberos evaluará constantemente las condiciones en el interior del compartimento y tendrá en cuenta cualquier efecto que el tamaño de abertura tenga sobre el desarrollo del incendio. Esta abertura puede aumentarse o disminuirse en cualquier etapa de las operaciones de extinción para inducir condiciones tales como: 1. 2. 3. 4. 5.
La altura de la interfase de la capa de humo; La cantidad de calor radiante procedente del techo; La intensidad del fuego; La dirección de la pluma de incendio a nivel del techo; La temperatura en el interior del compartimento.
Control de Temperatura Los bomberos deben llevar a cabo un control de la temperatura a continuación de su entrada en el compartimento. Se dirige una pulsación corta directamente sobre la cabeza de los bomberos en la zona de presión positiva, mirando y escuchando cualquier signo del agua volviendo a caer sobre ellos, esto indicará si el área inmediatamente sobre ellos está lo suficientemente fría para seguir avanzando hacia el interior del compartimento. Desplazamiento Entre Compartimentos Cuando los bomberos entran en un edificio, deben asegurar que el fuego del compartimento hacia el que se están desplazando no encenderá los gases de incendio que llenan el compartimento compartiment o desde el que ellos se están desplazando (vía de escape).
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Esto se puede conseguir mediante: 1. 2.
Enfriando y diluyendo (manteniendo así los gases fuera de su rango de auto ignición) Ventilando los gases de incendio al exterior.
Observación de los Gases de Incendio Cuando los bomberos se encuentran en el interior de un compartimento deben mantener un control constante de sus alrededores, particularmente de los gases de incendio a nivel del techo: El jefe de equipo verificará la parte superior y la frontal. Los otros miembros del equipo verificaran la parte superior y la trasera. La comunicación constante entre el equipo es esencial para asegurar un desplazamiento seguro y progresivo a través del compartimento. Consideraciones Consideraciones en Incidentes 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
13.
Observar el edificio teniendo en cuenta tamaño, tipo de construcción y posibles contenidos. Buscar posibles signos y síntomas de Flashover o Backdraught. Controlar los ajustes de la instalación. instalación. Considerar diámetros de mangas más grandes si se considera necesario. Disponer una manga de 45 mm cargada manteniéndola como línea de seguridad Utilizar correctamente el procedimiento de entrada tal como se describió anteriormente. Nada más entrar en el compartimento efectuar el control de temperatura. Asegurar la posición utilizando el enfriamiento de los gases, avanzar cuando se haya asegurado, utilizando las técnicas de enfriamiento de gases apropiadas. Observar los gases del incendio a nivel del techo, enfrente, por encima y por detrás en todo momento. Asegurar una comunicación constante con todos los miembros del equipo. Proceder al avance a través del compartimento aplicando los principios descritos en los puntos 8 a 10. Pintar con agua la base del incendio utilizando el método directo. Enfriar todas las superficies para prevenir que se desprendan gases. Si las condiciones empeoran, entonces los bomberos deben retirarse, observando el fuego conforme se retiran y auto protegiéndose mediante el enfriamiento de gases. Cuando se rescaten víctimas, el método de enfriamiento de gases se utiliza para mantener el plano neutro tan alto como sea posible, por consiguiente incrementando sus cambios para sobrevivir a los gases de incendio y a las quemaduras por vapor.
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14.
Cuando existe más de un compartimento afectado por el incendio, los bomberos deben utilizar los procedimientos descritos anteriormente cuando se desplazan a través de cada compartimento. Deben asegurarse de que un compartimento es seguro antes de entrar en el compartimento siguiente, aplicando los principios descritos en los puntos 2 a 10.
Finalmente, debemos decir que el método descrito para la extinción de incendios, no es el único método a aplicar. En la actualidad las técnicas de ventilación forzada o más comúnmente conocidos como Ventilación con Presión Positiva, se están desarrollando en gran medida, y dado que, como hemos visto, uno de los factores que inciden directamente en el desarrollo del incendio es precisamente la ventilación, esta técnica pasará a ser otra de las opciones de trabajo de que podemos disponer a la hora de atacar un incendio, además la aplicación de esta técnica mediante la adecuada formación del personal, resulta muy eficaz para evitar las situaciones de flashover o backdraught. En cualquier caso, lo cierto es que para el control de incendios, es necesario haber estado en contacto con las situaciones reales que se producen durante la evolución del incendio así como haber practicado lo suficiente el modo de controlarlos, no se debe caer en el error de que la técnica es simple y con unas cuantas pulsaciones tenemos un incendio bajo control,
ANEXO TÉCNICO Este documento está especialmente destinado a documentar algunos de los aspectos técnicos descritos en el presente tema
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Desarrollo de Incendios
El desarrollo de incendios desde el punto de vista del análisis de su evolución depende de dos factores esenciales:
Tipo de material
Cantidad de oxígeno que puede ser aportada
Para calcular los parámetros que rigen la evolución de un incendio debemos introducir una serie de conceptos que se definen como sigue: Efecto Térmico Se define el efecto térmico como el efecto de la potencia calorífica que un determinado material provoca en un recinto cuando entra en combustión, cualitativamente se pretende determinar la potencia que un material es capaz de desarrollar por efecto de la combustión:
Energía Desarrollada Julios Watios Tiempo Segundo
Para definir de forma cuantitativa este efecto son necesarias dos expresiones:
.
.
qc m H c Dónde: .
q c Potencia de la combustión (Cantidad de lo que se puede quemar por unidad de tiempo) en W ó Mw.
Rendimiento Rendimiento de la combustión (su valor oscila entre 0,6 – 0,7).
.
m Pérdida de masa en Kg/s, o lo que es lo mismo la masa de gases de pirolisis que se desprenden de la superficie del combustible y que consecuentemente participa en la combustión. Este factor define la Intensidad de la Combustión.
H c Cantidad de energía desprendida al consumirse un kg. de material en Mj/Kg.
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La segunda expresión viene dada por la siguiente ecuación: . "
.
q c A f m H c Dónde: A f Área del combustible en m 2. . "
m Pérdida de masa por unidad de tiempo y superficie kg/m 2.s. Definidas las ecuaciones que nos permiten determinar el efecto térmico de una combustión, podemos pasar al análisis de las expresiones que determinan el comportamiento del incendio en base a los dos grandes parámetros que lo delimitan, como son la cantidad de oxígeno disponible y la cantidad de gases de incendio desprendidos. En la primera fase del desarrollo de un incendio el efecto térmico que se produce está controlado por el combustible, ya que es el factor que se encuentra en “minoría” en el proceso, y el que por tanto va a marcar la cantidad de reacción química que se va a producir, pudiéndose considerar la cantidad de oxígeno como infinita, en esta fase el valor del efecto térmico es el ya visto por la expresión:
.
.
qc m H c Si el incendio continúa, el efecto térmico que se va generando empieza a ser función del oxígeno que quede presente en el recinto, ya que este se va consumiendo y tan solo dispondremos del que penetre a través de las aberturas, en este momento el efecto térmico depende de la cantidad de oxígeno que puede entrar en el recinto incendiado y se calcula mediante la expresión:
.
q c máx 1500 A h Dónde: A h Índice de ventilación. A = Ai = Sumatorio de las áreas de la abertura en m 2. h=
hi Ai = Altura promedio de las aberturas en m. Ai
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Esta es una expresión empírica mediante la cual observamos que a mayor índice de abertura, mayor será el efecto térmico ya que la cantidad de oxígeno que penetra en el recinto es mayor. Debe entenderse, no obstante, que esta expresión está diseñada para un 100% de rendimiento en la combustión, lo cual no se da nunca en la realidad. Para saber cuál va a ser realmente el desarrollo que va a seguir un incendio se calculan las curvas correspondientes a ambas expresiones y la de menor valor (puede ser cualquiera de las dos, dependiendo de los casos) es la que nos indica la evolución del incendio. Cálculo de la fase de Incendio Generalizado
Si recordamos la curva de desarrollo de incendios vemos que existe una momento marcado por el punto crítico donde pasamos a la fase de incendio desarrollado o de flashover, es posible calcular, en función del material y las condiciones estructurales del FLASH
TEMPERATURA
TIEMPO
recinto, cual es la potencia o efecto térmico necesario para que este se produzca, así como el rango de temperaturas necesarias para ello. Las expresiones que nos permiten llegar a estos cálculos son las siguientes: Para que se produzca el Flashover, es necesario disponer de una cantidad mínima de energía, esta se puede calcular mediante la expresión: .
Q 7,8 ATOT 378 A h Dónde : .
Q Efecto mínimo en Kw. para que se produzca el Flashover. A h Índice de ventilación. ATOT = Área total del recinto. La cantidad de aire máxima que puede entrar en el recinto viene dada por la l a expresión:
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.
m INmáx 0,5 A h Se puede considerar que un combustible sólido precisa de 6 Kg. de aire por cada Kg. de combustible en su combustión, así pues tendremos que el valor de la pérdida de masa o caudal masa será: .
mb
0,5 A h 0,09 A h 6
.
Mediante el cálculo de mb , podemos conocer si el material que existe en el recinto va a ser suficiente .
para generar la potencia calorífica requerida para que se produzca el flashover, mientras m IN , nos permite saber si entrará el aire suficiente. El efecto será pues: .
.
Q b m b H c .
.
Mediante el cálculo de Qb sabremos si podemos alcanzar el valor calculado para Q .
Conocido el valor de Qb podemos entonces calcular la temperatura crítica en el cojín de gases para que se produzca el flashover, mediante la siguiente expresión: 1 3
. 2 Qb T g 6,85 T 0 A h ATOT hk
Dónde: T g Temperatura que deseamos conocer en ºC. .
Qb Efecto térmico necesario en Kw. A h Índice de ventilación en m 5/2. ATOT = Área total del recinto en m 2.
T 0 Temperatura inicial en ºC.
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K C p hk Índice de transmisión de calor del cojín de gases a la estructura en t Kw/m2 ºC.
Donde a su vez: K = Índice de transmisión de calor de la estructura en W/m ºK. Densidad del material de construcción en Kg/m 3.
C p Capacitividad del material (Cantidad de energía que se puede acumular). t = Tiempo en segundos.
El valor de la potencia del efecto térmico de radiación se desglosa del valor total del efecto mediante un balance de energía. Los valores promedios así obtenidos son los indicados de 12 a 20 Kw/m 2 y de 500 a 650º C. Criterios de Inflamabilidad
La forma de establecer los límites de inflamabilidad para los diferentes gases inflamables existentes, se verifica mediante una serie de ensayos normalizados, de forma que a través de esta serie de ensayos se calculan los valores para cada combustible que establecen tanto sus límites de inflamabilidad, como su temperatura de ignición y auto-ignición. Sin embargo en el caso de un incendio, estos factores se ven alterados por las condiciones del entorno que rigen en el recinto incendiado, de forma que estos parámetros se ven notablemente alterados. Es altamente importante el efecto de la temperatura en los gases de incendio, ya que el aumento de esta amplía el valor del rango de inflamabilidad. Se calcula que un aumento de unos 100 º C en la temperatura, puede provocar un aumento en el límite superior de inflamabilidad del orden del 8% y un descenso del límite inferior de otro tanto. Podemos utilizar las ecuaciones de Burgess-Wheeler para el cálculo de límites de inflamabilidad de vapores de hidrocarburos a temperaturas distantes de la temperatura ambiente: L.I.I.(t) = L.I.I.(25º C) [1- 0,75 (t -25) -25) / (- H comb )] L.S.I.(t) = L.S.I.(25º C) [1+ 0,75 (t -25) -25) / (- H comb )]
Donde t es la temperatura en grados centígrados y - H comb el calor estándar de combustión (inferior en este caso), en Kcal/mol. En cuanto a la medida en que la concentración concentració n de oxigeno modifica los límites de inflamabilidad, diremos que en el L.I.I. apenas existe variación debido a que a las concentraciones en dicho limite el oxígeno está en exceso, sin embargo el límite superior Pág. 54
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suele aumentar considerablemente al aumentar la concentración de oxígeno. Por ejemplo para el propano el L.S.I. pasa de ser el 9,5% a ser del 55% de ser calculado en oxígeno en lugar de en aire, mientras que el L.I.I. varía del 2,1% al 2,3%. Por otra parte, es especialmente difícil el cálculo matemático con precisión de los límites de inflamabilidad para mezclas de gases, como es el caso de los gases de incendio, de hecho, se encuentran pocas fórmulas que permitan dichos cálculos. Sin embargo puede calcularse el valor del L.I.I. mediante la ecuación de Le Chatelier:
L I . I . . mezcla
1 (Y i , comb / L I . I . .i )
Donde Y i ,comb es la fracción molar de cada uno de los componentes inflamables que componen la mezcla y L.I.I. su límite inferior de inflamabilidad, expresado también como fracción molar. Si analizamos pues esta expresión, vemos que una mezcla puede estar dentro de los límites de inflamabilidad, aunque cada uno de los componentes de forma individual lo esté por debajo. No obstante se debe matizar que esta es una expresión empírica con numerosas excepciones y por consiguiente se debe ser muy crítico a la hora de aplicarla.
Efecto del Incendio
Mediante esta expresión se quiere dar a entender, el efecto mecánico que produce el aumento de presión que provoca la ignición de la masa de gases combustibles cuando entran en ignición. Plano Neutro
Cuando un incendio se desarrolla en un recinto cerrado, se establecen unos gradientes de presión en el interior del mismo que básicamente establecen dos zonas claramente diferenciadas: una de presión positiva situada en la parte superior del recinto y otra de presión negativa situada en la parte inferior, la interfase entre ambas zonas se denomina plano neutro tal y como se muestra en la figura.
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Las distintas etapas por las que atraviesa el incendio, hacen que las zonas de presión cambien su tamaño y por consiguiente provocan un desplazamiento del plano neutro. En la medida en que el incendio se desarrolla el plano de presión positiva aumenta, haciendo disminuir el volumen del plano de presión negativa pudiendo desplazar la resultante del plano neutro por debajo del nivel del suelo en incendios con escasa alimentación de oxígeno.
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SUSTANCIAS EXTINTORAS E INSTALACIONES Adela Mauri Aucejo y Jorge Verdú Andrés
1.- INTRODUCCIÓN Es evidente que los primeros humanos no tenían industria química, ni tampoco un laboratorio de química. Pero a su alrededor, aunque no sabían interpretarlas, se producían reacciones químicas que pronto aprovecharían en su beneficio. Así, el incendio causado por una tormenta o la descomposición de los alimentos que recolectaban o cazaban no eran sino transformaciones de la materia, cambios químicos. Los conocimientos en el área de las transformaciones fisicoquímicas adquiridos por las civilizaciones de la antigüedad no estuvieron acompañados de una reflexión teórica, sino de una práctica iluminada por el ensayo-error y, no pocas veces, por la casualidad. El objetivo de esta práctica era encontrar elementos naturales o bien modificaciones de éstos por el bien de la comunidad. Podríamos decir que el primer químico de la historia fue aquel que produjo fuego con sus manos al combinar un material combustible como la madera con el oxígeno del aire para producir luz y calor. En el mismo momento que el hombre descubrió el secreto de encender el fuego, cambió el curso de su supervivencia. El fuego le sirvió para protegerse del frío invernal, a la entrada de su gruta le defendió de los ataques de los grandes animales que no podía combatir, la carne que se procuraba para alimentarse producía mejor sabor a su paladar tostándola sobre el fuego que comiéndola cruda como hasta entonces, y cuando tuvo el fuego totalmente dominado, atacó a las fieras primitivas con teas llameantes, y si era herido cauterizaba su piel sobre los rescoldos con grandes alaridos de dolor. Este descubrimiento inició toda una serie de posibilidades posibilidades y sería, por así decirlo, el embrión de la industria química que poco a poco permitió obtener aleaciones como el bronce o recipientes de cerámica para la conservación de los alimentos. Las cavernas habían sido abandonadas y se habitaba ahora en chozas en comunidad. El fuego estaba totalmente dominado por el hombre, pero a veces se volvía contra él, y por ello comenzaron a pensar en el modo de defender sus viviendas de la destrucción. Así comenzó, casi en los albores de la humanidad, la lucha organizada contra el incendio. En un principio esta lucha se realizaba con agua o arena, pero pronto se dieron cuenta de que en ciertos casos el fuego no se apagaba. Los árabes se quedaron fascinados ante las artes bélicas de los griegos. En el año 670 d.C. los árabes sufrieron una derrota en el sitio de Constantinopla ante el “fuego griego” (combustión de nafta, azufre y carbón), que no se apagaba con agua y que quemó sus barcos de madera. La formula del “fuego griego”, según la
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tradición, fue preparada por Callinicus, y fue celosamente guardada para asegurar la superioridad bélica. El fuego es una reacción de combustión, que se caracteriza por la emisión de calor acompañada de humo, de llamas o de ambos. La combustión puede ser con llama o incandescente, según se produzca íntegramente en la fase gaseosa, o en la fase mixta sólido combustible-gas comburente. La combustión es una reacción redox y, por tanto, para que se produzca, es necesaria la presencia de un oxidante y de un reductor. El reductor (que se oxida) se denomina combustible, y el oxidante (que se reduce) comburente. Para que la reacción comience es necesario, además, una cierta cantidad de energía, que llamaremos energía de activación. Sin la presencia simultánea de estos tres elementos no es posible obtener fuego. La energía de activación puede entenderse fácilmente por la teoría del complejo activado, según la cual las moléculas de reactivos colisionan para formar un complejo activado, que puede evolucionar avanzando la reacción hacia la formación de productos o bien, retroceder hacia la formación de reactivos. En la gráfica podemos observar la energía potencial del sistema frente al avance de la reacción. La diferencia de energía entre los reactivos y el complejo activado es la denominada denominada energía de activación (Ea). En una reacción r eacción en diversas etapas existe una energía de activación para cada una de ellas, estando controlada la velocidad de reacción por la etapa de mayor Ea. Complejo activado
Reactivos
A·B·C
Productos A+B+C
Energía AB+C
Ea
∆H
Avance de la reacción química
En cualquier reacción química los reactivos se transforman en productos y se produce un cambio de entalpía ( ΔH) debido a la variación existente entre la energía interna de reactivos y productos. Esta variación puede ser de distinto signo dependiendo de que se trate de una reacción exotérmica o endotérmica. Un proceso exotérmico es aquel que desprende calor (por convenio ΔH<0) y un proceso endotérmico el que absorbe calor (por convenio ΔH>0). PROCESO ENDOTÉRMICO Reactivos Productos
PRODUCTOS
Energía
REACTIVOS
Avance de la reacción química
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PROCESO EXOTÉRMICO Reactivos Productos REACTIVOS
Todas las reacciones de combustión son exotérmicas y, por tanto, se producen con desprendimiento de calor, es decir, una variación de entalpía de signo negativo ( ΔH<0).
Esquemáticamente a cada uno de los elementos necesarios para que se produzca la PRODUCTOS reacción de combustión (combustible, comburente y energía de activación) se les representa como lados de un triángulo, llamado Avance de la reacción química TRIANGULO DEL FUEGO. Este triángulo corresponde a la representación de una combustión sin llama o incandescente. Energía
La teoría del Triángulo del Fuego tuvo vigencia durante largo tiempo, pero con el transcurso de los años fueron surgiendo fenómenos que no pudieron ser explicados satisfactoriamente por ella. Entre estos fenómenos podemos citar el poder de extinción de las ondas de detonación o la sensibilidad de las llamas a ciertas emanaciones radioactivas. Por lo que existe otro factor, "reacción en cadena", que interviene de manera decisiva en el incendio. Tetraedro del fuego Una reacción en cadena es aquella en la que un producto intermedio de reacción reacciona para la formación de uno nuevo. Esta reacción en cadena permite la transmisión de calor de unas partículas a otras del combustible. Si la reacción en cadena se interrumpe no será posible la continuación del incendio. Por ello, esta teoría del Triángulo del Fuego fue modificada teniendo en cuenta los cuatro factores y se estableció el denominado TETRAEDRO DEL FUEGO.
C
o m e l b b i t u s r e n u b t e m Reacción o en cadena C
Calor
Explicaremos con más detalle qué es una reacción en cadena. Para ello imaginaremos la combustión de hidrógeno, es decir, su reacción de oxidación debida a la presencia de oxígeno que genera como producto de reacción agua: 2H2
O 2H O 2
2
Este proceso está controlado por la presencia de unas moléculas y átomos que tienen una actividad mucho más alta que las moléculas de oxígeno, los radicales libres, que son O•, H• y OH•. Los radicales libres son químicamente muy activos, ya que se trata de especies muy inestables debido a la presencia de electrones desapareados que tienen gran tendencia a formar enlaces. Las reacciones en las que intervienen los radicales se pueden separar en etapas: a) Iniciación: Primero hay unas reacciones de iniciación. En ellas, el choque de una molécula de combustible y una de oxígeno da como resultado radicales libres.
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H2
O HO H 2
H2
2
O 2OH 2
Si hay pocos choques (presión y temperatura bajas, por ejemplo), la mezcla puede permanecer estable, no llegando a la reacción en cadena. Propagación: Los radicales formados reaccionan reaccionan para formar más radicales, por lo que empieza la reacción en cadena y se produce la combustión rápida de la mezcla. Estas reacciones pueden ser: H2 H
OH H
2
O H
O OH O 2
H2
O OH H
H2
OH H
2
O H
Terminación: Finalmente, cuando va desapareciendo el combustible, los radicales se recombinan para desaparecer, formando moléculas estables, como agua y monóxido o dióxido de carbono, en el caso de que el combustible sea un hidrocarburo, y la combustión finaliza. H
OH H
2
O
Según este modelo, para que un incendio se inicie o mantenga hace falta la coexistencia en el espacio y en el tiempo, con intensidad suficiente, de los cuatro factores que constituyen el tetraedro. Si se elimina uno de los factores, o se disminuye su intensidad suficientemente, el fuego se extinguirá y, por tanto, en ello se basan los diferentes agentes de extinción utilizados. Según el factor que se pretenda eliminar o disminuir, el procedimiento o método de extinción recibe el nombre de: Eliminación: Eliminación: Método de extinción que actúa sobre el reductor (combustible). Sofocación: Sofocación: Método de extinción que actúa sobre el oxidante (comburente). Enfriamiento: Enfriamiento: Método de extinción que actúa sobre la energía y por tanto impide que se alcance la energía de activación necesaria. Inhibición: Inhibición: Método de extinción que actúa impidiendo la reacción en cadena. Existen muchas variables que pueden influir sobre la elección de un agente extintor y su forma de aplicación aunque podemos decir que el tipo de fuego resulta decisivo.
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2.- CLASIFICACIÓN DE LOS FUEGOS Los fuegos se han clasificado en cuatro tipos de acuerdo con la naturaleza del combustible, por lo que no prevé una clase particular para los fuegos que representan riesgo eléctrico. 1 Además, esta clasificación es particularmente útil en la lucha contra incendios empleando extintores. Clase A: A: Fuegos de materiales combustibles sólidos comunes, generalmente de naturaleza orgánica, tales como madera, papel, textiles, cauchos y plásticos termoestables. Clase B.B.- Fuegos de líquidos inflamables y sólidos licuables como gasolina, petróleo, aceites, grasas, pinturas, barnices, alcohol… Clase C.C.- Esta categoría incluye los fuegos de gases inflamables tales como propano, butano, metano… Clase D.D.- Fuegos de metales y productos químicos reactivos tales como magnesio, sodio, potasio, circonio, titanio, etc. Otros factores que será necesario tener en cuenta a la hora de decidir sobre el tipo de agente de extinción son la necesidad de protección frente a otro tipo de riesgos, la velocidad con que actuará (accionamiento manual o automático), el posible daño a causar por el agente extintor en las instalaciones… Por último, en ocasiones el fuego se produce en zonas que existe tensión eléctrica. En estos casos, hay que tener precauciones especiales en la extinción.
3.- AGENTES EXTINTORES Un agente extintor se puede definir como aquel producto químico que, al ser aplicado a un incendio, es capaz de extinguirlo actuando sobre uno o más componentes del tetraedro del fuego, es decir mediante eliminación, sofocación, enfriamiento o inhibición. inhibición . Su clasificación se puede encontrar en la norma y UNE 23600:1990. A continuación describiremos los diferentes agentes extintores.
3.1.- AGUA El agua es el agente extintor más conocido y utilizado a lo largo de la historia, siendo además el más económico y menos contaminante. Sin embargo, no es un agente universal, siendo su utilización peligrosa y contraproducente para algún tipo de fuego, como es el caso de los metales reductores que reaccionan violentamente con agua o fuegos en presencia de corriente eléctrica, ya que el agua es un buen conductor. ¿Cómo actúa el agua? El agua tiene la capacidad de absorber el calor, y por tanto su capacidad de extinguir el fuego sería por enfriamiento, es decir, impidiendo que se alcance la energía de activación 1
UNE-EN 2:1994/A1:2005
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necesaria. Pero además, su evaporación a causa del calor desplaza al oxígeno y, por tanto, impide la combinación del comburente con el combustible, por lo que también actúa mediante sofocación, ya que de alguna manera elimina el oxidante. El efecto de enfriamiento es generalmente suficiente para el control, la supresión o la extinción del incendio. La inertización se consigue cuando las gotas se evaporan al acercarse al fuego y la expansión del agua en vapor ayuda a disminuir la entrada de oxígeno en la base del fuego y en el área próxima. El agua nebulizada generalmente controla, suprime o extingue fuegos de forma rápida y eficiente. La descarga de agua nebulizada sobre un fuego reduce de forma significativa la temperatura alrededor del fuego, y bloquea la radiación producida por el mismo. La niebla ayuda también a arrastrar el humo y otras partículas del aire, y absorbe parte de los gases solubles, aunque la absorción de gases ácidos en el agua puede conllevar un aumento de la corrosión. Es conveniente su aplicación mediante pulverización, ya que incrementa su capacidad de enfriamiento y favorece su evaporación, por lo que se contribuye a los dos mecanismos en los cuales radica su capacidad de extinción. En algunos casos, concretamente para algunos fuegos de tipo A, es conveniente su aplicación mediante chorro. Los sistemas de agua nebulizada han sido utilizados desde mediados del siglo XIX, y pueden ser conocidos con sinónimos como “agua atomizada” o “agua pulverizada”. Al agua como agente extintor se le adicionan diferentes aditivos con el fin de mejorar su efectividad en la extinción. Estos aditivos son distinto tipo y se pueden clasificar en: - Humectantes: Humectantes: se trata de sustancias que disminuyen la tensión superficial2 del agua aumentando así la superficie disponible para la absorción de calor. Muchos de ellos resultan tóxicos, corrosivos o inestables por lo que empleo debe estar aprobado en la protección contra incendios. - Espesantes: Espesantes: tienen como objeto elevar la viscosidad del agua con el fin de favorecer la adherencia y la formación de una capa sobre la superficie del combustible. - Anticongelantes: Anticongelantes: simplemente son sustancias que se emplean para disminuir la temperatura de congelación, lo cual es útil en condiciones de clima extremo. - Inhibidores de la corrosión: corrosión : se adicionan con el fin de compensar los efectos negativos que produce la adición al agua de otros aditivos3.
2
En física se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. La tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del líquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de gravedad adopte la forma esférica, que es la que tiene menor relación área/volumen. Energéticamente las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.
3
Los inhibidores de corrosión, son productos que actúan ya sea formando películas sobre la superficie metálica, tales como los molibdatos o fosfatos, o bien entregando sus electrones al medio. Su uso es amplio en el campo de los sistemas de enfriamiento o disipadores de calor tales como los radiadores, torres de enfriamiento o calderas.
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- Modificadores de flujo: flujo: se adicionan con el fin de reducir la pérdida de carga debida fundamentalmente al flujo turbulento que se produce al circular por una conducción a alta velocidad. Generalmente se trata de polímetros lineales como el polioxietileno, que rebajan la turbulencia, incrementando así el caudal de suministro y la presión en el punto de descarga. ¿Qué fuegos apaga? Como ya se ha indicado no se trata de un agente extintor universal y en algunos casos su utilización es contraproducente: - Fuegos clase A: A : Es aplicable a la extinción de incendios de combustibles sólidos ordinarios, aunque en ocasiones es conveniente emplear agua con aditivos para mejorar la penetración y adherencia. - Fuegos de clase B: B : No es un agente eficaz para este tipo de fuegos, aunque puede mejorar su eficacia mediante el empleo de aditivos. Sí puede resultar adecuado su empleo para el caso de líquidos polares, al actuar por dilución. No obstante, puede emplearse de forma eficaz para la refrigeración del exterior de los recipientes. C : Es recomendable el empleo de agua pulverizada en el caso de - Fuegos de clase C: combustibles gaseosos, y también para la refrigeración de los recipientes. D : No debe utilizarse el agua en ningún caso. - Fuegos de clase D: - En presencia de corriente eléctrica: eléctrica : No debe emplearse, al tratarse de un buen conductor de la electricidad. electricidad.
¿Cómo puede aplicarse? Existen diversas formas de aplicar el agua para la extinción de un incendio: con extintores portátiles, a partir de las bocas de incendios, con las motobombas o con rociadores. Los sistemas de agua nebulizada se clasifican habitualmente según tres rangos de presión en el difusor: baja, media y alta presión. Cada uno de ellos tiene unas características técnicas y unas ventajas específicas, pero los efectos del agua nebulizada formada respecto al fuego son básicamente los mismos. Los sistemas de agua nebulizada se definen como aquellos sistemas que utilizan agua en los que, por lo menos, el 90% del volumen de agua se distribuye en gotas de menos de 1000 m de diámetro. La distribución del tamaño de gota influye de forma crítica en el rendimiento del sistema y en la distribución temporal y espacial del agua nebulizada de cada uno de los difusores. El agua que se utiliza normalmente en sistemas de agua nebulizada debe ser agua muy limpia, libre de sólidos para evitar la obturación de los difusores durante la descarga, sobre todo en el caso de difusores de alta presión con orificios muy pequeños. Si se utiliza agua de mar, puede ser necesaria una limpieza y filtrado adicional del agua así como el lavado posterior. Se puede utilizar agua potable, destilada, desmineralizada y desionizada, teniendo en cuenta la posible necesidad del uso de biocidas.
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La Agencia de Protección para el Medioambiente de Estados Unidos (E.P.A) ha estudiado la seguridad para las personas asociada a la descarga de agua nebulizada en áreas ocupadas. Concretamente se ha evaluado bajo el programa SNAP (Significant New Alternatives Policy), cuyos resultados fueron publicados en 1995. La conclusión global fue que el agua nebulizada que utiliza agua potable es benigna para la naturaleza y no presenta un riesgo toxicológico o fisiológico para los seres humanos, por lo que es segura para su uso en áreas ocupadas. El uso de aditivos o mezclas en los sistemas debería evaluarse caso por caso.
3.2.- ESPUMA La Espuma Química fue utilizada durante algunos años en sistemas de extinción, y se obtenía por reacción de productos químicos (dos disoluciones: una ácida y la otra básica) que al formar CO2 favorecía la formación de las burbujas de espuma y las propulsaba. Prácticamente Prácticamente ha dejado de usarse, entre otras causas, por la corrosión que producen sobre los equipos y productos que se aplican, ya que el CO2, al entrar en contacto con el agua, libera protones y, por tanto, la acidifica: CO2 + H2O HCO3- + H3O+ HCO3- + H2O CO32- + H3O+ La espuma física se puede definir como las burbujas de aire que se producen al mezclar en un estado turbulento espumógeno, agua y aire. La propulsión de espuma se realiza con los mismos medios que para el agua, añadiendo dosificadores (donde se mezcla el agua con el espumógeno) y lanzas o generadores especiales (donde se mezcla el espumante con el aire). Un espumógeno es una mezcla de productos que se añaden al agua con el fin de modificar su tensión superficial y así formar burbujas con mayor facilidad (UNE 23603:1983). El caudal de la lanza, o generador, debe de ser igual o mayor que el del dosificador. El Coeficiente de Expansión de una espuma es la relación entre el volumen final de la espuma y el volumen original de espumante (Espumante = Espumógeno + agua). En función de su coeficiente de expansión las espumas se clasifican en espumas de baja expansión, media expansión y alta expansión4. Las aplicaciones son diferentes en función del tipo de expansión.
4
En general, y a modo de orientación, diremos que una espuma de media expansión es aquella en que un litro de espumante mezclado con aire produce alrededor de 150 litros de espuma expandida, y la de alta expansión produce hasta 1.000 veces su volumen inicial, aunque, lógicamente estas cifras dependen de diversos factores.
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Las espumas son de baja o nula toxicidad, presentan cierta conductividad eléctrica, pueden ser incompatibles con extintores de polvo, y la mayoría son destruidas por los combustibles líquidos de tipo polar. Aunque en realidad se utilizan formulaciones complejas, en función del espumógeno empleado para generar la espuma se obtienen distintos tipos de espuma. Espumas Proteínicas. Proteínicas. Se utilizaron por primera vez en 1937 en Alemania e Inglaterra para sofocar fuegos causados por el petróleo y sus derivados. Están formulados a base de proteínas naturales hidrolizadas (como la de soja) a las que se les añaden estabilizadores e inhibidores para resistir la descomposición, evitar la congelación y prevenir la corrosión. Se diluyen en el agua en proporciones de 3% al 6%. No suelen ser compatibles con polvos extintores ni permiten combatir fuegos de disolventes polares. Tienen un color marrón oscuro y un olor fétido. Espumas Fluoroproteínicas. Fluoroproteínicas. También son de origen proteínico, se obtienen empleando tensioactiv tensioactivos os fluorados. Se emplearon por primera primera vez en 1965 en Inglaterra. Inglaterra. Respecto a los anteriores mejora la fluidez y su PROTEINAS resistencia a las altas temperaturas. Con ello se mejoran sus condiciones, al hacerse más resistentes las ESPUMÓGENOS FLUOROPROTEÍNICOS burbujas a la contaminación del líquido. Se suele emplear en las mismas proporciones que las anteriores. Suelen ser FLUOROSURFACTANTES Reduce la tensión superficial. compatibles con los polvos Alta tolerancia a combustibles extintores. Espumas Sintéticas. Sintéticas. Se utilizaron por primera vez en la marina americana. Se fabrican combinando productos químicos con el fin de conseguir las mismas propiedades que las proteínicas, o bien mejorar alguna cualidad en particular. Forman una película acuosa que recubre más rápidamente aquellas zonas no cubiertas por la espuma, ya que disminuye la viscosidad e incrementa la fluidez. Para su aplicación sobre disolventes polares se utilizan formulaciones conteniendo un polisacárido solubilizado. Se produce por tanto una película polimérica, lo cual incrementa la resistencia. Entre las espumas sintéticas encontramos los AFFF (Aqueous Film Forming Foam), formadores de película acuosa, y en los cuales se pretende mejorar la “movilidad” de la espuma y los Espumógenos Hidrocarbonatos Hidrocarbonatos.. Espumas Antialcohol (AR). Se trata de espumas desarrolladas para evitar su destrucción por los combustibles polares. Tomando como base el Espumógeno Proteínico, se combina con estereato de zinc o de aluminio para darle a la espuma una menor solubilidad y una mayor resistencia de la superficie de contacto entre la espuma y el combustible.
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Así, con la adición de aditivos fluorados a los proteínicos se ganó en resistencia térmica de la espuma, estabilidad del concentrado en el almacenamiento y fluidez de la espuma. Posteriormente Posteriormente aparecieron los AFFF, con lo que se consiguió aumentar la capacidad extintora de la espuma. Con los AR se consigue solucionar, parcialmente, el efecto de degradación que los líquidos polares ejercen sobre las espumas y, por último, con los detergentes se ha conseguido aumentar los índices de expansión y los efectos humectantes. Para un servicio de extinción, lo ideal sería disponer de un espumógeno que cubriera todos los campos de aplicación de las espumas de una forma eficaz y totalmente polivalente, pero esto no es posible. En la industria, o en cualquier otra actividad donde sea necesario el disponer de espumógeno, lo más lógico sería disponer de uno específico al riesgo a cubrir, pero para los servicios de bomberos, la diversidad de situaciones en las que puede ser necesario el uso de espumas, obliga a tener varios tipos: Un espumógeno polivalente, polivalente, de tipo flúor-proteínico, AFFF-AR, sería el más ventajoso para la mayoría de las intervenciones en extinción, reuniendo las ventajas de alta resistencia térmica, estabilidad en almacenamiento, formación de película acuosa y formación de película polimérica ante la presencia de líquidos polares. Un espumógeno sintético de alta expansión, se hace necesario para el sellado de derrames, y para la evacuación de gases en espacios confinados. AR completaría la gama de productos necesarios para cubrir Un espumógeno de clase AR completaría todos los campos en los que la espuma tiene aplicación. ¿Cómo actúa la espuma?
Al igual que en el caso anterior, la espuma actúa mediante sofocación, aislando el combustible del comburente e impidiendo la liberación de los vapores combustibles volátiles, y mediante enfriamiento, absorbiendo el calor de la superficie del combustible y de los materiales adyacentes. También previene la reignición, mediante la supresión de la formación de vapores inflamables. Tiene la propiedad de adherirse a las superficies proporcionando un grado de protección a la exposición de fuegos adyacentes. ¿Qué fuegos apaga?
Las espumas de baja expansión son recomendables para la extinción de fuegos de tipo B, aunque también pueden ser recomendables recomendables para fuegos de tipo A. Resulta adecuado su empleo para extinguir fuegos líquidos de menor densidad que el agua, para prevenir la ignición de derrames y para extinguir fuegos superficiales en combustibles sólidos. Sin embargo, no resulta eficaz para fuegos de gases ni fuegos de fugas a presión de líquidos. No deben emplearse en el caso de materiales que reaccionan con el agua, ni en presencia de tensión eléctrica. Además, hay que tener cuidado con aquellos líquidos que alcanzan en toda su masa una temperatura superior a la del punto de ebullición del agua, tales como aceites calientes o asfaltos. Está producida por boquillas o lanzas de diferente calibre, lo
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que permite proyectar la espuma a gran distancia. La espuma de baja expansión es poco sensible a las condiciones atmosféricas, viento o lluvia; es estable y garantiza una cobertura resistente. Es el medio mejor adaptado para la lucha contra los grandes incendios en la industria petrolera y petroquímica. En cuanto a las espumas de alta expansión, son adecuadas para la extinción de incendios de clase A y B de bajo aporte calórico, en locales cerrados o difícilmente accesibles. Si existe un gran aporte calórico, la descomposición de la espuma aporta oxígeno. Aunque son menos conductoras de la electricidad que las anteriores, tampoco deben ser utilizadas en presencia de tensión eléctrica. La espuma de alta expansión se esparce apenas alcanza el orificio de salida del equipo utilizado. En cuanto a las de media expansión, tienen características intermedias entre las anteriores, y se utilizan cuando se requiere una mayor capacidad de recubrimiento que con las espumas de baja expansión, o bien cuando se requiere mayor capacidad de enfriamiento que la obtenida con las de alta expansión. La espuma de media expansión puede proyectarse hasta unos diez metros de distancia. Es más sensible a las condiciones climáticas, y su resistencia a la reignición es inferior a la de la espuma de baja expansión. La espuma de media expansión se utiliza en los casos que requieren cantidades importantes de espuma cuando la disponibilidad de agua es limitada. Por otro lado, está bien adaptada a la retención de escapes de gases licuados y derrames productos tóxicos. Cuando se trata de líquidos inflamables miscibles en el agua, sólo son eficaces los espumógenos antialcohol.
3.3.- POLVO EXTINTOR El polvo extintor es un agente químico que se obtiene mezclando diferentes productos y que se conoce como polvo químico seco, siendo básicamente las sustancias químicas empleadas sales sódicas o potásicas. Fue empleado por primera vez en Alemania, y su primera patente data del año 1912. Es uno de los Agentes Extintores más rápidos y eficaces que se conocen, siendo ésta su gran ventaja. Su mayor inconveniente es que no produce enfriamiento, por lo que cuando en un incendio se han alcanzado altas temperaturas puede darse el reencendido, siendo aconsejable enfriar con agua. La composición básica de los polvos extintores es bicarbonato sódico, bicarbonato potásico, cloruro potásico, dihidrogenofosfato amónico o bicarbonato de urea y potasio u otros metales alcalinos. Estos productos se mezclan con varios aditivos para mejorar sus características de aislamiento eléctrico, de fluidez y de repulsión al agua. Los aditivos más comúnmente empleados son estearatos metálicos, fosfato de calcio o siliconas, que recubren las partículas de polvo seco para conferirles fluidez y resistencia a los efectos de endurecimiento y formación de costras por humedad y vibración. Existen distintos tipos de polvos extintores, de polvo BC (también llamado polvo normal o polvo ordinario) cuya composición es a base de bicarbonatos y sulfatos, polvo ABC
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(o polvo polivalente) cuyo componente básico es el dihidrogenofosfato amónico; las letras nos indican la clase de fuegos para las que resultan útiles También hay polvos especiales, desarrollados a partir de formulaciones muy específicas, y que se encuentran en permanente evolución, debido principalmente a las necesidades que se plantean día a día con las nuevas tecnologías, que se utilizan para el tratamiento de fuegos de la Clase D o especiales, como fuegos de zirconio, magnesio, sodio, potasio, etc. Hay que tener en cuenta que la peligrosidad especial de estos fuegos, tales como liberación de gases tóxicos, reacciones explosivas, altas temperaturas, etc, requieren de un tratamiento particular y especial para estos productos. Hay que destacar que tanto estos agentes extintores como el riesgo de incendios de este tipo se encuentran localizados en industrias específicas. ¿Cómo actúa? El método de extinción es evitar la propagación de la reacción en cadena, es decir, por inhibición, y también por sofocación al cubrir el combustible. ¿Qué fuegos apaga?
En cuanto a su compatibilidad dependiendo del tipo de fuego: Clase A: el polvo convencional no es capaz de extinguir este tipo de fuegos, aunque si lo es el polvo polivalente. Clase B : es muy adecuado el empleo de extintores de polvo. Clase C: es adecuado el empleo de extintores de polvo. Clase D: únicamente es recomendable el empleo de polvos especiales. Pueden utilizarse para fuegos en presencia de tensión eléctrica si el fabricante certifica que ha superado el ensayo dieléctrico dieléctrico normalizado (Norma UNE-EN 3-7:2004+A1:2008). En la aplicación sobre aquellos equipos o lugares cuya limpieza sea difícil, puede actuar como abrasivo, y por su poder dieléctrico al utilizarlo sobre equipos delicados, puede dañarlos. Hay que tener en cuenta que el Polvo, aún no siendo tóxico, puede crear problemas en su utilización al provocar una atmósfera pulverulenta que impide la visión y puede afectar a las vías respiratoria r espiratorias. s. ¿Cómo puede aplicarse?
Puede emplearse tanto en extintores portátiles, en los que se utiliza el Nitrógeno como agente impulsor (en ocasiones se emplea CO2), como en sistemas fijos de disparo automático.
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3.4.- ANHÍDRIDO CARBÓNICO (CO 2) Es un Agente extintor gaseoso que, a temperaturas normales, posee una densidad de vapor de 1’5: es decir, que es alrededor de un 50% mas pesado que el aire. Es fácilmente licuable mediante compresión y enfriamiento, por lo que se almacena en fase líquida para abaratar los costes en las instalaciones. Es incoloro e inodoro, no es tóxico, pero no es respirable, por lo que puede provocar la muerte por asfixia, al desplazar el oxígeno. Es incomburente, de tal modo que sustituido un 30% del volumen de aire por CO2, la atmósfera resultante no permite la combustión (estos datos son aproximados y dependen de diversos factores). Se solidifica parcialmente al ser proyectado (1/3 del CO2 liberado aproximadamente), formando una especie de “copos”, gasificándose las 2/3 partes restantes del CO2 liberado, formando la atmósfera incomburente. Recibe varias denominaciones: CO2- Anhídrido Carbónico- Dióxido de Carbono- Nieve Carbónica. ¿Cómo actúa?
El método de extinción es principalmente por sofocación ya que como hemos indicado desplaza al oxígeno. En menor medida también actúa por enfriamiento. ¿Qué tipo de fuegos apaga?
Fuegos de clase A: Es aceptable y puede considerarse adecuado en fuegos poco profundos (profundidad inferior inferior a 6 mm). Fuegos de clase B: Es aceptable. Fuegos de clase C: No es adecuado. Fuegos de clase D: No es adecuado, siendo incluso hasta peligrosa su utilización, ya que estos productos pueden descomponer el Agente Extintor “alimentando” el incendio con Carbono y Oxígeno. Es muy apropiado para extinguir incendios en presencia de tensión eléctrica, y por ser un agente muy “limpio”, es muy recomendado para tratar incendios en aparatos eléctricos o electrónicos de cierta complejidad. Debe tenerse en cuenta que pierde efectividad cuando se usa al aire libre, sobre todo si existen corrientes de aire que puedan dispersar el agente. ¿Cómo puede aplicarse?
Puede emplearse en extintores portátiles, siendo fácilmente distinguibles ya que son los únicos que no poseen manómetro de comprobación y su carga se mide al peso, así como su boquilla en forma de cilindro o cono invertido que posibilita su utilización. También se emplea en sistemas fijos, para aplicaciones localizadas y sistemas automáticos, de inundación Pág. 70
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total o parcial, y para inertización de ambientes peligrosos. En estos casos se prevé un sistema de alarma y un tiempo para posibilitar la evacuación del lugar antes de la descarga.
3.5.- HALONES Durante unos cincuenta años, se utilizaron un grupo de agentes extintores, comúnmente conocidos conocidos con el nombre de halones, fabricados en base a hidrocarburos de bajo número de carbonos (metano y etano principalmente), en los que el hidrógeno ha sido sustituido por varios halógenos, principalmente principalmente fluor, cloro y bromo, y que extinguen el fuego principalmente por inhibición, reaccionando químicamente con los radicales libres que se desprenden de la combustión. Debido a su capacidad de reaccionar con los radicales libres son compuestos que también intervienen en reacciones atmosféricas, contribuyendo a la destrucción de la capa de ozono. El ozono es uno de los componentes principales de la estratosfera (entre 15 y 30 Km) y puede tener una concentración de 10 ppm. En la estratosfera el ozono se forma y también se destruye. Así, la formación de ozono se debe al mecanismo: O2 + h1 O + O (1 < 242 nm) O + O2 + M O3 +M Siendo M moléculas de compuestos como O2 o N2 que disipan la energía producida en la reacción. La producción de ozono depende de la radiación solar, la cantidad de oxigeno presente..., por lo que se forma fundamentalmente en los trópicos y luego se desplaza hacia los polos. La destrucción del ozono puede esquematizarse del siguiente modo: O3 + h2 O2 + O (1 = 240-310 nm) O + O3 + X 2O2 + X (X catalizador) En ausencia de catalizador la segunda reacción es relativamente lenta. Es decir, que existe un equilibrio entre la formación y la destrucción del ozono. Sin embargo, si la concentración del catalizador en la atmósfera aumenta, se acelerará la descomposición del ozono. Como catalizadores pueden actuar diversas especies como átomos de Cl, H, Br, o moléculas y radicales libres como NO, CO o OH. Los principales causantes causantes del aumento de la concentración de estas especies son los clorofluorocarbonados, los radicales OH procedentes de la oxidación del metano y el NO procedente del N2O que es estable en la atmósfera y puede llegar a la estratosfera y formar NO. La disminución de la concentración de ozono es lo que se denomina agujero de ozono, y su efecto se traduce en quemaduras cuando la exposición al sol es prolongada, o en un Pág. 71
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aumento del cáncer de piel, la destrucción del fitoplancton, la alteración del sistema inmunológico, lesiones oculares.... Como consecuencia de su influencia en el deterioro del medioambiente, el empleo de halones está actualmente prohibido. El Reglamento (CE) 2037/2000 (modificado por los reglamentos CE 1804/2003, CE 1005/2009 y UE 744/2010) indica que los sistemas de protección contra incendios y los extintores de incendios que contengan halones deben haber sido retirados. No obstante, se sigue permitiendo su utilización en casos críticos. Usos críticos de los halones en la Unión Europea:
USOS CRÍTICOS DE LOS HALONES (ANEXO VI, REGLAMENTO (UE) n1 744/2010 DE LA COMISIÓN) Aplicación Categoría de aparatos o instalaciones 1. En vehículos militares terrestres
Tipo de extintor
Finalidad 1.1. Para la protección compartimentos de motores
de
los
Sistema fijo
Tipo de halón
Fecha límite (31 de diciembre del año indicado)
Fecha terminal (31 de diciembre del año indicado)
1301
2010
2035
2011
2040
2011
2020
2010
2040
2010
2035
2010
2030
1211 2402
2. En buques militares de superficie
1.2. Para la protección de las cabinas de la tripulación
Sistema fijo
1301
1.3. Para la protección de las cabinas de la tripulación
Extintor portátil
1301
2.1. Para la protección de las salas de máquinas habitualmente ocupadas
Sistema fijo
1301
2.2. Para la protección de las salas de motores habitualmente desocupadas
Sistema fijo
2402 1211 2402 1301 1211 2402
2.3. Para la protección de las cámaras eléctricas habitualmente desocupadas
Sistema fijo
1301
2.4. Para la protección de los puestos de control
Sistema fijo
1301
2010
2030
2.5. Para la protección de las cámaras de bombas de combustible
Sistema fijo
1301
2010
2030
2.6. Para la protección de las zonas de almacenamiento de líquidos inflamables
Sistema fijo
1301
2010
2030
2010
2016
1211
1211 2402
3. En submarinos militares
2.7. Para la protección de los aviones en hangares y zonas de mantenimiento
Extintor portátil
1301
3.1. Para la protección de las salas de máquinas
Sistema fijo
1301
2010
2040
3.2. Para la protección de los puestos de control
Sistema fijo
1301
2010
2040
3.3. Para la protección de las salas de generadores diésel
Sistema fijo
1301
2010
2040
3.4. Para la protección de las cámaras
Sistema fijo
1301
2010
2040
Pág. 72
1211
DIPLOMA EPU SERVICIOS DE PREVENCIÓN , EXTINCIÓN DE INCENDIOS Y SALVAMENTO . MÓDULO IV: FUNDAMENTOS TEORICOS Y TECNICOS eléctricas 4. En aviones
4.1. Para la protección de las bodegas de carga habitualmente desocupadas
Sistema fijo
1301
2018
2040
2014
2025
2014
2040
2011
2040
2011
2020
2011
2040
2010
2020
1994
2016
2010
2025
1211 2402
4.2. Para la protección de las cabinas de pasajeros y de vuelo
Extintor portátil
1211
4.3. Para la protección de las góndolas de motor y las unidades auxiliares de potencia
Sistema fijo
1301
2402 1211 2402
4.4. Para la inertización de los depósitos de combustible
Sistema fijo
4.5. Para la protección de contenedores de residuos higiénicos
Sistema fijo
1301 2402 1301 1211 2402
4.6. Para la protección de las bodegas de carga seca
Sistema fijo
1301 1211 2402
5. En instalaciones petrolíferas, gasísticas y petroquímicas
5.1. Para la protección de las zonas en las que pueda haber fugas de líquidos o gases inflamables
Sistema fijo
6. En buques comerciales de carga
6.1. Para la inertización de las zonas habitualmente ocupadas en las que pueda haber fugas de líquidos o gases inflamables
Sistema fijo
7. En centros terrestres de mando y comunicaciones de importancia vital para la seguridad nacional
7.1. Para la protección de las zonas habitualmente ocupadas
Sistema fijo
7.2. Para la protección de las zonas habitualmente ocupadas
Extintor portátil
1211
2010
2013
7.3. Para la protección de las zonas habitualmente desocupadas
Sistema fijo
1301
2010
2020
8.1. Para vehículos de rescate
Extintor portátil
1211
2010
2016
8.2. Para la protección de los aviones en hangares y zonas de mantenimiento
Extintor portátil
1211
2010
2016
9. En centrales nucleares y centros de investigación nuclear
9.1. Para la protección de zonas, cuando sea necesario para reducir al mínimo el riesgo de dispersión de material radiactivo
Sistema fijo
1301
2010
2020
10. En el Túnel del Canal de la Mancha
10.1. Para la protección instalaciones técnicas
las
Sistema fijo
1301
2010
2016
10.2. Para la protección de los vehículos automotores y los vagones lanzadera de los trenes del Túnel del Canal de la Mancha
Sistema fijo
1301
2010
2020
11.1. Para las labores iniciales de Extintor extinción realizadas por el cuerpo de portátil bomberos que sean esenciales para la seguridad de las personas
1211
2010
2013
11.2. Para la protección de personas por Extintor parte de personal militar y miembros de portátil los cuerpos de policía
1211
2010
2013
8. En aeródromos y aeropuertos
11. Otros
de
1301 2402 1301 2402 1301 2402
2402
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3.6.- GASES HALOGENADOS Se trata de compuestos químicos orgánicos que en su composición contienen átomos de Cl, F o I, solos o en combinación: combinación: - Sistemas NAF: hidroclorofluorocarbonos hidroclorofluorocarbonos (HCFC) - Sistemas FE y FM: hidrofluorocarbonos hidrofluorocarbonos (HFC) - Sistemas CEA: perfluorocarbonos (FC) Actúan de forma similar a los halones, pero son menos efectivos, y también contribuyen a la destrucción de la capa de O 3, por lo que también deben de ser sustituidos en el futuro. En la tabla se muestran los gases halogenados empleados como agentes extintores. AGENTE
FÓRMULA
NOMBRE
NOMBRE COMERCIAL
HFC-227ea
CF3CHFCF3
Heptafluoropropano
FM-200, FE-227
HFC-125
CHF2CF3
Pentafluoroetano
FE-25
HFC-23
CHF3
Trifluorometano
FE-13
HCFC-124
CHCIFCF3
Clorotetrafluoroetano
FE-241
HCFC-mezcla A
4,75% HCFC-123+82% HCFC-22 + 9,5% HCFC-124 + 3,75% Isopropenyl-1metilciclohexano
HFC-134a
CHF2CHF2
Tetrafluoretano
HCFC-22
CHCIF2
Clorodifluorometano
HFC-236fa
CF3CH2CF3
Hexafluoropropano
FE-36
FC-2-1-8
C3F8
Perfluoropropano
CEA-308
FC-3-1-10
C4F10
Perfluorobutano
CEA-410
FIC-1311
CF3I
Trifluoroiodometano
Triodide
FS 49 C2
HFC-134a + 2 comp.
Dodecafluoro-2metilpentan-3-ona
Halotron II
C6-fluorocetona
CF3CF2C(O)CF(CF3)2
H FC227-BC
HFC-227ea + NaHCO3
NAF S-III
Novec 1230
3.7.- GASES INERTES Los gases inertes son una alternativa a los halones. Se trata de productos químicos que no son oxidantes, y que actúan desplazando al oxígeno y, por tanto, evitando la combustión,
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es decir, por sofocación. Además no son conductores de la electricidad, no causan efecto invernadero ni afectan a la capa de ozono, por lo que se consideran “sustancias limpias”. La EPA y la NFPA han fijado que la concentración de oxígeno en las zonas ocupadas debe ser al menos del 10%. El Argón (IG-01) es un gas noble noble y, por tanto, no reactivo. El Ar reduce la concentración de O 2 hasta el 12%, por lo que es capaz de extinguir la mayoría de los incendios en menos de 45 s. Se trata de un gas seguro para zonas ocupadas y, además, tras su descarga mantiene la visibilidad. Es un agente extintor que puede ser aplicado para proteger salas de ordenadores, equipos de centrales telefónicas, instalaciones eléctricas, electrónicas y para la protección de archivos, museos, bibliotecas y cualquier otro riesgo que contenga bienes únicos o de alto valor y además está especialmente indicado para grandes volúmenes. Otro agente extintor es denominado IG-55, se trata de una mezcla 1:1 de N 2 y Ar. Se trata de un agente extintor que no deja residuo. Los gases no son conductores ni corrosivos, no son tóxicos y no producen productos de combustión secundarios. Es capaz de reducir la concentración de O 2 a niveles entre el 11% y 13%, para lo que se emplea una concentración extintora del 36%. Se utiliza en salas de control y de informática, en archivos, en armarios eléctricos y alrededor de equipos de telecomunicaciones. Otra de las mezclas empleadas es el IG-541. Está compuesto por un 52% de N 2, un 40% de Ar y un 8% de CO 2. Utiliza una concentración extintora entre el 40 al 80%. Es un gas respirable que incrementa el ritmo respiratorio en períodos cortos de tiempo. Para movernos dentro de la seguridad, el aire ambiental del lugar de extinción contendrá al menos un 14% de O2, y un 4%, como máximo, de CO 2. Si la concentración de O 2 es menor del 12% se deberá evacuar el local en un tiempo igual o inferior a 30 segundos. Durante la descarga se mantiene una buena visibilidad. Se emplea para la extinción en el caso de riesgos eléctricos o electrónicos, salas de mezcla de líquidos inflamables, bibliotecas, archivos y museos, etc.
3.8.- ELECCIÓN DEL AGENTE EXTINTOR En primer lugar debe ser adecuado al área o materiales que se desea proteger. Debemos tener en cuenta la posible toxicidad de los gases producidos, en la descomposición por el calor, sobre todo si se emplean en lugares pequeños y mal ventilados. Debemos considerar la posibilidad de dañar equipos electrónicos delicados. Debemos considerar el riesgo eléctrico. Pero ante todo, y como base, debemos considerar el riesgo para los ocupantes y su posible evacuación.
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En la tabla se muestra, de forma sinóptica, la adecuación de cada uno de los agentes extintores en relación con el tipo de fuego:
AGENTE EXTINTOR
TIPO DE FUEGO A Sólidos
B Líquidos
XXX2
X
Agua Pulverizada
C Gases
D Metales
XX2
Agua a chorro Polvo BC convencional Polvo ABC polivalente
XX
XXX
XX
XX
XX
Polvo específico metales
XX XX2
XX
Dióxido de carbono
X1
X
Hidrocarburos halogenados
X1
XX
Espuma física
XXX Muy adecuado; XX Adecuado; X Aceptable 1 En fuegos poco profundos (profundidad inferior a 6 mm) puede considerarse 2 En presencia de tensión eléctrica no son aceptables como agentes extintores el agua a chorro ni la espuma. El resto de agentes extintores podrán utilizarse en aquellos extintores que superen el ensayo dieléctrico normalizado.
4.- EXTINTORES DE INCENDIO PORTÁTILES Es un aparato que contiene un agente extintor que puede proyectarse y dirigirse sobre un fuego por la acción de una presión interna. Esta presión puede producirse por una compresión previa permanente, o mediante la liberación de un gas auxiliar. Los extintores portátiles son los concebidos para llevarse y utilizarse a mano y que, en condiciones de funcionamiento, tienen una masa inferior o igual a 20 kg También existen extintores dorsales dorsales que, con una masa inferior o igual a 30 kg, están equipados con un sistema de sujeción que permite su transporte a la espalda de una persona, y extintores dotados de ruedas para su desplazamiento.
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Extintor de incendios de presión permanente: En el punto 4 va roscado un manómetro indicador de la presión del gas impulsor que ocupa la parte superior del recipiente. Para accionar el extintor se quita el pasador 8 tirando de la anilla, desbloqueándose la palanca 6 que se acciona apretando hacia la maneta fija 7 para que así se ponga en comunicación el tubo sonda 5 y la manguera 9. Entonces el gas impulsor empuja a la masa del agente extintor obligándola a salir por el tubo sonda hacia la manguera y su boquilla.
Extintor de incendios de presión no permanente con botellín interior: La parte superior es idéntica a la anterior con la excepción de que no lleva el agujero roscado para un manómetro. Este tipo de extintor lleva una válvula de seguridad 6 tarada a 0.8 veces la presión de prueba, porque suponemos que su capacidad es superior a tres litros. Además el botellín si es de anhídrido carbónico y su capacidad es superior a 0.40 litros, dispone de un disco de seguridad tarado a una presión aproximada de 190 kg/cm2.
La presión de los extintores puede ser incorporada cuando es constante y adosada cuando se aplica en el momento de su funcionamiento. El CO 2 es el único agente que es capaz de impulsarse por su propia presión, necesitando los demás de otro gas impulsor para ser proyectado con la suficiente presión (nitrógeno o CO 2). El agente extintor va contenido en un recipiente que puede ser de diversos metales (acero al carbono, acero inoxidable, inoxidable, etc.); es lo que llamamos cuerpo del extintor. extintor. Los extintores deben ser de color rojo en el 95% de su superficie. Cualquiera que sea el tipo de extintor debe de ir provisto, al menos, de los siguientes elementos de identificación e información. Marca de conformidad a normas: Los extintores de incendio necesitarán, antes de su fabricación o importación, con independencia de lo establecido por la ITC-MIE-AP5 (orden de 31 de mayo de 1982 por la que se aprueba la Instrucción Técnica Complementaria MIE-AP5 del Reglamento de Aparatos a Presión sobre Extintores de Incendios, y modificaciones posteriores), ser aprobados de acuerdo con lo establecido en el Reglamento de instalaciones de protección contra incendios (RD 1942/1993, modificado por orden de 16 de abril de 1998 sobre Normas de Procedimiento y Desarrollo del R.D.1942/1993), a efectos de justificar el cumplimiento de lo dispuesto en la Norma UNE–EN 3-7:2004. La Placa de Timbre, contendrá el número de registro dado por el Ministerio de Industria de aprobación del tipo de aparato, la presión del timbre y las fechas de retimbrado .
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Los retimbrados han de hacerse cada cinco años, y sólo se admiten tres, por lo que la vida máxima del aparato es de 20 años. Todo aparato que no posea esta Placa está en condiciones ilegales. La etiqueta de características irá situada sobre el cuerpo del extintor, en forma de calcomanía, placa metálica, impresión serigráfica o cualquier otro procedimiento de impresión que no se borre fácilmente. Se elegirán caracteres fácilmente legibles, y algunos de estos han de poder leerse rápidamente antes de su utilización. Estos caracteres son: - Nombre del fabricante o importador. - Naturaleza del Agente Extintor. - Temperatura de servicio. - Eficacia. - Peligros de empleo. - Instrucciones para su uso.
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MARCA DEL EXTINTOR EXTINTOR DE INCENDIOS 6 Kg Polvo ABC
21 A
113B
C
MODO DE EMPLEO 1. 2. 3.
Quitar el pasador de seguridad Apretar la maneta Dirigir el chorro a la base de las llamas
PRECAUCIÓN No apto para su uso en presencia de tensiones superiores a 35.000 voltios El polvo ABC no es tóxico ni corrosivo
FABRICANTE:
MARCA DE LA ENTIDAD AUTORIZADA
Agente extintor: 6 Kg Polvo ABC Agente propulsor: N2 Contraseña: FAI 1491 Transporte: EX-0291-V-V Homologado según: ITC, MIE AP-5 B.O.E. 20.6.85 Temperatura de servicio: - 20°C + 60°C Verificar anualmente Utilizar para la recarga Recambios originales del modelo aprobado
DISTRIBUIDOR: MANTENEDOR Y/O RECARGADOR:
El extintor posee una serie de características que es necesario definir: Carga: Carga: masa o volumen del agente extintor contenido en el extintor. Tiempo de funcionamiento: es el período durante el cual, y sin que haya interrupción alguna, tiene lugar la proyección del agente extintor, sin tener en cuenta la emisión de gas propulsor. Alcance medio: distancia medida sobre el suelo, en una prueba de laboratorio normalizada, entre el orificio de proyección y el centro del recipiente que recoja mayor cantidad del agente extintor. Eficacia: es una de las características más importantes de un extintor. Los extintores se clasifican según el hogar-tipo que son capaces de extinguir, en una prueba de laboratorio normalizada, identificándose con un número y una letra.
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El número hace referencia a la cantidad de combustible utilizada en el hogar-tipo, y la letra corresponde a la clase de fuego: 5A, 8A, 13A, 21A, 27A, 34A y 55A para los fuegos de clase A y 21B, 34B, 55B, 70B, 89B, 113B, 144B, 183B y 233B para los fuegos de clase B. Todos los ensayos aparecen descritos en la norma UNE –EN 3-7:2004. Los hogares-tipo para fuegos de la clase A están constituidos por un apilamiento de vigas de madera sobre un bastidor metálico. Junto a ciertos criterios comunes, el número de un hogar-tipo de clase A representa: - La longitud del hogar en decímetros, es decir, la longitud de las vigas de madera dispuestas en sentido longitudinal respecto del hogar. - El número de vigas de madera de 500 mm dispuestas en cada capa, y transversalmente transversalmente respecto del hogar. En cualquier caso, cuanto mayor sea el número que precede a la letra A, mayor será su eficacia extintora. En cuanto a los fuegos de clase B, el número indica los litros de una mezcla aguacombustible (heptano industrial), en una proporción 1/3 - 2/3 que se utilizan en el hogar tipo. éstos.
Respecto al ensayo para fuegos de clase C, se derogó la norma por la que se regían
El Código Técnico de Edificación (CTE) de 2006 establece que deben colocarse extintores de eficacia mínima 21A-113B en todos los edificios, y extintores móviles en determinadas zonas hospitalarias de riesgo especial alto (de 25 kg) y zonas comerciales de riesgo especial medio (de 50 kg)
4.1.- EMPLAZAMIENTO DE LOS EXTINTORES El procedimiento para decidir o para comprobar la distribución correcta de los extintores en un edificio o zona del mismo será el siguiente: - En cada planta: Deberán colocarse extintores en todas y cada una de las plantas del edificio. - Junto a cada salida: Conviene situar un extintor junto a cada una de las salidas principales. Es frecuente encontrar los extintores colocados al fondo de los locales, lejos de la salida. Si hubiera que alcanzarlos en caso de incendio, o no se podría llegar hasta ellos o, lo que sería peor, se correría el riesgo de quedar envueltos por el humo o por las llamas sin salida posible. - Cerca y al exterior del riesgo: Para establecer la situación correcta de cada extintor, siempre debe tenerse en cuenta que pueda alcanzarse sin el riesgo de quedar envueltos por el fuego. En la zonas de mayor riesgo y, en especial, en los cuartos donde se ubican cuadros eléctricos, calderas de calefacción u otras instalaciones que supongan un alto riesgo de incendio (chimeneas hogar, cocinas, etc.), el extintor que los protege debe colocarse al exterior del recinto y cerca de su puerta. Si hay varios recintos Pág. 80
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cercanos, un sólo extintor puede servir simultáneamente para proteger todos ellos, siempre que se cumplan las distancias mínimas exigidas. Si los extintores están colocados dentro de esos recintos, no se podrán alcanzar en caso de incendio porque quedarán envueltos por el humo y las llamas. Además del riesgo que ello supone para las personas que intenten utilizarlos, hay que recordar que los extintores son aparatos a presión que pueden explosionar fácilmente por efecto del fuego. - Distancia máxima de 15 m hasta un extintor: Una vez ubicados los extintores próximos a las salidas y a los puntos de riesgo, deben añadirse los necesarios para que, desde cualquier origen de evacuación hasta un extintor, el recorrido real sea de 15 m como máximo en la misma planta. En grandes recintos diáfanos puede no ser posible cumplir la condición anterior. En estos casos se permite disponer un extintor por cada 300 m 2 construidos, que se repartirán de manera uniforme. - Accesibilidad: La colocación del extintor debe permitir un rápido y fácil acceso al mismo, por su altura y por la ausencia de obstáculos. No hay normas que obliguen a colocar los extintores a una altura determinada, aunque se recomienda que quede, como máximo, a 1,70 m del suelo midiendo desde la parte más alta del extintor. No obstante, según las características de los ocupantes, a veces puede ser preferible ponerlos más bajos para facilitar su accesibilidad. Es frecuente (sobre todo en establecimientos públicos y en escuelas) que los extintores se coloquen mucho más altos que la altura recomendada de 1,70 m para impedir que los niños puedan utilizarlos para jugar, o para que no se los lleven. Dado que los problemas que provoca esta situación pueden ser mucho mayores que sus ventajas, conviene recomendar la adquisición de armarios protectores donde dejar los extintores a una altura adecuada. - Protección: Los extintores que puedan estar sujetos a posibles daños químicos o atmosféricos deberán estar protegidos convenientemente.
4.2.- VERIFICACIÓN Y MANTENIMIENTO MANTENIMIENTO La verificación y mantenimiento de estos aparatos es necesaria para asegurar en cualquier momento que se encuentran en perfecto uso de utilización. Las operaciones a realizar serán las siguientes: A) Cada tres meses, por parte del propio usuario o por empresas mantenedoras autorizadas, debe comprobarse la accesibilidad, señalización, buen estado aparente de conservación. Se señalizarán los extintores que no sean fácilmente localizables desde algún punto de la zona que protegen. También debe realizarse una inspección ocular de seguro, precintos, inscripciones, etc. y la comprobación de la presión en el manómetro o, en su caso, del peso. Asimismo, se realizará una inspección ocular del estado externo de las partes mecánicas (boquilla, válvula, manguera, etc.). Los extintores deberán estar provistos de un
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dispositivo de cierre automático que permita la interrupción temporal del chorro. Si se trata de extintores antiguos con un mecanismo de disparo de tipo rueda o volante, debe recomendarse que se cambien por extintores con mecanismo de disparo por “pistola”. Todos los extintores con más de 3 Kg o más de 3 litros, deben estar equipados con una manguera de descarga de 400 mm de longitud mínima. B) Cada año, año, por empresas instaladoras o mantenedoras autorizadas, se realizará la comprobación del peso y presión en su caso. En el caso de extintores de polvo con botellín de gas de impulsión se comprobará el buen estado del agente extintor y el peso y aspecto externo del botellín. También se realizará una inspección ocular del estado de la manguera, boquilla o lanza, válvulas y partes mecánicas. En esta revisión anual no será necesaria la apertura de los extintores portátiles de polvo con presión permanente, salvo que en las comprobaciones que se citan se hayan observado anomalías que lo justifique. En el caso de apertura del extintor, la empresa mantenedora situará en el exterior del mismo un sistema indicativo que acredite que se ha realizado la revisión interior del aparato. Como ejemplo de sistema indicativo de que se ha realizado la apertura y revisión interior del extintor, se puede utilizar una etiqueta indeleble, en forma de anillo, que se coloca en el cuello de la botella antes del cierre del extintor y que no pueda ser retirada sin que se produzca la destrucción o deterioro de la misma. C) Cada cinco años, años , por empresas instaladoras o mantenedoras autorizadas, se realizarán las siguientes siguientes operaciones: - A partir de la fecha de timbrado del extintor (y por tres veces) se procederá al retimbrado del mismo de acuerdo con la ITC-MIE-AP5 del Reglamento de aparatos a presión sobre extintores de incendios. En la placa de timbre encontraremos de una a cuatro fechas, casi siempre con un número que identifica el mes y otro el año (por ejemplo 08-06, significa agosto de 2006). Si han pasado más de 5 años desde la última fecha el extintor debe ser retimbrado. - Se rechazarán aquellos extintores que, a juicio de la empresa mantenedora presenten defectos que pongan en duda el correcto funcionamiento y la seguridad del extintor o bien aquellos para los que no existan piezas originales que garanticen el mantenimiento de las condiciones de fabricación. La empresa mantenedora colocará en todo extintor que haya mantenido y/o recargado, fuera de la etiqueta del fabricante del mismo, una etiqueta con su número de autorización, nombre, dirección, fecha en la que se ha realizado la operación, fecha en que debe realizarse la próxima revisión, entregando además al propietario del aparato un certificado del mantenimiento realizado en el que conste el agente extintor, el gas propelente, las piezas o componentes sustituidos y las observaciones que estime oportunas.
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4.3.- NORMAS DE UTILIZACIÓN El usuario de un extintor de incendios, para conseguir una utilización del mismo mínima eficaz, teniendo en cuenta que su duración es aproximadamente de 8 a 60 segundos, según tipo y capacidad del extintor, tendría que ser formado previamente de forma práctica con el fin de poder utilizarlo de forma eficaz y sin peligro para él. El agente extintor o los productos que pueda generar en contacto con el fuego pueden ser en ocasiones tóxicos. Además, es posible que se produzcan quemaduras y daños en la piel debido a la proximidad del fuego o reacciones químicas peligrosas. Otros potenciales peligros del empleo de los extintores son las descargas eléctricas o proyecciones inesperadas de fluidos emergentes del extintor a través de su válvula de seguridad, también se debe considerar la posibilidad de mecanismos de accionamiento en malas condiciones de uso. Las siguientes reglas generales de uso son las siguientes: - Al descubrir el fuego, dé la alarma personalmente o a través de un compañero, por teléfono, o accionando un pulsador de alarma. - Seguidamente coja el extintor de incendios más próximo que sea apropiado a la clase de fuego. Sin accionarlo, diríjase a las proximidades del fuego. - Prepare el extintor, según las instrucciones instrucciones recibidas en las prácticas contra incendios. Si no las recuerda, están indicadas en la etiqueta del propio extintor. Generalmente deberá hacerse lo siguiente: Dejado el extintor en el suelo, coja la pistola o boquilla de descarga y el asa de transporte, inclinándolo un poco hacia delante.
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●
Con la otra mano, quite el precinto, tirando del pasador hacia fuera.
Si es necesario presurizar el extintor, hágalo accionando el dispositivo de apertura del botellín. ●
●
Presione la palanca de descarga para comprobar que funciona el extintor.
Dirija el chorro del extintor a la base del objeto que arde hasta la total extinción, o hasta que se agote el contenido del extintor.
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5.- INSTALACIONES INSTALACIONES FIJAS EN LOS EDIFICIOS El Reglamento de instalaciones de protección contra incendios, promulgado mediante el Real Decreto 1942/1993, determina las condiciones que deben cumplir las instalaciones de extinción y detección de incendios, según Normas UNE. Las instalaciones de detección y extinción de incendios deberán ser realizadas por una empresa debidamente autorizada y registrada en la Comunidad Autónoma.
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5.1.- BOCAS DE INCENDIO EQUIPADAS (BIE) Se trata de una instalación que permite a los ocupantes de un edificio proyectar agua contra el fuego hasta la llegada de los Bomberos. Se trata de una toma de agua, en un punto fijo de una red de incendios, provista de un conjunto de elementos necesarios para transportar y proyectar agua desde el mismo hasta el lugar del fuego. La protección que proporcionan las BIEs son: - medio de primera intervención, para sofocar conatos o para una acción inmediata a cargo del equipo de primera intervención. - medio fundamental de extinción interior, si las características del establecimiento lo permiten. Las BIEs se clasifican por el diámetro nominal de la manguera: 25, 45, 70 y 100 mm. Sólo se consideran BIE las de 25 y 45 mm. (las de 70 y 100 mm. se consideran hidrantes interiores). Las principales diferencias diferencias entre las BIEs de 25 mm. y las de 45 mm. son: - las de 25 mm. no requieren la extensión total de la manguera para comenzar a arrojar agua. - la extensión de la manguera en una BIE de 25 mm. es más sencilla al no ser colapsable. - los caudales de la BIE de 25 mm. son bajos, pudiendo ser utilizadas por una sola persona, mientras que una de 45 mm. requerirá de la colaboración de, al menos, dos personas. Por todo ello las BIEs a emplear serán, preferiblemente, preferiblemente, de 25 mm. La distribución e instalación deberán seguir los siguientes criterios: - La distancia desde cualquier punto de riesgo y la BIE más próxima no debe exceder de la longitud de la manguera más de 5 metros. - Las BIE se ubican, preferentemente, dentro de los locales protegidos. - Las BIE se sitúan en los paramentos o pilares de los locales. - No debe existir obstáculo alguno que dificulte o impida el acceso o la utilización de una BIE. - Las BIE deben estar señalizadas convenientemente mediante señales normalizadas. - La alimentación a las BIE de 25 mm. no se realiza por encima de ellas para evitar la acumulación de sedimentos en la válvula.
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- El abastecimiento de agua de las BIE será común a los demás sistemas de protección contra incendios que empleen agua. Debe garantizarse un alcance efectivo mayor de 5 metros en la BIE más desfavorable cuando se está descargando por el sistema el caudal de agua requerido. En algunas ocasiones, en las que el riesgo principal es de fuegos en presencia de tensión eléctrica, y las personas que podrían utilizar las bocas de incendios no son expertas, la dotación de bocas de incendio puede suponer un riesgo mortal para esas personas si las utilizaran sin tomar las debidas precauciones. Por ello, y aunque las normas vigentes obliguen a instalarlas en determinados casos, conviene recomendar su sustitución por extintores de carro de 25 o 50 kg de polvo polivalente (o de CO 2 según el tipo de combustibles existentes).
5.2.- SISTEMAS DE DETECCIÓN Y DE ALARMA DE INCENDIO Para detectar el fuego existen unos aparatos llamados detectores de incendio, que pueden ser de varios tipos: - Detector iónico : dispone de dos cámaras, una cerrada y otra abierta al aire ambiente, equilibradas eléctricamente. Cuando a la cámara abierta llegan moléculas ionizadas de la reacción de combustión se produce un desequilibrio eléctrico entre ambas cámaras, lo que produce la alarma. Se utilizan principalmente en lugares donde puedan existir fuegos lentos o de evolución lenta (salas de ordenadores, archivos, bibliotecas, etc. ). - Detector óptico de humos: son células fotoeléctricas que al oscurecerse el camino óptico por el humo, o iluminarse por reflexión de la luz en dichas partículas, se activan produciendo la alarma. Se utilizan donde pueden existir fuegos latentes o de evolución lenta, o donde no es posible utilizar los detectores iónicos debido a las condiciones ambientales (almacenes de combustibles prensados, bodegas de barcos, áreas de fabricación, etc). - Detector de llamas : es una célula fotoeléctrica que capta el espectro de emisión infrarrojo o ultravioleta característico de la llama. Se usan generalmente donde pueda presentarse un fuego en forma de llama abierta y de evolución rápida (almacenes o depósitos de líquidos inflamables de grandes dimensiones o al aire libre). - Detector térmico : el calor que se libera en la combustión eleva la temperatura del ambiente, y dicho incremento de temperatura puede ser detectado por el correspondiente dispositivo. Se usan donde pueda presentarse una acumulación rápida de calor y en los cuales la evolución del fuego es media o rápida (garajes o aparcamientos).
Los detectores térmicos pueden ser de dos tipos: Detectores termoestáticos, o térmicos, que emiten una señal de alarma cuando la temperatura ambiente alcanza un valor predeterminado.
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Detectores termovelocimétricos, basados en la medición de la velocidad de aumento de la temperatura (gradiente de temperatura). Combinan dos
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elementos: uno que da la alarma al registrar un gradiente de temperatura y otro que suspende la alarma para gradientes bajos Además de estos sistemas automáticos de detección, en las instalaciones de detección se colocan pulsadores de alarma, activados manualmente, que sirven para enviar aviso a la central de detección con solo romper el cristal.
5.3.- SISTEMAS DE EXTINCIÓN AUTOMÁTICA Son sistemas de distribución de agua a presión, mediante la adecuada red de tuberías que cubren el local a proteger, generalmente sobre los techos, y a la que están conectados los rociadores o sprinklers (válvulas especiales diseñadas para distribuir el agua en forma de lluvia). Dichos rociadores disponen de unas boquillas obturadas por cápsulas rellenas de un líquido dilatable o por elementos fusibles que, a una temperatura determinada, se rompen y liberan el paso del agua. Desde su origen (mediados del s. XIX) los rociadores automáticos de agua son el medio de protección contra incendios de mayor fiabilidad. Las instalaciones de estos equipos realizan automáticamente tres funciones en la protección de incendios: - Detectan el fuego. - Dan la alarma. - Controlan o extinguen el fuego. Su objeto es conseguir que, ante el inicio de un fuego, se consiga una proyección automática sobre el mismo a fin de extinguirlo sin intervención humana. Los sistemas de rociadores automáticos de agua presentan la ventaja de que solo actúan en las zonas donde se inicia y detecta el incendio. Para conseguir un mismo efecto, la cantidad de agua que consume un sistema de rociadores automáticos es menor que la consumida por una boca de incendio equipada. Además, estos sistemas actúan incluso donde el calor y el humo impiden la actuación de los bomberos. La instalación debe hacerse según proyecto suscrito por un técnico titulado competente que debe tener en cuenta las normas UNE que le sean de aplicación. El actual CTE impone la obligación de instalar sistemas de extinción automática: - en todo edificio cuya altura de evacuación exceda de 80 m (o si la altura de evacuación excede de 28 m o la superficie construida del establecimiento excede de 5000 m2 en uso residencial público); - en cocinas en las que la potencia instalada exceda de 20 kW en uso Hospitalario o Residencial Público o de 50 kW en cualquier otro uso; - en determinados determinados centros de transformación; transformación;
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- si la superficie total construida excede de 1.500 m², en las áreas públicas de ventas (y se cumplen ciertos requisitos) y en los recintos de riesgo especial medio y alto en uso Comercial, así como - en todo aparcamiento robotizado. robotizado. En algunos casos, la instalación de rociadores de agua puede ser incompatible con los materiales que deben protegerse, por lo que deberán darse soluciones alternativas, por ejemplo, disponer de un sistema de extinción automática con agentes gaseosos en centrales de ordenadores, archivos y depósitos de objetos de valor elevado, etc. Existen también extintores fijos automáticos, cuya instalación siempre conviene recomendar sobre los quemadores de las calderas de calefacción en lugares como escuelas, hoteles, residencias de ancianos, etc.
5.4.- COLUMNAS SECAS Se trata de una tubería, de 80 mm de diámetro, normalmente vacía, a la que se conectan las autobombas de los Bomberos para inyectar agua a presión, que tiene salida por bocas situadas en los pisos a las que conectaremos las mangueras para atacar el fuego sin necesidad de hacer una instalación vertical. Aunque la idea de instalar columnas secas tiene por objeto conseguir un ahorro en el tiempo que se tarda en instalar las mangueras cuando se trata de edificios de gran altura, suponen un grave problema de seguridad y de eficacia para los Bomberos, ya que muy pocas veces podrán estar seguros de que su mantenimiento sea el correcto y de que soportarán las presiones que se requieren para hacer llegar el agua hasta los pisos más altos. Por eso, no tiene sentido colocar Columnas Secas en lugares, como naves industriales, edificios de baja altura, etc., donde resulta muy sencilla y rápida la instalación de las mangueras de los Bomberos. El CTE establece que la columna seca será instalada en edificios o establecimientos de más de 24 m. de altura de evacuación (15 m en uso Hospitalario), o en aparcamientos con más de tres plantas bajo rasante o más de cuatro sobre rasante, r asante, con tomas en todas sus plantas. Asimismo, los municipios pueden sustituir esta condición por la de una instalación de bocas de incendio equipadas cuando, por el emplazamiento de un edificio o por el nivel de dotación de los servicios públicos de extinción existentes, no quede garantizada la utilidad de la instalación de columna seca.
5.5.- HIDRANTES Se entiende por hidrante todo punto de conexión exterior al edificio conectado a una red de tuberías enterrada y cuya finalidad es abastecer de agua a los Servicios de Extinción de
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Incendios. Pueden estar situados en la vía pública o en zonas urbanizadas del interior de las empresas. La instalación de hidrantes tiene por objeto: - Servir de conexión y abastecimiento a las mangueras necesarias para los cometidos siguientes: ●
la lucha contra los incendios que tengan lugar en el propio establecimiento, y
la protección del propio establecimiento frente a incendios que tengan lugar en establecimientos vecinos.
●
- abastecer de agua a los vehículos autobomba del servicio público de extinción. Los hidrantes pueden ser públicos o privados. Los públicos son exteriores, y de uso exclusivo del servicio público de extinción. Al menos debe haber un hidrante por cada 10.000 m 2 construidos o fracción del edificio a proteger, repartiéndolos razonablemente razonablemente por su perímetro, si la altura de evacuación descendente excede de 28 m (o la ascendente de 6 m), así como en establecimientos de densidad de ocupación mayor de 1 persona cada 5 m 2 y cuya superficie construida es mayor de 2000 m2 (5000 m2 en uso residencial vivienda, administrativo o docente, 1000 m 2 en uso comercial y 500 m 2 en cines, teatros, auditorios y discotecas)
5.6.- ASCENSOR DE EMERGENCIA En el actual CTE se exige instalar un ascensor de emergencia en las plantas cuya altura de evacuación exceda de 50 m. (35 m en el caso de uso Residencial Vivienda y 15 m en las zonas de hospitalización y de tratamiento intensivo de uso Hospitalario). Sus características principales serán: - Tendrá, como mínimo, una capacidad de carga de 630 kg, una superficie de cabina de 1,40 m² (en uso Hospitalario las dimensiones serán de 1,20 m x 2,10 m, como mínimo), una anchura de paso de 0,80 m y una velocidad tal que permita realizar todo su recorrido en menos de 60s. - En la planta de acceso al edificio se dispondrá un pulsador junto a los mandos del ascensor, bajo una tapa de vidrio, con la inscripción "USO EXCLUSIVO BOMBEROS". La activación del pulsador debe provocar el envío del ascensor a la planta de acceso, y permitir su maniobra exclusivamente desde la cabina. - En caso de fallo del abastecimiento normal, la alimentación eléctrica al ascensor pasará a realizarse de forma automática desde una fuente propia de energía, que disponga de una autonomía de 1 h como mínimo.
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6.- BIBLIOGRAFÍA Manual S.E.P.E.I. de Bomberos, Diputación de Albacete, 2003. Ciencia de Espumas – Aplicaçao na extinçao de incendios, R.C.R. Figueredo Figuered o et al, Quimica Nova, 22(1), 1999, 116-130. Boletín Informativo Informativo ESPAM, nº 5, 2001, Ayto. de Málaga. Notas Técnicas Preventivas nº 99 y 536, INSHT, Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales. Manual de Seguridad contra Incendios, Fundación MAPFRE, 1997. Manual de Extinción de Incendios, J.J. Boulandier Herrera, F. Esparza Fernández, J. Garayoa Gurruchagui, C. Orta González-Orduñ González-Orduñaa y P. Anitua Aldecoa. Aldecoa. 2002 (ultimo acceso acceso 11-012011) http://www http://www.bomberosdena .bomberosdenavarra.com/ind varra.com/index.php?m=56& ex.php?m=56&id=7&pagina id=7&pagina=1 =1 Código Técnico de la Edificación 2006
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HIDRÁULICA HIDRÁU LICA APLICADA APLICA DA A BOMBEROS Juan Miguel Suay
1 INTRODUCCIÓN Si leemos la definición de la palabra BOMBERO en el diccionario de la Real Academia Española, vemos que además describir a la persona que tiene por oficio extinguir incendios y prestar ayuda en otros siniestros, tiene otra acepción persona que tiene por oficio trabajar con bombas hidráulicas , aquí es donde se encuentra el origen de la palabra, ya que para extinguir un fuego se necesita agua y este fluido extintor tiene que ser impulsado mediante bombas. Tradicionalmente los que contaban con el oficio y el buen arte del manejo de estas maquinas eran los profesionales de la extinción de incendios. A lo largo de la historia, los bomberos han dispuesto de materiales cada vez más desarrollados tecnológicamente, esto ha traído consigo la necesidad de una formación en su manejo cada vez más especializada, pero curiosamente un conocimiento profundo sobre su principal herramienta de trabajo no ha evolucionado. La hidráulica entendida como el arte de conducir, contener, elevar y aprovechar las aguas, es una ciencia muy antigua en donde se aúnan el arte, las matemáticas, la física y la tecnología. La principal dificultad estriba en que algunos conceptos manejados por esta ciencia desafían nuestra intuición, por lo tanto, es necesario acercarse a su estudio empleando una metodología adecuada. El objetivo de este tema es conocer esta metodología, ya que un profesional de la extinción debe conocer y comprender conceptos tales como: presión barométrica y manométrica, presión estática y dinámica, leyes fundamentales de la hidrodinámica, perdidas de carga, etc. Además de ser capaz de realizar diferentes cálculos en instalaciones para bomberos y estar familiarizado con las características técnicas de las bombas de impulsión y aspiración más comunes entre los Servicios de Prevención y Extinción de Incendios y Salvamento (SPEIS). Todos estos conceptos se desarrollan a continuación.
2 CONCEPTOS BÁSICOS DE HIDRÁULICA 2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS. DENSIDAD. VISCOSIDAD La materia, en condiciones habituales de presión y temperatura, se presenta en tres estados de agregación, líquido, gaseoso o sólido. sólido. Si observamos un sólido vemos que tiene una forma y un volumen definidos, mientras que un líquido conserva su volumen adoptando la forma del recipiente que lo contiene, y mostrando una superficie libre. En cambio un gas no tiene ni forma ni volumen propio. La diferencia entre los estados de la materia se debe a las fuerzas de cohesión interna de las moléculas, características de cada sustancia. Denominamos fluidos a las sustancias líquidas y gaseosas. Una de las diferencias existentes entre un sólido y un fluido es su diferente respuesta frente a la acción de una fuerza: los sólidos se deformarán mientras persista la misma, y recuperaran su forma primitiva primitiva total o parcialmente parcialmente cuando cese este esfuerzo, esfuerzo, debido a la existencia de una fuerza que se opone a la aplicada. Sin embargo, los fluidos fluirán por pequeño que sea el esfuerzo, es decir, cambiarán continuamente de forma, mientras persista dicho esfuerzo, ya que no presentan una fuerza que se oponga a la aplicada, lo que indica que no hay tendencia a recuperar la forma primitiva al cesar el esfuerzo aplicado. Pág. 90
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La densidad es la medida del grado de compactación que tiene un fluido, es decir es la medida de cuanto material (masa) se encuentra contenida en espacio determinado (Volumen):
m V Se mide el Kg/m 3. Si tenemos un metro cúbico de agua ( 1000 Kg./m3), ¿Qué ocurre con la densidad si lo repartimos en dos recipientes recipientes por la mitad?, mitad?, La respuesta es nada, ya que ambos ambos recipientes contendrán la misma masa (500 Kg), pero también ocuparan la mitad de volumen (0,5 m3). Pero, si tenemos un metro cúbico de aire ( 1,21 Kg./m3) y lo comprimimos, el volumen disminuye sin variar la masa que lo contiene, por lo tanto la densidad aumenta. Al contrario si lo expandimos la densidad disminuye ya que la misma masa ocupa menos espacio. Se denomina fluido incompresible aquel que mantiene constante la densidad al variar la presión a la que está sometido, el agua es un ejemplo de este tipo de fluido. Se denomina densidad relativa al cociente entre la masa de una sustancia y la masa de un volumen igual de agua. Es decir: sus tan cia r agua
Una sustancia que tenga una densidad relativa mayor que uno quiere decir que contiene mayor masa que el mismo volumen de agua, es decir que es más pesada que el agua. Si es menor que uno la sustancia es más ligera que el agua. Si en vez de la masa medimos el peso por unidad de volumen de la sustancia, a esta relación se denomina peso específico. Peso m g g V V Se mide en N/m3.La constante g es la aceleración de la gravedad y vale (9,81 m/s 2). La viscosidad es una resistencia interna que tiene un fluido, consecuencia de las fuerzas de atracción entre las moléculas del mismo. Esto se materializa en que el esfuerzo que hay que hacer para que “fluya” un fluido esté en función de esta resistencia. Los fluidos con alta viscosidad ofrecen cierta resistencia a fluir, mientras que los poco viscosos lo hacen con facilidad. La viscosidad se ve afectada por las condiciones ambientales, especialmente por la temperatura y la presión, y por la presencia de aditivos modificadores de la misma, que varían la composición y estructura del fluido.
2.2 PRESIÓN La presión se define como la fuerza por unidad de superficie. F P = S Se mide en Pascales (Pa) que es igual a la presión ejercida por una fuerza de un newton sobre una superficie de un m 2. Pág. 91
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1 atm = 101, 325 kPa = 760 mm Hg = 10,32 m.c.a. = 14,7 psi Si en un punto de un fluido decimos P), significa que existe una presión estática (P), que si colocamos una superficie S en dicho punto, aparecerá una fuerza F perpendicular perpendicular a la misma y de magnitud P·S. P·S. Si el fluido esta en reposo, la fuerza que aparezca sobre dicha superficie es independiente de la orientación de la misma respecto al punto. 2.2.1 D EFINICIÓN DE PRESIÓN ESTÁTICA ABSOLUTA Y MANOMÉTRICA La presión se puede medir respecto a cualquier base de referencia arbitraría, siendo las local . Cuando una presión se expresa como una más usadas el vacío y la presión atmosférica local. diferencia entre su valor real y el vacío hablamos de presión absoluta. absoluta. Si la diferencia es respecto a la presión atmósfera local entonces se conoce por presión manométrica. manométrica.
2.2.2 B ARÓMETROS Y MANÓMETROS Los barómetros son instrumentos que miden presión absoluta es decir, comparar la presión existente respecto al vacío, en donde la presión es nula. Si medimos la diferencia de presión respecto a la presión atmosférica, estamos calculando, como hemos visto, la presión manométrica tomándose con signo más, si la presión es superior a la atmosférica y con signo menos, si la presión medida es inferior a la misma. Los aparatos que miden esta presión positiva se denominan manómetros y la negativa vacuometros, vacuometros, si miden ambas se llaman manovacuometros. Tanto los barómetros como los manómetros, basan su funcionamiento en equilibrar la fuerza que aparece sobre una superficie S debida a la presión a medir (P), con la presión que se ejerce sobre la misma superficie el peso (W) de un volumen de fluido con un peso especifico ( ), una altura h y base S. Por lo tanto la presión será igual a:
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P= h
El valor de h es lo que se conoce como altura de presión. presión. Así, en un barómetro sometido a una presión atmósfera normal de 101,325 kPa, el valor de h, depende del fluido que contenga el instrumento 5: H=
P agua
H=
P Hg
101,325 10 3 N / m 2 9810 N / m 3 101, 325 10 3 N / m 2 133416 N / m 3
10,32 m.c. m. c.aa
760 mm. de Hg
(Barometro (Barometro de Agua)
(Barómetro (Barómetro de Mercurio) Mercurio)
En mecánica de fluidos siempre se mide la presión manométrica. Los instrumentos medida utilizados no son manómetros que basan su funcionamiento en el peso de un fluido Bourdon. sino que se usan unos de tipo mecánico, conocidos como manómetros de tubo de Bourdon.
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El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. Este tubo se encuentra dentro de una cámara que se encuentra sometida a la presión atmosférica. Por lo tanto mide la presión manométrica.
Manovacuometro y manómetros de tubo de Bourdon. Bourdon.
2.2.3 P RESIÓN DINÁMICA . A LTURA DE VELOCIDAD Si un fluido se encuentra en movimiento definimos la presión dinámica como: v2 P d 2 Donde es la densidad y v es la velocidad del fluido. Esta expresión que tiene unidades de presión es la energía cinética del fluido debida a la velocidad del fluido en su movimiento. La presión dinámica no se manifiesta ejerciendo una fuerza sobre una superficie, como ocurre con la presión estática, estática, sino que es la energía por unidad de volumen que posee el fluido en movimiento. Dimensionalmente tiene unidades de presión, ya que expresa la energía cinética del fluido por unidad de volumen: Pd
P
1 (densi (densidad dad)) (veloc (velocida idad) d) 2 2 Fuerza Superficie
Energia Volumen
5
kg m 2 m 3 s2
(Masa) (Masa) (Acele (Acelerac ración ión)) Superficie
(Fue (Fuerz rza) a) (Esp (Espac acio io)) Volumen
N m m3 N m2
N m J = m3 m3
J m3
N m J = 3 = Pascales Pascales (Pa) 3 m m Pascales (Pa)
El peso especifico del agua es 9810 N / m3 y para el mercurio 133416 N / m3.
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Pascales (Pa)
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Así pues la presión dinámica no se puede medir con un manómetro, pues dichos instrumentos funcionan solamente con la presión estática. estática. Lo que si podemos hacer es que ya que dimensionalmente la presión dinámica tiene unidades de presión (Pa) y dichas unidades son equivalentes a una altura de un cilindro de un determinado fluido de peso especifico , podemos expresar la presión dinámica como una altura que denominaremos altura de velocidad6 (hv), (hv), Así: P d
v2 2
g hv
hv
v2 2 g
Es habitual en el lenguaje de los bomberos denominar presión dinámica7 a la que marca un manómetro cuando el agua que circula en una instalación se encuentra en movimiento. Esta forma de expresarse no es correcta ya que el concepto técnico de presión dinámica es el expuesto, lo que marca un manómetro en esa situación es una presión estática, la cual ha disminuido respecto a la que había ya que parte de la energía, que poseía el agua cuando estaba en reposo, se ha gastado en poner en movimiento el fluido.
2.3 HIDRODINÁMICA La hidrodinámica es la parte de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes o principios que rigen el comportamiento de los fluidos en movimiento, estas leyes son muy complejas, y aunque la hidrodinámica tiene una importancia práctica, para el trabajo del bombero, sólo trataremos aquí los conceptos básicos que nos ayuden a comprender los fenómenos que se producen en una instalación de extinción. El comportamiento de un fluido se encuentra bien definido, si por medio de una ecuación matemática somos capaces de definir la presión, la velocidad y la densidad que posee el fluido en cada punto. Por medio de una serie de herramientas matemáticas se llega a una expresión muy compleja conocida como ecuación de Navier-Stokes. Navier-Stokes. Si esta ecuación se resolviera podríamos saber en cada momento la velocidad, la presión y la densidad en el fluido con tan solo sustituir valores en la solución de esta ecuación. Pero como no tiene solución hay que empezar a realizar simplificaciones en el comportamiento del fluido.
6
Posee un claro significado físico. Es la altura que habría que dejar caer un metro cúbico de agua para que alcanzara la velocidad v. 7
En algunos textos la llaman presión residual , expresión que es más correcta.
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La primera que se puede hacer es que el fluido sea incompresible, es decir que la densidad no varíe a lo largo de su movimiento, esta simplificación es aceptable para el agua a presiones en las que se trabaja en hidráulica y para el aire a velocidad por debajo de la mitad de la velocidad del sonido. La segunda simplificación es en cuanto a la viscosidad, es decir, que el fluido no posea rozamientos internos o contra las conducciones por la que circula. Si la viscosidad de un fluido se puede despreciar se dice que el flujo es no viscoso y si encima es incompresible, entonces es ideal, en este lo que se conoce como fluido ideal, caso la ecuación de Navier Stokes, se resuelve y da la conocida ecuación de Bernoulli. Si consideramos que la viscosidad del fluido no se puede despreciar, estamos ante el denominado fluido viscoso. viscoso. Las consecuencias de considerar la viscosidad en un fluido es que la solución de la ecuación de Navier-Stokes, ya no sea tan sencilla. La aparición de estas fuerzas de rozamiento interno, trae consigo que el fluido que circula por una conducción, dependiendo de la velocidad, de la densidad, la viscosidad y las dimensiones de la tubería lo laminar, en que el fluido circula en capas haga de dos maneras en el denominado régimen laminar, que se deslizan unas contra otras como los naipes en una baraja o en régimen turbulento en el que aparecen remolinos donde es imposible distinguir los filetes fluidos. En 1883, Osborne Reynolds (1842-1912) un físico británico observó que cuando el agua fluía a través de un tubo largo y se marcaba con tinta, a baja velocidad las partículas de tinta se difundían lentamente y no tenían tiempo de diseminarse. A laminar. Pero si se incrementa la este flujo lo llamó laminar. velocidad por encima de un valor crítico, se observaba que a cierta distancia de la entrada del tubo se producía un repentino cambio, se producía un movimiento desordenado del filamento de tinta que llamó movimiento turbulento. turbulento. Reynolds probó disminuir y aumentar la viscosidad del fluido, calentando y enfriando el agua respectivamente. Legando a la conclusión que en todos los casos existe una velocidad crítica, y que esta varía en proporción directa con la viscosidad del flujo. Para saber en qué régimen nos estamos moviendo estableció el número de Reynolds: Reynolds : Re
V D
V D
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V D
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Donde ( ) es la densidad, V la velocidad, D el diámetro de la conducción y ( ) el coeficiente de viscosidad dinámica y ( es el coeficiente de viscosidad cinemática 8. Para Re por debajo de 2000, el fluido fluye de manera laminar y por encima de 4000 fluye de manera turbulenta, existiendo un periodo de transición en el que el flujo es difícil de delimitar si es turbulento o laminar. Por ejemplo, una manguera de 25 y de 45 mm de diámetro, por la que circule agua a 2,5 m/s, el régimen será claramente turbulento: Re 25 mm
Re 45mm
V D 25
2,5 m / s 25 10 1,01 0 1 10 6
3
V D 45
2,5 m / s 45 10 1,01 0 1 10 6
3
56.818 818
102.272
Para superar las dificultades que representa emplear esta vía teórica en el estudio de los fluidos en movimiento, aparecen una serie disciplinas prácticas que estudian desde el punto de vista de la ingeniería el comportamiento de los fluidos. La hidráulica estudia de una manera práctica el movimiento de los líquidos, ya sea agua o aceite, a través de una conducción ya sea abierta (canal) o cerrada (tubería), los almacenamientos (depósitos o embalses), así como las máquinas, que se emplean para dar o extraer la energía que poseen estos fluidos debido al movimiento, conocidas como bombas o turbinas respectivamente. Los conceptos de presión, presión, caudal y velocidad se relacionan mediante los siguientes continuidad, el principio o ecuación de Bernoulli y la ecuación principios: la ecuación de continuidad, de descarga. descarga. La ecuación de continuidad nos relacionará la velocidad con el caudal que pasa por la sección de una conducción. El principio de Bernoulli nos muestra como varían las energías que dispone un fluido entre dos puntos de una instalación y por último, la de descarga nos permitirá ver la dependencia entre la presión y el caudal o la velocidad de un fluido cuando atraviesa un orificio de descarga.
2.4 CAUDAL. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD Sea un fluido en movimiento a través de una superficie S, se dice que la misma es atravesada por un caudal másico (Qm), si relacionamos la masa de fluido que la atraviesa (m ( m) por unidad de tiempo, se mide en Kg/s. Si consideramos el volumen de fluido (V) por unidad de tiempo, entonces se denomina caudal volumétrico (Qv). En este caso se mide en m3/s. 1 m3 /h = 2,77·10 -4 m3/s 1 lpm = 1,66·10-5 m3/s = 0,06 m3/h
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Para el agua = 1,01 · 10-6 m2/s.
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Se demuestra que si superficie se cumple:
es la densidad del fluido y v la velocidad con que atraviesa la
Qm = · S · v
Qv = S·v
Sean dos superficies, S 1 y S2, atravesadas por el agua a una velocidad v 1 y v2 respectivamente. Si suponemos que entre ambas superficies no existe ninguna aportación o pérdida de agua, el caudal másico que atraviesa la primera superficie es igual al que sale por la otra superficie 9. Qm1= ρ · S1 · v1 = ρ · S2 · v2 = Qm2 Luego: ρ
· S · v = constante
Dónde, ρ es la densidad del fluido (Kg./m 3), S es el área (m 2) y v la velocidad del fluido (m/s). Si consideramos que la densidad del fluido no varía entre las dos superficies, como en el caso del agua, tenemos la ecuación de continuidad: continuidad: S · v = constante La ecuación de continuidad hace que cuando el agua, en una manguera, pasa de una sección S 1 hacia otra S 2, tal que se produce un estrechamiento (S 1 > S2), la velocidad aumenta (v1 < v2). Esto es similar, cuando por una autovía de dos carriles con un límite de velocidad de 100 Km./h, se encuentra con un estrechamiento a causa de una obras, la circulación pasa a un solo carril, bajando el límite de velocidad a 50 Km./h, comprobamos que se produce una retención. Para evitar que se embotellaran los coches en el carril único los vehículos debería circular a 200 Km. /h. Esto no le pasa al agua, que no se comprime, es decir no se genera un atasco, ya que aumenta la velocidad en el estrechamiento. estrechamiento.
9
Recordar que el caudal másico es igual a la densidad multiplicada por la sección de la conducción y por la velocidad.
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En la práctica la velocidad del agua dentro de una conducción no supera los 2,5 m/s, ya que a velocidades mayores se producen perdidas de carga 10 importantes en la misma. Esto limita el caudal que circula por una conducción en función de su diámetro, así para los tres tipos de mangueras utilizadas en las instalaciones de extinción, el caudal máximo a trasegar sería: S (mm2)
Q (l.p.m.)
25
490,90
73
45
1590
238
70
3848,36
570
(mm.)
Estas limitaciones en cuanto al caudal a trasegar, son importantes en las instalaciones fijas de distribución de agua, pero en el caso de las instalaciones de extinción, se pueden asumir velocidades mayores y por tanto mayores pérdidas de carga: Qmax (l.p.m.)
V (m/s)
25
200
6,8
45
500
5,2
70
1.000
4,3
(mm.)
2.5 ECUACIÓN DE BERNOULLI Consideremos una manguera en carga con una presión P, situada a una altura
geométrica z y que circula el agua a una velocidad v.
10
Ver apartado de Pérdidas de carga.
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Un elemento de agua de volumen V y masa ( ·V) ·V) posee tres formas de energía por unidad de volumen: Energía de presión, presión, será el trabajo (W ( W) necesario para mover la masa del elemento a través de la manguera una distancia L contra la presión P: Epresión V
Epresión = W = F L = P S L = P V
P
Energía potencial: potencial: EP
m g z = (
EP V
V g z
g z
Energía cinética: cinética: 1 1 EC 1 m v2 ( V) v2 v2 2 2 V 2 Por lo tanto el elemento tiene una energía total por total por unidad de volumen de: EC
ETOTAL = Epresión + EP + EC = P
1 2
g z
v2
Si dividimos la anterior expresión por el peso específico ( = ·g):
e TOTAL =
ETOTAL
=
P
v2 z 2 g Ahora consideramos que el elemento fluido se mueve entre la sección 1 a la 2 de una manguera como la mostrada en la figura en que existe un cambio de sección, por medio de una reducción, y se salva un desnivel. El principio de conservación de la energía considera que si no hay pérdidas entre ambos elementos, se cumple que: e TOTAL 1 = e TOTAL 2
Luego:
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P1
v 12 z 2 g 1
P2
v 22 z 2 g 2
Esta es la conocida como ecuación de Bernoulli 11 Cada término de la ecuación de Bernoulli es una forma de energía que posee el fluido por unidad de peso del fluido que se mueve en el sistema, en el caso que nos ocupa agua. Es decir se mide en Julios/Newton, que es igual a metros. Por lo tanto cada término representa una altura. P v2 2 g z
altura de presión altura de velocidad altura geométrica
El siguiente esquema muestra la relación existente entre los tres tipos de energía conforme el fluido se desplaza desde 1 a 2, cada término cambia de valor, sin embargo la altura total permanece constante mientras no existan pérdidas de carga.
11
Fue deducida por el matemático y físico suizo Daniel Bernoulli (1700- 1782) en su obra Hydrodynamica de 1738.
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A la suma de la altura geométrica y la de presión se denomina comúnmente altura
piezométrica.
2.6 ECUACIÓN GENERAL DE LA ENERGÍA Aunque la ecuación de Bernoulli es aplicable a una gran cantidad de casos prácticos, tiene unas limitaciones que debemos tener en cuenta si queremos aplicarla correctamente: Solo es válida para fluidos incompresibles, como el caso del agua a las presiones que estamos considerando. 1. Durante el recorrido de la instalación no deben haber dispositivos (bombas o turbinas) que añadan o extraigan energía del agua, ya que la ecuación se ha deducido partiendo de que la energía permanece constante a lo largo de la instalación. 2. No se ha considerado que exista una transferencia de calor hacia el agua o fuera de la misma. Este punto en el caso de las instalaciones hidráulicas de extinción que nos ocupa, se cumplirá siempre. 3. Que no existen pérdidas de energía por fricción con los elementos de la instalación. A pesar de estas restricciones, la ecuación de Bernoulli se puede aplicar en un sinfín de casos prácticos con un cierto grado de aproximación.
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Cuando haya que considerar las limitaciones anteriores, entonces hay que aplicar lo que se conoce como la ecuación de la energía que es una generalización de la ecuación de Bernoulli:
E1 y E2 son la energía total que tiene el fluido en las posiciones 1 y 2. h B es la energía añadida por la bomba h L es la energía disipada en la instalación, es decir las pérdidas de carga. h M es la energía cedida a un motor hidráulico (turbobomba, ventilador, etc.) Como: E1 E2
P1 P2
v 12 z 2 g 1 v 22 z 2 g 2
Podemos escribir la ecuación de la energía como: P1
v 12 z h h h 2 g 1 B M L
P2
v 22 z 2 g 2
Esta ecuación la emplearemos cuando analicemos lo que se conoce como ecuación de línea de una instalación hidráulica.
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2.7 ECUACIÓN DE DESCARGA Sea un depósito de agua con un orificio inferior por el que se está vaciando:
La velocidad con la que sale en líquido es igual: v
2 g h
Donde: v: velocidad. g: aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2). h: altura. A esta expresión se conoce como la ecuación de Torricelli 12 y se puede deducir aplicando Bernoulli entre los puntos 1 y 2, antes y después del orificio. La velocidad en 1 se puede considerar nula, ya que consideramos que h es lo suficientemente grande y la presión en 2 es la atmosférica por lo tanto la presión manométrica, será nula, así: P1
v 22 0 0 2 g
h
v 22 2 g
v
2 g h
Por lo tanto el caudal que sale por el orificio será: Q=K·S·v Q: Caudal. S: Sección del orificio. K: es un factor que tiene en cuenta la astricción 13 que sufre el fluido en su salida. v: velocidad de descarga. Aplicado el valor de v, queda: Q K S
2 g h
K S
2 g
P g
(K
2
) S
P
k S
P
12
Fue deducida por primera vez por el matemático y físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647).
13
Se considera que el flujo se estrecha al pasar por el orificio de salida y por tanto no cubre toda la sección.
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Por lo tanto el caudal es proporcional a la sección de salida (S) y a la raíz cuadrada de la presión (P) antes de la salida del orificio. A esta expresión se le conoce como ecuación de descarga. La lanza14 es un aparato hidráulico que situamos al final de una manguera para conseguir que el agua salga con gran velocidad y llegue más lejos. El dispositivo posee un estrechamiento en el que se transforma la energía de presión que posee el fluido en velocidad . Suponemos que no consideramos las pérdidas de carga, aplicamos Bernoulli entre los puntos 1 y 2, teniendo en cuenta que la presión en P 2 será nula y v 1 es muy pequeña comparado con v 2: v 12 2 g
P1
v 22 2 g
P1
v 12 2 g
P1
v 22 2 g
v2
2 g
P1
v2
2 g h
Sale de nuevo la ecuación de Torricelli. Torricelli . Para ver el orden de magnitud de esta velocidad de salida ( v2), supongamos que por la conducción circula agua con una velocidad (v 1) de 2 m/s a una presión (P 1) de 7,6 bares (7.699 hPa). Esto se traduce en una velocidad a la salida (v 2) de aproximadamente 40 m/s, en efecto: v 12 77,69 m. c. a . ; 2 g
P1
769,9 kPa 9,8 9,81 kN kN / m 3
v
2 g ( 77,69 m. c. a .
0,204 m. c. a. )
( 2 m / s )2 2 9,81 81 m / s2
0, 204 m.c.a.
40 m / s
En la práctica será menor ya que no hemos tenido en cuenta las pérdidas de carga dentro del dispositivo. Este ejemplo nos muestra que el valor de la altura de presión es muchísimo mayor que el de la altura de velocidad. Así el caudal que está dando la lanza es igual a:
Q K S
2 g h k S
P1
3 BOMBAS CENTRÍFUGAS La norma UNE EN 1028-1:2006 define bomba centrífuga contra incendios, incendios , como aquella maquina hidráulica accionada mecánicamente destinada al suministro de fluidos con objeto de luchar contra los incendios , es decir es una máquina, por lo tanto transforma 14
Ver apartado 4.3.2.- Lanzas.
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energía, en este caso mecánica en hidráulica. Su misión es proporcionar agua a la presión necesaria para que pueda circular por las mangueras, salvar los desniveles que puedan existir entre la bomba y el incendio y llagar a la lanza con la presión suficiente para que el fluido alcance una distancia determinada determinada y así, poder trabajar con seguridad. Una bomba es un ejemplo de lo que se entiende por máquina de fluido, que es cualquier dispositivo que intercambie energía mecánica con un fluido que la atraviesa. Las máquinas de fluido se clasifican en función de la compresibilidad del fluido en: Máquinas hidráulicas en las que el intercambio de energía se produce con un fluido incompresible. A este grupo pertenecen las máquinas que trabajan con líquidos, como el agua, pero se pueden incluir las que trabajan con gases a velocidades bajas, como por ejemplo en los ventiladores. Máquinas térmicas en las que el intercambio de energía se realiza con un con fluidos compresibles, A este grupo pertenecen los motores de combustión interna, las turbinas de vapor, etc. Este tipo de máquinas no son objeto de nuestro tema. generadora, ejemplos de Si el fluido incrementa su energía, la máquina se denomina generadora, este tipo son los compresores de aire o las bombas hidráulicas. Por el contrario si la energía del fluido disminuye, la máquina se denomina motora, como pueden ser las turbinas hidráulicas, las turbobombas o los motores de explosión. Atendiendo al tipo de energía que se intercambia con el fluido que atraviesa las máquinas hidráulicas pueden ser de distintas formas:
Si nos atenemos a las máquinas hidráulicas generadoras (bombas) que intercambian energía de presión, podemos encontrar, según como intercambian la misma dentro de la máquina, a dos tipos de bombas: las de desplazamiento y las turbomáquinas. turbomáquinas. Bombas de desplazamiento: desplazamiento: basan su funcionamiento en aplicar una fuerza (o par si son rotativas) de una cámara de trabajo y su posterior vaciado de una manera periódica. El aumento de la energía del fluido se efectúa directamente en forma de energía de presión. Son
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por ejemplo las bombas de pistón, las bombas peristálticas, las bombas de membrana o de diafragma. diafragma. Turbomáquinas: basan su funcionamiento en incrementar la energía cinética del fluido a costa de energía mecánica que se intercambia en un elemento denominado rodete o impulsor para luego transformar este exceso de energía cinética en presión dentro del cuerpo mismo de la bomba. Este tipo de bomba es la universalmente usada por los bomberos en los vehículos de extinción o en las motobombas de achique. achique.
3.1 ELEMENTOS Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA El funcionamiento de una bomba centrífuga es el siguiente, el agua entra axialmente por el centro de un elemento móvil denominado rodete o impulsor, el cual está girando accionado por el motor. El rodete dispone de unas canalizaciones denominadas álabes por las que el agua es canalizada desde el centro hasta su borde, donde es expulsada. Durante este trayecto el fluido es acelerado por la fuerza centrifuga generada en el rodete. El agua sale del mismo con presión y velocidad. A continuación entra en una canalización 15 en forma de espiral que rodea al rodete, es la voluta o caracol. El fluido que entra en esta conducción a gran velocidad, es frenado por el progresivo aumento de su sección, tal como establece la ecuación de continuidad y por principio de Bernoulli, incrementando la presión, que tenía a la salida del rodete, hasta un valor concreto en el colector de impulsión. Las bombas destinadas para los servicios de bomberos, pueden ir instaladas o bien en vehículos contra incendios o en grupos motobombas. En el primer caso es accionada por la energía motriz del motor del vehículo y en el caso de las motobombas, la bomba dispone de un motor eléctrico o de explosión para su accionamiento, como veremos más adelante.
15
Algunas bombas a la salida del rodete disponen de lo que se conoce como difusor, difusor, cuya misión es canalizar el agua a la salida del rodete hacia la voluta, evitando turbulencias.
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La norma UNE EN 1028-1, atendiendo a la presión que pueden suministrar las bombas las clasifica en: Bomba de presión normal (FPN) son aquellas que con uno o varios rodetes, son capaces de dar presiones de funcionamiento hasta 20 bar. y Bomba de Alta Presión (FPH) es una bomba que da hasta 54,5 bar. Se denomina Bomba de Presión Combinada a aquella que agrupa las dos clases de bomba en una sola máquina. Esto se consigue conectando en serie una bomba de presión normal y otra de alta presión.
En una bomba contra incendios podemos distinguir las siguientes partes, colectores de aspiración, aspiración, desde donde se alimenta la bomba desde un deposito o por aspiración a través de
un mangote, cuerpo de la bomba. Dependiendo que la bomba sea de presión normal o combinada, la bomba tendrá uno o dos colectores de impulsión, que es es donde se conectan las mangueras, por medio de racores y los elementos auxiliares (manómetros, el cebador, válvulas, etc.). Las dos bombas, conectadas en serie, de una bomba combinada se denominan etapas. etapas. Los rodetes de las dos etapas etapas pueden estar montados montados sobre el mismo eje (como en la figura) figura) o sobre ejes distintos. Por medio de un conducto provisto de la llave selectora NP/NP HP, HP, se conecta la salida de una con la entrada de la otra.
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Este tipo de bomba se utiliza para alimentar instalaciones con mangueras dentro de una amplia gama de presiones y caudales determinados por la localización y carga de fuego a extinguir. Las instalaciones con mangueras de 70 y 45 mm, se utilizan cuando se necesita mucho caudal y por tanto la bomba da poca presión. Las mangueras se conectan al colector de baja y la bomba trabaja tan solo con la primera etapa (1). En el caso de que se necesite más presión, porque la instalación tiene una gran longitud o hay que salvar una gran altura. Se conectan las mangueras, en este caso de 25 mm, al colector de alta. En esta caso están trabajando las dos etapas de la bomba, la instalación posee una mayor presión pero trasegando un caudal menor 16 (2). Esta bomba permite, si la intervención lo requiere, conectar dos instalaciones de alta y baja simultáneamente (3), para ello solo hay que abrir todas las llaves tal como muestra la figura.
16 Hay que recordar que las bombas trabajando a velocidad de giro constante la presión y el caudal son inversamente
proporcionales.
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3.2 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UNA BOMBA La presión medida en el colector de impulsión de una bomba, se denomina altura de impulsión y se expresa en metros de columna de agua (m.c.a.). Se conoce como altura de aspiración manométrica, a la presión efectiva existente en el colector de aspiración de la bomba, la cual se verá más adelante, no debe superar un determinado valor ya que se produce el fenómeno de la cavitación. La altura de impulsión (H) se puede medir fácilmente, ya que a la entrada y salida de la bomba la velocidad prácticamente no varía y no existe diferencia de cota entre la entrada y la salida. Se puede aplicar la ecuación de Bernoulli, entre los puntos A y B: Se denomina potencia hidráulica del fluido a la salida de la bomba a la expresión: Ph = · H · Q Donde es el peso especifico del fluido, H es su presión en metros de columna de agua y Q es el caudal en metros cúbicos por segundo que circula por la bomba. Esta potencia es la energía que posee el fluido por unidad de tiempo y se expresa en vatios. Si tenemos una bomba acoplada a un motor que gira a N revoluciones por minuto, la potencia mecánica (Pm) del motor es constante, si no se varían las revoluciones, una fracción de la potencia mecánica se transformará en potencia hidráulica 17, por lo tanto, si la instalación alimentada por esta bomba demanda más agua, por ejemplo se abre una lanza aumentando el caudal Q, como no hemos variado N, Pm es constante, por lo tanto también lo será Ph luego H debe disminuir. Así pues, la presión que existe a la salida de una bomba funcionando con un número de revoluciones (N ( N) fijo disminuye a medida que aumenta el caudal que circula por la bomba. Los fabricantes de las bombas nos proporcionan la relación entre el caudal que circula por la bomba y la presión, así como la potencia en función del caudal, por medio de una gráfica obtenida por medidas realizadas en un banco de ensayo. Esta serie de curvas, denominadas curvas características, características , nos muestra la capacidad de la bomba para generar energía hidráulica y también nos permitirá elegir que tipo de bomba es adecuada en nuestra instalación. 17
A esta fracción entre la potencia hidráulica y la potencia mecánica expresada en tanto por cien se le denomina rendimiento ( . Se cumple Ph = ( /100) · Pm. El rendimiento de una bomba varía con el caudal. Cuando Q = 0 el rendimiento vale cero, crece con el caudal hasta alcanzar un máximo en el caudal nominal de la bomba. Para caudales superiores el rendimiento disminuye, debido al aumento de las perdidas por las turbulencias generadas en el rodete.
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El significado de la curva altura-caudal es que la bomba girando con N revoluciones, revoluciones, solo podrá proporcionar los valores de presión y caudal contenidos en la curva correspondiente. correspondiente. Esto sucederá siempre que N no varíe, puesto que si esto ocurre la curva se desplazará hacia arriba, si aumenta N o hacia abajo en el caso que disminuya. Por lo tanto un aumento de las revoluciones, implica que para un mismo caudal, la bomba dará más presión. Por otro lado la curva potencia-caudal es creciente con el caudal en este modelo de bomba.
3.3 ALTURA DE ASPIRACIÓN. CAVITACIÓN CAVITACIÓN Cuando una bomba aspira del depósito del vehículo, el agua entra por gravedad en la bomba con una presión manométrica positiva, pero si la alimentación se tiene que realizar desde un pozo o balsa que se encuentran en una cota inferior a la situación de la bomba. Para que se produzca la entrada de agua, la presión en el colector de aspiración debe ser menor que la atmosférica, así el agua subirá por el mangote,
como sube un refresco al chupar por una cañita. Dado que a una atmósfera le corresponde una la altura de presión que ronda los 10 m., esta sería la altura teórica máxima que podríamos aspirar, pero en la práctica debido a los factores que señalaremos a continuación, este límite se reduce a una altura comprendida entre 7 y 6 m. En efecto, la altura de aspiración de una bomba depende de:
La presión atmosférica ya que la misma disminuye con la altitud respecto al nivel del Pág. 113
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mar desde donde estemos aspirando. Se estima una pérdida de unos 0,13 m. por cada 100 m. de altitud. El aumento de la temperatura del fluido hace disminuir la altura de aspiración, ya que al aumentar la presión de vapor del mismo, se produce una mayor evaporación de fluido y consecuentemente, consecuentemen te, se produce un aumento de presión en el colector de aspiración 18. Las pérdidas de carga en el mangote hacen que al aumentar el caudal o al disminuir su sección, se reduzca la altura de aspiración. Además en la toma de aspiración de una bomba, se puede producir un fenómeno no deseable, para su correcto funcionamiento, denominado cavitación. cavitación. Esta consiste en la evaporación del fluido circulante por la bomba a temperaturas muy inferiores a la de ebullición del mismo como consecuencia del descenso de la presión en el líquido, ya que si desciende a la presión de vapor a esa temperatura, entrará en ebullición. La cavitación puede generar averías mecánicas en la bomba, hacer que descienda el caudal en la misma y propicie la corrosión de los materiales. Para evitar este fenómeno, hay que dimensionar bien la altura de aspiración. Cuando tenemos una sustancia a una temperatura T, dentro de un recipiente parcialmente parcialmen te lleno y cerrado. Algunas moléculas de la fase liquida poseen suficiente energía para escaparse de la superficie del líquido, es decir se evaporara. Al no poder dispersarse las moléculas que forman la fase vapor, algunas de ellas, pueden retornan a la fase líquida. Se origina una situación de equilibrio entre las moléculas que escapan del agua y las que vuelven a la misma. En estas condiciones, la fase vapor ejerce una cierta presión sobre la superficie del líquido. A esta presión se le denomina presión de vapor del líquido a la temperatura T. Si variamos la temperatura el equilibrio se producirá a otra presión. Si representamos en una gráfica la curva presión frente a temperatura, surge la conocida como Curva de equilibrio de Claius-Clapeyron. Claius-Clapeyron. Toda combinación de presión y temperatura que se encuentre sobre la curva coexistirán las dos fases en equilibrio, por encima existirá solo la fase líquida y por debajo solo la de vapor. La curva termina en un punto denominado Punto crítico (PC), (PC), que es la temperatura y presión a partir de la cual una sustancia no puede permanecer en equilibrio liquidovapor, a partir de este punto la sustancia se denomina gas. Se define como temperatura de ebullición de una sustancia, aquella en que la presión de vapor es igual a una atmósfera. Si una sustancia se encuentra a la presión de una atmósfera, 18
Experimentalmente se comprueba que para una temperatura del agua comprendida entre 15 y 20 ºC supone una pérdida de altura de 0,20 m. El agua a 10 ºC implica una pérdida de 0,125 m y a 50 ºC de 1,25 m.
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pero a una temperatura por debajo de la de ebullición (T B), se encontrará en fase líquida (A). Si bajamos su presión hasta que corte a la curva de equilibrio (B), la presión de vapor (P B) obligará al líquido a evaporarse, entrando en ebullición a una temperatura inferior a la normal. cavitación. Este es el fenómeno que se produce durante la cavitación.
Colocamos un vaso lleno de agua dentro de una campana de cristal herméticamente cerrada. Por medio de una bomba de vacío extraemos el aire de su interior, disminuyendo disminuyendo por lo tanto la presión. Cuando llega al valor de la presión de vapor correspondiente a la temperatura a la que se encuentra el agua, esta empezará a hervir.
3.4 MOTOBOMBAS. ELECTROBOMBAS. ELECTROBOMBAS. TURBOBOMBA Según la norma UNE EN 1028-1 se denominan motobombas a aquellas bombas centrifugas portátiles instaladas sobre un bastidores metálicos transportables o sobre un remolque que se complementan con un motor de explosión de accionamiento. Es decir son las bombas que no van instaladas en ningún vehículo. Su funcionamiento es por lo tanto autónomo. Existen básicamente de dos tipos las motobombas las que pueden ser utilizadas para impulsar agua directamente sobre el fuego, por lo tanto prevalece la necesidad de que den más presión que caudal. Son utilizadas frecuentemente en los incendios forestales, siempre que exista una fuente de agua desde donde se pueda aspirar. Si la motobomba se emplea para desalojar agua en locales inundados, es decir en labores de achique, se emplea otro tipo de bomba, ya que en este caso lo que se necesita es un gran caudal a presiones más moderadas, del orden de tan solo 3 bares. Constan de un colector de entrada donde se coloca el mangote de aspiración y una o varias salidas de impulsión. La electrobomba es una bomba centrífuga que utilizan los bomberos en las labores de achique. Como su nombre indica son accionadas mediante un motor eléctrico. Estas bombas se utilizan cuando hay que achicar agua a gran profundidad en el que un mangote de aspiración sería impracticable. En este caso, se baja el cuerpo de la bomba, el cable eléctrico aislado para suministrar corriente al motor y una
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manguera de impulsión. Este tipo de bombas aspiran por medio de una cámara, que se encuentra solidaria al cuerpo de la bomba. Una turbobomba es una bomba centrífuga que utiliza como fuerza motriz el agua impulsada por otra bomba, se emplea fundamentalmente en achiques. Está formada por una turbina (5) que gira en el mismo eje que el rodete de una bomba (6). Éstos giran dentro de dos carcasas independientes unidas por medio de un cojinete con prensaestopas para aislar liquido impulsor del trasegado. En la entrada (1), se conecta una manguera, por donde entra el agua impulsada por la bomba de un vehículo contra incendios. Hace rodar la turbina (5) y sale hacia el depósito del vehículo por la salida (2).
3.5 MECANISMOS DE CEBADO En el momento del arranque de una bomba, el mangote de aspiración puede estar lleno de aire, una bomba centrífuga no puede aspirar aire, por lo que no es autosuficiente autosuficiente para crear la aspiración necesaria necesaria para que el fluido llene llene el rodete y se pueda empezar a bombear con normalidad. La creación de estas condiciones de carga previas al arranque en la bomba es el denominado proceso de cebado, cebado , que se logra gracias a unos mecanismos que disponen las bombas. Describiremos los más habituales: Cebado manual o autocebado Es el más elemental y hoy en día solo es utilizado por las motobombas19. Consiste en llenar el cuerpo de la bomba con agua por medio de un orificio que existe al efecto, que dispone de una válvula de retención para que no se vacíe por el mangote de aspiración.
Pistones alternativos
19
Según la norma UNE EN 1028-1: 2006 se denominan motobombas a aquellas bombas centrifugas portátiles instaladas sobre un bastidores metálicos transportables o sobre un remolque que se complementan con un motor de explosión de accionamiento. Es decir son las bombas que no van instaladas en ningún vehículo. Su funcionamiento es por lo tanto autónomo.
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Este sistema consta de un pistón provisto de una lumbrera que se comunica con la aspiración de la bomba, por medio de una válvula. Este embolo accionado manualmente o por el motor absorbe el aire que pudiera existir en el interior del conducto de aspiración. Hoy esta prácticamente prácticamente en desuso. Por eyección de gases Este sistema de cebado se emplea principalmente en motobombas, ya que necesita de los gases de escape del motor, para su funcionamiento. funcionamiento. El tubo de escape, que se puede cerrar por medio de una válvula de mariposa, presenta una derivación de forma cónica en su extremo (D (D), para que los gases tengan una mayor velocidad en ese punto. Esto trae consigo una menor presión y la cámara C se llena con el aire de los conductos de aspiración. El aire saldrá mezclado con los gases de escape y se producirá un vacío en los tubos de aspiración que se llenarán de agua, cebando a la bomba. Anillo de agua El mecanismo de anillo de agua se compone de una cámara cilíndrica que tiene en su interior una rueda de paletas que gira excéntrica respecto al eje del cilindro. Esta cámara posee dos conductos provistos de sus correspondientes válvulas, uno comunica con el cuerpo de la bomba y por el otro a una salida.
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La cámara cilíndrica está llena inicialmente de agua. Cuando la rueda de paletas gira, por efecto de la fuerza centrífuga, se forma alrededor de la rueda un anillo de agua de un determinado espesor. Entre las paletas de la rueda se forman unas cámaras de capacidad variable a medida que ésta va girando. Al pasar, por delante del conducto que comunica la cámara cilíndrica con la espiración, las cámaras se hacen más grandes y por lo tanto se crea un vacío que es llenado con el aire que absorbe de la aspiración. Posteriormente al pasar por el conducto de expulsión del aire, la cámara disminuye de tamaño obligado a salir el aire. Con este sistema se produce vacío en la aspiración y se llena de agua el cuerpo de la bomba.
4 INSTALACIONES INSTALACIONES HIDRAULICAS D E BOMBEROS 4.1 INSTALACIÓN BÁSICA La instalación hidráulica de extinción tiene por objeto llevar un fluido agente extintor (agua o espumante), desde una fuente de suministro hasta el lugar donde se esta produciendo el incendio. Partimos de una instalación básica, básica, compuesta por una bomba, una manguera y una lanza. Para poder extinguir el fuego, deberemos conseguir que por la lanza salga un caudal de fluido Q acorde con la carga de fuego, además provisto de rapidez v para poder alcanzar el incendio desde una distancia segura. Si aplicamos la ecuación de la energía 20 entre la salida de la bomba y la entrada de la lanza tenemos:
Resultando la siguiente expresión, conocida como ecuación de línea: línea: PB = PL + HG + PC
20
Se tiene en cuenta las perdidas energéticas existentes en la instalación (h (h j). Ver apartado 4.1.6.- Ecuación general de la energía.
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Donde: PB: PB: Altura de presión a la salida de la bomba. (PB/10 bar) PL: PL: Altura de presión en punta de lanza. (PL/10 bar) HG:: Altura geométrica. Desnivel existente entre la bomba y la lanza, puede ser HG positivo si hay que ganar altura o negativo si hay que perder altura. (HG/10 bar) PC: PC: Pérdidas de carga en mca. (PC/10 bar) El significado de esta expresión es el siguiente: Para conseguir que el fluido extintor salga con una rapidez ( v)21 y con un caudal Q, hay que tener una presión en punta de lanza (PL) PL) y una sección de salida S determinada. Para tener esa PL será necesario disponer de una presión a la salida de la bomba PB suficiente para dar esa presión demandada, pero aumentada 22 con la energía necesaria para salvar la altura geométrica AG y vencer las pérdidas de carga existentes en la instalación PC. PC. Como la presión a la salida de la bomba (PB), PB), trabajando con un régimen de giro constante, depende del caudal, deberemos analizar la PL) y de las pérdidas de carga (PC dependencia de la presión en punta de lanza ( PL) ( PC)) en relación con el caudal. 4.1.1 M ANGUERAS , MANGOTES Y ELEMENTOS AUXILIARES En las instalaciones hidráulicas de bomberos, la conducción del fluido empleado en la extinción se lleva a cabo mediante lo que se denominan mangueras. Éstas han evolucionado desde las antiguas de lino hasta las actuales, compuestas por un tubo de neopreno recubierto con una o varias capas externas de fibra sintética o textil y una capa externa de caucho, con el fin de darles resistencia y robustez Se pueden clasificar según su rigidez en flexibles que son aquellas que al plegarlas son planas, adoptando su sección circular cuando circula el fluido de extinción a presión. Las semirígidas, semirígidas, mantienen siempre la forma circular estén o no sometidas a presión. Los servicios de extinción de incendios, utilizan generalmente las mangueras planas en las instalaciones de impulsión. Para aspiración, no se pueden emplear mangueras flexibles, ya que no están diseñadas para soportar presiones manométricas negativas, por lo que se utilizan una mangueras espaciales rígidas formadas por una base de caucho reforzadas con un entramado metálico, que se denominan mangotes. mangotes. La mangueras en España tiene los siguientes diámetros de 25, 45 y 70 mm., en cuanto a los mangotes utilizados en la aspiración de las bombas montadas en los vehículos tiene un diámetro de 100 mm., aunque también existen de 45 y 70 mm., para su utilización con las motobombas. Las mangueras posen una longitud entre los 15 y 40 m., las cuales se almacenan
21
v es la velocidad de salida del agua de la lanza, que es distinta de v 1 (velocidad a la salida del colector de impulsión) y v2 (velocidad antes de salir por el orificio de la lanza). 22
Disminuida en el caso de desnivel negativo.
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plegadas habitualmente de un modo denominado enrollado doble. doble. Los mangotes tienen una longitud de alrededor de 2 m. y dada su rigidez no pueden plegarse. Para conectar estos tramos de manguera y mangotes y así montar la instalación se emplean unos dispositivos especiales de unión que se denominan racores. racores. Estos dispositivos también sirven para unirlas a los hidrantes, lanzas, bombas y de más elementos de la instalación. Existen varios tipos de racores, pero en España la reglamentación obliga al uso de un racor normalizado para las mangueras, es el denominado racor de patillas o tipo Barcelona (1), cuyas características y forma se rigen por la norma UNE 23400. Este racor esta formado por tres piezas de conexión formando un ángulo de 120º entre ellas, éstas permiten que el acoplamiento entre dos de ellos sea simétrico, sin que haga falta la existencia de un racor macho y otro hembra. En la actualidad los racores son de aluminio, que ha sustituido a los antiguos de bronce. Para los mangotes no se puede utilizar este racor, por lo que se emplea otro tipo de origen alemán denominado racor Storz (2), que si bien no esta normalizado, es de uso general por los servicios de bomberos. Al contrario que el racor tipo Barcelona el cual se puede realizar la maniobra de conexión y desconexión de manera manual, el racor Storz necesita de una herramienta especial para el acoplamiento (3). Por ultimo hablaremos de las bifurcaciones y de las reducciones. reducciones. Las primeras son piezas de unión entre mangueras que tiene por objetivo repartir el caudal en dos chorros. Las más comunes son las que tiene una entrada de 70 mm. y dos salidas de 45 mm. o una entrada de 45 mm. y dos salidas de 25 mm. Habitualmente tiene incorporadas válvulas de cierre en las salidas de diámetro inferior. Existen bifurcaciones, para casos especiales en los que la entrada y salida tiene el mismo diámetro. Las reducciones tienen como objeto unir racores de distinto diámetro, las más usuales son de 70 a 45 mm. y de 45 a 25 mm. También existen reducciones entre racor racor de 100 mm. tipo Storz Storz a 70 mm. tipo Barcelona, para situaciones especiales. 4.1.2 I NSTALACIONES DE ATAQUE Y ALIMENTACIÓN Los elementos descritos constituyen lo que se conoce como instalaciones hidráulicas instalaciones. Existen de extinción o en el lenguaje de los bomberos simplemente instalaciones. básicamente de dos tipos, las de a taque y de alimentación. alimentación. Una instalación básica de ataque consta de una línea de aproximación, aproximación, formada por una manguera de diámetro 70 mm para evitar las pérdidas de carga, ya que transportará un gran caudal. Tiene su origen en la autobomba y finaliza en una bifurcación, donde es posible reducir o cortar el caudal de la instalación por eso se denomina punto de maniobra. maniobra. A partir del mismo se conectan las líneas de ataque que llevan el agente extintor hasta el punto de ataque, ataque, donde se encuentra situada la lanza para atacar el incendio. En el caso de que se utilice la columna seca de un edificio, existirán dos puntos de maniobra uno situado en la toma de fachada y otro en la toma de planta.
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Las instalaciones de alimentación, alimentación, son las empleadas en una intervención en la que se requiera un gran caudal de agua, para ello es necesario destinar la bomba de algunos vehículos a alimentar a los demás. La alimentación se realiza a través de una fuente de aprovisionamiento, hidrantes o por aspiración de láminas de agua (piscinas, lagos, etc.). En ambos casos se dispone de la toma de agua, agua, la línea de alimentación, alimentación, en caso de ser un unión, al que hidrante está formada por una manguera de 70 mm que termina en un punto de unión, se conecta una pieza en donde se une una válvula, donde es posible cortar la alimentación. A partir de aquí se inicia la línea de unión, que es la que llena el depósito de la autobomba por la toma de hidrante. Este vehículo alimenta a otro por medio de otra línea de unión.
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Si una única autobomba alimenta varias instalaciones de ataque, deberá tener dos líneas de alimentación, siempre que el caudal del hidrante lo permita, cosa que no suele ser habitual.. Si la bomba de un vehículo, por ejemplo, fuera capaz de proporcionar 2.800 lpm y con este caudal mantener la presión en punta de lanza a 7 bar, podría alimentar hasta seis líneas de ataque, es decir seis lanzas (lanzando un caudal de 400 lpm cada una).
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4.2 LANZAS La lanza es un dispositivo hidráulico situado al final de la manguera, responsable de establecer el caudal Q que circula par la instalación. Al pasar el agua a través de un estrechamiento que posee la lanza se produce una transformación de la energía de presión, que le esta suministrado la bomba, en energía cinética (ecuación de descarga). De esta manera, el agua adquiere una rapidez superior a la que llevaba dentro de la conducción, lo que le permite, alcanzar, o sea ser lanzada a una distancia suficiente para que no sea necesario acercarse en exceso al fuego y poderlo extinguir con seguridad. Esta velocidad junto con la sección de salida fija el caudal Q. Además de proporcionar el alcance y caudal necesario para la extinción, la lanza debe permitir regular el chorro de salida para adquirir diferentes configuraciones, según las necesidades y circunstancias de la extinción. En la posición de chorro recto se usa cuando se necesita una gran fuerza de extinción concentrada en un sitio de difícil acceso. En chorro de pulverización ancha crea una cortina de agua con el fin de proteger a los que están manejando la lanza y por último el chorro de pulverización estrecha, que es una posición intermedia entre los dos anteriores, es el ideal para atacar el fuego con seguridad. En función del diámetro de la manguera en la que van conectados, podemos encontrar lanzas para los tres diámetros de manguera: 25, 45 y 70 mm. El rango de caudales para cada tipo de diámetro es, para el diámetro de 25 mm entre 30 – 200 lpm para 45 mm entre 120 – 500 lpm y para 70 mm. Entre 300 – 1000 lpm. El caudal que está dando una lanza se deduce a partir de la ecuación de descarga. descarga . Q K S
PL
Donde S es la sección del orificio de salida. PL es la presión manométrica en punta de lanza y K es una constante que depende del modelo de la lanza 23. Según esta expresión el caudal que da una lanza se puede modificar variando cada uno de los tres factores. La norma UNE - EN 15182:2007 lanzas de manguera manuales destinadas a los servicios contra incendios define los siguientes tipos de lanzas: chorro pleno, (Tipo 1) Forma de chorro variable a caudal variable, (Tipo 2) Forma de chorro variable a caudal constante, (Tipo 3) Forma de chorro variable a caudal constante, seleccionable y (Tipo 4) presión constante (Subtipo 4.1 forma del chorro variable a presión constante y Subtipo 4.2 forma del chorro variable y caudal seleccionable a presión constante). Las lanzas de chorro pleno son el diseño más simple de lanza que existe, al no poseer obstáculos en el recorrido del agua, le confiere a la misma el máximo alcance, en función del orificio de salida, se contemplan en la parte tercera de la norma UNE - EN 15182, pero están en desuso por los bomberos. Las lanzas multiefectos (Tipo 1) tienen la posibilidad de chorro variable. Este tipo de lanza presenta el inconveniente de que el caudal que proporciona la lanza varía al variar el chorro, así poco a poco se han ido sustituyendo por el siguiente tipo.
23
En esta K se tiene en cuenta las perdidas de carga que genera la lanza y la relación entre las unidades de PL (bar) y Q (lpm), utilizadas en las lanzas según la UNE - EN 15182:2007.
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Las lanzas de caudal constante (Tipo 2) tienen la peculiaridad de permanecer constante su caudal a una presión fija al variar el efecto. Las lanzas de caudal constante han evolucionado con la aparición de dos modelos; las selectoras de caudal (Tipo 3) y las lanzas automáticas (Tipo 4). 4.2.1 L ANZA SELECTORA DE CAUDAL Y AUTOMÁTICA Una lanza selectora de caudal (Tipo 3) es aquella que está diseñada de forma que si mantenemos la presión en punta de lanza marcada por el fabricante, podemos seleccionar cuatro caudales, con tan solo variar la sección de salida de la lanza24. Por lo tanto se modifica el producto (K·S) de la ecuación de descarga. Otra característica es que conserva el mismo caudal al variar el chorro, ya que está construida de forma que el orificio de salida que fija el caudal, sea independiente del dispositivo genere el chorro. Este tipo de lanza, al igual que otras, dispone de una válvula manual, manual, que en este caso solo sirve para cortar el paso del agua. Así pues, este tipo de lanza, dispone de tres controles independientes, uno destinado a regular el caudal (1), otro el tipo de chorro (2) y un tercero el paso del agua (3). Las lanzas automáticas, automáticas, también denominadas de presión constante, son aquellas que disponen de un mecanismo que mantienen constante la presión dentro de la lanza entre un amplio rango de caudales. La lanza regula automáticamente la sección de salida de la lanza para cada caudal seleccionado, estas lanzas mantienen un alcance fijo, independientemente del caudal, pues la distancia a la que llega el chorro, depende de la presión que es constante. En este caso la lanza tan solo dispone de dos mandos, el selector de chorro (1) y la válvula manual (2), que es la encargada de la regulación del caudal, para lo cual esta calibrada
24
El caudal marcado por el fabricante en la lanza para cada posición, depende de presión en punta de lanza (PL) y de la sección (KS) con la que haya calibrado la lanza. Hay que tener en cuenta que la presión PL debe ajustarse para cada selección, ya que si variamos (KS) al pasar de una posición a otra, como veremos más adelante, la presión en punta de lanza se modifica.
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generalmente entre cuatro a seis posiciones. La ventaja de este tipo de lanzas, es que da el caudal marcado por la posición de la válvula de cierre, cosa que no ocurría con las lanzas selectoras de caudal, en la que además debíamos mantener la presión en punta de lanza dentro del rango especificado por el fabricante. El fabricante de la lanza selectora de caudal proporciona una tabla con los datos del caudal que suministra la lanza en función de la presión en punta de lanza (PL) y de KS. Por ejemplo, para una lanza TURBOJET de AKRON TURBOJET
Q (lpm) KS
25
45
PL (bar) 5
7
8,5
19
42
50
57
37
83
95
106
59
132
150
170
88
197
230
254
44
98
115
129
87
197
230
254
136
310
360
401
180
409
475
530
El diseño de una lanza automática hace que la presión dentro de la lanza (PL) está comprendida en un estrecho intervalo, el fabricante suministra los datos de caudal y presión en punta de lanza para las distintas posiciones de la válvula de cierre, por ejemplo: LEADER MACH 3 (45 mm.) Posición
A
B
C
D
E
F
Q (lpm)
100
200
300
400
500
600
PL (bar)
3,7
4,4
5,0
5,4
5,6
5,7
4.2.2 M ONITORES Y LANZA FORMADORA DE CORTINA Cuando en los trabajos de extinción de un incendio, se necesitan alcances y caudales 25 considerables durante periodos dilatados de tiempo, se utilizan los monitores o cañones de agua. Estas lanzas especiales, una vez instaladas y fijado su blanco, pueden funcionar sin la 25
Hay monitores que proporcionan 4000 litros/min., llegando hasta los 16.000 litros/min. en instalaciones fijas especiales.
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intervención de un punta de lanza. Podemos encontrarnos dos tipos de monitores: loa fijos y los portátiles. portátiles. Los fijos que están situados en vehículos, como autobombas nodrizas o en la cesta de una autoescalera. Se alimentan con el agua procedente de la bomba del vehículo o por un hidrante si proporciona el suficiente caudal y presión. Los monitores portátiles permiten ser colocarlos en el lugar más adecuado mediante un transporte manual del mismo, se alimentan mediante la correspondiente instalación desde la bomba de un vehículo. Hay otros modelos de monitores que realizan automáticamente un movimiento en abanico, ampliando de esta manera, su zona de actuación sin necesidad de que un bombero tenga que moverlo. Algunos de los monitores portátiles poseen dos entradas de agua en un ángulo de 90º con el fin de contrarrestar la reacción, en el caso de los monitores fijos se alimentan mediante un coda con el que se consigue el mismo resultado. La lanza formadora de cortina, a pesar de su nombre, no son propiamente lanzas, son unas boquillas especiales que poseen una pantalla, con forma de media luna a la salida del chorro de agua. Al chocar el agua contra este elemento, se esparce en forma de cortina, protegiendo la zona contra el calor radiante. Se emplea en maniobras de autoprotección en los incendios forestales. En el caso de que el fuego se encuentre cerca. Tiene el inconveniente del gran gasto de agua que representan. E ACCIÓN Y ALCANCE DE UNA LANZA 4.2.3 R EACCIÓN El agua está saliendo de la lanza con una velocidad v que depende, como hemos visto de la presión en punta de lanza. Para que se produzca esto, debe existir una fuerza F que está impulsando al fluido por el orificio de sección S. El principio de acción y reacción establece que, por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Por lo tanto aparecerá en la lanza una fuerza de reacción R de sentido opuesto a F. Esto es lo que se conoce como reacción de una lanza. lanza .
Su valor se demuestra que es: R = 2· PL · S
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Si PL esta en bares, S tiene que estar en cm 2 para que R de en Kg. Si PL se da en Pascales, S tiene que estar en m 2, en este caso R da en newton. Por ejemplo, una lanza de 45 mm tiene una PL = 5 bares. Suponiendo que la sección de salida tiene 14 mm (1,4 cm) de diámetro ¿Cuál es la fuerza de reacción r eacción R?: R = 2 P L S = 2 5 b ar
1,4 2 4
cm 2
2 5 1.54
15, 4 Kg.
Se denomina alcance vertical y horizontal a la distancia y altura respecto al suelo respectivamente, respectivamente, a la que puede llegar el chorro de agua una vez que abandona la lanza. lanza. El alcance depende de varios factores como puede ser, el ángulo que forma la lanza con la horizontal, el rozamiento del fluido con el aire o del viento, por lo que es difícil encontrar un modelo teórico que se aproxime a un valor real. Además de dispersión del chorro hace que durante la trayectoria este deje de comportarse como un cilindro con un diámetro constante, sino que se abre antes de alcanzar la altura máxima, pudiendo algunas gotas de agua llegar más lejos que el grueso del chorro. Los fabricantes de las lanzas dan los datos de los alcances, en función del caudal, por medio de ensayos normalizados 26 en forma de tablas o gráficas. A pesar de esto vamos a realizar una aproximación teórica a este problema. Cuando el agua sale de una lanza lo hace con un caudal ( Qv) a una velocidad (v ( v) determinada, por lo tanto en un tiempo t está saliendo una masa igual a m = ·Qv·t. Por ejemplo si está saliendo un caudal de 250 lpm, en un segundo estará saliendo una masa de agua de: m = ·Qv·t = 1000 Kg./m 3 · 4,167x10-3 · 1 s = 4,167 Kg. Es como si cada segundo la lanza estuviera expulsando cilindros de agua de esa masa a la velocidad v: ¿Qué trayectoria seguirán estos hipotéticos cilindros de agua una vez que salen de la lanza? Para este análisis debemos suponer que no existe rozamiento con el aire y no se tiene en cuanta la influencia del viento. Supongamos que tenemos la lanza que está proyectando un cilindro de agua hacia arriba con cierto ángulo respecto a la horizontal.
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Si no existiera la fuerza de la gravedad el cilindro seguiría una trayectoria recta LABC, así durante el primer segundo, como lleva una velocidad constante v, habrá recorrido la distancia LA, durante el segundo siguiente AB, BC en el tercer segundo y así sucesivamente. La fuerza de gravedad hace que la masa de agua adquieran una velocidad uniformemente acelerada, por lo tanto a la vez que el cilindro de agua ha recorrido la distancia horizontal d este ha descendido la distancia vertical AA’ en el primer segundo, BB’ en el segundo CC’ en el tercero, etc. El resultado es que el cilindro sigue una trayectoria curva LA’B’C’, denomina parabólica. parabólica. El alcance horizontal será la distancia recorrida por el agua antes de que llegue al suelo y el alcance vertical será la máxima altura alcanzada. Hasta ahora no hemos tenido en cuenta la resistencia del aire y la dispersión del chorro cuando esto ocurre el alcance ya no es el teórico sino que es mucho menor. La norma EN 15182:2007 lanzas de manguera manuales destinadas a los servicios contra incendios define un el alcance efectivo y un máximo en función del tipo de lanza, la presión y el caudal. Valores que el fabricante debe garantizar mediante ensayos.
La resistencia del aire hace que el chorro sea frenado durante su trayectoria, esto se traduce en que si tenemos dos lanzas de diámetro distinto, pero que el agua está saliendo con la misma velocidad, el chorro de la lanza de mayor diámetro llegará más lejos. La explicación de este fenómeno es que la lanza de mayor diámetro estará generando un chorro de mayor caudal, por lo tanto de mayor energía cinética. Pero como la resistencia del aire es prácticamente igual, el chorro con mayor caudal llegará más lejos. Es como si tenemos una bicicleta y un coche circulando a 40 Km./h y tenemos que frenarlos con la misma fuerza, el vehículo con mayor masa nos obligará a disponer de una mayor distancia de frenado.
4.3 PÉRDIDAS DE CARGA En la ecuación de la energía aplicada a la instalación hidráulica aparecía el término h j ó PC, PC, este factor representaba la energía disipada por los elementos físicos que componen dicha instalación, incluyendo no solo el rozamiento del agua sobre las paredes de las mangueras, sino también con los elementos auxiliares (bifurcaciones, bridas reducciones, etc.) existentes. Denominamos pérdidas de carga esta energía disipada.
26
Descritos en la norma EN 15182:2007 lanzas de manguera manuales destinadas a los servicios contra incendios.
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Consideremos un deposito que se descarga por una tubería recta en la que hemos situado una serie de manómetros, si la llave está cerrada, los manómetros marcarán todos la misma presión, que será la altura de presión existente a la salida del depósito.
Si abrimos la llave, al agua empieza a circular con un caudal Q y como no varía la sección de la conducción, a lo largo de la misma habrá la misma altura de velocidad, por lo tanto los manómetros mancarán una altura menor ya que parte de la presión se habrá empleado en mover el fluido:
Esto es una situación teórica, ya que en la práctica comprobaríamos que lo que ocurre es que no todos los manómetros han perdido la misma altura sino que los más alejados del depósito han disminuido más:
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Esto es debido a las pérdidas de carga y lo primero que se observa es que aumentan con la longitud de la conducción. Si ahora aumentamos la velocidad de circulación del agua por la conducción, se comprueba que el descenso de la altura de los manómetros sería mayor:
Para una misma velocidad si aumentamos el diámetro de la conducción veremos que el descenso es menor.
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Si cambiamos el material de la conducción por otro más rugoso veríamos que el descenso es mayor. También se puede demostrar que cuando más viscoso es el fluido la pérdida de carga es mayor. Resumiendo, las pérdidas de carga son directamente proporcionales a la longitud de la conducción, el caudal y la rugosidad del material, e inversamente proporcional al diámetro. Todas estas consideraciones se pueden resumir en la llamada ecuación de Darcy-Weisbach, Darcy-Weisbach, que dice que: L v2 PC f D 2 g Donde: PC: pérdidas de carga en mca. PC: f : coeficiente de fricción, fricción, que tiene en cuenta la rugosidad del material y la viscosidad del fluido. L: longitud equivalente de la instalación en metros, se entiende como la longitud física de la misma incrementada en un valor determinado, en función del número elementos auxiliares instalados. Este incremento esta tabulado. D: diámetro de la tubería en en metros. metros. v: velocidad de circulación del fluido en m/s g: aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2). Esta expresión se puede poner en función del caudal:
PC
Q2 L v2 L S2 f = f D 2 g D 2 g
16 Q 2 L 2 D4 f D 2 g
8 f L Q2 2 5 g D
Q: Caudal en metros cúbicos por segundo. Es decir, directamente proporcionales al cuadrado del caudal, al factor de fricción y a la longitud de una instalación e inversamente proporcionales proporcionales al diámetro de la conducción a la quinta. El valor del factor f , depende del régimen de flujo que posea el fluido. Si el régimen es laminar, laminar, su valor es: f = 64 / Re Donde Re es el número de Reynolds. En el caso de que estemos ante un régimen turbulento, turbulento, que es lo habitual, el factor f no depende exclusivamente de Re y por tanto su cálculo es más complejo. Lo más sencillo es el empleo de un gráfico denominado diagrama de Moody. Moody. Allí se muestran los resultados experimentales experimentales de f , en función del número de Reynolds y lo que se conoce como rugosidad relativa de la conducción. Dependiendo del material del que esta hecha la conducción se le absoluta, valor dado por el fabricante mediante ensayos. El diámetro asocia una rugosidad absoluta, de la conducción dividido por este valor es precisamente la rugosidad relativa. Luego el coeficiente de fricción depende del material de la tubería, de su sección por la rugosidad relativa, la velocidad y la viscosidad por el número de Reynolds. Pág. 131
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En la figura vemos en forma exagerada la rugosidad en la pared de una conducción. Se define el valor de la rugosidad absoluta ( como la altura promedio de los picos de las irregularidades existentes. Estos son los valores tipo para tuberías empleadas en sistemas de distribución de agua y en la industria: Plástico
0,0003 mm
Tubo extrudido
0,0015 mm
Acero comercial
0,0460 mm
Hierro galvanizado
0,1500 mm
Hormigón
0,1200 mm
Acero remachado
1,8000 mm
Estos valores son cuando la conducción está limpia, con el tiempo la rugosidad cambia por la corrosión o por la formación de depósitos de impurezas en la pared. Para hallar el factor de fricción f, usando el Diagrama de Moody hay que conocer la velocidad de circulación del fluido por la conducción ( v), el diámetro de la tubería ( D) para que con la viscosidad cinemática ( ), se pueda calcular el número de Reynolds (100.000 en el ejemplo). Por otro lado, el material con que está hecha la conducción nos delimita la curva de rugosidad relativa que deberemos usar (tubería lisa en el ejemplo). La intersección entre la vertical al valor del número de Reynolds y la curva nos da el valor de f buscado. (0,0178 en este caso).
Este procedimiento de cálculo de las pérdidas de carga puede resultar eficaz en el diseño de conducciones fijas de distribución de agua. Pero resulta poco práctico en el caso del análisis de las instalaciones hidráulicas de extinción, por ello se han ideado varios sistemas sencillos de hallar, de manera aproximada, las pérdidas de carga:
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A) El primer sistema de cálculo, se basa en expresar la ecuación Darcy-Weisbach de la siguiente forma: PC
K Q2 L 10 10.000 100
8 f L Q2 2 5 g D
Donde PC se mide en bares, Q en litros por minuto y la longitud en metros. K es un factor que depende del diámetro de la manguera:
K
25
45
70
60
3,2
0,35
Por ejemplo, si por 100 metros de manguera de 45 circula un caudal de 200 lpm, luego las pérdidas de carga serán: PC
K 45 Q 2 L 10 10.00 000 100
3,2 200 2 100 10 10.000 100
1, 28 Bar
B) Se pueden emplear, si se disponen, tablas o gráficas confeccionadas por los fabricantes de mangueras que nos indican en función del caudal y del diámetro cual es la pérdida de carga. Estas gráficas se realizan mediante ensayos, midiendo las pérdidas de carga para distintos caudales.
Por ejemplo, si por 100 metros de manguera de 45 circula un caudal de 200 lpm, las pérdidas de carga se leerían en la gráfica dando PC = 1, 2 bares. Las pérdidas de carga son independientes de la presión, siempre que las conducciones sean rígidas. En el caso de las mangueras al tener una mayor flexibilidad, se comprueba en estos ensayos que a partir de cierta presión, por encima de los 16 bar, la manguera se dilata aumentado de diámetro y por tanto disminuyendo el valor de la perdida de carga respecto a una conducción rígida del mismo diámetro por la que circula el mismo caudal.
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C) Otra forma es fijar una pérdida de carga media para cada diámetro de manguera, 100 metros de longitud y un caudal determinado de la siguiente forma:
Diámetro
Q (lpm)
25
PC cada 100 metros bar
mca
90
3,6
36
45
250
1,5
15
70
500
0,55
5,5
Si no varía el diámetro, el cálculo de las pérdidas de carga para cualquier longitud de manguera y para un caudal distinto se sigue las siguientes reglas: 1) Las pérdidas de carga para una longitud (L) distinta de 100 m y un mismo diámetro y caudal: PC100 L 100 2) Si las pérdidas de carga para un diámetro, una longitud dada y un caudal Q 1 son PC1 para otro Q 2 se cumple: PCL
PC2
Q 22 PC1 2 Q1
Por ejemplo, si por 100 metros de manguera de 45 circula un caudal de 200 lpm, luego las pérdidas de carga serán: PC200
Q 22 P C 25 0 2 Q1
200 2 1,5 250 2
0,96 Bar
4.4 PUNTO DE FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN Ahora vamos a proceder a un análisis cualitativo de la instalación hidráulica con el fin de explicar porque se producen los fenómenos observados durante las intervenciones. Supongamos que tenemos la instalación hidráulica básica con un desnivel positivo, si queremos que la lanza nos de un caudal Q y un alcance determinado deberá poseer una presión PL, por lo tanto la bomba debe dar: PB = PL + HG + PC La presión en punta de lanza PL en función del caudal y de la sección de salida es: PL
Q2 (K S) 2
Esto significa que si queremos que la lanza nos dé un caudal Q deberemos saber el valor K·S fijado por el fabricante para saber la presión PL necesaria. Las pérdidas de carga PC, son iguales a:
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PC
8 f L 2 Q 2 g D5
Si no variamos los elementos de la instalación, se pueden considerar f, L y D constantes, constantes, por lo tanto: PC K j Q 2 Donde K j es una constante que depende de la instalación. Sustituyendo los valores en función del caudal deseado: PB
Q2 (K S) 2
HG K j Q 2
HG + (
1 (K S) 2
K j ) Q 2
Esta expresión se conoce como curva resistente de una instalación, que puede ser representado gráficamente en función del caudal y de la sección S. Los puntos pertenecientes a esta curva, nos dan la presión que debe proporcionar la bomba para trabajar con las condiciones impuestas por la instalación hidráulica, es decir que exista una presión PL en punta de lanza (un alcance) y salga por la misma, un caudal Q. Por otro lado, la curva característica de una bomba, nos da la presión en función del caudal y de su velocidad de giro. La intersección de ambas curvas nos da el denominado punto de funcionamiento de la instalación. instalación. Dada la instalación, trabajando con una lanza de sección de salida S, por tanto proporcionando el caudal deseado Q, implicará tener que fijar una determinada presión en punta de lanza, que nos fijará el alcance de la lanza. La intersección de la curva resistente con la curva característica de la bomba determina el punto de funcionamiento A, en dicho punto la bomba trabaja a velocidad N dando una presión H A y un caudal Q A. Si queremos variar este caudal, lo podemos hacer de dos maneras.
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Si queremos que aumente el caudal sin aumentar la sección, desplazaremos el punto de funcionamiento de la bomba al punto B acelerándola. En este caso aumentamos la presión en punta de lanza y por tanto el alcance. Si aumentamos el factor (K·S) de la lanza, la bomba trabajará en el punto C, aumentando el caudal y disminuyendo la presión de trabajo ( PB). PB). En este caso, la presión en PC). El punta de lanza (PL (PL)) disminuye también, ya que ha aumentado las pérdidas de carga ( PC). caudal extra que da la lanza lo obtenemos por aumento de sección. En cuanto a la velocidad de salida del agua ha disminuido.
4.5 GOLPE DE ARIETE El fenómeno conocido como golpe de ariete, ariete, tiene lugar en una tubería por la que circula agua con cierta velocidad y se interrumpe, por ejemplo, mediante el cierre de una válvula. Entonces, aparecen en las paredes de la misma, unas sobrepresiones que pueden llegar a producir la rotura de la conducción. Para explicar el fenómeno, supongamos que tenemos una instalación, de longitud L, que se alimenta por gravedad de un deposito que se encuentra a presión constante. Para simplificar la explicación suponemos que no existen pérdidas por fricción.
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Si cerramos la válvula V, el agua que circula con velocidad v, chocará contra la misma. El resultado será un brusco aumento de presión y una detención progresiva del fluido, si esta perturbación se desplaza con una velocidad de a m/s, en un tiempo L/a segundos todo el fluido de la manguera estará en reposo y la conducción sometida a una sobrepresión. Es decir que el fenómeno se caracteriza por una transformación alternativa de la energía cinética que poseía el fluido en energía elástica que almacenará tanto el fluido como las paredes de la conducción. Al llegar la sobrepresión a las inmediaciones del depósito, existirá una mayor presión en la conducción que en el depósito, por tanto el agua tenderá a entrar en el mismo, con velocidad -v. -v. La presión volverá a ser la que tenía inicialmente la conducción, pero como el agua ahora circula de la válvula al depósito, en el instante 2L/a segundos, la perturbación llega a la válvula, que como se encuentra cerrada, no se repone el agua que se desplaza y por tanto se genera una depresión en la misma, tal que el agua se frena hasta alcanzar el reposo. Esta depresión se transmite de nuevo por la conducción hasta que transcurridos 3L/a segundos, desde el cierre de la válvula, el fluido no posee velocidad, pero está en depresión. Por lo tanto el agua tenderá a circular del depósito a la conducción, adquiriendo de nuevo la velocidad v en dirección hacia la válvula. En el momento que la perturbación, que ahora viaja hacia delante, llega de nuevo a la válvula, se repiten las condiciones iniciales del cierre ocurrido 4L/a segundos antes. El proceso descrito se repite cada 4L/a segundos. Los efectos del rozamiento y las elasticidades del fluido y de la conducción, despreciadas en la descripción anterior, llevan a que el fenómeno se amortigüe y el fluido alcance finalmente el estado de reposo. Se puede demostrar, que la máxima sobrepresión que puede llegar a alcanzarse en un golpe de ariete es: h
a Vo g
h: sobrepresión, en metros de columna del fluido circulante. a: velocidad de propagación de la perturbación (m/s). Vo: velocidad de régimen del fluido. g: aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2).
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El valor de a depende del material de la conducción, el diámetro y el espesor de la misma. Para dar una idea aproximada en las tuberías de acero es de 1000 m/s, 800 m/s para el fibrocemento y en el caso de conducciones de PVC desciende hasta 200 m/s. Para tener en cuenta el orden de magnitud de esta sobrepresión calculemos, por ejemplo, en una conducción de PVC, por la que circule agua a 100 mca. (10 atm aproximadamente) y con una velocidad de régimen de 1,5 m/s: h
a Vo
1,5 200
g
9,81
30,6 mca
3 atm
Hablamos de un incremento del 33% de la presión nominal, pero si empleamos una conducción de fibrocemento con a = 800 m/s, esta sobrepresión sube a 12 atm, duplicándose la presión de régimen. Esta sobrepresión, es la máxima que se alcanza en el caso de un cierre instantáneo de la válvula de la lanza. Se demuestra, que si no queremos que se produzcan estas 2L/a, pues de esta sobrepresiones, la solución es cerrar la válvula en un tiempo mayor que 2L/a, forma, ningún punto alcanza la sobrepresión máxima, y la primera onda positiva reflejada regresa antes que se genere la última negativa. En el caso de una instalación de 100 metros y una tubería de PVC, este tiempo es de un segundo.
4.6 DOSIFICADORES Y GENERADORES DE ESPUMA La espuma empleada como agente extintor en las instalaciones hidráulicas, se genera al introducir aire en una mezcla de un producto denominado espumógeno con agua conocida como mezcla espumante. espumante. Los premezcladores o dosificadores de espuma son los dispositivos encargados de generar la mezcla espumante con la proporción recomendada por el fabricante. La mezcla espumante se conduce a través de las mangueras hasta llegar a los generadores de espuma, donde se le insufla aire produciéndose la espuma, que es aplicada sobre el fuego. Los dosificadores más antiguos, que aún se emplean, la mezcla se produce en la aspiración de la bomba o a la salida de la misma. Para lo cual entre la aspiración y la impulsión de la bomba, se crea un circuito (1-2) que tiene intercalado un estrechamiento (Venturi). El agua por la ecuación de continuidad sufre un aumento de la velocidad y por tanto la presión disminuye, llegando a valores manométricos negativos, si en este punto conectamos un tubo conectado a un deposito con espumógeno que se encuentra a presión atmosférica. Este será succionado mezclándose con el agua que circula por el conducto. Este premezclador se diseña para que fijando un caudal, nos dé una mezcla espumante en una proporción preestablecida. La desventaja de este sistema es que la mezcla espumante atraviesa el cuerpo de la bomba, siendo necesaria la limpieza posterior del mismo. Par evitar esto, existen unos premezcladores intercalados en la instalación de la manguera o en punta de lanza, algunos de ellos, provistos de un depósito para espumógeno.
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Hoy en día, se están empezando a emplear dispositivos electrónicos en los que el espumógeno se introduce directamente por medio de una bomba en la instalación, con la correspondiente ventaja que supone en cuanto a la precisión de la proporción de agua y espumógeno. Para lo cual, dispone de un sistema de control mediante un pequeño microprocesador, microprocesador, que con el valor que le da el sensor que mide el caudal de agua que trasiega la bomba, calcula el caudal de espumógeno necesario para conseguir la proporción deseada. Así, por ejemplo, si tenemos un caudal de 100 litros/min. de mezcla espumante y estamos trabajando con un espumógeno al 0,3% necesitaremos adicionar a 99,7 litros/min. de agua un caudal de 0,3 litros/min. de espumógeno. El procesador regula la velocidad de una bomba, que trasiegue el caudal de espumógeno calculado, el cual es inyectado a la salida o entrada de la bomba, dependiendo de la presión de trabajo de la bomba de espumógeno. Para la generación de la espuma a partir de la mezcla espumante, es necesario adicionar el aire. Esto se consigue mediante los llamados generadores de espuma. espuma . En el caso de que estemos trabajando con espuma de baja 27 o media expansión , el generador es un tubo por el que la mezcla espumante se hace pasar. En un extremo del mismo, se encuentra la cámara de expansión que esta diseñada de tal forma, que genere una depresión por medio de un estrechamiento, que por efecto Venturi, hace que el aire entre a través de unas aberturas colocadas de forma radial. En esta cámara se forman las burbujas, que se expanden y se combinan formando la espuma, que es expulsada por el otro extremo del conducto. Este generador puede ser una lanza especial o un accesorio, que se coloca a una lanza convencional. En el caso que se emplee espuma de alta expansión, el generador de espuma ya no es una lanza, es un ventilador con un premezclador incorporado, que al ser alimentado con agua realiza la mezcla espumante en su interior, para posteriormente ser rociada delante de las
27
Se define la expansión de una espuma como la relación entre el volumen final de la espuma producida y el volumen inicial de la mezcla espumante usada. Se dice que una espuma es de baja expansión si este coeficiente esta comprendido entre 3 y 30, de media expansión entre 30 y 250 y de alta expansión entre 250 y 1.000.
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aspas del ventilador generándose la espuma. Esta se expande a través de un saco de tela mallado.
5 CÁLCULOS DE INST INSTALACIONES ALACIONES HIDRÁULICAS DE BOMBEROS Las instalaciones hidráulicas fijas de extinción (BIEs, rociadores, etc.), se calculan, para suministrar un caudal de agua suficiente para extinguir un potencial incendio que se declarase en un lugar que posee un nivel de riesgo determinado. Esto no sucede con las instalaciones que realizan los bomberos, éstas se montan cuando el fuego se ha declarado, sin conocer el nivel de riesgo, además de ejecutarse de una manera rápida pero planificada. Si a esto, unimos, que la configuración puede variar radicalmente según las circunstancias y desarrollo del incendio, cabe preguntarse, ¿Qué utilidad tiene realizar algún tipo de cálculo previo de una instalación de bomberos?. La respuesta está en que todo mando de bomberos debe disponer de herramientas, antes de que se produzca un incendio, para planificar que medios y configuración debe tener una instalación para atacar, con un caudal suficiente, un determinado incendio. Además comprobará si los medios de los que dispone son los adecuados y le ayudará a deducir la dotación mínima imprescindible. Todo esto condicionará la formación necesaria y ayudará a identificar las carencias existentes si se quiere resolver, con seguridad, todos los posibles incendios en su área de actuación. En este apartado realizaremos algunos ejemplos de cálculo de instalaciones básicas de ataque.
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5.1 EJEMPLOS DE CÁLCULOS DE INSTALACIONES Caso 1.- Calcular la presión en la bomba (PB), para Q igual a 240 y 321 lpm, sabiendo que la presión en punta de lanza para estos caudales es de 7 y 5 bar respectivamente, con aberturas (KS) distintas .
Solución: 1) En este caso ambas lanzas están dando un caudal Q = 240 lpm. Aplicando la ecuación de línea a uno de los ramales, tenemos: PB PL PCL 200 ( Q 70
70
) PCL 40 ( Q 45
45
)
Sabemos que Q 45 = 240 lpm, lpm, KS = 91 y PL = 7 bar, bar , por lo que Q 70 = 480 lpm. Procedemos al cálculo de las pérdidas de carga utilizando las expresiones: Q 2 70 PCL 200 ( Q 70 ) PCL 100 ( 500 ) 500 2 70 70 Q 2 45 PCL 40 ( Q 45 ) PCL 100 ( 250 ) 250 2 45 45
L 70 100 L 45 100
Donde como hemos visto: PCL 100 ( 500 ) 0 , 55 55 bar 70
PCL 100 ( 250 ) 1,50 bar 45
Sustituyendo valores: Q 2 70 PCL 200 ( Q 70 ) PCL 100 ( 500 ) 500 2 70 70 Q 2 45 PCL 40 ( Q 45 ) PCL100 ( 250 ) 250 2 45 45 PB PL PCL 200 ( Q 70
70
L 70 480 2 0,55 100 500 2 L 45 240 2 1,50 100 250 2
) PCL 40 ( Q 45
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45
200 1,01 bar 100 40 100
0,55 bar
) 7 1,01 0 ,55 8 ,56 bar
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2) Ahora el caudal de cada lanza es de Q 45 = 321 lpm y PL = 5 bar, bar, por lo que Q 70 = 642 lpm. KS = 144 Ahora las pérdidas de carga valdrán: Q 2 70 PCL 200 ( Q 70 ) PCL 100 ( 500 ) 500 2 70 70 Q 2 45 PCL 40 ( Q 45 ) PCL 100 ( 250 ) 250 2 45 45 PB PL PCL 200 ( Q 70
70
L 70 6422 0,55 100 500 2 L 45 3212 1,50 100 250 2
) PCL 40 ( Q 45
45
200 1,81 bar 100 40 100
1 bar
) 5 1,81 1 7,81 bar
Respuesta: Q
45
= 240 lpm PL = 7 bar PB = 8,58 bar
Q
45
= 321 lpm PL = 5 bar PB = 7,81 bar
Caso 2.- Calcular la presión en la bomba (PB), en la bifurcación (PD), la presión en la lanza 2 (PL 2) y el caudal (Q 2). Sabiendo que Q 1 = 240 lpm a PL 1 = 7 bar, y que ambas lanzas están abiertas con un K·S = 91.
Solución: 1) La ecuación de línea entre la bifurcación y la lanza 1: PD PL 1 HG PCL 40 ( Q1 45 ) 45
Donde: PL1 = 7 bar, HG = 20 mca = 2 bar y Q 145 = 240 lpm. Q12 45 L 45 PCL 40 ( Q1 45 ) PCL 100 ( 250 ) 250 2 100 45 45
240 2 40 1,50 250 2 100
0,55 bar
Luego: PD PL 1 HG PCL 40 ( Q 45
45
) 7 bar 2 bar 0,55 bar 9,55 bar
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2) La presión en la lanza 2, será igual a la presión en la bifurcación menos las perdidas de carga: PL 2
PD PCL 40 ( Q 2 45
45
)
Ponemos las pérdidas de carga en función del caudal Q2 45 Q 22 45 L 45 PCL 40 ( Q 2 45 ) PCL 100 ( 250 ) 250 2 100 45 45
Q 22 45 40 1,50 250 2 100
9,6 x 10 -6 Q 22
45
La presión en punta de lanza PL 2 en función del caudal y KS será: Q2
45
K S
PL 2
Q 22 45 (K S)2
PL 2
Q 22 45 ( 91) 2
1,20 2075 x 10
4
Q 22 45
Sustituyendo en la ecuación de línea: PL 2
PD PCL 40 ( Q 2 45
45
)
1,2075 x 10
4
Q 22 45
9,55 9,6 x 10 -6 Q 22
45
Despejando Q2 45 Q2
9,55 45
9,6 x 10
-6
1,20 2 075 x 10
270 lpm
4
La presión en la lanza valdrá: PL 2
Q 22 45 (K S) 2
270 2 ( 91) 2
8,80 bar
3) La presión en la bomba será la presión en la bifurcación más las pérdidas de carga por la manguera de 70 mm. PB PD PCL 200 ( Q 70
Donde: PD = 9,55 bar y Q 70 = Q1 Las pérdidas de carga serán:
45
70
)
+ Q2 45 = 240 lpm + 270 lpm = 510 lpm. lpm.
Q 2 70 L 70 PCL 200 ( Q 70 ) PCL 100 ( 500 ) 500 2 100 70 70
510 2 200 0 ,55 1,14 bar 500 2 100
Sustituyendo: PB 9,55 bar 1,14 bar = 10,69 bar Respuesta: PB = 10,69 bar PD = 9,55 bar PL 2 = 8,80 bar
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Q2 45 = 270 lpm
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Caso 3.- Calcular la presión en la bifurcación (PD), el caudal (Q 2), presión en la lanza 2 (PL 2) y la presión en la bomba (PB). Sabiendo que Q 1 = 150 lpm, PL 1 = 10 bar y que las lanzas están abiertas con un (K·S) 1 = 47 y un (K·S) 2 = 76 respectivamente.
Solución: 1) La ecuación de línea entre la bifurcación y la lanza 1 será PD PL 1 HG1 PCL 60 ( Q1
25
25
)
Donde: PL1 = 10 bar, HG1 = 30 mca = 3 bar y el caudal Q 125 = 150 lpm. En este caso las pérdidas de carga valdrán: Q12 45 L1 25 PCL 60 ( Q1 25 ) PCL100 ( 90 ) 90 2 100 25 25
150 2 60 3,6 90 2 100
6 bar
Luego: PD PL 1 HG1 PCL 60 ( Q1 25
25
) 10 bar + 3 bar + 6 bar = 19 bar
2) La presión en la lanza 2, será igual a la presión en la bifurcación menos las pérdidas de carga más la altura geométrica 10 mca = 1 bar: PL 2
PD PCL 40 ( Q 2 25
25
) HG 2
Ponemos las pérdidas de carga en función del caudal Q2 25 Q 22 25 L 2 25 PCL 40 ( Q 2 25 ) PCL100 ( 90 ) 90 2 100 25 25
Q 22 25 40 3,6 90 2 100
1,778 x 10 -4 Q 22
25
La presión en punta de lanza PL 2 en función del caudal y KS será: Q2
25
(K S)2
PL 2
Q 22 25 ( K S ) 22
PL 2
Q 22 25 ( 76 ) 2
1,73 7313 x 10
4
Q 22 25
Sustituyendo en la ecuación de línea: PL 2
PD PCL 40 ( Q 2 45
45
) HG 2
1,7313 x 10
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4
Q 22 25
19 1,778 x 10 -4 Q 22
25
1
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Despejando Q2 25
Q 2 25
20 1,7313 x 10 -4 1, 77 778 x 10
4
238 lpm
La presión en la lanza valdrá: PL 2
Q 22 25 (K S) 2
238 2 ( 76 ) 2
9,81 bar
3) La presión en la bomba será la presión en la bifurcación más las pérdidas de carga por la manguera de 45 mm., como el desnivel es negativo, menos la altura geométrica HG 3 = 10 mca = 1 bar PB PD PCL100 ( Q 45
Donde: PD = 19 bar y Q 70 = Q1 Las pérdidas de carga serán:
25
45
) HG 3
+ Q2 25 = 150 lpm + 238 lpm = 388 lpm. lpm.
Q 2 45 L 45 PCL100 ( Q 45 ) PCL 100 ( 250 ) 250 2 100 45 45
388 2 100 1,5 250 2 100
3,61 bar
Sustituyendo: PB 19 bar 3,61 bar - 1 bar = 21,61 bar Respuesta: PB = 21,61 bar PD = 19 bar PL 2 = 9,81 bar
Q2 45 = 238 lpm
Caso 4.- Calcular la longitud máxima que puede tener la siguiente instalación, sabiendo que se trata de una manguera de 45 45 mm, con un presión en punta de lanza PL = 5 bar, un caudal de 240 lpm y una presión en la bomba PB = 20 bar. ¿Qué cantidad de agua será necesaria para llenar la instalación?
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Respuesta: 1) Aplicamos la ecuación de línea: P B PL H G P C L ( Q ) 45
De aquí conocemos PB = 20 bar y PL = 5 bar y la altura geométrica entre la bomba y la lanza es la diferencia de cotas entre ambas HG = 130 – 100 = 30 mca = 3 bar, luego: PCL ( 240 ) 20 5 3 12 bar 45
Las pérdidas de carga serán como máximo: 2 Q f45 L f45 PCL (Q f45 ) 12 bar PCL100 (250) 250 2 100 f45 f45
240 2 L 1,5 250 2 100
Despejando L: L
12 0,0138
868,05 m
860 m
2) Una manguera de 45 mm tiene una sección de 0,00159 m 2 (ver tabla I del problema 3), si su longitud es de 860 metros, cabrá un volumen de agua de: V = S 45 · L = 0,00159 m2 · 860 m = 1,36 m3 = 1360 litros Respuesta: L = 860 m V = 1360 litros Capacidad en litros de una instalación de diámetro y longitud L Capacidad en litros Longitud en metros 1
20
100
200
300
400
500
25
0,5
10
50
100
150
200
250
45
1,6
32
160
320
480
640
800
70
3,85
77
385
770
1155
1540
1925
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APÉNDICE: CONCEPTOS BÁSICOS DE FÍSICA A1.-RÁPIDEZ, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN Sea una masa en movimiento que recorre un espacio ( s) en un tiempo determinado (t ( t), decimos que lleva una rapidez igual a: s v t m/s. Se mide en m/s. Coloquialmente usamos como sinónimas las palabras rapidez y velocidad, pero son conceptos diferentes en física, puesto que la velocidad es una rapidez en una determinada dirección y sentido. Es decir si decimos que un globo se desplaza con una rapidez de 10 m/s, no es lo mismo que vayamos en dirección vertical subiendo, bajando o en horizontal paralelo al suelo. Todas ellas son situaciones físicas muy distintas. Cuando una magnitud física, como la velocidad, depende de su dirección y sentido vectorial. decimos que es una magnitud vectorial. aceleración, cuando existe una Decimos que una masa en movimiento tiene una aceleración, variación de su velocidad en la unidad de tiempo. Se mide en m/s por cada segundo (m /s 2). Es decir si un cuerpo lleva una aceleración de 10 m/s 2 significa que si parte del reposo, durante el primer segundo lleva una velocidad de 10 m/s, en el siguiente segundo irá a 20 m/s, a los tres segundos el cuerpo ya va a 30 m/s, etc. En el transcurso de tiempo, la velocidad del cuerpo puede variar en rapidez, dirección o sentido. Así por ejemplo, un automóvil cuando arranca, y sigue un movimiento rectilíneo, la aceleración lleva la misma dirección y sentido que la velocidad. Si la aceleración ( a) es constante, el vehículo aumentará progresivamente su velocidad, tal que al cabo de un instante t: vfinal = vinicial + a · t
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Cuando se frena el mismo automóvil, la aceleración lleva el sentido contrario, ya que hace decrecer a la velocidad, en el caso de que al frenar apliquemos una aceleración constante, el tiempo que tardará un vehículo en parar será: v t = inicial a
A2.- FUERZA, TRABAJO, ENERGÍA MECÁNICA Y POTENCIA A2.1.- F UERZA Se llama fuerza a cualquier acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo; es decir, de imprimirle una aceleración modificando modificando su velocidad, ya sea en su rapidez, dirección o sentido. Así por ejemplo, si estamos en una pista de patinaje sobre hielo y nos movemos con una velocidad constante, si queremos ir más deprisa, tendremos que darnos un impulso, con nuestros músculos o empujándonos alguien. En este caso hemos variado nuestra rapidez pero no la dirección o el sentido de nuestra trayectoria.
Otro ejemplo lo tenemos en la patinadora de la figura, para poder seguir una trayectoria curva sobre la pista de hielo debe estar sometida a una fuerza, que hace que la misma sufra una aceleración, que se manifiesta en la variación del sentido de la velocidad, no en la variación de la rapidez. Por lo tanto, una fuerza F aplicada a un cuerpo de masa m hace que este adquiera una aceleración a en el mismo sentido y dirección que la fuerza aplicada, siendo directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo: F F m a m (N), definido como la fuerza que hay que aplicar a Las fuerzas se miden en newton (N), una masa de un kilo, para comunicarle una aceleración de un m/s 2. a=
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Este principio aparece por ejemplo cuando empujamos un vehículo averiado para arrancarlo. Al principio, nos cuesta mucho moverlo, pero a medida que lo conseguimos, nos cuesta menos, ya que le estamos aplicando al mismo una aceleración que será constante si aplicamos una fuerza también constante. Todo cuerpo que es sometido a una fuerza experimenta una aceleración y viceversa. Por lo tanto si un cuerpo no tiene aceleración significa que, o bien esta en reposo o posee velocidad constante, por lo tanto o no está sometido a ninguna fuerza o la suma de las fuerzas a las que está sometido se anulan dos a dos. Puede que al aplicar una fuerza a un cuerpo, la acción no se manifieste en una variación de su estado de movimiento, sino que le produzca una deformación comprimiéndolo o estirándolo, es decir variando sus dimensiones en una o varias direcciones. En este caso a la fuerza la denominamos tensión o esfuerzo cuando se trata de un sólido. En un fluido gaseoso la acción de una fuerza sobre el mismo implica, como hemos visto, una reducción de volumen y por tanto un aumento de su densidad. Hay fuerzas como las de naturaleza gravitatoria, magnética y eléctrica que se manifiestan mediante una acción a distancia. No llevando implícito en esta interacción un contacto físico entre los cuerpos que interactúan. Son ejemplo de este tipo de fuerza, el caso de un imán que atrae (modifica su estado de movimiento) a un clavo de hierro o cuando la Tierra atrae a la Luna mediante la fuerza de la gravedad, obligándole que siga una trayectoria curva (acelerándose). (acelerándose). Cuando salta al vacío un paracaidista, está sometido a dos fuerzas: su peso que tiende a precipitarlo contra el suelo y la resistencia del aire que frena su caída. La fuerza de resistencia D, depende de la forma y superficie del paracaidista y de la velocidad al cuadrado. Al principio D es pequeña y por tanto el saltador se acelera ya que está sometido a la fuerza del peso, como consecuencia de esto la fuerza de resistencia aumenta, hasta que llega a una altura respecto del suelo que se iguala al peso (P). A partir de ese momento el paracaidista deja de acelerarse, ya que las fuerzas son iguales y de sentido contrario, por lo tanto se anulan lo mismo que la aceleración. El saltador ha alcanzado lo que se conoce como velocidad terminal (alrededor de 200 km/h), no importa desde que altura se ha realizado el salto. Si no abriera el paracaídas llegaría al suelo con la misma velocidad. Si quiere sobrevivir al salto el paracaidista tendrá que llegar al suelo con una velocidad baja, para lo cual abre el paracaídas, aumentando la superficie y por tanto la fuerza de resistencia (D), que hace que aparezca una aceleración hacia arriba,
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disminuyendo la velocidad de caída, hasta que vuelva a igualarse con el peso, pero esta vez con una velocidad de descenso menor (unos 15 o 25 km/h). Para que esto se produzca, el saltador debe abrir al paracaídas a una altura mínima para que le dé tiempo a frenar. A2.2.- T RABAJO . E NERGÍA CINÉTICA Y POTENCIAL . Se entiende por trabajo realizado por una fuerza (F) sobre una masa (m) durante un recorrido (s) al producto de la fuerza por dicha distancia, siempre que la distancia no sea perpendicular perpendicular a la fuerza: W = Fuerza x distancia = F·s
Se mide en julios en julios (J) que es igual al trabajo producido al aplicar un newton durante un metro. En general el trabajo puede dividirse en dos categorías. En la primera éste se realiza en contra de una fuerza. Es el caso de cuando comprimimos un muelle o un arquero tensa un arco, se esta haciendo un trabajo contra las fuerzas elásticas. Otro ejemplo se produce cuando levantamos un objeto, hacemos un trabajo contra la fuerza de gravedad. También hacemos trabajo cuando arrastramos un objeto contra la fuerza de rozamiento que nos impide el movimiento del mismo. El otro tipo de trabajo se produce al cambiar el estado de movimiento de un cuerpo acelerándolo o frenándolo. Cuando hemos tensado la cuerda del arco, el material deformado adquiere la capacidad de hacer un trabajo sobre una flecha. Después de haber elevado un objeto, podemos dejarlo caer adquiriendo la capacidad de producir un trabajo deformando la superficie que golpea o sobre si mismo rompiéndose. Si hemos aplicado un trabajo a un objeto para acelerarlo, por ejemplo al golpear la pelota con una raqueta, la velocidad que adquiere puede realizar un trabajo deformándola al chocar contra una pared. Esta capacidad que adquieren los objetos que les permite realizar un trabajo, o de una forma más general producir cambios en el entorno. Es lo que se conoce como energía.
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Si una masa posee energía en virtud a su posición o su estado, en espera de ser potencial. Por ejemplo un muelle comprimido, un arco tensado o utilizada se llama energía potencial. una masa situada a una determinada altura respecto al suelo. En este último ejemplo, como el trabajo realizado es contra la fuerza de la gravedad a esta energía se denomina energía potencia gravitacional gravitacional y vale: EP = m · g · h Donde m es la masa (kg), g la aceleración de la gravedad 28 (9,81 m/s2) y h la altura en metros. Esta energía se mide en Julios (J). Como se observa en la figura, la energía potencial de una masa de 10 kg situada a una altura de 2 m. del suelo, es aproximadamente igual a 200 J. (E P = 10 Kg. · 9,81 m/s 2 · 2 m.). El trabajo realizado no depende del camino seguido para llevarla ahí, lo único que varía es que si recorremos una distancia más corta mayor será la fuerza a realizar y viceversa. Así para el camino (a) hemos hecho una fuerza de 33,33 N (F = 200 J. / 6 m) y en cambio en el (b) la fuerza ha sido de 66,67 N (F = 200 J. / 3 m), el doble. El trabajo realizado sobre una masa m para que adquiera una rapidez v se almacena en forma de energía cinética, cinética, y vale: 1 m v2 2 Así, el trabajo aplicado sobre un cuerpo sin variar su altura, es igual a la variación de su energía cinética, lo que es lo mismo, un aumento de la energía cinética de una masa implica que hemos realizado un trabajo, que ha llevado consigo un aumento de velocidad. Si Ec =
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Si dejamos caer un cuerpo libremente desde una altura h, éste a causa de su peso experimenta una aceleración constante debida a la fuerza de gravedad terrestre, el valor de dicha aceleración es g = 9,8 m/s 2. Se deduce que la distancia recorrida por un cuerpo en caída libre es igual a (1/2)·g·t2 (Ver Apéndice I)
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ahora se produce una disminución de velocidad, la energía cinética se habrá reducido, y la masa ha realizado un trabajo sobre otro cuerpo o se ha transformado en otro tipo de energía, por ejemplo elevar su altura. A2.3.- P RINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Hemos visto que si a un cuerpo le aplicamos un trabajo, éste se traducirá en un aumento de su energía cinética o potencial, quedándose con una determinada velocidad y altura. Si con este nivel de energía se produjera una variación del mismo, esto se traduciría en un trabajo realizado por el sistema. Éste trabajo liberado puede ser captado por otra forma de energía haciendo que se incremente la misma. Por lo tanto podemos decir que la variación del trabajo aplicado sobre un cuerpo o sistema es igual a la variación de la energía total del mismo29: W = ET = Ec + Ep La ley de la conservación de la energía mecánica establece que en la suma de la energía cinética más la potencial permanece constante. La energía total de un sistema puede incluir otros tipos de energía distinta de la cinética y potencial, tales como la energía térmica o química, eléctrica, etc., que al igual que la mecánica estos nuevos tipos de energía pueden sufrir cambios y modificaciones. Pero siempre se cumple la ley de conservación de la energía total de un sistema, establece que la energía total que posee un sistema es igual a la energía absorbida, menos la energía cedida.
Cuando el lanzador suelta una jabalina, el trabajo realizado por los músculos del atleta se transforma, si despreciamos el rozamiento del aire, en una energía potencial (altura) y una energía cinética (velocidad) que posee la jabalina. La suma permanece constante a lo largo de su recorrido. A2.4.- PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La potencia es la energía o trabajo intercambiado por unidad de tiempo: P =
W F s = = F v t t
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La energía se conserva pero puede degradarse. Cuando un coche frena, parte de la energía cinética se transforma en calor en las zapatas de freno. Esta energía calorífica se disipa en el ambiente y no será posible volver a utilizarla.
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Se mide en watios (W) que es igual a un Julio por segundo por segundo.. Se una también: Caballo de Vapor (CV) = 735,5 W No debe confundirse trabajo o energía con potencia. Por ejemplo, un coche aumenta su energía cinética o potencial (caso de subir una cuesta) mediante la transformación de la energía química del combustible. El vehículo tendrá más potencia cuanto más rápido sea esta transformación. Para aumentar la potencia no debemos aumentar la energía química poniéndole más combustible, sino que debemos aumentar el ritmo de transformación de esta energía, lo cual se consigue aumentando el número o tamaño de los cilindros del motor o aumentando la velocidad de giro del mismo.
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