FISICA MECANICA. CONCEPTO DE CINEMATICA. CONCEPTO DE DINAMICA. LAS LEYES DE NEWTON. UNIDADES DE FUERZA. TRABAJO, ENERGIA Y POTENCIA. MAQUINAS SIMPLES. LA PALANCA. EL PLANO INCLINADO. LA CUÑA. LA POLEA. EL TORNO
FISICA MECÁNICA
La física mecánica (o mecánica clásica) es la rama principal de la llamada Física clásica, dedicada al estudio de los movimientos y estados en que se encuentran los cuerpos. Describe y predice las condiciones de reposo y movimiento, bajo la accion de las fuerzas. Se divide en tres partes: • • •
Cinemática. Estudian las diferentes clases de movimiento de los cuerpos sin atender las causas que lo producen. Dinámica .Estudia las causas que originan el movimiento de los cuerpos. La estática. esta comprendida dentro del estudio de la dinámica y analiza las causas que permiten el equilibrio de los cuerpos.
Vamos a describir brevemente las dos primeras, ya que la estática no nos es de especial interés a los bomberos.
CINEMATICA VELOCIDAD
En física, velocidad es la magnitud física que expresa la variación de posición de un objeto en función del tiempo, o distancia recorrida por un objeto en la unidad de tiempo. Se suele representar por la letra . La velocidad puede distinguirse según el lapso considerado, por lo cual se hace referencia a la velocidad instantánea, la velocidad promedio, etcétera. En el Sistema Internacional de Unidades su unidad es el metro por segundo ( m/s). En términos precisos, para definir la velocidad de un objeto debe considerarse no sólo la distancia que recorre por unidad de tiempo sino también la dirección y el sentido del desplazamiento, por lo cual la velocidad se expresa como una magnitud vectorial. ACELERACION La aceleración es la magnitud física que mide la tasa de variación de la velocidad respecto del tiempo. Las unidades para expresar la aceleración serán unidades de velocidad divididas por las unidades de tiempo: (en unidades del Sistema Internacional se usa generalmente m/s2). No debe confundirse la velocidad con la aceleración, pues son conceptos distintos, acelerar no significa ir más rápido, sino cambiar de velocidad.
1
MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME Un movimiento es rectilíneo cuando describe una trayectoria recta y uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, es decir, su aceleración es nula. Esto implica que la velocidad media entre dos instantes cualesquiera siempre tendrá el mismo valor.
DINÁMICA
La dinámica es una rama de la física que más transcendencia ha tenido a lo largo del surgimiento del hombre. La dinámica se encarga del estudio del origen del movimiento como tal, por lo que su estudio recae en el saber cuál es el origen de dicho movimiento; por otra parte la estática es la parte de la Mecánica que estudia el equilibrio de las fuerzas, sobre un cuerpo en reposo. LEYES DE NEWTON Sin lugar a dudas, Newton fue uno de los matemáticos más sobresalientes en la historia de la humanidad. Su principal legado son las llamadas "Leyes de Newton", las cuales dan una explicación muy distinta a lo que normalmente conocemos como sólo movimiento. Estas leyes fueron los primeros modelos matemáticos propuestos por el hombre para explicar el movimiento.
PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE INERCIA Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él. Newton planteó que todos los movimientos se atienen a tres leyes principales formuladas en términos matemáticos y que implican conceptos que es necesario primero definir con rigor. Un concepto es la fuerza, causa del movimiento; otro es la masa, la medición de la cantidad de materia puesta en movimiento; los dos son denominados habitualmente por las letras F y m. Fuerza Masa
Causa del movimiento (F). Medición de la cantidad de materia puesta en movimiento (m).
Se podria decir tambien, que la masa es la cuantificacion de la materia es decir un cuerpo mas masivo posee mayor inercia que uno menos masivo. La primera Ley de Newton, conocida también como Ley de Inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).
2
SEGUNDA LEY DE NEWTON O LEY DE LA FUERZA La variación del momento lineal de un cuerpo es proporcional a la resultante total de las fuerzas actuando sobre dicho cuerpo y se produce en la dirección en que actúan las fuerzas. La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera: F=m x a La fuerza se mide en Newtons (N) en el SI. N = kg x m/s2
TERCERA LEY DE NEWTON O LEY DE ACCIÓN Y REACCIÓN Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma: Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud y sentido opuesto.
3
UNIDADES DE FUERZA NEWTON
En física, un newton es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades, nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su trabajo y su extraordinaria aportación a la Física, especialmente a la mecánica clásica. El newton se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s2 a un objeto de 1 kg de masa.1 Es una unidad derivada del SI que se compone de las unidades básicas:
DINA En física, una dina (de símbolo dyn) es la unidad de fuerza en el Sistema CGS. Equivale a 10 μN, o lo que es lo mismo,la fuerza que, aplicada a una masa de un gramo, le comunica una aceleración de un centímetro en cada segundo cuadrado o gal. Es decir: 1 dyn = 1 g·cm/s² = 10−5 kg·m/s² = 10 µN Tradicionalmente, los dina/centímetro se ha usado para medir tensiones superficiales como la tensión superficial del agua que estudiaremos mas adelante en el tema de hidráulica. KILOPONDIO El kilopondio o kilogramo-fuerza es la unidad de fuerza en el Sistema Técnico de Unidades. Un kilopondio o kilogramo-fuerza, es la fuerza ejercida sobre una masa de 1 kg (kilogramo masa según se define en el Sistema Internacional) por la gravedad estándar en la superficie terrestre, esto es 9,8 m/s2. 1 kp = 1 kg × 9,8 m/s² = 9,8 kg m/s2 = 9,8 N En definitiva, el kilogramo-fuerza (o kilopondio) es el peso de un kilogramo de masa en la superficie terrestre, expresión poco utilizada en la práctica cotidiana. Nunca oiremos decir: "yo peso 70 kilopondios o kilogramos-fuerza" (que sería lo correcto si utilizamos el Sistema Técnico de Unidades) o: "yo peso 686 newtons" (si utilizamos el Sistema Internacional), sino que lo común es decir: "yo peso 70 kilogramos o kilos" (unidad de masa del SI), a pesar de que, en realidad, nos estamos refiriendo a kilogramos-fuerza, y no a kilogramos de masa.
4
TRABAJO Y ENERGÍA
DIFERENCIA ENTRE TRABAJO Y ENERGIA
En el lenguaje ordinario, trabajo y energía tienen un significado distinto al que tienen en física. Por ejemplo una persona sostiene una maleta; lo que estamos realizando es un esfuerzo (esfuerzo muscular, que produce un cansancio), que es distinto del concepto de trabajo. Trabajo: decimos que realizamos un trabajo cuando la fuerza que aplicamos produce un desplazamiento en la dirección de esta Es decir mientras la maleta este suspendida de la mano (inmóvil) no estamos realizando ningún trabajo. Energía: Capacidad que tienen los cuerpos para producir transformaciones, como por ejemplo un trabajo. Por ejemplo, cuando uno esta cansado, decimos que ha perdido energía, y cuando esta descansado y fuerte, decimos que esta lleno de energía. Si un coche se queda sin combustible, posiblemente pienses que carece de energia, que no es del todo cierto, ya que puede rodar cuesta abajo. El Trabajo y la Energía son magnitudes escalares, es decir, no tienen dirección ni sentido Podemos definir matemáticamente el trabajo como el producto de la Fuerza aplicada por el desplazamiento efectuado, si la fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección:
Trabajo = Fuerza x Desplazamiento
W =F.∆x Cuando la trayectoria es rectilínea, el desplazamiento coincide con el espacio recorrido y por lo tanto se puede decir que: Trabajo = Fuerza x espacio
Solamente hace trabajo la componente de la fuerza que coincide con la dirección de desplazamiento. Véase el dibujo:
5
Si la dirección de la fuerza para mover el baúl forma un cierto ángulo con la dirección del desplazamiento, solo se aprovecha la componente de la fuerza que coincide con la dirección del desplazamiento. En el sistema internacional SI, la unidad utilizada para medir al trabajo es el Julio (J), que es definido como el trabajo hecho al aplicar una fuerza de 1 Newton, para producir un desplazamiento de 1 metro en la misma dirección de la fuerza. 1 Julio= 1 Newton x 1 metro; 1J=1N*1m
ENERGÍA MECÁNICA
Como ya hemos visto, un cuerpo tiene energía, cuando tiene capacidad para llevar a término un trabajo. El trabajo es la manera de expresar la cantidad de energía que ha pasado de una forma a otra forma o de un lugar a otro. La Energía Mecánica, , suele estar asociada , la mayoría de las veces, con maquinas y movimientos. Esta forma de energía se estudia bajo dos aspectos: energía cinética y energía potencial.
ENERGÍA CINÉTICA Supongamos que aplicamos una fuerza a un cuerpo de masa m que esta en reposo, el cuerpo se acelera, gana velocidad y recorre una cierta distancia, se hace un trabajo sobre este, el cual se manifiesta en forma de Energía Cinética . Si la fuerza continua actuando sobre el cuerpo, se hace también sobre este un trabajo, que se transforma también en energía cinética. La Energía Cinética se define como la capacidad para efectuar un trabajo por medio del movimiento y de pende de la masa del cuerpo m y de su velocidad, v:
6
La energía Cinética se expresa en unidad de trabajo (J) Julios
Relación entre Trabajo y Variación de Energía Cinética Al aplicar un trabajo sobre un cuerpo que esta en movimiento, este aumenta de velocidad. Podemos entonces deducir que: La variación de la energía cinética es igual al trabajo hecho por la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo: Trabajo = variación de la energía cinética
ENERGÍA POTENCIAL Todos los sistemas almacenan energía que pueden utilizar en cualquier momento para hacer un trabajo.
Según el dibujo anterior, el chico tiene energía a causa de su posición, al caer, esta energía se transforma en el trabajo necesario para levantar a la chica. Esta energía se denomina energía potencial
.
La energía potencial es la que tiene un cuerpo en virtud de la posición que ocupa, que será distinta a la del equilibrio. Energía Potencial Gravitatoria La energía potencial gravitatoria equivale al trabajo que se hace para elevar un cuerpo hasta una altura determinada (h).
7
No se puede hablar del valor absoluto de la energía potencial gravitatoria que tiene un cuerpo situado a una altura determinada, sino únicamente de diferencias de energia potencial. De manera convencional, y para evitar este inconveniente, se considera superficie terrestre (h = 0) como el nivel cero de energía potencial. La energía potencial gravitatoria es proporcional a la masa (m) de un cuerpo cuando este ocupa una posición (h): nada más se modifica al variar la altura. En un desplazamiento horizontal, la energía potencial no cambia, es decir, en un desplazamiento de este tipo, el trabajo llega a termino porque la fuerza peso es nula.
ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA Como ya sabemos, cuando comprimimos o estriamos un muelle, estamos aplicándole una fuerza F, y se produce un desplazamiento x. Tenemos una masa, m, unida a un resorte de constante elástica, k , y tomamos como origen de coordenada x, la posición de la masa m, en la que el resorte tiene la longitud normal (sin comprimir o alargar). Estiramos el muelle lentamente en sentido horizontal hasta la posición x.
La Energía Potencial Elástica es la que tiene un cuerpo elástico (un muelle, una goma…) a causa de su estado de tensión. La energía potencial elástica es el área comprendida debajo de la línea de la representación grafica de F en función de x:
Para todas las deformaciones que cumplan la ley de Hooke, la energía potencial elástica almacenada en el cuerpo deformado es proporcional al cuadrado de la deformación.
8
LA ENERGÍA MECÁNICA SE TRANSFORMA Y SE CONSERVA La Energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial. Veremos a continuación como se transforma la energía mecánica. Experimento: Coge un bol o una taza muy pulida y deja caer una bola una bola de acero desde uno de los bordes.
La bola llega hasta el fondo del bol, transformando la energía potencial que tenia en el borde del recipiente en energía cinética; a continuación la bola vuelve a subir hasta el borde opuesto, recuperando así su energía potencial.
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA Un niño que esta en la parte superior de un tobogán, situado a una altura h, de 2 metros sobre el suelo, tiene energía potencial:
donde m es la masa m de niño (25 Kgr)
Cuando el niño llega al suelo, toda su energía potencial se ha transformado en energía cinética; y por lo tanto:
A lo largo del recorrido, la energía potencial se va transformando en energía cinética, es decir, la energía potencial del niño va disminuyendo al mismo tiempo que aumenta la energía cinética, pero la suma de ambas será siempre 490 J.
Cuando el niño esta a la mitad del tobogán, tiene energía cinética y energía potencial y su suma sigue siendo 490 J:
9
Por lo tanto, la energía cinética será:
Podemos generalizar el ejemplo anterior de la siguiente manera:
La suma de la energía cinética y potencial se mantiene siempre constante en cualquier punto:
esta es la expresión matemática del principio o ley de conservación de la energía mecánica
LA ENERGÍA TOTAL SE TRANSFORMA Y SE CONSERVA En el experimento anterior (Taza-Bola), la transformación de la energía cinética en potencial se repite pocas veces: finalmente, la bola es queda parada en el fondo del bol. En este experimento interviene una fuerza que no hemos tenido en cuenta, la fuerza de rozamiento. Recuerda que el trabajo de la fuerza de rozamiento siempre es negativa. Así, si hay fuerzas de rozamiento, la energía mecánica disminuirá, y el trabajo de las fuerzas de rozamiento será igual a la variación de la energía mecánica del sistema.
Observa las transformaciones de energía que tienen lugar en la pelota
La pelota se para por la acción de las fuerzas de rozamiento. Ahora bien, se ha perdido energía? La respuesta es negativa; se ha perdido capacidad de hacer trabajo, pero no energía, ya que esta se ha disipado al medio en forma de calor. Esta es otra manera de transferencia de energía entre los cuerpos. 10
El principio de conservación de energía podemos enunciarlo de la siguiente manera: La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma; es decir, en todos los procesos hay intercambio de energía pero la energía total se mantiene constante.
La energía puede transformarse de una formas en otras, no obstante, siempre se mantiene constante, como vemos en el ejemplo siguiente:
En todos estos casos, la energía inicial es transformada en otro tipo de energía.
CONCEPTO DE POTENCIA
Si subimos lentamente unas escaleras y después lo hacemos rápidamente, el trabajo realizado es el mismo en ambos casos, pero nuestra potencia es mayor en el segundo caso, porque realizamos el trabajo más rápidamente. Para expresar la rapidez con que hacemos un trabajo, se utiliza el concepto de potencia. Una máquina es más potente que otra, si es capaz de realizar el mismo trabajo en menos tiempo. La relación entre potencia, trabajo y tiempo invertido se puede expresar de la manera siguiente:
La unidad de la potencia en el Sistema Internacional (SI) es el Vatio (W), que se define como la potencia necesaria para hacer un trabajo de un julio en un segundo:
11
POTENCIA Y RENDIMIENTO
Supongamos que un motor tiene una potencia Teórica de 1,4 Kw. Independientemente de ello, el motor invierte 15 segundos en elevar un bloque de 100 Kg. hasta una altura de 16 metros. Vamos a calcular la potencia real: Para ello primero calcularemos el trabajo realizado: W =F.∆x W = 100 Kg * 9’8 m/s2 * 16 m =15680 J La potencia será:
Como podemos comprobar, en la practica la potencia Teórica y la Real no coinciden (la real es menor), y esto es debido al rozamiento, vibraciones, y calentamiento que sufren los componentes.
Para medir esta perdida de potencia, se define el rendimiento de una máquina como sigue:
En el ejemplo anterior, el rendimiento del motor seria el siguiente:
12
OTRAS UNIDADES DE TRABAJO Y POTENCIA Unidad de Trabajo:
Se usa muy a menudo como unidad de trabajo el Kilowatio por hora (Kw.h) que se define como el trabajo hecho por una maquina de 1 Kw de potencia durante una hora
Un kilovatio por hora equivale a tres millones seiscientos mil Julios.
Como unidad de trabajo se suele emplear también el electronvoltio (eV) que equivale a (Es la energía que adquiere un electrón al ser acelerado con una diferencia de potencial de 1 voltio)
Unidad de Potencia James Watt (1736-1819), ingeniero escocés que invento la maquina de vapor, define también como unidad de potencia el caballo de vapor (CV). Un Caballo de Vapor podía reemplazar al trabajo que realizaba un caballo en la mina sacando agua (las bombas que extraían el agua de las minas eran accionadas por caballos).
Un caballo de Vapor equivale a 736 Watios.
MAQUINAS SIMPLES
Una máquina simple es un artefacto mecánico que transforma una fuerza aplicada en otro resultante, modificando la magnitud de la fuerza, su dirección, la longitud de desplazamiento o una combinación de ellas. En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía: «la energía ni se crea ni se destruye; solamente se transforma». La fuerza aplicada, multiplicada por la distancia aplicada (trabajo aplicado), será igual a la fuerza resultante multiplicada por la distancia resultante (trabajo resultante). Una máquina simple, ni crea ni destruye trabajo mecánico, sólo transforma algunas de sus características.
13
LA PALANCA
La palanca es una máquina simple que tiene como función transmitir una fuerza y un desplazamiento. Está compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro. Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, para incrementar su velocidad o la distancia recorrida, en respuesta a la aplicación de una fuerza.
FUERZAS ACTUANTES Sobre la barra rígida que constituye una palanca actúan tres fuerzas: • •
•
• •
La potencia; P: es la fuerza que aplicamos voluntariamente con el fin de obtener un resultado; ya sea manualmente o por medio de motores u otros mecanismos. La resistencia; R: es la fuerza que vencemos, ejercida sobre la palanca por el cuerpo a mover. Su valor será equivalente, por el principio de acción y reacción, a la fuerza transmitida por la palanca a dicho cuerpo. La fuerza de apoyo: es la ejercida por el fulcro sobre la palanca. Si no se considera el peso de la barra, será siempre igual y opuesta a la suma de las anteriores, de tal forma de mantener la palanca sin desplazarse del punto de apoyo, sobre el que rota libremente. Brazo de potencia; Bp: la distancia entre el punto de aplicación de la fuerza de potencia y el punto de apoyo. Brazo de resistencia; Br: distancia entre la fuerza de resistencia y el punto de apoyo.
Ley de la palanca En física, la ley que relaciona las fuerzas de una palanca en equilibrio se expresa mediante la ecuación:
14
Ley de la palanca: Potencia por su brazo es igual a resistencia por el suyo. Siendo P la potencia, R la resistencia, y Bp y Br las distancias medidas desde el fulcro hasta los puntos de aplicación de P y R respectivamente, llamadas brazo de potencia y brazo de resistencia.
TIPOS DE PALANCA Las palancas se dividen en tres géneros, también llamados órdenes o clases, dependiendo de la posición relativa de los puntos de aplicación de la potencia y de la resistencia con respecto al fulcro (punto de apoyo). El principio de la palanca es válido indistintamente del tipo que se trate, pero el efecto y la forma de uso de cada uno cambian considerablemente.
Palanca de primera clase En la palanca de primera clase, el fulcro se encuentra situado entre la potencia y la resistencia. Se caracteriza en que la potencia puede ser menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia. Para que esto suceda, el brazo de potencia Bp ha de ser mayor que el brazo de resistencia Br.
Cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto, o la distancia recorrida por éste, se ha de situar el fulcro más próximo a la potencia, de manera que Bp sea menor que Br.
Ejemplos de este tipo de palanca son el balancín, las tijeras, las tenazas, los alicates o la catapulta (para ampliar la velocidad). En el cuerpo humano se encuentran varios ejemplos de palancas de primer género, como el conjunto tríceps braquial - codo - antebrazo. Palanca de segunda clase 15
En la palanca de segunda clase, la resistencia se encuentra entre la potencia y el fulcro. Se caracteriza en que la potencia es siempre menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia.
Ejemplos de este tipo de palanca son la carretilla, los remos y el cascanueces.
El punto de apoyo de los remos se encuentra en el agua. Palanca de tercera clase En la palanca de tercera clase, la potencia se encuentra entre la resistencia y el fulcro. Se caracteriza en que la fuerza aplicada es mayor que la resultante; y se utiliza cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto o la distancia recorrida por él.
16
Ejemplos de este tipo de palanca son el quitagrapas y la pinza de cejas; y en el cuerpo humano, el conjunto codo - bíceps braquial - antebrazo, y la articulación temporomandibular.
PLANO INCLINADO
El plano inclinado es una máquina simple que consiste en una superficie plana que forma un ángulo agudo con el suelo y se utiliza para elevar cuerpos a cierta altura. Tiene la ventaja de necesitarse una fuerza menor que la que se emplea si levantamos dicho cuerpo verticalmente, aunque a costa de aumentar la distancia recorrida y vencer la fuerza de rozamiento. Para analizar las fuerzas existentes sobre un cuerpo situado sobre un plano inclinado, hay que tener en cuenta la existencia de varios orígenes en las mismas. •
•
•
En primer lugar se debe considerar la existencia de una fuerza de gravedad, también conocida como peso, que es consecuencia de la masa (M) que posee el cuerpo apoyado en el plano inclinado y tiene una magnitud de M.g con una dirección vertical y representada en la figura por la letra G. Existe además una fuerza normal (N), también conocida como la fuerza de reacción ejercida sobre el cuerpo por el plano como consecuencia de la tercera ley de Newton, se encuentra en una dirección perpendicular al plano y tiene una magnitud igual a la fuerza ejercida por el plano sobre el cuerpo. En la figura aparece representada por N y tiene la misma magnitud que F2= M.g.cosα y sentido opuesto a la misma. Existe finalmente una fuerza de rozamiento, también conocida como fuerza de fricción (FR), que siempre se opone al sentido del movimiento del cuerpo respecto a la superficie, su magnitud depende tanto del peso como de las características superficiales del plano inclinado y la superficie en contacto del cuerpo que proporcionan un coeficiente de rozamiento. Esta fuerza debe tener un valor igual a F1=M.g.senα para que el cuerpo se mantenga en equilibrio. En el caso en que F1 fuese mayor que la fuerza de rozamiento el 17
cuerpo se deslizaría hacia abajo por el plano inclinado. Por tanto para subir el cuerpo se debe realizar una fuerza con una magnitud que iguale o supere la suma de F1 + FR. A continuación se presenta un ejemplo del empleo del plano inclinado como máquina simple: Ejemplo Imaginemos que queremos arrastrar el peso G desde una altura 1 hasta una altura 2; siendo las posiciones 1 y 2 a las que nos referimos, las del centro de gravedad del bloque representado en la figura.
El peso del bloque, que es una magnitud vectorial (vertical y hacia abajo), puede descomponerse en dos componentes, F1 y F2, paralelo y perpendicular al plano inclinado respectivamente, siendo: F1 = G sen(α) F2 = G cos(α) Además, la superficie del plano inclinado genera una fuerza de rozamiento FR que también deberemos vencer para poder desplazarlo. Esta fuerza es: FR = μ F2 = μ G cos(α), siendo μ el coeficiente de rozamiento. Analizando la figura, es evidente que para conseguir desplazar el bloque, la fuerza (F) que deberemos aplicar, será: F = F1 + FR = G sen(α) + μ G cos(α) = G [sen(α) + μ cos(α)] Si en vez del utilizar el plano inclinado, tratáramos de levantar el bloque verticalmente, la fuerza (G) que tendríamos que aplicar sería la del peso del bloque debido a la fuerza de la gravedad, es decir: G = P.
1.1.
LA CUÑA
La cuña es una máquina simple que consiste en una pieza de madera o de metal terminada en ángulo diedro muy agudo. Técnicamente es un doble plano inclinado portátil. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco. 18
El funcionamiento de la cuña responde al mismo principio que el del plano inclinado. Al moverse en la dirección de su extremo afilado, la cuña genera grandes fuerzas en sentido perpendicular a la dirección del movimiento.
Ejemplos muy claros de cuñas son hachas, cinceles y clavos aunque, en general, cualquier herramienta afilada, como el cuchillo o el filo de las tijeras, puede actuar como una cuña.
POLEA
Una polea, es una máquina simple que sirve para transmitir una fuerza. Se trata de una rueda, generalmente maciza y acanalada en su borde, que, con el curso de una cuerda o cable que se hace pasar por el canal ("garganta"), se usa como elemento de transmisión para cambiar la dirección del movimiento en máquinas y mecanismos. Además, formando conjuntos —aparejos o polipastos— sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso.
Designación y tipos Los elementos constitutivos de una polea son la rueda o polea propiamente dicha, en cuya circunferencia (llanta) suele haber una acanaladura denominada "garganta" o "cajera" cuya forma se ajusta a la de la cuerda a fin de guiarla; las "armas", armadura en forma de U invertida o rectangular que la rodea completamente y en cuyo extremo superior monta un gancho por el que se suspende el conjunto, y el "eje", que puede ser fijo si está unido a las armas estando la polea atravesada por él ("poleas de ojo"), o móvil si es solidario a la polea ("poleas de eje"). Cuando, formando parte de un sistema de transmisión, la polea gira libremente sobre su eje, se denomina "loca". Según su desplazamiento las poleas se clasifican en "fijas", aquellas cuyas armas se suspenden de un punto fijo (la estructura del edificio) y, por lo tanto, no sufren movimiento de traslación alguno cuando se emplean, y "móviles", que son aquellas en las que un extremo de la cuerda se suspende de un punto fijo y que durante su funcionamiento se desplazan, en general, verticalmente. Cuando la polea obra independientemente se denomina "simple", mientras que cuando se encuentra reunida con otras formando un sistema recibe la denominación de "combinada" o "compuesta".
POLEAS SIMPLES La polea simple se emplea para elevar pesos, consta de una sola rueda con la que hacemos pasar una cuerda. 19
Se emplea para cambiar el sentido de la fuerza haciendo más cómodo el levantamiento de la carga, entre otros motivos, porque nos ayudamos del peso del cuerpo para efectuar el esfuerzo, la fuerza que tenemos que hacer es la misma al peso a la que tenemos que levantar. F=R Hay dos clases de polea simple las cuales son:
Polea simple fija La manera más sencilla de utilizar una polea es colgar un peso en un extremo de la cuerda, y tirar del otro extremo para levantar el peso. Una polea simple fija no produce una ventaja mecánica: la fuerza que debe aplicarse es la misma que se habría requerido para levantar el objeto sin la polea. La polea, sin embargo, permite aplicar la fuerza en una dirección más conveniente.
Polea simple FIJA
Polea simple móvil Una forma alternativa de utilizar la polea es fijarla a la carga un extremo de la cuerda al soporte, y tirar del otro extremo para levantar a la polea y la carga. La polea simple móvil produce una ventaja mecánica: la fuerza necesaria para levantar la carga es justamente la mitad de la fuerza que habría sido requerida para levantar la carga sin la polea. Por el contrario, la longitud de la cuerda de la que debe tirarse es el doble de la distancia que se desea hacer subir a la carga.
20
Poleas compuestas Existen sistemas con múltiples de poleas que pretenden obtener una gran ventaja mecánica, es decir, elevar grandes pesos con un bajo esfuerzo. Estos sistemas de poleas son diversos, aunque tienen algo en común, en cualquier caso se agrupan en grupos de poleas fijas y móviles: destacan los polipastos: El polipasto es la configuración más común de polea compuesta. En un polipasto, las poleas se distribuyen en dos grupos, uno fijo y uno móvil. En cada grupo se instala un número arbitrario de poleas. La carga se une al grupo móvil. No vamos a desarrollar mas este concepto aquí, ya que lo estudiaremos mas adelante, en el tema de rescate vertical.
Esquema de la ventaja mecánica que se obtiene con diversas poleas compuestas.
21
TORNO
Formada por dos ruedas o cilindros concéntricos de distinto tamaño y que suele transmitir la fuerza a la carga por medio de una cuerda arrollada alrededor del cilindro mayor; en la mayoría de las aplicaciones la rueda más pequeña es el eje. En el ejemplo podemos apreciar como la rueda mayor es la descrita por el movimiento de la manivela, que es la que aplica la fuerza sobre el sistema. El torno combina los efectos de la polea y la palanca al permitir que la fuerza aplicada sobre la cuerda o cable cambie de dirección y aumente o disminuya.
La rueda exterior o la manivela son concéntricos con la rueda interior o el eje. Una fuerza relativamente pequeña aplicada a la rueda grande puede levantar una carga pesada colgada de la rueda pequeña. Por tanto, el torno actúa como una palanca de primera clase donde el eje constituye el punto de apoyo y los radios de ambas ruedas los respectivos brazos de palanca. El principio de la palanca afirma que la potencia por el brazo de potencia es igual a la resistencia por el brazo de resistencia. Pues en el caso del torno podemos definir como Potencia la fuerza aplicada en la manivela y como resistencia el peso que queremos mover. Siendo los brazos de potencia y de resistencia los diámetros de la rueda mayor (manivela) y la rueda menor (cilindro). Por ejemplo, si el radio de la manivela es 10 veces mayor que el del eje, la fuerza ejercida sobre la carga es 10 veces mayor que la aplicada a la manivela.
22
INTRODUCCION. PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS DEL AGUA. HIDROSTATICA. PRESION. ALTURA DE ASPIRACION. INSTRUMENTOS DE MEDIDA. PRINCIPIOS DE ARQUIMEDES Y PASCAL. HIDRODINAMICA. CAUDAL. ECUACION DE CONTINUIDAD. BERNOUILLI. EFECTO VENTURI. PERDIDAS DE CARGA. FUERZA DE REACCION EN LANZA. GOLPES DE ARIETE Y CAVITACION.
INTRODUCCION
La Hidráulica es la parte de la mecánica que estudia el equilibrio y movimiento de los fluidos (líquidos y gases). En nuestro caso vamos a centrarnos en los líquidos y especialmente en el agua. Lo primero que debemos tener claro son las propiedades físicas y químicas del agua para saber cómo se comporta en cada momento, y posteriormente adentrarnos en las dos partes fundamentales del estudio de la mecánica de fluidos. La Hidráulica la podemos dividir en dos partes: Hidrostática: o estática de fluidos que es la parte de la Hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en equilibrio. Hidrodinámica: o dinámica de fluidos que es la parte de la Hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento. En cualquier servicios de bomberos tendremos equipos hidráulicos (Bombas centrífugas, herramientas de corte y separación, premezcladores de espumas, gatos elevadores, puntales, etc.), por esa razón es muy importante el estudio de este tema y tener claros todos los conceptos.
PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS DEL AGUA
El agua es una sustancia que químicamente se formula como H2O; es decir, que una molécula de agua se compone de dos átomos de hidrógeno enlazados covalentemente a un átomo de oxígeno.
El agua pura no tiene olor, sabor, ni color, es decir, es inodora, insípida e incolora. Su importancia reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que suceden en la naturaleza, no solo en organismos vivos sino también en la superficie no organizada de la tierra, así como los que se llevan a cabo en laboratorios y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua 23
Entre las moléculas de agua se establecen enlaces por puentes de hidrógeno debido a la formación de dipolos electrostáticos que se originan al situarse un átomo de hidrógeno entre dos átomos más electronegativos, en este caso de oxígeno. El oxígeno, al ser más electronegativo que el hidrógeno, atrae más, hacia este, los electrones compartidos en los enlaces covalentes con el hidrógeno, cargándose negativamente, mientras los átomos de hidrógeno se cargan positivamente, estableciéndose así dipolos eléctricos. Los enlaces por puentes de hidrógeno son enlaces por fuerzas de van der Waals de gran magnitud, aunque son unas 20 veces más débiles que los enlaces covalentes.
Los enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas del agua pura son responsables de la dilatación del agua al solidificarse, es decir, su disminución de densidad cuando se congela. En estado sólido, las moléculas de agua se ordenan formando tetraedros, situándose en el centro de cada tetraedro un átomo de oxígeno y en los vértices dos átomos de hidrógeno de la misma molécula y otros dos átomos de hidrógeno de otras moléculas que se enlazan electrostáticamente por puentes de hidrógeno con el átomo de oxígeno. La estructura cristalina resultante es muy abierta y poco compacta, menos densa que en estado líquido. El agua tiene una densidad máxima de 1 g/cm³ cuando está a una temperatura de 4 °C,2 característica especialmente importante en la naturaleza que hace posible el mantenimiento de la vida en medios acuáticos sometidos a condiciones exteriores de bajas temperaturas. La dilatación del agua al solidificarse también tiene efectos de importancia en los procesos geológicos de erosión. Al introducirse agua en grietas del suelo y congelarse posteriormente, se originan tensiones que rompen las rocas.
DISOLVENTE
El agua es descrita muchas veces como el solvente universal, porque disuelve muchos de los compuestos conocidos. Sin embargo, no lo es (aunque es tal vez lo más cercano), porque no disuelve a todos los compuestos y, de hacerlo, no sería posible construir ningún recipiente para contenerla. El agua es un disolvente polar, más polar, por ejemplo, que el etanol. Como tal, disuelve bien sustancias iónicas y polares, como la sal de mesa (cloruro de sodio). No disuelve, de manera apreciable, sustancias fuertemente apolares, como el azufre en la mayoría de sus formas alotrópicas, además, es inmiscible con disolventes apolares, como el hexano. Esta cualidad es de gran importancia para la vida. 24
Algunas sustancias, sin embargo, no se mezclan bien con el agua, incluyendo aceites y otras sustancias hidrofóbicas. Membranas celulares, compuestas de lípidos y proteínas, aprovechan esta propiedad para controlar las interacciones entre sus contenidos químicos y los externos, lo que se facilita, en parte, por la tensión superficial del agua.
POLARIDAD
La molécula de agua es muy polar, puesto que hay una gran diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno y el oxígeno. Los átomos de oxígeno son mucho más electronegativos (atraen más a los electrones) que los de hidrógeno, lo que dota a los dos enlaces de una fuerte polaridad eléctrica, con un exceso de carga negativa del lado del oxígeno, y de carga positiva del lado del hidrogeno. Los dos enlaces no están opuestos, sino que forman un ángulo de 104,45° debido a la hibridación del átomo de oxígeno así que, en conjunto, los tres átomos forman un molécula angular, cargado negativamente en el vértice del ángulo, donde se ubica el oxígeno y, positivamente, en los extremos de la molécula, donde se encuentran los hidrógenos. Este hecho tiene una importante consecuencia, y es que las moléculas de agua se atraen fuertemente, adhiriéndose por donde son opuestas las cargas. En la práctica, un átomo de hidrógeno sirve como puente entre el átomo de oxígeno al que está unido covalentemente y el oxígeno de otra molécula. La estructura anterior se denomina enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno. El hecho de que las moléculas de agua se adhieran electrostáticamente, a su vez modifica muchas propiedades importantes de la sustancia que llamamos agua, como la viscosidad dinámica, que es muy grande, o los puntos (temperaturas) de fusión y ebullición o los calores de fusión y vaporización, que se asemejan a los de sustancias de mayor masa molecular.
COHESIÓN
La cohesión es la propiedad con la que las moléculas de agua se atraen entre sí. Debido a esta interacción se forman cuerpos de agua por adhesión de moléculas de agua, las gotas. Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos. Estos puentes se pueden romper fácilmente con la llegada de otra molécula con un polo negativo o positivo dependiendo de la molécula, o, con el calor.
ADHESIÓN
El agua, por su gran potencial de polaridad, cuenta con la propiedad de la adhesión, es decir, el agua generalmente es atraída y se mantiene adherida a otras superficies.
25
TENSION SUPERFICIAL
Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido, son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial. Las moléculas de la superficie no tienen otras iguales sobre todos sus lados, y por lo tanto se cohesionan más fuertemente, con aquellas asociadas directamente en la superficie. Esto forma una película de superficie, que hace más difícil mover un objeto a través de la superficie, que cuando está completamente sumergido. La tensión superficial, se mide normalmente en dinas/cm., la fuerza que se requiere (en dinas) para romper una película de 1 cm. de longitud. Se puede establecer de forma equivalente la energía superficial en ergios por centímetro cuadrado. El agua a 20°C tiene una tensión superficial de 72.8 dinas/cm comparada con 22.3 para el alcohol etílico y 465 para el mercurio.
La tensión superficial del agua es 73 dinas/cm a 18°C. Sería necesaria una fuerza de 73 dinas para romper una película de agua de 1 cm. de larga. La tensión superficial del agua, disminuye significativamente con la temperatura, según se muestra en el gráfico, alcanzando valores de 52 dinas a 100 ºC. La tensión superficial, proviene de la naturaleza polar de las moléculas de agua.
26
Los detergentes y jabones, hacen disminuir la tensión superficial del agua, haciendo que penetre más en los objetos sobre los que se aplica. Es por eso que los bomberos disponemos de aditivos conocidos como “Humectantes” que realizan precisamente esa misma labor, pudiendo así aplicar agua sobre combustibles que requieran una mayor penetración del agua, como por ejemplo, las pilas de madera, forrajes, etc.
ACCIÓN CAPILAR
El agua cuenta con la propiedad de la capilaridad, que es la propiedad de ascenso, o descenso, de un líquido dentro de un tubo capilar. Esto se debe a sus propiedades de adhesión y cohesión.
Cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua, ésta asciende espontáneamente por el capilar como si trepase "agarrándose" por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la presión que ejerce la columna de agua se equilibra con la presión capilar. A este fenómeno se debe, en parte, la ascensión de la savia bruta, desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.
CALOR ESPECÍFICO
Esta propiedad también se encuentra en relación directa con la capacidad del agua para formar puentes de hidrógeno intermoleculares. El agua puede absorber grandes cantidades de calor que es utilizado para romper los puentes de hidrógeno, por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. El calor específico del agua se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura, en un grado Celsius, a un gramo de agua en condiciones estándar y es de 1 cal/°C•g, que es igual a 4,1840 J/K•g. La capacidad calorífica del agua es mayor que la de otros líquidos. Para evaporar el agua se necesita mucha energía. Primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las 27
moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20 °C.
TEMPERATURA DE FUSIÓN Y EVAPORACIÓN
Presenta un punto de ebullición de 100 °C (373,15 K) a presión de 1 atmósfera (se considera como estándar para la presión de una atmósfera la presión promedio existente al nivel del mar). El calor latente de evaporación del agua a 100 °C es 540 cal/g (ó 2260 J/g). Tiene un punto de fusión de 0 °C (273,15 K) a presión de 1 atm. El calor latente de fusión del hielo a 0 °C es 80 cal/g (ó 335 J/g). Tiene un estado de sobreenfriado líquido a −25 °C. La temperatura crítica del agua, es decir, aquella a partir de la cual no puede estar en estado líquido independientemente de la presión a la que esté sometida, es de 374 °C y se corresponde con una presión de 217,5 atmósferas.
DENSIDAD
La densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión. A la presión normal (1 atmósfera), el agua líquida tiene una mínima densidad a los 100 °C, donde tiene 0,958 kg/L. Mientras baja la temperatura, aumenta la densidad (por ejemplo, a 90 °C tiene 0,965 kg/L) y ese aumento es constante hasta llegar a los 4,0 °C donde alcanza una densidad de 1 kg/L. A esa temperatura (4,0 °C) alcanza su máxima densidad (a la presión mencionada). A partir de ese punto, al bajar la temperatura, la densidad comienza a disminuir, aunque muy lentamente, hasta que a los 0 °C disminuye hasta 0,9999 kg/L. Cuando pasa al estado sólido (a 0 °C), ocurre una brusca disminución de la densidad pasando de 0,9999 kg/L a 0,917 kg/L.
CRISTALIZACIÓN
La cristalización es el proceso por el que el agua pasa de su estado líquido al sólido cuando la temperatura disminuye de forma continua.
VISCOSIDAD
La viscosidad (se mide en poises y submúltiplos) es una medida de la resistencia del fluido a derramarse o fluir por el interior de un conducto: o
Resistencia al deslizamiento entre las diferentes capas de un fluido.
η=
1N ⋅ s 2 m 28
OTRAS PROPIEDADES • • • • •
pH neutro. Con ciertas sales forma hidratos. Reacciona con los óxidos de metales formando bases. Es catalizador en muchas reacciones químicas. Presenta un equilibrio de autoionización, en el cual hay iones H3O+ y OH−.
HIDROSTATICA
PRESION HIDROSTATICA
Una característica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier partícula del fluido es la misma en todas direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la partícula se desplazaría en la dirección de la fuerza resultante. De ello se deduce que la fuerza por unidad de superficie —la presión— que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presión no fuera perpendicular, la fuerza tendría una componente tangencial no equilibrada y el fluido se movería a lo largo de la pared.
Este concepto fue descubierto por Simón Stevin y formulado por primera vez en una forma un poco más amplia por el matemático y filósofo francés Blaise Pascal en 1647, y se conoce como principio de Pascal. Dicho principio, que tiene aplicaciones muy importantes en hidráulica, afirma que “la presión aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas las partes del recipiente,” Cuando la gravedad es la única fuerza que actúa sobre un líquido contenido en un recipiente abierto, la presión en cualquier punto del líquido es directamente proporcional al peso de la columna vertical de dicho líquido situada sobre ese punto. La presión es a su vez proporcional a la profundidad del punto con respecto a la superficie, y es independiente del tamaño o forma del recipiente. Así, la presión en el fondo de una tubería vertical llena de agua de 1 cm. de diámetro y 15 m de altura es la misma que en el fondo de un lago de 15 m de profundidad. De igual forma, si una tubería de 30 m de longitud se llena de agua y se inclina de modo que la parte superior esté 29
sólo a 15 m en vertical por encima del fondo, el agua ejercerá la misma presión sobre el fondo que en los casos anteriores, aunque la distancia a lo largo de la tubería sea mucho mayor que la altura de la tubería vertical. También hay que tener en cuenta el peso específico del líquido, en nuestro caso, estaremos siempre hablando de agua ya que es el fluido con el que trabajaremos, sin embargo hay que tener claro que un fluido con mayor peso específico (por ejemplo el mercurio) ejercerá una mayor presión hidrostática que el agua, así como un fluido con menor peso específico (por ejemplo el aceite) ejercerá una menor presión a una misma altura. Por lo tanto la fórmula para el cálculo de la presión hidrostática será: P=γxh P: Presión hidrostática γ : Peso específico del agua h: Altura de la columna de agua (El peso específico de una sustancia es igual a la densidad por la aceleración de la gravedad (ρ g) y se mide en newton / m3) CONCEPTO DE PRESIÓN Presión, en mecánica, es la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el Sistema Internacional de unidades (SI), la presión se expresa en Newton por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barómetro convencional. La presión no va a depender sólo de la fuerza que estemos aplicando, sino también de la superficie sobre la que actúa. (Ejem: Esquís en la nieve,).
30
PRESION ATMOSFERICA
La masa de aire que envuelve la Tierra tiene un peso por el que ejerce una presión sobre los seres vivos y los objetos. El peso específico del aire a nivel del mar (1 atm) y a 273,15 ºK (0ºC) es de 1,29 Kg/m3, y el peso total de la atmósfera es de unos 6.000 billones de toneladas. Sin embargo, este peso apenas se nota. A nivel del mar, nuestro cuerpo soporta una presión periférica de algo más de 1 Kg./cm², pero esa presión sobre la piel se equilibra por la que ejerce hacia afuera el aire que entra en los pulmones y la sangre. A causa de esto no apreciamos los +/- 15.000 Kg. que soportamos cada uno. La presión, debida al peso del aire, se denomina presión atmosférica y su unidad de medida es la atmósfera, que es el peso de una columna de mercurio de 760 mm. de altura y 1 cm² de sección, a la latitud de 45º y al nivel del mar.
La presión del aire disminuye con la altura, así como también la densidad. Dicha variación es logarítmica. Así a 5000 metros la presión se reduce a la mitad (1/2 atmósfera). Al tener el aire siempre la misma proporción de oxígeno, si uno se eleva a 5000 metros, respira el mismo volumen de aire pero su presión parcial es la mitad y la sangre recibirá la mitad de oxígeno.
31
La presión atmosférica no es la misma siempre en un punto determinado, sino que sufre variaciones, dependiendo de diversos factores, entre ellos la temperatura y la humedad. Para medir la presión podemos utilizar el barómetro de mercurio, el barómetro aneroide o el barógrafo.
PRESIÓN ABSOLUTA Y PRESIÓN RELATIVA
La columna de gases que conforman la atmósfera terrestre ejerce una presión sobre la superficie de la Tierra, esta presión se conoce como presión atmosférica y en la tabla anterior podemos apreciar su valor. Cuando nosotros medimos presiones despreciamos la presión atmosférica y solamente valoramos la presión relativa que corresponde al peso de la columna de agua, o también podemos denominar presión hidrostática.
Cuando hablamos de presión absoluta nos referimos a la suma de la presión atmosférica y presión relativa. Veamos algunos ejemplos: Al inflar un neumático a 2 Kg de presión realmente su presión es de 3 Kg, es decir además de la presión de carga está soportando 1 Kg más de presión por la presión atmosférica, aunque nosotros siempre utilizaremos la presión relativa para mencionar la carga del neumático. Así mismo 3 Kg será la presión absoluta. Otro ejemplo: Cuando buceamos a 10 más. de profundidad (10 más. de columna de agua sobre nosotros), estamos soportando una presión de 1 ATM. dentro del líquido (presión relativa = presión hidrostática), pero en realidad estamos soportando 2 ATM de presión. (Presión hidrostática + presión atmosférica = presión absoluta).
32
ALTURA DE ASPIRACIÓN
Cuando realizamos una aspiración por una canalización desde una cota superior a donde se encuentra el líquido, debemos ser conscientes que existe una limitación en cuanto a la altura a que esta se puede efectuar. Esta limitación viene determinada por el empuje que realiza la presión atmosférica, ya que el agua no asciende por la propia aspiración, sino por la fuerza ejercida sobre la superficie del líquido por la presión atmosférica. Esto se aprecia cuando aspiramos un refresco por una pajita, o como en el caso de la imagen de abajo, observamos que una vez realizada la succión el líquido no cesará de fluir hasta que se vacíe el cubo.
Cuando hablábamos del concepto de presión vimos que 10 m.c.a. se correspondían con el valor de la presión atmosférica, esto es 1 atm.. Por lo tanto esta será la altura teórica máxima a la que podamos aspirar, pero en la práctica veremos que siempre será menor, ya que esta altura de aspiración sólo se podrá realizar a nivel del mar y con una estanqueidad perfecta de las conducciones, disminuyendo a medida que la altitud sea mayor.
La temperatura del agua también condiciona la altura de aspiración, puesto que varía su densidad y con ello su peso específico, así como su presión vapor. De tal manera que a mayor temperatura del agua menor altura de aspiración. Es muy importante que las uniones de los mangotes de aspiración se realicen correctamente, para evitar pérdidas en el vacío obtenido.
INSTRUMENTOS DE MEDIDA
Los aparatos destinados a medir presiones se denominan manómetros, en el caso de la presión atmosférica recibe el nombre de barómetro. Para baja presión se utiliza el manómetro de columna de mercurio por su gran precisión. 33
Para presiones más elevadas se utiliza un manómetro con escala circular; en su interior lleva un tubo Bourdon, en honor a su inventor (Eugene Bourdon 1808-1884), este tubo es de sección elíptica y forma circular que se deforma al recibir presión en su interior, transmitiendo esta deformación al movimiento de una aguja sobre una escala circular. Para medir valores de vacío o presión negativa (aspiración), se utiliza el vacuómetro, que en realidad lo que nos indica es una lectura de la presión absoluta, recordad que siempre estamos sometidos a la presión atmosférica. En las bombas centrifugas habituales en los servicios de bomberos, se utilizan manómetros circulares. La bomba NH30 que es la de uso más extendido en cuerpos de bomberos de España, monta tres relojes, uno para baja presión, otro para alta presión y un manovacuemetro que nos indica tanto depresiones como presiones positivas, y nos es de utilidad cuando realizamos la operación de cebado en la bomba.
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
El segundo principio importante de la estática de fluidos fue descubierto por el matemático y filósofo griego Arquímedes. El principio de Arquímedes afirma que “todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen del fluido desalojado por dicho cuerpo”.
Esto explica por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.
34
PRINCIPIO DE PASCAL
Como mencionamos antes, el principio enunciado por Blas Pascal dice: "La presión aplicada a un líquido encerrado dentro de un recipiente se transmite por igual a todos los puntos del fluido y a las propias paredes del mismo" Esto significa que si por ejemplo tenemos el aparato que se muestra en la figura (1), si accionamos el pistón, el agua saldrá por los distintos agujeros del recipiente, en dirección perpendicular a la superficie y con la misma velocidad, si los orificios son de la misma sección. Una conclusión del principio de Pascal es que la presión estática o hidrostática actúa en todas las direcciones, por eso la presión que realiza un líquido sobre un recipiente no depende de la cantidad de líquido, sino de la altura de este, siendo la dirección de la presión hidrostática perpendicular a la superficie que está en contacto con el fluido (figura 2). Pascal realizó un experimento que demostraba esta afirmación, cogió un barril repleto de agua y coloco encima del mismo un tubo de gran longitud, pero de sección muy pequeña. Lo lleno con tan solo un litro de agua y explotó el barril debido a la gran presión que había transmitido a su interior (figura 3). Extracto: “Conceptos básicos de hidráulica para bomberos” Una aplicación del principio de Pascal es la denominada prensa hidráulica:
Esta aplicación, utilizando aceite hidráulico en vez de agua, es la que hace que funcionen nuestros equipos de excarcelación. PARA UNA MAYOR COMPRENSION DE ESTE PRINCIPIO, UTILIZA NUESTRA LECCION INTERACTIVA DEL PRINCIPIO DE PASCAL, DONDE PODRAS ACCIONAR DIFERENTES PISTONES PARA COMPROBAR LOS RESULTADOS.
VASOS COMUNICANTES
Se denomina así un sistema abierto por ambos extremos, formado por recipientes vinculados por un tubo en forma de U. 35
De acuerdo con la fórmula de la columna hidráulica, si se supone que en uno de los recipientes el nivel del líquido es más alto que en el otro, existirá una diferencia de presiones en la parte inferior del tubo; que será igual a la diferencia de alturas entre ambos niveles. De acuerdo con el Principio de Pascal, la presión mayor tenderá a transmitirse hacia la menor, hasta que ambas se igualen y se neutralicen. También ocurrirá, como resultado de la fórmula de la columna hidráulica, que el equilibrio se producirá cuando el líquido se encuentre al mismo nivel en ambos recipientes o extremos de los vasos comunicantes. La diferencia de presiones en un sistema de vasos comunicantes determina que el líquido se encuentre al mismo nivel.
HIDRODINAMICA
Comprende el estudio de las leyes que rigen el comportamiento de los fluidos en movimiento; estas leyes son enormemente complejas y dependen en gran medida de la incomprensibilidad y viscosidad del fluido. Las leyes del movimiento de fluidos fueron aplicadas por primera vez por el matemático suizo Leonhard Euler (1707-1783) quien reconoció que solo se pueden aplicar de manera relativamente sencilla en fluidos incomprensibles e ideales, es decir si se desprecia el efecto del rozamiento y la viscosidad. El movimiento de fluidos a lo largo de una conducción se realiza de dos maneras, que vienen determinadas por la viscosidad, la densidad y la velocidad del fluido, estas son: Movimiento laminar y movimiento turbulento. El movimiento laminar es en el que las partículas describen trayectorias uniformes y paralelas, mientras que en el movimiento turbulento son trayectorias irregulares y cruzadas. Cuanto mayores son el diámetro, la velocidad y la densidad, y cuanto menor es la viscosidad, más probable es que el flujo sea turbulento.
36
Una línea de corriente (o filete líquido) es una línea imaginaria que se toma en un fluido en movimiento y corresponde a la trayectoria seguida por una partícula, donde la velocidad es tangente a la trayectoria en todo momento. El régimen depende de varios factores que se definen el NUMERO DE REYNOLDS:
CAUDAL
El caudal o gasto lo podemos definir como la cantidad de líquido que fluye por una conducción determinada, por unidad de tiempo y viene expresado en metros cúbicos por hora, o litros por minuto. Q=S·V Q = caudal (m3 / h. ó l. / min.) S = sección (m2 ) V = velocidad (m. / s ) Las modernas lanzas empleadas en los servicios de bomberos, además de ofrecernos la posibilidad de aplicar el agua con diferentes efectos, También nos permiten seleccionar el caudal más conveniente. Si el caudal que circula por una conducción, es siempre constante (como veremos explicado en el siguiente punto), la sección y la velocidad son inversamente proporcionales. Por lo tanto, si se produce un estrechamiento de la sección aumenta la velocidad de paso del fluido, para así mantener el mismo caudal.
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
Consideremos un fluido, que atraviesa dos superficies S1 y S2, las cuales, son perpendiculares a las direcciones de las líneas de corriente3 del fluido. Como entre ambas superficies no existe ninguna fuente ni sumidero de fluido, la masa que atraviesa las superficies tiene que ser igual, por tanto: M1 = M2 37
El caudal másico de fluido que atraviesa una superficie, es igual: M=ρSv ρ: Densidad del fluido (Kg/m3).
TEOREMA DE BERNOULLI
Como sabemos, la energía de un fluido en cualquier momento consta de tres energías: • • •
Energía cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido; Energía potencial o gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea; Energía de presión: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.
La siguiente ecuación conocida como "ecuación de Bernoulli" (trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos.
donde: • • • • •
= velocidad del fluido en la sección considerada. = densidad del fluido. = presión a lo largo de la línea de corriente. = aceleración gravitatoria = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
38
Los flujos incomprensibles y sin rozamiento cumplen el llamado teorema de Bernoulli. Este principio físico que implica la disminución de la presión de un fluido (líquido o gas) en movimiento cuando aumenta su velocidad. Fue formulado en 1738 por el matemático y físico suizo Daniel Bernoulli (1700-1782), y anteriormente por Leonhard Euler. El teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo.
Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminución de su presión. Esto como podremos comprobar más adelante, tiene diferentes aplicaciones dentro de nuestro trabajo.
VELOCIDAD DE SALIDA (ECUACION DE TORRICELLI)
En un recipiente con un orificio en su base, la velocidad de salida del agua al salir, será igual a la de un cuerpo en caída libre desde la superficie del agua hasta ese punto, y viene definida por la fórmula: Velocidad = √2 · g · h √ = raíz cuadrada g= gravedad, 9,8 m/s. h= altura desde la superficie del agua.
39
Comprobamos que, cuando aumenta la presión, esta es directamente proporcional a la altura y por lo tanto también a la velocidad de salida por el orificio. Aprovechando ecuación, y utilizándola junto la ecuación del caudal (Q = S x V), podemos calcular el gasto teórico: Gasto Teórico = S x (√2 · g · h) = litros/minuto Gasto Práctico = 2/3 x Gasto Teórico
EFECTO VENTURI
Si recordamos el teorema de Bernoulli sabemos que al aumentar la velocidad de un fluido disminuye su presión. Si en una conducción a la que se le practica un estrechamiento, se le conecta otra conducción en el mismo estrechamiento, producirá una depresión en esta última. Creando un efecto de succión o aspiración. Esto es lo que se conoce como “Efecto Venturi”, que recibe este nombre en honor a su descubridor Giovanni Battista Venturi (1746-1822).
Este efecto tiene un gran número de aplicaciones; entre ellas podemos citar el funcionamiento de los antiguos carburadores de los vehículos, el mechero Bunsen, y relacionado con nuestro trabajo el funcionamiento del premezclador. 40
PÉRDIDAS DE CARGA
Un aspecto importante a tener en cuenta al realizar una instalación con mangueras son las “perdidas de carga”. Denominamos perdidas de carga a las pérdidas de energía dinámica de un fluido que circula por una conducción, son debidas a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes y rugosidades de la conducción, también son debidas a los cambios de dirección y los estrechamientos. Cuanto más larga sea una instalación, más pérdidas de carga producirá, por el contrario cuanto mayor sea el diámetro de la conducción se evitará que estas se produzcan. Atendiendo a estos aspectos y paras evitar las pérdidas de carga realizaremos los tendidos con el mayor diámetro posible, suprimiendo los dobleces y colocando solamente los tramos necesarios. También es interesante recordar que en una instalación ascendente además de las pérdidas de carga ya mencionadas, también produce otra en relación con el peso de la columna de agua, que restará 1 bar de presión por cada 10 m. de altura.
Pérdidas de carga asociadas a tramos de manguera de diferentes secciones y caudales La fórmula teórica para el cálculo de las pérdidas de carga es la siguiente: Pc = f = coeficiente de fricción (rugosidad del material y viscosidad el fluido) L = longitud de la manguera en metros D = diámetro de la manguera en metros V = velocidad del fluido en m/s g = aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)
ECUACION DE DESCARGA
La ecuación de descarga es la fórmula que nos permite calcular la presión que tenemos en punta de lanza sobre una instalación de mangueras. Aplicando Bernoulli, se cumple la siguiente relación:
41
PL = PB - AG - PC PL: Presión en punta de lanza. PB: Presión a la salida de la bomba. AG: Altura geométrica. PC: Pérdidas de carga. En las pérdidas de carga existentes en una instalación, aparte del rozamiento, también se tiene en cuenta las llamadas pérdidas menores, que son las debidas a los elementos auxiliares (bifurcaciones, reducciones, etc.) existentes en la manguera o tubería.
FUERZA DE REACCION EN LANZA
Cuando aplicamos agua con una lanza, ésta es impulsada por la acción de una fuerza, en consecuencia se produce una fuerza de reacción que tiene la misma dirección pero sentido contrario. Esta fuerza de reacción depende de la sección del conductor (s) y de la presión de salida (p). De tal manera que si aumentamos tanto el diámetro de la manguera, como la presión con que impulsamos aumentará la fuerza de reacción, que es la que soporta el bombero que está en “punta de lanza”. Podemos calcular la fuerza de reacción en lanza mediante las siguientes ecuaciones:
Fr = 2 x Pl x Sb Pl = Presión en punta de lanza (atm) Sb = Superficie de la boquilla (cm2) Fr = 0,78 x Db2 x Pl Db2 = Diámetro de la boquilla (cm) Pl = Presión en punta de lanza (atm) Si el agua la aplicamos colocando la lanza en posición de chorro sólido, el empuje o fuerza de reacción alcanza su máximo valor, pero a medida que vayamos aumentando el grado de apertura del abanico del chorro de agua, irá disminuyendo el empuje, hasta llegar a un valor prácticamente nulo si el agua es proyectada en cortina de protección.
Al realizar un tendido y dejarlo en espera, es conveniente tener la precaución de colocarlo en posición de cortina de protección, para conseguir así un menor empuje inicial, producir un menor daño y tener una mayor protección a la hora de trabajar. 42
GOLPE DE ARIETE
El golpe de ariete es un fenómeno altamente destructivo que se produce cuando hay una brusca variación en la velocidad o en la presión dentro de una canalización en una instalación hidráulica, también es conocido como el pulso de Joukowski en honor al ingeniero ruso Nikolay Egorovich Zhukovskiy (1847-1921), que profundizó en su estudio. Se produce cuando abrimos o cerramos alguna válvula de manera brusca. El proceso es el siguiente; cuando cerramos una válvula bruscamente las partículas de agua que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad algo menor que la del sonido en el agua (1490 m/s). Esta sobrepresión tiene dos efectos: primero comprime ligeramente el agua, reduciendo su volumen, y segundo dilata ligeramente la tubería. Cuando toda el agua que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El agua se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el agua puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del agua y a la dilatación de la tubería. Siempre debemos evitar que se produzca el golpe de ariete, pues de producirse puede causar lesiones al bombero que se encuentra en “punta de lanza”, además de ocasionar serios deterioros en cualquiera de los componentes del sistema de impulsión. Para ello tendremos la precaución de abrir y cerrar las válvulas de forma lenta y progresiva.
CAVITACIÓN
La cavitación es un efecto en la mayoría de las ocasiones indeseado y que puede producir graves deterioros en los componentes de las bombas centrífugas, así como perdidas de rendimiento de estos equipos. La cavitación la podemos definir como la formación de oquedades en el seno de un líquido, originado por una descompresión del mismo, de tal manera que se alcanza la presión vapor de dicho líquido, pero a diferencia de la ebullición en la que es necesario elevar la presión vapor del líquido por encima de la presión atmosférica para producir el cambio a la fase gaseosa, en la cavitación el cambio de fase se produce por una caída de presión por debajo de la presión vapor. Por otro lado la ebullición se produce con una alta temperatura (1000 C), mientras que la cavitación se produce a temperatura ambiente, aunque una alta temperatura la favorece.
43
Efecto de la cavitación La cavitación ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es de nuevo comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitación presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno, ya que en este proceso se libera gran cantidad de energía.
Rodete dañado por cavitación El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. Aunque la cavitación puede aparecer en cualquier circunstancia, en nuestras bombas es más fácil que se produzca el fenómeno cuando se efectúa la maniobra de aspiración, puesto que la depresión alcanzada por el líquido a la entrada de los rodetes alcanza mayor valor. Si apreciamos que la bomba entra en cavitación deberemos reducir las revoluciones, con esto conseguimos que la depresión a la entrada de rodetes sea menor. Si la válvula de pie se encuentra obstruida o la altura de aspiración es muy grande, favorecerá que se produzca la cavitación.
44
BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA “Manual del Cuerpo de bomberos de la Comunidad de Madrid”. Direccion General de Proteccion Ciudadana de la Comunidad de Madrid. “Surface Tension”. VVAA Suay Belenguer, Juan Miguel. “Conceptos básicos de hidráulica para bomberos” “Propiedades físico-químicas del agua”. VVAA Jornadas Técnicas “Hidráulica para bomberos”
45
CALOR Y TEMPERATURA. CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA. CALOR LATENTE. ESCALAS DE TEMPERATURAS. TERMÓMETROS. DILATACIÓN DE SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES. ELEMENTOS Y COMPUESTOS. SUSTANCIAS Y MEZCLAS. ÁTOMOS Y MOLÉCULAS. MOL. NUMERO DE AVOGADRO
EL CALOR
El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia). La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el Julio. Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura 1 °C. Diferentes condiciones iniciales dan lugar a diferentes valores para la caloría. La caloría también es conocida como caloría pequeña, en comparación con la kilocaloría (kcal), que se conoce como caloría grande y es utilizada en nutrición. 1 kcal = 1000 cal Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas: 1 cal = 4,184 J El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.
46
EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
Joule, en 1845, demostró experimentalmente que la energía mecánica en un proceso es equivalente a la cantidad de calor producido. Para ello realizó la experiencia mostrada en el dibujo de abajo. Al caer las dos pesas, hacían girar unas aspas unidas al eje, removiendo el agua contenida en el recipiente (calorímetro). Al caer los cuerpos de masa m desde una altura h, el trabajo realizado es: W = 2 m · g · h. El eje se pone en movimiento y las aspas mueven el agua. La cantidad de calor producida se puede calcular midiendo el aumento de temperatura del agua, y sería: Q= m · ce · (T2 - T1) Con esta experiencia, Joule demostró que siempre que se realizaba una misma cantidad de trabajo, se obtenía la misma cantidad de calor: W = Q. La relación entre la cantidad de calor producido y el trabajo realizado es una constante llamada equivalente mecánico del calor. Si expresamos el calor en calorías y el trabajo en julios: 1 cal = 4,18 J y la relación inversa es: 47
1 J = 0,24 cal
LA TEMPERATURA
Calor y temperatura no son lo mismo. Hemos visto que el calor es la cantidad de energía interna de un material. Pues bien, la temperatura es una indicación de la diferencia de energía entre un cuerpo y otro. La temperatura de un material es el dato que determina si hay transferencia de calor desde un material a otro y viceversa. El calor fluye siempre de las temperaturas mas altas a las mas bajas. La temperatura se mide en grados. Como sucede con otras formas de energía, es imposible medir el calor por si mismo. Puede medirse por aquello que es capaz de hacer, es decir, a través de la medida de un trabajo. Éste trabajo eleva el nivel de energía cinética de las moléculas de las sustancias aumentando su velocidad de vibración. Cuando se produce esta transferencia de energía, la temperatura de una sustancia se eleva. Igualmente, si se arroja agua en forma liquida, con una temperatura inferior a su punto de ebullición, sobre una superficie caliente, se desprenderá calor de la superficie hacia el agua. La superficie caliente pierde calor y disminuye su temperatura, mientras que el agua aumenta su temperatura porque gana energía calorífica
CAPACIDAD CALORIFICA Y CALOR ESPECÍFICO
La capacidad calorífica de un sistema físico es la cantidad de energía, en forma de calor, que es necesario suministrar a dicho sistema para que su temperatura aumente en un kelvin. En consecuencia, si es necesario suministrarle la energía ΔQ para que aumente su temperatura en ΔT, la capacidad calorífica (C) se escribirá: C=ΔQΔT Generalmente esta cantidad es independiente de la temperatura y, por tanto, solo cambia con la masa del cuerpo considerado y con la composición química. El calor especifico informa sobre la mayor o menor facilidad de las sustancias para aumentar su temperatura. El calor especifico de una sustancia, ce, es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un kilogramo de dicha sustancia. Se mide en J/(kg · K) en el SI. Tambien se puede expresar en cal/(g · °C). 48
La cantidad de calor necesaria para que una masa m de una sustancia aumente su temperatura desde T1 hasta T2 se expresa entonces así: Q = m · ce · (T2 - T1) = m · ce · ΔT (ΔT se lee variación de la temperatura, y equivale a la temperatura final menos la temperatura inicial.)
CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA
La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:
49
• • •
Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos. Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como cambios de fase. Los posibles cambios de fase son: • • • • • • •
de estado sólido a líquido, llamado fusión, de estado líquido a sólido, llamado solidificación, de estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización, de estado gaseoso a líquido, llamado condensación o licuefacción de estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva, de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva o deposición, de estado gaseoso a plasma, llamado ionización.
Los cambios de estado se caracterizan por lo siguiente: • • • •
No cambian la naturaleza de la sustancia. Se producen a temperatura constante para cada presión. La sustancia absorbe o cede calor. El calor invertido en el proceso para la unidad de masa recibe el nombre de calor latente de cambio de estado. El valor de la temperatura a la que se producen y el valor del calor latente correspondiente son característicos de cada cambio de estado y de la naturaleza de la sustancia.
La energía necesaria para que una sustancia cambie de estado es: Q=m·L 50
Donde m es la masa de la sustancia considerada y L es una propiedad característica de cada sustancia, llamada calor latente. El calor latente se mide en J/kg en unidades del SI, o también cal/gr ó Kcal/Kg. La representación gráfica de la temperatura de un sistema físico en función del tiempo, cuando el sistema absorbe o libera un calor constante por unidad de tiempo, se llama gráfica de calentamiento o enfriamiento.
CALOR LATENTE O DE CAMBIO DE ESTADO
El calor de cambio de estado es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura; por tanto al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía. Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente en latín quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase, aumenta la temperatura y se llama calor sensible. Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de fase), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. 51
Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua. Calor latente de algunas sustancias •
Agua: o o
de fusión: 333,9 kJ/kg (79,9 kcal/kg) a 0 ºC; de vaporización: 2257 kJ/kg (539 kcal/kg) a 100 ºC.
Cuando se da el calor latente de cambio de estado, es necesario dar también la temperatura a la que se produce, porque, en menor cantidad, también hay evaporación o fusión a otras temperaturas (por ejemplo, la evaporación del sudor en la piel ocurre a temperaturas inferiores a 100 ºC), con valores distintos de calor latente. El agua tiene un calor de vaporización alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario suministrar mucha energía; también tiene un calor de fusión alto. Éste elevado calor de vaporización del agua es una propiedad por la cual el agua siempre ha sido el agente extintor por excelencia para los bomberos, aunque estos conceptos los estudiaremos con mas detalle en próximos temas.
TRANSMISION DEL CALOR
El calor puede ser transmitido de tres formas distintas: por conducción, por convección o por radiación.
CONDUCCIÓN TÉRMICA
Es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos ó más cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico. Ej: cuchara metálica en la taza de té. 52
Conductividad térmica La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K·m). También se lo expresa en J/(s·°C·m)
CONVECCIÓN TÉRMICA
Sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. Ej.: los calefactores dentro de la casa.
53
RADIACIÓN TÉRMICA
Es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energía solar.
ESCALAS DE TEMPERATURAS
Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.
54
RELATIVAS •
Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius utilizó (en 1742) los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm está en el punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición. Celsius dividió el intervalo de temperatura que existe entre éstos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamó grados centígrados °C. Sin embargo, en 1948 fueron renombrados grados Celsius en su honor; así mismo se comenzó a utilizar la letra mayúscula para denominarlos. En 1954 la escala Celsius fue redefinida en la Décima Conferencia de Pesos y Medidas en términos de un sólo punto fijo y de la temperatura absoluta del cero absoluto. El punto escogido fue el punto triple del agua que es el estado en el que las tres fases del agua coexisten en equilibrio, al cual se le asignó un valor de 0,01 °C. La magnitud del nuevo grado Celsius se define a partir del cero absoluto como la fracción 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto. Como en la nueva escala los puntos de fusión y ebullición del agua son 0,00 °C y 100,00 °C respectivamente, resulta idéntica a la escala de la definición anterior, con la ventaja de tener una definición termodinámica.
•
•
Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad típicamente usada en los Estados Unidos; erróneamente, se asocia también a otros países anglosajones como el Reino Unido o Irlanda, que usan la escala Celsius. Grado Réaumur (°Ré, °Re, °R). Usado para procesos industriales específicos, como el del almíbar.
ABSOLUTAS •
Kelvin (K). El Kelvin es la unidad de medida del SI. La escala Kelvin absoluta es parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que el punto triple del agua es exactamente a 273,16 K.
•
Rankine (R o Ra). Escala absoluta del sistema de unidades Anglosajón con intervalos de grado equivalentes a la escala Fahrenheit, cuyo origen está en -459,67 °F. Actualmente en desuso.
55
CONVERSIÓN DE TEMPERATURAS
Las siguientes fórmulas asocian con precisión las diferentes escalas de temperatura:
º CELSIUS =
º KELVIN
º FAHRENHEIT
º𝐶𝐶 = º𝐾𝐾 − 273,15 = (º𝐹𝐹 − 32)𝑥𝑥
º REAMUR
5 5 = º𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑥𝑥 9 4
De este modo, podemos calcular los equivalentes para una temperatura dada, en diferentes unidades. Si nos dan la temperatura en ºC y nos piden calcular su valor en la escala absoluta (ºK) solo tendremos que despejar de la fórmula de arriba. Por ejemplo: 1. Calcular a cuantos ºK equivalen 20ºC: ºK = ºC + 273,15 20 + 273,15 = 293,15 ºK 2. Calcular a cuantos ºF equivalen 20ºC: ºF = (º𝐶𝐶 𝑥𝑥
9
5
) + 32 (20 x 9/5) + 32 = 68 ºF
TIPOS DE TERMOMETROS •
•
Termómetro de mercurio: es un tubo de vidrio sellado que contiene mercurio, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Este cambio de volumen se visualiza en una escala graduada. El termómetro de mercurio fue inventado por Fahrenheit en el año 1714. Pirómetros: termómetros para altas temperaturas, son utilizados en fundiciones, fábricas de vidrio, hornos para cocción de cerámica etc.. Existen varios tipos según su principio de funcionamiento: 56
o
o
o
o
•
•
• •
•
•
Pirómetro óptico: se fundamentan en la ley de Wien de distribución de la radiación térmica, según la cual, el color de la radiación varía con la temperatura. El color de la radiación de la superficie a medir se compara con el color emitido por un filamento que se ajusta con un reostato calibrado. Se utilizan para medir temperaturas elevadas, desde 700 °C hasta 3.200 °C, a las cuales se irradia suficiente energía en el espectro visible para permitir la medición óptica. Pirómetro de radiación total: se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual, la intensidad de energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Pirómetro de infrarrojos: captan la radiación infrarroja, filtrada por una lente, mediante un sensor fotorresistivo, dando lugar a una corriente eléctrica a partir de la cual un circuito electrónico calcula la temperatura. Pueden medir desde temperaturas inferiores a 0 °C hasta valores superiores a 2.000 °C. Pirómetro fotoeléctrico: se basan en el efecto fotoeléctrico, por el cual se liberan electrones de semiconductores cristalinos cuando incide sobre ellos la radiación térmica.
Termómetro de lámina bimetálica: Formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo. Termómetro de gas: Pueden ser a presión constante o a volumen constante. Este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros. Termómetro de resistencia: consiste en un alambre de algún metal (como el platino) cuya resistencia eléctrica cambia cuando varia la temperatura. Termopar: un termopar o termocupla es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. Termistor: es un dispositivo que varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Algunos termómetros hacen uso de circuitos integrados que contienen un termistor, como el LM35. Termómetros digitales: son aquellos que, valiéndose de dispositivos transductores como los mencionados, utilizan luego circuitos electrónicos para convertir en números las pequeñas variaciones de tensión obtenidas, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador.
TERMÓMETROS ESPECIALES
Para medir ciertos parámetros se emplean termómetros modificados, tales como los siguientes: •
El termómetro de globo, para medir la temperatura radiante. Consiste en un termómetro de mercurio que tiene el bulbo dentro de una esfera de metal hueca, pintada de negro de humo. La esfera absorbe radiación de los objetos del entorno más calientes que el aire y 57
•
•
emite radiación hacia los más fríos, dando como resultado una medición que tiene en cuenta la radiación. Se utiliza para comprobar las condiciones de comodidad de las personas. El termómetro de bulbo húmedo, para medir el influjo de la humedad en la sensación térmica. Junto con un termómetro ordinario forma un psicrómetro, que sirve para medir humedad relativa, tensión de vapor y punto de rocío. Se llama de bulbo húmedo porque de su bulbo o depósito parte una muselina de algodón que lo comunica con un depósito de agua. Este depósito se coloca al lado y más bajo que el bulbo, de forma que por capilaridad está continuamente mojado. El termómetro de máximas y mínimas es utilizado en meteorología para saber la temperatura más alta y la más baja del día, y consiste en dos instrumentos montados en un solo aparato. También existen termómetros individuales de máxima o de mínima para usos especiales o de laboratorio.
LA DILATACION
DILATACION DE SOLIDOS
Cuando un cuerpo recibe calor, sus partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse y, por tanto, el volumen del cuerpo aumenta. A este aumento de volumen se le llama dilatación.
Cuando se calienta un sólido, se dilatan sus tres dimensiones. •
Si tiene forma de varilla, su longitud aumenta y se dice que ha experimentado una dilatación lineal. 58
Donde:
𝑙𝑙𝑓𝑓 = 𝑙𝑙0 𝑥𝑥 [1+∝ �𝑇𝑇𝑓𝑓 − 𝑇𝑇0 �]
l0: longitud inicial de la varilla, m lf: longitud final de la varilla, m Tf: temperatura final de la varilla, º C T0: temperatura inicial de la varilla, º C ∝: coeficiente de dilatación lineal [°C-1] El coeficiente de dilatación lineal, α, es el alargamiento que experimenta la unidad de longitud de un sólido, medido a 0 °C, cuando su temperatura se eleva a 1 °C.
•
Si el sólido tiene forma de lámina, la dilatación afecta a sus dos dimensiones, y se llama dilatación superficial.
59
𝑆𝑆𝑓𝑓 = 𝑆𝑆0 𝑥𝑥 [1 + 𝛽𝛽�𝑇𝑇𝑓𝑓 − 𝑇𝑇0 �] El coeficiente de dilatación superficial, β, es el aumento de superficie de un sólido de área la unidad, medido a 0 °C, cuando su temperatura se eleva a 1 °C.
•
𝛽𝛽 = 2𝛼𝛼
Y, si ninguna de las dimensiones destaca sobre las otras, las tres se dilatan por igual y la dilatación es cúbica.
𝑉𝑉𝑓𝑓 = 𝑉𝑉0 𝑥𝑥 [1 + 𝛾𝛾�𝑇𝑇𝑓𝑓 − 𝑇𝑇0 �]
El coeficiente de dilatación cúbica, 𝛾𝛾, representa el aumento de volumen de un sólido de volumen la unidad, medido a 0 °C, cuando su temperatura se eleva a 1 °C. 𝛾𝛾 = 3𝛼𝛼
60
Todos los coeficientes de dilatación, α,β y γ dependen de cada material y se expresan en (°C)-1 en el Sistema Internacional de unidades (SI).
DILATACION DE LIQUIDOS
Cuando los líquidos se calientan es más difícil medir el cambio de volumen que experimentan que en los sólidos, porque, a la vez que el líquido, también se dilata el recipiente que lo contiene.
Los líquidos tienen mayores coeficientes de dilatación que los sólidos, aunque no son constantes: varían con la temperatura. El mercurio es el líquido con coeficiente de dilatación más constante; por eso se utilizó en los termómetros.
61
El agua es un líquido que se comporta de manera anómala en la dilatación. Entre 0 y 4 °C, el agua líquida, en vez de aumentar su volumen, se contrae. La consecuencia de esta contracción de volumen es un aumento de la densidad. La densidad del agua es máxima a 4 °C.
DILATACIÓN DE GASES
Cuando aumenta la temperatura de un gas, pueden producirse dos fenómenos: •
•
Si la presión no varía, el volumen del gas aumenta. La energía comunicada al gas se emplea en aumentar la energía cinética de las moléculas y el volumen aumenta de forma proporcional al incremento de temperatura. Si el volumen no varía, la presión del gas aumenta; no se produce una verdadera dilatación, ya que no hay cambio de volumen.
ELEMENTOS Y COMPUESTOS
Todo lo que nos rodea es materia: el libro que leemos, la mesa en la que nos apoyamos, el agua que bebemos, el aire que respiramos... Podemos definir la materia como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y se puede pesar.
62
El agua es una sustancia pura, no cambia su composición en los tres estados físicos. Cuando hacemos pasar una corriente eléctrica a través de ella, se transforma en dos gases: oxígeno e hidrógeno. Este procedimiento se denomina electrólisis. Por tanto, el agua, que es una sustancia pura, también es un compuesto porque se puede descomponer en sustancias más sencillas.
También se puede conseguir descomponer algunas sustancias si se calientan. El procedimiento se llama descomposición térmica. Por ejemplo, si calentamos clorato de potasio, que es un sólido, como se indica en el dibujo, obtenemos oxígeno y cloruro de potasio, también sólido.
Las sustancias puras que se pueden descomponer en otras más sencillas se llaman compuestos (como el agua o el clorato de potasio). 63
Las sustancias puras que no se pueden descomponer por ningún procedimiento se llaman elementos (como el oxígeno o el hidrógeno).
SUSTANCIAS Y MEZCLAS
Hay muchísimas sustancias puras: el agua, el hierro, la sal de cocina, el oxígeno, el azúcar, el butano, etc. Otras tienen nombres menos familiares, como ácido sulfúrico, carbonato de calcio, benceno, etc. Una sustancia pura es aquella que no puede descomponerse en otras más elementales por procedimientos físicos sencillos y que presenta una composición y propiedades fijas en toda su masa. Ahora bien, en el mundo que nos rodea, las sustancias puras no suelen encontrarse solas, sino formando mezclas. • •
Si los componentes de una mezcla no se distinguen a simple vista, la mezcla se llama homogénea (el aire, el agua de mar, la gasolina). Las disoluciones son mezclas homogéneas. Si es posible distinguir a simple vista sus componentes, la mezcla se llama heterogénea (el granito, la tierra que pisas, un guiso de lentejas...).
ATOMOS Y MOLECULAS LOS ATOMOS
Los átomos son las partes más pequeñas de un elemento (como el carbono, el hierro o el oxígeno). Todos los átomos de un mismo elemento tienen la misma estructura electrónica (responsable esta de la gran mayoría de las características químicas), pudiendo diferir en la cantidad de neutrones (isótopos). En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.
El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y 64
partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón. Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z. La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón. Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones. Isótopos La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones. Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico.
LAS MOLECULAS Las moléculas son las partes más pequeñas de una sustancia (como el azúcar), y se componen de átomos enlazados entre sí. Si tienen carga eléctrica, tanto átomos como moléculas se llaman iones: cationes si son positivos, aniones si son negativos. El mol se usa como contador de unidades, como la docena (12) o el millar (1000), y equivale a . Se dice que 12 gramos de carbono o un gramo de hidrógeno o 56 gramos de hierro contienen aproximadamente un mol de átomos (la masa molar de un elemento está basada en la masa de un mol de dicho elemento). Se dice entonces que el mol es una unidad de cambio. El mol tiene relación directa con el número de Avogadro. El número de Avogadro fue estimado para el átomo de carbono por el Químico y Físico italiano Carlo Amedeo Avogadro. Este valor, expuesto anteriormente, equivale al número de partículas presentes en 1 mol de dicha sustancia. Veamos: 1 mol de glucosa equivale a
moléculas de glucosa
1 mol de Uranio equivale a
átomos de Uranio
65
DE LOS ÁTOMOS A LAS MOLÉCULAS Los enlaces son las uniones entre átomos para formar moléculas. Siempre que existe una molécula es porque ésta es más estable que los átomos que la forman por separado. A la diferencia de energía entre estos dos estados se le denomina energía de enlace. Generalmente, los átomos se combinan en proporciones fijas para dar moléculas. Por ejemplo, dos átomos de hidrógeno se combinan con uno de oxígeno para dar una molécula de agua. Esta proporción fija se conoce como estequiometría.
66
NATURALEZA DEL FUEGO. CONCEPTOS FUNDAMENTALES. COMBUSTION. TIPOS DE COMBUSTIONES. TRIANGULO Y TETRAEDRO DEL FUEGO. COMBUSTIBLE. TIPOS DE COMBUSTIBLES Y PROPIEDADES. COMBURENTE. ENERGIA DE ACTIVACION. REACCION EN CADENA. PRODUCTOS DE LA COMBUSTION. HUMO. LLAMAS. CALOR. GASES
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.
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
Antes de entrar de lleno en el proceso químico del fuego, vamos a definir una serie de conceptos que nos resultaran indispensables para la comprensión del tema. DENSIDAD RELATIVA Es una comparación de la densidad de una sustancia con la densidad de otra que se toma como referencia. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades. Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua es de 1000 kg/m3, por eso se dice habitualmente que el agua tiene densidad 1. DENSIDAD RELATIVA DE UN GAS Es una comparacion entre el peso de un gas y el peso un volumen de igual de aire seco a la misma temperatura y presión. Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C. d=1,29 kg/m3 PRESIÓN DE VAPOR Es la presión que ejerce un vapor sobre su líquido en el equilibrio entre la velocidad de evaporación y la de condensación. La presión vapor depende de la temperatura. Distintas sustancias tienen distintas presiones vapor a una misma temperatura. Una sustancia tiene distintas presiones vapor a distintas temperaturas. Vamos a explicar un poco mas este concepto, por la importancia de éste para la posterior comprensión de temas que veremos mas adelante.
Todos los sólidos ylíquidos producen vapores consistentes en átomos o moléculas que se han evaporado de sus formas condensadas. Si la sustancia, sólida o líquida, ocupa una parte de un recipiente cerrado, las moléculas que escapan no se pueden difundir ilimitadamente sino que se acumulan en el espacio libre por encima de la superficie del sólido o el líquido, y se establece un equilibrio dinámico entre los átomos y las moléculas que escapan del líquido o sólido y las que vuelven a él. La presión correspondiente a este equilibrio es la presión de vapor y depende sólo dela naturaleza del líquido o el sólido y de la temperatura. Se sabe que el agua no hierve a presión atmosférica y temperatura ambiente; sin embargo, cuando es calentada a 100 °C se presenta este fenómeno. Esto se debe a que la presión de vapor del agua a 100 °C es la presión atmosférica.
Cualquier líquido en un recipiente abierto, hierve cuando es calentado a un nivel tal que su presión de vapor es la presión atmosférica. Inversamente, un líquido no hierve mientras que su presión de vapor es menor que dicha presión. De este modo, si la presión de vapor del aceite crudo en un tanque es menor que la presión atmosférica, no se presenta evaporación. El valor de la presión de vapor saturado de un líquido, da una idea clara de su volatilidad, los líquidos mas volátiles (éter, gasolina, acetona etc) tienen una presión de vapor saturado mas alta, por lo que este tipo de líquidos, confinados en un recipiente cerrado, mantendrán a la misma temperatura, un presión mayor que otros menos volátiles. Eso explica porqué, a temperatura ambiente en verano, cuando destapamos un recipiente con gasolina, notamos que hay una presión considerable en el interior, mientras que si el líquido es por ejemplo; agua, cuya presión de vapor saturado es mas baja, apenas lo notamos cuando se destapa el recipiente. Si un soluto es no volátil la presión de vapor de su disolución es menor que la del disolvente puro.
TEMPERATURA DE EBULLICIÓN Es la temperatura a la que un sistema tiene una presión de vapor de 1 atmósfera. Normalmente la temperatura de ebullición es aquella a la que la presión vapor es igual a la presión atmosférica. ENTALPÍA Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. REACTIVOS
Son las materias primas antes de la reacción. En el caso que nos ocupa, serían el combustible y el comburente. PRODUCTOS DE LA REACCIÓN Son las especies químicas resultantes tras la reacción (humo, llamas, calor, gases). COMBUSTIONES DE PROPAGACIÓN Son las combustiones que se desarrollan en una masa reactiva ya formada, (p.e. explosiones, deflagraciones…) COMBUSTIONES DE APORTACIÓN En contraposición del término anterior, son aquellas en las que la masa reactiva se va formando para incorporarse al frente de reacción, cuando los reactivos se encuentran en la proporción adecuada. INCENDIOS Son combustiones de aportación incontroladas. CALOR DE COMBUSTIÓN Es la cantidad total de energía desprendida por la combustión completa de una sustancia. REACCION ENDOTERMICA Se denomina reacción endotérmica a cualquier reacción química que absorbe energía. Si hablamos de entalpía (H), una reacción endotérmica es aquélla que tiene un incremento de entalpía o ΔH positivo. Es decir, la energía que poseen los productos es mayor a la de los reactivos. REACCION EXOTERMICA Se denomina reacción exotérmica a cualquier reacción química que desprende calor, es decir con una variación negativa de entalpía. REACCION DE REDUCCION-OXIDACION Se denomina reacción de reducción-oxidación, óxido-reducción, o simplemente reacción redox, a toda reacción química en la cual existe una transferencia electrónica entre los reactivos, dando lugar a un cambio en los estados de oxidación de los mismos con respecto a los productos. Para que exista una reacción redox, en el sistema debe haber un elemento que ceda electrones y otro que los acepte:
• •
El agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir, siendo oxidado. El agente oxidante es el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir, siendo reducido.
OXIDACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA Se produce cuando la relación combustible- comburente es óptima para que se verifique la oxidación completa de un combustible, sin que queden excesos de ninguno de los reactivos.
COMBUSTION
La combustión es una reacción química exotérmica de reducción-oxidacion y automantenida (una vez iniciada no necesita aporte externo de energía). En una combustión iniciada intervienen dos agentes fundamentales: • Combustible: Es el agente reductor que cede electrones y se oxida (ej: madera) • Comburente: Normalmente el oxígeno del aire, es el agente oxidante que roba electrones del combustible y se reduce. Como resultado de este proceso, se desprende calor, humos y generalmente luz (llamas).
TIPOS DE COMBUSTION
Las combustiones se pueden clasificar en primer lugar por su velocidad de reacción: combustión sin llama, combustión con llama y combustiones rápidas (explosiones).
COMBUSTION SIN LLAMA (Incandescente) Este tipo de combustión, solo se da 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. 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. COMBUSTION CON LLAMA Este es el tipo de combustión que estamos acostumbrados a ver. A diferencia que en el caso anterior, este tipo de combustión se puede dar tanto en combustibles gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, el combustible no puede arder con llama en cualquier fase de su estado. Solamente en fase gaseosa es susceptible de arder con llama un combustible. Es por ello que tanto los sólidos como los líquidos, deben pasar a estado gasesoso para poder arder con llama. En los combustibles sólidos, este proceso se lleva a cabo a través de la pirolisis, que es una descomposición química que hace que el material solido se vaya descomponiendo las moléculas complejas del combustible, en gases combustibles simples (derivados del carbono en su mayoria) por acción del calor continuado. 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.
POLIMEROS Poliolefinas
PRODUCTOS PRODUCTOS DE LA PIROLISIS DE LA COMBUSTION Olefinas, Parafinas, CO, CO2 Hidrocarburos Acíclicos
Poliestireno
Monómeros, Dímeros y Trímeros CO, CO2 de estireno
Acrílicos
Monómeros de Acrilato
CO, CO2
PVC
CLH – Hidrocarburos aromáticos
CLH, CO, CO2
Acetato de CO, CO2, Ácido acético celulosa Policarbonatos CO2, Fenol Nylon 66 Aminas, CO, CO2 Fenólicos PVC
Fenol, Formaldehido
CO, CO2, Ácido acético CO, CO2 CO, CO2, NH3 y Aminas CO, CO2, HCOOH
Polésteres
Estireno, Ácido benzoico
CO, CO2
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 encendido o ignición. Los gases, no necesitan cambiar de estado para arder, por lo que suelen arder mas rápidamente que cualquier otro combustible. 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 no se producirá. COMBUSTIONES RAPIDAS (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. 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 (340 m/s) . Cuando la velocidad de la reacción es mayor que la del sonido se consideran detonaciones. Estudiaremos mas a fondo estos fenómenos en próximos temas.
TRIANGULO Y TETRAEDRO DEL FUEGO
El estudio de la dinámica del fuego y de su extinción supone la utilización de disciplinas tales como la mecánica de fluidos, las transferencias de calor y materia y la cinética química. Sin embargo, con frecuencia los textos (desde Lavoisier) emplean un triángulo o un tetraedro para representar los elementos básicos del fuego, siendo ésta una forma intuitiva del fuego y de sus métodos de extinción. Una simplificación gráfica habitual para describir el proceso de la combustión es el denominado triángulo del fuego. Con él se quiso significar que el fuego no podía producirse sin que se unieran tres elementos: el combustible, el comburente y la energía de activación (calor).
COMBUSTIBLE
El Combustible, como acabamos de ver, es cualquier sustancia capaz de arder en determinadas condiciones. Cualquier materia que pueda arder o sufrir una rapida oxidación. Estudiaremos los diferentes tipos de combustibles en la segunda parte del tema.
COMBURENTE
Es el agente oxidante que resulta reducido por la interacción con el combustible. El comburente mas común es el oxígeno del aire; su concentración se encuentra en tomo al 21% del total de la masa gaseosa que constituye el aire. Existen circunstancias en las que es posible la combustión sin la presencia del oxígeno atmosférico; así tenemos los incendios en los que se hallan presentes compuestos químicos que durante el proceso previo generan oxígeno. Tampoco es necesario la presencia del oxígeno atmosférico para mantener una reacción “redox” fuertemente exotérmica, cuando un determinado tipo de combustible se pone en contacto con una atmósfera de cloro o con algunos compuestos fluorados, en este sentido hemos de decir que el flúor es el más potente elemento oxidante. Combustiones extremadamente exotérmicas, como por ejemplo la de algunos metales, pueden usar como comburente sustancias tan inertes como el dióxido de carbono (CO). En realidad lo que ocurre es que la gran cantidad de energía liberada, excede la necesaria para romper los enlaces de la molécula de CO2 con lo que se libera el oxígeno que es usado para mantener la combustión. Las concentraciones en las que debe estar el agente oxidante, varían en función del tipo de combustión y de las variables presión y temperatura. Así una combustión con llama precisa del 14% al 16% de oxígeno, disminuyendo esta necesidad a medida que aumenta la presión y o la temperatura. Sin embargo para combustiones del tipo incandescente (sin llama) la concentración de O2 disponible puede situarse alrededor del 0%. Una vez visto todo lo anterior podemos definir los gases comburentes como aquellos que son capaces de soportar la combustión con un oxipotencial superior al del aire. El oxígeno se encuentra en el aire en una proporción aproximada del 21%, tal y como podemos observar en la siguiente tabla de composición del aire.
Composición del aire
El oxígeno por su parte, se distingue de otros gases no combustibles, porque favorece todo tipo de combustión. Asimismo incrementa extraordinariamente la combustibilidad en la mayoría de los materiales considerados como difícilmente combustibles. Rebaja por ello el punto de inflamabilidad y aumenta en general la velocidad de combustión.
Con un contenido de oxígeno en el aire de un 24%, la velocidad de combustión aumenta el doble, y con un 40% llega a decuplicarse.
Entre los agentes oxidantes poco frecuentes que nos encontramos en los incendios, hay que incluir ciertos productos químicos que pueden liberar fácilmente oxigeno en condiciones favorables (por ejemplo el nitrato sódico (NaNO3) y el clorato potásico (KClO3). Algunos materiales combustibles, como el plástico a base de piroxilina, contienen oxígeno combinado en sus moléculas de modo que pueden mantener una combustión parcial sin aportación externa de oxigeno.
ENERGIA DE ACTIVACION
La Energia de Activación, es la energía (calor) que es preciso aportar para que el combustible y el comburente reaccionen. Es la energía necesaria para el inicio de la reacción. Excepto para las reacciones hipergólicas (aquellas para las que las temperaturas ambientales son suficiente para que se produzca la ignición), lo normal es que sea necesaria la aplicación de cierta cantidad de energía conocida como «energía de activación» para que se verifique la combustión. Por definición, la energía de activación es el suministro energético que hemos de aportar para que se produzca la ignición.
Previamente a la ignición que se produce por la aplicación de la energía de activación, se ha de situar al sistema en unas determinadas condiciones: • Para combustibles sólidos, lo normal es que se hayan formado, por pirólisis, gases en la concentración suficiente, ya que sólo aquellos compuestos capaces de formar una capa carbonosa en sus productos, y como elementos, algunas formas de carbono y el magnesio, pueden soportar una combustión en estado sólido. • Para combustibles Iíquidos ha debido de ocurrir lo propio por evaporación del líquido. A parte de estas consideraciones, el tiempo y la energía necesarios para que se produzca la ignición están en función de: La energía de la fuente de ignición, la inercia térmica y la geometría del combustible, y de la energía mínima necesaria, que es específica para cada tipo de combustible. De la energía desprendida en la reacción parte se disipa en el ambiente provocando los efectos térmicos derivados del incendio y el resto calienta a unos productos reaccionantes aportando la energía de activación precisa para que el proceso continúe. La humedad, la luz, forma de apilado, temperatura ambiente, etc.., son factores que junto con las características físicas de los combustibles, hacen variar la energía de activación necesaria. FUENTES DE ENERGÍA CALORÍFICA Existen básicamente cinco fuentes de energía calorífica, son los denominados focos de ignición o fuentes de ignición: 1. Energía calorífica química • Calor de combustión: El poder calorífico depende del tipo de sustancia, según la clase y ordenamiento atómico y molecular. • Calentamiento espontáneo: Es un proceso por el que una masa eleva su temperatura sin realizar intercambio energético con el medio que la rodea, y que si supera la temperatura de ignición podrá abocar en una combustión espontánea. La posibilidad de este desenlace se encuentra en función de el grado de ventilación, el confinamiento y la tasa de generación de calor. La acción bacteriana puede elevar la temperatura hasta unos 80 ºC y provocar así el inicio de un calentamiento espontáneo en sustancias en las que no se verifica a temperatura ambiente. El contenido de humedad de los productos agrícolas almacenados puede iniciar estos procesos. • Calor de descomposición: Es el manifestado en la descomposición de sustancias a las que se ha debido suministrar energía para su formación.
• Calor de disolución: Es el desprendido al disolverse una sustancia en un líquido.
2. Energía calorífica de origen eléctrico • Calentamiento por resistencia: La corriente eléctrica genera calor en su paso por un conductor, debido a la resistencia que éste ejerce al paso de la corriente. Un ejemplo lo constituye la incandescencia del filamento de las lámparas convencionales.El calentamiento por resistencia es proporcional a la resistencia y al cuadrado de la intensidad. • Calentamiento dieléctrico: Fruto de la distorsión de la distribución atómica o molecular ante diferencias de potenciales eléctricos. Tal distorsión esta motivada por la tendencia de los electrones a desplazarse (en la dirección del potencial positivo), en un sentido contrario al que tienden a hacerlo los iones de carga positiva, creando tensiones internas. • Calentamiento por inducción: Calentamiento del conductor al inducirse un campo eléctrico generado por uno magnético fluctuante. Un ejemplo son los hornos microondas que calientan la comida por este principio. • Calentamiento originado por corrientes de fuga: Es la energía que se produce cuando un conductor eléctrico no se encuentra bien protegido o los aislantes están estropeados. • Calor debido a un arco eléctrico: Producido al interrumpirse el paso eléctrico en un circuito. • Calentamiento por electricidad estática: Generada por la fricción de materiales unidos que se cargan eléctricamente y luego separados. También por un material cargado por fricción y que en un momento dado, la electricidad pasa a tierra por contacto. • Calor generado por el rayo: El rayo es una descarga eltctrica entre dos nubes, cargadas eléctricamente y con una diferencia de potencial entre ellas, o entre una nube y la tierra. 3. Energía calorífics de origen mecánico • Calor generado por fricción: Se produce por el rozamiento entre dos materias en contacto. (El hombre primitivo consigue su energía por el rozamiento de dos piezas de madera.) • Chispas producidas por fricción: Se originan par el choque entre dos superficies cuando al menos una de ellas es metálica. Este fenómeno suele tener un efecto sinérgico por la oxidación de las partículas que saltan incandescentes. • Calor por compresión: Aumento de la temperatura ante la acción de comprimir un material (lo más frecuente es la compresión de un gas). 4. Energía calorífica de origen nuclear
El desprendimiento de calor en las reacciones nucleares es generalmente un millón de veces superior al de las reacciones químicas ordinarias. • Fisión nuclear: Su origen se encuentra en la energía liberada por la rotura de núcleos atómicos. • Fusión nuclear: La energía se libera por la formación de un núcleo atómico más pesado a partir de otros más livianos.
5. Energía calorífica de origen natural • Los rayos solares (energía irradiada por procesos de tipo nuclear, procedente del Sol). IGNICIÓN DE SÓLIDOS El combustible sólido, combustiona en la mayoría de-los casos mediante la destilación previa de vapores (pirólisis), si bien, algunas formas de Carbono y Magnesio pueden arder directamente en estado sólido con llama, y como se ha explicado anteriormente, también existe la combustión de tipo incandescente. En este punto hay dos factores que condicionan el desarrollo de la ignición: • Densidad del combustible: los de mayor densidad, tardan mas en arder porque conducen la energía con mayor facilidad. • Relación superficie-peso: Cuanto mayor sea dicha relación, mayor será la facilidad de ignición, porque cuando la superficie de contacto es mayor y menor la cantidad de masa, se produce una mayor temperatura dado que la energía suministrada no precisa de calentar una gran masa y se acumula. La madera hecha astillas, arderá con mayor facilidad que una vara o trozo de madera con la misma masa (tiene menor superficie de contacto por unidad de masa). IGNICIÓN DE LÍQUIDOS Dentro de los líquidos, hay que diferenciar a aquellos cuya temperatura de inflamación está por debajo de la temperatura ambiente y aquellos en los que está por encima. La temperatura de inflamación es la menor temperatura a la que el líquido desprende vapores en concentración suficiente para permitir el inicio de una reacción de combustión. En la mayor parte de los casos, esto es suficiente dado que el aporte energético que supone la aplicación de la fuente de ignición y la propia radiación de la llama, es suficiente para producir un calentamiento localizado en los alrededores del lugar, con el consiguiente aumento de la vaporización hasta niveles por encima del punto de inflamación (temperatura a la que la cantidad de vapores producida es suficiente para establecer una reacción de combustión automantenida).
También en los líquidos, la relación superficie-peso es un factor condicionante de la ignición. Así, los líquidos pulverizados o atomizados, pueden arder a temperaturas inferiores al punto de inflamación nominal del líquido, como en las condiciones anteriormente descritas para los sólidos. IGNICIÓN DE GASES Dado el bajo peso específico de este tipo de sustancias, la cantidad de energía necesaria para el inicio de la combustión, suele ser muy baja. Ejemplos: • Para producir la ignición de una nube de carbón (sólido), hemos de aplicar una energía mínima de 100 mJ, elevando su temperatura hasta los 730°C. • La acetona (líquido), sólo precisa de una energía mínima en tomo a los 1,15 mJ, con una elevación de su temperatura hasta los 465°C. • Todo ello nada comparable con los solo 0,02 mJ de energía necesarios para producir la ignición del acetileno (gas), con una elevación de su temperatura hasta los 305°C.
AUTOCALENTAMIENTO Y AUTOIGNICIÓN El autocalentamiento se produce cuando un material eleva su ternperatura sin necesidad de un aporte energetico exterior. Si el autocalentamiento, genera la suficiente cantidad de energía, como para elevar su temperatura por encima de la temperatura de autoinflamación del combustible, se puede producir la autoignición. Hay varios factores que influyen en la viabilidad de este proceso: • Cantidad de energía calorífica generada: Ha de ser mayor que la que disipa hacia el medio, para que se aumente la temperatura del combustible. • Ventilación: La ventilación ha de ser suficiente para facilitar el aporte de oxígeno a la combustión, pero no tanta como para que se produzcan pérdidas energéticas por la transmisión por convección. • Efecto aislante del entorno: El aislamiento producido sobre el combustible, ha de ser suficiente para garantizar que las pérdidas energéticas por conducción sean mínimas, con el fin de que la temperatura se eleve. Existen tres causas que predisponen a la aparición de fenómenos de autocalentamiento sobre los combustibles, preferentemente orgánicos, apilados o almacenados:
• Grado de humedad: El contenido de humedad favorecela aparición de fermentaciones. • Factor biológico: El desarrollo de, sobre todo, bacterias, hace que la temperatura se eleve hasta una cota aproximada de 80°C. Este fenómeno se suele producir en productos como la paja, grano, etc. • Temperatura: Si se realiza el apilamiento o almacenamiento de un combustible con una temperatura determinada, se puede verificar un autocalentamiento que se hubiese evitado enfriando el material antes de apilarlo. FUENTES DE IGNICION SEGÚN SU DISPOSICION • Fuentes de ignición abiertas: Son aquellas que están constantemente activas, pudiendo iniciar la ignición, si la mezcla inflamable llega a su ubicación. • Fuentes de ignición ocultas :Son aquellas que aunque permanecen constantemente activas, no actúan directamente sobre la capa de gases. • Fuentes de ignición intermitentes :Son aquellas que se activan esporádicamente. (ej: interruptor) • Fuentes de ignición ocultas e intermitentes: Una combinación de los dos casos anteriores.
REACCION EN CADENA
Esta sencilla representación en triángulo se aceptó durante mucho tiempo, sin embargo, se comenzaron a observar algunos fenómenos que no podían explicarse totalmente hasta que se descubrió un “nuevo factor”, la reacción en cadena. Se ha demostrado que para que la combustión con llama progrese, y se desarrolle, es preciso que se establezcan una serie de procesos intermedios a los que se les denomina reacción en cadena de la llama, por lo que la teoría del triángulo del fuego sólo queda útil para explicar las combustiones de tipo incandescente donde el oxígeno reacciona directamente con el combustible en fase sólida sin la necesidad de formar las especies activas intermedias que se explicarán a continuación. Para que una combustión sea automantenida, la energía de los productos debe ser muy inferior a la de los reactivos, con lo que existe un exceso de energía que se vierte al medio por los mecanismos de transmisión del calor. Tal transmisión debe revertir en una cantidad suficiente sobre la masa combustible-comburente como para elevar su temperatura por encima de la de inflamación. Si alguno de estos dos puntos falla no se desarrolla la combustión, produciendose el aborto de la reacción.
En el transcurso de las reacciones previas a la oxidación de los combustibles, se producen una serie de radicales, a causa de la energía irradiada por el foco térmico, que juegan un papel fundamental en la excitación de las especies químicas reaccionantes.
Para fuegos de hidrocarburos, los radicales presentes mas frecuentes y activos son el hidrógeno (H) en su forma monoatómica, el oxígeno (O) en esa misma situación y el grupo hidroxilo (OH). Un desarrollo típico de combustión sería por ejemplo la del hidrógeno,que básicamente quedaría de esta manera en sus procesos intermedios: H2 + Energía 2H H + O2 OH+O H2+O OH+H (Aparecen nuevos radicales en la cadena) H2+OH H2O+H (Producto final y radical) El desarrollo de estas reacciones en cadena se complicaría mucho para los hidrocarburos, por la variedad de cursos que puede seguir el proceso en función de los productos intermedios generados. Por lo tanto, la reacción en cadena es una secuencia de reacciones en las que los subproductos (radicales libres) de la combustión producen reacciones adicionales de forma que se realimenta. Este proceso se mantiene mientras exista calor en cantidad suficiente para poder continuar gasificando el combustible o exista una cantidad de combustible capaz de desprender gases o vapores. Una vez incluido este cuarto elemento, la representación del fuego se realizo mediante el denominado tetraedro del fuego.
EL COMBUSTIBLE
El combustible es toda aquella sustancia que sea capaz de arder. Por lo tanto se debe de poder combinar con el oxígeno de manera rápida. Además, en el transcurso de la reacción, se va a desprender una gran cantidad de calor.
CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES
Los combustibles se pueden clasificar según su origen, grado de preparación, estado de agregación. Origen: • •
Fósiles: Proceden de la fermentación de los seres vivos No fósiles: El resto
Grado de Preparación: • •
Naturales: Se utilizan tal y como aparecen en su origen Elaborados: Antes de ser consumidos se someten a determinados procesos de transformación
Estado de Agregación: • • •
Sólidos: Se encuentran en tal estado en la naturaleza o una vez transformados. Por ejemplo, la madera, el carbón.. Líquidos: Cualquier líquido que pueda ser usado como combustible y que pueda ser vertido y bombeado Gaseosos: Se encuentran en estado gaseoso. Se incluye el gas natural y todas sus variedades. También el gas de carbón, de petróleo, de altos hornos, gas ciudad y diversas mezclas.
COMBUSTIBLES SOLIDOS MATERIAS CELULOSICAS
La celulosa es un hidrato de carbono CHO. Altamente polimerizado. Se presenta en forma alfa, beta o gamma según su grado de polimerización. Es el combustible históricamente más conocido. Es el principal componente de la madera, papel e infinidad de tejidos. Su punto de ignición es 230 ºC. • • • • • • •
Las temperaturas de ignición de la madera y derivados dependen de: Densidad. Características físicas (dimensiones y forma) Humedad. Velocidad y duración del calentamiento. Naturaleza del foco de calor. Suministro y velocidad del aire.
PLASTICOS Los plásticos son sustancias químicas sintéticas denominados polímeros, de estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y cuyo componente principal es el carbono. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización Clasificación de los plásticos Según el monómero base En esta clasificación se considera el origen del monómero del cual parte la producción del polímero. •
•
Naturales: Son los polímeros cuyos monómeros son derivados de productos de origen natural con ciertas características como, por ejemplo, la celulosa, la caseína y el caucho. Dentro de dos de estos ejemplos existen otros plásticos de los cuales provienen: o Los derivados de la celulosa son: el celuloide, el celofán y el cellón. o Los derivados del caucho son: la goma y la ebonita. Sintéticos: Son aquellos que tienen origen en productos elaborados por el hombre, principalmente derivados del petróleo como lo son las bolsas de polietileno
Según su proceso de obtención: a) Por condensación: son polímeros obtenidos como consecuencia de la unión de monómeros propiciada por una eliminación molecular. b) Por adición: son polímeros que resultan de la unión de monómeros por medio de enlaces
múltiples. Según su comportamiento frente al calor Termoplásticos Un termoplástico es un plástico que, a temperatura ambiente, es plástico o deformable, se convierte en un líquido cuando se calienta y se endurece en un estado vítreo cuando se enfría suficiente Los principales son: • •
• •
Resinas celulósicas: obtenidas a partir de la celulosa, el material constituyente de la parte leñosa de las plantas. Pertenece a este grupo el rayón. Polietilenos y derivados: Emplean como materia prima el etileno obtenido del craqueo del petróleo que, tratado posteriormente, permite obtener diferentes monómeros como acetato de vinilo, alcohol vinílico, cloruro de vinilo, etc. Pertenecen a este grupo el PVC, el poliestireno, el metacrilato, etc. Derivados de las proteínas: Pertenecen a este grupo el nailon y el perlón, obtenidos a partir de las diamidas. Derivados del caucho: Son ejemplo de este grupo los llamados comercialmente pliofilmes, clorhidratos de caucho obtenidos adicionando ácido clorhídrico a los polímeros de caucho.
Termoestables Los plásticos termoestables son materiales que una vez que han sufrido el proceso de calentamiento-fusión y formación-solidificación, se convierten en materiales rígidos que no vuelven a fundirse. • • • • • •
Polímeros del fenol: Son plásticos duros, insolubles e infusibles pero, si durante su fabricación se emplea un exceso de fenol, se obtienen termoplásticos. Resinas epoxi. Resinas melamínicas. Baquelita. Aminoplásticos: Polímeros de urea y derivados. Pertenece a este grupo la melamina. Poliésteres: Resinas procedentes de la esterificación de polialcoholes, que suelen emplearse en barnices. Si el ácido no está en exceso, se obtienen termoplásticos.
Elastómeros o cauchos Los elastómeros se caracterizan por su gran elasticidad y capacidad de estiramiento y rebote, recuperando su forma original una vez que se retira la fuerza que los deformaba. Comprenden los cauchos naturales obtenidos a partir del látex natural y sintéticos; entre estos últimos se encuentran el neopreno y el polibutadieno.
Propiedades físico-químicas • • • • • • • •
Baja conductividad. Baja densidad (0,8-2,3). Flexibilidad y baja resistencia a la tracción. No suelen resistir más de 100 º C. Los termoplásticos resisten a los ácidos y los termoestables a los disolventes. Elevada velocidad de propagación de llama. Fusión por debajo de 350ºC. Gases desprendidos en la combustión de plásticos: CO, Fenol, Compuestos nitrogenados, Acido cianhídrico, Acido fórmico, NH3.
METALES Características generales • • • • • •
Gran conductivilidad térmica y eléctrica Dúctiles y maleables, buenas cualidades mecánicas Brillo característico Suelen ser sólidos Admiten aleaciones Temperatura de fusión específica.
Todos los metales son combustibles en determinadas condiciones (estado de disgregación, temperatura, atmósfera, oxidante, etc.). Algunos incluso no necesitan la presencia de aire u O2 y pueden arder en atmósferas de N, CO2, vapor de agua. Las características de los fuegos de metales son muy variadas en función de los humos, calores de ignición y combustión, condiciones propicias, etc. El gran problema de los fuegos de metales es que generalmente no admiten los medios de extinción básicos, teniendo que recurrir a medios específicos. Podríamos dividir los metales en pesados y ligeros, siendo éstos los más problemáticos por su mayor combustibilidad, dividiéndose a su vez en alcalinos y alcalinotérreos. • Magnesio: Muy inflamable. Puede producir autoignición cuanto esté humedecido.bSi el foco es pequeño se puede apagar con grandes cantidades de agua a chorro ybsi no con grafito, talco, polvo químico especial o gases específicos (triofloruro de boro). • Metales alcalinos (Na. K, Li): Se oxidan rápidamente en presencia de humedad. Pueden formar explosiones al contacto con el agua (Na). Medios de extinción: Grafito, arena, Gases (N, He, argón). • Calcio: Comportamiento parecido al sodio.
• Aluminio: Solo arde en láminas o virutas. Descompone el agua durante su combustión. Medios de extinción; grafito, talco, polvo químico, polivalente.
COMBUSTIBLES LÍQUIDOS
Según el acuerdo europeo sobre el transporte internacional de mercancías peligrosas por carretera ADR, un liquido es: “ una materia que, a 50° C, tiene una tensión de vapor de como máximo 300 kPa (3bar) y que no es totalmente gaseosa a 20° C y 101,3 kPa, y que- tiene un punto de fusión o un punto de fusión inicial igual o inferior a 20 ºC a una presión de 101,3 kPa” Según la ITC MIE-APQ 1: “Almacenamiento de líquidos inflamables y combustibles”: • Líquido combustible. Es un líquido con un punto de inflamación igual o superior a 55 °C. • Líquido inflamable. Es un líquido con un punto de inflamación inferior a 55 °C.
EL PETROLEO La mayoría de los líquidos combustibles mas habituales, provienen del petróleo. El petróleo es un mineral combustible líquido y que se encuentra en la envoltura sedimentaria de la tierra. La palabra proviene del latín petra (piedra) y olem (aceite). Presenta un calor de combustión superior al de los minerales sólidos (carbón), y es de 42 KJ/Kg. Composición El petróleo está formado principalmente por hidrocarburos, que son compuestos de hidrógeno y carbono, en su mayoría parafinas, naftenos y aromáticos. Junto con cantidades variables de derivados saturados homólogos del metano (CH4). Su fórmula general es CnH2n+2. •
• •
•
Cicloalcanos o cicloparafinas-naftenos: hidrocarburos cíclicos saturados, derivados del ciclopropano (C3H6) y del ciclohexano (C6H12). Muchos de estos hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con cadenas parafínicas ramificadas. Su fórmula general es CnH2n. Hidrocarburos aromáticos: hidrocarburos cíclicos insaturados constituidos por el benceno (C6H6) y sus homólogos. Su fórmula general es CnHn. Alquenos u olefinas: moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace doble de carbono (-C=C-). Su fórmula general es CnH2n. Tienen terminación "eno". o Dienos: Son moléculas lineales o ramificadas que contienen dos enlaces dobles de carbono. Su fórmula general es CnH2n-2. Alquinos: moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace triple de carbono. Su fórmula general es: CnH2n-2. Tienen terminación -"ino".
Fraccionamiento del crudo de petróleo. Principales productos obtenidos El fraccionamiento del crudo de petróleo consiste en efectuar un proceso mediante el cual, aplicando temperatura a unna fracción del crudo, separemos los distintos componentes según el punto de ebullición de cada uno, el cual depende del número de átomo de C que tenga el componente, junto con su naturaleza.
A partir del crudo de petróleo podemos obtener un gran número de combustibles líquidos. El petróleo resulta ser la fuente por antonomasia de combustibles líquidos. Los principales combustibles líquidos son: • • • • •
Gasolinas: Abarcan compuestos hidrocarbonados que van desde C4 a C10. Kerosenos: C10 a C14: cadenas hidrocarbonadas de 10 a 14 átomos de C Turbojets (gasolinas de aviación): C10 - C18/C14 Gasóleos: C15-C18 Fuel-oil: Van a ser lo que tengan un punto de destilación más altos; es decir, los de mayor número de átomos de carbono y los más pesados.
PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LOS LÍQUIDOS La reacción siempre se verifica sobre la superficie por evaporación del líquido. Dichos vapores se mezclan por difusión con el comburente para formar la masa reactiva. En función de la velocidad de evaporación, la combustión se desarrollará progresando por la superficie del líquido hasta cubrirla en su totalidad, o se autoextinguirá por insuficiencia de combustible en la mezcla reactiva.
Existen líquidos cuyos vapores poseen una baja tasa de producción energética al oxidarse, la cual, resulta insuficiente para mantener la velocidad necesaria de evaporación, por lo que no existe propagación de la llama a menos que se realice un aporte exterior de energía o se eleve la temperatura global de la masa líquida. Hay materias que en fase líquida ebullen durante la combustión, lo que incrementa de forma sustancial la violencia del fuego. Al igual que para los combustibles solidos, la superficie de contacto del líquido con el medio condiciona la facilidad de ignición y la velocidad de propagación, así, un líquido pulverizado generará combustiones más violentas que un líquido a chorro o en charco
COMBUSTIBLES GASEOSOS
Según el acuerdo europeo sobre el transporte internacional de mercancías peligrosas por carretera ADR, un gas es: "una materia que: a) A 50 ºC ejerce una presión de vapor superior a 300 kPa (3 bar). ó b) Es totalmente gaseosa a 20 ºC a la presión normal de 101,3 kPa.” El gas natural (cuyo mayor componente es el metano) es el más habitual, pero existen otros como: •
•
• •
Gases licuados del petróleo (GLP), como propano o butano. Se obtienen mayoritariamente en la destilación fraccionada del petróleo. Otra parte es obtenida al separarlos del gas natural. Hidrógeno. Se obtiene a partir de la electrólisis del agua invirtiendo energía eléctrica, o a partir de gas natural.1 Es un vector energético y no una fuente de energía primaria. Puede llegar a ser utilizado en el futuro como gas combustible con una mejora de la tecnología. Gas de alumbrado (H2 y CO2), también conocido como gas de hulla o gas ciudad. Gas de agua (H2 y CO).
Estudiaremos la composición, transporte y distribución de estos gases en futuros temas. PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LOS GASES Para este tipo de combustibles, sólo es preciso que la mezcla se encuentre en una proporción suficiente para que a partir de una fuente de ignición, se desarrolle la combustión. Las características de la combustión, entre otros factores, vienen determinadas por la formación de la masa reactiva, encontrándonos dos posibidades:
• Masa reactiva ya formada: Existe una mezcla íntima generalizada del combustible y del comburente a causa de una ignición diferida. El resultado será, una deflagración o una detonación según la velocidad de combustión real. • Masa reactiva de formación continuada: Los reactivos se incorporan al frente de reacción por difusión Parámetros interesantes en la combustión de gases: Poder comburívoro o aire teórico: Es la cantidad de aire necesaria para asegurar la combustión de 1 m3 de gas. Suele expresarse en m3 normal de aire/m3 normal de gas Poder fumígeno (humos o gases de combustión): Conjunto de productos en estado gas que se obtienen en el proceso de combustión. Se trata del volumen expresado en C/N de los gases de combustión que se obtienen en la combustión completa de 1 Nm3 de gas asociado a una cantidad de aire igual a la teórica. Se pueden distinguir: • •
Humos secos: No se considera el vapor de agua Humos húmedos: Se considera el vapor de agua
PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES PODER CALORIFICO
El poder calorífico es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases) formadas en la combustión. La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida. Según la forma de medir se utiliza la expresión poder calorífico superior (abreviadamente, PCS) y poder calorífico inferior (abreviadamente, PCI). Poder calorífico superior Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de una unidad de volumen de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado y se contabiliza, por consiguiente, el calor desprendido en este cambio de fase. Poder calorífico inferior Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de una unidad de volumen de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua generado en la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como vapor.
MATERIAL PVC CARBON COK LIGNITO TURBA AZUCAR BUTIL NEOPANO CARTONES MADERA POLISOPRENO SERRIN DE PINO ASFALTO POLIETILENO POLIESTIRENO CLORURO DE METILO METACRILATO METILO ALCOHOL ETILICO TOLUENO PETROLEO GASOLINA ALQUITRAN GLICERINA ACEITE COCINA EBONITA (GOMA DURA)
PODER CALORIFICO (Mgcal/kg) 3 7A8 6,6 4,3 A 5,8 3,5 4 8,3 6 4 10,8 5,37 9,87 11 9,6 3,2 6,1 6,45 8,6 9 11 8,6 4,3 10,2 A 11 7,9
PUNTOS DE IGNICION, INFLAMACION Y AUTOIGNICION La norma UNE-EN ISO 13.943 define los siguientes conceptos: Punto de combustión (fire point) “Temperatura mínima a la cual se prende un material y continua ardiendo durante un tiempo especificado después de que se haya aplicado una llama pequeña normalizada a su superficie bajo las condiciones especificadas.”
Efecto de la presión sobre la temperatura de ignición Los valores de las temperaturas de ignicion, normalmente están determinados a nivel del mar y la variación de la presión atmosférica tiene influencia sobre los mismos. Un aumento de presión eleva el punto de ignicion y una disminución de la presión lo reduce. Esta segunda situación debe tenerse más en cuenta, ya que en zonas de mayor altitud, la concentración inflamable se alcanza con más facilidad.
Punto de inflamación (Flash Point) “Temperatura minima a la cual es necesario calentar un material o un producto para que se prendan los vapores emitidos momentaneamente en presencia de llama bajo las condiciones especificadas.” Punto de ignición (Ignition Point) “Temperatura mínima a la cual puede iniciarse la combustión sostenida bajo las condiciones de ensayo especificadas.” Es conveniente asegurarse la no-confusión con la temperatura de inflamación o destello, especialmente si no se dispone de ambos valores determinados por ensayo ó por tablas. En caso de no disponer de ellos se observará que la temperatura de autoignición tiene unos valores muy superiores a la de inflamación y para una mayoría de compuestos se encuentra entre 200 y 700 ºC. La temperatura de autoignición de hidrocarburos en aire disminuye al aumentar su masa molecular. Así por ejemplo: Metano ..........................................537 ºC n-butano........................................405 ºC n-decano.......................................208 ºC La temperatura de autoignición de hidrocarburos en aire disminuye al aumentar el tamaño del recipiente. La temperatura de autoignición puede disminuir sustancialmente ante la presencia de catalizadores como polvo de óxido de hierro, ante atmósferas ricas en oxígeno y ante presiones elevadas.
LIMITES DE INFLAMABILIDAD Definen las concentraciones mínimas y máximas del vapor o gas en mezcla con el aire, en las que son inflamables. Se expresan en tanto por ciento en el volumen de mezcla vapor de combustibleaire. Reciben también el nombre de límites de explosividad, ya que según las condiciones de confinamiento, cantidad, intensidad de la fuente de ignición, etc. varía la velocidad de la combustión y es común que se origine una explosión. Aunque ambos términos son intercambiables para vapores y gases inflamables, es más usual el de limites de inflamabilidad para estos dos y el de límites de explosividad para polvos combustibles. Los valores del límite inferior y superior de inflamabilidad nos delimitan el llamado Rango o Campo de Inflamabilidad o Explosividad. Límite inferior de inflamabilidad o explosividad (L.I.I. o L.I.E.) Se define como la concentración mínima de vapor o gas en mezcla con el aire, por debajo de la cual, no existe propagación de la llama al ponerse en contacto con una fuente de ignición. Por ejemplo el límite inferior de inflamabilidad del vapor de acetona en el aire es aproximadamente 2,6% en volumen. Esto significa que en 100 volúmenes de mezcla vapor de combustible-aire hay 2,6 % de vapor de acetona y 100 - 2,6 = 97,4 % de aire. Límite superior de inflamabilidad o explosividad (L.S.I. o L.S.E.) Se define como la concentración máxima de vapor o gas en aire, por encima de la cual, no tiene lugar la propagación de la llama, al entrar en contacto con una fuente de ignición. 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.) (representada en la imagen por la zona veteada). Es aquí donde la mezcla combustible/aire arde a la perfección, mientras que en los límites lo hace con cierta dificultad.
Ejemplos de limites de inflamabilidad y mezcla ideal: SUSTANCIA ACETILENO HIDROGENO METANO
LIE 2.0 4.0 5.0
MI 7.4 28.8 9.0
LSE 80.0 76.0 15.0
Efecto de la temperatura en los limites de inflamabilidad Los límites inferiores de inflamabilidad en aire disminuyen aproximadamente un 8% con un incremento de temperatura de 100 C. Los límites superiores de inflamabilidad aumentan un 8 % con un incremento de temperatura de 100 ºC. TABLAS DE PUNTOS Y RANGOS INFLAMABILIDAD GASES ACROLEINA CH-CHO BUTANO C4H10 ACETILENO C2H2 OXIDO DE ETILENO C2H4O PROPANO C3H8
DENSIDAD T.AUTO
T.IGN T.EBULL LIE-LSE
2,1 0,907
220 287 305
-26 -60
52 -0,5 -85
2,8-31 1,9-8,5 2,5-100
0,89
429
-18
11
3,6-100
1,5
450
-103
-42
2,2-9,5
PRESION VAPOR 2 44 8,5
PROPILENO C3H6 ETANO C2H6 CLORURO DE VINILO C2H3 HIDROGENO H2 METANO CH4 ETILENO C2H4 MONOXIDO DE CARBONO AMONIACO
1,5 1,05
460 472
-108 -135
470
2,4-10,3 3-12,5
-14
3,6-33
-253 -160 -104
.4-75 .5-15 2,7-36
0,07 0,6 0,98
560 537 425
1
609
-192
12,5-74
630
-33
16-25
LIQUIDOS SULFURO DE CARBONO AGUARRAS GASOLINA ACETONA ETANOL GASOIL HEXANO ACETATO DE ETILO ACEITE DE OLIVA ACEITE LUBRICANTE GLICERINA METANOL TOLUENO BENCENO HEPTANO QUEROSENO PENTANO DECANO
-18 -188 -136
-48 -89
T.AUTO
T.IGN
T.EBULL
LIE-LSE
102 232 285 465 363 338 223
-38 38 -43 -18 13 65 -22
46
1,2-44 1,1-6 1,4-7,6 2,5-12 4,3-19 .6-13 1,1-75 2,2-11,4
343 370 385 480 560 204 220 260
SOLIDOS LIGNITO MADERA DE PINO CELULOSA POLIETILENO POLIAMIDA POLIESTIRENO PVC RESINAS FENOLICAS
149-232 160 11 4,4 -11 -4 35-63 -40
T.AUTO (ºC) 250 280 230 350 425 488-496 454 571-580
38 56 78 260 64
64
98 130-325
T.IGN (ºC) 225 230 340 420 345
.6-36 1,2-7,1 1,4-7,1 1,6-7 0,6-8 1,5-7,8 0,8-5,4
11 38
79
PRODUCTOS RESULTANTES DE LA COMBUSTION HUMO
Está compuesto por partículas sólidas y líquidas en suspensión en el aire. Con tamaños comprendidos entre 0.005 y 0.01 micras (1 micra o micrón = 0,001 mm). Tiene efectos irritantes sobre las mucosas.
Provoca el lagrimeo de los ojos dificultando la visión. A su vez evita el paso de la luz, complicando las tareas de extinción y salvamento, así como de evacuación de las personas afectadas. E incluso puede llegar a ser inflamable y/o explosivo cuando se den las condiciones adecuadas. El humo constituye prácticamente el primer factor de riesgo en el desarrollo de un incendio, antes de poderse sentir un efecto de incremento de la temperatura. En igualdad de condiciones, unos materiales emiten más humo que otros. Los líquidos inflamables emiten, por lo general, un denso humo negro. Es muy difícil aventurar que por el color del humo se pueda saber lo que está ardiendo, ya que la percepción luminosa depende de muchos factores externos, ajenos al proceso de combustión. En términos generales se puede decir orientativamente: HUMOS BLANCOS: Combustión de productos vegetales, forrajes, piensos, etc... HUMOS AMARILLOS: Sustancias químicas que contienen azufre, combustibles que contienen ácido clorhídrico y nítrico. HUMOS GRISES: Compuestos celulósicos, fibras artificiales, etc... HUMO NEGRO CLARO: Caucho. HUMO NEGRO OSCURO: Petróleo, fibras acrílicas,... Igualmente, el humo irá mezclado con gases tóxicos que modificarán su color. Siempre a título orientativo, podemos utilizar la siguiente regla: HUMO BLANCO. Arde libremente. HUMO NEGRO. Falta de oxígeno.
LLAMAS
Las llamas son difíciles de definir, como existen distintos tipos de llamas.
distintos procesos de combustión, existen
Se puede decir sin temor a equivocarse, que básicamente la llama, es el producto (gases en combustión) de una reacción química rápida y persistente, que emite calor y luz. Dicha reacción debe sostenerse por sí misma, en el caso de no ser extinguida, hasta que la concentración del combustible o comburente, no desciendan por debajo del valor mínimo indispensable, para mantenerla. Asimismo hay que recordar, que no todos los procesos de "combustión" o de "descomposición" producen llamas, aunque desarrollen calor. Las llamas ostentan distintos colores o resultan casi invisibles (para el ojo humano ), circunstancias éstas, que se hallan directamente relacionadas, con los combustibles y comburentes que reaccionan , como así de la temperatura generada por dicha reacción. Como sabemos, es una manifestación visible del fuego y es el resultado del calentamiento hasta la incandescencia de pequeñas partículas de materias o elementos compuestos (especialmente en las combustiones incompletas).
LLAMAS DE PRE-MEZCLA Los combustibles gaseosos, se pueden mezclar previamente con aire u oxígeno y luego llevar la mezcla a un quemador, dónde arderá de manera muy eficiente. Los mecheros de laboratorio y los hornillos de gas, disponen de una entrada para el combustible y orificios, para la entrada del aire, de forma que este es inyectado por aspiración y mezclado con el combustible antes, de llegar a la zona de combustión.
Estas llamas pueden presentarse de dos formas básicas: Laminares Son aquellas llamas de "pre-mezcla", que presentan un frente contínuo y claramente definido, presentando el fluído entrante o saliente de forma aerodinámica. Turbulentas Estas suelen definirse como rellenas. A veces, suelen producir sonidos "desarticulados y confusos". El frente de la llama fluctúa velozmente, presentando muchos remolinos. Estas turbulencias se deben al "flujo" en el tubo del mechero y a la "llama" misma. Estas llamas se hallan directamente relacionadas, a flujos de gran velocidad y debido a que abarcan un gran área de combustión. Son muy eficientes en lo que se refiere a la producción de calor por unidad de volúmen.
LLAMAS DE DIFUSION. Los combustibles líquidos y sólidos y algunos gases ( en circunstancias especiales ), son los que producen "este tipo de llamas".
Una vela proporciona un buen ejemplo. El combustible, (cera en este caso), se funde y vaporiza por el calor de la llama y emerge como una corriente estacionaria de vapor, procedente de la mecha. El aire arrastrado, forma una corriente de convección hacia la base de la llama (difunde de afuera, hacia adentro). Debido, a que ciertas partes son ricas en combustibles, las llamas de difusión de los hidrocarburos, suelen ser "amarillas", a causa de la presencia de partículas de carbón incandescentes. Si no hay "aire" suficiente, para oxidar este carbón, en las últimas etapas de combustión, la llama puede producir "humo". Algunas llamas de difusión "no producen carbón", por ejemplo, la llama del "alcohol metílico". Las llamas tienen 3 zonas: • ZONA FRIA: Es la zona mas interior en la cual la temperatura es mucho menor que en el resto de las llamas. Está formada por los vapores destilados del combustible y en ella • ZONA LUMINOSA: Esta es la zona Intermedia, en esta zona ya ha penetrado cierta cantidad de oxigeno y por lo tanto las moléculas de mas fácil oxidación entraran en combustión, pero aquellas de mayor resistencia ( Carbono ) se podrán incandescentes debido al calor lo que dará luminosidad a la llama. Es la zona en la que se presentará una mayor temperatura. • ZONA OXIDANTE: Es la parte exterior de la llama o sea donde está presente la mayor cantidad de oxigeno permisible, la oxidación de las moléculas será mayor.
LLAMA BUNSEN El mechero "Bunsen" ha sido objeto, de numerosos y extensos estudios, debido a que se presta bien, para ilustrar importantes conceptos relacionados con la llama. Usando como combustible, el gas natural ( Metano CH4 ), o algún otro hidrocarburo, tal como el etileno ( C2H4 ), y con la entrada de aire totalmente cerrada, se produce una llama " amarillo brillante". Esta es la llama de "difusión", en la que el aire procede enteramente del exterior, "aire secundario", que se difunde desde la atmósfera. Al ir abriendo "lentamente", la entrada de aire, el color amarillo ( de la llama ) disminuye y luego desaparece.
En este tipo de llamas las tres zonas, se observan mucho mejor, bien diferenciadas.
La región más interna es oscura, se trata simplemente de "gas frío", sin quemar. Una "cabeza de fósforo" situada en dicha región, no ardería, pues el flujo de gas frío, "no permite que se eleve la temperatura". La región oscura del gas sin quemar, está envuelta con una "capa", en forma de "cono brillante" (de color verde azulado), de un espesor inferior a 1 mm. En esta estrecha zona, el combustible reacciona con el aire premezclado, sin embargo en la llama Bunsen corriente, la cantidad de aire premezclado es insuficiente para producir una combustión completa. Por lo tanto el "gas emergente" de la zona de reacción, sirve aún como combustible.
Color de las llamas en función del combustible
Amarillo Naranja Rojo
Combustible ordinario clase A (ropa, maderas, papel…) Combustibles ordinarios en los estados finales de la combustión Liquidos inflamables, liquidos combustibles y subproductos de los hidrocarburos
Blanco
Metales, tales como el magnesio
Verde
Cobre y nitratos
Azul
Alcohol y gas natural con una mezcla apropiada de aire
Colores de las llamas en función de su temperatura ROJO TENUE ROJO SANGRE ROJO CEREZA NARANJA LIMON BLANCO AZUL-BLANCO
480 ºC 565 ºC 740 ºC 940 ºC 995 ºC 1200 ºC 1400 ºC
CALOR
El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia). La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el Julio. Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar
su temperatura 1 °C. Diferentes condiciones iniciales dan lugar a diferentes valores para la caloría. La caloría también es conocida como caloría pequeña, en comparación con la kilocaloría (kcal), que se conoce como caloría grande y es utilizada en nutrición. 1 kcal = 1000 cal Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas: 1 cal = 4,184 J El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.
GASES
En todas las combustiones gran parte de los elementos que constituyen el combustible forman compuestos gaseosos al arder. La gama y cantidad de gases que se producen en los incendios depende de los materiales presentes en la combustión. Suele ser el problema principal el total desconocimiento de las constantes y reacciones que se están produciendo en el siniestro. Estos gases pueden ser, en parte, tóxicos y producir en las personas que lo respiran incapacidades físicas, pérdida de coordinación, los desorientación, envenenamientos e incluso la muerte. Más del 80 % de las víctimas de incendios mueren por efecto de los gases. Produce por tanto más muertos que las otras tres juntas. Los niveles de tolerancia para el organismo humano, de los distintos contaminantes, se hallan recogidos en la normativa vigente sobre Seguridad y Salud. Los gases tóxicos se suelen dividir en 3 tipos: asfixiantes, irritantes y venenosos (tóxicos). La gravedad de los efectos depende de la dosis absorbida, de las condiciones fisiológicas de la persona afectada, etc Tratamiento genérico de lavar sobre todo ojos y piel que haya estado en contacto con el gas con abundante agua y suministrar respiaración asistida en los casos más graves. Aunque los diferentes gases tóxicos que nos podemos encontrar, los vamos a estudiar mas a fondo próximos temas, vamos a definir brevemente los mas característicos. MONÓXIDO DE CARBONO. CO La mayoría de las muertes en los incendios se producen por envenenamiento con CO, más que por cualquier otro producto tóxico de la combustión. Es un gas incoloro, inodoro e insípido.
Aparece prácticamente en todos los fuegos. Se desprende de todos los combustibles orgánicos. Una baja concentración de oxígeno en el ambiente de la combustión y una mala aireación favorecen la aparición de mayores concentraciones de CO. Son las combustiones incompletas del carbono las causantes del desprendimiento de CO. El CO se combina con la hemoglobina de la sangre. Con una mayor avidez que el oxigeno. Por lo tanto desplaza a éste y lo suplanta. Haciendo llegar a las células en vez de O2 el monóxido, provocando una rápida hipoxia del cerebro y de los tejidos que desencadenan en la muerte si no se suministra rápidamente oxigeno al afectado. Una persona que permaneciera realizando un ejercicio moderado (andar), en una atmósfera con tan sólo un 0.05 % de monóxido de carbono, padecería síntomas graves al cabo de una hora y media, ya que la concentración de carboxihemoglobina en su sangre alcanzaría el valor del 40 %. Un 0,1% de monóxido de carbono en el aire puede producir la muerte, en las mismas circunstancias, en tres horas. La exposición al monóxido no es acumulativa, sin embargo, el cuerpo necesita de algún tiempo para ir liberándolo. DIÓXIDO DE CARBONO. CO2. Se desprende en combustibles orgánicos cuando la combustión se realiza en ambientes aireados (combustión completa). Es un gas asfixiante. Ignífugo, inodoro e incoloro. Los fuegos que se generan al aire libre, en general, presentan mayores concentraciones de CO2 que de CO. Al aumentar la concentración de anhídrido carbónico, aumenta el ritmo respiratorio, y con ello la inhalación de otros gases tóxicos. Es narcótico, provocando jaquecas, somnolencia, confusiones, pudiendo llegar al coma profundo y la muerte al alcanzar concentraciones de 8% CIANURO DE HIDRÓGENO. CHN. Es resultante de la combustión de sustancias que contienen nitrógeno, como por ejemplo el nylon, plásticos y fibras naturales, caucho, papel, etc... Es un gas incoloro pero tiene un olor débil similar al de las almendras amargas. Interfiere en la respiración a nivel de las células y de los tejidos, a diferencia del CO. Deja inoperativas determinadas enzimas esenciales para el funcionamiento de las células. El tratamiento a las víctimas es el mismo que a las del monóxido de carbono. Administración inmediata de oxigeno.
CLORURO DE CARBONILO. COCL2. FOSGENO. Se produce por el contacto de las llamas sobre los productos clorados (PVC), aislamientos de cables de instalaciones eléctricas, materiales refrigerantes como el freón, etc... . Es muy tóxico. Es un gas incoloro, insípido y con un olor a heno húmedo. Este olor es perceptible en valores de 6 ppm. El principal efecto del fosgeno se da en los pulmones: cuando se inhala se convierte en cloruro de hidrógeno al alcanzar los espacios alveolares y después en ácido clorhídrico y monóxido de carbono cuando se pone en contacto con los pulmones. En definitiva es el clorhídrico que combinado con la humedad provoca un edema pulmonar, que limita el intercambio de oxígeno en los pulmones. En una intervención se puede absorber una dosis letal sin que se noten efectos ni sin que el organismo tenga tiempo de reaccionar. El fosgeno también se absorbe por la piel, sobre todo en altas concentraciones. Tratamiento genérico de lavar sobre todo ojos y piel que haya estado en contacto con el gas con abundante agua y suministrar respiración asistida en los casos más graves. SULFURO DE HIDROGENO. SH2 Se produce en la combustión incompleta de las materias orgánicas que contienen azufre (cauchos, neumáticos, lanas ... ). También se encuentra a menudo en cloacas, plantas de tratamiento de residuos, debido a la descomposición de las materias orgánicas. Es un gas incoloro y tiene un fuerte olor a huevos podridos. La exposición a altas concentraciones de CHN puede provocar fallos respiratorios e incluso la muerte. El tratamiento general es aplicar agua sobre los vertidos sobre piel y ojos y suministrar respiración artificial en los casos más graves. ANHÍDRIDO SULFUROSO. SO2 Se produce por la oxidación completa de las materias orgánicas que contienen azufre, se delata inmediatamente al ser irritante para los ojos y el sistema respiratorio. Es un gas incoloro. Cuando se combina con la humedad del tracto respiratorio se convierte en corrosivo, causando edemas a determinadas concentraciones. La exposición a concentraciones de un 0,05% se consideran peligrosas incluso durante períodos breves. El tratamiento habitual es el general para todos los gases tóxicos.
AMONIACO Se desprende cuando arden combustibles que contienen nitrógeno: lana, seda, algunos polímeros,... Olor insoportable y acre. Tiene efectos irritantes para ojos y nariz. Largas permanencias en concentraciones altas provocan desde lesiones en la córnea hasta complicaciones pulmonares. DIÓXIDO DE NITRÓGENO. NO2 Aparece en la combustión de nitrato de celulosa, nitrato amónico,... y cuando el ácido nítrico entra en contacto con otros materiales (madera, metales,...). Provoca efectos similares al anhídrido sulfuroso. Se identifica por su color marrón rojizo y es altamente tóxico, pudiendo aparecer sus efectos incluso bastante tiempo después de haberlo respirado. ACROLEÍNA Se produce en la combustión de productos petrolíferos (aceites lubricantes, grasas, asfaltos,...) y puede aparecer en fuegos de materiales comunes tales como la madera y el papel. Es altamente tóxico y mortal a determinadas concentraciones.
BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA UNE-EN-ISO 13.943:2012 Seguridad contra incendios. Vocabulario UNE 23.026: Tecnología del fuego. Terminología VVAA. Diploma de Especialización Profesional Universitario en Servicios de Prevención, Extinción de Incendios y Salvamento. Módulo II: Fundamentos teóricos y técnicos. “Química del fuego”. CEIS Región de Murcia. Academia de Formación de Bomberos. VVAA. Temario Ayuntamiento de Sevilla. Editorial Función. Suay Belenguer, Juan Miguel. “Conceptos Básicos de Física y Química relacionados con el fuego”. Basset Blesa, Jose Miguel. “La naturaleza del fuego”. Manual de extinción de incendios de Bomberos de Navarra. Manual básico del bombero del Gobierno Vasco. VVAA. Manual del bombero. Editorial Mapfre NTP 379: Productos inflamables: variación de los parámetros de peligrosidad
CLASIFICACION DE LOS FUEGOS. METODOS DE EXTINCION. AGENTES EXTINTORES. CLASIFICACION. DESCRIPCION. SUSTANCIAS EXTINTORAS ADECUADAS A CADA TIPO DE FUEGO
CLASIFICACION DE LOS FUEGOS
Los distintos países, han normalizado la clasificación de los fuegos atendiendo a una división que se basa en los distintos tipos de combustibles, la forma que adopta, las llamas, etc.Existen distintas clasificaciones, según el país y norma por la que se regule, en este tema seguiremos las que se encuentran normalizadas en España. Clasificación de los fuegos: • Según el Combustible: o Según la Naturaleza del Combustible. o Según la distribución del Combustible. • Por su manifestación y desarrollo: o Según el entorno del incendio o Según la superficie en llamas. o Según el lugar en el que se desarrollan
SEGÚN EL COMBUSTIBLE
SEGÚN LA NATURALEZA DEL COMBUSTIBLE La norma UNE EN-2 establece las clases de fuego normalizadas: 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. Además, esta clasificación es particularmente útil en la lucha contra incendios empleando extintores. Clase A: Fuegos de materiales combustibles sólidos comunes, generalmente de naturaleza orgánica, tales como madera, papel, textiles, cauchos y plásticos termoestables. ·Agente extintor: Agua, Agua con espuma, Agua con gel, Polvo. Clase B: Fuegos de líquidos inflamables y sólidos licuables como gasolina, petróleo, aceites, grasas, pinturas, barnices, alcohol… 106
Agente extintor: Agua con espuma, polvo, CO2, N2 , Combinaciones de argón y otros gases nobles etc. en el caso de protección de recintos, objetos y en redes fijas. Clase C: Esta categoría incluye los fuegos de gases inflamables tales como propano, butano, metano… Agente extintor: Agua con espuma, Agua de alta presión, Polvo, CO2, etc.. Nota: Una llama de gas se extingue sólo cuando el gas esté cortado, en caso contrario, al salir más gas nuevamente se inflama. Peligro de explosión. Para tomar en consideración: El extintor debe generar una presión superior a la presión del gas. Clase D: Fuegos de metales y productos químicos reactivos tales como magnesio, sodio, potasio, circonio, titanio, etc. Nota: Metales que pueden inflamarse: Aleaciones de aluminio y magnesio, titanio, etc. En el caso de Titanio, a una temperatura inferior a 1000 °C se puede extinguir también con gel, arena seca, cemento o parecidos. Aleaciones de aluminio y magnesio no pueden ser extintas. Ideal es cubrirlas con cemento, así se protegen las cercanías y se espera hasta que terminen de quemarse.
Clase F: Fuegos de aceites y grasas inflamables, acumulado en las extracciones de cocinas industriales o comerciales. Muy especifico y requiere técnicas definidas Nota: La mayoría de las sustancias extintoras acuosas incluso las probadas, pueden causar ebulliciones de aceite (explosión de aceite). 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 tamaño y tipo de riesgo, 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. Mas adelante estudiaremos mas en profundidad los diferentes tipos de agentes extintores y su uso según las clases de fuego.
SEGÚN LA DISTRIBUCION DEL COMBUSTIBLE • Foco plano: Cuando el incendio se desarrolla preferentemente sobre un plano horizontal (sin ángulos muertos). 107
• Foco vertical: Cuando el incendio se desarrolla sobre varios planos horizontales, o inclinados y verticales (existencia de ángulos muertos). • Foco alimentado: Cuando el incendio es alimentado por aportación de combustible desde almacenamientos o depósitos no afectados por el fuego.
POR SU MANIFESTACION Y DESARROLLO
SEGÚN EL ENTORNO DEL INCENDIO
• Incendios Urbanos: Aquellos que se producen en zonas destinadas a residencia, ocio, uso administrativo, educación, etc, con principal riesgo de presencia de personas. • Incendios Industriales: Aquellos que se producen en zonas destinadas a producción, transformación o almacenaje de productos, con principal riesgo del tipo y cantidad de materia combustible afectada, por ejemplo: naves, fábricas, etc. • Incendios Forestales: Aquellos que se producen en zonas forestales, y cuyo material combustible es la propia vegetación, con principal riesgo de posibilidad de presencia de viviendas rurales próximas. SEGÚN EL TAMAÑO (Superficie en llamas) GRADO 1 2 3 4 5 6
NOMENCLATURA Pequeño Mediano Grande De envergadura De envergadura De envergadura
7 8 9 10
De monte De monte De monte De monte
SUPERFICIE EN LLAMAS Hasta 4 m2 De 4 a 10 m2 De 10 a 100 m2 De 100 a 1000 m2 De 1000 a 5000 m2 De 5000 a 10000 m2 (1 Ha) De 1 a 25 Ha De 25 a 100 Ha De 100 a 500 Ha Mas de 500 Ha
POR EL LUGAR EN QUE SE DESARROLLAN • Interiores: En interior de edificios y no se manifiestan al exterior, por poco aporte de oxígeno. 108
El abundante humo, la combustión incompleta, y los gases calientes, crean una presión elevada de gases tóxicos, inflamables y de calor. Estos incendios que ofrecen peligros de sofocación e intoxicación para las personas, además de grave riesgo de propagación y explosión, exigen un minucioso reconocimiento. Deben extinguirse sin ventilar, en ambiente sin aire y saturados de gases tóxicos, ya que si se ventilan se inflamarán instantáneamente y se propagarán muy rápido. La peligrosidad de la labor de extinción está precisamente en que se debe realizar sin ventilación. • Exteriores: Son en los que se ven llamas desde el exterior. Bien porque se halla propagado hasta los elementos exteriores y porque sean vistos los que arden alimentados por el oxígeno del aire. Suelen ser interiores en su origen y a través de huecos pasan al exterior.
MECANISMOS DE LA EXTINCIÓN
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
Método de extinción que actúa sobre el reductor (combustible). Puede conseguirse de forma directa o indirecta: • Directa: cortando en flujo de combustible en el caso de fuegos de gases o líquidos y retirando los combustibles sólidos o líquidos de la acción del fuego. • Indirecta: refrigerando los combustibles afectados, para así poder retirar los combustibles no afectados por el fuego y diluyendo o mezclando el combustible con otras sustancias como en los fuegos de alcohol metílico o etílico.
DILUCIÓN
Se disminuye la concentración de combustible, con el fin de impedir que se aporte en cantidad suficiente para mantener la combustión. Puede considerarse como el caso anterior de eliminación indirecta, es como el ejemplo citado en este al diluir combustibles líquidos de tipo polar. 109
EMULSIÓN
En este caso la diferencia con la dilución, es que el agente extintor no se diluye con el combustible, si no que, realiza una mezcla homogénea, de esta manera se consigue bajar la temperatura del liquido combustible y reducir la emisión de gases inflamables. Esta operación se debe realizar con especial cuidado puesto que se puede ayudar a extender el incendio al facilitar el deslizamiento del combustible, como ocurre con los hidrocarburos. Se logra la emulsión cuando se agitan dos líquidos inmiscibles y uno se dispersa en el otro
SOFOCACIÓN
Método de extinción que actúa sobre el oxidante (comburente). Esto puede conseguirse de varias formas, por ej: • Mediante la ruptura del contacto entre combustible-aire, interponiendo entre estos algún material prácticamente incombustible como espuma, polvo, arena, manta ignífuga,tapa de sartén, etc... • Dificultando el acceso de oxígeno fresco a la zona de fuego cerrando puertas y ventanas. • Por la dilución de la mezcla mediante la aportación de un gas inerte que disminuya la mezcla por debajo del L.I.I.(también llamado inertización) Se consigue el mismo efecto pero con menor efectividad proyectando agua sobre el fuego, que al evaporarse disminuirá la concentración de oxígeno (más efectivo si es pulverizada).
ENFRIAMIENTO
Método de extinción que actúa sobre la energía y por tanto impide que se alcance la energía de activación necesaria. De la energía desprendida en la combustión, parte es disipada en el ambiente y parte inflama nuevos combustibles propagando el incendio. La eliminación de tal energía supondría la extinción del incendio. Esto puede conseguirse arrojando sobre el fuego sustancias que por descomposición o cambio de estado absorban energía. El agua o su mezcla con aditivos, es prácticamente el único agente capaz de enfriar notablemente los fuegos, sobre todo si se emplea pulverizada. El agua es el agente extintor que mayor poder de enfriamiento posee, la capacidad de un agente extintor para enfriar depende de su calor específico y de su calor latente cuanto mayores sean estos mejor será.
INHIBICIÓN
110
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. Las reacciones de combustión progresan a nivel atómico por un mecanismo de radicales libres. Si los radicales libres formados son neutralizados, antes de su reunificación en los productos de combustión, la reacción se detiene. Los halones son los agentes extintores cuya descomposición térmica provoca la inhibición química de la reacción en cadena. Algunos autores postulan, que el gran efecto extintor sobre las llamas del polvo, es debido a una inhibición física por la separación espacial de los radicales libres, que provocan las minúsculas partículas de polvo proyectadas.
111
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. A continuación describiremos los diferentes agentes extintores.
SOLIDOS Definición.
Es un agente extintor compuesto por productos químicos sólidos pulverizados extintores del fuego, y de otros productos que mejoran sus características.
POLVO EXTINTOR
El polvo seco es una mezcla de polvos que se emplea como agente extintor; se aplica por medio de extintores portátiles, mangueras manuales o sistemas fijos. Los primeros agentes de este tipo que se desarrollaron fueron a base de bórax y de bicarbonato sódico. El bicarbonato sódico llegó a ser el más empleado por su mayor eficacia como agente extintor. En 1960 se modificó el polvo seco a base de bicarbonato sódico, para hacerlo compatible con las espumas proteínicas de baja expansión y permitir su empleo en los ataques de dobles agentes. Entonces, aparecieron los polvos polivalentes (a base de fosfato monoamónico y "Purple - K" (a base de bicarbonato potásico) para su uso como agente extintor. Poco después apareció el Super-K ( a base de cloruro potásico), con igual eficacia que el Purple-K. A finales de los 60 los británicos crearon un polvo seco a base de bicarbonato de urea-potasio (Monnex). 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. 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. Se aplican siempre en un polvo muy fino con un tamaño de partículas que oscila de 10 a 70 micras. El tamaño óptimo son de 25 a 30 micras Existen distintos tipos de polvos extintores: • Polvo BC (también llamado polvo normal o polvo ordinario) cuya composición es a base de bicarbonatos sódico o potásico y sulfatos. El método de extinción es evitar la propagación de la reacción en cadena, es decir, por inhibición, y también por sofocación que le proporciona el bicarbonato sódico al convertirse por la acción del fuego en anhídrido carbónico. No es efectivo en fuegos con brasas ya que no produce costra como el polvo ABC. Aditivos: Silicona o Estearatos Metálicos (fosfato tricálcico), para la fluidez. 112
• Polvo ABC (polvo polivalente o anti-brasa) cuyo componente básico es el fosfato amónico. El método de extinción es evitar la propagación de la reacción en cadena, es decir, el amoniaco reduce los iones OH negativos, actuando por inhibición, y también por sofocación al cubrir el combustible, mediante el residuo pegajoso que deja la sal amónica al descomponerse. Libera amoniaco y ácido metafosfórico. Aditivos para la fluidez: Resinas termoplasticas. Ambos polvos tanto BC como ABC No son tóxicos, pero en grandes concentraciones perjudica gravemente la visibilidad, causando problemas al respirar y contaminando equipos delicados, es ligeramente corrosivo debido a sus componentes, por lo que se recomienda su limpieza después de su uso, no es conductor de la electricidad, por lo que puede utilizarse en presencia eléctrica (max. 1000v). Como propiedades extintoras también se puede citar el enfriamiento por la absorción de energía calórica prácticamente despreciable y el efecto de apantallamiento de la radiación térmica al proyectar una nube de polvo sobre el fuego incluso superior al producido por el agua pulverizada. • Clase D (o 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 circonio, 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. Algunos de estos son: Met-Lx. Compuesto por cloruro sódico mas aditivos como fosfato tricálcico y estearatos metálicos que mejoran la fluidez y la hidrofugación, también un material plástico que permite aglutinar las partículas de cloruro sódico en el incendio. No es combustible, ni abrasivo, ni conductor. Se almacena en recipientes sellados y en extintores (de 12 kg portátiles de cartucho de co₂ y móviles de 50, 100 y 150 kg de carga) que gracias a sus características no es necesario renovar periódicamente la carga de los extintores. Es apto para piezas solidas gracias a su capacidad de adherirse a las paredes del combustible caliente. Hay extintores para incendios de magnesio y sodio en derrames o en profundidad y para fuegos de potasio, calcio y sodio-potasio. Pueden ser empleados en los casos en que el circonio, uranio, titanio y aluminio en polvo presentan riesgos graves. Métodos de extinción: sofocación y en segundo lugar enfriamiento. Métodos de aplicación: extintor, a mano o con pala y sistemas fijos de extinción. 113
Na-X. Compuesto por bicarbonato sódico con aditivos que mejoran la fluidez y la higroscopicidad y que le hacen formar una costra por encima del sodio incendiado. Especial para fuegos de sodio metálico. No es combustible, ni abrasivo, ni conductor. Se almacena en recipientes sellados de 25 kg y en extintores (de 12 kg portátiles y móviles de 50 y 100 kg de carga) que gracias a sus características no es necesario renovar periódicamente la carga de los extintores. Métodos de extinción: sofocación y en segundo lugar enfriamiento. Métodos de aplicación: extintores o con pala. G1 y Metal Guard. Compuesto por coque de fundición, grafitado y cribado al que se le añade fosfato orgánico. Se encuentra disgregado en granos de diferente tamaño para mejorar su rendimiento. El grafito actúa como termo-conductor quedando compactado sobre el fuego y el material
orgánico se descompone con el calor generando un gas que penetra entre las partículas de grafito impidiendo la entrada de aire. No es combustible, ni toxico. Sus formas de almacenamiento son en cajas, cubos, montones y cartuchos puesto que no se apelmaza. Su aplicación sera a mano o con pala formando una capa de al menos 1 a 1,5 cm. según la disgregación del combustible a mayores trozos mayor capa. Eficaz con fuegos de magnesio, sodio, potasio, titanio, litio, calcio, circonio, uranio y plutonio, y recomendable para fuegos de aluminio, zinc y hierro pulverizado. Métodos de extinción: sofocación y en segundo lugar enfriamiento. Cloruro Eutecnico Ternario o TEC. Sus componentes son cloruro sódico, potásico y bórico. El cloruro bórico es toxico. Recomendado para fuegos de sodio, potasio y aleaciones de sodio-potasio. Almacenamiento en sacos o bolsas. Aplicación a mano. Métodos de extinción por 114
sofocación.
Lith-X. Compuesto por polvo de grafito mas aditivos que mejoran su fluidez. Puede usarse mediante extintores. Se aprovecha de las cualidades termo-conductoras del grafito, no forma costra por lo que hay que cubrir en combustible para su extinción. Eficaz para fuegos de litio, y en menor proporción para fuegos de astillas de magnesio, circonio y sodio. Pyromet. Compuesto por Cloruro Sódico. Su aplicación puede ser mediante extintores. Eficaz en fuegos de sodio, calcio, circonio, titanio, magnesio, aluminio. Otros agentes extintores recomendados para metales: Arena seca: es utilizada para el control y extinción de fuegos de metales es muy importante que la arena este muy seca de lo contrario puede desencadenar una explosión. Polvo de talco: recomendado para fuegos de magnesio, principalmente para su control. Limaduras de hierro: fuegos de virutas de magnesio, enfriando contribuyen a la extinción. Polvo de cobre: para fuegos de litio. Cenizas de sosa: empleado para fuegos de metales.
115
* ** *** C
Aceptable Adecuado Muy adecuado Sólo para control de fuego
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. Es mas eficaz el polvo convencional. • Clase C: Es adecuado el empleo de extintores de polvo. Es mas eficaz el polvo convencional. • Clase D: únicamente es recomendable el empleo de agentes extintores especiales. Pueden utilizarse para fuegos en presencia de tensión eléctrica si el fabricante certifica que ha superado el ensayo dieléctrico normalizado en la Norma UNE 23110. 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 respiratorias. Modos de aplicación: Puede emplearse en extintores portátiles, móviles, automáticos, en los que se utiliza el Nitrógeno como agente impulsor (en ocasiones se emplea CO₂), como en sistemas fijos y como ya hemos descrito con los polvos especiales para metales.
LÍQUIDOS 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, esto no quiere decir que sea adecuado para todo tipo de fuegos puesto que su utilización puede ser peligrosa y contraproducente para algún tipo de fuego, como es el caso de los metales reductores, fuegos en presencia de corriente eléctrica, cuando exista peligro de derrame o cuando el agua al ser aplicada pueda causar daños mayores como en fuegos de componentes electrónicos, museos, etc...
116
Propiedades Físicas: • • • • • • • •
Densidad a 3,98 ºC: 1000 Densidad a 10 ºC: 999 Densidad a 100 ºC: 958 La densidad del agua de mar es un 4% mayor que la dulce. Tensión superficial a 18ªC: 73 din/cm Tensión Superficial a 100ºC: 52 din/cm Viscosidad: 1 Poise = 1 gr/cm x s Conductividad eléctrica: 4,2 x 10⁻⁶ mOHM
Propiedades Extintoras: • • • • • • • • •
Calor especifico: 1 cal/gr Calor especifico vapor: 0,45 cal/gr Calor especifico del agua en estado solido: 0,5 cal/gr por ºC que aumente. Calor Latente de Fusion: 80 cal/gr Calor Latente de Vaporización: 537 cal/gr (para resolver problemas se utiliza 540 cal/gr) Alcance en Chorro compacto: 26 metros Alcance en pulverización a 7 kg/cm : 7,5 metros No usar en líquidos con T de inflamación menor a 40ºC. Un litro de agua se convierte en 1.700 l. de vapor a 100º C a 1 atm. A 260º C su volumen aumenta hasta 2.400 l. de vapor, y a 650º C aumenta hasta 3.600 l. de vapor aprox. • Su eficacia aumenta 7,3 veces más de forma pulverizada que chorro compacto.
Capacidades de refrigeración del agua: Como medio extintor, el agua tiene una capacidad de enfriamiento teórica de 2,6 MW por litro y por segundo, aunque en la aplicación práctica de un ataque directo, esta capacidad es más probable que sea de alrededor de 0,84 MW por litro y por segundo. Poniendo tales cifras en perspectiva, el bombero es capaz de apreciar el verdadero potencial de extinción de las líneas de agua en cualquier situación específica. Como ejemplo tenemos que el rango de desprendimiento de calor (RDC) estimado para una silla cubierta de espuma está normalmente entre 4 y 500 Kw., mientras que un pequeño aparador desprenderá unos 1.8 MW. Sin embargo, fuegos más grandes tales como aquellos que envuelven modernos puestos de trabajo en oficinas, compuestos por mobiliario, material de escritorio y terminales de ordenador, pueden presentar un gran desafío y RDCs de 1.7 MW en cinco minutos (two-partition) y 6.7 MW en nueve minutos (three partition), han sido registrados desde estos artículos. Un sofá de tres plazas desprenderá unos 3.5 MW y una litera de pino alcanzará los 4.5 MW. • Teóricamente un único gramo de agua líquida puede extinguir un volumen de 50 litros de llama, reduciendo su temperatura por debajo de un valor crítico. Esto equivale a un rango de aplicación de 0,02 litros por metro cúbico. • Las fórmulas europeas han sugerido que caudales tan bajos como por 15 litros minuto por cada 28 m³ de fuego son suficientes. 117
Métodos de extinción del 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 necesaria. Pero además, su evaporación a causa del calor desplaza al oxígeno y, por tanto, impide su combinación con el combustible, por lo que también actúa mediante sofocación, ya que de alguna manera elimina el oxidante.
El agua extingue por el método de dilución en los incendios de líquidos miscibles con el agua o por emulsión en los no miscibles. 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. 118
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 se pueden clasificar en: • Humectantes: se trata de sustancias que disminuyen la tensión superficial 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. Dosificación de 0,1 a 0,5% • 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. Dosificación de 10 a 20% (0,1 a 0,2 kg/l): celulosa de metilo, bentonita, sepiolita. • Anticongelantes: simplemente son sustancias que se emplean para disminuir la temperatura de congelación, lo cual es útil en condiciones de clima extremo. Cloruro sódico, glicerina y glicoles. Congelación: -40ºC • Inhibidores de la corrosión: se adicionan con el fin de compensar los efectos negativos que produce la adición al agua de otros aditivos. • Modificadores de 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 polímeros lineales como el polioxietileno, que rebajan la turbulencia, incrementando así el caudal de suministro y la presión en el punto de descarga. • Lechada de Agua: Borato cálcico y sódico • Chorro cargado: Agua y sal alcalina (carbonato potásico). Para líquidos inflamables. Punto de congelación: -40ºC 119
Apto para fuegos: Como ya se ha indicado no se trata de un agente extintor universal y en algunos casos su utilización es contraproducente: • Fuegos clase 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: 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 y no polares por emulsión. No obstante, puede emplearse de forma eficaz para la refrigeración del exterior de los recipientes. • Fuegos de clase C: Es recomendable el empleo de agua pulverizada en el caso de combustibles gaseosos, y también para la refrigeración de los recipientes. • Fuegos de clase D: No debe utilizarse el agua en ningún caso. • En presencia de corriente eléctrica: No debe emplearse, al tratarse de un buen conductor de la electricidad. Aplicaciones: 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 μm 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. ESPUMA La Espuma Química fue utilizada durante algunos años en algunos 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 ha 120
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 → HCO2 ˉ + H3O2 HCO2 - + H2O → CO₃²ˉ + H3O2 • En 1877 Patente Jonhson “compuesto que por sus características espumosas flotaba en el petróleo y permitía extinguir los incendios y prevenir su reignición”. Este tipo de espuma química estuvo en auge hasta la década de los 30. • 1951: Aparecen las espumas de base PROTEINICA, finaliza la época de las espumas químicas y se inicia la de las espumas mecánicas. • Años 60: Se crean las espumas SINTÉTICAS y las AFFF. • Posteriormente las AFFF/ATC o AR (Alcohol Resistant o Anti-Alcohol) • Aparecen las espumas FFFP. (Fluoroproteínicas) • Actualmente espumas sin PFC (compuestos perfluorocarbonados) Actualmente la espuma química ya esta completamente en desuso, dejando paso a la espuma física. La espuma física se puede definir como las burbujas de aire u otro gas, 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 y UNE 23600:1990). CARACTERISTICAS DE LAS ESPUMAS El Coeficiente de Expansión de una espuma es la relación entre el volumen final de la espuma y el volumen inicial de espumante que la produce. Este coeficiente depende directamente del espumógeno y del equipo utilizado para la generación de espuma. Coeficiente de expansión (%) = volumen de espuma / volumen de espumante. En función de su coeficiente de expansión las espumas se clasifican en espumas de baja expansión, media expansión y alta expansión³. Las aplicaciones son diferentes en función del tipo de expansión. 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. 121
Tasa de rendimiento: es la relación numérica entre el volumen final de la espuma obtenida y el volumen inicial de espumógeno. Tasa de rendimiento = volumen espuma / volumen espumógeno. Tasa de aplicación: caudal de solución espumante, aplicada por unidad de superficie a extinguir y unidad de tiempo (l/min. Por m²). Para cada espumógeno y con cada combustible existe una tasa de aplicación mínima en la cual se igualan las velocidades de aplicación y de destrucción de la espuma. • Para fuegos de Hidrocarburos y derrames en general, se requiere un caudal de: 5 a 7 l/min. Por m² • Para fuegos de Alcoholes, se requiere un caudal de: 7 a 9 l/min. Por m² 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. Porcentaje nominal de la mezcla de espumógeno en agua viene determinada por el fabricante según la expansión deseada y uso: • Espumas de baja expansión: 6%. • Espumas de media expansión: 3%. • Espumas de alta expansión: 1%. Las espumas antialcohol suelen indicar mayores porcentajes para incendios de combustibles polares que para incendios de hidrocarburos. En la actualidad hay espumógenos que van al 3 o al 6% tanto para baja, media o alta expansión denominadas multiexpansión y también pueden ser antialcohol. CLASIFICACIÓN DE LOS ESPUMÓGENOS Espumogenos Proteínicos (P). Se utilizaron por primera vez en 1937 en Alemania e Inglaterra para sofocar fuegos causados por el petróleo y sus derivados en depósitos de poca profundidad. Están formulados a base de proteínas naturales hidrolizadas (como la de soja), estas le confieren elasticidad, resistencia mecánica y capacidad de retención de agua. 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 122
oscuro y un olor fétido. Las espumas que se producen con este tipo de espumógenos son densas, viscosas, de alta estabilidad y gran resistencia al calor. Espumogenos Fluoro-proteínicos(FP). También son de origen proteínico, se obtienen empleando tensoactivos fluorados. Se emplearon por primera vez en 1965 en Inglaterra. Respecto a los anteriores mejora la fluidez y su resistencia a las altas temperaturas. Con ello se mejoran sus condiciones, al hacerse más resistentes las burbujas a la contaminación del líquido. Se suele emplear en las mismas proporciones que las anteriores. Suelen ser compatibles con los polvos extintores. Se emplea en fuegos de depósitos profundos de hidrocarburos y derivados del petróleo. Espumógenos sintéticos (S): están basados en mezclas de agentes tensoactivos hidrocarbonados, pudiendo contener agentes tensoactivos fluorados y estabilizantes adicionales. Producen espumas cuyas características son la baja viscosidad y de diseminación rápida sobre superficies liquidas. Su capacidad extintora depende del volumen de la capa de espuma, debido a su alta tensión superficial no forman película sobre la superficie del combustible. Este tipo de espumas se deben aplicar con rapidez, con respecto a otras espumas, debido a su inestabilidad ya que pierden rápidamente su contenido de agua. Se usa en concentraciones del 1 al 6%. especialmente para fuegos de la clase A.
Espumógenos resistentes a los alcoholes (AR): pueden ser adecuados para uso con combustibles de hidrocarburos, y adicionalmente son resistentes a la destrucción cuando se aplican sobre la superficie de combustibles miscibles con agua. Algunos espumógenos resistentes al alcohol pueden precipitar una membrana polimérica sobre la superficie del alcohol. Los AFFF se usan tanto para hidrocarburos como para líquidos polares. Tiene la característica de crear una capa de gel flotante sobre los combustibles hidromiscibles. Espumógenos formadores de película acuosa (AFFF): están generalmente basados en mezclas de agentes tensoactivos fluorados e hidrocarbonados y tienen la capacidad de formar una película acuosa sobre la superficie de algunos hidrocarburos. Se usa en concentraciones del 3 al 6%, tanto en agua dulce como salada. Tiene la característica de no adherirse al hidrocarburo y formar una capa gelatinosa capaz de flotar que se esparce sobre la superficie del mismo. Actúa en la extinción de dos maneras: • Sofocando, formando una película acuosa que impide el contacto entre el combustible y el aire. 123
• Enfriando, gracias a su contenido de agua reduciendo la emisión de vapores. Estos espumógenos son efectivos en fuegos de la clase A y B gracias a su baja tensión superficial. Espumógenos fluoroproteínicos formadores de película (FFFP): son espumógenos fluoroproteínicos que tiene la capacidad de formar una película acuosa sobre algunos hidrocarburos. Mantienen su resistencia al calor durante un tiempo prolongado.
MÉTODOS DE EXTINCIÓN DE LA ESPUMA La espuma actúa mediante sofocación, aislando el combustible del comburente, inanición impidiendo que los vapores combustibles volátiles sean liberados al sellar la superficie del líquido, 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. (UNE 23603:1983 y UNE 23600:1990) • Sofocación La espuma impide el contacto del Oxígeno del aire con la superficie de evaporación del líquido inflamado.
• Inanición: Impidiendo que los vapores inflamables sean liberados al sellar la superficie del líquido.
• Refrigeración: El agua contenida en la espuma absorbe calor del combustible y de las paredes del recipiente.
124
APLICACIONES DE LAS ESPUMAS Las espumas de extinción en general son ampliamente utilizadas para controlar y extinguir fuegos de la Clase B e impedir el reencendido. Estas espumas también son usadas para evitar el encendido de líquidos inflamables y, en ciertas condiciones, para apagar fuegos de Clase A. sobre todo las de media y alta expansión como indicamos a continuación: Las espumas de baja expansión son recomendables para la extinción de fuegos de tipo B, aunque también pueden ser 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 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. • Baja expansión o Extinción de incendios de líquidos. o Confinados, incendios de vehículos. 125
o Actuación preventiva en incendios de tráfico. o Sellado preventivo de derrames sin incendio. • Media expansión. o Sellado preventivo de derrames sin incendio. • Alta expansión. o Inundación de volúmenes cerrados. NORMA UNE-EN 1568 Especificación para espumógenos de baja expansión, media expansión y alta expansión para aplicación sobre la superficie en líquidos no miscibles con agua. Agentes extintores espumógenos. Según (UNE-EN 1568-3) Noviembre 2001. • Las espumas pueden ser utilizadas en combinación con otros agentes extintores, particularmente productos gaseosos y polvos. • No se deberían mezclar espumógenos de diferentes tipos y diferentes fabricantes. • El caudal de la lanza, o generador, debe de ser igual, o en todo caso, mayor que el del dosificador. • Debería tenerse en cuenta que algunas combinaciones de polvo extintor y espuma pueden conducir a una pérdida inaceptable de eficiencia, causada por una interacción desfavorable de los agentes elegidos cuando se aplican simultánea o sucesivamente al fuego. • Es extremadamente importante que el espumógeno, después de la dilución en agua a la concentración recomendada, no presente en su uso normal un riesgo significativo de toxicidad para la vida en relación con el medio ambiente. • En los ensayos para la determinación del espumógeno se utilizarán hidrocarburos alifáticos. Términos y definiciones: -
Atendiendo a la forma de aplicación se pueden distinguir los siguientes tipos: • Aplicación suave: Aplicación indirectamente sobre la superficie del combustible desde una pantalla. • Aplicación violenta: Aplicación directamente sobre la superficie del combustible. • Aplicación subsuperficial (sistemas de contrapresión): método de descarga de espuma en el tanque de combustible por debajo de la superficie del líquido. 126
-
Coeficiente de expansión: Valor que indica la capacidad de un líquido para esparcirse espontáneamente sobre la superficie de otro. • Espuma de alta expansión: Espuma que tiene una expansión superior a 200. Normalmente se emplea para fuegos clase A para inundar locales o lugares poco accesibles. Se recomienda que el volumen aplicado de espuma sea un 25% superior al del local. • Espuma de media expansión: Espuma que tiene una expansión mayor que 20 e inferior a 200. Usualmente se emplea en fuegos clase A y B. • Espuma de baja expansión: Espuma que tiene una expansión inferior a 20. Usualmente se emplea en fuegos de la clase B y en fuegos con presencia de hidrocarburos y alcoholes.
- Según UNE 23.603 (también vigente) agentes extintores de incendio: ·baja expansión: c.e. De 3 a 30. ·media expansión: c.e. De 30 a 250. ·alta expansión: c.e. De 250 a 1000.
-
Espuma: Agregado de burbujas llenas de aire u otro gas, formado a partir de una solución espumante usado para la lucha contra incendios.
-
Espumógeno: Líquido agente emulsor que es diluido con agua para formar la solución espumante.
-
Espumante: mezcla de agua y espumógeno que se obtiene introduciendo este de forma continua en el flujo de agua o mediante su mezcla en un tanque de almacenamiento.
-
Espumógeno newtoniano: espumógeno en el que hay una relación lineal entre el grado de cizalladura y el esfuerzo de cizalladura. Su viscosidad permanece constante (a cada temperatura) aunque aumente el grado de cizalladura.
-
Espumógeno pseudoplástico: los espumógenos de comportamiento no newtoniano muestran una viscosidad diferente al variar el grado de cizalladura. Se denominan pseudoplásticos aquéllos cuya viscosidad disminuye al aumentar el grado de cizalladura (la agitación o la velocidad de flujo).
-
Expansión: Relación entre el volumen de espuma y el volumen de la solución espumante a partir de la cual se formó.
-
Sedimento: Partículas insolubles presentes en el espumógeno. 127
-
Solución espumante: Disolución del espumógeno en agua.
-
Tiempo de drenaje del 25%/50%: Tiempo en que la espuma generada drena el 25%/50% de la solución espumante original.
-
Fluidez: Buena capacidad de cubrir de forma rápida una superficie.
-
Cohesión: Capacidad de formar una capa hermética a los vapores.
-
Drenaje lento: Capacidad de retener el agua.
-
Resistencia al calor: Resistencia a ser descompuesta por el calor.
- No contaminación: Tolerancia a la mezcla con el combustible sin perder calidad. ph del espumógeno. No deberá ser menor que 6,0 ni mayor que 9,5 a (20±1) ºC. Tensión superficial de la solución espumante. No deberá ser menor que 0,95 veces ni mayor que 1,05 veces la tensión superficial de la solución espumante preparada usando el espumógeno muestreado. Etiquetado de los envases. La siguiente información debe ser marcada en el envase o en el embalaje, entre otras: • • • • • • • •
“espumógeno de baja expansión para la lucha contra incendios” EN 1568-3:2000. “formador de película”, si lo es. la concentración de uso recomendada (normalmente 1%, 3% o 6%). la temperatura máxima recomendada de almacenamiento y la mínima de empleo. “No adecuado para uso con agua de mar” o “Adecuado para uso con agua de mar”. si requiere un equipo especial de dosificación si es newtoniano. “Espumógeno pseudoplástico”, si el espumógeno es pseudoplástico.
Especificación para espumógenos de baja expansión para aplicación sobre la superficie en líquidos miscibles con agua. UNE-EN 1568-4, Noviembre 2001. Son prácticamente las mismas especificaciones que en los no miscibles excepto que en los ensayos se utilizara acetona.
128
GASES
Compuesto o producto gaseoso que correctamente aplicado sobre un fuego directa o indirectamente (local cerrado) produce su extinción. ANHÍDRIDO CARBÓNICO (CO₂ ). 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. Método de extinción: El método de extinción es principalmente por sofocación ya que como hemos indicado desplaza al oxígeno. En menor medida también actúa por enfriamiento. Apto para fuegos de la clase: • Fuegos de clase A: Es aceptable y puede considerarse adecuado en fuegos poco profundos (profundidad inferior a 6 mm). Necesita ocupar entre un 20 y 25% del volumen, para reducir el O₂ a un 4% • Fuegos de clase B: Es aceptable. Necesita ocupar + de 30% del volumen (30 a 38%), para reducir el O₂ a un 14% • 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. 129
• 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.
Modos de aplicación: 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 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. Propiedades Físicas: • • • • • • • •
Temperatura Critica: 31ºC. Expansion: 1 litro de liquido = 450 litros de gas a 20ºc. Punto Triple: -57 ºC a 5,2 atm. Se presuriza a 58-62 kg/cm2. Reacciona con hidruros metálicos y elementos que contengan O₂. Calor especifico del CO₂ GAS : 0,2 cal/gr. Calor Latente de Fusion NIEVE CARBONICA a GAS: 45,3 cal/gr. Calor Latente de Vaporización LIQUIDO a GAS: 66,34 cal/gr.
HALONES. (halogenated hidrocarbón = Hidrocarburos Halogenados). Se denominan como halones a los hidrocarburos líquidos o gaseosos, total o parcialmente sustituidos. Composición: los halones utilizados como agentes extintores proceden de la sustitución de alguno de sus átomos de hidrógeno por halogenos (flúor, cloro, bromo, yodo). Los hidrocarburos que mas se suelen usar son el metano (CH₄) y el etano (C₂H₆). Se designan con la palabra halón seguido de un código de 5 cifras: • El primer nº indica átomos de carbono. • El segundo nº indica átomos de flúor. • El tercer nº indica átomos de cloro. 130
• El cuarto nº indica átomos de bromo. • El quinto nº indica átomos de yodo.
Propiedades generales: • • • • • •
Es un liquido incoloro y no inflamable. Es un buen agente dieléctrico, no conduce la electricidad. Tiene una elevada volatilidad. No dejan residuos del producto después de la extinción. Son 5 veces mas pesados que el aire. No son eficaces para fuegos de combustibles que contienen su propio agente oxidante como nitrocelulosica, peróxidos orgánicos, y sustancias químicas que pueden desarrollar reacciones de descomposición autotérmicas (hidracina).
Propiedades de los componentes: • Flúor: Confiere estabilidad al compuesto, reduce la toxicidad, reduce el punto de ebullición y aumenta la estabilidad térmica. • Cloro: Confiere eficacia en la extinción de incendios, aumenta el punto de ebullición, aumenta la toxicidad y reduce la estabilidad térmica. • Bromo: Igual que el cloro, pero en mayor grado.
Mecanismos de extinción: • Inhibición: rotura de la reacción en cadena, es el mecanismo principal de extinción, se necesitan concentraciones de halón en aire inferiores al 30% en volumen para extinguir fuegos superficiales de la mayoría de los combustibles sólidos, en el caso de fuegos de gases o líquidos inflamables la concentración puede ser incluso inferior al 5%. • Sofocación: por disminución de la concentración de oxigeno presente. 131
• Enfriamiento: produce absorción de energía calorífica. Limitaciones: • No son eficaces en materiales combustibles que contengan su propio oxidante, como clorato sódico o nitrato de celulosa. • Reacciona con metales. • Poco útiles en fuegos en el exterior. • A temperaturas superiores a los 480º C. se produce su descomposición en compuestos químicos, estos son tóxicos y corrosivos como fluoruro de hidrógeno y bromuro de hidrógeno. • Tienen precios elevados. Como consecuencia de su influencia en el deterioro del medioambiente, el empleo de halones está actualmente prohibido. El Reglamento (CE) 2037/2000 indica que los sistemas de protección contra incendios y los extintores de incendios que contengan halones deberán haber sido retirados del servicio, como muy tarde, el 31 de diciembre de 2003. No obstante, el anexo VII de dicho reglamento y su posterior modificación el 7 de marzo de 2003, indica aquellos casos críticos en los que se permite el empleo del H-1211 (Bromoclorodifluorometano) y H-1301 (Bromotrifluorometano). Usos críticos de los halones: Usos del halón 1301 (Bromotrifluorometano). • En aviones, para proteger las cabinas de la tripulación, las góndolas de motor, las bodegas de carga, las bodegas de carga seca y la inertización de los depósitos de combustible; • En los vehículos militares terrestres y en los buques de guerra, para la protección de las zonas ocupadas por el personal y los compartimentos de motores; • Para hacer inertes las zonas ocupadas en las que puede haber fugas de líquidos y/o gases inflamables en el sector militar, el del petróleo, el del gas, el petroquímico y en buques de carga existentes; • Para hacer inertes puestos tripulados de control y de comunicación de las fuerzas armadas o de otro modo esenciales para la seguridad nacional existentes; • Para hacer inertes las zonas en las que pueda haber riesgo de dispersión de material radiactivo, y En el túnel del Canal y en sus instalaciones y material circulante. 132
Usos del halón 1211 (Bromoclorodifluorometano). • en los vehículos militares terrestres y en los buques de guerra, para la protección de las zonas ocupadas por el personal y los compartimentos de motores; • en extintores portátiles y en aparatos extintores fijos para motores a bordo de aviones; • en aviones, para proteger las cabinas de la tripulación, las góndolas de motor, las bodegas de carga y las bodegas de carga seca; • en extintores básicos para la seguridad del personal, para la extinción inicial realizada por el cuerpo de bomberos, • en extintores militares y de fuerzas de policía para su uso sobre personas. La Unión Europea autoriza la exportación de halones a granel para usos críticos hasta diciembre de 2009, siempre que se haya obtenido a partir de halones recuperados, reciclados o regenerados originados en instalaciones de almacenamiento autorizadas o explotadas por la autoridad pertinente. Algunas Propiedades físicas de interés: • Son 2,5 veces mas eficaces que el CO₂. • • • • • • • • • • • • •
halón 1211 Punto de Ebullición: -4ºC. En Extintores y sistemas de aplicación local. Para la Extinción requiere ocupar un 5%. Para inertizar requiere ocupar un 7%, que es la concentración que puede ser respirada por el hombre periodos de tiempo. Es incoloro y de olor dulce. Grado máximo de llenado 1,61 kg/l. Limite de exposición del 4 al 5%.
máxima por cortos
halón 1301 Punto de Ebullición: -58ºC. Es mas utilizado en sistemas de inundación total. Es incoloro e inodoro, al entrar en contacto con el fuego y descomponerse desprende un olor picante característico. El nitrógeno es soluble en el halón 1301, utilizado en instalaciones de inundación total en áreas ocupadas. Grado máximo de llenado 1,12 kg/l. Limite de exposición del 10 al 15%. 133
SUSTITUTOS Y ALTERNATIVAS PARA LOS HALONES DE EXTINCIÓN En este campo, de permanente investigación, se persigue el objetivo de disponer de un conjunto de sustitutos químicos, mezclas de gases inertes o técnicas alternativas de los halones que eviten dañar o inutilizar los equipos, tengan iguales propiedades de extinción y sean inocuos para las personas si se tiene que usar en áreas ocupadas, pero también que no sean dañinos para el medioambiente. En la actualidad, y en líneas generales, podemos agrupar los diferentes sustitutos de los halones en: Agentes extintores gaseosos sustitutivos de los halones. También se denominan agentes limpios porque no dejan rastro después de utilizarlos y no son conductores de la electricidad. Podemos distinguir dos clases, los agentes inertes y los agentes halogenados. Los agentes inertes: Suelen ser mezcla de gases constitutivos del aire tales como nitrógeno, argón y/o dióxido de carbono. Lo que se pretende conseguir con esta clase de gases, al utilizarlos como agentes extintores, es disminuir la concentración del oxígeno del aire del lugar donde se ha producido el fuego a una proporción inferior al 12%, con objeto de extinguir el mismo por sofocación. Constituyen una alternativa importante y son productos que no afectan el medio. Están formados por gases o mezclas de gases que no intervienen en la reacción de combustión y que se descargan en un tiempo mayor que los halones, desplazando el O₂ si bien a niveles respirables, no suficientes para sostener la combustión. La EPA y la NFPA han puesto como límite que en áreas ocupadas la concentración de diseño debe asegurar que la concentración de oxígeno sea al menos de un 10%. El NOAEL de los gases inertes es del 43%. Además son no conductores de la electricidad. Su efecto invernadero es nulo y su poder destructor de ozono es cero. IG-01 Es argón, gas inerte que se encuentra de forma natural en la atmósfera. Es químicamente neutro, no conductor, no causa daño a los productos más delicados, incoloro, inodoro e insípido. El argón no es corrosivo y puede ser utilizado a temperaturas normales con materiales tales como níquel, acero, acero inoxidable, cobre, latón, bronce y plásticos elastómeros. Los sistemas de extinción con argón se basan en el principio de reducción de oxígeno en el incendio, inertización. Cada sistema se diseña para reducir el oxígeno hasta un nivel específico, para lo cual la concentración de diseño debe ser alrededor del 40%. La mayoría de los incendios necesitan una concentración de oxígeno de 14-16% para mantener la combustión. El argón reduce esta concentración hasta el 12% lo cual es suficiente para extinguir la mayoría de los incendios, no obstante algunos requieren concentraciones más altas. Aunque el método de extinción de los sistemas argón sea el mismo que el de los sistemas de CO₂, el argón es seguro para su uso en áreas ocupadas. Durante la descarga se mantiene una buena visibilidad y la mayoría de los incendios con este agente se extinguen en menos de 45 segundos. Este agente es aplicable para proteger salas de ordenadores, archivos de cintas informáticas, 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. Está especialmente indicado para grandes volúmenes. 134
IG-55 Es una mezcla equitativa de nitrógeno y argón. No deja residuo, es no conductor, no corrosivo, no tóxico y no produce productos de combustión secundarios. Cuando se inicia un fuego se inyecta rápidamente reduciendo la concentración de oxígeno del 21 % normal a un nivel entre 11% y 13%, para lo que se emplea una concentración extintora del 36%. Algunas aplicaciones son: salas de control y de informática, archivos, armarios eléctricos y alrededor de equipos de telecomunicaciones. IG-541 Está compuesto por un 52% de nitrógeno, un 40% de argón y un 8% de CO₂. Este agente apaga el fuego desplazando el oxígeno en el aire. Algunas de sus aplicaciones son: riesgos eléctricos o electrónicos, salas de mezcla de líquidos inflamables, bibliotecas, archivos y museos, etc. Los agentes halogenados: Este tipo de gases al entrar en contacto con el fuego se descomponen en radicales e iones, los cuales reaccionan con los procedentes del combustible. Esas reacciones químicas son endotérmicas, de forma que evitan que se produzca la reacción en cadena. Por consiguiente, extinguen el fuego por inhibición. Estos productos extintores son compuestos químicos orgánicos que en su composición contienen átomos de CI, F o I, solos o en combinación. Su denominación es la siguiente: - Sistemas NAF: hidroclorofluorocarbonos (HCFC) - Sistemas FE y FM: hidrofluorocarbonos (HFC) - Sistemas CEA: perfluorocarbonos (FC) HFC-227ea Sustituto del Halón 1301. Una vez descargado, el HFC-227ea extingue rápidamente el fuego minimizando los daños, no daña los equipos más delicados y no deja residuos para su limpieza posterior y es seguro para las personas. Se utiliza una concentración extintora entre el 5 y 7,1%. El HFC-227ea actúa físicamente por absorción de calor. Valido a temperaturas entre 0 ºC y 50 ºC. Extingue el fuego sin reducir la cantidad de oxígeno, no resulta tóxico en las concentraciones específicas de utilización. Es idóneo para la protección de ambientes ocupados normalmente por personas. Su tiempo máximo de exposición segura es de 5 minutos a la concentración de 10,5%. El NOAEL es del 9%. 135
No es conductor de la electricidad. HFC-227ea posee un potencial de reducción del ozono (ODP) nulo, un potencial de efecto invernadero (GWP) extremadamente bajo y una vida atmosférica (ALT) muy limitada (31 años). Es apto tanto para fuegos de clase A y clase B. Tiene un límite de altura de 3,5 metros. Los balones para su almacenamiento requieren un espacio limitado. Algunas aplicaciones concretas son: centros de elaboración o archivo de datos, centros de telecomunicación, medios de transporte, estaciones de radio/radar, torres de control, etc. El HFC-125 Posee una concentración extintora de alrededor de un 10%. Gracias a sus características físicas puede utilizarse también en riesgos con temperaturas muy bajas. Siendo su punto de ebullición -48 ºC, el HFC125 se distribuye rápidamente también en ambientes fríos y con presencia de obstáculos. El producto puede emplearse en áreas normalmente ocupadas. El tiempo máximo de exposición permitido es de 5 minutos a la concentración de 11,5%. El NOAEL es del 7,5%. HFC-23 Concentración extintora entre el 12 y el 16%. Debido a su presión de vapor natural de 41 bar a 20 ºC, no requiere presurización con nitrógeno. Método de extinción mediante absorción de calor y en menor proporción, químicamente por eliminación de radicales libres de la zona del fuego. Tiempo de descarga no superior a 10 segundos. Seguro en áreas ocupadas. La mayoría de los sistemas de HFC-23 se diseñan con una concentración de 16%, siendo el NOAEL de este agente extintor del 30%. margen de seguridad muy amplio. No deja residuos. No es conductor de la electricidad. HFC-23 posee un potencial de reducción del ozono (ODP) nulo y un potencial de efecto invernadero (GWP) de 13. Es aplicable para la protección de salas de ordenadores, archivos y equipos eléctricos. Especialmente útil para áreas que requieren almacenamiento a temperaturas bajas (hasta -40°C) y locales con techos de hasta 7,5 m de altura o incluso más altos. HCFC-mezcla A . Compuesto por hidrocarburos halogenados (HCFC) y un aditivo detoxificante, en condiciones de reducir drásticamente la cantidad de productos de descomposición que se forman en presencia de 136
la llama. Es un gas incoloro, no es conductor de la electricidad y tiene una densidad unas 6 veces mayor que la del aire. Es un agente extintor «drop-in» (1). En las aplicaciones más comunes es necesaria una cantidad en peso de HCFCmezcla A mayor del 10% con respecto al Halón 1301. Con un punto de ebullición de - 38,3 ºC, se distribuye fácilmente en el local protegido, también a temperaturas bajas. Extingue incendios principalmente físicamente mediante la absorción de calor en el riesgo pero también actúa químicamente como el Halón 1301. Los fuegos de Clase B necesitan una concentración de 12% y los de Clase A un 10%. Se permiten su uso en áreas normalmente ocupadas. El NOAEL es 12%. El impacto medioambiental global es extremadamente bajo, pero el ODP no llega a ser cero, por lo que los HCFC están incluidos en el Reglamento 2037/2000 y está prohibido el suministro para nuevas instalaciones dentro de la CE, estando permitida su utilización de forma controlada y estando prevista su eliminación en el futuro. Apto para aplicaciones tales como salas de ordenadores, telecomunicaciones, etc. (1) El término anglosajón "drop-in" "se utiliza para referirse a que el empleo de este agente extintor no requiere cambios importantes en la instalación existente proyectada para usar con halón. FS 49 C2. Es una mezcla de gases basada principalmente en el HFC-134a. Es un agente extintor «drop-in» respecto al Halón 1301: se requiere hacer unos mínimos ajustes, ya que se requiere un 40% más de volumen de extinción. Las concentraciones de trabajo no representan peligro para los humanos. El NOAEL del HFC-134a es 4%. Es un agente limpio, que se descarga rápidamente por lo que limita los daños causados por el fuego y que no causa daños tras su descarga al contenido de los edificios. Posee un potencial de reducción del ozono (ODP) nulo, un potencial de efecto invernadero (GWP) de 1,598 y una vida atmosférica (ALT) de 32,6 años. Las aplicaciones del FS 49 C2 son la protección de salas de sistemas informáticos, salas de control o salas de máquinas, entre otras. HCFC-mezcla C Es un agente extintor «drop-in» respecto al Halón 1211. Es un agente limpio aplicable a extintores portátiles y en las aplicaciones locales. Está compuesto por una mezcla de hidrocarburos halogenados y un aditivo detoxificante que reduce la cantidad de productos de descomposición que se forman en presencia de la llama. No supone un riesgo para las personas por si mismo, aunque los productos de descomposición pueden suponer un riesgo. Por ello se incorpora un aditivo detoxificante que al estar expuesto a las altas temperaturas de las llamas reduce los humos 137
ácidos tóxicos e inertiza los compuestos halogenados más tóxicos. Posee un potencial de reducción del ozono (ODP) de 0,017, un potencial de efecto invernadero (GWP) de 0,068 y una vida atmosférica (ALT) muy limitada (3,3 años). Es efectivo para fuegos de clase A, B y C. Apto para: salas de sistemas informáticos, salas de control, laboratorios químicos y científicos, vehículos militares, compartimentos de carga y pasajeros en aviones, áreas de manipulación o almacenamiento de líquidos inflamables, protección de obras de arte, museos, etc. HCFC-mezcla E Puede ser empleado en los extintores portátiles y en las aplicaciones locales. Ha sido formulado específicamente optimizando sus características físicas y su eficacia para que fueran los más parecidas posible a las del Halón 1211. La eficacia de un extintor portátil de 6 kg ha sido evaluada por Loss Prevention Council en el Reino Unido y se han certificado las clases de fuego 7013 y 5A según el estándar EN3. Puede ser empleado para salas de computadoras, salas con equipos de telecomunicación y otras áreas donde es preciso tener un agente extintor que no deje residuos. Puede reemplazar eficazmente Halón 1211 y Halón 2402 en áreas donde hay equipos muy sensibles o no sustituibles que pueden ser dañados sin remedio por agua, espuma, polvos o dióxido de carbono. Los componentes del HCFC-mezcla E se evaluaron por el PAFT Chronic Toxicity Testing Programme que ha confirmado su baja toxicidad. -Técnicas alternativas. Aparte de las alternativas gaseosas para los halones, nuevos sistemas tales como las tecnologías de nebulización de agua y aerosoles en polvo se desarrollan como alternativas de los equipos de lucha contra incendio que contienen halones.
138
Aerosoles de polvo. AGENTE
FÓRMULA
HCFC-mezcla B
HCFC-123
NOMBRE
NOMBRES COMERCIALES Halotron I
+ 2 comp. HCFC-123
CHCI2CF3
Diclorotrifluoretano
FE-232
FC-5-1-14
C6F14
Perfluorhexano
CEA-614
HCFC-mezcla C
55% HCFC-123
NAF P-III
31% HFC-124
GASES HALOGENADOS
10% HFC-134a 4% D-limoneno HCFC-mezcla D
HCFC-123
Blitz III
+ 1 aditivo HCFC-mezcla E
90% HCFC-123
NAF P-IV
8% HFC-125
TÉCNICAS ALTERNATIVAS
2% D-limoneno HCFC-124
CHCIFCF3
Clorotetrafluoroetano
FE-241
FIC-1311
CF3I
Trifluoroiodometano
Triodide
HFC-227ea
CF3CHFCF3
Heptafluoropropano
FM-200, FE-227
HFC-236fa
CF3CH2CF3
Hexafluoropropano
FE-36
C6-fluorocetona
CF3CF2C(O)CF(CF3)2
Dodecafluoro-2metilpentan-3-ona
Novec 1230
H Galden HFPEs
Hidrofluoropoliéteres
Halocarbono en gel/suspensión química en seco Agua nebulizada
Envirogel
H2O
Surfactante mezcla A Dióxido de carbono
Hi-Fog, FireScope2000 Cold Fire
CO2
139
Éste ha sido un nuevo desarrollo realizado como consecuencia de la desaparición de los halones. Están constituidos por aerosoles y partículas extremadamente finas de polvos químicos y mezclas de halocarburos. Soluciones acuosas de polvo. Se trata de disoluciones acuosas de carbonatos y/o acetatos potásicos, especialmente desarrolladas para combatir fuegos de clase B, en equipos en los que la utilización del polvo pudiera ocasionar problemas de suciedad o contaminación en los mismos o zonas anexas como cocinas, freidoras, etc... La aplicación suele ser mediante sistemas fijos. Agua nebulizada. El agua nebulizada (watermist), es muy eficaz en instalaciones con equipos electrónicos. No perjudica el medioambiente, no conduce la electricidad y es inocuo para los equipos y para las personas. Este sistema se basa en la expulsión de agua atomizada (gotas de 60 a 200 micras) a mucha presión de manera que no se vaporizan por el calor del fuego. La extinción se produce por 3 acciones diferentes: 1. Enfriamiento. 2. Desplazamiento del oxígeno. 3. Atenuación de la transmisión del calor por radiación. Aplicaciones principales: conductos de cables, turbinas de gas, transformadores, garajes automáticos, bancos de prueba, etc... Tiene pocas limitaciones, una de ellas es la presencia de elementos que se combinen con el agua produciendo reacciones peligrosas (metales reactivos, haluros, sulfuros, etc.). En estos casos el sistema no es adecuado. A continuación se muestra una tabla resumen de todos los nuevos agentes extintores sustitutos de los halones:
ELEMENTOS DE ACCIÓN FÍSICA
Para terminar, haremos una mención a los elementos usados tradicionalmente en la extinción, cuyo único mecanismo de extinción es la sofocación. MANTAS Existen mantas especificas para este uso reguladas por la UNE-EN 1869:1997 140
El mecanismo de extinción es el de sofocación, creando una barrera física entre el combustible incendiado y el oxigeno del aire, para cumplir con este objetivo de manera eficiente debe cumplir con tres requisitos: tamaño, estabilidad al fuego y estanqueidad.
EXPLOSIVOS Suelen utilizarse en fuegos de líquidos y gases combustibles, como: Fuga de gases, cuando no es posible cortar el aporte de combustible que alimenta el incendio por razones medioambientales, económicas o por su magnitud. El mecanismo de extinción es una mezcla entre inertización y sofocación que produce la onda de choque de la explosión y los gases inertes que se generas en esta.
Para fuegos de clase A, existe la bomba extintora, antiguamente utilizada en incendios forestales, pero actualmente en desuso.
141
BATEFUEGOS Bien formados por ramas verdes, bien de goma, los batefuegos son muy útiles para el ataque directo. Para sacarles rendimiento es preciso que el personal esté habituado a utilizarlos, lo que debe conseguirse mediante ejercicios antes de la campaña de incendios. Con los batefuegos se dan golpes secos contra la base de las llamas, reteniendo momentáneamente el batefuego sobre el suelo para sofocarlo. El golpe debe dirigirse hacia la superficie quemada para que caigan en ella las pavesas que salten.
ARENA Este agente extintor ya fue nombrado como agente extintor de fuegos de clase D pero cabe decir que es muy utilizado en algunas partes en incendios forestales y derrames de líquidos inflamables para su extinción y contención. Su mecanismo de extinción es por sofocación. Se aplica mediante palas o palines. RESUMEN ADECUACION AGENTES EXTINTORES SEGÚN CLASE DE FUEGO Clases de fuego (UNE 23.010) Agente extintor
Agua pulverizada Agua a chorro Polvo ABC (convencional) Polvo ABC (polivalente) Polvo especifico metales Espuma física Anhídrido carbónico
A
B
C
(Sólidos)
(Líquidos)
(Gases)
(2)xxx (2)xx
x
xx
xxx
xx
xx
xx
D (Metales especiales)
xx (2)xx (1)x
xx x 142
Hidrocarburos halogenados
(1)x
xx
Para poder interpretar esta tabla necesitaremos las siguientes instrucciones: xxx - Muy adecuado xx - Adecuado x - Aceptable
(1) En fuegos poco profundos (profundidad inferior a 5 mm) puede asignarse xx. (2) En presencia de tensión eléctrica no son aceptables como agentes extintores el agua a chorro ni la espuma; el resto de los agentes extintores podrán utilizarse en aquellos extintores que superen el ensayo dieléctrico normalizado en UNE 23.110.
BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA: Bomberos del Ayuntamiento de Sevilla. Ed. Función Las Espumas en la Extincion de Incendios. J.R. Carme. Luesma Manual del Cuerpo de Bomberos de Navarra NTP 666: Sustitutos y alternativas para los halones de extinción NTP 99: Métodos de extinción y agentes extintores Sistemas de extinción de incendios mediante gases. Foro de Seguridad Oviedo 2009 UNE 23600: Agentes extintores de incendios. Clasificación UNE 23601: Polvos químicos extintores. Generalidades UNE 23603: Espuma física extintora. Generalidades UNE 23604: Ensayos de propiedades físicas de la espuma proteínica de baja expansión. UNE 23635: Agentes formadores de película acuosa. UNE-EN 1568, partes 1, 2, 3 y 4: Espumógenos. UNE-EN 25923: Dióxido de carbono UNE-EN 615: Especificaciones para polvos extintores (excepto polvos de clase D). VVAA. DIPLOMA EPU SERVICIOS DE PREVENCIÓN, EXTINCIÓN DE INCENDIOS Y SALVAMENTO. UNIVERSIDAD DE VALENCIA. 143
GASES IDEALES. EXPLOSIONES. EFECTOS DE UNA EXPLOSION. CLASIFICACION DE LAS EXPLOSIONES SEGÚN SU ORIGEN. EXPLOSIONES FISICAS Y QUIMICAS. CASOS ESPECIALES DE INCENDIOS. BLEVE. UVCE. BOILOVER .SLOPOVER. FROTHOVER. OTROS INCENDIOS ESPECIALES. POTENCIAL EXPLOSIVO Y CONTRAMEDIDAS. PRINCIPIOS DE PREVENCION Y PROTECCION CONTRA EXPLOSIONES
GASES IDEALES
Dado que una explosión es una liberación de energía que se da principalmente en materias en fase gaseosa (también en fase líquida nebulizada o sólida como polvos en suspensión) bajo ciertas circunstancias como la presión, el volumen, la temperatura, o la cantidad de combustible, vamos a estudiar primero los conceptos y leyes fundamentales que rigen el comportamiento de los gases en función de todos estos parámetros, a través de lo que se conoce como gases ideales o gases perfectos. Se denomina gas a un estado de agregación de la materia en el cual las fuerzas interatómicas o intermoleculares de una sustancia son tan pequeñas que no adopta ni forma ni volumen fijo, tendiendo a expandirse todo lo posible para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene. Los gases o perfectos son gases hipotéticos, los cuales se suponen compuestos por partículas que no interaccionan entre sí y que no ocupan ningún volumen. La aproximación de gas ideal se cumple satisfactoriamente en aquellos gases que se encuentran a baja presión y a una temperatura no demasiado baja. El estado de un gas queda determinado por 3 variables: Presión (P), Volumen (V) y Temperatura (T). Existen diversas leyes que relacionan la presión, el volumen y la temperatura de un gas, las cuales vamos a examinar a continuación.
LEY DE BOYLE-MARIOTTE
Para una cierta cantidad de gas a temperatura constante, su presión es inversamente proporcional al volumen que ocupa. La ecuación sería:
LEY DE CHARLES
A una presión dada, el volumen ocupado por una cierta cantidad de un gas es directamente proporcional a su temperatura. 144
La ecuación sería: ó
LEY DE GAY-LUSSAC
La presión de una cierta cantidad de gas, que se mantiene a volumen constante, es directamente proporcional a la temperatura:
Es por esto que para poder envasar gas, como gas licuado, primero se ha de enfriarse el volumen de gas deseado, hasta una temperatura característica de cada gas, a fin de poder someterlo a la presión requerida para licuarlo sin que se sobrecaliente, y, eventualmente, explote. 1.1. LEY DE LOS GASES IDEALES Las tres leyes mencionadas pueden combinarse matemáticamente en la llamada ley general de los gases. Su expresión matemática es:
• • • • •
P es la presión en atmósferas. V es el volumen en litros n es el número de moles del gas R es la constante universal de los gases: 0.082 atm·litros/(k·mol) T es la temperatura en grados Kelvin
De esta ley se deduce que un mol de gas ideal ocupa siempre un volumen igual a 22,4 litros a 0 °C y 1 atmósfera. Despejando de esta fórmula se pueden calcular la presión, volumen, número de moles, o temperatura que posee un gas en un momento determinado.
145
EXPLOSIONES DEFINICION
Una explosión es una liberación súbita de gas a alta presión en el ambiente. Súbita porque la liberación debe ser lo suficientemente rápida de forma que la energía contenida en el gas se disipe mediante una onda de choque. A alta presión porque significa que en el instante de la liberación de la presión del gas es superior a la de la atmósfera circundante. Una explosión puede resultar de una sobre presión de un contenedor o estructura por medios físicos (rotura de un globo), medios fisicoquímicos (explosión de una caldera) o una reacción química (combustión de una mezcla de gas).
EFECTOS DE UNA EXPLOSION
Toda explosión lleva asociada una serie de efectos: EFECTO DE LA ONDA DE PRESIÓN Es la responsable de la mayor parte de los daños producidos. Las ondas de presión tienen dos fases: • Fase de presión positiva: Debida a la expansión de los gases alejándose del punto de origen. • Fase de presión negativa: Tras la fase de presión positiva, se crea una depresión en el punto de origen, que al equilibrarse crea un flujo de gases contrario al expansivo inicial. Así mismo se pueden observar dos tipos de ondas en función de la velocidad de propagación: • Ondas de choque: De velocidad sónica o supersónica. • Presión de viento: De velocidad subsónica. EFECTO DE LA METRALLA Son los proyectiles lanzados de forma radial, por efecto de la expansión. Los más frecuentes suelen ser los trozos de los contenedores explosionados. Estos proyectiles, además del riesgo que presentan para las personas, pueden afectar a estructuras e infraestructuras, creando riesgos secundarios como incendios, derrumbamientos, etc. EFECTO TÉRMICO Muy importante en las explosiones por combustión. La cantidad de energía calorífica transmitida, sobre todo por radiación pueden crear, como en el efecto anterior, riesgos secundarios. 146
EFECTO SÍSMICO Sólo es apreciable y digno de observar en explosiones de muy alta potencia. La caída de estructuras importantes, incrementa este efecto.
CLASIFICACIÓN DE LAS EXPLOSIONES POR SU ORIGEN
La diferencia fundamental entre las explosiones causadas por un gas a alta presión se debe al origen de las mismas. A continuación mostramos un cuadro con la clasificación:
EXPLOSIONES FÍSICAS
En determinados casos el gas alta presión se genera por medios mecánicos o por fenómenos sin presencia de un cambio fundamental en la sustancia química. Es decir, alcanza presión mecánicamente, por aporte de calor a gases, líquidos o sólidos o bien el sobrecalentamiento de un líquido puede originar una explosión por medios mecánicos debido a la evaporación repentina del mismo. Ninguno de estos fenómenos significa cambio en la sustancia química de las sustancias involucradas. Todo el proceso de generación de alta presión, descarga y efectos de la explosión puede entenderse de acuerdo a las leyes fundamentales de la física. La mayor parte de las explosiones físicas involucran a un contenedor tal como calderas, cilindros de gas, compresores, etc. En el contenedor se genera alta presión por compresión mecánica de gas, calentamiento del contenido o introducción de otro gas a elevada presión desde otro contenedor. Cuando la presión alcanza el límite de resistencia de la parte más débil del contenedor se produce el fallo. Los daños generados dependen básicamente del modo de fallo. Si fallan pequeños elementos pero el contenedor permanece prácticamente intacto, la metralla proyectada resulta peligrosa como balas, pero la descarga de gas es direccional y controlada. En estas condiciones los daños causados se limitan a penetración de metrallas, quemaduras y otros efectos dañinos por gases calientes.
147
Cuando el fallo ocurre en las paredes del contenedor se producen proyecciones de metrallas de mayor tamaño provocando un violento empuje de la estructura del contenedor en la dirección opuesta a la descarga del gas. En este caso la liberación del gas es extremadamente rápida y genera una violenta onda de choque. En el caso de que el contendor almacene un líquido sobrecalentado (líquido a temperatura superior a su punto de ebullición o un gas licuado como amoníaco o dióxido de carbono) cuando el contenedor se rompa se producirá súbita evaporación del líquido. El volumen evaporado es suficiente como para enfriar el producto liberado hasta su punto de ebullición y aumentar los efectos de la presión. Este fenómeno se conoce como BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion), que desarrollaremos más adelante. Otro fenómeno es la evaporación de un líquido puesto en contacto con otra sustancia a una temperatura muy por encima del punto de ebullición del líquido. Este es el caso de la introducción de agua de tubos de calderas, cómo intercambiadores de calor o tanques de fluidos de transferencia de calor, a alta temperatura pueden provocar violentas explosiones.
EXPLOSIONES QUIMICAS
En otros casos la generación del gas a alta presión resulta de la reacción química de un producto donde la naturaleza del mismo difiere de la inicial (reactivo), La reacción química más común presente en las explosiones es la combustión, dónde un combustible (por ejemplo metano) se mezcla con el aire, se inflama y arde generando dióxido de carbono, vapor de agua y otros subproductos. Hay otras reacciones químicas que generan gases a alta presión. Las explosiones resultan de la descomposición de sustancias puras. Cualquier reacción química puede provocar una explosión si se emiten productos gaseosos, si se evaporizan sustancias ajenas por el calor liberado en la reacción o si se eleva la temperatura de gases presentes, por la energía liberada. La reacción química más conocida que produce gases a alta presión por medio de otros gases o vapores, en la combustión de gases en el aire. Sin embargo, otros gases oxidantes cómo el oxígeno, cloro, flúor, etc., pueden ser sustituidos por algo, produciendo con frecuencia procesos de combustión muchos más intensos. Los polvos y nebulizadores (líquidos en estado pulverizado) pueden generar, al quemarse en el aire o en otro medio gaseoso reactivo, gases a elevada presión. La combustión puede producirse con cualquier partícula, pero en la práctica de mayores riesgos se encuentran en las de 840 micras o menos. A medida que disminuye el tamaño más fácil se produce la dispersión y más estable y duradera resulta. Las partículas más finamente definida implica mayor riesgo al facilitar la formación de dispersiones, mantenerlas durante más tiempo y quemarse más rápidamente las partículas de mayor tamaño. Las reacciones químicas pueden clasificarse en uniformes que son transformaciones químicas que involucran toda la masa reactiva y reacciones de propagación, en la que existe un frente de reacción, claramente definido que separa el material sin reacción de los productos de la reacción, avanzando a través de toda la masa reactiva. 148
REACCIONES UNIFORMES En este tipo de reacciones la velocidad sólo depende de la temperatura y la concentración de los agentes de la reacción manteniéndose constante en toda la masa reactiva. A medida que aumenta la temperatura de la masa, la reacción se acelera alcanzando el punto de calentamiento en el que el calor generado supera al disipado por al ambiente. Puesto que se genera calor en toda la masa reactiva, pero disipa más lentamente desde el centro que desde la superficie exterior, el centro se calienta más y aumenta su velocidad de reacción. Las explosiones químicas por reacciones uniformes se pueden dar en dos tipos: • Explosiones térmicas • Explosiones de materias en proceso
Explosiones térmicas Son explosiones por reacciones uniformes que generalmente se aceleran hasta un desarrollo a alta temperatura, normalmente, por un incremento de la presión y de la temperatura del sistema. Un tipo muy corriente de este tipo de explosiones, lo constituye las de nitrato amónico, por ser este un compuesto de gran implantación, de uso como fertilizante. Existen unos riesgos secundarios a los efectos de la explosión, como pueden ser incendios y/o como en este caso, liberación de productos muy tóxicos y corrosivos. Explosiones de materias en proceso Son explosiones debidas a una serie de fenómenos, que ocurren sobre todo en procesos industriales, entre los que destaca las reacciones de desdosificación. Algunos gases como: acetileno, etileno, óxido de etileno, butadieno, óxido nitroso, etc. ,pueden propagar una llama de descomposición generándose gases a alta presión. Cuando la presión es suficiente, se puede producir la rotura del confinamiento, con el consiguiente efecto explosivo.
REACCIONES DE PROPAGACION Una mezcla de hidrógeno y oxígeno se puede almacenar a temperatura ambiente durante extensos períodos de tiempo sin indicios de reacciones químicas. No obstante, la mayoría de estas mezclas reaccionan violentamente si se aplica una fuente de ignición. La reacción comienza en dicha fuente y se propaga por la mezcla. Pueden diferenciarse tres zonas distintas: • La zona de reacción • La zona de producto (detrás de la llama) • La zona sin reacción (frente a la llama) 149
Una reacción de propagación siempre es exotérmica. La reacción se inicia con una zona relativamente pequeña de alta temperatura, generada por un encendedor externo o por acumulación de calor en el núcleo de un sistema de reacción uniforme. Para que la reacción se propague, el núcleo, activado por el inflamador, debe elevar suficientemente la temperatura del material circundante de forma que entre en reacción. Cuanto más elevada sea la temperatura inicial del sistema, más fácilmente se inflama y más probable resulta la reacción de propagación, puesto que se requiere menos transmisión de energía para que entre en reacción el material circundante. Puesto que una reacción de propagación se inicia en un punto específico y se propaga a través de la masa reactiva, la velocidad de disipación depende de la propagación del frente de reacción. Las velocidades de propagación varían desde cero a varias veces la velocidad del sonido, dependiendo de la composición, temperatura, presión, grado de confinamiento y otros factores. Combustiones de propagación Son combustiones que se desarrollan en una mezcla reactiva combustible-comburente ya formada. En función de la velocidad de propagación se clasifican en: • Explosiones por combustiones deflagrantes • Explosiones por combustiones detonantes
Explosiones por combustiones deflagrantes Son combustiones de propagación de velocidad subsónica; es decir, que la velocidad de propagación es inferior a la del sonido en el medio en que se desarrolla. La presión que se establece se encuentra entre 1 y 10 veces la presión inicial. Hay que tener en cuenta que la velocidad del sonido está en función de la densidad del medio por el que progresa: 343 m/s en el aire, 1.470 m/s en el agua. El mecanismo de propagación es la transmisión térmica. Las explosiones por combustiones de propagación de tipo deflagrante, se clasifican en función del combustible en: • Explosiones por deflagración de gases y vapores: El incremento que sufre el volumen de la masa reactiva tras la reacción, no suele superar las 8 a 10 veces. La velocidad de propagación para los combustibles de tipo orgánico más comunes no suele superar los 0,5 m/s, pero si se acumulan los productos por confinamiento, se puede establecer un desarrollo a alta temperatura, con una autoaceleración de la deflagración para convertirse en detonación en algún caso. La mezcla tiene que estar dentro del Rango de Inflamabilidad. La concentración óptima se encuentra situada a una concentración del combustible, ligeramente superior a la estequiométrica. 150
• Explosiones por deflagración de polvos: Los polvos no suelen detonar. Los factores que influyen en este tipo de explosiones son: o Tamaño de las partículas: Cuanto menor es la granulometría, mayor es la superficie expuesta al medio por unidad de masa. o Impurezas:
Humedad: influye en la energía de activación. Polvos inertes: aumenta el límite inferior de explosividad. Gases inertes: tienen un efecto de bajado la concentración del oxígeno. El CO, puede elaborar mezclas explosivas con algunos polvos metálicos.
o Concentración de oxígeno: Al bajar la concentración aumenta la cantidad de energía de activación, necesaria para la ignición. o Concentración de polvo: El rango de explosividad se establece entre el límite inferior y superior de explosividad. Para definir el límite inferior de explosividad hay que considerar, además de los factores anteriores (Tamaño, impurezas, etc...), la potencia de la fuente de ignición (en general su energía de activación ha de ser unas 100 veces superior que para gases). Las condiciones similares a la estequiometria, es decir óptimas, se alcanzan en la mayoría de los casos con concentraciones de entre 5 y 10 veces el límite inferior de explosividad. El límite superior de explosividad no está bien definido. Los riesgos secundarios en este tipo de explosiones son muy notables, así, se suelen producir explosiones en cadena al levantar el polvo acumulado en superficies horizontales. • Explosiones por deflagración de polvo y gas: El comportamiento de la mezcla suele ser imprevisible. Consecuencias de la mezcla: o Puede reducir el límite inferior de explosividad del polvo. o Puede reducir la energía mínima de ignición del polvo. Explosiones por combustiones detonantes La velocidad de combustión es sónica o supersónica, superior a la velocidad del sonido en el medio, por lo que al llevar una onda de choque asociada, las presiones que se generan son muy superiores que las de las combustiones deflagrantes. Una deflagración se puede acelerar hasta detonación si incrementamos la presión y la temperatura. Clasificación de la explosiones por detonación en función del combustible: • Detonación de gases y vapores: Este tipo de combustiones, tiene un rango específico de concentraciones, llamado rango de detonabilidad, el cual está delimitado por los límites inferior y superior de detonabilidad, que si bien suelen coincidir con los de inflamabilidad, a veces es sensiblemente más estrecho (el rango de inflamabilidad del hidrógeno está entre 151
el 4% y el 75 %, mientras que el de detonabilidad se encuentra entre el 18% y 59%). La presión generada suele ser el doble que para las combustiones deflagrantes. • Detonación de polvos y líquidos nebulizados: Son posibles en ciertas condiciones de alto grado de confinamiento para grandes masas y volúmenes. • Detonaciones de explosivos en fase condensada. Suelen tener lugar a partir de una reacción de descomposición. Reacciones de descomposición de compuestos endotérmicos Son compuestos endotérmicos aquellos a los que hay que suministrarles energía para su formación. De esta forma, la energía de formación se almacena en el compuesto, quedando latente hasta que por un oportuno suceso se desencadene la liberación energética, que si se realiza de forma brusca, puede tener características explosivas. Reacciones de propagación generadas a partir de reacciones uniformes Este tipo de explosiones se producen cuando una reacción uniforme ni se consume ni culmina en una explosión térmica. A través de la masa reactiva, se puede desarrollar una reacción de propagación, cuya velocidad puede ser subsónica, sónica o supersónica finalizando en una explosión.
CASOS ESPECIALES DE INCENDIOS BLEVE
152
INTRODUCCIÓN Una BLEVE es un tipo de explosión mecánica cuyo nombre procede de sus iniciales en inglés Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion cuya traducción sería "Expansión explosiva del vapor de un líquido en ebullición". La BLEVE es un caso especial de estallido catastrófico de un recipiente a presión en el que ocurre un escape súbito a la atmósfera de una gran masa de líquido o gas licuado a presión sobrecalentados. Para que se produzca una explosión BLEVE no es necesaria la existencia de reacciones químicas ni fenómenos de combustión. Podría producirse incluso en calentadores de agua y calderas de vapor. En principio podría originarse en cualquier líquido almacenado en un .recipiente hermético, aunque hay explosiones que pueden confundirse con una BLEVE sin serio. Las BLEVES son exclusivas de los líquidos o gases licuados en determinadas condiciones. Normalmente las BLEVE se originan por un incendio externo que incide sobre la superficie de un recipiente a presión, especialmente por encima del nivel líquido, debilitando su resistencia y acabando en una rotura repentina del mismo, dando lugar a un escape súbito del contenido, que cambia masivamente al estado de vapor, el cual si es inflamable da lugar a la conocida bola de fuego (fireball). Esta última se forma por deflagración (combustión rápida) de la masa de vapor liberada. Debido a que esta circunstancia es el escenario normal, al hablar de explosiones BLEVE's y sus consecuencias, se incluye en sentido amplio a la bola de fuego, aunque debe quedar claro que ésta última sólo ocurre cuando el producto es inflamable. La característica fundamental de una BLEVE es la expansión explosiva de toda la masa de líquido evaporada súbitamente, aumentando su volumen más de 200 veces. La gran energía desarrollada en esa explosión repentina proyecta fragmentos rotos de distintos tamaños del recipiente a considerables distancias. Precisamente ésta es una prueba de confirmación de una BLEVE. Los fragmentos proyectados pueden arrastrar tras de sí a cierta masa de líquido en forma de partículas de finísima lluvia, con posibilidad de inflamación a considerables distancias. Tras producirse el estallido del recipiente, la gran masa evaporada asciende en el exterior, arrastrando finísimas partículas de líquido y entrando en combustión en caso de incendio en forma de hongo, con la gran bola de fuego superior tras un instante y al haberse producido la difusión en el aire por debajo del límite superior de inflamabilidad. Dicha bola de fuego se irá expandiendo a medida que va ardiendo la totalidad de masa de vapor liberada. CONDICIONES PARA QUE SE PRODUZCA UNA EXPLOSIÓN BLEVE Para que se origine una explosión BLEVE tienen que concurrir las condiciones siguientes que son interdependientes entre sí: • Producto en estado líquido sobrecalentado • Bajada súbita de la presión (isoentrópica) en el interior del recipiente
153
Producto en estado líquido sobrecalentado Se entiende como tal cuando su temperatura es superior a la que lo correspondería si se hallara en equilibrio con su presión de vapor. Esta situación de inestabilidad se presenta bajo una exposición del recipiente a un incendio o en recipientes sobrellenados. No toda temperatura de sobrecalentamiento permite la formación de BLEVES. Debe superarse una temperatura límite. En caso de fisura de un depósito, incluso pequeña, y producirse un descenso de la presión para igualarse a la atmosférica, el gas licuado estará ineludiblemente en condiciones de sobrecalentamiento que podría fácilmente llegar a ser muy peligroso. Bajada súbita de la presión (isoentrópica) en el interior del recipiente Tal descenso de presión puede ser debido a causas tales como: desprendimiento del disco de ruptura, pérdida de resistencia del recipiente en un incendio con la consiguiente rotura del mismo, perforación del recipiente por impacto, rotura por sobrellenado e incluso disparo de válvulas de seguridad mal diseñadas. Cuanto mayor sea la caída de presión, mayores serán también los efectos de la BLEVE caso de producirse. El tamaño de la abertura inicial del depósito es determinante en la celeridad de la bajada de presión y en la zona afectada por la nucleación. En determinadas condiciones de presión y temperatura un líquido sobrecalentado que se ha expuesto a un descenso súbito de presión puede evaporarse de forma extremadamente violenta al cambiar de estado masivamente por un proceso de formación espontánea y generalizada de burbujas de vapor (nucleación). La mayoría de estudios de investigación realizados sobre este proceso de nucleación espontánea coinciden en que la evaporación con formación de minúsculas burbujas no afectan a la totalidad de la masa, aunque la cantidad evaporada instantáneamente es de tal magnitud que arrastra al líquido restante en forma de finísimas gotículas que se van vaporizando posteriormente. Si esta nucleación espontánea es homogénea por afectar a todo el conjunto, la explosión es mucho más violenta que en el caso de ser heterogénea, al concentrarse en zonas en contacto con la pared interior del recipiente. Igualmente es necesario evitar las nucleaciones heterogéneas, ya que también son peligrosas por sí mismas y pueden contribuir a acelerar la homogeneización de la nucleación. La nucleación heterogénea se puede producir en condiciones de sobrecalentamiento focalizado sin alcanzar la temperatura límite. CONSECUENCIAS DE UNA BLEVE Aunque en sentido estricto la BLEVE es la explosión mecánica del recipiente, dado que normalmente va asociada originariamente a incendios sobre recipientes que contienen líquidos inflamables, nos limitaremos en este último apartado a los tres tipos de consecuencias que suceden en este último caso: • Radiación térmica • Sobrepresiones por la onda expansiva • Proyección de fragmentos metálicos
154
El efecto más nocivo de una BLEVE es el derivado de la radiación térmica. La altísima radiación térmica de la bola de fuego formada, provocará la muerte de todo ser vivo que quede encerrado en la misma y la posibilidad de propagación de incendios y BLEVE's a instalaciones y recipientes próximos generando un efecto dominó. Evidentemente la gravedad de los daños a personas y bienes estará en función de la distancia a la susodicha bola de fuego. La sobrepresión es causada por la vaporización de gran parte del líquido. La vaporización instantánea inicial, no es total, cuantificándose en hasta un 50% para los gases licuados a presión, un 25% en los criogénicos y el resto en un 10%. La proyección de fragmentos metálicos de diferentes tamaños del recipiente explosionado podrá alcanzar distancias considerables, incluso de hasta 1000 m. Si bien los daños graves a personas por lesiones pulmonares y/o rotura de tímpano no suelen ocurrir a más de 100 m de la superficie exterior de la bola de fuego, los daños estructurales considerables podrían alcanzar en casos extremos hasta 500 m desde el centro de la explosión. La característica fundamental de una BLEVE es la expansión explosiva de toda la masa de líquido evaporada súbitamente, aumentando su volumen más de 200 veces. La gran energía desarrollada en esa explosión repentina proyecta fragmentos rotos de distintos tamaños del recipiente a considerables distancias. Precisamente ésta es una prueba de confirmación de una BLEVE. Los fragmentos proyectados pueden arrastrar tras de sí a cierta masa de líquido en forma de gotitas de finísima lluvia, con posibilidad de inflamación a considerables distancias. Tras producirse el estallido del recipiente, la gran masa evaporada asciende en el exterior, arrastrando finísimas partículas de líquido y entrando en combustión -en caso de incendio- en forma de hongo, con la gran bola de fuego superior tras un instante y al haberse producido la difusión en el aire por debajo del límite superior de inflamabilidad. Dicha bola de fuego se irá expandiendo a medida que va ardiendo la totalidad de masa de vapor liberada. La radiación térmica de esta bola de fuego es muy alta. En el caso de tratarse de un gas licuado como el propano este apenas necesita ser calentado ya que su temperatura de ebullición está muy por debajo de la temperatura ambiente. Debido a esto, el fallo del continente puede provocar una BLEVE en condiciones normales. Podríamos decir que el propano se encuentra permanentemente sobrecalentado aunque no sea muy correcta la expresión. Un recipiente a presión puede producir una BLEVE en solo minutos si el fuego es lo suficientemente severo. En estos casos los pequeños tanques pueden fallar en menos de cinco minutos. Los más grandes llevaran más tiempo. Pueden fallar en menos de 10 minutos o mucho más tarde que eso si el contacto con el fuego comienza bajo el nivel de líquido y la acción de la válvula baja los niveles de líquido lentamente. INTERVENCION ANTE UNA BLEVE He aquí algunas recomendaciones para la intervención en depósitos donde se puedan dar las 155
condiciones de una BLEVE: • Combatir el incendio desde la máxima distancia posible, usar monitores o soportes de mangueras automáticos. • Enfriar los recipientes inundándolos con grandes cantidades de agua hasta mucho después de que se haya extinguido el incendio. • No arrojar agua a la fuente del escape o a los dispositivos de seguridad debido a que puede presentarse la formación de hielo. • La incidencia de las llamas en la parte superior del tanque (fase gaseosa) es más peligrosa que en la parte inferior (fase líquida). El depósito se debilita mucho más rápido cuando las llamas inciden sobre la parte del depósito que contiene la fase gaseosa. • Abandonar el área de inmediato si se escucha un ruido ascendente que surge de los dispositivos de seguridad de ventilación. La evacuación puede ser prioritaria. • Tener presente que cuando ocurre un incendio de tipo BLEVE, pueden volar secciones del tanque en cualquier dirección. Evitar solamente los extremos del tanque no debe considerarse como un procedimiento operativo seguro.
Una estimación aproximada del tamaño de la bola de fuego en el caso de BLEVE de GLP ’s o propano podemos obtenerla mediante la fórmula:
156
donde R= Radio de la bola de fuego y m= masa de producto en kg.
EXPLOSIONES DE NUBES DE VAPOR NO CONFINADAS (UVCE)
Las Explosiones de Nubes de Vapor No Confinadas, traducción de la expresión inglesa Unconfined Vapour Cloud Explosion (UVCE), se pueden definir como: Deflagración explosiva de una nube de gas inflamable que se halla en un espacio amplío, cuya onda de presión alcanza una sobrepresión máxima del orden de 1 bar en la zona de ignición. Las explosiones no confinadas ocurren al aire libre y generalmente son originadas por un escape rápido de un fluido inflamable junto a una dispersión moderada para formar una nube inflamable muy grande de aire e hidrocarburo. Las explosiones confinadas son las que ocurren con alguna barrera de contención. Ejemplos de este tipo son las que suceden en recipientes o tuberías. También se incluyen las explosiones dentro de edificios. Las explosiones al aire libre que encuentran diversos obstáculos como pueden ser equipos de proceso, paredes de edificios, etc., pueden alcanzar cierto grado de confinamiento y turbulencia originando sobrepresiones superiores a las de explosiones no confinadas. En general las explosiones de nubes de vapor no confinadas son deflagraciones y en contadas ocasiones se han transformado en detonaciones. Esto ha sido ocasionado por las causas anteriores que provocan cierto confinamiento y a las que también se puede añadir las fuentes de ignición potentes. La diferencia entre deflagración y detonación está en que en la primera la velocidad de propagación del frente de llama es inferior a la del sonido y en la segunda es superior, tal y como ya hemos estudiado anteriormente. En el caso en el que no se alcanzase una deflagración, se tendría un incendio rápido en forma de llamarada que se podría definir como un incendio con llama progresiva de difusión o premezclada con baja velocidad de llama sin producir onda de presión. Su efecto más importante sería la radiación térmica. Este tipo de incendio se ve favorecido por un escape permanente de un fluido inflamable junto a una reducida dispersión del mismo.
157
REBOSAMIENTOS DE LIQUIDOS COMBUSTIBLES BOILOVER
En los incendios en tanques o depósitos abiertos, con aceites minerales con puntos de ebullición dispares y productos pesados en sus capas inferiores, entre los que se encuentra agua emulsionada o decantada, puede darse un fenómeno de rebosamiento por ebullición, cuya secuencia puede ser la siguiente: • Las capas superficiales de fracciones más ligeras se van destilando por combustión. • Esto genera una onda de calor convectiva en la superficie a una temperatura aproximada de 150°C que calienta las capas superiores de las fracciones más pesadas y hace que desciendan a las capas inferiores. • Esta onda de calor al entrar en contacto con el agua decantada que se encuentra en el fondo del tanque, produce una súbita transformación a vapor de dicha agua, provocando la expansión del vapor (recordemos que 1 litro de agua se expande a 1600 litros de vapor a 100ºC) y por ende el rebosamiento del contenido del tanque de forma brusca. La columna de eyección generada puede alcanzar hasta los 30 metros.
158
SLOPOVER Este fenómeno tiene la misma mecánica de producción que el Boilover con la diferencia de que el contacto de las fracciones de hidrocarburo sobrecalentadas, se produce con emulsiones de agua a poca profundidad en lugar de con el agua destilada en el fondo, provocando derrames superficiales de mucha menor entidad.
159
También puede ocurrir cuando se aplica agua a chorro sobre aceites viscosos con temperatura superior a la de ebullición del agua y se introduce bajo la superficie caliente del líquido, la evaporación súbita del agua origina este rebosamiento superficial. Este rebosamiento superficial ocurre a pequeña escala en cualquier hogar de una forma más o menos habitual. Es el que se produce cuando en las cocinas cuando estamos utilizando aceite caliente para freír y cae agua y se hunde en el aceite. Al alcanzar 100°C se produce su ebullición, aumentando 1700 veces su volumen, produciendo que el aceite salte al exterior. FROTHOVER Significa el espumar constante y lento sobre el borde de un tanque sin la acción violenta y repentina que ocurre en el Boilover. Algunos incendios en tanques de petróleo crudo suceden de esta manera.
OTROS INCENDIOS ESPECIALES DARDOS DE FUEGO
Escape por un orificio, fisura, grieta u oquedad de un gas inflamable formando un penacho o llama en forma de dardo, con efectos más o menos destructivos. INCENDIOS DE LÍQUIDOS EN CHARCO Un líquido inflamable entra en combustión al aire libre. Dependiendo de si el líquido se encuentra en un depósito abierto, es de un derrame contenido en un cubeto o vertido abierto y expendiéndose, los riesgos varían. El riesgo dependerá del diámetro del charco, velocidad de combustión, altura de las llamas, etc. 160
BOLA DE FUEGO Ante la rotura de un contenedor o recipiente a presión se produce la salida masiva de gas (combustible) y ante un foco de calor, su ignición inmediata. La nube de gas no ha tenido tiempo de mezclarse con el aire (comburente), desarrollándose una combustión de aportación en la que el combustible y el comburente se van incorporando por difusión al frente de llama. INCENDIOS DE METALES En los incendios de metales, la principal característica estriba en la diferencia tan grande que existe entre la energía da los productos y la de los reactivos. Tal diferencia nos muestra las cantidades ingentes de energía que son capaces de verter al medio. Moléculas tan estables como la del agua se pueden disociar por la rotura de sus enlaces, aportando a la combustión el hidrógeno como combustible y el oxígeno como comburente. INCENDIOS DE PIROFÓRICOS Son sustancias pirofóricas aquellas que en contacto con el aire a temperatura ambiente combustionan de forma espontánea. Fósforo, silanos y diboranos son sustancias pirofóricas. INCENDIOS EN ATMÓSFERAS RICAS EN OXÍGENO La riqueza de oxígeno, su mayor proporción, en un medio donde exista un combustible, aumenta el riesgo de incendio y la mayoría de los parámetros analizados: Rango de inflamabilidad o explosividad, velocidad de combustión, facilidad de ignición, etc. Al mismo tiempo, supone la necesidad de incrementar las medidas de seguridad aplicables al desarrollo de las intervenciones. EXPLOSIONES ELÉCTRICAS Los arcos eléctricos de alta energía, pueden generar una liberación brusca de gases por varios mecanismos: • Calentamiento de los gases presentes: Expansión del aire al calentarse, según el proceso y datos antes ya explicados. • Volatización de los conductores. • Evaporación de los líquidos presentes: En transformadores y otros. El riesgo de efectos secundarios es muy importante. EXPLOSIONES NUCLEARES Las explosiones nucleares se clasifican por el origen de la reacción que las provoca en: 161
• Explosiones por fisión: Su origen se encuentra en la energía liberada por la rotura de núcleos atómicos. La cantidad de masa-energía de los productos es inferior a la de los elementos iniciales. • Explosiones por fusión: Al contrario que las anteriores la energía se libera por la formación de un núcleo atómico más pesado a partir de otros más livianos.
POTENCIAL EXPLOSIVO Y CONTRAMEDIDAS DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL EXPLOSIVO
Para determinar el potencial explosivo se requiere conocer la naturaleza fundamental de las sustancias procesadas, manipuladas, utilizadas o transportadas, así como las características de la instalación específica en la que las sustancias se encuentran. También debe considerarse el medio ambiente circundante. Por lo anteriormente expuesto se deben considerar las propiedades de los materiales, del sistema y del medio ambiente:
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Se deben tener cuenta dos conceptos fundamentales: la severidad, es decir el tipo y potencia de la reacción; en otras palabras ¿qué daños puede causarse?, y la sensibilidad, el modo de iniciación es decir ¿qué puede provocarla? Severidad Es muy importante determinar las presiones y temperaturas máximas, velocidades de aumento de presión y temperaturas, calor de reacción y las condiciones en las que dichas reacciones pueden producirse. Es recomendable conocer las propiedades del material en condiciones extremas. La severidad resulta ser difícil de determinar. Sensibilidad Los mecanismos de iniciación de una explosión suponen una absorción de energía por los materiales. Si se elige una forma específica de energía de activación, puede determinarse la mínima cantidad necesaria para producir una reacción. Sin embargo, dicha cantidad varía ampliamente según el tipo elegido. Las relaciones entre los diferentes tipos de energía absorbida son complicadas, ya que cualquier fuente aporta energía en formas muy variadas, y sólo aquellas que puedan ser absorbidas por enlaces moleculares resultan eficaces para iniciar reacciones químicas. En la práctica aquellas aportaciones de energía que generan elevadas temperaturas localizadas, son las más propicias para iniciar una reacción química. Las más comunes son las 162
llamas, descargas eléctricas, superficies calientes, compresión mecánica y compresión por onda de choque.
PROPIEDADES DEL SISTEMA El sistema es el equipo operativo en el que se encuentran los materiales. Todo sistema tiene elementos activos u operativos y elementos pasivos o inoperativos. Elementos activos Son los que contienen partes móviles como bombas, sopladores, trituradores, válvulas, agitadores, etc. Constituyen los medios a través de los cuales la energía externa se transmite a los materiales en condiciones normales de funcionamiento. Por ejemplo un soplador o ventilador normalmente suministra energía para mover una gas; esta energía se suministra de forma regular y discreta mediante el giro de paletas. Si una paleta se deforma, la energía se concentra en forma de partículas fundidas de la propia pala o la carcasa que constituyen una eficacísima fuente de ignición. Se debe evaluar el fallo de un elemento activo para asegurar que el sistema se diseñe de modo que tales fallos no conduzcan a una explosión o que incorpore elementos apropiados de control de los efectos explosivos y protección del personal y medio circundante.
Elementos pasivos Los elementos pasivos de un sistema no aportan energía a los materiales. En lugar de ello, confinan materiales y la energía que liberan. También pueden crear condiciones en las que la energía puede concentrarse y/ o transformarse con riesgo de ignición. Como por ejemplo la generación de cargas electroestáticas en materiales que fluyen. Los elementos pasivos deben poseer la adecuada resistencia, forma y propiedades químicas para contener el material en las condiciones de absorción que prevalecerán durante situaciones de funcionamiento normal y anormal.
PROPIEDADES DEL MEDIO AMBIENTE El término se refiere al entorno inmediato al sistema que puede actuar con los materiales del mismo. El medio ambiente puede aportar energía al sistema mediante descargas eléctricas, soldadura, fuego, explosión, impacto de máquinas, etc.
CONTRAMEDIDAS
Mediante una evaluación adecuada del potencial explosivo, puede determinarse el carácter y severidad de dichas anomalías y las reacciones resultantes y, por tanto, adoptar contramedidas en el sistema operativo. Se entiende por contramedidas la adopción de acciones o instalación de 163
elementos que contrarresten la reacción, más que medidas preventivas. Las contramedidas utilizadas son: contención, enfriamiento, amortiguación, amortiguación, ventilación y aislamiento.
CONTENCIÓN En muchos casos es factible diseñar el sistema para que soporte la máxima presión que podría generarse por la reacción explosiva prevista. Las principales ventajas de la contención es su carácter pasivo (no constituye ninguna función operativa) y su limpieza (no permite la dispersión de materiales), y la principal desventaja se debe a que exige una gran exactitud en la estimación de la amplitud de la onda de choque, ya que la energía liberada en la misma está íntimamente relacionada con la presión de rotura. La contención es más fácil de practicar en el caso de combustión de fases gaseosas, donde las presiones máximas son de 2 a 20 veces a la inicial. Es extremadamente difícil de practicar en el caso reacciones térmicas incontroladas y de descomposición, dado que el volumen de los reactivos y las presiones máximas alcanzadas hacen casi imposible la práctica de estas contenciones desde el punto de vista económico e ingenieril. Para el caso de estas reacciones el sistema de contención se limita a sistemas de pequeño volumen en procesos pilotos, estos sistemas también son utilizados para los casos de deflagración en fases condensadas.
ENFRIAMIENTO Consiste en la eliminación de calor o inhibición química en condiciones potencial o realmente explosivas. Esta eliminación puede realizarse por medios externos. La inhibición consiste en agregar productos al sistema químico para atenuar la reacción por dilución o eliminación de compuestos químicos activos. El medio más común para la eliminación de calor es el parallamas, utilizado para impedir la propagación de combustiones de vapor y aire, disipándose el calor de frente de llama, enfriando la zona de reacción y bajando la velocidad de reacción. Las combustiones de polvos y gases también pueden combatirse por dilución con anhídrido carbónico, agua, vapor de agua, pulverizaciones, polvos secos, etc. para generar una absorción de calor que atenúe o extinga el frente de llama.
AMORTIGUACIÓN Consiste en la eliminación de la propia mezcla reactiva. La amortiguación no detiene la reacción, solo transfiere el problema a una ubicación supuestamente más favorable para poder aplicar otro 164
tratamiento. Por ejemplo, lo más común es que las fases condensadas se amortigüen en un contenedor lleno de atenuador frío, dicho contenedor debe ser capaz de soportar condiciones potencialmente explosivas en el caso de que el proceso de enfriamiento no se desarrolle adecuadamente.
VENTILACIÓN Se refiere específicamente a la liberación de un gas de un contenedor de contención en una forma controlada. La ventilación resulta útil con combustiones de gas, polvos, nebulizaciones, reacciones uniformes o de propagación en fases condensadas y en la mayoría de los casos que conducen a explosiones físicas. Los requerimientos básicos para un sistema de ventilación son que éste alcance su pleno funcionamiento en forma rápida y que sea capaz de liberar el gas a la máxima velocidad de generación del mismo por las condiciones potencialmente explosivas.
AISLAMIENTO Consiste en la separación de un elemento del entorno que puede resultar negativamente afectado por una explosión. Esta separación puede lograrse alejando el elemento potencialmente peligroso o agregando estructuras resistentes diseñadas para deflectar, atenuar o contener las ondas de choque y los productos expulsados. El aislamiento por alejamiento resulta práctico para los casos en donde se realizan trabajos peligrosos (ej. Fábrica de explosivos). El aislamiento mediante estructuras resistentes al choque requiere de un diseño más sofisticado y costoso; en este caso es necesario determinar la magnitud de la explosión, la forma de la onda de choque, la metralla y los productos producidos. Este sistema debe diseñarse para soportar el choque o impulso de la explosión, la presión estática generada por el gas liberado, la penetración de la metralla y cualquier efecto secundario generado por el material expulsado.
PRINCIPIOS DE PREVENCIÓN Y PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIONES
Como hemos visto en anteriormente para que una explosión se produzca se deben dar varias situaciones: • La concentración de combustible debe estar ente los límites superior e inferior de inflamabilidad. 165
• Debe haber oxidantes a una concentración que supere un mínimo de seguridad. • Los reactivos deben mezclarse íntimamente. • Debe haber una fuente de ignición. Las medidas de prevención y protección que se explican a continuación consisten en la disminución, supresión o control de las situaciones mencionadas anteriormente. CONTROL DE LAS FUENTES DE IGNICION Las deflagraciones y las posibles explosiones resultantes serían imposibles si se pudieran eliminar complementariamente las fuentes de ignición de los espacios donde se desarrollan los procesos. Los procedimientos utilizados para diseñar, utilizar y mantener los sistemas de procesos deben tener siempre en cuenta la prevención de las fuentes de ignición. Dentro de los métodos más comunes encontramos: o o o o o
Llama abierta y permiso para trabajos peligrosos. Control de los equipos eléctricos. Control de ignición por descargas eléctricas. Chispas generadas mecánicamente. Ignición por superficies calientes.
REDUCCION DE LA CONCENTRACION DE OXIDANTES Las explosiones se pueden evitar manteniendo la concentración de oxígeno u otros oxidantes en el local por debajo de la necesaria para que se produzca la combustión a la temperatura y presión del proceso. El método más común de reducir dicha concentración es el purgado o inertizado del espacio con un gas poco oxidante. El riesgo de incendio y explosiones de muchos materiales se puede evitar durante su almacenaje y procesos su se utiliza un gas inerte adecuado. Esto se puede hacer porque la combustión de la mayoría de los materiales no se produce si hay poco oxígeno en la atmósfera o si su concentración se reduce por debajo de un límite dado. Cuando se utiliza un gas inerte como medio de controlar los fuegos y explosiones, su principal función es evitar las mezclas explosivas de vapor y aire, generalmente en espacios cerrados. Algunos ejemplos son la inertización de lo depósitos antes de repararlos o el vaciado de los depósitos donde ha habido líquidos inflamables mediante aire a presión, la prevención de la formación de mezclas explosivas en los hornos de secado o el aislamiento de los líquidos inflamables en sus depósitos o equipos de reacción. SUPRESION DE LA DEFLAGRACION El aumento de presión en un recipiente cerrado debido a la deflagración de una atmósfera combustible en su interior, se produce a una velocidad que depende de diversión factores, como hemos indicado anteriormente. 166
Los sistemas de supresión de la deflagración son sistemas activos que detectan el proceso de combustión en sus etapas iniciales de desarrollo, proporcionando a continuación suficiente agente extintor para cumplir la deflagración incipiente. Este método de mitigación de las explosiones que impide el avance del proceso de combustión, eliminado así el riesgo de que se originen productos de la combustión a gran presión y temperatura. Los sistemas de supresión de deflagraciones se han venido empleado para proteger los procesos industriales desde la década de los 50. Esta tecnología ha evolucionado enormemente, sobre todo en cuanto al tipo de agentes y sistemas de aplicación. Los sistemas de supresión de las deflagraciones se encuentran en todos los procesos industriales en los que hay materiales combustibles. LIMITACION DE LA PRESION La presión máxima que produce una deflagración en un recipiente cerrado puede llegar hasta unos 100-150 psi (700-1000 Kg Kpa) a partir de la presión atmosférica o hasta 7-10 veces la presión inicial. Muchos equipos de procesos, fabricados para soportar el vacío y/ o una moderada presión de trabajo, si se someten a un análisis cuidadoso se ve que tienen una resistencia a la rotura superior a la presión máxima que se puede producir en el sistema. Aunque la práctica recomienda un factor de seguridad de 4:1 en la presión de rotura respecto a la presión normal de trabajo de un recipiente, no es raro que se pueda producir una explosión, que depende de la resistencia del recipiente en la rotura con un factor de seguridad muy pequeño. Dicho sistema limitaría el peligro de explosión del recipiente, que en el peor de los casos se podría alterar o deformar- Los esfuerzos por limitar la presión evitarían a su vez la rotura del recipiente y los posibles daños catastróficos que causarían en la zona.
BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA NTP 321: Explosiones de nubes de vapor no confinadas: evaluación de la sobrepresión F. Crespo, Gerardo. “Incendios de Líquidos Combustibles”. NTP 342: Válvulas de seguridad. Características técnicas. VVAA. Temario ayuntamiento de Sevilla. Editorial Función. VVAA. Temario ayuntamiento de Madrid. VVAA. “Explosiones de polvo. Prevención y protección”. NTP 396: Deflagraciones producidas por gases, vapores y polvos combustibles. Sistemas de protección. NTP 293: Explosiones BLEVE (I). Evaluación de la radiación térmica. NTP 294: Explosiones BLEVE (II). Medidas preventivas. “BLEVE. Prevención y respuesta”. Centro de información química para emergencias de Buenos Aires. 167
EDIFICACION. NOCIONES DE CONSTRUCCION. MATERIALES EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCION. PROCESOS PREVIOS. ESTRUCTURA DEL EDIFICIO. ELEMENTOS AUXILIARES
MATERIALES EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCION
Desde sus comienzos, el ser humano ha modificado su entorno para adaptarlo a sus necesidades. Para ello ha hecho uso de todo tipo de materiales naturales que, con el paso del tiempo y el desarrollo de la tecnología, se han ido trasformando en distintos productos mediante procesos de manufactura de creciente sofisticación. Los materiales naturales sin procesar (arcilla, arena, mármol) se suelen denominar materias primas, mientras que los productos elaborados a partir de ellas (ladrillo, vidrio, baldosa) se denominan materiales de construcción. No obstante, en los procesos constructivos muchas materias primas se siguen utilizando con poco o ningún tratamiento previo. En estos casos, estas materias primas se consideran también materiales de construcción propiamente dichos. Por este motivo, es posible encontrar un mismo material englobado en distintas categorías: por ejemplo, la arena puede encontrarse como material de construcción (lechos o camas de arena bajo algunos tipos de pavimento), o como parte integrante de otros materiales de construcción (como los morteros), o como materia prima para la elaboración de un material de construcción distinto (el vidrio, o la fibra de vidrio).
CARACTERÍSTICAS
Los materiales de construcción se emplean en grandes cantidades, por lo que deben provenir de materias primas abundantes y baratas. Por ello, la mayoría de los materiales de construcción se elaboran a partir de materiales de gran disponibilidad como arena, arcilla o piedra.
168
Además, es conveniente que los procesos de manufactura requeridos consuman poca energía y no sean excesivamente elaborados. Esta es la razón por la que el vidrio es considerablemente más caro que el ladrillo, proviniendo ambos de materias primas tan comunes como la arena y la arcilla, respectivamente. Los materiales de construcción tienen como característica común el ser duraderos. Dependiendo de su uso, además deberán satisfacer otros requisitos tales como la dureza, la resistencia mecánica, la resistencia al fuego, o la facilidad de limpieza. Por norma general, ningún material de construcción cumple simultáneamente todas las necesidades requeridas: la disciplina de la construcción es la encargada de combinar los materiales para satisfacer adecuadamente dichas necesidades.
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Con objeto de utilizar y combinar adecuadamente los materiales de construcción los proyectistas deben conocer sus propiedades. Los fabricantes deben garantizar unos requisitos mínimos en sus productos, que se detallan en hojas de especificaciones. Entre las distintas propiedades de los materiales se encuentran: • • • • • • • •
Densidad: relación entre la masa y el volumen Higroscopicidad: capacidad para absorber el agua Coeficiente de dilatación: variación de tamaño en función de la temperatura Conductividad térmica: facilidad con que un material permite el paso del calor Resistencia mecánica: capacidad de los materiales para soportar esfuerzos Elasticidad: capacidad para recuperar la forma original al desaparecer el esfuerzo Plasticidad: deformación permanente del material ante una carga o esfuerzo Rigidez: capacidad de los materiales de soportar cargas con poca deformación, es la resistencia a la deformación.
REGULACIÓN
En los países desarrollados, los materiales de construcción están regulados por una serie de códigos y normativas que definen las características que deben cumplir, así como su ámbito de aplicación. El propósito de esta regulación es doble: por un lado garantiza unos estándares de calidad mínimos en la construcción, y por otro permite a los arquitectos e ingenieros conocer de forma más precisa el comportamiento y características de los materiales empleados. Las normas internacionales más empleadas para regular los materiales de construcción son las normas ISO. En España existe la entidad certificadora AENOR con el mismo propósito. 169
NOMENCLATURA
Puesto que los productos deben pasar unos controles de calidad antes de poder ser utilizados, la totalidad de los materiales empleados hoy día en la construcción están suministrados por empresas. Para los materiales más comunes existen multitud de fábricas y marcas comerciales, por lo que el nombre genérico del material se respeta (cemento, ladrillo, etc). Sin embargo, cuando el fabricante posee una parte importante del mercado, es común que el nombre genérico sea sustituido por el de la marca dominante. Este es el caso del fibrocemento (Uralita), del cartón yeso (Pladur), o de los suelos laminados (Pergo). Tampoco es inusual que determinados productos, bien sea por ser más específicos, minoritarios, o recientes, sólo sean suministrados por un fabricante. En estos casos, no siempre existe un nombre genérico para el material, que recibe entonces el nombre o marca con el que se comercializa. Esta situación se produce frecuentemente en materiales compuestos (como en algunos paneles sandwich) o en composites muy especializados.
TIPOS
Atendiendo a la materia prima utilizada para su fabricación, los materiales de construcción se pueden clasificar en diversos grupos: ARENA Se emplea arena como parte de morteros y hormigones.
El principal componente de la arena es la sílice o dióxido de silicio (SiO2). De este compuesto químico se obtiene: • • •
Vidrio, material transparente obtenido del fundido de sílice. Fibra de vidrio, utilizada como aislante térmico o como componente estructural (GRC, GRP) Vidrio celular, un vidrio con burbujas utilizado como aislante.
170
ARCILLA La arcilla es químicamente similar a la arena: contiene, además de dióxido de silicio, óxidos de aluminio y agua. Su granulometría es mucho más fina, y cuando está húmeda es de consistencia plástica. La arcilla mezclada con polvo y otros elementos del propio suelo forma el barro, material que se utiliza de diversas formas: • • •
Barro, compactado "in situ" produce tapial Cob, mezcla de barro, arena y paja que se aplica a mano para construir muros. Adobe, ladrillos de barro, o barro y paja, secados al sol.
Ladrillos de adobe Cuando la arcilla se calienta a elevadas temperaturas (900ºC o más),2 ésta se endurece, creando los materiales cerámicos: • • • •
Ladrillo, ortoedro que conforma la mayoría de paredes y muros. Teja, pieza cerámica destinada a canalizar el agua de lluvia hacia el exterior de los edificios. Gres, de gran dureza, empleado en pavimentos y revestimientos de paredes. En formato pequeño se denomina gresite Azulejo, cerámica esmaltada, de múltiples aplicaciones como revestimiento.
De un tipo de arcilla muy fina llamada bentonita se obtiene: •
Lodo bentonítico, sustancia muy fluida empleada para contener tierras y zanjas durante las tareas de cimentación
171
PIEDRA La piedra se puede utilizar directamente sin tratar, o como materia prima para crear otros materiales. Entre los tipos de piedra más empleados en construcción destacan: •
• •
Granito, actualmente usado en suelos (en forma de losas), aplacados y encimeras. De esta piedra suele fabricarse el: o Adoquín, ladrillo de piedra con el que se pavimentan algunas calzadas. Mármol, piedra muy apreciada por su estética, se emplea en revestimientos. En forma de losa o baldosa. Pizarra, alternativa a la teja en la edificación tradicional. También usada en suelos.
La piedra en forma de guijarros redondeados se utiliza como acabado protector en algunas cubiertas planas, y como pavimento en exteriores. También es parte constitutiva del hormigón •
Grava, normalmente canto rodado.
Mediante la pulverización y tratamiento de distintos tipos de piedra se obtiene la materia prima para fabricar la práctica totalidad de los conglomerantes utilizados en construcción: • • •
Cal, Óxido de calcio (CaO) utilizado como conglomerante en morteros, o como acabado protector. Yeso, sulfato de calcio semihidratado (CaSO4 · 1/2H2O), forma los guarnecidos y enlucidos. o Escayola, yeso de gran pureza utilizado en falsos techos y molduras. Cemento, producto de la calcinación de piedra caliza y otros óxidos.
172
El cemento se usa como conglomerante en diversos tipos de materiales: • • •
Terrazo, normalmente en forma de baldosas, utiliza piedras de mármol como árido. Piedra artificial, piezas prefabricadas con cemento y diversos tipos de piedra. Fibrocemento, lámina formada por cemento y fibras prensadas. Antiguamente de amianto, actualmente de fibra de vidrio.
El cemento mezclado con arena forma el mortero: una pasta empleada para fijar todo tipo de materiales (ladrillos, baldosas, etc), y también como material de revestimiento (enfoscado) cuando yeso y cal no son adecuados, como por ejemplo en exteriores, o cuando se precisa una elevada resistencia o dureza. •
Mortero o Mortero monocapa, un mortero prefabricado, coloreado en masa mediante aditivos
El cemento mezclado con arena y grava forma: •
Hormigón, que puede utilizarse solo o armado. o Hormigón, empleado sólo como relleno. o Hormigón armado, el sistema más utilizado para erigir estructuras o GRC, un hormigón de árido fino armado con fibra de vidrio o Bloque de hormigón, similar a un ladrillo grande, pero fabricado con hormigón.
El yeso también se combina con el cartón para formar un material de construcción de gran popularidad en la construcción actual, frecuentemente utilizado en la elaboración de tabiques: •
Cartón yeso, denominado popularmente Pladur por asimilación con su principal empresa distribuidora, es también conocido como Panel Yeso.
173
Otro material de origen pétreo se consigue al fundir y estirar basalto, generando: •
Lana de roca, usado en mantas o planchas rígidas como aislante térmico.
METÁLICOS Los más utilizados son el hierro y el aluminio. El primero se alea con carbono para formar: •
Acero, empleado para estructuras, ya sea por sí solo o con hormigón, formando entonces el hormigón armado. o Perfiles metálicos o Redondos o Acero inoxidable o Acero cortén
Otros metales empleados en construcción: • • • • •
Aluminio, en carpinterías y paneles sandwich. Zinc, en cubiertas. Titanio, revestimiento inoxidable de reciente aparición. Cobre, esencialmente en instalaciones de electricidad y fontanería. Plomo, en instalaciones de fontanería antiguas. La ley obliga a su retirada, por ser perjudicial para la salud.
174
ORGÁNICOS Fundamentalmente la madera y sus derivados, aunque también se utilizan o se han utilizado otros elementos orgánicos vegetales, como paja, bambú, corcho, lino, elementos textiles o incluso pieles animales. • • • • • •
Madera Contrachapado OSB Tablero aglomerado Madera cemento Linóleo suelo laminar creado con aceite de lino y harinas de madera o corcho sobre una base de tela.
SINTÉTICOS Fundamentalmente plásticos derivados del petróleo, aunque frecuentemente también se pueden sintetizar. Son muy empleados en la construcción debido a su inalterabilidad, lo que al mismo tiempo los convierte en materiales muy poco ecológicos por la dificultad a la hora de reciclarlos. También se utilizan alquitranes y otros polímeros y productos sintéticos de diversa naturaleza. Los materiales obtenidos se usan en casi todas las formas imaginables: aglomerantes, sellantes, impermeabilizantes, aislantes, o también en forma de pinturas, esmaltes, barnices y lasures. •
• •
•
PVC o policloruro de vinilo, con el que se fabrican carpinterías y redes de saneamiento, entre otros. o Suelos vinílicos, normalmente comercializados en forma de láminas continuas. Polietileno muy usado como barrera de vapor, tiene también otros usos Poliestireno empleado como aislante térmico o Poliestireno expandido material de relleno de buen aislamiento térmico. o Poliestireno extrusionado, aislante térmico impermeable Polipropileno como sellante, en canalizaciones diversas, y en geotextiles 175
• • • • • • •
• •
Poliuretano, en forma de espuma se emplea como aislante térmico. Otras formulaciones tienen diversos usos. Poliéster, con él se fabrican algunos geotextiles ETFE, como alternativa al vidrio en cerramientos, entre otros. EPDM, como lámina impermeabilizante y en juntas estancas. Neopreno, como junta estanca, y como "alma" de algunos paneles sandwich Resina epoxi, en pinturas, y como aglomerante en terrazos y productos de madera. Acrílicos, derivados del propileno de diversa composición y usos: o Metacrilato, plástico que en forma trasparente puede sustituir al vidrio. o Pintura acrílica, de diversas composiciones. Silicona, polímero del silicio, usado principalmente como sellante e impermeabilizante. Asfalto en carreteras, y como impermeabilizante en forma de lámina y de imprimación.
176
PROCESO PREVIO A LA CONSTRUCCION MOVIMIENTO DE TIERRAS
Llamamos movimiento de tierras al conjunto de trabajos y obras destinados a cambiar la topografía y forma de un determinado lugar, con objeto de adaptarlo a las necesidades de la obra que vamos a construir. Podemos distinguir los siguientes trabajos: • Desbroce: Trabajo consistente en eliminar la tierra vegetal e impurezas hasta dejar el terreno apto para poder empezar el movimiento de tierras. • Vaciado: Consiste en una excavación de un terreno, total o parcial, para obtener el nivel de comienzo de trabajos de una construcción. Dentro de los vaciados, distinguiremos un tipo llamado “por bataches”, que se realiza en terrenos de poca resistencia, y consiste en realizar el vaciado por partes, de forma alternativa, con objeto de evitar la caída del terreno o edificios colindantes durante la ejecución de los trabajos.
• Desmonte: Excavación que consiste en eliminar terreno que queda por encima del nivel de explanación que sirve como base al inicio de la obra. Es muy habitual en obras de ingeniería, sobre todo en construcción de carreteras, y en general en obras que se sitúen en ladera. • Terraplen: Trabajo inverso al desmonte, consiste en el relleno de tierras para alcanzar el nivel de inicio de una determinada obra. Los trabajos de terraplenado se realizan por capas, llamadas “tongadas”, de espesor variable, en función de la dureza del terreno final que queramos obtener. Las tongadas deben compactarse de forma unitaria, no pasando a la siguiente hasta que no tengamos la resistencia exigida en el proyecto en cada capa. • Pozos: Tipo de excavación consistente en la realización de un hueco de diferente profundidad y espesor, con objeto de alcanzar el terreno de dureza adecuada para cimentar sobre él. Pueden ser de sección circular o rectangular. • Zanjas: Excavaciones en las que predominan la dimensión longitudinal que se realizan para cimentar sobre ellas, introducción de tuberías, etc. Si el terreno sobre el que se realiza la zanja no tiene la resistencia suficiente para sostenerse, deberemos efectuar un trabajo llamado “entibación”, que consiste en sostener provisionalmente las paredes de la zanja, mediante elementos auxiliares, de madera o metálicos, que se retiran una vez realizado el trabajo. 177
• Galería/Mina: Excavación que no se realiza a cielo abierto, sino que consiste en un túnel que se orada por debajo del terreno. Se realiza en obras de colectores de saneamiento, galerías de instalaciones, etc.
Excavación de Zanja
178
PARTES DE UNA EDIFICACION
El CTE define un edificio como aquella “Construcción fija, hecha con materiales resistentes, para habitación humana o para albergar otros usos”. Para poder describir un edificio debemos comenzar explicando cuales son elementos que conectados configuran un edificio. Los principales elementos de un edificio son los siguientes: • Los cimientos, que soportan y dan estabilidad al edificio • La estructura, que resiste las cargas y las trasmite a los cimientos • Los cerramientos exteriores que pueden o no ser parte de la estructura principal de soporte y que forman la fachada del edificio. • Las separaciones interiores, que también pueden o no pertenecer a la estructura básica.
TIPOS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES
La estructura de un edificio es según el CTE un “Conjunto de elementos, conectados entre ellos, cuya misión consiste en resistir las acciones previsibles y en proporcionar rigidez”. Por lo que por definición son aquellos elementos que transmiten las cargas que debe soportar un edificio para lo cual debe estar debidamente calculado y proyectado por técnico competente. Podemos diferenciar los siguientes elementos que configuran la estructura, los cuales debemos distinguirlos físicamente como: • Cimentaciones • Elementos estructurales o Estructuras murarías Muros de carga Muros de contención Tabiques de cerramiento o Estructuras entramadas Verticales: Pilares, columnas, soportes, etc Horizontales: Jácenas, vigas, viguetas, etc Forjados y cubiertas o Otros: arcos y bóvedas, huecos, etc Cada uno de ellos posee funciones específicas dentro de una estructura, dentro de cada uno de estos elementos podemos encontrar diferentes configuraciones que dependerán de los condicionantes constructivos que posea la edificación. Antes de comenzar a hablar de la cimentación, debe considerarse también la importancia del terreno sobre el que se asienta la edificación.
179
TERRENOS
Son la base donde se sustenta un edificio. La determinación de las características mecánicas de un suelo, o su comportamiento bajo la acción de unas cargas se denomina Mecanica Del Suelo. Existen varios tratados o estudios que nos clasifican los terrenos según su composición y resistencias. La clasificación más habitual es la siguiente: • • • •
Rocas. Terrenos sin cohesión. Terrenos coherentes. Terrenos deficientes.
• Rocas: Las rocas se caracterizan por su estabilidad. Resisten mucho a compresión y no presentan en general problemas de resistencias y asientos. • Terrenos sin cohesion: Formados fundamentalmente por áridos (gravas, arenas, limos inorgánicos). Carecen de cohesión. • Terrenos coherentes: Formados fundamentalmente por arcillas que puedan contener óxidos en cantidad moderada. Las arcillas para una buena cimentación dependerán de su origen y del agua que contengan. • Terrenos deficientes: En general no aptos para cimentar (excepto con operaciones de compactación, solidificación, secados, etc..) suelen ser: Fangos inorgánicos, terrenos orgánicos, terrenos de relleno o echadizo. ROCAS
15/30 Kg/cm2
1 a 8 Kg/cm2 TERRENOS SIN COHESION TERRENOS COHERENTES 1 a 4 Kg/cm2 TERRENOS DEFICIENTES
< 1 Kg/cm2
CIMENTACION
Es aquella parte del edificio encargada de transmitir al terreno las cargas del edificio, por lo que en función del terreno y de las solicitaciones a las que esta sometido tendremos diferentes tipos de cimentaciones en la construcción actual. La normativa española que regula el cálculo y ejecución de estos elementos es la Instrucción de Hormigón Estructural EHE 2007. Los elementos que pueden conformar una cimentación son:
180
Las cimentaciones se clasifican según su profundidad en: superficiales y profundas. CIMENTACIONES SUPERFICIALES • Viga: Cuando el terreno es bueno y permite una cimentación de espesor de treinta a cuarenta centímetros. • Zanja: La cimentación es, más profunda, de dos a tres metros. Para este tipo de cimentación los materiales que se emplean son rocas, ladrillos y hormigón.
• Zapatas: elementos de hormigón armado en forma de prisma o cubo, pueden ser aisladas o corridas, su tamaño y forma dependerán de las cargas a transmitir al terreno y de las características de este. o Zapata aislada: Son cimientos de profundidad hasta un metro aproximadamente que se realiza con armaduras de hierro. Para edificaciones con pilares. o Zapata corrida o continua: Es igual que la aislada pero abarca toda la base del mismo. • Pozo: Es una cimentación igual a la zapata aislada, que se utiliza cuando el firme se encuentra a mayor profundidad, de dos a tres metros para estructuras con pilares. • Losa: Es una placa de hormigón armada de espesor uniforme o con refuerzo de vigas en las bases de los pilares uniendo estos. Se utilizan en terrenos malos pero uniformes.
181
• Muros pantalla: son unos muros de hormigón armado que además de aguantar el peso del edificio nos sirven para cerrar el sótano, contener las tierras e impedir que entren en el citado sótano. Existen dos maneras de ejecutar estos muros o mediante la excavación a través de unos muros guía y posterior hormigonado y vaciado del solar o mediante la excavación y posterior hormigonado con encofrado del batache que como máximo deberá tener 4 metros de longitud.
182
Ejecución de un muro pantalla CIMENTACIONES PROFUNDAS Se ejecutan cuando el terreno es malo y hay que, buscarlo a mayor profundidad.
Se clasifican en: • Pilotes hincados: Pueden ser de madera, acero y hormigón prefabricado. Se introducen en el terreno a golpes por una maza. 183
• Pilotes in situ: Pueden ser hincados o perforados. Pilotes hincados: Consiste en introducir un tubo de acero hueco mediante hinca posteriormente se introduce la armadura y se rellena de hormigón.
Pilote perforado: Se hace el agujero con una barrenadora y luego se rellena con una armadura de hormigón.
• Encepados: es una pieza prismática que une las cabezas de un grupo de pilotes que trabajan conjuntamente. Como caso particular, pueden existir encepados de un solo pilote. El encepado sirve de base al soporte que descansa sobre el, de forma análoga a lo que seria una zapata aislada.
ESTRUCTURAS
Las estructuras son las partes resistentes de las construcciones. Deben garantizar la transmisión de las cargas que soportan, a la cimentación, y ésta al terreno. La estructura se divide en elementos horizontales, verticales e inclinados, que están conectados entre sí de diferentes modos, de tal 184
forma que se asegure la transmisión de cargas entre ellos. Fundamentalmente existen dos tipos de estructuras que se distinguen, tanto por su forma como por su comportamiento resistente: ESTRUCTURAS MURARIAS Son construcciones de forma continua, que se levantan directamente sobre la cimentación (que también ha de ser continua). En ellas predomina la dimensión longitudinal sobre el espesor. Se encuentran en construcciones tradicionales, o de poca entidad (edificios de poca altura), así como en muros de contención de tierras o de sótanos (soportan esfuerzos de flexión). Los muros de edificios que no son de contención, trabajan a compresión simple. Los muros pueden construirse con ladrillo, bloques, mampostería, o de hormigón armado. Distinguiremos como caso especial los muros de “termoarcilla” que están construidos con este material cerámico, que funciona como elemento resistente pero también tiene la función de aislamiento térmico, gracias a la forma que tienen los bloques, con multitud de celdillas aislantes y a la colocación en obra, de forma machihembrada, a tope entre bloques. ESTRUCTURAS ENTRAMADAS Son aquellas que están formadas por elementos aislados, verticales, horizontales, e inclinados, que están conectados entre sí, de tal forma que unas transmiten las cargas a las otras, de forma secuencial para al final del proceso llevar las cargas totales al terreno, a través de la cimentación. Esta es la forma estructural que se usa actualmente, sobre todo en construcción de edificios. Permite tener superficies diáfanas, que se pueden dividir en espacios habitables, de forma más cómoda y funcional que las estructuras murarias, cuyos elementos definen las paredes divisorias, sin que sea posible diversificar espacios. Además tenemos la ventaja de la disminución de peso en la estructura lo que permite hacer edificios más altos y ligeros. Los elementos estructurales entramados se pueden clasificar, según el orden de importancia resistente, en: • De 3º orden: horizontales o inclinados, como forjados y zancas de escaleras. Trasmiten las cargas a las vigas. • De 2º orden: horizontales (vigas). Soportan las cargas de los forjados y zancas de escaleras y transmiten éstas a los elementos verticales (soportes o pilares). • De 1º orden: verticales (pilares/soportes). Soportan las cargas que les transmiten las vigas, y a su vez las envían a la cimentación. Según los materiales de que están construidas las estructuras entramadas pueden ser: • De madera: están en las construcciones antiguas y también en viviendas unifamiliares modernas. Pueden dejarse vistas o recubrirse con otros materiales. Sus elementos son los siguientes: o Pies derechos: son elementos verticales, normalmente trabajan a compresión pero pueden resistir esfuerzos de flexión. o Vigas maestras: son elementos horizontales. Trabajan a flexión y transmiten su carga a los pies derechos.
185
o Viguetas: elementos horizontales o inclinados. Forman parte de los forjados o escaleras, transmiten la carga a las vigas maestras. También pueden formar parte de las estructuras de cubiertas. o Entramados: son elementos estructurales mixtos, entre las estructuras entramado y las murarias. Están formados por piezas de madera (viguetas, vigas y pies derechos) que rellenan los espacios entre ellas con muros formados por elementos cerámicos o de yeso, y se enlazan entre ambos con cuerdas (tomiza) o piezas metálicas. Se encuentran en construcciones antiguas o históricas. • De acero: se utilizan en todo tipo de construcciones debido a su ligereza, resistencia y fiabilidad ya que las piezas que componen estas estructuras se fabrican en taller y cumplen unas estrictas normas que son de obligado cumplimiento, por ley. Normalmente se fabrican como perfiles normalizados, de forma y dimensión conocidas: también se conocen las características técnicas y resistentes que el fabricante ha de garantizar mediante la realización de ensayos homologados. Sus elementos son los siguientes: o Soportes: son elementos verticales. Su forma de trabajo depende del cálculo estructural que se haya realizado, normalmente lo harán a compresión pero pueden resistir flexiones e incluso tracciones. Reciben las cargas de las vigas y la transmiten a la cimentación. o Vigas (o jácenas): son elementos horizontales o inclinados (cubiertas). Trabajan a flexión, reciben las cargas de los forjados y las transmiten a los soportes. o Viguetas: elementos horizontales (forman parte de los forjados) o inclinados (cubiertas o escaleras). Trabajan a flexión. Transmiten las cargas a las vigas. o Forjados: elementos estructurales compuestos por viguetas (elementos resistentes), bovedillas (elementos de relleno entre viguetas) y capa de comprensión (elementos superficial que se coloca en la parte superior del forjado, sirve de reparto de cargas entre las viguetas, permite hacer una superficie continua para pisar). La capa de compresión se hace normalmente con hormigón, al que se añade una malla metálica (mallazo) que sirve para repartir cargas. Los forjados trabajan a flexión, transmiten las cargas a las vigas a través de las viguetas. • De hormigón: son las estructuras más utilizadas en la actualidad, debido a su resistencia, durabilidad, versatilidad y economía, tanto de realización como de mantenimiento, lo que la distingue de la estructura de acero que requiere cuidados periódicos (sobre todo contra la corrosión). Las estructuras de hormigón se dividen en dos grandes categorías: o En masa: solo se utiliza hormigón. Se construyen cimentaciones, muros y en general, grandes construcciones que resisten a compresión, por el propio peso del hormigón utilizado (como es el caso de las presas para abastecimiento de agua o producción de electricidad). o Armado: se añaden armaduras de acero al hormigón, para mejorar la resistencia a tracción. El hormigón armado es el material que se usa normalmente en las estructuras. Resiste esfuerzos de flexión, tracción y compresión, por lo que se emplea en todos los elementos estructurales (forjados, vigas y pilares). En una estructura entramada de hormigón, distinguimos los siguientes elementos: Pilares: elementos verticales, trabajan a compresión y flexión. Reciben las cargas de las vigas, y las transmiten a la cimentación. Pueden ser de sección cuadrada, rectangular o circular.
186
Vigas: elementos horizontales o inclinados (zancas de escalera). Trabajan a flexión. Reciben las cargas de los forjados y las transmiten a los pilares. Las vigas pueden ser, según la relación ancho/alto de su sección: • De cuelgue: si la altura es igual o superior a la anchura. Funcionan muy bien desde el punto de vista resistente, pero obligan a disponer los tabiques debajo de ellas, con lo que limitan la funcionalidad. • Planas: si la altura es inferior a la anchura. Normalmente quedan ocultas en los forjados, con lo que son muy funcionales y permiten distribuir los espacios a voluntad del proyectista. Tienen el inconveniente de las flechas diferidas a lo largo del tiempo, que pueden provocar grietas en los tabiques. Forjados: elementos estructurales horizontales o inclinados (cubiertos). Trabajan a flexión, transmiten las cargas a las vigas. Forman las superficies pisables. Los forjados de hormigón se dividen en dos, según el tipo de vigueta utilizada: • Autorresistentes: cuando las viguetas vienen prefabricadas y solo hay que colocarlas en obra con las bovedillas y la capa de compresión. Se utilizan en sótanos o lugares de difícil acceso. • Semirresistentes: las viguetas vienen semi-prefabricadas, solamente la parte inferior de las mismas (zona de tracción) debiendo colocar en obra la zona superior (compresión) con armadura, que se hace solidaria con la capa de compresión, hormigonando todo a la vez. Son los forjados que se utilizan habitualmente en las superficies pisables de los edificios, a partir de la planta baja. A continuación vamos a conocer con mas detalle, cada una de las partes estructurales.
LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES VERTICALES MUROS
Es un elemento con forma prismática o rectangular que soporta y transmite esfuerzos verticales y horizontales. También dividen espacios. Sus partes son: • Base • Paramentos • Coronación
187
Por su carga pueden ser: • Muros de Carga: Actúan por compresión. • Muros de Contención: Actúan por flexión • Muros de Cerramiento : Sin Cargas Muros de carga Los Muros continuos de carga son construcciones casi siempre de forma prismática destinados a resistir esfuerzos, cargas o empujes. Los muros de carga se pueden clasificar en: • Muros sin armaduras: Son aquellos que aguantan y transmiten cargas, a través de las piezas que los conforman • Muros con armaduras: Aquellos que presentan en su ejecución armaduras para asegurar la continuidad, entre ellos tendremos: Muros de piezas o bloques prefabricados y Muros portantes de hormigón. Los muros sin armaduras, se pueden clasificar a su vez según su material: • De tapial, realizados a base de una mezcla de arcilla, arena y granilla, humedecidas y apisonadas. De gran espesor. • De piedra o cantería, conformados por elementos de piedra natural con o sin juntas de mortero. Tienen una gran capacidad resistente y pueden clasificarse en: o Muros de sillería: realizados con sillares o elementos de labra aridada . (Los sillares son piezas regulares y labradas empleadas en construcción). o Muros de sillarejo: realizados en sillares o elementos de labra tosca. o Muros de mampostería: realizados con elementos irregulares o sin labrar. o De ladrillo, más utilizados en la construcción común.
188
Al ser los muros de ladrillo los mas utilizados generalmente en construcción, vamos a definir a continuación las partes y tipos de ladrillo asi como las formas de colocación de los ladrillos para crear paramentos. Partes del ladrillo • • • •
Tabla, (cara superior). Testa, tizón, cítara, (2 pies o 11 - 12 cm). Soga, canto, asta, pie. (24 - 25 cm). Grueso.
En función del porcentaje de huecos que presente un ladrillo, obtendremos una clasificación en macizos, perforados y huecos. A continuación se muestra una tabla determinando lo anterior así como su peso y resistencia, teniendo en cuenta que para conformar muros de carga de ladrillos, sólo utilizaremos los dos primeros (macizos o perforados) por su mayor resistencia.
Tipos de colocación de las piezas cerámicas en muros • A soga: las piezas están colocadas planas sobre superficie siendo su cara lateral menor, normal pared o muro
la cara de mayor al paramento de la
• A tizon: Las piezas están apoyadas sobre su cara paramento con su cara lateral menor
mayor
• A rosca: Las piezas apoyadas sobre su cara lateral formando paramento
y
forman
mayor con la menor
189
• A sardinel: Las piezas apoyadas sobre su cara paramento con sus laterales mayores
menor
y
formando
• Hiladas a corriente • Hiladas triscadas
Aparejado de muros de ladrillo Llamamos aparejado al trabado en todo su espesor y ejecutado con una sola clase de ladrillo . Podrán conformarse los muros de carga de ladrillo, así ejecutados: • • • •
De sogas De tizones (aparejo a la española) . De sogas y tizones en hiladas alternas (aparejo inglés o belga) . De sogas y tizones en toda la hilada (aparejo flamenco u holandés) .
Juntas Las juntas en muros así conformadas serán; tendeles, si son horizontales . o llagas, si son verticales. Acabados Revestimientos: Son obras que tienen por objeto rellenar de forma continua y homogénea los paramentos, para posteriormente poder acabarlos mediante pinturas o aplacados. Entre los más importantes podemos señalar los siguientes: • Enfoscados: Revestimiento superficial y continuo formado por mortero de cemento, de cal, o mixto, que sirve para cubrir muros, tabiques, y en general cualquier tipo de paramento, tanto horizontal como vertical. • Guarnecidos: Revestimiento superficial y continuo, formado por una capa delgada de yeso grueso, previa a la terminación de los paramentos. • Enlucidos: Revestimiento continuo hecho a base de yeso blanco, que sirve para terminar de revestir un paramento; el enlucido se coloca encima del guarnecido, y es previo al pintado u otro acabado. También llamamos enlucido, al revestimiento de un muro con mortero de cal y yeso. Muros de contención Los muros de contención se construyen con el fin de limitar la ocupación del terreno por los taludes, tanto en terraplén como en desmonte. Están destinados a contener los esfuerzos horizontales de los empujes de las tierras. 190
LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES VERTICALES AISLADOS Son elementos de sección pequeña en relación a su altura, con la misma función que los muros continuos. Su forma y tamaño dependerán fundamentalmente del material utilizado y las cargas a soportar. Se utilizan en estructuras tipo entramado (pórticos), su función es la de transmitir los esfuerzos que reciben los forjados y jácenas y transmitirlos hacia las cimentaciones que suelen ser zapatas. Según el material con el que se ejecuten, reciben distintos nombres:
191
ELEMENTOS ESTRUCTURALES HORIZONTALES ELEMENTOS ESTRUCTURALES HORIZONTALES AISLADOS
• Vigas o viguetas: Son aquellos elementos horizontales que transmiten los esfuerzos hacia otros elementos que pueden ser jácenas, muros de carga, pórticos... • Jácenas: Las jácenas son vigas que recogen los esfuerzos transmitidos por otras vigas o viguetas que se apoyan en ésta. También llamadas vigas maestras.
Vigas o viguetas apoyadas sobre jácena Luz de la viga La luz de la viga (longitud de la misma) como la del forjado, no debe exceder de la que constructivamente y económicamente convenga al material que se utiliza. Esta limitación puede estimarse en unos 5 metros para las vigas de madera y de 6 a 7 metros para las de acero y hormigón armado . Aunque estos valores podrían superarse cuando las circunstancias funcionales o estéticas lo requieran. LOS FORJADOS Son los elementos horizontales resistentes que forman las distintas plantas (suelos/techos) de un edificio. Su disposición está íntimamente unida a la de los elementos verticales que le van a servir de apoyo (pies derechos, soportes o pilares) El forjado recibe las cargas del pavimento, tabiquería y sobrecarga de uso (personas o enseres) y los transmite repartidamente junto con su propio peso al entramado vertical de la estructura. Además de su función resistente cumple otras de separación y aislamiento entre plantas. El acabado por su parte superior se denomina pavimento y por la parte inferior el techo. 192
Se componen de tres partes distintas: • Partes encargadas de la sustentación o Viguetas: de madera, hormigón. o Vigas: de madera, hormigón, metálica. Forjados de relleno, losas de hormigón armado, macizas, nervadas... • Revestimiento o Pavimentación acabada: embaldosado, parquet de madera, revestimiento sintético.. etc. • Cielo raso o techo debajo del elemento de sustentacion o Enlucido clases, de yeso, placas prefabricadas de materiales de todas las clases. Nos podemos encontrar esencialmente dos tipos de forjados: • Unidirecciones: son aquellos en que el elemento resistente está orientado en un mismo sentido • Bidireccionales o Reticulares: se orientan en dos sentidos perpendiculares FORJADOS UNIDIRECCIONALES
Foriados de madera Se realizan mediante unos nervios resistentes de escuadra variada, separados una cierta distancia (entre 0'40 y 0'60 m.), sobre los que se apoyaba un tablero ejecutado con tabla. A medida que mejoraba la calidad de la construcción, mejora la calidad del forjado, pasando el tablero a realizarse con tabla machihembrada, con doble tablero e incluso conacabado de baldosa . La parte inferior del forjado también recibe un tablero, lo que permite rellenar los huecos con material aislante (paja, escorias, material cerámico, etc,. ..) Lo que aumentaba el asilamiento, y por consiguiente el confort. 193
Forjados de hierro Su estructura es casi idéntica a los de madera, solo que los nervios resistentes están formados por perfiles normalizados de acero. El tablero puede ir apoyado sobre los nervios, o bien, embebido entre ellos, que es la formamás comúnmente empleada. En este caso, el tablero se realizaba con ladrillo, (una o dos roscas) apoyo sobre el ala inferior del perfil, dándole forma de arco para absorber mejor los esfuerzos . Al igual que en los de madera, el espacio entre nervios, se utiliza para rellenarlo con material aislante (o dejándolo hueco). Modernamente se utilizan bovedillas de poliestireno expandido (con gran poder de aislamiento térmico) proporcionando además, gran ligereza debido a su poco peso. Forjados de hormigón y cerámicos Este tipo de forjado lo podemos clasificar en dos grandes grupos, en función de que sus nervios sean "resistentes" o "semirresistentes". Los resistentes son aquellos en que sus nervios son capaces, de por sí, de aguantar el peso y las cargas del forjado terminado. No requiere uso de sopandas. Los semirresistentes son aquellos cuyos nervios, por sí solos, no aguantan las cargas del forjado, puesto que no están completos, en tanto no se termine su construcción. Requiere el uso de sopandas. Los nervios son las "viguetas" o "semiviguetas", tanto de hormigón como cerámicas, las cuales pueden ser de dos tipos, en función de su construcción, denominándose de tipo "armado" o "pretensado". El entrevigado es el elemento existente entre las viguetas y cuya función no es tanto resistente sino de elementos de cubicación. Podrá constituirse de varias formas: • • • • •
Con tableros inferiores o superiores. Con revoltón . Con tablero y revoltón . Hormigonado sobre encofrados recuperables. Bovedillas.
Por último, las capas serán las que conformen la parte superior de los forjados y serán: • De compresión, mallazo de reparto, para hacer trabajar todo el forjado uniformemente . • Capas niveladoras de arena para ubicar los solados . • Capas de aislantes si fueran necesarias .
194
Detalle forjado unidireccional FORJADOS BIDIRECCIONALES Este tipo de forjados está formado por losas de hormigón, de espesor variable, con doble armadura, tanto en la parte superior como en la inferior, siendo distribuida esta armadura en sentido longitudinal y transversal.
Dado el gran peso del hormigón, las losas suelen aligerarse mediante elementos más ligeros (cerámica, hormigón de arlita, poliestireno) normalmente huecos dispuestos en el centro de la trama de acero. Para aligerarlos aún más, en lugar de piezas que quedan embebidas en la losa, se colocan unos moldes recuperables, que una vez endurecido el hormigón, se retiran, quedando éste hueco.
195
LOS ENTRAMADOS
A modo de resumen de todo lo anterior, la unión de las estructuras horizontales y verticales, da lugar a las estructuras entramadas . Las estructuras entramadas se pueden realizar de distintos materiales: madera, metálicas y de hormigón armado . ENTRAMADOS METALICOS Ventajas: • Elasticidad, homogeneidad, ductilidad. • Se usan secciones pequeñas dada su resistencia • Trabaja bien a tracción y compresión. • Rapidez de montaje con perfiles normalizados en todo el mundo • Facilidad de cálculo en secciones. • Tabla de valores estáticos, etc. Inconvenientes : • Peligro de pandeo al trabajar a compresión. • Deformable (cambios de temperatura), bien sea por calor o frio. • Poca resistencia al fuego (menos que la madera) es más peligroso. • Peligro de corrosión. (humedades). • La resistencia disminuye con la temperatura, por ejemplo: a 500° C la resistencia queda a la mitad. • Las dilataciones térmicas producen deformaciones y empujes (Para 1000° C y 1 metro de longitud el incremento es de 1,2 cm. Los empujes pueden producir derrumbamientos de la obra.
ENTRAMADOS DE HORMIGON Mezcla resultante de la unión de áridos con pasta de cemento "portland", con agua y aglomerante. Ventajas: 196
• En el estado inmediato a su elaboración es una masa más o menos plástica que puede adoptar la forma del elemento que lo contiene llamado encofrado (o molde) manteniendo las características geométricas después del fraguado. • El hormigón adquiere su resistencia de forma gradual durante el fraguado y endurecimiento llamado "el curado del hormigón". • Puede ser armado con varillas de distinto grosor, liso o rugoso, y una disposición del armado dependiendo de la función del molde o pieza de hormigón. • Es barato y muy utilizado en construcción (muy resistente). Inconvenientes: • Poca flexibilidad de formas, diseño regular . • Tiempo de fraguado, tarda de 21 a 27 días en entrar en carga. • Ensayos de poros y áridos. • Aluminosis: Enfermedad del hormigón. • Peligro de corrosión por grietas.
ENTRAMADOS DE MADERA Esqueleto o estructura cuya única función es transmitir cargas o esfuerzos hasta la cimentación. La madera ofrece muchas posibilidades en construcción. El único problema es su encarecimiento y trabajo lento de cajeados y formas, ajustes y escuadras. En construcción se clasifican en: • Duras: Roble, castaño, haya. • Blandas: Pino, abeto, álamo. Ventajas: • Ligera, fácil de trabajar. 197
• Buena resistencia a compresión y flexión • Mejor tensión en dirección de las fibras de la madera • Buen aislamiento térmico Inconvenientes: • Fácil combustión, necesita protecciones e impregnaciones ignifugas. • Mal aislamiento acústico.
CUBIERTAS
Se denomina cubierta al entramado que cierra un edificio por su parte superior. Su función es proteger el edificio de los agentes atmosféricos contribuyendo al aislamiento térmico y acústico del mismo, y proporcionando una fácil evacuación de las aguas de lluvia. Según sea la pendiente se clasifican en: • Azoteas: pendientes menores del 15% . Pueden ser: o Transitables (pendiente menor del 5%) o No transitables (del 5% al 15%) • Tejados: pendientes mayores del 15%. o Se llama pendiente a la inclinación de los faldones, que son planos inclinados que forman los tejados. En una cubierta se distinguen 2 partes fundamentales: • La estructura: parte resistente que puede ser de madera, acero u hormigón armado . 198
• Elementos de cubrición: Teja plana, curva, pizarra, . . . Según la distribución de los faldones, una cubierta puede ser: • • • •
A un agua A dos aguas A tres aguas Etc.
Si las aguas se vierten al exterior de la construcción se llama lima tesa y si lo hace hacia el interior (patio) lima hoya.
CUBIERTAS INCLINADAS Tipos de cubiertas inclinadas • Cubierta de Par y Picadero: donde los elementos inclinados paralelos (pares) se encuentran en la dirección de la pendiente.
199
• Cubierta a la molinera: donde los elementos de soporte paralelos (correas) se disponen perpendiculares a la dirección de la pendiente.
• Cubierta de par e hilera o parhilera o mojinetes: donde los elementos inclinados (pares) se apoyan superiormente en un elemento horizontal (hilera) y se arriostran a través de los tirantes. Los empujes inferiores se recogen a través del estribo cubierta.
200
• De Par y Nudillo , similar a la anterior pero para evitar la deformación de los pares se sitúa un elemento rigidizador (nudillo) .
• Cubierta de Cerchas o Formas, donde se produce un mayor arriostramiento en varias direcciones para que todos sus elementos la trabajen y resistan a la vez.
201
• Cubierta de Tabiquillos y Tablero, donde la inclinación se consigue por tabiquillos palomeros, normalmente de material cerámico (mejor hueco doble), sobre los que apoyan perpendicularmente los elementos que conforman el tablero.
Todas las cubiertas así realizadas se completarán con los elementos de cubrición (pizarra, cerámicas, fibrocemento, galvanizados, aleaciones ligeras, . ..) y capas impermeabilizantes y térmicas. 202
Nomenclatura de elementos que integran una techumbre: • Tendido : Es cada uno de los planos de la cubierta. • Alero o tejaroz : Límite horizontal inferior de los tendidos. • Caballete : Límite horizontal superior de cada tendido o la intersección de dos tendidos cuyos aleros son paralelos. El más alto se denomina cumbrera. • Piñón o Hastía: Paramento triangular de un muro de fachada rematado en su parte superior por la cubierta. • Vertiente : Inclinación del faldón de un tejado . • Faldón : Tendido triangular en el lado estrecho de la cubierta a cuatro aguas. • Peto o Copete: Es la parte superior del faldón quebrantado. • Lima Tesa: Intersección de dos tendidos cuyos aleros forman ángulo saliente . • Lima Hoya: Intersección de dos tendidos cuyos aleros forman ángulo entrante. • Nudo: Punto del caballete al que concurren tres o más tendidos . • Caballete oblicuo : Aquel que une dos caballetes que están a distinto nivel. • Gatera: Hueco que se deja en un faldón para ventilación de la techumbre, se llama Beata a la pieza de cubrición . • Tragaluz o Claraboya: Ventanillo colocado en un faldón ya sea practicable o no. • Buhardas o troneras: Son cuerpos descollantes sobre los tendidos, con aberturas para iluminación y ventilación de desvanes . • Sotabanco : Piso habitables colocado encima de la cornisa general de la casa.
Pórticos: las construcciones de tipo industrial (naves), utilizan el sistema de pórticos, que se forma por cerchas simples de dos vigas inclinadas apoyadas directamente sobre los pilares que forman la estructura de la nave.
203
CUBIERTAS PLANAS Se pueden clasificar en: • • •
Transitables, donde el soporte horizontal sobre el que apoyan es resistente. No transitables, cuando el soporte horizontal no tiene misión resistente. Ajardinadas.
CUBIERTAS COMPUESTAS Para salvar luces mayores sobre los elementos resistentes verticales, se colocan unos elementos resistentes que se llaman cerchas, sobre estas se apoyan en sentido perpendicular unos elementos que se llaman correas y sobre estas los parecillos o cabios y encima el elemento necesario (entableado, enlistonado, ...) para apoyar el material de cubrición de la estructura. Uniones clásicas de las cerchas: 204
205
ELEMENTOS DE CUBRICION Llamamos cubrición al material de terminación de las cubiertas, sirve para evacuar el agua de las mismas. Existen varios materiales que se utilizan para cubrir, entre los que se encuentran los siguientes: • Teja cerámica: Es una pieza de barro cocido terminado en distintas formas, siempre acanaladas; se coloca en cubiertas con una inclinación inferior al 30% de pendiente. Distinguiremos dos tipos según su forma: o Plana: También llamada teja alicantina, se caracteriza por su forma aplanada, sin apenas canales, se construye para colocarse machihembrada. Se emplea en zonas de baja pluviometría. o Curva: También llamada teja árabe, tiene forma de canal troncocónico, de una longitud variable de entre 30 y 50 cm. Se coloca en zonas de pluviometría media. • Pizarra: La pizarra se utiliza en “lajas” de distintas formas y dimensiones. La pizarra es una roca que se puede cortar en láminas, tiene un color azul oscuro. Se utiliza en cubiertas con una pendiente superior al 30%, en zonas de alta pluviometría, y donde se preve que puede haber heladas o nevadas. Fijación: Los materiales de cubrición se fijan al resto de la cubierta mediante diversos sistemas, mas o menos industrializados, según el tipo que utilicemos, a saber: • Rastreles: Son listones de madera, que se clavan o fijan al tablero de apoyo del material de cubrición, y sirven para sostenerlo. Forman un entramado ortogonal que permite la colocación de las distintas piezas, ya sean tejas, pizarras, etc. Los rastreles también pueden ser metálicos, siempre y cuando el acabado del soporte sobre el que van no sea de yeso, ya que puede reaccionar con el metal y corroerlo. • Clavos: Se clavan directamente en el tablero de apoyo, normalmente de yeso, y sobre ellos se colocan las distintas piezas de cubrición. Se suelen emplear en cubiertas de pizarra.
206
Aislamientos: Impiden o palian el paso de calor, ruido, electricidad, etc. Los aislamientos de calor se llaman “térmicos”, los de ruido “acústicos”, los de electricidad “aisladores”, etc. En cubiertas, los aislamientos más utilizados son: • Fibra de Vidrio: Es un material aislante que se obtiene mediante tratamientos térmicos y químicos del vidrio fundido. Se presenta en forma de plancha o rollos compuestos de filamentos o fibras a veces unidos mediante un papel. Tiene distintos espesores y densidades, en función del grado de aislamiento que pretendamos obtener. Es un aislamiento térmico. • Poliestireno Expandido: También llamado “porexpan”. Es un polímero termoplástico que se obtiene por poliadición de estireno. Se presenta en forma de planchas, normalmente de color blanco, con distintos espesores y densidades en función del grado de aislamiento que deseemos obtener. Es un aislamiento térmico. • Poliestireno Extrusionado: Es un aislamiento de alto rendimiento que resulta de la polimerización del estireno por extrusión. Se presenta en planchas, de un espesor mínimo de 4 cm. Tiene una alta densidad, que le permite colocarse por encima de los impermeabilizantes, ya que tiene una alta resistencia mecánica y térmica. Se utiliza como aislamiento térmico en las cubiertas invertidas. • Geotextil: Material constructivo también llamado “tejido no tejido”. Se presenta en forma de láminas, sirve para proteger el aislamiento de la terminación de la cubierta, sobre todo si es “no transitable”. También se utiliza como separador entre las soleras de hormigón y el encachado de piedra previo a la misma. Impermeabilizaciones: Son elementos o materiales constructivos que se colocan en las cubiertas, normalmente en forma de laminas superficiales, que se utilizan para conseguir la estanqueidad al paso del agua a los edificios. Podemos distinguir las siguientes, en función del material del que están hechas. • Asfálticas: Impermeabilizante de tipo industrial, compuesto por emulsiones de asfalto y otros materiales, que se colocan en la cubierta mediante procedimientos de aplicación de calor: Pueden ser “monocapas” si solamente disponen de una lamina, que puede ser bituminosa, de oxiasfalto, o de alquitrán; “bicapas”, si se disponen dos capas de oxiasfalto y dos láminas bituminosas, colocadas alternativamente. A veces estas impermeabilizaciones asfálticas se terminan en una lámina alumínica que le da resistencia y la protege de la intemperie. • De PVC: Impermeabilizaciones presentadas en láminas continuas obtenidas por un proceso químico, también llamadas “cloruro de polivinilo”. Son muy eficaces y de fácil colocación; las láminas se unen mediante soldadura, fundiendo el material de las láminas contiguas. También se utilizan para impermeabilizar vasos de piscinas. Actualmente, son muy utilizadas sirviendo de impermeabilizante a la mayoría de las cubiertas invertidas en edificios residenciales. • De clorocaucho: Es una resina que se obtiene por un proceso de cloración del caucho, que se disuelve en tetracloruro de carbono. Es resistente a los ácidos y álcalis, así como a las llamas. Es una impermeabilización de alta eficacia que también se utiliza para impermeabilizante de piscinas. Acabados: Las cubiertas se terminan en diversos materiales, en función de si se van a utilizar durante su vida útil para paso de personas o solamente se van a visitar en ocasiones 207
esporádicas, solamente para trabajos de mantenimiento, por personal autorizado. Podemos distinguir las siguientes cubiertas, en función de su acabado final: • Transitables: Son aquellas aptas para el trasiego de personas, también se llaman visitables. Se terminan en materiales pisables, generalmente baldosas cerámicas colocadas sobre una base de mortero de cemento. Estas baldosas tienen que ser resistentes a la intemperie. • No transitables: Son aquellas en las que no se prevé el paso continuo de personas sobre ellas. Se terminan en una capa de unos 4 ó 5 cm. de gravilla, que va sobre geotéxtil para proteger el aislamiento o la impermeabilización. • Tabiques Palomeros: Son unos muretes, normalmente de ladrillo hueco sencillo o hueco doble, colocados de forma que permitan el paso del aire entre ellos, es decir, son tabiques ventilados. Encima de ellos se colocan tableros inclinados de ladrillo, que sirven de apoyo a la impermeabilización o el aislamiento. Los tabiques palomeros forman la pendiente de la cubierta. Los tabiques se colocan a una distancia de unos 50 cm a 1m., y entre ellos se pone material aislante, normalmente planchas de fibra de vidrio. Los tabiques se apoyan directamente sobre el forjado de la última planta del edificio, y se reciben con mortero de cemento. Las cubiertas construidas con tabiques palomeros se denominan “cubiertas a la catalana”. • Forjados: Cuando el último forjado que construimos lo hacemos inclinado, con la pendiente adecuada para formar la cubierta, dicho forjado es la base de la misma, y sobre él se pone directamente el aislamiento, la impermeabilización, y finalmente el material de cubrición. Los forjados inclinados de cubierta normalmente se construyen con el mismo material que el resto de la estructura (hormigón armado o acero), ofreciendo continuidad y cohesión a la cubierta respecto al resto del edificio. • Industriales: Son cubiertas inclinadas que se construyen para edificios de tipo industrial, como pueden ser naves, fabricas, talleres, edificios de uso ganadero, etc. Se suelen construir sobre estructuras tipo “cercha”o vigas de celosía, que permiten obtener grandes superficies diáfanas sin presencia de pilares intermedios. Según el material de cubrición empleado en su terminación, podemos distinguir las siguientes: o Fibrocemento. Es un material de cubrición compuesto por una mezcla de cemento y amianto en fibras. Se presenta en planchas onduladas, que se fabrican en taller y se colocan directamente en la obra mediante un sistema patentado. Están en desuso, y son muy peligrosas a la hora de trabajar sobre ellas por que tienen rotura frágil. o Metálicas: Son las que se utilizan en la actualidad, pueden estar acabadas en chapa galvanizada o zinc. Se fabrican en taller, con dimensiones normalizadas y homologadas, colocándose en obra mediante sistemas patentados. A veces el material de cubrición lleva incorporado el aislamiento llamándose entonces “paneles sándwich”. Son más fiables para el trabajo sobre ellas que las de fibrocemento. Con objeto de dar luz natural a la nave que cubren, se fabrican paneles o chapas de tipo translúcido, que permiten el paso de iluminación a la estancia. Estos paneles se colocan en hileras y suelen estar realizados de material plástico.
208
ARCOS Y BOVEDAS
Forman una de las disposiciones arquitectónicas mas comúnmente utilizadas en la antigüedad, permitiendo realizar grandes espacios diáfanos. Su forma de trabajo es simple, recibe los esfuerzos verticales de las cargas que sobre ellos actúan, transmitiéndolos a los apoyos laterales, descomponiéndolos en dos fuerzas, unade tipo vertical, la cual es absorbida por el apoyo (pilar o muro) y otra de tipo horizontal, la cual debe ser neutralizada mediante "contrafuertes" o "tirantes". Elementos de un arco • • • • • • • • •
Estribos : macizo de fábrica entre los que se tiene el arco . Arranques: puntos de nacimiento del arco. Riñones : Zonas intermedias del arco entre arranques y clave. Timpano, enjunta o recalzado: Parte de la fábrica que descansa sobre los RIÑONES del arco hasta la altura del trasdós de la clave. Contraclaves : Dovelas a los lados de la clave. Salmeres o almohadas: Dovelas de arranque del arco. Trasdos: superficie definida por el paramento superior del arco. Intrados o sofito : Superficie definida por el paramento inferior del arco . Archivolta: Conjunto de molduras que suele decorar el frente de los arcos.
Tipos de Arco • Arcos de sillería: Las dovelas tendrán forma de cuña, con una dimensión establecida para que ajusten perfectamente y en número impar para que la clave coincida con el centro. • Arcos de fábrica de ladrillo: Son los más corrientes y usados actualmente . Según sus aparejos distinguimos: o Arco aparejado: Los ladrillos siguen el mismo aparejo que los estribos . o Arco roscado: Los ladrillos se colocan a sardinel (caja hilada - rosca) . o Arco tabicado: Los ladrillos se colocan según su tabla a soga. 209
• Arcos de ladrillos reforzados con piedras: Arcos poco corrientes que emplean dovelas de piedra en arranques, clave y tercios, con el fin de reforzar y ampliar la trabazón entre las fábricas del muro y del arco. • Arcos de mampostería: Destinados a obras de poca importancia, rústicas o rurales. • Arcos de hormigón: Destinados a la construcción de puentes, revestimiento de túneles y, en general, obras de ingeniería. • Dintel: Elemento estructural horizontal recto y portante situado sobre el vano de un muro. Cuando el dintel no es una pieza única sino que está hecho con ladrillos, se pueden construir numerosos tipos de dinteles . • Arco adintelado: Dintel recto construido con ladrillos normales con sus juntas convergentes, (escopetas en forma de cuña) radiales y dirigidas a un centro situado en el eje del hueco (a una distancia de 1,5 veces la luz del hueco).
ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS DE UNA EDIFICACION
Como el título indica, todos los elementos contenidos en este apartado son complementarios y por lo tanto no vamos a estudiarlos. La distribución de ventanas, puertas, solados, revestimientos, tabiquería o instalaciones en general, dependerán del tipo y usos del edificio. Los únicos elementos complementarios a los que haremos mención son a los de cerramiento exterior. Los entramados sólo cumplen la función de sustentación soportando y transmitiendo las cargas, pero no las de cerramiento o separación de espacios. CERRAMIENTO EXTERIOR Puede ser de ladrillo de fabrica. El cerramiento se realiza mediante fábricas de poco espesor o tabicados (ladrillo) que además aísla térmica, acústica y visualmente el interior de la edificación, dejando sólo huecos de luz, ventilación y vistas, dependiendo de la decoración externa y el uso del cerramiento en cuestión. Los muros cortina es una forma de cerramiento exterior que permite obtener fachadas continuas en sentido vertical (cortina) formado por módulos que se fijan a una estructura propia sujeta al cerramiento vertical. Se pueden diferenciar tres partes: • Estructura metálica del muro cortina 210
• Paneles transparentes • Paneles opacos. Tanto unos paneles como otros cumplirán las funciones de resistencia, aislamiento y decoración. • Resistencia: Al choque, durabilidad, agentes atmosféricos, fuego,. .. • Aislamiento : Térmico, acústico y lumínico. • Decoración: Acabados, colocación, limpieza y revisión. ACABADOS Son los trabajos finales que completan y dejan a una construcción lista para su uso, dotándole de condiciones de habitabilidad idóneas, así como condiciones estéticas adecuadas para su puesta en funcionamiento. Los más importantes son: Pinturas Llamamos pinturas a una composición de pigmentos y otros componentes químicos, que se aplica en forma líquida, pasando posteriormente a estado sólido. Sirve para terminar paramentos verticales, horizontales, fachadas, etc. Se aplican manualmente mediante pinceles o rodillos, o mecánicamente mediante sistemas de aplicación industrial. Existen infinidad de ellas, aplicables a distintas situaciones y trabajos. Distinguiremos las siguientes: • Pintura al temple: Utiliza colores templados, en agua mezclada con cola, se emplea para acabados de paramentos horizontales y verticales, en interiores. Existen dos tipos de pintura al temple, Temple liso: Cuando el acabado no tiene rugosidades ni resaltos, requiere una preparación previa del paramento para evitar que se vean posibles defectos del mismo. Temple gotelé: Cuando el acabado es granulado, este granulado se consigue mediante la proyección de gotitas, de mayor o menor grosor, sobre el paramento. Se puede aplicar manualmente, pero en la actualidad siempre se requieren medios mecánicos (compresores). • Plásticas: Son aquellas que contienen un porcentaje variable de resinas sintéticas, que le dan características de mayor resistencia a la humedad, por lo que son lavables. Se utilizan en paramentos de cuartos húmedos (cocinas y baños), locales que necesiten lavarse con regularidad (establecimientos sanitarios e industriales), y en general en todos aquellos lugares que requieran una gran exigencia de higiene. • Exteriores: Son pinturas de alta resistencia mecánica, y a los agentes atmosféricos, que se utilizan en paramentos exteriores, urbanización, soleras, etc., la más utilizada es la pintura acrílica, cuya característica principal es que el aglutinante está hecho a base de resinas acrílicas. Se puede presentar en distintos colores y formas, así como diferentes espesores, en función de las necesidades que deba superar. • Pinturas al esmalte: Son las que tienen entre sus componentes derivados del aceite, al que se agregan resinas sintéticas. Se aplican en carpinterías, tanto de madera como metálicas, en interiores y exteriores. • Pinturas especiales: Son todas aquellas que se utilizan en determinados trabajos que requieren alguna característica especial; podemos mencionar las siguientes:
211
o Al clorocaucho: Es una pintura al esmalte, cuya base de resinas se basa en el caucho, obteniendo una gran estanqueidad y resistencia a los agentes químicos. Se utiliza en piscinas, depósitos, recipientes industriales, etc. o De creosotas: Se utilizan para recubrir madera a la intemperie, como apeos, carpinterías, y en general todos aquellos elementos de madera que deben permanecer largo tiempo en el exterior. o Intumescentes: Forman una película espumosa, que al contacto con el fuego se expanden formando una capa de gran volumen que protege al elemento sobre el que está colocada del calor y del fuego. Se utilizan en protección contra incendios de estructuras metálicas, sobre todo si son vistas. Se clasifican según el tiempo que resisten al ataque del fuego. Solados Son los elementos contractivos que revisten los paramentos horizontales pisables. (pisos). Los hay continuos, en baldosas, en rollos etc. Distinguiremos los siguientes: • Cerámicos: Se fabrican en forma de baldosa de distintos espesores y tamaños, así como diferentes acabados en función del tipo de superficie a cubrir. Se utilizan tanto en exteriores como en interiores, existiendo multitud de ellos, pueden ser de barro cocido, de loza, de porcelana, etc. • De madera: Solados provenientes de diferentes tipos de madera, se utilizan en forma de tablas y tablillas, tanto en interiores (parquet y tarima flotante), como en exteriores (suelos de madera de teka y otros). Requieren una preparación previa del suelo donde se van a colocar, sobre todo una nivelación adecuada. • Industriales: Son aquellos solados que necesitan alta resistencia a la abrasión, resistencia mecánica, durabilidad, y en general todos aquellos requerimientos de la industria. Suelen ser continuos de fabricación “in situ”, y se realizan a la vez que el pavimento que lo sustenta (soleras o losas). Los hay terminados en resinas “epoxi”, que han recibido un tratamiento superficial químico, que les dota de gran resistencia y durabilidad. Si necesitan resistencia estructural se pueden armar mediante mallas de acero o fibra de vidrio. Se pueden pintar y su limpieza debe ser fácil y continua. • De exteriores: Son los que se utilizan para las aceras exteriores. Se fabrican en baldosas de cemento de dimensiones variables. Son de color gris (aunque pueden tener otros colores) y tienen alta resistencia mecánica y a la intemperie. Se colocan sobre una cama de mortero semi-seco. Alicatados Son revestimientos de los paramentos verticales. Se fabrican en baldosas de distintos tamaños y colores, tanto para interiores como para exteriores. Normalmente se colocan en cuartos húmedos en forma de baldosa o baldosín. Si es en exteriores se colocan en forma de placas, ancladas a la estructura mediante rastreles metálicos, estas placas son de dimensiones variables, normalmente no superiores a un metro cuadrado de superficie.
212
ELEMENTOS DE ENLACE: ESCALERAS
Son elementos de la construcción que sirven de comunicación a las distintas plantas de un edificio. También pueden servir de acceso a un edificio, en cuyo caso se denominan escalinatas. Están compuestas por: • Estructura sustentante: Peldaños, meseta, barandilla, etc. Es la que recibe las cargas que gravitan sobre la escalera y las transmite al resto de la estructura del edificio. • Estructura de la escalera: Pueden apoyarse sobre un muro (muro de caja de escalera) o sobre un entramado y se llaman zancas, que pueden formar parte o no como elemento resistente del entramado del edificio. El espacio que queda libre entre los elementos sustentantes verticales y horizontales en las que se apoya se denomina hueco de caja de escalera.
• Peldaño : Es el elemento de la escalera que permite avanzar por ella ascendiendo o descendiendo y está compuesto de dos partes, una horizontal que se llama huella, que sería la que permite avanzar y tabica o contra huella que es la que permite ascender o descender .
213
Las dimensiones de huella y tabica deben cumplir ciertas condiciones para que se pueda subir o bajar cómodamente. 1 huella + 2 tabicas = 63 6 64 cm. La altura más favorable de una tabica es de 17 cm, a la que correspondería una huella de 29 ó 30 cm. 1 huella = 63 - 2 x 17 = 34; 63 - 34 = 29 cm. 1 huella= 64-2x 17 =34; 64 - 34 = 30 cm. • Barandillas son elementos de protección o quitamiedos, dando seguridad y sirviendo de ayuda para el ascenso o descenso. La altura de la barandilla debe ser de 90 cm. • Cabezada: Es la altura entre el borde de un peldaño y el techo que tiene por encima. Deberá tener por lo menos: 2, 10 m como mínimo y 1, 80 m en escaleras secundarias. Un tramo de escalera para que sea cómodo tendrá: • Tabicas de menos de 15 cm = 14 a 18 peldaños • Tabicas de más de 15 cm = 8 a 14 peldaños Si no cumple esta condición dispondrán de descansillos (mesetas).
BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA Dirección General de Protección Ciudadana de la Comunidad de Madrid. Manual del cuerpo de bomberos de la Comunidad de Madrid. MF0402_2: Control y Extinción de Incendios. SEPEI de Cáceres. Nociones sobre edificación. Temario de Bomberos del Ayuntamiento de Madrid. Partes fundamentales de un edificio. VVAA. Composición Constructiva de un edificio. Real Decreto 1247/2008, de 18 de julio de Instrucción de Hormigón Estructural EHE 2008. 214
CONCEPTO DE ELECTRICIDAD. INTENSIDAD, RESISTENCIA, TENSION, POTENCIA. RED DE ELECTRICIDAD. TRANSPORTE Y DISTRIBUCION. CENTROS DE TRANSFORMACION. INSTALACIONES INTERIORES EN EDIFICIOS. ELEMENTOS DE PROTECCION.EFECTO DE LA ELECTRICIDAD EN EL CUERPO HUMANO.
CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD
La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y de todos los dispositivos electrónicos.
LOS ATOMOS
Para comprender el concepto de electricidad, tenemos que hablar antes del átomo. Como todos sabemos, todo lo que se existe en el universo está formado por materia, la materia a su vez está formada moléculas y las moléculas por átomos. El átomo es la partícula más pequeña de un cuerpo simple y su estructura está formada por una parte central que se llama núcleo. En él está concentrada la mayor parte de la masa del átomo. El núcleo está formado por partículas aún más pequeñas que están cargadas eléctricamente, denominadas protones (partículas eléctricamente positivas) y neutrones (partículas eléctricamente neutras). Alrededor de este núcleo giran una o más partículas más pequeñas, con cargas eléctricas negativas llamadas electrones. Los electrones se mueven alrededor del núcleo y están ligados a éste por fuerzas de naturaleza nuclear.
215
CARGA ELECTRICA
La carga eléctrica es una propiedad que poseen algunas partículas subatómicas como el protón y el electrón y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (C) y se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio. Coulomb determinó que la magnitud de la fuerza con que se atraen o repelen dos cargas eléctricas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de las magnitudes de cada carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Donde q1 y q2 son las cargas, r es la distancia que las separa y la constante de proporcionalidad k, que depende del sistema de unidades.
CORRIENTE ELECTRICA
La corriente eléctrica es el movimiento de electrones a través de un conductor eléctrico como puede ser un cable o una persona como consecuencia de existir una diferencia de potencial entre los extremos del conductor, por asociarlo de alguna manera con un símil hidráulico para entenderlo mejor, podríamos decir, que la corriente eléctrica podría representar la circulación de agua a través de las mangueras (conductores) y las propias moléculas del agua serían en este símil los electrones.
216
INTENSIDAD ELECTRICA
La intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios/segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán. En nuestro símil hidráulico, la intensidad sería el caudal de agua que circula por las mangueras de nuestro “circuito”.
TENSION O DIFERENCIA DE POTENCIAL
La tensión eléctrica o diferencia de potencial (ddp) (en algunos países también se denomina voltaje) es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Para que una corriente eléctrica circule a través de un cable o del cuerpo de una persona es necesario que exista una diferencia de potencial o sea que exista dos puntos a distinto nivel eléctrico. Para entender la diferencia de potencial o tensión vamos a tomar una manguera, la llenamos de agua y colocamos los dos extremos a la misma altura (en forma de U), la altura de un extremo al suelo será Va y la del otro Vb, observamos que el agua no sale porque cuando los dos extremos están a la misma altura la diferencia de altura será Va – Vb = 0.
Esa diferencia de altura comparándola con un sistema eléctrico es lo que se conoce como diferencia de potencial o tensión, en este caso la corriente que es el agua del interior de la manguera no puede circular al estar los dos puntos a la misma altura, en este caso los dos puntos están al mismo potencial. Si ahora cogemos un extremo de la manguera y lo colocamos en el suelo, la altura de este extremo será en este caso 0 por el hecho de estar sobre el suelo, la diferencia de potencial o tensión ahora va a ser: Va – 0 = Va. Al existir diferencia potencial circula la corriente o en este símil el agua correría por la manguera.
217
Un ejemplo típico es el pájaro que esta posado sobre un solo cable eléctrico, al estar solo en un cable su cuerpo esta al mismo potencial o tensión que el cable y no circula la corriente por él, no sufriendo ningún percance. Sin embargo si éste pone una pata en un cable y otra en otro, la corriente podría circular a través de él al existir una diferencia de potencial entre ambos cables y podría morir electrocutado. En electricidad el suelo o tierra se considera que está a 0 voltios, por lo que entre cualquier cable en tensión y el suelo existe diferencia de potencial, de ahí que sea peligroso utilizar aparatos eléctricos descalzo (por ejemplo el secador de pelo). Por este motivo, tanto en los cables de nuestra casa, como en la batería de nuestro coche, debe haber un cable positivo que tiene una tensión V (230V en nuestra casa y 12V en el coche), y un conductor neutro o un cable negativo que tiene tensión 0, para que pueda circular la corriente entre ambos polos. La diferencia de potencial desde ahora la llamaremos tensión, se mide en voltios y se representa por la letra V. Cuando se emplee unidades mayores se utilizan unidades de kilovoltios, un kilovoltio equivale a 1000 voltios y se representa por kV.
FUERZA ELECTROMOTRIZ (F.E.M)
En la batería de un coche, todos sabemos que el polo positivo tiene una tensión de 12V y el negativo una tensión de 0V. En resumen, la diferencia de potencial (ddp), será de 12V-0V= 12V. Esta diferencia de potencial está provocada por la distribución de cargas (positivas y negativas), que hay en cada polo. En esta situación, se dice que existe una “Energía potencial”. Esta energía provocará que la carga negativa (electrones), del polo negativo pase al polo positivo, igualándose las tensiones entre polos. En este “paso” de carga, se produce una intensidad de corriente (I=Q/t), la cual equilibrará las tensiones de los dos polos dejando de haber diferencia de potencial y paso de cargas posterior. La fuerza electromotriz es la energía capaz de mantener la diferencia de potencial entre dos puntos para que haya intensidad de corriente. En el caso de la batería, gracias a una reacción química, tiene una fuerza electromotriz capaz de mantener los 12V en el polo positivo y 0V en el negativo. En nuestro símil hidráulico, la F.E.M sería la bomba centrífuga que mantiene la presión (ddp) en el circuito hidráulico. 218
RESISTENCIA
La resistencia es la dificultad que opone un conductor a ser atravesado por la corriente eléctrica. En nuestro símil, la resistencia estaría representada por el rozamiento del agua con las paredes de la manguera, los pliegues que pudiera haber, o cualquier objeto que coloquemos en su camino (por ejemplo un generador de espuma o un proporcionador que “ralentizan” el paso del agua a su paso, transformándose en otro tipo de energía. En un circuito eléctrico, la electricidad pasa por una resistencia (por ejemplo una bombilla o estufa) que dificulta la circulación de la corriente, generando en este caso luz y calor respectivamente. Si cuando existe diferencia de potencia quitamos la resistencia, la intensidad que deja pasar es toda la que la fuente de tensión sea capaz de producir, este caso la resistencia vale 0, se produce un fenómeno llamado cortocircuito que consiste en unir dos cables eléctricos entre los cuales existe una diferencia de potencial sin que exista resistencia alguna entre ellos. Si ahora sometemos la manguera en carga a una mayor presión de la que puede soportar termina rompiéndose, si por un cable eléctrico hacemos pasar una intensidad mayor que la que su aislamiento exterior puede soportar este termina quemándose por sobrecarga. Los conductores eléctricos son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones (cobre, aluminio, etc.). Los materiales dieléctricos son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes (vidrio, cerámica, plásticos, goma, mica, cera, etc.).
Símil Hidráulico
219
LEY DE OHM
La ley de Ohm describe la relación existente entre la intensidad de corriente que circula por un circuito, la tensión de esa corriente eléctrica y la resistencia que ofrece el circuito al paso de dicha corriente: la diferencia de potencial (V) es directamente proporcional a la intensidad de corriente (I) y a la resistencia (R). Se describe mediante la fórmula:
CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA
La corriente eléctrica, que generan las fuentes o generadores puede ser continua o alterna. La corriente continua no varía el sentido de movimiento en función del tiempo. Es decir, el sentido de circulación de los electrones permanece constante en el tiempo.
Corriente Continua En la corriente alterna, sin embargo, los electrones cambian de sentido un determinado número de veces cada segundo, dependiendo de la frecuencia.
Al mismo tiempo la corriente alterna puede ser monofásica o trifásica. La monofásica se llama así porque sólo tiene una fase, es decir un cable cargado eléctricamente. La trifásica como su nombre indica contiene tres fases cargadas. 220
Las fuentes de corriente continua son: las pilas, acumuladores electrolíticos y las dínamos. La corriente alterna se genera en unas máquinas eléctricas denominadas alternadores
POTENCIA Y ENERGIA
Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer el concepto de “energía”, que se define como la capacidad que tiene un dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. Cuando conectamos un equipo eléctrico a una fuente de tensión, como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una bombilla de alumbrado, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria, de acuerdo con la definición de la física que nos dice que “la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”. La Potencia entonces, es la intensidad que ha circulado por un circuito eléctrico sometido a una diferencia de potencial o tensión, se representa con la letra “P”, se mide en vatios (W) o en kVA (kilovoltamperios). Este concepto podríamos asociarlo con la presión que nos suministra una bomba centrifuga. La energía sin embargo se refiere a la potencia por unidad de tiempo. Es lo que miden los contadores eléctricos normalmente lo hacen el kilowatios hora. En electricidad de define la Potencia como el producto del voltaje por la intensidad que circula por un circuito. El voltaje o la intensidad pueden ponerse en función de la resistencia del circuito, según la Ley de Ohm, surgiendo las siguientes tres expresiones para dicha potencia:
Se define la energía eléctrica al producto de la potencia por el tiempo:
221
EFECTOS TÉRMICOS DE LA ELECTRICIDAD
Cuando un conductor es recorrido por una corriente eléctrica éste se calienta debido a la resistencia que ofrece al paso de la electricidad. Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto fue definido de la siguiente manera: "El calor generado por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como
Donde Q es el calor en Julios (J), I2 es la intensidad al cuadrado, R la resistencia y t el tiempo que dura la corriente. En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.
Se conoce como Efecto Thomson a una propiedad termoeléctrica descubierta por William Thomson en 1851 en la que se relacionan el efecto Seebeck y el efecto Peltier. Así, un material (excepto los superconductores) sometido a un gradiente térmico y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, una corriente eléctrica es generada por el material sometido a un gradiente térmico y recorrido por un flujo de calor. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier con respecto al efecto Thomson es que éste último existe para un solo material y no necesita la existencia de una soldadura.
222
CIRCUITO ELÉCTRICO
Para que se produzca el fenómeno de la electricidad, ya hemos dicho que tiene que haber una diferencia de potencial y un material por el cual fluya la intensidad de corriente. El caso más primitivo de la electricidad es la tormenta. En el caso de la tormenta, existe una diferencia potencial entre la nube y la tierra, y existe un medio por el cual puede ir la intensidad de corriente, el aire. El rayo, no es más que la intensidad de corriente, el paso de cargas negativas de la nube a la tierra. Se ha producido el fenómeno de la energía eléctrica por un instante. Circuito en serie Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros.) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente. De esta forma si se funde o estropea uno de los dispositivos, dejan d funcionar también en los demás, ya que se interrumpe el paso de la corriente en el circuito. Siguiendo un símil hidráulico, dos depósitos de agua se conectarán en serie si la salida del primero se conecta a la entrada del segundo. Una batería eléctrica suele estar formada por varias pilas eléctricas conectadas en serie, para alcanzar así el voltaje que se precise.
En función de los dispositivos conectados en serie, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:
Circuito en paralelo El circuito eléctrico en paralelo es una conexión donde los puertos de entrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.) conectados coinciden entre sí, lo 223
mismo que sus terminales de salida. De esta forma, aunque se funda o estropee uno de los dispositivos, los demás van a seguir funcionando, ya que el circuito continuo estando cerrado y la corriente tiene un camino que seguir sin interrupciones.
Siguiendo un símil hidráulico, varias tuberías de agua conectadas en paralelo tendrán una entrada común que alimentará simultáneamente a ambos, así como una salida común que drenará a ambos a la vez. Las bombillas de iluminación de una casa forman un circuito en paralelo.
En función de los dispositivos conectados en paralelo, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:
224
RED ELECTRICA
El sistema de suministro eléctrico siempre comprende el conjunto de medios y elementos útiles para la generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Las diferentes partes de que consta el sistema de suministro eléctrico son: • Subsistema de Producción o Centrales generadoras (hidroeléctrica, térmica, nuclear, eólica, etc.) • Subsistema de Transporte o Estaciones Transformadoras Elevadoras o Líneas de 1ª Categoría (Muy alta tensión) o Subestación de transformación y distribución (Reductoras) o Líneas de 2ª Categoría (Alta tensión) o Subestaciones de transformación Reductoras • Subsistema de Distribución o Líneas de 3ª Categoría (Media tensión) o Clientes Industriales o Centros de transformación Líneas de Baja Tensión Clientes residenciales (Baja tensión)
JUSTIFICACIÓN DE LA ALTA TENSIÓN Para transportar la energía eléctrica a grandes distancias, minimizando las pérdidas y maximizando la potencia transportada, es necesario elevar la tensión de transporte. Un aumento de tensión significa una disminución de la intensidad que circula por la línea, para transportar la misma potencia, y por tanto, las pérdidas por calentamiento de los conductores y 225
por efectos electromagnéticos. A mayor tensión, menor intensidad y, en consecuencia, menor pérdida energética, lo cual es muy importante si se toma en consideración el hecho de que las líneas de alta tensión suelen recorrer largas distancias. Además, una mayor intensidad requiere de conductores de mayor sección, y en consecuencia, con un mayor peso por unidad de longitud. Por todos estos factores, se eleva la tensión de transporte, reduciendo la intensidad y abaratando los costes de transporte.
SUBSISTEMA DE PRODUCCION
El subsistema de producción es la primera parte de la red, donde la electricidad es generada. Para ellos están las centrales eléctricas, las cuales en función del método de generación pueden ser: • • • •
Centrales hidroeléctricas. Producen electricidad a partir de la energía mecánica del agua almacenada en un embalse. Centrales térmicas. Producen electricidad a partir de la energía química almacenada en un combustible (petróleo, carbón o combustibles nucleares) o a partir de la luz solar. Centrales solares fotovoltaicas. Transforman en energía eléctrica la energía luminosa procedente del Sol. Centrales eólicas. Producen electricidad a partir de la energía del viento.
Otras centrales menos empleadas son las centrales mareomotrices o las geotérmicas, que aprovechan la energía de las mareas o el calor del interior de la Tierra.
Central Térmica
226
Central Hidroeléctrica
Central Nuclear
227
Central Eólica Una vez generada la electricidad, a una tensión de entre 6 y 20 kV, se debe elevar la tensión para ser transportada, tal y como acabamos de ver. Para ello el siguiente paso es el paso de la electricidad por las Estaciones Elevadoras que aumentan la tensión hasta valores de 132 a 400 kV (Muy Alta Tensión). A partir de este punto, comienza el subsistema de transporte.
SUBSISTEMA DE TRANSPORTE
El subsistema de transporte, es la parte del sistema de suministro eléctrico, que se encarga de llevar la electricidad generada por las centrales eléctricas, hasta el subsistema de distribución, en líneas de Alta y Muy Alta Tensión. LÍNEAS DE ALTA TENSIÓN A efectos teóricos, se considera instalación de alta tensión eléctrica aquella que genere, transporte, transforme, distribuya o utilice energía eléctrica con tensiones superiores a los siguientes límites: • Corriente alterna: Superior a 1000 voltios. • Corriente continua: Superior a 1500 voltios. Por transporte en alta Tensión, en términos eléctricos, se conoce el conjunto de sistemas formados por líneas, subestaciones, transformadores, etc., cuya finalidad es la de llevar la corriente eléctrica desde las centrales hasta los transformadores de barrio que la transforman en Baja Tensión. 228
Atendiendo a los criterios establecidos por el REAL DECRETO 223/2008, de 15 de febrero, por el que se aprueba el Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en líneas eléctricas de alta tensión, las líneas de alta tensión se clasifican en los siguientes grupos: • Líneas de 1ª Categoría. • Líneas de 2ª Categoría. • Líneas de 3ª Categoría. Líneas de 1ª Categoría: Son líneas que soportan tensiones superiores a 66 kV, transportan la corriente eléctrica desde las centrales hasta las grandes Subestaciones. La gran mayoría de estas líneas pertenecen a la Red Eléctrica Nacional, son controladas por el estado, atraviesan el país de Norte a Sur y de Este a Oeste, transportando la corriente eléctrica por todo el país. Las Líneas de este tipo suelen llevar dos conductores por fase ya que casi todas las de este tipo son líneas dobles. Los conductores de cada fase pueden ser dobles, triples o cuádruples si llevan de dos a cuatro hilos por fase. Para distinguir una línea de 1ª Categoría nos tendremos que fijar en su altura, son las más altas, suelen llevar un cable de protección contra rayos que se llama hilo de guarda y por los aisladores de vidrio que suele llevar para sustentar el cable en los postes, por regla general suelen llevar más de seis aisladores de vidrio. Las tensiones más utilizadas en esta categoría son 132, 220 y 400 kV. Líneas de 2ª Categoría: Son Líneas cuya tensión está comprendida entre 66 y 30 kV, transportan la corriente eléctrica desde las grandes Subestaciones hasta las pequeñas y medianas subestaciones. Las Líneas de este tipo pueden ser aéreas, y subterráneas en algunas ciudades, algunas aéreas llevan dos conductores por fase, las sencillas suelen llevar un solo conductor por fase. Las subterráneas se distinguen por el color rojo de sus cables o color marrón de las líneas antiguas de aceite. Por regla general suelen llevar cuatro o más aisladores de vidrio, hasta seis que se considera de ya línea de 1ª Categoría. La tensión más utilizada en esta categoría es la de 66 kV. Líneas de 3ª Categoría: Son líneas de tensión inferior a 30 kV y superior a 1000 voltios, proceden de las pequeñas y medianas subestaciones, su finalidad es alimentar los transformadores de barrio o industriales. No llevan hilo de guarda, este tipo de líneas es aéreo por las zonas rurales o agrícolas, por las ciudades discurre de forma subterránea. Existen modelos de este tipo de líneas dobles y sencillas. Al ser las líneas que discurren por las zonas más pobladas y al estar colocadas sobre apoyos más bajos son las que más intervenciones pueden ocasionar a los servicios de bomberos. Se distinguen por una altura baja de los postes y por llevar un número de aisladores de vidrio siempre inferior a tres. La Tensión más utilizada de este tipo es de 20 kV.
229
A efectos teóricos la Tensión Nominal, se define como “Valor convencional de la tensión eficaz entre fases con que se designa la línea y a la cual se refieren determinadas características de funcionamiento. Se designa con la letra Un y se expresa en kV”. Por otra parte la Tensión más elevada, se define como “Mayor valor de la tensión eficaz entre fases que puede presentarse en un instante, en un punto cualquiera de la línea, en condiciones normales de explotación, se designa como la letra U0 y se expresa en kV.” El valor de la frecuencia de la red, para toda Europa y gran parte del mundo, a excepción de América, es de 50 Hz. Este reglamento, define como Líneas Aéreas de Alta Tensión, “Todas aquellas líneas de corriente alterna trifásica a 50 Hz de frecuencia, cuya tensión nominal eficaz entre fases, sea superior a 1 kV.” Respecto al número de fases empleado, tal y como se indica en la definición, para alta tensión será de 3 fases (trifásica), empleando la corriente monofásica, solamente para instalaciones de baja tensión. Aunque ya hemos visto las tensiones mas utilizadas en alta tensión, en la siguiente tabla podemos ver de forma global, todas las tensiones de servicio utilizadas en todos los tipos de líneas en función de su uso en la red de suministro eléctrico.
Elementos de las líneas de transporte Los elementos fundamentales de las líneas de transporte de electricidad son: • Conductores: Pueden ser de cualquier material, aunque normalmente son de aluminio con alma de acero para soportar mayor resistencia mecánica. Se transportan únicamente las 3 230
fases. El neutro no se transporta nunca. Son cables desnudos, es decir, no llevan aislamiento. Las líneas de alta tensión llevan un número de conductores de 3 o múltiplo de 3 y 1 o 2 conductores de guarda. Por otra parte las líneas de media tensión también llevan conductores de 3 o múltiplo de 3, pero no llevan conductores de guarda. • Aisladores: Pueden ser de porcelana o vidrio, si bien, la porcelana se está usando cada vez menos. Una forma de saber orientativamente la tensión de una línea, es contar el número de aisladores. Más o menos, cada aislador equivale a 10kV.
NUMERO DE AISLADORES EN FUNCION DE LA TENSION DE TRANSPORTE TIPO DE LINEA TENSION Nº DE AISLADORES 380 kV 22 Muy Alta Tensión 220 kV 16 132 kV 12-13 66 kV 6-7 Alta Tensión 45 kV 4-5 20 kV 2-3 Media Tensión 15 kV 2-3
• Apoyos: Pueden ser metálicos, de hormigón o de madera. Los apoyos metálicos están conectados a tierra, es decir, su potencial es cero voltios. Los apoyos metálicos se suelen utilizar para todo tipo de líneas, en cambio, los de madera hormigón no se suelen utilizar para tensiones mayores de 66kV. 231
Diferentes soportes para las líneas eléctricas
ESTACIONES Y SUBESTACIONES TRANSFORMADORAS La corriente eléctrica se va reduciendo de tensión según se va acercando a los centros de consumo en unas instalaciones específicas que son: 232
• Subestación transformadora: En ella se realiza una primera transformación de la corriente. Se suele pasar de líneas de 1ª categoría a líneas de 2ª categoría. • Subestaciones transformadoras de reparto: Son subestaciones transformadoras en menor escala que las anteriores en las cuales se realiza una segunda transformación (De 2ª a 3ª categoría) para poder entrar ya a las poblaciones con tensiones más bajas (MT). También se puede establecer una diferencia en la nomenclatura en función de la tensión que entra: • Estación Transformadora: La Tensión que entra es mayor de 66 KV • Subestación Transformadora: La Tensión que entra es igual o menor a 66 KV
En cualquier caso, tienen, interruptor automático de corte (disyuntor) en hexafluoruro de Azufre (SF6) o aceite. Tienen seccionador (desconectador) de tipo tripolar.
SUBSISTEMA DE DISTRIBUCION
La Red de Distribución de la Energía Eléctrica o Sistema de Distribución de Energía Eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico cuya función es el suministro de energía desde la subestación de distribución hasta los usuarios finales (industria y residencial). Los elementos que conforman la red o sistema de distribución son los siguientes: 233
• Subestación Transformadora de Distribución: conjunto de elementos (transformadores, interruptores, seccionadores, etc.) cuya función es reducir los niveles de alta tensión de las líneas de transporte hasta niveles de media tensión para su ramificación en múltiples salidas. • Red Primaria o red de reparto. • Red Secundaria o red pública de distribución (MT/BT). La distribución de la energía eléctrica desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas: La primera está constituida por la red de reparto, que, partiendo de las subestaciones de transformación, reparte la energía, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas entre 45 y 132 kV. Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución, encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión. La segunda etapa la constituye la red pública de distribución de media y baja tensión, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una característica muy radial. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.), uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensión.
234
CENTROS DE TRANSFORMACION El centro de transformación se define como “Instalación provista de uno o varios transformadores reductores de alta a baja tensión con la aparamenta y obra complementaria precisas”. La función de los centros de transformación es distribuir la energía eléctrica a diferentes tensiones, en función de los requerimientos de los usuarios. Normalmente se hayan instalados entre las subestaciones transformadoras de distribución y los abonados.
La misión de un centro de transformación es reducir la tensión de media tensión a los niveles de utilización en baja tensión. A los centros de transformación llegan 3 cables, las 3 fases, en alta tensión (normalmente 20kV). Dentro de este centro, un transformador de tensión, reduce la tensión hasta los valores de consumo de BT (400/230V o 230/127V), y además, ya salen 4 cables (3 fases y neutro), es decir, el neutro “nace” en los centros de transformación. El neutro suele ir unido a tierra, es decir, su potencial será aproximadamente cero voltios. El artículo 47, apartado 5 del RD 1955/2000, indica la necesidad de reservar un local en los edificios cuya potencia supere los 100 kW (incluidos los alumbrados exteriores). CLASIFICACION Los centros de transformación (en adelante CT), se pueden clasificar en función de su alimentación, propiedad, emplazamiento y acometida. Según su alimentación: • CT alimentado en punta: Únicamente dispone de una línea de alimentación y está conectado en derivación de la red principal o bien constituye el final de ésta. • CT alimentado en paso: También se conoce como CT alimentado en anillo o en bucle. Dispone de una línea de entrada y una de salida hacia otro centro. 235
Pueden tener un punto en el que es posible seccionar la red de AT. Según su propiedad: • CT de empresa: Como su nombre indica, este CT es propiedad de la empresa suministradora, por lo que parten de él las redes de distribución en BT. Dispone de una o varias celdas de línea y una celda de protección por cada transformador. • CT de abonado: Es propiedad del cliente y su tensión de alimentación está condicionada por la red de la empresa suministradora en la zona del cliente. Existen dos versiones: o CT con equipo de medida en BT o CT con equipo de medida en MT
Según su emplazamiento: • CT de intemperie o aéreo: Transformador de potencia no superior a 160 kW, protegido por fusibles y seccionadores y todo ello montado sobre apoyo de hormigón o metálico. Esta clase de CT, no requiere edificios específicos. Se utiliza en zonas rurales, suministros provisionales o clientes aislados. • CT de interior: Se ubica en recintos cerrados y existen dos tipos: o De superficie: a nivel de la calle o Subterráneo: bajo el suelo Según la acometida: • CT con acometida aérea: la corriente llega a través de una línea aérea de MT. • CT con acometida subterránea: la corriente llega a través de una línea subterránea de MT. Según la obra civil: • CT convencional: En el interior de un recinto de piedra, hormigón, etc. (en desuso) • CT compacto semi-enterrado: Incorpora la aparamenta de MT, con aislamiento y corte en gas hexafluoruro (SF6), transformador, cuadro de BT y elementos de interconexión. La aparamenta y el cuadro de BT son accesibles desde el exterior, mediante unas puertas independientes. • CT compacto de superficie: Centro de estructura monobloque para su instalación en superficie. • CT de maniobra: Se emplea en redes de MT. Con estructura monobloque para su instalación en superficie. Incorpora tres celdas de interruptor en carga de 24 kV con aislamiento en SF6. • CT prefabricado: Son muy utilizados. Pueden ser de superficie o subterráneos: 236
o CT prefabricado de superficie: Constan de una envolvente de hormigón de estructura monobloque. Incorporan hasta dos transformadores con una potencia unitaria máxima de 1000 kW. o CT prefabricado subterráneo: Pueden ser utilizados en distribución eléctrica hasta 36 kV e incorporan un transformador con una potencia máxima de 1000 kW. CONSTITUCION BASICA DE UN TRANSFORMADOR Los CT, en función de su número de transformadores, pueden ser: • CT con equipo transformador sencillo: se compone de celdas de línea, celdas de protección, transformador y cuadro de BT. • CT con equipo transformador en doble: se compone de celdas de línea, DOS celdas de protección, DOS transformadores y DOS cuadros de BT.
Dentro de un centro de transformación nos encontramos en la práctica tres partes: • Zona de alta: Comprende la celda de línea de alta tensión, con elementos de protección como seccionadores e interruptores. Las líneas siempre entran en el centro a través de un fusible. • Transformador: Está protegido en el interior de su celda. • Zona de baja: Comprende la línea de BT (baja tensión), y el cuadro de protección de la línea de BT.
237
Elementos Transformadores El elemento principal del Centro de Transformación es el transformador, o en algunos casos, autotransformador. Un centro de transformación puede tener uno o más transformadores, no existiendo limitación en la potencia total del centro. Generalmente, cada transformador alimenta a un conjunto de líneas, siendo raros los casos en los que las máquinas trabajan en paralelo.
Se compone de: • Pasatapas de MT: Su función consiste en conectar las bobinas del transformador de distribución con la red de llegada de MT, para lo cual tienen que atravesar la tapa de la cuba del transformador. • Pasatapas de BT: Conectan las bobinas del transformador, con la red de salida de BT. • Cuba: Es un depósito que contiene el líquido refrigerante (normalmente aceite) en el que van inmersos el núcleo y las bobinas del transformador, actuando como aislante y refrigerante. • Depósito de expansión: Sirve de cámara de expansión para las posibles dilataciones del aceite con los cambios de temperatura. • Indicador del nivel de aceite. • Desecador: tiene como misión secar el aire que entra al transformador. • Varios: Termostatos, placa de características, ruedas, etc. Celdas • Celda de entrada de línea: Son celdas que reciben las líneas desde el exterior del centro. Están equipadas con un interruptor o un interruptor-seccionador. A pesar de su nombre, pueden realizar la función de entrada o salida de línea. • Celda de seccionamiento: En ella se encuentran los elementos de apertura de las diferentes líneas de tensión. En cuyo caso podría observarse un corte visible del mismo. 238
• Celda de remonte: Permite subir los cables hasta el embarrado general, dotándolos de una mayor protección mecánica. • Celda de medida: Estas celdas alojan en su interior los transformadores de medida, de tensión e intensidad. Estos transformadores convierten los valores de las magnitudes eléctricas (tensión e intensidad) propias de la línea a valores manejables por los equipos de medida (100 V y 5 A). • Celda de protección de transformador: Son celdas dotadas con interruptor-seccionador automático con fusibles. Protege al transformador mediante relés indirectos que actúan sobre la bobina de disparo del interruptor. La protección frente a cortocircuitos la realizan los fusibles. • Cuadro General de Baja Tensión: están compuesto por un módulo superior de medida con transformador de intensidad y transformador de tensión, un módulo de protección y un módulo de conexión.
TIPOS DE REFRIGERACION • Transformadores secos: Son aquellos que por sus características constructivas no necesitan un refrigerante líquido para disipar el calor que se produce al transformar la electricidad. • Transformadores refrigerados con aceite: Son aquellos que necesitan un refrigerante para disipar el calor generado por la transformación de las tensiones. Llevan un depósito en cuyo interior el refrigerante y un circuito de radiadores para intercambiar el calor. Líquidos refrigerantes de los transformadores Las misiones de los líquidos refrigerantes son fundamentalmente dos: aislar y refrigerar. Los líquidos refrigerantes más utilizados son:
239
Aceite mineral: Procede de la destilación del petróleo y tiene su punto de inflamación a partir de los 140 ºC. Se identifican con una franja de color amarillo. Piraleno (PCB): Es un líquido no inflamable (piroliza a partir de 600 ºC), de la familia de los policlorobifénilos, muy contaminante que no es biodegradable y que se ha utilizado en la fabricación de transformadores y condensadores. Actualmente no se fabrican transformadores con este refrigerante aunque los hay instalados que siguen en servicio. Es muy importante extremar las precauciones con el piraleno para evitar la inhalación, ingestión o absorción y el derrame en el medio ambiente. Se identifican con una banda de color blanco o una franja doble de color amarillo (superior) y blanco (inferior). Aceite silicona: Es el líquido refrigerante que ha sustituido al piraleno estando su punto de inflamación a partir de los 300 ºC. Se identifica con una franja superior amarilla y una franja inferior de trazos amarillos y blancos. En general, el líquido refrigerante viene indicado en una placa de características del transformador o del condensador. También pueden ser secos, aislados y embebidos en resina epoxi.
DISTRIBUCIÓN EN BAJA TENSIÓN
La corriente eléctrica que se consume, se hace habitualmente en baja tensión. Existen consumos en media tensión (procesos industriales, RENFE, metro, etc.), que necesitan gran potencia y no transforman la tensión en baja, sino que la toman directamente de la red de media tensión. Decíamos, en apartados anteriores, que la corriente llega a los centros de transformación a través de las líneas de MT o de 3ª categoría con las tres fases. En estos centros se transforma y su salida nos proporciona la corriente en BT. La distribución de energía eléctrica en 400V se efectúa generalmente a través de 4 conductores: 3 fases y 1 neutro. Tensiones de utilización • Baja Tensión Especial: 500 a 1000 V • Baja Tensión Usual: 50 a 500 V o Con 3 conductores: 230 V entre fases. o Con 4 conductores: 400 V entre fases / 230 V entre fase y neutro. • Baja Tensión Pequeña: < 50 V 240
Estos constituyen lo que se llama la red de distribución pública en BT, que une el centro de transformación con todos los consumos.
TIPOS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN Dependiendo del emplazamiento y la disposición de los conductores, las redes de distribución de BT pueden ser: • Aéreas: o Convencionales: los cables van desnudos separados una cierta distancia. El cable inferior, siempre será el neutro. Estos conductores van soportados en aisladores de porcelana o de vidrio anclados a diversos tipos de apoyos (metálicos, de hormigón o de madera) a lo largo de su recorrido. Los conductores suelen ser de cobre. o Aisladas en haz trenzado: Se trenzan los 4 cables en un manojo. Todos llevan aislante. Al igual que las líneas convencionales, van sujetas a los apoyos, pero ya no con aisladores. • Subterráneas: Se usan habitualmente en casi todos los cascos urbanos de las ciudades, coincidiendo con las líneas aéreas de haz trenzado. Las líneas aéreas convencionales, sólo se ven en zonas rurales, o pueblos pequeños. Las líneas subterráneas tienen los conductores constituidos por cables de varios alambres de cobre o aluminio con aislamiento y cubierta perimetral. Pueden ir en varias formas: o Enterados en una zanja a un profundidad entre 0,40 y 0,60m y señalizados con una cinta amarilla por encima. Suelen ir por debajo de las aceras. o Bajo tubo: van metidos en un tubo metálico o plástico el cual va fijado a las paredes, sobre bandeja, etc. o Por túneles o galerías: Es una forma muy usual en las grandes ciudades. Los cables suelen ir fijados a las paredes o sobre bandeja. La disposición de la línea puede ser en conductores unipolares (agrupados en “ternas” de 4 cables unidos con bridas), o en una manguera tripolar o cuatripolar con los conductores aislados entre si y protegidos con una cubierta aislante (exteriormente, sólo se ve un cable bastante grueso).
ESQUEMAS DE DISTRIBUCION El Esquema de conexión a tierra, ECT (también conocido como Régimen de Neutro) especifica la forma en la que se relacionan el secundario del transformador Media Tensión-Baja Tensión y las masas metálicas con el potencial 0 (Tierra) en una instalación eléctrica. Todos los esquemas, en combinación con otros dispositivos de protección, garantizan la seguridad de las personas frente a los contactos indirectos debidas a fallos de aislamiento. Su principal diferencia radica en la continuidad del suministro eléctrico. 241
Los esquemas de conexión a tierra están regulados por el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT), aprobado por Real Decreto del 2 de agosto de 2002, en su Instrucción Técnica Complementaria ITC-BT-08, "Sistemas de conexión del neutro y de las masas en redes de distribución de energía eléctrica."
Elección de un esquema de distribución Generalmente, y en la red de distribución pública en Baja Tensión Española, así como en las instalaciones conectadas a ella, se empleará el esquema TT. En instalaciones con transformador de abonado o aisladas de la Red de Baja Tensión y cuando la necesidad de continuidad del servicio u otras razones técnicas lo justifiquen, se podrá utilizar cualquiera de los otros.
Nomenclatura Los esquemas de conexión a tierra se nombran con dos letras: • Primera letra: Conexión del neutro del transformador. T(Tierra), I(Impedante) • Segunda letra: Conexión de las masas metálicas de la instalación. T (Tierra), N (Neutro). • En los esquemas TN se añade una S (separado) o una C (Conjunto) para definir si el conductor de Neutro y el de protección son un sólo conductor.
Esquemas • Esquema TT: Es el más empleado en la mayoría de instalaciones por poseer unas excelentes características de protección a las personas y además poseer una gran economía de explotación. En este esquema el neutro del transformador y las masas metálicas de los receptores se conectan directamente, y sin elemento de protección alguno, a tomas de tierra separadas. • Esquema TN: Es el esquema menos empleado, quedando relegado casi exclusivamente para usos temporales con grupos electrógenos (generadores Diésel). o Esquema TN-C: En el esquema TN-C los conductores de protección se conectan directamente al conductor de neutro. En España no se permite usar este esquema si la sección del conductor de neutro es inferior a 16 mm² o Esquema TN-S: En el esquema TN-S. Los conductores de protección se conectan a un conductor de protección distribuido junto a la línea, y conectado al conductor de neutro en el transformador. o Esquema TN-C-S: Es una combinación de los dos anteriores, empleada cuando la sección del conductor de neutro es insuficiente para servir de conductor de protección. • Esquema IT: Es el preferido en aplicaciones en las que la continuidad del servicio es crítica, como en quirófanos o industrias con procesos sensibles a la interrupción. En él, el Neutro 242
del transformador está aislado de Tierra (o conectado a través de una impedancia de un elevado valor) y las masas metálicas conectadas a una toma de tierra exclusiva.
INSTALACIONES ELECTRICAS EN EDIFICIOS
En el capítulo anterior, hemos estudiado la red de suministro de electricidad, desde su generación en las centrales eléctricas hasta su llegada en baja tensión al usuario final. No hemos mencionado nada sobre la instalación interior del edificio, ya que merece un capítulo aparte por ser un apartado amplio y que nos concierne mucho en nuestro trabajo como bomberos, ya que a la llegada a determinados incendios en edificaciones, necesitaremos revisar el estado de los suministros eléctricos para, si fuese necesario actuar sobre los órganos de seccionamiento, cortando la electricidad para proceder a la extinción. Las instalaciones eléctricas en edificios, al utilizar baja tensión, se rigen por lo dispuesto en el Real Decreto 842/2002, de 2 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión, el cual ha incluido modificaciones posteriores realizadas por el Real Decreto 560/2010. En dicho reglamento se incluyen una serie de Instrucciones Técnicas Complementarias (en adelante ITC) que regulan la instalación de los diferentes elementos que componen la red interior de un edificio, y algunas de las cuales vamos a conocer por incluir datos relevantes para el estudio de este tema. Nosotros en nuestro estudio, consultaremos las siguientes ITC al ser de nuestro interés: • • • • • • • • • • • • • • • •
ITC-BT-06: Redes aéreas de Baja Tensión ITC-BT-07: Redes subterráneas de Baja Tensión ITC-BT-08: Sistemas de Conexión ITC-BT-11: Acometidas ITC-BT-12: Instalaciones de Enlace ITC-BT-13: Caja General de Protección ITC-BT-14: Línea General de Alimentación ITC-BT-15: Derivaciones Individuales ITC-BT-16: Contadores ITC-BT-18: Puesta a Tierra ITC-BT-19: Instalaciones Interiores. Generales ITC-BT-20: Instalaciones Interiores. Sistemas de Instalación ITC-BT-22: Protección contra Sobre Intensidades ITC-BT-23: Protección contra Sobretensiones ITC-BT-24: Protección contra Contactos Indirectos ITC-BT-25: Numero de Circuitos
Antes de entrar de lleno en el estudio de los elementos que componen la instalación, hay que mencionar, que en cuanto al ámbito de aplicación del reglamento, éste, será de aplicación para las reparaciones o modificaciones que afecten a más del 50% de la potencia instalada. 243
Por otra parte, además del suministro de servicio normal, se contemplan los siguientes suministros complementarios o de seguridad: • Suministro de Socorro: mínimo del 15% del total • Suministro de reserva: mínimo del 25% del total • Suministro duplicado: mayor del 50% del total
ACOMETIDAS (ITC-11)
La ITC-11 del mencionado reglamento, se ocupa de las características de las acometidas. La acometida se define como la parte de la instalación de la red de distribución, que alimenta la caja o cajas generales de protección o unidad funcional equivalente (en adelante CGP). Aunque hablemos de las acometidas en este capítulo, hay que dejar claro, que la acometida no pertenece a la red interior del edificio, siendo por tanto, propiedad de la empresa suministradora y estando situada en el exterior del edificio. La instalación interior del edificio comienza a partir de la acometida, pero sin incluir a ésta. TIPOS DE ACOMETIDAS Atendiendo a su trazado, al sistema de instalación y a las características de la red, las acometidas podrán ser:
• Acometida aérea posada sobre fachada: Los cables posados sobre fachada serán aislados de tensión asignada 0,6/1 kV y su instalación se hará preferentemente, bajo conductos cerrados o canales protectoras con tapa desmontable con la ayuda de un útil. Los tramos en que la acometida quede a una altura sobre el suelo inferior a 2,5 m, deberán protegerse con tubos o canales rígidos Estos cruces se realizarán de modo que el vano sea lo más corto posible, y la altura mínima sobre calles y carreteras no será en ningún caso inferior a 6 m. • Acometida aérea tensada sobre postes: Los cables serán aislados de tensión asignada 0,6/1 kV Cuando los cables crucen sobre vías públicas o zonas de posible circulación rodada, la altura mínima sobre calles y carreteras no será en ningún caso, inferior a 6 m. • Acometidas Subterráneas: En el caso de que el cruzamiento o paralelismo entre cables eléctricos y canalizaciones de los servicios descritos anteriormente, se produzcan en el tramo de acometida a un edificio deberá mantenerse una distancia mínima de 0,20 m. En el paso de acometidas subterráneas a aéreas, el cable irá protegido hasta una altura mínima de 2,5 m por encima del nivel del suelo.
244
INSTALACIONES DE ENLACE (ITC-12) Se denominan instalaciones de enlace, aquellas que unen la caja general de protección o cajas generales de protección, incluidas éstas, con las instalaciones interiores o receptoras del usuario. Comenzarán, por tanto, en el final de la acometida y terminarán en los dispositivos generales de mando y protección. Estas instalaciones se situarán y discurrirán siempre por lugares de uso común y quedarán de propiedad del usuario, que se responsabilizará de su conservación y mantenimiento.
CAJAS GENERALES DE PROTECCIÓN (ITC-13)
Son las cajas que alojan los elementos de protección de las líneas generales de alimentación. Reciben por tanto los cables provenientes de la instalación de enlace. Además de lo expuesto en el REBT, Cumplirá lo dispuesto en la UNE-EN 60.439 UBICACIÓN Se instalarán preferentemente sobre las fachadas exteriores de los edificios, en lugares de libre y permanente acceso. Su situación se fijará de común acuerdo entre la propiedad y la empresa suministradora. En función de si la acometida es aérea o subterránea se colocara de la forma siguiente: • Cuando la acometida sea aérea podrán instalarse en montaje superficial a una altura sobre el suelo comprendida entre 3 y 4 m. • Cuando la acometida sea subterránea se instalará siempre en un nicho en pared, que se cerrará con una puerta preferentemente metálica, con grado de protección IK 10 según UNE-EN 50.102. La parte inferior de la puerta se encontrará a un mínimo de 30 cm del suelo. En todos los casos se procurará que la situación elegida, esté lo más próxima posible a la red de distribución pública y que quede alejada o en su defecto protegida adecuadamente, de otras instalaciones tales como de agua, gas, teléfono, etc. Cuando la fachada no linde con la vía pública, la caja general de protección se situará en el límite entre las propiedades públicas y privadas. CARACTERISTICAS • No se alojarán más de dos cajas generales de protección en el interior del mismo nicho, disponiéndose una caja por cada línea general de alimentación. • Dentro de las mismas se instalarán cortacircuitos fusibles en todos los conductores de fase o polares, con poder de corte al menos igual a la corriente de cortocircuito prevista en el punto de su instalación. El neutro estará constituido por una conexión amovible situada a la izquierda de las fases, colocada la caja general de protección en posición de servicio, y dispondrá también de un borne de conexión para su puesta a tierra si procede. 245
CAJAS DE PROTECCIÓN Y MEDIDA Para el caso de suministros para un único usuario o dos usuarios alimentados desde el mismo lugar, al no existir línea general de alimentación, podrá simplificarse la instalación colocando en un único elemento, la caja general de protección y el equipo de medida; dicho elemento se denominará caja de protección y medida. No se admitirá el montaje superficial. Además, los dispositivos de lectura de los equipos de medida deberán estar instalados a una altura comprendida entre 0,7 m y 1,80 m. Edificios con centros de transformación en el interior: En el caso de edificios que alberguen en su interior un centro de transformación para distribución en baja tensión, los fusibles del cuadro de baja tensión de dicho centro podrán utilizarse como protección de la línea general de alimentación, desempeñando la función de caja general de protección. En este caso, la propiedad y el mantenimiento de la protección serán de la empresa suministradora.
LINEA GENERAL DE ALIMENTACION (ITC-14)
Es aquella que enlaza la Caja General de Protección con la centralización de contadores. De una misma línea general de alimentación pueden hacerse derivaciones para distintas centralizaciones de contadores. El trazado de la línea general de alimentación será lo más corto y rectilíneo posible, discurriendo por zonas de uso común. Además, cuando la línea general de alimentación discurra verticalmente 246
lo hará por el interior de una canaladura o conducto de obra de fábrica empotrado o adosado al hueco de la escalera por lugares de uso común. Este conducto será registrable y precintable en cada planta y se establecerán cortafuegos cada tres plantas, como mínimo y sus paredes tendrán una resistencia al fuego de RF120. Las tapas de registro tendrán una resistencia al fuego mínima, RF30. Las dimensiones mínimas del conducto serán de 30 x 30 cm y se destinará única y exclusivamente a alojar la línea general de alimentación y el conductor de protección.
CABLES Los conductores a utilizar, tres de fase y uno de neutro, serán de cobre o aluminio, unipolares y aislados, siendo su tensión asignada 0,6/1 kV. La sección de los cables deberá ser uniforme en todo su recorrido y sin empalmes, exceptuándose las derivaciones realizadas en el interior de cajas para alimentación de centralizaciones de contadores. La sección mínima será de 10 mm2 en cobre o 16 mm2 en aluminio. La caída de tensión máxima permitida será: • Para líneas generales de alimentación destinadas a contadores totalmente centralizados: 0,5%. • Para líneas generales de alimentación destinadas a centralizaciones parciales de contadores: 1%. Las Intensidades máximas admisibles serán las fijadas en la UNE 20.435. El conductor neutro tendrá una sección de aproximadamente el 50% de la correspondiente al conductor de fase, no siendo inferior a los valores especificados en la tabla 1.
*Cu = Cobre / Al = Aluminio 247
DERIVACION INDIVIDUAL (ITC-15)
Derivación individual es la parte de la instalación que, partiendo de la línea general de alimentación suministra energía eléctrica a una instalación de usuario. La derivación individual se inicia en el embarrado general y comprende los fusibles de seguridad, el conjunto de medida y los dispositivos generales de mando y protección. INSTALACION • Los tubos y canales protectores tendrán una sección nominal de 32 mm. • Se dispondrá de un tubo de reserva por cada diez derivaciones individuales o fracción. En locales donde no esté definida su partición, se instalará como mínimo un tubo por cada 50 m2 de superficie. • Cuando las derivaciones individuales discurran verticalmente se alojarán en el interior de una canaladura o conducto de obra de fábrica con paredes de resistencia al fuego RF120, preparado única y exclusivamente para este fin, que podrá ir empotrado o adosado al hueco de escalera o zonas de uso común. En estos casos y para evitar la caída de objetos y la propagación de las llamas, se dispondrá como mínimo cada tres plantas, de elementos cortafuegos y tapas de registro precintables de las dimensiones de la canaladura, a fin de facilitar los trabajos de inspección y de instalación. Las tapas de registro tendrán una resistencia al fuego mínima, RF30. La altura mínima de las tapas registro será de 0,30 m y su anchura igual a la de la canaladura. Su parte superior quedará instalada, como mínimo, a 0,20 m del techo. • Con objeto de facilitar la instalación, cada 15 m se podrán colocar cajas de registro precintables, comunes a todos los tubos de derivación individual, en las que no se realizarán empalmes de conductores. CABLES El número de conductores vendrá fijado por el número de fases necesarias para la utilización de los receptores de la derivación correspondiente y según su potencia, llevando cada línea su correspondiente conductor neutro así como el conductor de protección. Además, cada derivación individual incluirá el hilo de mando para posibilitar la aplicación de diferentes tarifas. No se admitirá el empleo de conductor neutro común ni de conductor de protección común para distintos suministros. Características de los cables en la derivación individual: • Los conductores a utilizar serán de cobre o aluminio, aislados y normalmente unipolares, siendo su tensión asignada 450/750 V. Se seguirá el código de colores indicado en la ITC-BT19 (veremos más adelante). • Para el caso de cables multiconductores o para el caso de derivaciones individuales en el interior de tubos enterrados, el aislamiento de los conductores será de tensión asignada 0,6/1 kV. • La sección mínima será de 6 mm2 para los cables polares, neutro y protección y de 1,5 mm2 para el hilo de mando, que será de color rojo. 248
La caída de tensión máxima admisible será: • Para el caso de contadores concentrados en más de un lugar: 0,5%. • Para el caso de contadores totalmente concentrados: 1%. • Para el caso de derivaciones individuales en suministros para un único usuario en que no existe línea general de alimentación: 1,5%.
CONTADORES (ITC-16)
Los contadores y demás dispositivos para la medida de la energía eléctrica, podrán estar ubicados en: módulos (cajas con tapas precintables), paneles y armarios. Cada derivación individual debe llevar asociado en su origen su propia protección compuesta por fusibles de seguridad, con independencia de las protecciones correspondientes a la instalación interior de cada suministro. Estos fusibles se instalarán antes del contador y se colocarán en cada uno de los hilos de fase o polares que van al mismo, tendrán la adecuada capacidad de corte en función de la máxima intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en ese punto y estarán precintados por la empresa distribuidora.
FORMAS DE COLOCACIÓN • Colocación en forma individual: Esta disposición se utilizará sólo cuando se trate de un suministro a un único usuario independiente o a dos usuarios alimentados desde un mismo lugar. Se hará uso de la Caja de Protección y Medida, que reúne bajo una misma envolvente, los fusibles generales de protección, el contador y el dispositivo para discriminación horaria. En este caso, los fusibles de seguridad coinciden con los generales de protección. • Colocación en forma concentrada: Cuando el número de contadores a instalar sea superior a 16, será obligatoria su ubicación en local. En función de la naturaleza y número de 249
contadores, así como de las plantas del edificio, la concentración de los contadores será como sigue: o En edificios de hasta 12 plantas se colocarán en la planta baja, entresuelo o primer sótano. o En edificios superiores a 12 plantas se podrá concentrar por plantas intermedias, comprendiendo cada concentración los contadores de 6 o más plantas. o Podrán disponerse concentraciones por plantas cuando el número de contadores en cada una de las concentraciones sea superior a 16.
CONCENTRACIÓN DE CONTADORES Las concentraciones de contadores estarán concebidas para albergar los aparatos de medida, mando, control y protección de todas y cada una de las derivaciones individuales que se alimentan desde la propia concentración. La colocación de la concentración de contadores, se realizará de tal forma que desde la parte inferior de la misma al suelo haya como mínimo una altura de 0,25 m y el cuadrante de lectura del aparato de medida situado más alto, no supere el 1,80 m. Las concentraciones, estarán formadas eléctricamente, por las siguientes unidades funcionales: • Unidad funcional de interruptor general de maniobra: Su misión es dejar fuera de servicio, en caso de necesidad, toda la concentración de contadores. Será obligatoria para concentraciones de más de dos usuarios. • Esta unidad se instalará en una envolvente de doble aislamiento independiente, que contendrá un interruptor de corte omnipolar, de apertura en carga y que garantice que el neutro no sea cortado antes que los otros polos. • Se instalará entre la línea general de alimentación y el embarrado general de la concentración de contadores. • Cuando exista más de una línea general de alimentación se colocará un interruptor por cada una de ellas. • El interruptor será, como mínimo, de 160 A para previsiones de carga hasta 90 kW, y de 250 A para las superiores a ésta, hasta 150 kW.
DISPOSITIVOS GENERALES E INDIVIDUALES DE MANDO Y PROTECCIÓN (ITC-17)
Los dispositivos generales de mando y protección, también conocidos como cuadro general de protección, se situarán lo más cerca posible del punto de entrada de la derivación individual en el local o vivienda del usuario. En viviendas y en locales comerciales e industriales en los que proceda, se colocará una caja para el interruptor de control de potencia, inmediatamente antes de los demás dispositivos,
250
En viviendas, deberá preverse la situación de los dispositivos generales de mando y protección junto a la puerta de entrada y no podrá colocarse en dormitorios, baños, aseos, etc. En los locales destinados a actividades industriales o comerciales, deberán situarse lo más próximo posible a una puerta de entrada de éstos. La altura a la cual se situarán los dispositivos generales e individuales de mando y protección de los circuitos, medida desde el nivel del suelo, estará comprendida entre 1,4 y 2 m, para viviendas. En locales comerciales, la altura mínima será de 1 m desde el nivel del suelo. Las envolventes se ajustaran a la UNE 20.451.
COMPOSICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS CUADROS Los dispositivos generales e individuales de mando y protección, cuya posición de servicio será vertical, se ubicarán en el interior de uno o varios cuadros de distribución de donde partirán los circuitos interiores. Los dispositivos generales e individuales de mando y protección serán, como mínimo: • Un interruptor general automático de corte omnipolar, que permita su accionamiento manual y que esté dotado de elementos de protección contra sobrecarga y cortocircuitos. Este interruptor será independiente del interruptor de control de potencia. • Un interruptor diferencial general, destinado a la protección contra contactos indirectos de todos los circuitos. • Dispositivos de corte omnipolar, destinados a la protección contra sobrecargas y cortocircuitos de cada uno de los circuitos interiores de la vivienda o local. • Dispositivo de protección contra sobretensiones, según ITC-BT-23, si fuese necesario.
Si por el tipo o carácter de la instalación se instalase un interruptor diferencial por cada circuito o grupo de circuitos, se podría prescindir del interruptor diferencial general, siempre que queden protegidos todos los circuitos. En el caso de que se instale más de un interruptor diferencial en serie, existirá una selectividad entre ellos. 251
Vamos a conocer las características de cada dispositivo de protección: El primer elemento que se coloca anexo al cuadro general de protección en una pequeña caja anexa es el interruptor de control de potencia. Es un dispositivo de corte automático, normalmente unipolar, se le denomina también ICP. Este dispositivo es colocado por las compañías suministradoras con el fin de que los usuarios no consuman más potencia de la contratada. Este control se realiza controlando la intensidad que pasa por este aparato. Para una potencia contratada de 2200 Kilowatios se instala un ICP que no deje pasar una intensidad de más de 10 amperios, para una potencia contratada de 3300 Kilowatios se instala un ICP que no deje pasar una intensidad de más de 15 amperios, y para una potencia contratada de 4400 Kilowatios se instala un ICP que no deje pasar una intensidad de más de 20 amperios. Seguido al ICP se encuentra el Interruptor general automático de corte omnipolar. Es un interruptor cuya función principal es la de proteger la derivación individual contra sobrecargas y cortocircuitos y tendrá una intensidad nominal mínima de 25 A (normalmente será de 40 A, al tener la derivación individual una sección de 6 mm2) y tendrá poder de corte suficiente para la intensidad de cortocircuito que pueda producirse en el punto de su instalación, de 4.500 A como mínimo. Al ser la Seguidamente se encuentra el Interruptor diferencial. Es un dispositivo que actúa cuando se produce una derivación es decir, cuando hay una fuga de corriente a tierra, ya sea porque una persona toque un elemento con tensión, o porque un conductor bajo tensión toque la carcasa de un aparato, por ejemplo motor, cuadro eléctrico, etc. En los dos casos la corriente se escapa pasando a tierra, en el primer caso con el cuerpo humano y en el segundo por la carcasa de la máquina. Para que el diferencial actúe deben darse dos condiciones: • Que exista una fuga de corriente a tierra. • Que la intensidad de esa corriente de fuga sea superior a la sensibilidad del diferencial. Se llama sensibilidad de un diferencial a la intensidad necesaria para hacer funcionar el aparato. En las viviendas se usan diferenciales de alta sensibilidad, tarados a 30 mA. Para que el interruptor funcione correctamente, es importante señalar que debe ir instalado entre fase y neutro. Se instalará un interruptor diferencial cada 5 circuitos.
252
Por último se encuentran, seguidos al diferencial, los Pequeños Interruptores Automáticos o PIAs, que son dispositivos de corte magnetotérmico para la protección de los diferentes circuitos interiores de la vivienda contra cortocircuitos y sobrecargas. Se instalará un PIA por cada circuito independiente, más adelante veremos el número de circuitos en función del grado de electrificación, aunque a modo de resumen los circuitos básicos de cualquier vivienda tipo medio en torno a los 80 metros cuadrados son los siguientes: • Circuitos para alumbrado y tomas de corriente de menos de 10 amperios: Están compuestos por conductores de cobre de sección mínima de 1,5 mm, normalmente está protegido por un PIA. de 10A. • Circuito de tomas de corriente de más de 10 amperios: Está compuesto por conductores de cobre de sección mínima de 2,5 mm, normalmente está protegido por PIA de 15A. Circuito para lavadora con agua caliente y calentadores de agua: Está compuesto por conductores de cobre de sección mínima de 4 mm, normalmente está protegido por un PIA de 20A. • Circuito de Cocina y Horno: Está compuesto por conductores de cobre de sección mínima de 6 mm, normalmente está protegido por un PIA de 25A. Respecto a su funcionamiento, en caso de cortocircuito efectúan un disparo magnético y en caso de sobrecarga el disparo térmico.
253
PUESTA A TIERRA (ITC-18)
La puesta o conexión a tierra es la unión eléctrica directa, sin fusibles ni protección alguna, de una parte del circuito eléctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo mediante una toma de tierra con un electrodo o grupos de electrodos enterrados en el suelo. Mediante la instalación de puesta a tierra se deberá conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios y superficie próxima del terreno no aparezcan diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de defecto o las de descarga de origen atmosférico. TOMAS DE TIERRA Para la toma de tierra se pueden utilizar electrodos formados por: • Barras, tubos; • Pletinas, conductores desnudos; • Placas; • Anillos o mallas metálicas constituidos por los elementos anteriores o sus combinaciones; • Armaduras de hormigón enterradas; con excepción de las armaduras pretensadas; • Otras estructuras enterradas que se demuestre que son apropiadas. La profundidad nunca será inferior a 0,50 m. Los electrodos serán de clase 2 según la UNE 21.022.
254
CONDUCTORES DE PROTECCIÓN Los conductores de protección sirven para unir eléctricamente las masas de una instalación a ciertos elementos con el fin de asegurar la protección contra contactos indirectos. La sección de los conductores de protección se refleja en las siguientes tablas e irán en función del tipo de protección que dispongan y el material del que sean:
TIPO Protegido corrosión
contra
PROTEGIDO NO PROTEGIDO MECANICAMENTE MECANICAMENTE la 16 mm2 Cobre Según Tabla 2 16 mm2 Acero Galvanizado
No protegido contra la 25 mm2 Cobre corrosión 50 mm2 Hierro
255
En todos los casos los conductores de protección que no forman parte de la canalización de alimentación serán de cobre con una sección, al menos de: • 2,5 mm2, si los conductores de protección disponen de una protección mecánica. • 4 mm2, si los conductores de protección no disponen de una protección mecánica. CONDUCTORES CPN (TAMBIÉN DENOMINADOS PEN) En el esquema TN, cuando en las instalaciones fijas el conductor de protección tenga una sección al menos igual a 10 mm, en cobre o aluminio, las funciones de conductor de protección y de conductor neutro pueden ser combinadas. Sin embargo, la sección de mínima de un conductor CPN puede ser de 4 mm, a condición de que el cable sea de cobre y del tipo concéntrico. CONDUCTORES DE EQUIPOTENCIALIDAD El conductor principal de equipotencialidad debe tener una sección no inferior a la mitad de la del conductor de protección de sección mayor de la instalación, con un mínimo de 6 mm2. Sin embargo, su sección puede ser reducida a 2,5 mm2, si es de cobre.
RESISTENCIA DE LAS TOMAS DE TIERRA El electrodo se dimensionará de forma que su resistencia de tierra, en cualquier circunstancia previsible, no sea superior al valor especificado para ella, en cada caso. Este valor de resistencia de tierra será tal que cualquier masa no pueda dar lugar a tensiones de contacto superiores a: • 24 V en local o emplazamiento conductor • 50 V en los demás casos. La resistencia de un electrodo depende de sus dimensiones, de su forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varía también con la profundidad. Con objeto de obtener una primera aproximación de la resistencia a tierra, los cálculos pueden efectuarse utilizando los valores medios indicados en la tabla 4.
256
TOMAS DE TIERRA INDEPENDIENTES Se considerará independiente una toma de tierra respecto a otra, cuando una de las tomas de tierra, no alcance, respecto a un punto de potencial cero, una tensión superior a 50 V cuando por la otra circula la máxima corriente de defecto a tierra prevista. SEPARACION ENTRE LAS TOMAS DE TIERRA Y DE LAS MASAS DE UN CENTRO DE TRANSFORMACION La distancia entre las tomas de tierra del centro de transformación y las tomas de tierra u otros elementos conductores enterrados en los locales de utilización es al menos igual a 15 metros para terrenos cuya resistividad no sea elevada (<100 ohmios.m). Revisión Por la importancia que ofrece, desde el punto de vista de la seguridad cualquier instalación de toma de tierra, deberá ser obligatoriamente comprobada al menos anualmente, en la época en la que el terreno esté más seco. Asimismo, en los lugares en que el terreno no sea favorable a la buena conservación de los electrodos, éstos y los conductores de enlace entre ellos hasta el punto de puesta a tierra, se pondrán al descubierto para su examen, al menos una vez cada cinco años.
PROTECCIÓN CONTRA SOBREINTENSIDADES (ITC-23)
Todo circuito estará protegido contra los efectos de las sobre intensidades que puedan presentarse en el mismo, para lo cual la interrupción de este circuito se realizará en un tiempo conveniente o estará dimensionado para las sobre intensidades previsibles. Las sobre intensidades pueden estar motivadas por: • Sobrecargas debidas a los aparatos de utilización o defectos de aislamiento de gran impedancia. • Cortocircuitos. • Descargas eléctricas atmosféricas 257
CATEGORÍAS DE LAS SOBRETENSIONES • Categoría I: Se aplica a los equipos muy sensibles a las sobretensiones y que están destinados a ser conectados a la instalación eléctrica fija. En este caso, las medidas de protección se toman fuera de los equipos a proteger, ya sea en la instalación fija o entre la instalación fija y los equipos, con objeto de limitar las sobretensiones a un nivel específico. Ejemplo: ordenadores, equipos electrónicos muy sensibles, etc. • Categoría II: Se aplica a los equipos destinados a conectarse a una instalación eléctrica fija. Ejemplo: electrodomésticos, herramientas portátiles y otros equipos similares. • Categoría III: Se aplica a los equipos y materiales que forman parte de la instalación eléctrica fija y a otros equipos para los cuales se requiere un alto nivel de fiabilidad. Ejemplo: armarios de distribución, embarrados, aparamenta (interruptores, seccionadores, tomas de corriente...), canalizaciones y sus accesorios (cables, caja de derivación...), motores con conexión eléctrica fija (ascensores, máquinas industriales...), etc. • Categoría IV: Se aplica a los equipos y materiales que se conectan en el origen o muy próximos al origen de la instalación, aguas arriba del cuadro de distribución. Ejemplo: contadores de energía, aparatos de telemedida, equipos principales de protección contra sobre intensidades, etc.
GRADOS DE ELECTRIFICACIÓN (ITC-25)
Los grados de electrificación van en función de los requerimientos especificados por el abonado. Se establece la siguiente clasificación de los lugares de consumo: • • • •
Edificios destinados principalmente a viviendas Edificios comerciales o de oficinas Edificios destinados a una industria específica Edificios destinados a una concentración de industrias
La carga máxima por vivienda depende del grado de utilización que se desee alcanzar. Se establecen los siguientes grados de electrificación.
ELECTRIFICACIÓN BÁSICA Es la necesaria para la cobertura de las posibles necesidades de utilización primarias sin necesidad de obras posteriores de adecuación. Debe permitir la utilización de los aparatos eléctricos de uso común en una vivienda. El promotor, propietario o usuario del edificio fijará de acuerdo con la Empresa Suministradora la potencia a prever, la cual, para nuevas construcciones, no será inferior a 5750 W a 230 V, en cada vivienda, independientemente de la potencia a contratar por cada usuario, que dependerá de la utilización que éste haga de la instalación eléctrica.
258
ELECTRIFICACIÓN ELEVADA Es la correspondiente a viviendas con una previsión de utilización de aparatos electrodomésticos superior a la electrificación básica o con previsión de utilización de sistemas de calefacción eléctrica o de acondicionamiento de aire o con superficies útiles de la vivienda superiores a 160 m2, o con cualquier combinación de los casos anteriores. En las viviendas con grado de electrificación elevada, la potencia a prever no será inferior a 9200 W.
CARGA TOTAL EN EDIFICIOS DE VIVIENDAS La carga total correspondiente a un edificio destinado principalmente a viviendas resulta de la suma de la carga correspondiente al conjunto de viviendas, de los servicios generales del edificio, de la correspondiente a los locales comerciales y de los garajes que forman parte del mismo. • Carga correspondiente a los locales comerciales y oficinas: Se calculará considerando un mínimo de 100 W por metro cuadrado y planta, con un mínimo por local de 3450 W a 230 V. • Carga correspondiente a los garajes: Se calculará considerando un mínimo de 10 W por metro cuadrado y planta para garajes de ventilación natural y de 20 W para los de ventilación forzada, con un mínimo de 3450 W a 230 V.
CARGA TOTAL EN EDIFICIOS COMERCIALES, DE OFICINAS O DESTINADOS A UNA O VARIAS INDUSTRIAS En general, la demanda de potencia determinará la carga a prever en estos casos que no podrá ser nunca inferior a los siguientes valores. • Edificios comerciales o de oficinas: Se calculará considerando un mínimo de 100 W por metro cuadrado y planta, con un mínimo por local de 3450 W a 230 V. • Edificios destinados a concentración de industrias: Se calculará considerando un mínimo de 125 W por metro cuadrado y planta, con un mínimo por local de 10350 W a 230 V. SUMINISTROS MONOFÁSICOS Las empresas distribuidoras estarán obligadas, siempre que lo solicite el cliente, a efectuar el suministro de forma que permita el funcionamiento de cualquier receptor monofásico de potencia menor o igual a 5750 W a 230 V, hasta un suministro de potencia máxima de 14490 W a 230V.
259
CONDUCTORES
Los conductores (cables) que se empleen en las instalaciones serán de cobre o aluminio y serán siempre aislados, excepto cuando vayan montados sobre aisladores, tal como se indica en la ITCBT 20. SECCIÓN DE LOS CONDUCTORES. CAÍDAS DE TENSIÓN La sección de los conductores a utilizar se determinará de forma que la caída de tensión entre el origen de la instalación interior y cualquier punto de utilización sea, salvo lo prescrito en las Instrucciones particulares, menor del 3% de la tensión nominal para cualquier circuito interior de viviendas, y para otras instalaciones interiores o receptoras, del 3% para alumbrado y del 5% para los demás usos. Para instalaciones industriales que se alimenten directamente en alta tensión mediante un transformador de distribución propio, se considerará que la instalación interior de baja tensión tiene su origen en la salida del transformador. En este caso las caídas de tensión máximas admisibles serán del 4,5% para alumbrado y del 6,5% para los demás usos. En instalaciones interiores la sección del conductor neutro será como mínimo igual a la de las fases. IDENTIFICACIÓN DE CONDUCTORES Los conductores de la instalación deben ser fácilmente identificables, especialmente por lo que respecta al conductor neutro y al conductor de protección. Esta identificación se realizará por los colores que presenten sus aislamientos. Según la norma UNE 21089, los colores de los aislamientos para los cables de baja tensión son los siguientes:
TIPO DE CABLE Para el conductor neutro (N)
COLOR Azul Claro __________________ Para el conductor de protección Verde-Amarillo (tierra) __________________ Para los conductores de fase (R,S,T) Marrón _______ __ Negro ___ __________ __ Gris __________________
260
CIRCUITOS INTERIORES (ITC-25) Electrificación básica Circuitos independientes básicos: • C1 circuito de distribución interna, destinado a alimentar los puntos de iluminación. • C2 circuito de distribución interna, destinado a tomas de corriente de uso general y frigorífico. • C3 circuito de distribución interna, destinado a alimentar la cocina y horno. • C4 circuito de distribución interna, destinado a alimentar la lavadora, lavavajillas y termo eléctrico. • C5 circuito de distribución interna, destinado a alimentar tomas de corriente de los cuartos de baño, así como las bases auxiliares del cuarto de cocina.
261
Electrificación elevada Es el caso de viviendas que requieran un grado de electrificación elevada, tal y como describimos antes, se instalará, además de los correspondientes a la electrificación básica (C1 a C5), los siguientes circuitos: • C6 Circuito adicional del tipo C1, por cada 30 puntos de luz • C7 Circuito adicional del tipo C2, por cada 20 tomas de corriente de uso general o si la superficie útil de la vivienda es mayor de 160 m2. • C8 Circuito de distribución interna, destinado a la instalación de calefacción eléctrica, cuando existe previsión de ésta. • C9 Circuito de distribución interna, destinado a la instalación aire acondicionado, cuando existe previsión de éste. • C10 Circuito de distribución interna, destinado a la instalación de una secadora independiente. • C11 Circuito de distribución interna, destinado a la alimentación del sistema de automatización, gestión técnica de la energía y de seguridad (domótica), cuando exista previsión de éste. • C12 Circuitos adicionales de cualquiera de los tipos C3 o C4, cuando se prevean, o circuito adicional del tipo C5, cuando su número de tomas de corriente exceda de 6.
262
TENSIONES DE UTILIZACIÓN Y ESQUEMA DE CONEXIÓN Las instalaciones de las viviendas se consideran que están alimentadas por una red de distribución pública de baja tensión según el esquema de distribución “TT” (ITC-BT-08) y a una tensión de 230 V en alimentación monofásica y 230/400 V en alimentación trifásica.
263
264
EFECTOS DE LA ELECTRICIDAD EN EL CUERPO HUMANO EL RIESGO DE ELECTROCUCIÓN
Definimos riesgo de electrocución como la posibilidad de que una corriente eléctrica circule a través del cuerpo humano. Partiendo de esta premisa, podemos considerar o tener en cuenta los siguientes aspectos: • Factores necesarios para la circulación de una corriente eléctrica : o La existencia de un circuito eléctrico compuesto por elementos conductores o Que el circuito esté cerrado o pueda cerrarse o La existencia en dicho circuito de una diferencia de potencial mayor que cero • Factores necesarios para la circulación de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano: o Que el cuerpo humano sea conductor. El cuerpo humano, no aislado, es conductor debido a sus fluidos internos, es decir, a la sangre, la linfa, etc. o Que dicho circuito esté formado en parte por el propio cuerpo humano. o La existencia entre dos puntos de entrada y salida de la corriente en el cuerpo de una diferencia de potencial distinta de cero. Si estos requisitos se cumplen, estamos en condiciones de afirmar que existe o puede existir un riesgo de electrocución.
TIPOS DE ACCIDENTES POR ELECTROCUCIÓN
Existe una clasificación según la cual podemos distinguir entre dos tipos principales de accidentes eléctricos. Así diferenciamos entre: • Accidentes directos: Son los provocados por un choque eléctrico, es decir, las consecuencias que se derivan del tránsito, a través del cuerpo humano, de una corriente eléctrica. Algunas de estas consecuencias pueden ser las siguientes: o Asfixia o paro respiratorio. o Fibrilación ventricular o paro cardíaco. o Tetanización muscular. • Accidentes indirectos: Son los que, aun siendo la causa primera un contacto con la corriente eléctrica, tienen distintas consecuencias derivadas de: o Golpes contra objetos, caídas, etc., ocasionados tras el contacto con la corriente, ya que aunque en ocasiones no pasa de crear una sensación de chispazo desagradable o un simple susto, esta puede ser la causa de una pérdida de equilibrio y una consecuente caída o un golpe contra un determinado objeto. A veces la mala suerte hace que este tipo de accidentes se cobren la vida de personas en contacto con tensiones aparentemente seguras. o Quemaduras debidas al arco eléctrico. Pueden darse quemaduras desde el primer al tercer grado, dependiendo de: 265
La superficie corporal afectada por el arco eléctrico. La profundidad de las lesiones.
FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL RIESGO DE ELECTROCUCIÓN
Los efectos negativos de una electrocución dependen directamente de los siguientes factores o parámetros: • El valor de la intensidad que pasa por el circuito. Estos valores no son constantes ya que dependen de cada persona, del tipo de corriente, etc. Por ello el riesgo que supone una determinada intensidad se evalúa a partir de datos estadísticos, para que sean válidos para un alto porcentaje de la población. • La resistencia eléctrica del cuerpo humano (piel y tejidos). El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión considera que la resistencia del cuerpo entre mano y pie es de 2.500 Ω. aunque ésta depende en gran medida del grado de humedad de la piel. • La resistencia del propio circuito. Esta resistencia es nula en casos de contacto directo con el circuito. • La tensión o voltaje. El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión fija unos valores de tensión de seguridad (tanto para corriente alterna como para continua) de 24 V para locales mojados y de 50 V para locales secos a la frecuencia de 50 Hz. Hay que recordar que la resistencia del cuerpo humano depende de la tensión así como de la humedad. • El tipo de corriente (alterna o continua). La corriente continua actúa por calentamiento, aunque puede dar lugar a un efecto electrolítico en el organismo que puede generar riesgo de embolia o muerte por electrólisis de la sangre. La corriente alterna, sin embargo, produce una alteración en la frecuencia del ritmo nervioso y cardíaco que se ocasiona espasmos y fibrilación ventricular. • La frecuencia. Las altas frecuencias son las menos peligrosas llegando a ser prácticamente inofensivas para valores superiores a 100000 Hz. (a esta frecuencia solo se registran leves calentamientos), mientras que para 10000 Hz. la peligrosidad es similar a la corriente continua. • El tiempo de contacto. Como resulta lógico pensar, los efectos se agravan conforme va aumentando el tiempo de contacto entre el individuo y la corriente eléctrica. • El recorrido de la corriente a través del cuerpo. Las consecuencias más graves se manifiestan cuando la corriente eléctrica pasa a través del sistema nervioso central o de otros órganos vitales como el corazón o los pulmones. En la mayoría de los accidentes eléctricos la corriente circula desde las manos a los pies. Debido a que en este camino se encuentran los pulmones y el corazón, los resultados de dichos accidentes son normalmente graves. Los dobles contactos mano derecha- pie izquierdo (o inversamente), mano- mano, mano- cabeza son particularmente peligrosos. Si el trayecto de la corriente se sitúa entre dos puntos de un mismo miembro, las consecuencias del accidente eléctrico serán menores.
266
EFECTOS FÍSICOS DEL CHOQUE ELÉCTRICO
Vamos a distinguir entre los efectos físicos inmediatos a raíz de un choque eléctrico y los efectos físicos no inmediatos. Efectos físicos inmediatos Dependen, como ya hemos señalado con anterioridad y entre otros factores, del tiempo de exposición y del recorrido de la corriente a través del cuerpo. Aquí tenemos una tabla que nos ilustra acerca de los efectos en el organismo, tanto para un hombre como para una mujer, frutos del paso de distintas intensidades por el cuerpo humano, haciendo una distinción entre corriente continua y corriente alterna: INTENSIDAD (mA) c.c.
c.a. (50Hz)
HOMBRE MUJER HOMBRE MUJER
EFECTOS ORGANISMO
SOBRE
EL
1
0.6
0.4
0.3
Ninguna sensación
5.2
3.5
1.1
0.7
Umbral de percepción
76
51
16
10.5
Umbral de intensidad límite
15
Choque doloroso y grave (contracción muscular y dificultad respiratoria)
90
60
23
267
200
1300
500
170
1300
500
50
1000
100
35
Principio ventricular
de
fibrilación
1000
Fibrilación ventricular posible en choques cortos: Corta duración (hasta 0.03 segundos)
100
Fibrilación ventricular posible en choques cortos: Duración 3 segundos
• Umbral de percepción: es el valor mínimo de la corriente que provoca una sensación en una persona, a través de la que pasa esta corriente. En corriente alterna esta sensación de paso de la corriente se percibe durante todo el tiempo de paso de la misma; sin embargo, con corriente continua solo se percibe cuando varía la intensidad, por ello son fundamentales el inicio y la interrupción del paso de la corriente, ya que entre dichos instantes no se percibe el paso de la corriente, salvo por los efectos térmicos de la misma. Generalizando, la Norma CEI 479-11994 considera un valor de 0,5 mA en corriente alterna y 2 mA en corriente continua, cualquiera que sea el tiempo de exposición. • La asfixia se produce cuando la corriente eléctrica atraviesa el tórax. La caja torácica queda contraído, por una tetanización del diafragma torácico. De este modo los pulmones son incapaces de aceptar o expulsar aire. Este efecto se produce a partir de 25-30 mA. • El paro cardíaco se produce cuando la corriente pasa por el corazón. Los músculos se contraen como respuesta a estímulos eléctricos del sistema nervioso. Así los músculos del corazón se contraen anormalmente al paso de una corriente eléctrica intensa, produciéndose como consecuencia una parada de este órgano y, naturalmente, de la corriente sanguínea por el organismo. • Tetanización: O contracción muscular. Consiste en la anulación de la capacidad de reacción muscular que impide la separación voluntaria del punto de contacto (los músculos de las manos y los brazos se contraen sin poder relajarse). Normalmente este efecto se produce cuando se superan los 10 mA. • Quemaduras que pueden ser internas o externas por el paso de la intensidad de corriente a través del cuerpo por Efecto Joule o por la proximidad al arco eléctrico. Se producen zonas de tejidos muertos denominadas también de necrosis, y las quemaduras pueden llegar a alcanzar órganos vecinos profundos, músculos, nervios e inclusos a los huesos. La considerable energía disipada por efecto Joule, puede provocar la coagulación irreversible de las células de los músculos estriados e incluso la carbonización de las mismas. • Fibrilación ventricular. Se produce cuando la corriente pasa por el corazón y su efecto en el organismo se traduce en un paro circulatorio por rotura del ritmo cardíaco. El corazón comienza a funcionar de un modo extraño, ajeno a su coordinación normal. Ello es particularmente grave en los tejidos del cerebro donde es imprescindible una oxigenación continua de los mismos por la sangre. Si el cerebro se queda sin oxígeno es incapaz de funcionar correctamente y, por tanto, los órganos vitales cuyo funcionamiento dependen de las señales que éste envía sufren también lesiones. Algunas de estas lesiones pueden llegar a ser irreversibles. En ocasiones puede aplicarse una reanimación cardiaca y, en el 268
mejor de los casos, pueden no sufrirse secuelas graves. Se presenta con intensidades del orden de 100 mA. y es reversible si el tiempo es contacto es inferior a 0.1 segundo. • La fibrilación se produce cuando el choque eléctrico tiene una duración superior a 0.15 segundos, el 20% de la duración total del ciclo cardíaco medio del hombre, que es de 0.75 segundos. Pueden darse también otros efectos físicos graves producidos por la destrucción de partes del SNC (Sistema nervioso central). Efectos físicos no inmediatos Se manifiestan pasado un cierto tiempo después del accidente. Aquí vamos a enumerar algunos de los más habituales: • Trastornos nerviosos: Es habitual que la víctima de un choque eléctrico sufra trastornos nerviosos relacionados con pequeñas hemorragias fruto de la desintegración de la sustancia nerviosa ya sea central o medular. En la mayor parte de las ocasiones el choque eléctrico simplemente pone de manifiesto un estado patológico anterior. Por otra parte, es muy frecuente también la aparición de neurosis de tipo funcional más o menos graves, pudiendo ser éstas transitorias o permanentes. • Trastornos cardiovasculares: Una descarga eléctrica puede de provocar pérdida del ritmo cardíaco y de la conducción aurículo-ventricular e intraventricular, manifestaciones de insuficiencias coronarias agudas que pueden desembocar en el infarto de miocardio, además de otros trastornos únicamente subjetivos como taquicardias, vértigo, cefaleas rebeldes, etc. • Manifestaciones renales: Los riñones corren el riesgo de quedar bloqueados como consecuencia de las quemaduras debido a que se ven obligados a eliminar la gran cantidad de mioglobina y hemoglobina que les invade después de abandonar los músculos afectados, así como las sustancias tóxicas que resultan de la descomposición de los tejidos destruidos por las quemaduras. Esto último puede combatirse mediante tratamientos adecuados. • Trastornos sensoriales, oculares y auditivos: Los trastornos oculares observados a continuación de la descarga eléctrica son debidos a los efectos luminosos y caloríficos del arco eléctrico producido. Mayormente se traducen en manifestaciones inflamatorias del fondo y segmento anterior del ojo. Los trastornos auditivos comprobados van desde pequeñas pérdidas auditivas hasta la sordera total y se deben generalmente a un traumatismo craneal, a una quemadura grave de alguna parte del cráneo o a trastornos nerviosos.
RIESGOS DERIVADOS DE LA ELECTRICIDAD ESTÁTICA
La electricidad estática da lugar al conjunto de fenómenos asociados con la aparición de una carga eléctrica en la superficie de un cuerpo aislante o en cuerpo conductor aislado. Es un fenómeno que muchas personas hemos experimentado alguna vez en forma de descarga al acercarse a tocar un elemento conductor como la manilla o el pomo metálico de una puerta después de haber andado sobre un suelo aislante. Es fuente de molestias y en determinadas situaciones puede ocasionar accidentes graves 269
Para generar electricidad estática es suficiente el contacto o fricción y la separación entre dos materiales generalmente diferentes y no necesariamente aislantes, siendo uno de ellos mal conductor de la electricidad. Esta primera forma de generación de electricidad estática es la más corriente y ocurre en multitud de ocasiones. Un ejemplo gráfico de esta primera forma de generación de la electricidad estática nos la proporciona la siguiente ilustración:
Otra segunda forma de generación, puede surgir a partir de la carga originada con antelación en la superficie de un material aislante, la cual induce la formación y distribución de cargas eléctricas en un cuerpo conductor que le esté próximo. Este fenómeno físico se denomina inducción y su secuencia la podemos observar en la siguiente ilustración:
Algunos de los peligros que puede ocasionar la electricidad estática son los siguientes: • Molestias derivadas de descargas electrostáticas entre las personas y entre las mismas y otros objetos cercanos conductores. • Riesgo de incendio y de explosión si la descarga ocurre en la presencia de una atmósfera inflamable (niebla, vapor o gas inflamable, polvo combustible en el aire). Sin extendernos mucho en este aspecto, simplemente explicar que existen distintos tipos de descargas de electricidad electrostática. Vamos a citar los siguientes: descarga en chispa, 270
descarga en abanico, descarga corona, descarga en abanico propagante, y descarga en cono. Cada una de ellas se caracteriza por las situaciones y/o elementos materiales que las propician.
BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA Dirección General de Protección Ciudadana de la Comunidad de Madrid. Manual del cuerpo de bomberos de la Comunidad de Madrid. MF0402_2: Control y Extinción de Incendios. NTP 400: Corriente eléctrica: efectos al atravesar el organismo humano REAL DECRETO 223/2008, de 15 de febrero, por el que se aprueban el Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en líneas eléctricas de alta tensión y sus instrucciones técnicas complementarias ITC-LAT 01 a 09. Real Decreto 842/2002, de 2 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión. INSTRUCCIONES TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS. Suay Belenguer, Juan Miguel. Electrotecnia. UNE - EN 50102 Grados de protección proporcionados por las envolventes de materiales eléctricos contra los impactos mecánicos externos (código IK) UNE 20-324-93 Grados de protección proporcionados por las envolventes (Código IP). VVAA. Configuración de los centros de transformación. VVAA. Riesgo Eléctrico.
271
GASES COMBUSTIBLES. CARACTERISTICAS. OBTENCION, MANIPULACION Y TRANSPORTE DE LOS GASES MANUFACTURADOS, EL GAS NATURAL Y LOS GLP.INSTALACIONES INTERIORES EN EDIFICIOS.
GASES COMBUSTIBLES
Cuando un gas es capaz de reaccionar con el oxígeno del aire de forma rápida y con desprendimiento de energía térmica (proceso de combustión) se denomina gas combustible. Los gases combustibles son utilizados en multitud de procesos tanto domésticos como industriales y debido a sus características de inflamabilidad, en caso de emergencia en los depósitos que lo almacenan o conductos que los transportan pueden dar lugar a incendios o explosiones de gran peligrosidad, por ello debemos conocer perfectamente cómo actuar ante este tipo de combustibles.
PROPIEDADES GENERALES DE LOS GASES COMBUSTIBLES
Todos los gases combustibles tienen varias propiedades fundamentales que van a influir en el comportamiento del gas, vamos a conocer cada una de ellas en detalle. DENSIDAD Si recordamos del tema de hidráulica, habíamos hablado de la densidad de un líquido que era la relación entre la masa y el volumen de dicho líquido en comparación con la del agua (1 kg/litro o 1000 kg/m3), la cual se usa como patrón. Pues bien, en el caso de los gases, no tendría sentido comparar la densidad de éstos con el agua ya que al ser fases distintas, las cifras serían muy descompensadas y poco prácticas, por tanto a la hora de hablar de la densidad de un gas, se compara siempre con la densidad del aire a 0ºC (1,293 gr/l o 1,293 kg/m3). Por tanto la densidad relativa de un gas respecto al aire es la relación entre las masas volumétricas del gas y del aire tomadas en las mismas condiciones de presión y temperatura, esta propiedad lógicamente es adimensional. La densidad es un parámetro importante de cara a la ventilación de locales, los gases manufacturados y el gas natural son más ligeros que el aire (la ventilación deberá realizarse por las zonas altas), mientras que el GLP y sus mezclas son más pesados. PODER CALORÍFICO El poder calorífico de un combustible es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa de combustible. Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cúbico, de combustible al oxidarse en forma completa. 272
El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases) formada en la combustión. El poder calorífico inferior, PCI, es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, sino que se expulsa en forma de vapor. El poder calorífico superior, PCS, es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa del combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado. Así pues, se contabiliza el calor desprendido en este cambio de fase. También es llamado poder calórico neto. La relación entre el poder calorífico superior y el inferior depende de la proporción de los elementos, carbono e hidrógeno, a pesar de esto se encuentra, que para gases, esta relación es siempre próxima a un valor de 0,9. El poder calorífico se expresa en el SI en Julios partido de kilogramo, normalmente en MJ, ya que el julio es una unidad muy pequeña (Mega = 1.000.000) aunque también se puede expresar en Kcal/Kg. Recordemos en este punto que 1 cal = 4,18 J PRESION DE VAPOR Presión de vapor es la presión en la que, para una temperatura determinada, la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio. Es interesante para valorar la volatilidad de un líquido. PUNTO DE EBULLICION El punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la materia cambia de estado líquido a estado gaseoso, es decir hierve. Expresado de otra manera, en un líquido, el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido. En esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido. En el caso de los gases combustibles, como sabemos que éstos en condiciones de temperatura y presión normales, ya son gases, podemos deducir que su punto de ebullición estará por debajo de los 0ºC. Por eso como veremos más adelante, para conseguir almacenar los gases en fase líquida, habrá que someterlos a presión o bien reducir su temperatura por debajo del punto de ebullición de esa sustancia. TEMPERATURA CRÍTICA Se denomina temperatura crítica a la temperatura límite por encima de la cual un gas no puede ser licuado por compresión. Por encima de esta temperatura no es posible condensar un gas aumentando la presión. A esta temperatura crítica, si además tenemos una presión crítica (la 273
presión de vapor del líquido a esta temperatura), nos encontraremos en el punto crítico de la sustancia. La temperatura crítica es característica de cada sustancia. Las sustancias a temperaturas superiores de la crítica tienen un estado de agregación tipo gas, que tiene un comportamiento muy parecido al de un gas ideal.
PUNTOS DE INFLAMACIÓN Y AUTOINFLAMACION Como recordaremos del tema de química del fuego, el punto de inflamación es el valor mínimo al cual debe ser llevado una mezcla inflamable de gas combustible y comburente, para que la combustión pueda comenzar y propagarse con una energía de activación (chispa, llama, etc.). También está la temperatura o de autoinflamación que hace referencia al valor mínimo mediante el cual comienza la combustión de esa misma mezcla pero sin un aporte externo de energía que lo active. LIMITES DE INFLAMABILIDAD Del mismo modo recordaremos que la combustión de un gas combustible necesita la presencia de aire comburente y una correcta proporción entre ambos para entrar dentro del denominado rango de inflamabilidad, cuyos límites son: o El límite inferior, por debajo de este valor hay demasiado aire o poco combustible en la mezcla para que la combustión pueda desarrollarse.
274
o El límite superior, por encima de este valor no hay bastante comburente o hay demasiado combustible para que la combustión se produzca.
PROPIEDADES DE LOS GASES COMBUSTIBLES MÁS USUALES GASES BUTANO C4H10 ACETILENO C 2H 2 PROPANO C 3H 8 PROPILENO C 3H 6 ETANO C 2H 6 HIDROGENO H2 METANO CH4 ETILENO C 2H 4
DENSIDAD
T.AUTO ºC
T.INF ºC
T.EBULL ºC
T.CRITICA ºC
LIE-LSE (%)
2,1
410
-60
-0,5
152
1,9-8,5
0,907
305
36
-85
35
2,5-100
1,5
450
-103
-42
102
2,2-9,5
1,5
460
-108
-48
92
2,4-10,3
1,05
472
-135
-89
32
3-12,5
0,07
560
-18
-253
-240
4-75
0,6
537
-188
-160
-82
5-15
0,98
425
-136
-104
9,5
2,7-36
FAMILIAS DE GASES
Los combustibles gaseosos se clasifican en diferentes familias. La Norma española UNE 60002 clasifica los gases combustibles según su parámetro llamado índice de Wobbe, que se define como el cociente entre el poder calorífico superior y la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas respecto del aire. Es un parámetro importante cuando se quiere mezclar gases combustibles y el aire (en una reacción de combustión), se controla este índice para asegurar la combustión satisfactoria en un quemador. Es además un indicador de intercambiabilidad de combustibles. Índice de Wobbe 𝑊𝑊 =
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 �𝜌𝜌
La clasificación de los gases combustibles en familias, es como sigue: • Primera familia: Índice de Wobbe comprendido entre 5700 y 7500 kcal/Nm3. Pertenecen a esta familia los gases manufacturados (gas ciudad, gas de coquería, gas de hulla) y el gas de mezcla hidrocarburo-aire de bajo índice de Wobbe. • Segunda familia: Índice de Wobbe comprendido entre 9680 y 13850 kcal/Nm3. 275
Pertenecen a esta familia el gas natural y las mezclas hidrocarburo-aire de alto índice de Wobbe. • Tercera familia: Índice de Wobbe comprendido entre 18500 y 22070 kcal/Nm3. Pertenecen a esta familia los GLP (gases licuados del petróleo), propano, butano...etc. Vamos a ver brevemente los gases incluidos en la primera familia, ya que para los gases de las 2ª y 3ª familias, vamos a hacer un estudio más detallado en los próximos capítulos.
GASES DE LA PRIMERA FAMILIA GAS DE HULLA Se fabrica sometiendo la hulla en un horno cerrado a temperatura elevada, como resultado de obtienen varios compuestos entre los que destacan el carbón de cok (unos 650 kg/tonelada), y el gas de hulla (aprox. 325 m³/Tm. Composición: • 50% volumen de Hidrógeno : H2 • 30% volumen de metano : CH4 • 10% volumen de monóxido de carbono : CO • 4% volumen de otros hidrocarburos : CnHm • 2% volumen de dióxido de carbono : CO2 • 4% volumen de Nitrógeno : N2 Propiedades • Densidad relativa = 0,4 • P.C.S. = 5.600 Kcal/m³ (n) • Índice de Wobbe = 8.854 Kcal/m³ (n) • Humedad = saturado GAS DE AGUA O DE COQUERIA Se obtiene inyectando vapor de agua en un lecho de carbón de cok calentando al rojo (1.000 ºC); al descomponerse el vapor de agua, el hidrógeno queda libre y el oxígeno se combina con el carbono. El gas de agua se recarbura para aumentar su PCS. Composición: • 38% volumen de Hidrógeno : H2 • 33% volumen de monóxido de carbono : CO • 11% volumen de metano : CH4 • 5% volumen de dióxido de carbono : CO2 • 7% volumen de otros hidrocarburos : CnHm • 6% volumen de Nitrógeno y Oxígeno: N2 y O2 Propiedades: • Densidad relativa = 0,62 • P.C.S. = 4.500 Kcal/m³ 276
• Índice de Wobbe = 5.715 Kcal/m³ • Humedad = saturado GAS CIUDAD Antiguamente el gas se obtenía mediante la mezcla de gas de agua carburado y gas de hulla en diversas proporciones, según países y fábricas. Actualmente el gas ciudad se fabrica mediante el proceso de cracking de productos derivados del petróleo, como materia prima se utilizan naftas ligeras con poco contenido de azufre. Las naftas son producto de la destilación del petróleo, y aunque a temperatura normal se encuentran en estado líquido, su temperatura de ebullición es tan baja que hacía muy difícil su aprovechamiento industrial. El cracking de hidrocarburos consiste en fraccionar las moléculas a fin de obtener hidrocarburos más ligeros, esto se consigue a temperaturas muy altas que pueden llegar a los 1.300 ºC en el llamado cracking térmico. El cracking catalítico consiste en la utilización de catalizadores de forma que facilitan la descomposición de de las moléculas a temperaturas más bajas, aproximadamente 750 ºC. En la fabricación del gas se inyecta nafta y vapor de agua, y se obtiene un gas de bajo poder calorífico. Para aumentar al poder calorífico el gas se recarbura mediante la inyección de nafta pulverizada. Composición: • 33% volumen de Hidrógeno : H2 • 16% volumen de monóxido y dióxido de carbono : CO+CO2 • 22% volumen de otros hidrocarburos : CnHm • 3% volumen de Oxígeno : O2 • 26% volumen de Nitrógeno : N2 Propiedades: • Densidad relativa = 0,66 • P.C.S. = 4.200 Kcal/m³ (n) • Índice de Wobbe = 5.170 Kcal/m³ (n) • Humedad = saturado El gas ciudad también puede obtenerse mediante la ruptura de las moléculas de combustibles gaseosos, en este caso al proceso se le llama reforming y la materia prima puede ser gas natural, butano o propano.
MEZCLAS AIRE-GAS Los gases de dos familias diferentes no se pueden intercambiar. Las mezclas aire-propano o airebutano, permiten esta intercambiabilidad pudiendo arder en un quemador construido para otro tipo de gas.
277
Mezclas de bajo índice wobbe (1ª familia) Aire Butanado • 21% volumen de butano comercial • 79% volumen de aire • Densidad relativa = 1,22 • P.C.S. = 6.300 Kcal/m³ (n) • Índice de Wobbe = 5.750 Kcal/m³ (n) • Humedad = seco Aire Propanado • 21% volumen de propano comercial • 79% volumen de aire • Densidad relativa = 1,17 • P.C.S. = 5.000 Kcal/m³ (n) • Índice de Wobbe = 4.620 Kcal/m³ (n) • Humedad = seco Mezclas de alto índice wobbe (2ª familia) En la segunda familia, para poder intercambiarse con quemadores de gas natural, las mezclas de aire y gas son más ricas en propano o en butano que las mezclas de la 1ª familia. Aire propanado • • • • • •
60% volumen de propano 40% volumen de aire Densidad relativa = 1,38 P.C.S. = 14.500 Kcal/m³ (n) Índice de Wobbe = 12.487 Kcal/m³ (n) Humedad = seco
A continuación vamos a estudiar con mayor detalle los gases e instalaciones que nos encontraremos en la mayoría de ocasiones, que son el gas natural y los gases licuados del petróleo (GLP).
278
GAS NATURAL OBTENCION
El gas natural se extrae directamente de yacimientos subterráneos donde puede encontrarse solo o mezclado con petróleo.
La composición exacta es variable según los yacimientos, aunque el principal componente es el metano; debido a las diversas composiciones las características del gas varían de un yacimiento a otro. La composición media del gas natural suministrado en España, así como sus características de combustión, son las siguientes: • • • • •
Metano 86.15 % Etano 12.68 % Propano 0.40 % Butano 0.09 % Nitrógeno 0.68 % 279
CARACTERISTICAS DE LA COMBUSTION DEL GAS NATURAL Peso específico 0,808 kg/ Nm3 Densidad relativa al aire 0,625 Potencia calorífica superior a 0º C 10,474 kcal / Nm3 Potencia calorífica inferior a 0º C 9.929 kcal / Nm3 Índice de Wobbe 13.249 kcal / Nm3 Volumen de aire teórico para la 10,47 m3aire/m3gas combustión). Límite inf. de inflamabilidad en el aire 4,8 % (de gas) Límite sup. de inflamabilidad en el aire 13,5 % (de gas).
TRANSPORTE Y DISTRIBUCION
El transporte desde el yacimiento a la zona de consumo se puede realizar en estado gaseoso mediante gasoductos o bien en estado líquido en buques metaneros, denominándose en este caso gas natural licuado (GNL). El gas natural es transportado como líquido a presión atmosférica y a 162 °C donde la licuefacción reduce en 600 veces el volumen de gas transportado, es decir, 1 m3 de líquido equivale a 600 m3 en estado gaseoso.
Por otra parte, como hemos mencionado, el gas natural puede ser transportado también mediante gasoductos, bien desde el mismo yacimiento o desde las estaciones regasificadoras que reciben el gas natural licuado de los buques. En este caso el gas natural circula en estado gaseoso comprimido a 72 kg/cm2. 280
En España el sistema gasista comprende las instalaciones incluidas en la Red Básica de Transporte, la Red de Transporte Secundario, la Red de Distribución.
281
La Red Básica de Transporte, la forman: • Las plantas de Licuefacción: Transforman el gas natural al estado líquido para facilitar su almacenamiento y transporte en buques metaneros. • Las Plantas de Regasificación: Transforman el gas natural líquido de los buques metaneros al estado gaseoso mediante la aportación de calor para introducirlo en la red de gasoductos. • Los Gasoductos de Transporte Primario: son aquellos cuya presión máxima de diseño es igual o superior a 60 bares, son los pertenecientes a lo denominado por la normativa Red de Alta Presión tipo B (A.P.B). • Los Almacenamientos Subterráneos: almacenan gas en el subsuelo para asegurar la continuidad y suministro de gas en caso de fallo de los aprovisionamientos y modular la demanda. Generalmente son antiguos yacimientos. • Las Conexiones Internacionales: gasoductos que conectan el sistema gasista español con otros sistemas o con yacimientos en el exterior. La Red de Transporte Secundario: Son las canalizaciones cuya presión máxima de diseño está comprendida entre 60 y 16 bares. La Red de Distribución: La forman parte de la red de distribución los gasoductos cuya presión máxima de diseño sea igual o inferior a 16 bares, y aquellos otros que, con independencia de su presión máxima de diseño, tengan por objeto conducir el gas a un único consumidor partiendo de un gasoducto de la red básica o de transporte secundario. Comprenden las denominadas Redes de Alta Presión tipo A (A.P.A), Redes de Media Presión tipo B (M.P.B), Redes de Media Presión tipo A (M.P.A) y las redes de Baja Presión. TIPO DE RED
PRESION SERVICIO
Red de Alta Presión > 16 tipo B (A.P.B) bares)
bares
DE MATERIA L (72
Acero
Red de Alta Presión Entre 4 y 16 bares tipo A (A.P.A)
Acero
Red de Media Presión tipo B Entre 0,4 y 4 bares (M.P.B)
Polietilen o
Red de Media Entre 0,05 y 0,4 Polietilen Presión tipo A o bares (M.P.A) Redes de Presión (B.P)
Baja
< 0,05 bares
Polietilen o
USO Transporte a grandes distancias para alimentar otras redes Transporte y distribución. Abastecen las redes de Media y suministran a grandes industrias Abastecen las redes de Media Presión tipo A y Baja presión, así como a pequeñas industrias Abastecen redes de Baja Presión y suministro para uso doméstico/comercial Suministro doméstico/comercial
282
INSTALACIONES DE GAS NATURAL EN EDIFICIOS NORMATIVA REGULADORA
El día 4 de Septiembre de 2006 se ha publicó en el BOE el nuevo Reglamento técnico de distribución y utilización de combustibles gaseosos (en adelante RTDUCG) y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITC IGC de 01 a 11. El RTDUCG es el marco normativo por el que se establecen las condiciones técnicas y garantías que deben cumplir las instalaciones de distribución y utilización de combustibles gaseosos y aparatos de gas. Es de obligado cumplimiento desde el 4 de Marzo de 2007. Normativa complementaria: • • • •
RD 1428/1995 Aplicación de la Directiva 90/396/CEE sobre aparatos de gas RITE. Reglamento de instalaciones Térmicas en Edificios RAP. Reglamento de Aparatos a Presión REBT. Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión
Vamos a conocer los conceptos básicos de una instalación receptora de combustibles gaseosos, según dicta la ITC-ICG 07 del mencionado RTDUCG. Una Instalación receptora de gas es el conjunto de tuberías, accesorios y equipos que distribuyen un gas combustible desde la válvula (llave) de acometida hasta las válvulas de conexión a los aparatos de utilización. Incluye las instalaciones receptoras siguientes: • Que utilicen un combustible gaseoso (UNE 60002). • Que la presión máxima de operación (MOP) sea inferior o igual a 5 bar. • Destinadas a la conexión de aparatos de gas. • Ya no está limitada a usos domésticos colectivos o comerciales sino que incluye también los industriales Equivalencias entre el tipo de red y la MOP TIPO DE RED MP-B MP-A BP
PRESION SERVICIO
PRESION MAXIMA DE OPERACIÓN (MOP)
0,4 a 4 2 a 5 bar bares 0,05 a 0,4 0,1 a 2 bar bar ≤ 0,05 bar ≤ 0,1 bar
283
ELEMENTOS DE LA INSTALACION La distribución del gas natural dentro de una población se lleva a cabo mediante las redes de Media Presión, las cuales discurren por medio de conducciones enterradas de polietileno. A dicha red se conectan las redes de Baja Presión, que suministran gas a los usuarios domésticos y a los establecimientos industriales o comerciales.
TIPOLOGIAS DE SUMINISTRO Con distribución en Media Presión A (0,05 a 0,4 bar) Si una instalación de tipo domestico en Baja Presión se suministra a través de una red Media Presión Tipo A (presión comprendida entre los 0,05 y 0,4 bares). Ésta consta de los siguientes elementos principales: llave de acometida, llave de edificio, llaves de abonado, regulador de MP/BP, contador, llaves de aparato y las válvulas de corte de cada aparato. Partiendo de la red de distribución, se saca una derivación provista de una llave de acometida (R1), continua la conducción enterrada, hasta que llega a la llave del edificio (R2), situada en la vivienda y accesible desde el exterior, iniciándose la instalación común. Partiendo de un colector se encuentran las llaves de abonado que son el origen de las instalaciones individuales de los usuarios, a partir de aquí la instalación puede ser centralizada o con los contadores en cada vivienda.
284
En una instalación centralizada existe un armario o cuarto de contadores en el que están colocados el regulador de MP/BP, que reduce la presión de trabajo por debajo de los 0,05 bares necesaria para el funcionamiento de los aparatos de gas domésticos y un contador por cliente. Después del mismo sale una tubería individual para cada abonado. Si no hay un local en el edificio lo suficientemente ventilado, esta centralización de contadores se puede colocar en la azotea del edificio u optar por colocar un contador en cada vivienda. En este caso la tubería discurre, en los edificios sin preinstalación de obra, generalmente por fachada y tiene las derivaciones necesarias para alimentar cada vivienda. Ahora, el regulador se encuentra colocado junto al contador. Después del mismo la instalación transcurre por el interior de la vivienda, hasta llegar a las correspondientes llaves de aparato y la conexión a los mismos y las válvulas de corte que poseen cada uno de ellos. Se denomina instalación receptora a todos elementos comprendidos después de la válvula de acometida (R1) hasta la lleve de aparato.
285
Con distribución en Media Presión B (0,4 a 4 bares) En el caso que el suministro lo hagamos a través de una red de Media Presión Tipo B (presión comprendida entre los 0,4 y 4 bares) el regulador de MP/BP se coloca en un armario después de la llave de acometida, para a continuación partir la instalación común en baja presión que conecta con las distintas instalaciones individuales. Pueden también en este caso estar los contadores centralizados o no. 1.- Acometida 2.- Armario de regulación 3.- centralización contadores 4.- Toma presiones MPB 5.- Válvula usuario 6.- Regulador abonado MPA-BP 7.- Batería de contadores 8.- Contador gas 9.- Toma presiones BP 10.- Límite vivienda 11.- Llave vivienda 12.- Toma presiones (opcional) 13.- Llave aparato 14.- Aparato de gas
286
Para el abastecimiento de una instalación industrial importante o a una serie de locales colectivos se emplea un suministro por medio de una Red de Alta Presión tipo A (presión comprendida entre los 4 y 16 bares). En este caso la instalación consta de una acometida interior que es la tubería que une la llave de acometida de la compañía distribuidora de gas natural y la válvula de entrada a la Estación de Regulación y Medida (E.R.M.). Este elemento es un armario o caseta en el que se encuentran un conjunto de aparatos y accesorios que tiene por misión, filtrar el gas de las impurezas que pudiera arrastrar en su movimiento en el interior de las tuberías, regular la presión de distribución a los valores establecidos y medir el gas consumido por el usuario. Desde la E.R.M. parte la línea de distribución interior que distribuye el gas en el interior del recinto hasta los aparatos de consumo, antes de los cuales se coloca un grupo de regulación que tiene por misión regular y mantener la presión del gas en los límites establecidos por el fabricante, para el funcionamiento del mismo.
DESCRIPCION DE ELEMENTOS Acometida: La acometida, también llamada ramal, es la parte de la instalación que une la red de distribución de gas a la instalación interior de un edificio, y en ella se encuentra una llave o válvula de cierre. El RD 919/2006 define “acometida interior” como el conjunto de conducciones y accesorios comprendidos entre la llave de acometida, excluida ésta, y la llave o llaves del edificio, incluidas éstas, en el caso de instalaciones receptoras suministradas desde redes de distribución. En el caso de instalaciones individuales con contaje (equipo contador) situado en el límite de la propiedad no existe acometida interior. Ramal Exterior: Es la parte de esta conducción que se encuentra entre la red de distribución y la llave de distribución y la llave de ramal. Llave de ramal: Lave que permite cortar el suministro a un inmueble desde el exterior del edificio, a unos 30 cm., de la fachada y 30 cm., de profundidad. Aquí termina la responsabilidad de la compañía y empieza la instalación interior.
287
Instalación interior: Expresión utilizada para designar el conjunto de tuberías y accesorios para la distribución de gas desde la llave de ramal hasta el punto de consumo en ella pueden distinguirse: • Ramal interior: Tubería que conecta la llave ramal con el montante o montantes generales, con la batería de contadores o con la tubería de entrada de contadores en caso de viviendas unifamiliares.
Ramal interior • Montante particular: Conducto vertical que transporta el gas de un solo abonado en el caso habitual de ubicar los contadores en batería única para todo el inmueble de donde saldrán tantos montantes como viviendas o locales distintos existan en el edificio, agrupados en 288
uno o varios haces que deberán mantener un perfecto paralelismo con objeto de identificarlos fácilmente en todo su recorrido.
• Montante general: Conducto vertical que transporta el gas a varios abonados, debe colocarse, al igual que los montantes particulares, en lugar accesible y ventilado, lo más próximo a la zona destinada al contador. • Sifón de purga: Dispositivo situado en los puntos bajos de los conductos de alimentación, destinado a recoger la condensación. • Instalación interior de vivienda: Conjunto de tuberías y accesorios que permite disponer de combustible en todos y cada uno de los aparatos de utilización deseados dentro del local y vivienda. • Llave de aparato: Es la llave situada al final de la tubería de alimentación del aparato permitiendo cerrar la circulación del gas. • Conexión de aparato: Tubo que une el extremo del conducto de alimentación del aparato con este.
289
TUBERÍAS EMPLEADAS PARA LA CONDUCCIÓN DE GAS Las condiciones que deben cumplir las tuberías destinadas a conducciones de gas son: no deben ser atacadas por el gas ni por el medio exterior con que están en contacto. Los espesores de las paredes han sido determinados en función de su resistencia mecánica y a las pruebas de presión. Los materiales corrientemente empleados en las instalaciones de gas son los siguientes: • Tubería de plomo: Sólo puede emplearse para gases de la 1er. Y 2da. Familia y para presiones inferiores a 0,050 atmósferas. Puede utilizarse en instalaciones vistas y enterradas. Solo se permitirá empotrar tramos de 0,40 m., como máximo, siempre que sea para salvar obstáculos. • Tubería de cobre: Puede emplearse para gases de las tres familias. La presión de utilización dependerá del tipo de soldadura con que se unan los tubos. Con soldadura blanda, hasta 0,050 atm., y con soldadura fuerte, hasta 4 atm. Solo podrán empotrarse tramos de 0,40 m., como máximo, para salvar un obstáculo o tener acceso a una llave. • Tubería de acero: Puede emplearse para gases de la 1era., y 2da., familia. Para la 3era., familia sólo podrá utilizarse el acero estirado. La presión máxima de utilización será de a atm. Las uniones deberán realizarse mediante soldaduras o uniones metálicas. Podrán utilizarse en instalaciones vistas, enterradas y empotradas. Las tuberías de acero deben ser protegidas contra oxidación. Ubicación de tuberías Las tuberías del gas podrán ser: • Vistas 290
• En vainas o conductos • Enterradas • Empotradas (de uso restringido) Distancias a otros servicios
291
Prohibición de paso
Tuberías alojadas en vainas o conductos No deben disponer, en su interior, de órganos de maniobra. Deben ser continuas o estar unidas mediante soldadura. Se utiliza en los siguientes casos: • Protección mecánica de la tubería o Golpes fortuitos. o Zonas de paso o estacionamiento de vehículos. o Tuberías en el exterior hasta 1’80 m. • Ventilación de tuberías o Semisótanos, falsos techos, altillos. o Locales o viviendas a los que no suministran. • Tuberías que alimenten armarios o reguladores • Tuberías alojadas en el suelo o subsuelo Tuberías enterradas • La profundidad de la tubería será 0,5 m. • Los materiales podrán ser Poliestireno, Acero, Cobre o Fundición Dúctil, según presión • El fondo de la zanja deberá ser de arena lavada de río. • Cuando la canalización enterrada se encuentre próxima a otras instalaciones o servicios deberán respetarse tanto en paralelo como en cruce con una distancia de 0,2 m. • Las tuberías metálicas enterradas deberán estar protegidas contra la corrosión.
292
Tuberías empotradas • Uso RESTRINGIDO. Sólo se utilizará para rodear obstáculos y conectar dispositivos alojados en armarios o conductos. Se deben obstruir huecos de la construcción. • Acero, acero inox. o cobre • Longitud max. 0’40 m • Tubería limpia, pintada y encintada. • Excepcionalmente, en caso de tuberías que alimenten a un conjunto de regulación y/o contadores la longitud se puede ampliar hasta 2’50 m
293
LOS GASES LICUADOS DEL PETRÓLEO INTRODUCCION
Reciben el nombre de Gases Licuados del Petróleo (GLP), las mezclas comerciales de hidrocarburos en los que el butano o el propano son dominantes. En su estado natural son gaseosos, pero en recipientes cerrados y temperatura ambiente, una gran parte de los mismos están en fase líquida, ocupando un volumen 250 veces inferior al que ocuparían en estado vapor. Su comercialización está claramente diferenciada en función de la forma de almacenamiento y distribución, en: • GLP envasado, que se utiliza casi exclusivamente como combustible doméstico para la cocina, el agua caliente y la calefacción. • GLP almacenado en depósito fijo, que se utiliza principalmente en los sectores domésticos, residencial, comercial, en la agricultura, y en determinadas industrias • GLP automoción (Autogas), para su uso como carburante. Su uso como carburante está definido a nivel europeo por la Norma UNE EN 589. En España, el Real Decreto de 1700/2003 de 15 de diciembre. PROPIEDADES La denominación de "gases licuados del petróleo" se aplica a un reducido número de hidrocarburos que a la temperatura ordinaria ya la presión atmosférica se encuentran en estado gaseoso y que tienen la propiedad de pasar al estado líquido al someterlos a una presión relativamente baja. Tales son, en concreto, el propano y el butano. Esta propiedad les confiere la ventaja de poder ser almacenados en estado líquido ocupando un volumen muy reducido. Dichos gases forman parte de los hidrocarburos saturados, cuya fórmula general es Cn H2n+2, y cuyos primeros términos son el metano (CH4), el etano (D2 H6), el propano (C3 H8), los butanos (butano normal e isobutano (C4 H10) y a continuación los pentanos, hexanos, etc., que son líquidos a la temperatura ordinaria. Composición Los G.L.P. comerciales no son productos puros, sino mezclas de butano y propano con otros hidrocarburos. La composición del propano y el butano se encuentra regulada como se ha mencionado anteriormente por el REAL DECRETO 1700/2003, de 15 de diciembre, por el que se fijan las especificaciones de gasolinas, gasóleos, fuelóleos y gases licuados del petróleo, y el uso de biocarburantes.
294
Las mezclas (C3/C4) utilizadas en automoción, una aplicación importante de los GLP, tienen una proporción que oscila entre 70/30 y 60/40. La diferencia principal en las características del butano y del propano comerciales, que afectan a su manipulado, está en las tensiones de vapor de ambos productos y, como consecuencia, en su punto de ebullición. En condiciones normales de presión y temperatura ambos productos se encuentran en estado gaseoso y se licúan al someterlos a una presión relativamente baja o enfriándolos. Gracias a ello son fácilmente transportables en buques, en vagones y en camiones cisternas, en botellas o en otros recipientes móviles especiales. Para una presión y composición determinadas el butano comercial y el propano comercial hierven a temperaturas fijas y éstas no varían sustancialmente a lo largo de toda la evaporación. (A la presión atmosférica el butano hierve a - 0,5º C. y el propano a 42,1º C.) A una temperatura dada el butano y el propano contenidos en un recipiente cerrado se encuentran a una cierta presión. Si la temperatura se eleva la presión aumenta y, si desciende, disminuye. La tensión de vapor del butano comercial a 20º C. es aproximadamente de 3 atmósferas absolutas, mientras que la del propano comercial es a esa misma temperatura de 8,5 atmósferas absolutas. En consecuencia, la presión en el interior de los depósitos de G.L.P. es suficientemente alta para hacer uso continuado del gas en sus distintas aplicaciones y es, al mismo tiempo, lo suficientemente baja como para ser almacenados en depósitos o botellas de construcción relativamente ligera. El butano y también, aunque con menor frecuencia, el propano se utilizan para usos domésticos, suministrándose envasados en botellas. Estas botellas, de acuerdo con las Normas Oficiales, pueden colocarse dentro o fuera de los edificios habitados, haciendo las instalaciones necesarias para su utilización. El propano se usa principalmente como combustible en instalaciones centralizadas para viviendas, en la industria y en la agricultura. El bajo punto de ebullición del propano hace posible utilizarlo en las condiciones más frías del invierno.
Odorización El butano y el propano son inodoros en su estado puro. Las especificaciones oficiales requieren que estos gases posean un olor característico de fácil identificación en caso de fugas, lo cual se consigue añadiéndoles pequeñas cantidades de unos productos de fuerte olor (mercaptanos o derivados tiofénicos)
295
Densidad El butano y el propano líquidos son más ligeros que el agua. Por consiguiente, cuando un depósito o botella de G.L.P. contiene agua, ésta se deposita en su fondo. En estado gaseoso son más pesados que el aire y, por lo tanto, cuando se derraman se depositan en las zonas más bajas.
Corrosión Los G.L.P. no corroen al acero, al cobre, ni al caucho sintético. Los G.L.P. son buenos disolventes de productos tales como grasa, barnices y caucho natural. Por esta razón las juntas, conducciones flexibles, etc., no pueden ser de este último producto.
Inflamabilidad y combustión El butano y el propano forman con el aire mezclas inflamables en las siguientes proporciones: • •
Propano, entre el 2,2 y 9,5% Butano, entre el 1,9 y 8,5%
Para la perfecta combustión del butano y del propano se necesitan las siguientes cantidades de aire o de oxígeno.
Poder Calorífico PROPANO COMERCIAL 12 000 50,16 Poder kcal/kg MJ/kg Calorífico 25 140 105,08 Superior kcal/m3 MJ/m3 10 900 45,56 Poder kcal/kg MJ/kg Calorífico 22 835 95,45 Inferior kcal/m3 MJ/m3
13,95 kWh/kg 29,23 kWh/m3 12,67 kWh/kg 26,55 kWh/m3
BUTANO COMERCIAL 11 900 49,74 kcal/kg MJ/kg 31 240 130,58 kcal/m3 MJ/m3 10 820 45,22 kcal/kg MJ/kg 28 400 118,71 kcal/m3 MJ/m3
13,83 kWh/kg 36,32 kWh/m3 12,47 kWh/kg 33,02 kWh/m3 296
Grado de llenado Los gases butano y propano se almacenan licuados a presión porque en ese estado queda reducido su volumen unas 240 veces aproximadamente. El GLP se encuentra en los envases a presión que es la denominada “Tensión de vapor” (bares absolutos). Recordemos que el valor absoluto de la presión es el dado por el manómetro, añadiendo el valor de la presión atmosférica en el momento de la medición). La presión del gas en el interior de un envase, a una temperatura de 15° C, es de aproximadamente 8,0 bar para el propano y 2 bar para el butano. A una temperatura máxima de trabajo de 60° C, las presiones respectivas son aprox. 20 y 7,5 bar. El llenado de un envase no puede sobrepasar el 85 % de su volumen quedando el 15 % restante ocupado por el GLP en fase gaseosa. Esta limitación en el llenado se debe a que, caso de que se caliente un envase, el líquido contenido se dilataría más que el acero utilizado para realizarla y si se encontrara totalmente llena, podría llegar a romperse. Los GLP en estado gaseoso pesan el doble que el aire. Si se produjera una fuga, se expandiría tendiendo a depositarse en las partes bajas del local. Este es el motivo por el que se hace obligatoria la realización de un orificio en la parte inferior del local. En caso de fuga y existiendo una correcta ventilación en el local, la corriente de aire que se origina es suficiente para no permitir la decantación de los GLP. Está prohibido situar los envases de GLP en sótanos, escaleras y en lugares de tránsito. Los GLP en estado líquido pesan la mitad que el agua. Si un envase de GLP contuviera también agua, ésta quedaría en el fondo. Si el envase contuviera agua en vez de gas, pesaría un 30% más.
Toxicología La inhalación de G.L.P. puede producir una ligera acción anestésica. El riesgo de asfixia sólo sobreviene cuando existe falta de oxígeno. La combustión directa de los G.L.P., cuando se realiza de forma incompleta, al igual que sucede con otros combustibles, puede producir monóxido de carbono. No existirá peligro si la combustión se realiza con abundancia de oxígeno, puesto que en vez de monóxido de carbono se produce anhídrido carbónico. En el caso de que los quemadores de los aparatos de consumo estén en correctas condiciones de construcción y mantenimiento la buena combustión del gas depende sólo de la necesaria aportación del aire, resultando que los productos de la combustión son vapor de agua y anhídrido carbónico (CO2).
297
OBTENCION GLP en refinerías Se inicia cuando el petróleo crudo procedente de los pozos petroleros llega a una refinación primaria, donde se obtienen diferentes cortes (destilados) entre los cuales se tienen gas húmedo, naftas o gasolinas, queroseno, gasóleos atmosféricos o diésel, y gasóleos de vacío. Estos últimos (gasóleos) de vacío son la materia prima para la producción de gasolinas en los procesos de craqueo catalítico. El proceso se inicia cuando estos se llevan a una planta FCC y, mediante un reactor primario a base de un catalizador a alta temperatura, se obtiene el GLP, gasolinas y otros productos más pesados. Esa mezcla luego se separa en trenes de destilación. GLP de gas natural El propano y butano pueden ser extraídos también por procesos consistentes en la reducción de la temperatura del gas natural hasta que estos componentes y otros más pesados se condensen.
TRANSPORTE Y DISTRIBUCION Los GLP, una vez extraídos como gases de refinería o instalaciones de gas natural asociados, son comprimidos hasta licuarlos y mantenidos en ese estado en grandes almacenamientos, normalmente anexos a las instalaciones de refinerías o portuarias, llamados terminales. Los centros de almacenamiento y distribución de envases de GLP se clasifican en las siguientes categorías: • • • • •
1.ª categoría: Con capacidad nominal de contenido total desde 25.001 kg hasta 250.000 kg. 2.ª categoría: Con capacidad nominal de contenido total desde 12.501 kg hasta 25.000 kg. 3.ª categoría: Con capacidad nominal de contenido total desde 1.001 kg hasta 12.500 kg. 4.ª categoría: Con capacidad nominal de contenido total desde 501 kg hasta 1.000 kg 5.ª categoría: Con capacidad nominal de contenido total hasta 500 kg, en almacenamientos en estaciones de servicio o en almacenamientos en locales comerciales.
Desde los terminales el GLP se transporta por barcos, cisternas tanto por ferrocarril como por carretera, o gasoductos hasta las plantas de llenado para su distribución comercial en botellas o a depósitos de granel. Posteriormente se puede distribuir al usuario final en botellas o cartuchos recargables (mas popularmente denominadas bombonas), o bien en depósitos fijos. BOMBONAS El propano y butano se distribuyen en varios tipos de bombonas según su uso: • Uso domestico: 298
o UD-110 (propano) o UD-125 (butano) • Uso industrial: o I-350 (propano)
Tipos de botellas de Repsol (izqda) y Cepsa (Dcha)
UD-125
USO DOMESTICO
GAS BUTANO
UD-110
DOMESTICO
PROPANO
UI-350
INDUSTRIAL
PROPANO
REPSOL NARANJA NARANJA CON FRANJA NEGRA NARANJA
CEPSA PLATEADO GRIS AZUL
Bombonas UD-110 y UD-125 Para el consumo doméstico de los G.L.P. se utiliza normalmente la botella UD-125, cuya carga nominal es de 12,5 kg de butano, o la UD-110, análoga a la anterior, que contiene 11 kg de propano. Dichos envases están formados por dos piezas o casquetes de chapa de acero unidos por una soldadura ecuatorial. Se componen, además de un collarín o boca, del mismo tipo de acero que los casquetes, con un orificio roscado en su centro para el alojamiento de la válvula, de dos asas en el casquete superior y un aro base, fijado por varios puntos de soldadura al fondo de la botella. Las características constructivas de las botellas UD-125 y UD-110 DE REPSOL son: Diámetro exterior 300 mm Capacidad
26,1 litros (tolerancia + 0,5 299
litros) Altura sin válvula 475 mm (tolerancia ±5 mm) Espesor de chapa
3,2 mm (tolerancia ±0,2 mm)
Peso en vacío
13,9 (tolerancia ±0,9 kg)
Los envases domésticos de CEPSA que contienen butano son de chapa de acero inoxidable lo que hace que las botellas resulten muy manejables por su ligereza, mientras que las restantes son de acero no aleado, cumpliendo ambas en su fabricación y revisión las exigencias legales para este tipo de envases. Los envases domésticos se componen fundamentalmente de dos piezas llamadas casquetes. Los industriales además de los dos casquetes incorporan una virola intermedia. Las uniones se realizan por soldadura circunferencial. Las botellas llevan en su parte inferior soldado un aro metálico, con orificios de ventilación, que les sirve de base soporte. En su parte superior llevan un guarda válvula que es un aro protector de la válvula o llave para llenado y vaciado. Este aro lleva aberturas adecuadas para que se pueda utilizar como asa.
300
Todas las botellas se someten a una prueba de presión hidráulica de 30 kg/cm2, y una vez superada ésta y montada la válvula se realiza otra con aire, a 7 kg /cm2 para comprobar la estanquidad de la unión roscada. Además de las pruebas mencionadas, de cada doscientas botellas fabricadas, una de ellas, elegida al azar, se somete a presión hidráulica hasta su rotura, debiendo superar los 85 kg/cm2.
Bombonas I-350 Las bombonas I-350, también llamadas botellas industriales, tienen 35 Kg. de carga de propano comercial. La tara de cada botella es de 35 Kg., con lo que el bruto de este envase son 70 Kg. de peso y su dimensión es de 30 centímetros de diámetro con una altura total de 143 centímetros. Todas las botellas van provistas en su parte superior de una válvula tipo IESA, dotada de válvula de seguridad, protegida mediante un collarín o anillo metálico alrededor de la misma. En la parte inferior, disponen de un aro base para garantizar su estabilidad. Sus principales usos son: • • • • •
Cocción: en cocinas y hornos. Agua caliente: con calentadores y calderas. Calefacción y calderas. Aplicaciones industriales: en soldadores, fontaneros. Asfaltados, calefacciones, hornos y cocinas industriales, etc.
UTILIZACION DE BUTANO Y PROPANO El gas butano se utiliza en el interior de la vivienda y también en el exterior, pero no en zonas frías ni para tomas de larga duración ya que a temperaturas del orden de 0° C, la vaporización es muy limitada. El gas propano, por el contrario, se utiliza además en zonas frías, para mayores caudales y en tomas de larga duración (por ejemplo, para alimentar calderas de calefacción).
UBICACIÓN Y NUMERO DE BOTELLAS El RD 919/2006, regula en su Instrucción Técnica Complementaria ITC-ICG 06 de Instalaciones de envases de gases licuados del petróleo (GLP) para uso propio, los criterios y requisitos de seguridad para el uso de GLP en botellas de más de 3 kg para alimentar instalaciones receptoras, tanto domésticas como industriales. El número de botellas que se pueden almacenar, varía en función de la capacidad unitaria (kg) de la botella: 301
Instalaciones de GLP con envases de capacidad unitaria no superior a 15 kg La capacidad total de almacenamiento, obtenida como suma de las capacidades unitarias de todos los envases incluidos tanto los llenos como los vacíos, no deberá superar los 300 kg. No se permitirá la instalación de envases en viviendas o locales cuyo piso esté más bajo que el nivel del suelo (sótanos o semisótanos), en cajas de escaleras y en pasillos, salvo expresa autorización del órgano competente de la Comunidad Autónoma. Cuando los envases estén instalados en el exterior (terrazas, balcones, patios, etc.) y los aparatos de consumo estén en el interior, la instalación deberá estar provista, en el interior de la vivienda, de una llave general de corte de gas fácilmente accesible. No se permitirá que en el interior de la vivienda o local estén conectados más de dos envases en batería para descarga o en reserva. Los envases, que dispongan de válvula de seguridad, tanto llenos como vacíos deberán colocarse siempre en posición vertical. Los armarios, destinados a alojar los envases, deberán estar provistos en su base o suelo inferior de aberturas de ventilación permanente con el exterior del mismo. La superficie libre de paso de la ventilación debe ser superior a 1/100 de la superficie de la pared o fondo del armario en que se encuentren colocados los envases y de forma que una dimensión no sea mayor del doble de la otra. Ningún envase debe obstruir, parcial o totalmente, la superficie de ventilación. En el interior de la vivienda, el envase de reserva, si no está acoplado al de servicio con una tubería flexible, deberá colocarse obligatoriamente en un cuarto independiente de aquel donde se encuentre el envase en servicio y alejado de toda clase de fuentes de calor, disponiendo además de la ventilación adecuada. Queda absolutamente prohibida la conexión de envases y aparatos sin intercalar un regulador, salvo que los aparatos hayan sido aprobados para funcionar a presión directa, en cuyo caso para la conexión deberá utilizarse una canalización rígida. La regulación de presión desde el envase a los aparatos de consumo se realizará según la norma UNE 60670-4, y cuando se utilicen reguladores de presión no superior a 200 mbar, éstos deberán cumplir la norma UNE-EN 12864. Las distancias mínimas entre los envases conectados y diferentes elementos de la vivienda o local serán las siguientes:
302
Instalaciones de GLP con envases de capacidad unitaria superior a 15 kg La capacidad total de almacenamiento, obtenida como suma de las capacidades unitarias de todos los envases, incluidos tanto los llenos como los vacíos, no deberá superar los 1.000 kg. La instalación de los envases se realizará normalmente en baterías, habiendo un grupo en servicio y otro en reserva. Las instalaciones deberán incorporar un inversor, que deberá cumplir la norma UNE-EN 13786, que ejerza la primera etapa de regulación y en el caso de que no haya envases de reserva, un regulador que ejerza dicha primera etapa de regulación. Los envases que dispongan de válvula de seguridad, tanto llenos como vacíos, se colocarán en posición vertical y con las válvulas hacia arriba. Excepcionalmente, previa autorización del órgano competente de la Comunidad Autónoma, se podrán invertir los envases en instalaciones con utilización del gas en fase líquida. No se permitirá la instalación de envases en locales cuyo piso esté más bajo que el nivel del suelo (sótanos o semisótanos), en cajas de escaleras y en pasillos, salvo expresa autorización del órgano competente de la Comunidad Autónoma. Tampoco se permitirá su colocación en locales en los que se encuentren instalados conductos de ventilación forzada, salvo que se efectúe dicha instalación de ventilación con modo de protección antiexplosivo y los conductos no discurran por otros locales, o bien se dote al local de un sistema de detección de fugas que actúe los equipos de extracción y cierre de salida de gas de los envases. Los envases estarán ubicados siempre en el exterior de las edificaciones, protegidos por una caseta que cumpla las especificaciones detalladas, salvo para las instalaciones con un contenido total de GLP no superior a 70 kg, que podrán ubicarse en el interior del local cuando este cumpla los siguientes requisitos: • Volumen superior a 1.000 m3. • Superficie mínima, 150 m2.
303
• Huecos de ventilación con superficie libre mínima de 1/15 de la superficie del local, sirviendo al efecto cualquier abertura permanente (puertas, ventanas, etc.) que llegue a ras de suelo. • Protección contra incendios: Dos extintores de eficacia 21A-113B según UNE-EN 3-7, que deberán estar colocados en la proximidad de los envases y en lugar de fácil acceso. La caseta estará construida con materiales de clase A2-s3,d0. Deberá tener huecos de ventilación en zonas altas y bajas (a menos de 15 cm del nivel del suelo y de la parte superior de la caseta), con amplitud como mínimo de 1/10 de la superficie de la misma no pudiendo ser una dimensión mayor del doble de la otra. Si la caseta es accesible a personas extrañas al servicio, el acceso estará dotado de puerta con cerradura. El piso de la caseta deberá estar ligeramente inclinado hacia el exterior. Las casetas podrán realizarse en la fachada del edificio, hacia el interior de este, siempre que la resistencia de paredes, suelo y techo sea equivalente a la de la fachada, se guarden las medidas y condiciones de las casetas exteriores y dupliquen la superficie de ventilación directa que se exige a aquellas. La distancia de los envases, tanto en uso como de reserva, con diferentes elementos, se especifica en el siguiente cuadro:
En caso de que el contenido total de GLP sobrepase los 350 kg, se dispondrán dos extintores de eficacia 21A-113B, ubicados en el exterior de la caseta y en lugar de fácil acceso. En resumen, el número máximo de botellas correspondientes a los límites establecidos por el RD 919/2006 en función del tipo de botella, son: • Botellas domésticas de butano (12,5 kg): 300/12,5 = 24 uds (12 + 12) • Botellas domésticas de propano (11 kg): 300/11 = 26 uds. (13 + 13) • Botellas industriales (35 kg): 1000/35 = 28 uds. (14 + 14) 304
Las baterías más habituales para las viviendas unifamiliares o los pequeños negocios son las formadas por 6 botellas (3 en funcionamiento y 3 en reserva) o por 10 botellas (5+5) que forman el llamado E.I.P. (Equipo Individual Propano).
VAPORIZACION DE LAS BOTELLAS DE GLP Los GLP son utilizados normalmente en fase gaseosa, por lo que previamente se han de vaporizar en la propia botella. Estudiemos la vaporización natural que se produce en el interior de una botella de GLP cuando se toma gas. Dentro de una botella de GLP, la fase líquida se encuentra en equilibrio con su fase vapor. A cada temperatura corresponde una presión de equilibrio. Este equilibrio solamente se altera al variar la temperatura ambiente y/o al realizarse una toma de gas. • Variación de la temperatura ambiente: Cuando aumenta la temperatura, el líquido se dilata y condensa parte de dicho vapor alcanzándose el equilibrio a una tensión de vapor superior a la anterior. Tratándose de una bajada de temperatura, el equilibrio se alcanzaría a una tensión de vapor inferior. • Cuando se realiza una toma de gas, se rompe el equilibrio de presión entre líquido y gas ya que éste “se pone en contacto” con la presión atmosférica. Esto hace que el líquido comience a hervir (vaporización tumultuosa). El GLP en fase vapor sale impulsado por su propia presión, y la fase líquida se vaporiza tratando de alcanzar nuevamente el equilibrio perdido. La vaporización requiere un aporte de calor que en este caso se toma de forma natural del propio líquido ("calor latente de vaporización") enfriándose. Al estar el líquido a temperatura inferior a la del ambiente, toma calor de su entorno de forma natural a través de las paredes de la botella. Si el aporte de calor exterior no alcanza para la vaporización solicitada, el líquido se irá enfriando y la presión en el interior de la botella irá disminuyendo en consecuencia, reduciéndose por ello el caudal suministrable por la botella, pudiendo llegar a resultar insuficiente. Un incremento del caudal vaporizado se consigue aportando calor a la botella o sumando los caudales de varias botellas acopladas en batería para descarga múltiple. El punto de ebullición de los GLP es más bajo que el del agua. A la presión atmosférica, el propano puro hierve a unos –42° C y el butano puro aproximadamente a 0° C. Un propano comercial, mezcla de 80% de propano y 20% de butano, tendrá una curva de tensión de vapor intermedia, más cercana a la de propano puro que a la de butano puro. Al realizarse una toma de fase gaseosa, los GLP no necesitan ser calentados para que se produzca su ebullición instantánea, porque ellos se encuentran ya suficientemente calientes. En la vaporización de una mezcla de GLP, el propano tiende a vaporizarse antes que el butano (su punto de ebullición es más bajo que el de butano). Debido a ello, la mezcla se va enriqueciendo en butano (ello supone en el GLP residual un enriquecimiento del poder calorífico, un aumento de la densidad y una disminución de la masa en volumen). Si en el proceso de vaporización, el gas se enfriara hasta una temperatura a la que corresponda una presión inferior a la presión mínima de funcionamiento del regulador conectado a la salida de 305
la botella, éste dejará de funcionar adecuadamente (su presión de salida sería inferior a la nominal). Resultado de ello es que la botella queda con un resto de gas que no se puede aprovechar a no ser que se consuma en aparatos de reducido consumo. Se dice que una botella se está congelando cuando debido al enfriamiento excesivo, el caudal de gas se va reduciendo considerablemente. Al llegar la botella a alcanzar los 0° C, se recubre de una capa de hielo formado por la humedad de la atmósfera que se ha helado. Esta capa de hielo dificulta el paso del calor desde el exterior al interior del envase y empeora la vaporización. Tratándose de butano, la vaporización podría llegar a anularse. Tratándose de propano, seguiría la vaporización ya que a esa temperatura (0° C), la tensión de vapor del gas sigue siendo superior a la presión atmosférica. Si la temperatura bajara hasta que la presión del gas alcanzara el valor de la atmosférica, cesaría la salida del gas del envase. Por el hecho de que el propano a la presión atmosférica tiene una temperatura de ebullición más baja que la del butano, permite caudales mayores y más prolongados. Si se desea una toma continua de gas, se deberá limitar el caudal para que la cantidad de calor necesaria para la transformación no sobrepase la cantidad que el exterior pueda aportar. Al cesar la toma de gas, se tiende a restablecerse el equilibrio de presiones perdido y la ebullición cesa. Se necesita un cierto tiempo para que el GLP alcance la temperatura ambiente. Durante este calentamiento, va aumentando su tensión de vapor. TIPOS DE DESCARGA DE LAS BOTELLAS DE GLP Cada envase puede suministrar un caudal determinado por vaporización natural. Dicho caudal resulte insuficiente ante la demanda de los aparatos de consumo, se deberán instalar las botellas necesarias montadas para descarga simultánea (múltiple), variándose en consecuencia los elementos constitutivos de la instalación. Al diseñar una instalación se ha de determinar el tipo de DESCARGA del gas más conveniente. Los tipos de descarga son: • Descarga unitaria: Cuando es una sola botella la que proporciona gas a la instalación de gas. El caudal es función de la temperatura exterior y del régimen de toma, principalmente. Puede ser continua o discontinua • Descarga múltiple: Cuando son varias botellas las que suministran gas simultáneamente. Pueden ser en serie o en paralelo o Descarga múltiple en serie: Cuando se acoplan varios recipientes en batería, cada uno con el regulador correspondiente acoplado, y confluye el gas a presión reducida en un colector que alimenta a los aparatos. Con este sistema se multiplica la autonomía pero no el caudal. Solo se permiten 2 botellas en serie. o Descarga múltiple en paralelo: Cuando se acoplan varias botellas directamente a un colector, en donde se encuentra un regulador común que actúa sobre la suma de 306
caudales de todas las botellas. Con este sistema se puede multiplicar el caudal además de multiplicar la autonomía. Es el caso de botellas industriales y domésticas con adaptador de salida libre. En general, la descarga puede ser continua o discontinua:
Descarga continua: Disposición de las botellas de tal forma que tras el agotamiento de la(s) en servicio, entran a suministrar gas otras tantas botellas que se encuentran conectadas en reserva mediante la maniobra de un inversor automático. La conmutación es instantánea, no apreciándose en los aparatos de consumo. • Descarga discontinua: Disposición de las botellas de tal forma que tras el agotamiento de la(s) en servicio, se interrumpe el suministro durante el tiempo necesario para sustituir la(s) vacías por otras tantas llenas. Esta descarga puede darse tanto en instalaciones unitarias o múltiples. Las botellas en reserva no se encuentran conectados a la instalación o si lo están, es mediante una llave conmutadora manual (inversor manual). Sustitución de las botellas en servicio por las de reserva: Pueden darse dos casos según éstas se encuentren o no conectadas:
307
• Descarga sin tener la reserva conectada: Se elige este sistema cuando dicha contingencia no produce molestias y cuando, por ejemplo en las instalaciones móviles, el acarrear las botellas de reserva supone una cierta dificultad. • Descarga teniendo la reserva conectada: Puede ser unitaria, en serie o en paralelo. Se requiere disponer de tantas botellas en reserva como se necesiten en servicio puesto que normalmente se calcula la cantidad de las mismas en función de la vaporización.
La “inversión” desde las botellas en servicio vacías, a las botellas en reserva llenas se realiza mediante un dispositivo llamado inversor. Existen dos tipos de inversores, el manual y el automático. Con estos últimos no existe interrupción de suministro, lográndose la descarga continua. 308
VALVULAS Y ADAPTADORES Las botellas son rellenables por lo que necesitan una llave para su llenado y para ser conectadas a la instalación de consumo a la que suministra el gas. La llave se encuentra en el adaptador necesario para su conexión a la instalación de consumo. Según el tipo de botella se distinguen los dos dispositivos siguientes: • Botellas domésticas: El dispositivo utilizado lo forman dos piezas: la válvula en sí de la botella y un adaptador-válvula de tipo Kosangas. Ambos se unen por “enchufe rápido” tipo JUMBO. El acoplamiento de las partes se realiza simplemente encajando la primera dentro del segundo sin necesidad de giro ni de roscado. La válvula es autocerradora. La llave de la botella doméstica consiste en el conjunto de dicha válvula y un adaptador. Se acciona mediante una palanca, que actúa sobre un percutor, incorporados en el adaptador. Dicho percutor es quien abre la válvula (vence la fuerza de reacción de un muelle y la propia presión del gas contenido), para que el gas llegue al regulador. El “enchufe rápido” facilita la maniobra de acoplamiento de la botella doméstica a la instalación de consumo y garantiza la toma de gas tan solo cuando dicha unión se realiza correctamente. La estanquidad de la conexión entre la botella doméstica y el adaptador se consigue mediante el anillo-junta incorporado en la propia válvula. Esta junta es de elastómero y sufre un envejecimiento lógico con el tiempo y con las inclemencias atmosféricas. De encontrarse defectuosa (endurecida, deformada o agrietada), habría que sustituirla. En las Plantas de llenado cuidan especialmente de ello.
• Botellas industriales: Estas botellas incorporan una llave acodada, de tipo asiento por junta plana, accionada mediante volante. Permite iniciar, graduar o interrumpir el suministro del gas contenido en las botellas. El extremo para la conexión al tubo flexible de la instalación incorpora una junta de estanquidad, en el interior de un alojamiento. La presión de diseño de estas llaves acodadas es de 20 bar.
VÁLVULA KOSANGAS La válvula Kosangas está formada por un cuerpo de latón que contiene un órgano de cierre roscado al collarín de la botella. Esta válvula tiene como función el llenado de la botella en las 309
plantas y el acoplamiento del regulador para el consumo del gas. Cuando el regulador no se encuentra acoplado, la válvula permanece siempre cerrada. El órgano de cierre de la válvula Kosangas es un vástago dotado de un asiento de caucho sintético, que permanece normalmente cerrado por estar accionado por un resorte y por la propia presión del gas de la botella. La válvula permanece siempre cerrada, salvo cuando se acciona la palanca del regulador colocándolo en la posición de abierta. (Fig. 1)
El mismo cuerpo de la válvula Kosangas dispone de una pequeña válvula de seguridad que evita que la presión en el interior de la botella pueda sobrepasar el valor de 28 Kg/cm2. La válvula va acoplada a la botella mediante una rosca cónica. Una lámina de estaño colocada entre las roscas de la válvula y del collarín, asegura su perfecta estanquidad. En el cuerpo superior de la válvula existe una ranura donde se alojan las bolas del regulador cuando se coloca éste. En la parte superior de la válvula va montado un anillo de caucho sintético para impedir fugas entre la válvula y el regulador.
Adaptadores y Salida Libre Todos los aparatos de consumo precisan, para su correcto funcionamiento, que el gas llegue a ellos a una presión determinada; como el gas dentro de la botella está a una presión que es variable con la temperatura y superior a la que necesitan los aparatos de consumo, es necesario el empleo de un regulador de presión.
310
Como adaptadores consideramos dos tipos, el “regulador” y el “salida libre”. Para atender las posibles instalaciones con botellas domésticas, existen varios modelos en función de la presión de salida y de la conexión a la instalación de consumo, según la tabla siguiente:
El regulador reduce la presión del gas a 28 g/cm2 o a 37 g/cm2, presión de funcionamiento de los aparatos, según se destine a butano o a propano respectivamente, para la adecuada alimentación de los aparatos de consumo. Existen también algunos otros que funcionan a presiones de 50 y 112 g/cm2. Existen reguladores Kosangas para estas presiones normalizadas de salida, así como reguladores de presiones variables y salidas Kosangas a presión directa de la botella. Los elementos por los que se diferencian estos aparatos entre sí son: • • • • •
Regulador Kosangas de 28 ó 37 g/cm2. Tapa y cuerpo azul martelé con manija negra en forma de leva. Regulador Kosangas de 50 g/cm2. Cuerpo azul martelé y tapa añil martelé con manija negra en forma de leva. Regulador Kosangas de 112 g/cm2. Cuerpo azul martelé y tapa rojo salmón martelé con manija negra en forma de leva. Regulador Kosangas de presión variable. Tapa y cuerpo azul martelé, con mando troncocónico negro (0,5 : 2,7 kg/cm2). Grifo de salida libre Kosangas. Tapa y cuerpo azul martelé con mando troncocónico rojo.
La presión de salida se mantiene prácticamente constante siempre que el consumo no exceda de 3 kg/hora. En el gráfico se representan los valores de los caudales y presiones reales de salida del regulador Kosangas de 30 g/cm2. En su parte superior, el regulador lleva una palanca para abrir y cerrar el paso de gas.
311
El regulador está protegido contra el riesgo de rotura de su diafragma, por medio de una válvula de seguridad situada en la cámara de baja presión, que se dispara dando salida al gas por la parte superior del regulador cuando la presión en dicha cámara supera el valor de 150 g/cm2. En su zona inferior, y por su parte interior, el regulador tiene forma cilíndrica, disponiendo en dicha parte de tres orificios en donde se encuentran alojadas tres bolas para la sujeción del regulador a la válvula. Un anillo de baquelita irrompible al choque acciona sobre las bolas para hacer la conexión del regulador a la válvula de la botella. Con el regulador de presión regulable se obtienen presiones comprendidas entre 0,5 y 2,7 kg/cm2.
312
Por otra parte, las botellas se suministran con una caperuza/precinto que desempeñan las siguientes funciones: • Proteger el mecanismo de la válvula contra los agentes atmosféricos y materias extrañas procedentes del exterior. • Reducir el envejecimiento lógico de la junta que incorporan, por efecto de las inclemencias del tiempo. • Asegurar que dicha llave o válvula no ha sido manipulada por terceros antes de su entrega al usuario. Algunas botellas no disponen de válvula de alivio. Las que no las llevan pueden transportarse tumbadas en los vehículos, al igual que las destinadas para automoción. En una botella con válvula de alivio, en posición tumbada, si la válvula abriera por alguna causa, dejaría salir gas en fase líquida que al vaporizarse instantáneamente se convertiría en un volumen 240 veces, superior incrementándose el riesgo. Por ello la reglamentación prohíbe colocar tumbadas a las botellas que dispongan de válvula de seguridad o alivio. 313
Para que el gas butano adquiera una presión de 106 bar (presión a la que existe la posibilidad de rotura), es necesario que la botella se encuentre llena (al 85%) y alcance una temperatura de 220 °C, para lo que sería necesario someterla a una temperatura bastante superior (unos 300 °C) y después de cierto tiempo de calentamiento. Estas condiciones son infrecuentes y con butano, casi imposibles de alcanzar. TUBOS FLEXIBLES Tanto la botella doméstica con su adaptador conexionado, como la industrial, se acoplan a la instalación de consumo mediante tubería flexible, por tratarse de elementos móviles. La unión del tubo flexible al envase se realiza de forma desmontable dependiendo el procedimiento utilizado, de la presión de salida del gas y del tipo de tubo flexible a utilizar. La naturaleza de los tubos flexibles a utilizar dependerá de la presión del gas que vaya a conducir o soportar. Para presiones hasta unos 100 mbar se utiliza el tubo de elastómero y el de acero inoxidable corrugado. Para presiones mayores (presión directa del gas), se utiliza el tubo flexible de elastómero reforzado. TUBO FLEXIBLE DE ELASTÓMERO Su acoplamiento se realiza a través de una boquilla perteneciente al regulador, a la tubería rígida o al aparato al que se vaya a conectar el tubo flexible. El tubo tiene un diámetro interior de 9 mm, menor que el diámetro medio de la boquilla por lo que ésta debe introducirse a presión. La unión se reforzará mediante abrazadera metálica. Este tubo suele ser de color naranja; también blanco. Tienen fecha de caducidad.
TUBO FLEXIBLE DE ELASTÓMERO REFORZADO Su acoplamiento a la botella se realiza mediante racor con rosca Withworth izquierda. Coloquialmente se le denomina lira.
314
En las instalaciones con baterías de botellas para descarga múltiple a través de colector, la “lira” utilizada ha de disponer de doble seguridad, consistente en una válvula de exceso de caudal, conectada en el extremo de la botella y de una válvula antirretorno, en el otro extremo. Con ello se consigue que por una rotura de la lira, no se vacíe la botella a la que va conectada, ni las otras botellas de la misma batería. Tienen fecha de caducidad.
TUBO FLEXIBLE DE ACERO INOXIDABLE ONDULADO Para conexión a aparatos móviles conectados directamente a botellas domésticas y a aparatos fijos. Longitud máxima 1,5 m. No tiene fecha de caducidad.
INSTALACIONES DE DEPOSITOS DE GLP Además de en botellas recargables, los GLP, también se pueden distribuir y almacenar para su uso en depósitos fijos, de mayor capacidad. Estas instalaciones se encuentran reguladas por el RD 919/2006 en su ITC-ICG 03 de Instalaciones de almacenamiento de gases licuados del petróleo (GLP) en depósitos fijos, así como por la norma UNE 60.250 que regula todos sus aspectos técnicos. 315
Los depósitos regulados por el RD 919/2006 son aquellos con capacidades geométricas totales máximas de almacenamiento de 2.000 y 500 m3, respectivamente, según se realice en depósitos de superficie o enterrados. En el caso de la norma UNE 60250, se aplica a todos los depósitos con capacidad igual o inferior a 2000 m3
CLASIFICACIÓN El almacenamiento de GLP en depósitos fijos únicamente se puede realizar en depósitos de superficie o enterrados. Se consideran de superficie los situados al aire libre, y cuya zona más baja de la generatriz o pared inferior del depósito está a un nivel superior al terreno circundante. Se consideran enterrados los situados enteramente por debajo del nivel del terreno, sea éste el natural o artificial creado para esta condición, de forma tal que la zona más alta de la generatriz o pared superior del depósito diste, entre 30 y 50 cm de dicho nivel. Las instalaciones de suministro de GLP en depósitos fijos se clasifican en función de la suma de los volúmenes geométricos nominales de todos sus depósitos. Los volúmenes unitarios de cada depósito así como su nomenclatura se indican en la siguiente tabla:
316
AEREOS Clasificación A-5 A-13 A-35 A-60 A-120 A-500 A-2 000
ENTERRADOS Volumen (m3) Clasificación De 0 a 5 E-5 De 5 a 13 E-13 De 13 a 35 E-60 De 35 a 60 E-120 De 60 a 120 E-500 De 120 a 500 > 500
Volumen (m3) De 0 a 5 De 5 a 13 De 13 a 60 De 60 a120 > 120
Presión de diseño de los depósitos Los depósitos de GLP, tendrán las presiones de diseño indicadas a continuación:
Instalaciones de Protección Contra Incendios Extintores • Las instalaciones de GLP clasificadas A-5 y E-5 deben disponer como mínimo de dos extintores de eficacia mínima unitaria de 21A-113B-C. • Las clasificadas como A-13, A-35, A-60 y E-13 deben disponer de un mínimo de dos extintores de eficacia mínima unitaria de 34A-183B-C. • Las clasificadas A-120 y E-60, E-120 deben disponer de materia extintora en una proporción de 1 kg de polvo químico seco por cada metro cúbico de volumen geométrico de capacidad de almacenamiento con el mínimo establecido en el párrafo anterior, adoptando el valor inmediato superior de la escala normalizada. • Las clasificadas A-500, A-2 000 y E-500 deben disponer de un mínimo de 100 kg de polvo químico seco incrementándose esta cantidad en 1 kg por cada 10 m3 de volumen geométrico que sobrepase los 120 m3 de volumen de almacenamiento de la estación, adoptando el valor inmediato superior de la escala normalizada. • Además el área de bombas y compresores de GLP debe estar dotada de 2,5 kg de polvo químico seco por cada metro cúbico por hora de capacidad de trasvase, con un mínimo de 50 kg distribuidos, al menos, en dos extintores. • En caso de que el equipo de trasvase esté situado en una caseta, estos extintores se deben situar en el exterior de la misma. • Las casetas de vaporizadores, si las hubiere, deben disponer al menos de un extintor de eficacia mínima 34A-183B-C, como dotación suplementaria a lo establecido anteriormente.
317
Instalación de agua • Los depósitos aéreos de GLP de capacidad unitaria de almacenamiento superior a 60 m3, deben llevar un sistema automático de enfriamiento mediante instalaciones fijas de pulverización que garantice una presión dinámica de 1 bar como mínimo en la boquilla más desfavorable y un caudal mínimo de 0,18 m3/h (3 l/mín.) por metro cuadrado de superficie total de los recipientes. • Las instalaciones que no dispongan de suministro exterior de agua deben estar dotadas de depósitos de almacenamiento y medios de bombeo que permitan el funcionamiento de la red durante 1 h 30 min, a la presión y caudales establecidos. Pruebas y ensayos El depósito, antes de su puesta en funcionamiento y de forma periódica cada quince años, deberá someterse a una prueba de presión. La prueba de presión se realizará de acuerdo con la Norma UNE 60250 respecto a pruebas y ensayos y que se muestra a continuación: •
• • •
•
Prueba de presión del depósito/s, de acuerdo con lo señalado en el Reglamento de Aparatos a Presión. Esta consiste en una prueba hidrostática de presión a 1,43 veces la presión de diseño durante 10 minutos contados a partir de la estabilización de la presión. Prueba de presión en las canalizaciones de fase líquida a 29 bar durante 10 minutos contados a partir de la estabilización de la presión. Ensayo de estanqueidad del depósito a una presión de 3 bar, con aire, gas inerte o GLP en fase gaseosa. Ensayo de estanqueidad de las canalizaciones de fase líquida a una presión de 3 bar con aire, gas inerte o GLP en fase gaseosa con duración de 1 hora, que podría reducirse, una vez estabilizada la presión, a 30 minutos, en los tramos de prueba inferior a 20 metros. Ensayo de estanqueidad de las canalizaciones de fase gaseosa. Deben ser sometidas a las pruebas especificadas en la Norma UNE 60310 o la Norma UNE 60311 que corresponda, según su presión de servicio.
318
BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA Domingo Puertas. INSTALACIONES DE GAS EN EDIFICIOS DE VIVIENDAS, APLICACIÓN DEL NUEVO REGLAMENTO TÉCNICO. Jose Emilio López Sopeña. Manual de Instalaciones de GLP. Manual de Instalaciones de Gas Natural. REAL DECRETO 1700/2003, de 15 de diciembre, por el que se fijan las especificaciones de gasolinas, gasóleos, fuelóleos y gases licuados del petróleo, y el uso de biocarburantes. REAL DECRETO 919/2006, de 28 de julio, por el que se aprueba el Reglamento técnico de distribución y utilización de combustibles gaseosos y sus instrucciones técnicas complementarias ICG 01 a 11. UNE 60002:1995 Clasificación de los combustibles gaseosos en familias. UNE 60250:2008 Instalaciones de almacenamiento de gases licuados del petróleo (GLP) en depósitos fijos para su consumo en instalaciones receptoras. VVAA. DIPLOMA EPU SERVICIOS DE PREVENCIÓN, EXTINCIÓN DE INCENDIOS Y SALVAMENTO.
319
RED DE AGUA. RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA. INSTALACIONES EN EDIFICIOS.
REGULACION NORMATIVA
Las instalaciones de suministro de agua en edificios, están reguladas por el ya conocido Real Decreto 314/2006 de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación. Al igual que sucede con el tema de instalaciones de protección contra incendios, hay un documento específico, el Documento Básico de Salubridad (DB-HS), el cual en su sección 4 se dedica a las instalaciones de suministro de agua. El DB-HS establece unas condiciones mínimas en cuanto a la potabilidad del agua, las condiciones de las tuberías, las cuales deben resistir temperaturas de agua de hasta 40 ºC. Asimismo fija unas condiciones mínimas de caudal en función de los aparatos de la instalación, que se puede ver reflejado a título orientativo en la siguiente tabla. CAUDAL INSTANTÁNEO TIPO DE APARATO MÍNIMO DE AGUA FRÍA [DM3/S] Lavamanos 0,05 Lavabo 0,10 Ducha 0,20 Bañera de 1,40 m o más 0,30 Bañera de menos de 1,40 m 0,20 Bidé 0,10 Inodoro con cisterna 0,10 Inodoro con fluxor 1,25 Urinarios con grifo temporizado 0,15 Urinarios con cisterna (c/u) 0,04 Fregadero doméstico 0,20 Fregadero no doméstico 0,30 Lavavajillas doméstico 0,15 Lavavajillas industrial (20 0,25 servicios) Lavadero 0,20 Lavadora doméstica 0,20 Lavadora industrial (8 kg) 0,60 Grifo aislado 0,15 Grifo garaje 0,20 Vertedero 0,20
320
En cuanto a la presión del agua en los puntos de consumo la presión mínima debe ser: a) b)
100 kPa para grifos comunes 150 kPa para fluxores y calentadores
La presión en cualquier punto de consumo no debe superar 500 kPa. Si recordamos del tema de hidráulica, 1 atmósfera equivale a 101,325 kPa y 1 bar equivale a 100 kPa (105 Pa). También conviene recordar la unidad de mca (metro columna de agua) cuya equivalencia es: 1 kg/cm2 = 10 mca, 1 atm = 10,33 mca, 1 mca = 98,1 kPa = 0,1 kg/cm2
ELEMENTOS QUE COMPONEN LA INSTALACIÓN ACOMETIDA
Es el tramo de la instalación comprendido desde que se incide en la red pública de aguas hasta la llave de paso del edificio. El Conducto se llama RAMAL. La acometida debe disponer, como mínimo, de los elementos siguientes: a) una llave de toma o un collarín de toma en carga, sobre la tubería de distribución de la red exterior de suministro que abra el paso a la acometida; b) un tubo de acometida que enlace la llave de toma con la llave de corte general; c) Una llave de registro o corte general en el exterior de la propiedad. La válvula de registro situada en el exterior del edificio, en la vía pública, junto a su fachada, alojada en un registro o arquilla fácilmente identificable, y que permitirá el cierre del suministro. En el caso de que la acometida se realice desde una captación privada o en zonas rurales en las que no exista una red general de suministro de agua, los equipos a instalar (además de la captación propiamente dicha) serán los siguientes: válvula de pié, bomba para el trasiego del agua y válvulas de registro y general de corte.
321
INSTALACIÓN GENERAL
Comprende el tramo de la instalación desde la Llave de Paso hasta la Batería de Contadores. Se encuentra en zonas de Comunidad y debe tener fácil acceso para su registro. Conducto: TUBO DE ALIMENTACION. La instalación general debe contener, en función del esquema adoptado, los elementos que le correspondan de los que se citan en los apartados siguientes. Llave de corte general La llave de corte general servirá para interrumpir el suministro al edificio, y estará situada dentro de la propiedad, en una zona de uso común, accesible para su manipulación y señalada adecuadamente para permitir su identificación. Si se dispone armario o arqueta del contador general, debe alojarse en su interior. Filtro de la instalación general El filtro de la instalación general debe retener los residuos del agua que puedan dar lugar a corrosiones en las canalizaciones metálicas. Se instalará a continuación de la llave de corte general. Si se dispone armario o arqueta del contador general, debe alojarse en su interior. El filtro debe ser de tipo Y con un umbral de filtrado comprendido entre 25 y 50 μm, con malla de acero inoxidable y baño de plata, para evitar la formación de bacterias y autolimpiable. La situación del filtro debe ser tal que permita realizar adecuadamente las operaciones de limpieza y mantenimiento sin necesidad de corte de suministro.
322
Armario o arqueta del contador general El armario o arqueta del contador general contendrá, dispuestos en este orden, la llave de corte general, un filtro de la instalación general, el contador, una llave, grifo o racor de prueba, una válvula de retención y una llave de salida. Su instalación debe realizarse en un plano paralelo al del suelo. La llave de salida debe permitir la interrupción del suministro al edificio. La llave de corte general y la de salida servirán para el montaje y desmontaje del contador general. Tubo de alimentación El trazado del tubo de alimentación debe realizarse por zonas de uso común. En caso de ir empotrado deben disponerse registros para su inspección y control de fugas, al menos en sus extremos y en los cambios de dirección. Distribuidor principal El trazado del distribuidor principal debe realizarse por zonas de uso común. En caso de ir empotrado deben disponerse registros para su inspección y control de fugas, al menos en sus extremos y en los cambios de dirección. Debe adoptarse la solución de distribuidor en anillo en edificios tales como los de uso sanitario, en los que en caso de avería o reforma el suministro interior deba quedar garantizado. Deben disponerse llaves de corte en todas las derivaciones, de tal forma que en caso de avería en cualquier punto no deba interrumpirse todo el suministro. Ascendentes o montantes En el caso de edificios de propiedad múltiple, las ascendentes o montantes que unirán verticalmente el distribuidor principal con las instalaciones interiores particulares o derivaciones colectivas, discurrirán siempre por zonas de uso común del mismo. Deben ir alojadas en recintos o huecos, construidos a tal fin. Dichos recintos o huecos, que podrán ser de uso compartido solamente con otras instalaciones de agua del edificio, deben ser registrables y tener las dimensiones suficientes para que puedan realizarse las operaciones de mantenimiento. Las ascendentes deben disponer en su base de una válvula de retención, una llave de corte para las operaciones de mantenimiento, y de una llave de paso con grifo o tapón de vaciado, situadas en zonas de fácil acceso y señaladas de forma conveniente. La válvula de retención se dispondrá en primer lugar, según el sentido de circulación del agua. En su parte superior deben instalarse dispositivos de purga, automáticos o manuales, con un separador o cámara que reduzca la velocidad del agua facilitando la salida del aire y disminuyendo los efectos de los posibles golpes de ariete.
323
Contadores divisionarios Los contadores divisionarios deben situarse en zonas de uso común del edificio, de fácil y libre acceso. Contarán con pre-instalación adecuada para una conexión de envío de señales para lectura a distancia del contador. Antes de cada contador divisionario se dispondrá una llave de corte. Después de cada contador se dispondrá una válvula de retención.
INSTALACIONES PARTICULARES
Es el tramo de instalación comprendido entre la salida de la Batería de contadores divisionarios y las fuentes de consumo. Las instalaciones particulares estarán compuestas de los elementos siguientes:
324
a) llave de paso, que dará comienzo a cada instalación particular, situada en el interior de la propiedad particular en lugar accesible para su manipulación y que permitirá el corte del suministro a toda ella. b) derivaciones particulares, definidas como el tramo de canalización comprendido entre la llave de paso y los ramales de enlace. Su trazado se realizará de forma tal que las derivaciones a los cuartos húmedos sean independientes. Cada una de estas derivaciones contará con una llave de corte; c) ramales de enlace, definidos como los tramos que conectan la derivación particular con los distintos puntos de consumo. Su trazado se realizará por un nivel superior al de cualquiera de los aparatos salvo que se impida el retorno del agua por otros medios; d) puntos de consumo, entendidos como todo aparato o equipo individual o colectivo que requiera suministro de agua fría para su utilización directa o para su posterior conversión en ACS. Todos los aparatos de descarga, tanto depósitos como grifos, los calentadores de agua instantáneos, los acumuladores, las calderas individuales de producción de ACS y calefacción y, en general, los aparatos sanitarios del tipo que sean, llevarán su propia llave de corte individual.
DERIVACIONES COLECTIVAS
Discurrirán por zonas comunes y en su diseño se aplicarán condiciones análogas a las de las instalaciones particulares. 325
SISTEMAS DE CONTROL Y REGULACIÓN DE LA PRESIÓN Sistemas de sobreelevación: grupos de presión
El sistema de sobreelevación debe diseñarse de tal manera que se pueda suministrar a zonas del edificio alimentables con presión de red, sin necesidad de la puesta en marcha del grupo. El grupo de presión debe ser de alguno de los dos tipos siguientes: a) convencional, que contará con: i. ii. iii.
depósito auxiliar de alimentación, que evite la toma de agua directa por el equipo de bombeo; equipo de bombeo, compuesto, como mínimo, de dos bombas de iguales prestaciones y funcionamiento alterno, montadas en paralelo; depósitos de presión con membrana, conectados a dispositivos suficientes de valoración de los parámetros de presión de la instalación, para su puesta en marcha y parada automáticas; de accionamiento regulable, también llamados de caudal variable, que podrá prescindir del depósito auxiliar de alimentación y contará con un variador de frecuencia que accionará las bombas manteniendo constante la presión de salida, independientemente del caudal solicitado o disponible; Una de las bombas mantendrá la parte de caudal necesario para el mantenimiento de la presión adecuada.
b) de accionamiento regulable, también llamados de caudal variable, que podrá prescindir del depósito auxiliar de alimentación y contará con un variador de frecuencia que accionará las bombas manteniendo constante la presión de salida, independientemente del caudal solicitado o disponible; Una de las bombas mantendrá la parte de caudal necesario para el mantenimiento de la presión adecuada. El grupo de presión se instalará en un local de uso exclusivo que podrá albergar también el sistema de tratamiento de agua. Las dimensiones de dicho local serán suficientes para realizar las operaciones de mantenimiento. Sistemas de reducción de la presión Deben instalarse válvulas limitadoras de presión en el ramal o derivación pertinente para que no se supere la presión de servicio máxima establecida. Cuando se prevean incrementos significativos en la presión de red deben instalarse válvulas limitadoras de tal forma que no se supere la presión máxima de servicio en los puntos de utilización.
326
SEPARACIONES RESPECTO DE OTRAS INSTALACIONES
El tendido de las tuberías de agua fría debe hacerse de tal modo que no resulten afectadas por los focos de calor y por consiguiente deben discurrir siempre separadas de las canalizaciones de agua caliente (ACS o calefacción) a una distancia de 4 cm, como mínimo. Cuando las dos tuberías estén en un mismo plano vertical, la de agua fría debe ir siempre por debajo de la de agua caliente. Las tuberías deben ir por debajo de cualquier canalización o elemento que contenga dispositivos eléctricos o electrónicos, así como de cualquier red de telecomunicaciones, guardando una distancia en paralelo de al menos 30 cm. Con respecto a las conducciones de gas se guardará al menos una distancia de 3 cm.
SEÑALIZACIÓN
Las tuberías de agua de consumo humano se señalarán con los colores verde oscuro o azul. Si se dispone una instalación para suministrar agua que no sea apta para el consumo, las tuberías, los grifos y los demás puntos terminales de esta instalación deben estar adecuadamente señalados para que puedan ser identificados como tales de forma fácil e inequívoca.
TUBERIAS
No podrán emplearse para las tuberías ni para los accesorios, materiales que puedan producir concentraciones de sustancias nocivas que excedan los valores permitidos por el Real Decreto 140/2003, de 7 de febrero. Las tuberías se fabrican en distintos materiales. Cuaquiera sea el material del cual estén construidas, deben presentar un espesor uniforme y cumplir con requisitos de estanquiedad para toda la instalación hasta una presión de 10 atm.
TIPOS DE TUBERIAS MAS USUALES
Tuberías de Acero Galvanizado Las tuberías de acero galvanizado serán tubos sin rebarbas en los cortes ni deficiencias en el material que puedan favorecer la corrosión. Las uniones se efectúan con piezas roscadas de fundición. Este material ha dejado de usarse por lo general debido a la dificultad de realizar las roscas y a su tendencia a la corrosión; quedando este material para uso de tuberías generales de gran diámetro.
327
Tuberías de Cobre Este es el material más utilizado en tuberías de agua. Las uniones se efectúan soldadas a piezas especiales a base de estaño. Poseen mayor resistencia a la corrosión que las anteriores. Se fabrican de hasta 18 mm de sección, siendo más flexibles y adaptándose así a las curvas en empotramientos. Tuberías de Polipropileno Estas tuberías se utilizan en instalaciones interiores. Son más caras que las de cobre pero resultan de fácil instalación ya que sus uniones sse efectúan mediante piezas de soldadura térmica. Soportan hasta temperaturas de 90 ºC sin generar condensaciones. Estas tuberías son ideales para empotramiento porque tienen muy poca pérdida de carga. Tuberías de Polietileno Estas tuberías se emplean en grandes tuberías de aportación por su característica flexibilidad. Poseen menor resistencia que las de polipropileno, y no soportan temperaturas elevadas. Por lo general se usan en instalaciones exteriores bajo zanja. Están exentas de sufrir corrosión pero les afecta su exposición a los rayos solares, debilitando el material.
VÁLVULAS Y LLAVES
El material de válvulas y llaves no será incompatible con las tuberías en que se intercalen. El cuerpo de la llave ó válvula será de una sola pieza de fundición o fundida en bronce, latón, acero, acero inoxidable, aleaciones especiales o plástico. Solamente pueden emplearse válvulas de cierre por giro de 90º como válvulas de tubería si sirven como órgano de cierre para trabajos de mantenimiento. Serán resistentes a una presión de servicio de 10 bar. Dentro de las instalaciones de fontanería existen distintos tipos de válvulas: Válvulas de Volante El sistema es similar al de un grifo tradicional. Poseen cierta robustez y se utilizan generalmente para grandes tuberías. Los modelos más pequeños son de instalación domiciliaria y sirven para cortar el suministro total de la vivienda en caso en que se requiera efectuar el corte por avería o cualquier reparación interna de la instalación.
328
Válvulas de Bola Su sistema de accionamiento es con mango de 1/4 de vuelta. Se las llama de bola porque poseen una esfera que regula el paso en su interior. De fácil manipulación, permiten el rápido corte de agua. Se instalan a la entrada de cada sector de cada vivienda y en general en todas aquellas partes de la instalación que necesita llave de corte.
Válvulas de Retención Estas válvulas se emplean para impedir que el agua vuelva hacia atrás. Admiten solamente una dirección de paso. Ésto se entiende en el caso de alimentación de viviendas. Si no se utiliza ningún punto de servicio en la vivienda, el agua no tiene velocidad dentro de la tubería, aunque mantiene la presión dada por la red; el agua dentro de la tubería tiene cierto peso y tendencia a caer y volver hacia atrás. Éstas válvulas evitan este efecto; suelen instalarse a la salida de los contadores.
329
ANEXO. TERMINOLOGÍA RECOGIDA EN EL CTE
Acometida: tubería que enlaza la instalación general del edificio con la red exterior de suministro. Ascendentes (o montantes): Tuberías verticales que enlazan el distribuidor principal con las instalaciones interiores particulares o derivaciones colectivas. Caudal instantáneo: volumen de agua suministrado por unidad de tiempo. Caudal instantáneo mínimo: caudal instantáneo que debe recibir los aparatos sanitarios con independencia del estado de funcionamiento. Caudal simultáneo: caudal que se produce por el funcionamiento lógico simultáneo de aparatos de consumo o unidades de suministro. Contadores divisionarios: aparatos que miden los consumos particulares de cada abonado y el de cada servicio que así lo requiera en el edificio. En general se instalarán sobre las baterías. Contador general: aparato que mide la totalidad de los consumos producidos en el edificio. Depósito de acumulación: depósito que servirá básicamente, en los grupos de presión, para la succión de agua por las electrobombas correspondientes sin hacerlo directamente desde la red exterior; de reserva cuando el suministro habitual sea discontinuo o insuficiente. Derivación de aparato: tubería que enlaza la derivación particular o una de sus ramificaciones con un aparato de consumo. Derivación particular: tubería que enlaza el montante con las derivaciones de aparato, directamente o a través de una ramificación. Diámetro nominal: número convencional que sirve de referencia y forma parte de la identificación de los diversos elementos que se acoplan entre sí en una instalación, pudiéndose referir al diámetro interior o al diámetro exterior. Vienen especificados en las normas UNE correspondientes a cada tipo de tubería. Distribuidor principal: Tubería que enlaza los sistemas de control de la presión y las ascendentes o derivaciones. Espesor nominal: número convencional que se aproxima al espesor del tubo. Fluxor: llave, temporizada, de cierre automático que al ser abierta es capaz de proporcionar un caudal de agua abundante en un breve periodo de tiempo, empleada generalmente para sustituir el depósito de descarga en los inodoros y otros aparatos empleados en servicios de uso público. 330
Grupo de sobreelevación: equipo que permite disponer de una presión mayor que la que proporciona la red de distribución. Instalación general: conjunto de tuberías y elementos de control y regulación que enlazan la acometida con las instalaciones interiores particulares y las derivaciones colectivas. Instalación interior particular: parte de la instalación comprendida entre cada contador y los aparatos de consumo del abonado correspondiente. Red de tuberías, llaves y dispositivos que discurren por el interior de la propiedad particular, desde la llave de paso hasta los correspondientes puntos de consumo. Estará compuesta de: - llave de paso: que permitirá el corte del suministro a toda ella - derivaciones particulares: tramo de canalización comprendido entre la llave de paso y los ramales de enlace - ramales de enlace: tramos que conectan la derivación particular con los distintos puntos de consumo. - puntos de consumo: todo aparato o equipo individual o colectivo que requiera suministro de agua fría para su utilización directa o para su posterior conversión en ACS. Local húmedo: local en el que existen aparatos que consumen agua, alimentados por las derivaciones de aparato de la instalación interior particular. Llave de paso: llave colocada en el tubo de alimentación que pueda cortarse el paso del agua hacia el resto de la instalación interior. Llave de registro: llave colocada al final de la acometida para que pueda cerrarse el paso del agua hacia la instalación interior. Pasamuros: orificio que se practica en el muro de un cerramiento del edificio para el paso de una tubería, de modo que ésta quede suelta y permita la libre dilatación. Presión de prueba: presión manométrica a la que se somete la instalación durante la prueba de estanqueidad. Presión de servicio: presión manométrica del suministro de agua a la instalación en régimen estacionario. Presión de trabajo: valor de la presión manométrica interna máxima para la que se ha diseñado el tubo, considerando un uso continuado de 50 años. Presión nominal: número convencional que coincide con la presión máxima de trabajo a 20 ºC. Prueba de resistencia mecánica y estanqueidad: prueba que consiste en someter a presión una red de tuberías con el fin de detectar roturas en la instalación y falta de estanqueidad. Purgado: consiste en eliminar o evacuar el aire de las tuberías de la instalación. Tubo de alimentación: Tubería que enlaza la llave de corte general y los sistemas de control y regulación de la presión o el distribuidor principal. Válvula limitadora/reguladora de presión: Válvula de retención: dispositivo que impide automáticamente el paso de un fluido en sentido contrario al normal funcionamiento de la misma. Válvula de seguridad: dispositivo que se abre automáticamente cuando la presión del circuito sube por encima del valor de tarado, descargando el exceso de presión a la atmósfera. Su escape será reconducido a desagüe.
331
ASCENSORES. TIPOS DE ASCENSORES. PARTES. INSTALACIONES EN EDIFICIOS.
REGULACION NORMATIVA
El sector del transporte vertical (ascensores, elevadores, montacargas, montacoches, etc.) está regulado a nivel europeo por diferentes Directivas según la velocidad que alcanzan los dispositivos. • Directiva Europea de Ascensores: regula los dispositivos que tiene una velocidad superior a 0,15m/s, ya sean eléctricos o hidráulicos. • Directiva Europea de Máquinas: regula los dispositivos que tiene una velocidad inferior a 0,15m/s, ya sean eléctricos o hidráulicos. A nivel nacional, actualmente para nuevos ascensores se aplican las normas UNE-EN 81-1 para ascensores eléctricos y la UNE-EN 81-2 en ascensores hidráulicos. Además se aplica también la siguiente normativa complementaria: • Directiva 95/16/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 29 de junio de 1995, sobre la aproximación de las legislaciones de los estados miembros relativas a los ascensores. Fecha de aprobación: 29/6/1995 (RD 1317/1997). • REBT ITC-BT 32. Instalaciones con fines especiales. Máquinas de Elevación y Transporte.
CLASIFICACIÓN DE ASCENSORES ASCENSORES DE ADHERENCIA
Son aquellos en los que el motor eléctrico mueve una polea, que a su vez desplaza la cabina y el contrapeso a lo largo de unas guías mediante cables de tracción. Es el sistema más común. Generalmente se componen de un cuadro eléctrico de alimentación y maniobra, grupo tractor, limitador de velocidad, asi como de un hueco por donde se desplaza la cabina y el contrapeso, ambos conducidos por las guías. En la parte inferior del hueco se encuentra un foso con los amortiguadores y el tensor del cable del limitador de velocidad. Pueden existir: • • • •
Con reductor Sin reductor Con cuarto de máquinas (arriba o abajo): Sin cuarto de máquinas 332
Ascensor de adherencia con cuarto de máquinas arriba
Con reductor El motor eléctrico en este diseño conduce un equipo de tipo de reducción de la unidad, que posee un dispositivo con reductor. La reducción de los artes ofrece la ventaja de que requiere un motor menos potente, aunque con menor velocidad. Estos ascensores suelen operar a velocidades de 1,7 a 2,5 m/s y transportar cargas de hasta 13600 kg. Un control eléctrico de frenado entre el motor y la unidad de reducción detiene el ascensor, dejándolo en la parada deseada.
333
Sin reductor (Gearless) Estos ascensores suelen operar a una velocidad superior a 2,54 metros por segundo. Los otros extremos de los cables se unen a un contrapeso que se mueve arriba y abajo en el pozo en sus propios railes. La tecnología Gearless hace posible la utilización en edificios más altos.
Sin cuarto de Máquinas Diseñado para edificios de entre dos y 30 pisos, este sistema emplea una polea más pequeña que la de los ascensores convencionales. El reducido tamaño de la polea, permite que la máquina sea montada en el propio pozo, eliminando la necesidad de un cuarto de máquinas.
334
1.1.
ASCENSORES DE ARROLLAMIENTO
Son ascensores en los que el motor eléctrico mueve un tambor torneado en hélice y con gargantas apropiadas a los cables utilizados, en los que se arrolla en un extremo el cable que impulsa la cabina y en el otro el contrapeso. Es un sistema prácticamente en desuso y poco utilizado. 1.2.
ASCENSORES HIDRÁULICOS
En este tipo de ascensores, el sistema propulsor es un grupo hidráulica que envía aceite a presión elevada a un pistón, que realiza el movimiento de la cabina, bien por acción directa de éste sobre la cabina o bien por acción indirecta, a través de poleas, no requiriendo en este caso, de pozo en el foso. Pueden existir: • Con cuarto de máquinas • Sin cuarto de máquinas Con cuarto de Máquinas El cuarto de máquinas se puede situar en cualquier lugar del edificio hasta un máximo de 15 metros de distancia de la vertical del hueco.
Tipos • Impulsión directa inferior: Grandes cargas y pequeño recorrido (necesito pozo para el cilindro). • Impulsión directa lateral: Carga moderada y recorrido limitado. • Impulsión indirecta lateral: Acoplamiento 1:2. Mayor velocidad y recorrido. Cargas moderadas. • Doble impulsión directa lateral/Doble impulsión indirecta lateral. Mayores cargas
335
Sin cuarto de Máquinas El cuadro de maniobra, tanque de aceite y válvulas se sitúan en un solo armario de reducidas dimensiones. Dirigido al segmento residencial. Las dimensiones del hueco, foso y sobrerrecorrido iguales a las de un ascensor convencional hidráulico. El armario contenedor puede situarse alejado del hueco hasta 25m.
336
DESCRIPCION ASCENSOR
DE
LOS
ELEMENTOS
PRINCIPALES
DE
CUARTO DE MÁQUINAS
UN
Es el lugar en que se encuentra situado el mecanismo de tracción del ascensor y su aparellaje. En los sistemas más corrientes de tracción por adherencia lo normal es encontrar el cuarto de máquinas en la parte superior del hueco por el que circula el ascensor. Últimamente cada vez es más común montar ascensores sin cuarto de máquinas, por lo que el grupo tractor se encuentra en la parte superior del hueco, sobre las guías. En algunos casos se sitúa el grupo de tracción en la parte inferior. Estos últimos están obligados a disponer en la parte superior de un cuarto denominado de poleas.
337
En el caso de ascensores hidráulicos, pueden encontrarse bien en la parte superior, encima del hueco o bien en la planta más próxima al foso, en local anexo o distante, según disposiciones constructivas. Dentro del cuarto de máquinas encontraremos los siguientes elementos: • Grupo tractor: Es el conjunto de elementos responsables de generar y transmitir el movimiento a la cabina de pasajeros. Está formado por un motor eléctrico acoplado a una polea de adherencia. En el eje del motor lleva acoplado un tambor sobre el que actúan las zapatas de freno (mecánicamente bloqueadas en reposo) que se desbloquean por medio de un electroimán al funcionar el ascensor. Este eje del motor cuenta también con un volante que permite el movimiento a mano (para esta maniobra se desbloquea manualmente la zapata de freno mediante una palanca). • Grupos hidráulicos: La cabina de los ascensores hidráulicos es accionada por un pistón que recibe la presión de aceite a través de una central hidráulica. Esta central está compuesta por un tanque de aceite, una bomba de presión accionada por un motor eléctrico y una caja de válvulas o distribuidor de presión que regulan la aceleración, velocidad, deceleración y parada de la cabina. Llevará un dispositivo de emergencia que podrá accionar el elevador en caso de avería por medio de una válvula (normalmente marcada de rojo) que permite el retorno de aceite al tanque y por lo tanto hace bajar la cabina lentamente por gravedad. También dispone de una palanca de subida manual que permite inyectar manualmente aceite al pistón desplazando la cabina hacia arriba. Esta última maniobra solo es necesaria cuando, por haber actuado el sistema de paracaídas, no podemos mover la cabina hacia abajo para conseguir el nivel de planta. • Cuadros de protección eléctrica: Cumpliendo reglamentos y normativas, los elevadores llevan su juego de protecciones diferenciales e interruptores magnetotérmicos con separación de circuitos de alumbrado y fuerza. • Cuadro de maniobra: Es el encargado de controlar todos los movimientos y elementos del ascensor. Estos cuadros de maniobra pueden llevar una botonera de maniobra de rescate. En ascensores sin cuarto de máquinas, el cuadro de maniobra, eléctrico y los mandos de rescate, se encuentran en la última planta a la que accede, en un armario junto a puerta de planta. • Limitador de velocidad: Este elemento de seguridad es el órgano que, antes de que la velocidad de la cabina o cabina y contrapeso según caso, alcance una velocidad superior a la fijada (115% de la nominal), ordena la parada de la máquina y si es necesario, provoca la actuación del paracaídas. Se dispone en todo tipo de ascensor excepto en los hidráulicos de tracción directa. Actúa también sobre el contrapeso en caso de que por debajo del forjado del foso de este haya transito de personas. Está situado normalmente en la sala de máquinas y consiste en una polea que gira mediante un cable que va solidario a la cabina. En caso de que la polea detecte más velocidad de la ajustada, el dispositivo actúa sobre unas cuñas (paracaídas) sobre las guías que provocan la parada de emergencia de la cabina o del contrapeso según caso.
338
HUECO
Es el recinto por el que circula la cabina en sus movimientos. La parte del hueco que existe por debajo del nivel de la parada inferior se denomina foso. El hueco debe estar provisto de una iluminación eléctrica de instalación fija que permita asegurar su alumbrado durante las operaciones de reparación o de mantenimiento. Dentro del hueco vamos a encontrar los siguientes elementos: • Cabina: Elemento del ascensor o montacargas destinado a recibir las personas y/o la carga a transportar. La cabina dispone de un chasis o armazón suspendido de los cables de tracción o solidario con el cilindro hidráulico. Está formado por perfiles laminados o chapa delgada y va conducido verticalmente por las guías. En el techo de la cabina dispone de una botonera para labores de inspección y mantenimiento. Dispone en la parte inferior de un guardapiés o faldón a modo de tablero vertical, a plomo del borde de los umbrales de las puertas, de una longitud mínima de 0’75 m. y que tiene el fin de proteger de caídas en el hueco cuando la cabina ha quedado bloqueada sobre el nivel del piso. Las cabinas de los ascensores deben disponer de unas puertas que pueden ser manuales aunque en la mayoría de los casos son automáticas con mecanismos en la parte superior de la cabina y que cuentan con diversos contactos para controlar su funcionamiento. En algunos montacargas autorizados por los reglamentos pueden no existir puertas. No debe ser posible hacer funcionar el ascensor si una puerta de cabina (o una de sus hojas) permanece abierta. • Guías: Son los elementos que dirigen el recorrido del ascensor y contrapeso en su trayectoria por el hueco. Las guías se anclan generalmente sobre los forjados de las diferentes plantas con el fin de poder soportar los esfuerzos resultantes de la actuación del paracaídas y la flexión debida a un descentrado de la carga. La unión entre la cabina y las guías se realiza a través de zapatas rodantes o deslizantes. • Contrapeso: Se utiliza en ascensores de tracción por adherencia y algunos de arrollamiento con el fin de obtener la tensión necesaria para producir en la polea el esfuerzo de adherencia así como reducir la potencia necesaria para el desplazamiento del ascensor. La masa del contrapeso equivale a la de la cabina vacía más el 40-50% de la carga nominal del ascensor. • Paracaídas: Se dispone en las cabinas de tracción por cables. Este dispositivo debe ser capaz de detener la cabina con plena carga a la velocidad de disparo del limitador de velocidad incluso en el caso de rotura de los órganos de suspensión, apoyándose sobre sus guías y de mantenerla detenida en ellas. Los paracaídas deben ser accionados por un limitador de velocidad. Se prohíbe el disparo del paracaídas por dispositivos eléctricos, hidráulicos o neumáticos. El cable del limitador de velocidad, que va anclado a la cabina, tirará del sistema paracaídas en caso de emergencia, lo que detendrá la cabina o el contrapeso con las guías. En caso de actuación del paracaídas, un dispositivo debe mandar la parada de la máquina previa al momento del frenado sobre las guías. El desbloqueo del paracaídas no debe producirse más que desplazando la cabina o el contrapeso en sentido contrario al acuñamiento. En algunos casos el desbloqueo exige además la actuación manual sobre el mecanismo para liberarlo. Después del desbloqueo del paracaídas, la puesta en marcha del ascensor debe requerir la intervención de una persona cualificada. • Cables de suspensión: Las cabinas y contrapesos deben estar suspendidas por cables de acero o cadenas de acero. El número de cables o cadenas debe ser de dos. 339
• Cilindros hidráulicos: Son los elementos que trasforma la energía hidráulica en movimiento. Son cilindros de simple efecto, solo necesitan presión de aceite para extenderlos, la recogida se hace por el peso de la cabina. Disponen de una válvula de retorno interpuesta entre el cilindro y el latiguillo de presión, que tiene la función de controlar la velocidad a la que fluye el aceite desde el cilindro al grupo, de forma que cuando la velocidad es superior a la tarada, bien por rotura del latiguillo o por exceso de velocidad, bloquea el ascensor. • Puertas de planta: Son las puertas que permiten el acceso a la cabina en cada planta.Toda puerta de planta debe estar provista de un dispositivo de enclavamiento que impida abrir una puerta de acceso en piso (o cualquiera de sus hojas si tiene varias) a menos que la cabina esté parada en la zona de desenclavamiento de esta puerta. Este dispositivo impide a la vez el funcionamiento del ascensor si existe alguna puerta abierta. Todas las puertas deben estar provistas de un dispositivo de desenclavamiento de socorro que permita su apertura desde el exterior aunque no esté la cabina tras la puerta. La llave para su actuación está normalizada de forma triangular aunque existen instalaciones antiguas que aún no han puesto al día este dispositivo normalizado. Si se desenclava una puerta se anula el funcionamiento normal del ascensor. La apertura de la puerta de planta con este dispositivo puede ser necesaria en la maniobra de rescate. Pensemos que con la llave de emergencia podemos abrir el acceso al hueco, con el consiguiente peligro de caída. Debemos asegurarnos siempre al finalizar nuestra actuación, que la puerta está cerrada y enclavada mecánicamente. • Amortiguadores de foso: Son los elementos que se disponen en el foso para absorber la energía cinética del camarín y contrapeso, en el caso de que el ascensor no realice la parada normal y se pase de recorrido. • Dispositivos de seguridad de final de recorrido: Deben ser instalados dispositivos de seguridad de final de recorrido que actuarán antes de que la cabina (o el contrapeso) tome contacto con los amortiguadores.
340
INSTALACIONES FIJAS DE PROTECCION CONTRA INCENDIOS. BIES, HIDRANTES, COLUMNA SECA. INSTALACIONES DE DETECCION, ALARMA Y EXTINCION AUTOMATICA DE INCENDIOS.
BOCAS DE INCENDIOS EQUIPADAS (BIEs)
No todas las personas que se ven en la necesidad de extinguir un incendio son profesionales de la extinción, por ese motivo se diseñó un elemento que fuera capaz de extinguir un incendio en fase inicial para ser utilizado por personal no experto, hablamos de la BIE. La Boca de Incendios Equipada, mas conocida como BIE, podríamos definirla como un equipo de protección contra incendios conectada a la red de abastecimiento de agua y que posee la capacidad de transportar y proyectar agua desde el lugar donde este situada la BIE hasta el lugar del fuego. Incluye dentro de un armario todos los elementos necesarios para su uso: manguera, devanadera, válvula y lanza-boquilla. Su diseño, instalación y mantenimiento están recogidos en los correspondientes reglamentos y normas: Norma UNE EN-671, Código Técnico de Edificación, Reglamento de Instalaciones de Protección Contra Incendios y Reglamento de Seguridad contra Incendios en los Establecimientos Industriales.
TIPOS DE BIEs
La norma UNE-EN 671, establece las diferentes tipos de BIEs, así como su mantenimiento: • Parte 1: Bocas de incendio equipadas con mangueras semirrígidas. • Parte 2: Bocas de incendio equipadas con mangueras planas. • Parte 3: Mantenimiento de las bocas de incendio equipadas. BIE DE 25 mm La BIE-25 incorpora una manguera de 25 semirrígida. Su ventaja frente a la BIE-45 es que no hace falta desplegar más que los metros necesarios. Es la más apropiada para uso no profesional. Los discos de la devanadera son rojos. 341
Partes • Boca de incendio equipada manual: consta de una devanadera con abastecimiento de agua axial, una válvula de cierre automático manual adyacente a la devanadera, una manguera semirrígida, una lanza-boquilla con cierre y, si procede, un dispositivo de cambio de dirección de la manguera. • Boca de incendio equipada automática: consta de una devanadera con abastecimiento de agua axial, una válvula automática de cierre, una manguera semirrígida, una lanza-boquilla con cierre y, si procede, un dispositivo de cambio de dirección de la manguera. • Conjunto devanadera y válvula de cierre: componente de la boca de incendio equipada que consta de una devanadera, una válvula automática de cierre (eventualmente) y su dispositivo de conexión a la devanadera, pero sin incluir la manguera semirrígida, lanza-boquilla con cierre, ni las conexiones. La devanadera podrá ser: • Devanadera fija: solo puede girar en un aplano, y dispositivo de cambio de dirección adyacente. • Devanadera pivotante: puede girar y pivotar en varios planos y esta montada sobre un soporte de brazo giratorio o puerta giratoria. Deberá pivotar en un ángulo mínimo de 170º. • Manguera: semirrígida y conforme UNE-EN 694. Tendrá como diámetros interiores 19-2533mm. Llongitud máxima de 30 metros. • Lanza-Boquilla: debe permitir las posiciones de (Cierre-Agua Pulverizada-Chorro Compacto). • Válvula de cierre del abastecimiento de agua . • Válvula de cierre manual del abastecimiento: cierra en el sentido de las agujas del reloj. Las válvulas de cierre de tipo globo deben abrirse completamente por medio de un volante en tres vueltas y media como máximo. • Válvula de cierre automática: deberá de abrirse completamente en un máximo de tres vueltas de la devanadera. 342
• Armarios: Dotados con una puerta y pueden estar equipados con una cerradura. Los de cerradura tendrán un dispositivo de apertura de urgencia protegido mediante un material transparente de rotura fácil. Las puertas del armario, deberán abrir en un ángulo mínimo de 170º para facilitar el correcto desplegado de la manguera plana Características Hidráulicas de las BIE de 25 Deben resistir: • Presión de servicio de 12 bar, (1,2 MPa). • Presión de ensayo de 18 bar, (1,8 MPa). • Presión de rotura de 30 bar, (3 MPa). El caudal mínimo de chorro compacto y pulverización irán en función de la presión en punta de lanza y del diámetro del orificio de salida. (Q = K √P ) El rango de caudales varía entre 12 y 156 l/min. en función de la presión (0,2-0,4-0,7 MPa) es decir (24-7 bar) y el orificio de salida de la boquilla (4,5,6,7,8,9,10,12mm). Alcance eficaz de los efectos El alcance determinado a la presión de 2 bar (0,2 MPa) (según proceda para el tipo de lanza-boquilla) no debe ser inferior a: • Alcance del chorro compacto: 10 metros. • Alcance con pulverización en cortina: 6 metros. • Alcance con pulverización cónica: 3 metros. Marcado El marcado de la BIE, debe contener la siguiente información: • • • • • •
Nombre del suministrador, marca comercial o ambos. Número de la norma UNE-EN 671. Año de fabricación. Presión máxima de servicio. Longitud y diámetro interior de la manguera. Diámetro equivalente de la lanza-boquilla (marcado sobre la misma).
Señalización 343
La señalización de la BIE, se hara conforme a lo establecido en la DIRECTIVA 92/58/CEE DEL CONSEJO de 24 de junio de 1992. Características intrínsecas: • Forma rectangular o cuadrada • Pictograma blanco sobre fondo rojo (el color rojo deberá cubrir como mínimo el 50 % de la superficie de la señal).
1.1.1. BIE DE 45 mm La BIE-45 incorpora una manguera de 45, blanda y plana. Puede ir en devanadera y en plegadora simple o doble. Debiendo desplegarla para su utilización. La devanadera debe ser de color rojo.
Partes Son válidas las partes dadas anteriormente para la BIE de 25 mm, exceptuando las siguientes modificaciones: • Manguera plana: manguera de sección plana que adopta su forma cilíndrica cuando está sometida a presión interna. o o o o
Esta manguera está fabricada según Norma EN 14540:2003. Diámetro nominal no superior a 52mm. Longitud no superior a 20 metros. Tipo de racor según UNE 23400.
Tipos de instalaciones en BIEs de 45 mm 344
Su montaje: • Configuración A: en una hornacina con una tapa. • Configuración B: en un armario empotrado. • Configuración C: en un armario de superficie. Soporte de mangueras: • Tipo 1: devanadera giratoria. • Tipo 2: soporte con la manguera enrollada en plegado doble. • Tipo 3: soporte con la manguera plegada en zig-zag.
BIE de 45 mm de Tipo 3 Válvula de cierre del abastecimiento del agua: Cierre manual del tipo de asiento plano o de otro tipo de apertura lenta. Armarios: Dotados con una puerta y pueden tener cerradura. Estos tendrán un dispositivo de apertura de urgencia protegido mediante un material transparente de rotura fácil. Características hidráulicas Deben resistir: • Presión máxima de servicio: 12 bar (1,2 MPa). • Presión de prueba: 24 bar (2,4 MPa). • Presión mínima de rotura: 42 bar (4,2 MPa). 345
El caudal mínimo de chorro compacto y pulverización serán en función de la presión en punta de lanza y del diámetro del orificio de salida. (Q = K √P ). El rango de caudales varía entre 66 y 208 l/min. en función de la presión (0,2-0,4-0,6 MPa) es decir (24-6 bar) y el orificio de salida de la boquilla (9,10,12, 13mm). Alcance eficaz de los efectos El alcance determinado a la presión de 2 bar (0,2 MPa) (según proceda para el tipo de lanza-boquilla) no debe ser inferior a: • Alcance del chorro compacto: 10 metros. • Alcance con pulverización en cortina: 6 metros. • Alcance con pulverización cónica: 3 metros. Marcado y Señalización Será idéntico a lo establecido para las BIE de 25 mm.
REGLAMENTACIÓN (EN PROCESO DE APROBACION DE NUEVO RIPCI)
El RD 1942/1995, de 5 de Noviembre de Reglamento de Instalaciónes de Protección Contra Incendios (aun en vigor hasta la publicación en el BOE del nuevo RIPCI), dice: “las bocas de incendio equipadas estarán compuestas por una fuente de abastecimiento de agua, una red de tuberías para la alimentación de agua y las bocas de incendio equipadas (BIE) necesarias. Hay dos tipos: BIE de 25mm y BIE de 45mm. Las BIE se ajustarán a la UNE-EN 671-1 y UNE-EN 671-2. Sólo se admitirán en España las equipadas con mangueras semirrígidas de 25mm y con mangueras planas de 45mm. CONDICIONES DE INSTALACION DE LAS BIEs El RD 1942/1995, de 5 de Noviembre, establece las siguientes condiciones de instalación y funcionamiento: • La BIE debe montarse sobre soporte rígido y la altura de su centro como máximo a 1,50 metros sobre el nivel del suelo o a más altura si se trata de una BIE de 25mm, siempre que la boquilla y la válvula de apertura manual si existe, estén situadas a la altura citada. • La BIE se situará, a una distancia máxima de 5 metros de las salidas de cada sector de incendio, sin que constituyan obstáculo para su utilización. 346
• El número y distribución de las BIE, será tal que la totalidad de la superficie del sector de incendio en que estén instaladas quede cubierta por una BIE, considerando como radio de acción de ésta, la longitud de su manguera incrementada en 5 metros. • La separación máxima entre cada BIE será de 50 metros. Y la distancia desde cualquier punto del local hasta la BIE más próxima no excederá de 25 metros. • La red de tuberías deberá proporcionar, durante una hora como mínimo, en la hipótesis de funcionamiento simultáneo de las dos BIE hidráulicamente más desfavorable, una presión dinámica mínima de 2 bares en el orificio de salida de cualquier BIE. o El Reglamento de Seguridad Contra Incendios en Establecimientos Industriales (RD 2267/2004, de 3 de diciembre) fija un máximo para esta presión de 5 bares. • La BIE, antes de su puesta en servicio, se somete a una prueba de estanqueidad y resistencia mecánica, mediante una presión estática igual a la máxima de servicio y cómo mínimo a 980 KPa (10Kg/cm2). MANTENIMIENTO El RD 1942/1995, de 5 de Noviembre, establece las siguientes condiciones de mantenimiento: • Por el personal titular de la instalación: o Cada 3 meses, comprobación de la buena accesibilidad y señalización, desenrollar la manguera, accionamiento de la boquilla, lectura del manómetro, limpieza del conjunto, y engrase de cierres y bisagras en puertas del armario. • Por el personal especializado del fabricante o instalador, según la tabla 2 del apéndice 3: o Cada año, desmontaje de la manguera y ensayo de ésta, comprobación de la boquilla, del sistema de cierre, de la estanqueidad de los racores, de la manguera, del estado de las juntas y del manómetro con otro de referencia acoplado. o Cada 5 años, la manguera se somete a una presión de prueba de 15 Kg/cm2.
DOTACION DE BIEs EN EDIFICIOS
El Código Técnico de Edificación, (Real Decreto 314/2006 de 17 de marzo) establece las exigencias que deben cumplir los edificios en relación con los requisitos básicos de seguridad y habitabilidad. Para ello se han desarrollado varios Documentos Básicos, en los que se reúnen las condiciones técnicas mínimas de seguridad y habitabilidad. Nosotros vamos a mencionar el Documento Básico de Seguridad en caso de Incendios (DB-SI), en cuya sección 4, se regulan las condiciones de las Instalaciones de Protección Contra Incendios, donde se incluye el uso de las BIEs.
347
Por lo tanto, según el CTE, las BIE serán de 25 mm, excepto en los locales de riesgo especial, en las que el riesgo se deba a materias combustibles sólidas. En este caso serán de 45mm, excepto en uso Residencial vivienda, que seguirán siendo de 25 mm. SEGÚN EL USO DEL EDIFICIO Y SU SUPERFICIE Según el uso que tenga el edificio, así como su superficie construida, el CTE, establece los mínimos en instalación de BIEs, como sigue: • En zonas de riesgo especial alto en las que el riesgo se deba principalmente a materias combustibles solidas: serán de 45 mm, excepto en residencial vivienda que serán de 25mm. • Administrativo: solo si excede de 2000 m2. (Equipos de 25 mm) • Residencial público: solo si excede de 1000 m2 ó si da alojamiento a más de 50 personas. (Equipos de 25 mm) • Hospitalario: en todo caso. (Equipos de 25 mm) • Docente: solo si excede de 2000 m2. (Equipos de 25 mm) • Comercial: solo si excede de 500 m2. (Equipos de 25 mm) • Pública concurrencia: solo si excede de 500 m2. (Equipos de 25 mm) • Aparcamiento: solo si excede de 500 m2. Se excluyen los aparcamientos robotizados. (Equipos de 25 mm) En la actualidad se comercializan armarios con múltiples agentes (BIE + Extintor de polvo ABC) y armarios para alto riesgo que incluyen una lanza de espuma de baja expansión de 100 o 200 l/m y un sistema de generación de espuma con proporcionador y bidón de espuma AFFF 3% de 20 litros para protección de riesgos con posibilidad de incendios de líquidos combustibles (tipo B).
348
HIDRANTES
Los hidrantes son puntos de abastecimiento de agua para extinción de incendios instaladas en el exterior de los edificios y de uso para los bomberos, poseen como característica mas importante que son instalaciones diseñadas para suministrar gran cantidad de agua en poco tiempo. Permite la conexión de mangueras y equipos de lucha contra incendios para atacar el fuego directamente, o el uso de los mismos como medio de abastecimiento de agua de los vehículos de extinción. La instalación de hidrantes suele estar conectada a la red general, aunque en algunos casos poseen reserva de agua y grupos de presión propios que deben proporcionar el caudal optimo antes indicado durante el tiempo necesario.
349
Principales componentes: • Cabeza: donde se disponen las bocas de salida. • Cuerpo de válvula: parte interior del hidrante que se fija a la tubería de suministro. • Carrete: pieza que se acopla entre la cabeza y el cuerpo de la válvula mediante bridas. • Válvula principal: interrumpe o permite el paso de agua al cuerpo superior. • Bocas de salida: equipadas con racores normalizados UNE 23-400, de 45-70-100mm.
Definiciones Las normas europeas que regulan las características de los hidrantes (14339 y 14384), establecen las siguientes definiciones: 350
• Hidrante: Conexión a un sistema de suministro de agua que incluye una válvula de aislamiento o seccionamiento. • Hidrante contra incendios: Hidrante diseñado para suministrar agua para la lucha contra incendios durante todas las fases del fuego. • Hidrante de columna: Hidrante contra incendios con forma de columna, que emerge del suelo, cuya intención primera es suministrar agua para la lucha contra incendios, aunque puede ser usado también para el abastecimiento de agua. • Hidrante de columna seca (con drenaje): Hidrante contra incendios, cuya columna se vacía automáticamente cuando se cierra la válvula principal. • Hidrante de columna húmeda (sin drenaje): Hidrante contra incendios, cuya columna permanece llena de agua. • Sistema de rotura: Mecanismo que permite que la parte del hidrante que sobresale del suelo se separe de la parte que permanece bajo el suelo cuando se someta a un impacto, a la vez que mantiene el cierre de la válvula principal. • Obturador: Componente móvil de la válvula cuya posición en el camino del fluido permite, restringe u obstruye el flujo del fluido • Obturador suelto: Dispositivo para controlar el caudal que sale de una tubería y que evita el flujo hacia adentro de dicha tubería. • Cuerpo: Envolvente retenedora de presión de la válvula. • Tamaño nominal DN: Designación alfanumérica del tamaño de los componentes de un sistema de tuberías utilizada como referencia. Consta de las letras DN seguidas de un número entero adimensional que tiene una cierta relación con sus dimensiones efectivas, en milímetros, del orificio o diámetro externo de las conexiones de los extremos. • Presión nominal PN: Designación alfanumérica utilizada como referencia y relacionada con una combinación de números y características dimensiónales de un componente de un sistema de tuberías. Consta de las letras PN seguidas de un número entero adimensional. • Presión máxima de funcionamiento permitida PMA: Presión hidrostática máxima incluyendo los picos de presión que puede soportar un componente, de vez en cuando, estando en servicio. • Presión de funcionamiento permitida PFA: Presión hidrostática máxima que puede soportar un componente estando en servicio continuamente. • Presión de prueba permitida PEA: Presión hidrostática máxima que puede soportar un componente recién instalado durante un relativamente corto período de tiempo cuando, bien se fija por encima del nivel del suelo, o se coloca y se entierra con objeto de asegurar la integridad y estanquidad del sistema de tubería • Coeficiente de flujo Kv (Cv): Tasa de flujo en metros cúbicos por hora que provocará una presión diferencial de un bar a través del hidrante contra incendios.
TIPOS DE HIDRANTES
Según la normativa vigente, existen dos tipos de hidrantes: 351
• Hidrantes de Columna, regulado por UNE-EN ISO 14384 • Hidrantes bajo Tierra, regulado por UNE-EN ISO 14339 1.1.2. HIDRANTES DE COLUMNA Dentro de los hidrantes de columna se puede diferenciar según su diseño de construcción en: • Hidrante de Columna seca: el agua solo penetra al ser abierta la válvula principal. De esta manera se evita la congelación del agua. Disponen de un dispositivo de rotura que evita la fuga de agua, en caso de impacto mecánico. (imagen) • Hidrante de Columna mojada: permanentemente lleno de agua. De diseño más sencillo y de coste inferior que el anterior. Se utiliza en zonas con temperaturas superiores a 4ºC. Lo habitual es que no dispongan de nivel de rotura por lo que deben protegerse con parapetos.
Tamaño El tamaño del hidrante se designa por el diámetro nominal de la brida de conexión, que debe corresponder al de la propia columna. Los hidrantes de columna, se fabrican en los siguientes diámetros nominales: • DN 80 • DN 100 • DN 150 Presion Los hidrantes deben ser adecuados para las siguientes presiones: • • • •
Presion Nominal: 1,6 MPa (16 bar) Presion de Funcionamiento permitida: 1,6 MPa (16 bar) Presion Máxima de Funcinamiento permitida: 2 MPa (20 bar) Presión de Prueba permitida: 2,5 MPa (25 bar)
352
Caudal La norma establece los valores minimos del factor Kv, en función del DN y el numero de salidas que se midan:
Por otra parte, el Reglamento de Seguridad Contra Incendios en Establecimientos Industriales (RD 2267/2004, de 3 de diciembre), establece diferentes caudales mínimos para la red de hidrantes, en función del tipo de establecimiento industrial, que van desde el mínimo de 500 l/min, hasta los 3000 l/min. Dirección de cierre El hidrante deberá cerrarse girando el husillo hacia la derecha visto desde arriba (sentido de las agujas del reloj). Vueltas de apertura
Salidas La norma UNE-EN 14384, establece lo siguiente respecto al numero de salidas de los hidrantes de columna: • El DN del cuerpo debe ser igual o mayor que el DN de las salidas; • El número de salidas debe ser al menos dos para un DN de 150 Habitualmente nos encontramos con la siguiente configuración de salidas: • Para columna seca: o Hidrantes con DN de 80mm: 1 boca de 70mm y 2 de 45mm. o Hidrantes con DN de 100mm: 1 boca de 100mm y 2 de 70mm. o Hidrantes con DN de 150mm: 1 boca de 100mm y 2 de 70mm. 353
• Para columna húmeda: o Hidrantes con DN de 80mm: 1 boca de 70mm y 2 de 45mm. o Hidrantes con DN de 100mm: 1 boca de 100mm y 2 de 70mm. Designación El hidrante debe designarse con la letra (A, B, C o D) aplicable según se muestra en la siguiente tabla: TIPOS
SIN SISTEMA DE ROTURA
Con Drenaje (Seco) Sin Drenaje (Humedo)
A B
CON SISTEMA DE ROTURA C D
Marcado de los hidrantes Todos los hidrantes deben marcarse de forma duradera en la parte más alta, con lo siguiente: • • • • • • • • •
Dirección de apertura; Número de vueltas para abrir. Referencia a la norma europea en 14384; DN PN Marca del fabricante; Fecha de fabricación; Letra de designación; Capacidad de adecuación para el sistema de fluido conducido.
HIDRANTES BAJO TIERRA (DE ARQUETA)
354
Tamaño Los hidrantes de arqueta o bajo tierra, se fabrican en los siguientes diámetros nominales: • DN 80 • DN 100 Presion Este tipo de hidrante, debe poder trabajar con diferentes presiones nominales, las cuales vemos a continuación:
PN 10 16 25
PFA MPa (bar) 1,0 (10) 1,6 (16) 2,5 (25)
PMA MPa (bar) 1,2 (12) 2,0 (20) 3,5 (35)
PEA MPa (bar) 1,7 (17) 2,5 (25) 3,75 (37,5)
Caudal El factor Kv que establece la norma como mínimo, debe ser 60 (m3/hora) para DN 80 y 75 para DN 100, aunque se recomiendan valores mas altos.
Dirección de cierre Al igual que en los hidrantes de columna, el hidrante deberá cerrarse girando el husillo hacia la derecha visto desde arriba (sentido de las agujas del reloj). Vueltas de Apertura El número total de vueltas requerido para abrir totalmente la válvula debe estar entre 5 y 15 para DN 80 y entre 6 y 15 para DN 100.
355
Salidas La norma no establece ningún número de salidas mínimo, regulándose en función de los requisitos nacionales válidos del país de uso del hidrante. En España, los hidrantes bajo tierra suelen tener una o varias salidas de 45-70-100 mm, con racor Barcelona, regulado por la norma UNE 23400. Marcado Deberá contener los mismos apartados que en el caso del hidrante de columna, exceptuando la letra de designación, que no es aplicable en este tipo.
REGLAMENTACION (EN PROCESO DE APROBACION NUEVO RIPCI)
El reglamento vigente hasta la publicación en el BOE del nuevo RIPCI, el RD 1942/1995, de 5 de Noviembre dice: “los sistemas de hidrantes exteriores estarán compuestos por una fuente de abastecimiento de agua, una red de tuberías para la alimentación de agua y los hidrantes exteriores necesarios”. MANTENIMIENTO • Cada 3 meses: o Comprobar la accesibilidad, señalización, inspección visual de la estanqueidad. o Quitar las tapas de las salidas, y engrasar las roscas y comprobar el estado de las juntas de los racores. • Cada 6 meses: o Engrasar la tuerca de accionamiento o rellenar la cámara de aceite del mismo, abrir y cerrar el hidrante, comprobando el funcionamiento correcto de la válvula principal y del sistema de drenaje.
DOTACION DE HIDRANTES
Al igual que sucede con las BIEs, la dotación de hidrantes, viene determinada en el CTE (Código Técnico de Edificación), en su documento básico SI-4 “Instalaciones de protección contra incendios. Siendo el número de hidrantes, según el uso de edificio y su superficie: • En general, Residencial público y Hospitalario: 1 hidrante entre 2000-10000 m2 + 1 por cada 10000 m2 adicionales o fracción. • Residencial vivienda, Administrativo y Docente: 1 hidrante entre 5000-10000 m2 + 1 por cada 10000 m2 adicionales o fracción. 356
• Comercial y Aparcamientos: 1 hidrante entre 1000-10000 m2 + 1 por cada 10000 m2 adicionales o fracción. • Concurrencia pública: o Cines, teatros y discotecas: 1 hidrante entre 500-10000 m2. o Recintos deportivos: 1 hidrante entre 5000-10000 m2. Se consideran los hidrantes que estén en la vía pública a menos de 100 metros de la fachada accesible. Los hidrantes que se instalen pueden estar conectados a la red pública. La dotación de hidrantes en establecimientos industriales, se regula por el Reglamento de Seguridad Contra Incendios en Establecimientos Industriales (RD 2267/2004, de 3 de diciembre). A continuación se muestra una tabla, a titulo orientativo de los requerimientos establecidos para hidrantes en dicho reglamento.
Dotacion de hidrantes en recintos industriales
SEÑALIZACIÓN DE HIDRANTES
Aunque la normativa vigente sobre hidrantes, no recoge ningún requisito de señalización mínimo, nos podemos encontrar las siguientes señales: Nos indica el diámetro nominal y la ubicación del hidrante tomando como punto de referencia el punto de la fachada donde esté situada la placa. H 80: Hidrante de 80mm de diámetro. 10 y 5: Coordenadas del hidrante.
357
COLUMNA SECA
El sistema de columna seca es un conjunto de elementos necesarios para transportar y distribuir el agua, suministrada por un vehículo autobomba situado a nivel de la calle, a los distintos pisos (plantas/sotanos) de un edificio de altura. De uso exclusivo para bomberos. Es una columna, porque consiste en una canalización vertical que se eleva por toda la altura del edificio y se denomina “seca” porque se encuentra vacía, ya que no está conectada a la red de agua como por ejemplo una BIE o un hidrante.
COMPONENTES
El Reglamento de Instalaciones de Protección Contra Incendios (RIPCI, RD 1942/1993) indica que un sistema de columna seca estará compuesto por: TOMA DE ALIMENTACIÓN EN FACHADA (IPF41) Armario o arqueta empotrada con puerta metálica, e indicación de uso exclusivo de bomberos, conteniendo: conexión siamesa con llaves incorporadas, entrada roscada de 3” y dos salidas de 70 mm con racores y tapas según UNE 23400 para uso normal. Dispondrá de una llave de purga, con diámetro mínimo de 25 para vaciado de la columna una vez utilizada. Se aloja en una hornacina de 55x40x30, provista de una tapa metálica con llave de cuadradillo de 8mm, pintada de blanco con la inscripción “USO EXCLUSIVO BOMBEROS”, en letra roja. Se ubica a 90 358
cm del suelo. En caso de no estar situadas junto al acceso principal del edificio, en el mismo se señalizará su situación.
DISTRIBUIDOR De acero galvanizado y con un diámetro mínimo de 80mm. Se instala hasta el piso mas alto del edificio. Conforma la tubería que canaliza el agua desde la boca de alimentación en fachada hasta todas las bocas de los pisos. BOCA DE SALIDA EN PISO (IPF39) Armario o arqueta empotrada, con puerta practicable o frontal rompible, conteniendo: conexión siamesa de 45, con llaves incorporadas, entrada roscada de 2-1/2” y racores de tipo Barcelona.
359
Alojadas en hornacinas de 55x35x30, tapa de cristal con la inscripción “USO EXCLUSIVO BOMBEROS” en letra roja. Se dispondrá en las plantas pares, hasta la octava y en todas a partir de esta, situándose en el embarque de la escalera y con el centro de sus bocas a 90cm del suelo.
BOCA DE SALIDA EN PISO CON LLAVE DE SECCIÓN (IPF40) Cada 4 plantas se dispondrá de una llave de seccionamiento situada en la columna por encima de la conexión siamesa de 45 que permitirá el corte del agua a las plantas superiores. Alojada en hornacinas de 55x60x30. De acuerdo con el RIPCI estas permanecerán siempre abiertas cuando no se utilice la columna. Armario o arqueta empotrada, con puerta practicable o frontal rompible, conteniendo: conexión siamesa con llaves incorporadas, entrada roscada de 2-1/2”, y dos salidas de 45 mm con racores y tapas según UNE 23.400 para uso normal, y llave de bola para seccionamiento de 3” situada por encima de la conexión siamesa.
VÁLVULA DE EXPANSIÓN DEL AIRE Conectada a la columna seca y situada en la parte superior, permite la salida del aire cuando se el inyecta el agua.
360
Numero de Columnas Secas Se instalarán tantas columnas secas como cajas de escalera existan dentro del edificio cuando sea exigible. Cada una con su propia alimentación y señalizando a que caja de escalera pertenece. Tipo de Llaves Todas las llaves de la instalación serán de válvulas de esfera y bola de acero inoxidable o aluminio, accionada mediante palanca de ¼ de vuelta.
PRUEBA DE PRESION Y MANTENIMIENTO
El sistema de columna seca se someterá, antes de su puesta en servicio, a una prueba de estanqueidad y resistencia mecánica, a una presión estática de 15 Kg/cm2 (1.470 kPa), durante 2 horas. Cada seis meses deberá realizarse una comprobación de la accesibilidad, señalización, funcionamiento de los cierres, correcto estado de las llaves de seccionamiento en apertura, que todas las tapas de racores estén bien colocadas y ajustadas.
USO
Para la correcta utilización del sistema de columna seca en una intervención, nos fijaremos en lo siguiente: 1. 2. 3. 4.
Llave de cuadradillo para abrir. Se conectan las mangueras. Se asegura que la llave de purga está cerrada. A medida que se asciende se comprueba que las llaves de seccionamiento están abiertas y que las bocas de salida de los pisos están cerradas. 5. Conectar la manguera a la boca de salida. 6. Cerrar la llave de sección. 7. Una vez utilizada vaciado y purga. 361
DOTACION DE COLUMNA SECA
Según el Código Técnico de la Edificación (RD 314/2006) estarán dotados con una instalación de columna seca: • Todos los edificios y establecimientos cuya altura de evacuación sea mayor que 24 m. No obstante, los municipios podrán sustituir esta exigencia 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. • Los edificios de uso hospitalario estarán dotados con una instalación de columna seca los edificios cuya altura de evacuación sea mayor de 15 m. • Los edificios de uso para garaje o aparcamiento con mas de tres plantas bajo rasante o con mas de cuatro por encima de la rasante deberán estar dotados de columna seca, con tomas en todas sus plantas.
362
SEÑALIZACION
Nos podemos encontrar con la siguiente señal, indicándonos la existencia de columna seca en el edificio:
363
INSTALACIONES DE DETECCION, ALARMA Y EXTINCION DE INCENDIOS AUTOMATICA
Actualmente la protección contra incendios está regulada por: el Código Técnico de Edificación (RD 314/2006) ,el Reglamento de Seguridad Contra Incendios en Establecimientos Industriales (RD 2267/2004) y el Reglamento de Instalaciones de Protección Contra Incendios (RD 1942/1993) que establecen: • Las características de instalación de los Sistemas de Protección Contra Incendios. • Las exigencias para la acreditación del cumplimiento de las reglas de seguridad. • Las obligaciones y condiciones a cumplir para los instaladores y mantenedores de las citadas instalaciones • El procedimiento para la instalación, puesta en servicio y mantenimiento • Las operaciones y comprobaciones a realizar para el mantenimiento Por otra parte las características particulares de cada una de estas instalaciones, se regulan en función a la normativa europea vigente, en este caso las normas UNE 23007 y UNE-EN 54, ambas vigentes para la regulación de los Sistemas de Detección y Alarma de Incendios. El sistema de detección automática de incendios y alarma es un conjunto de elementos con capacidad para detectar los incendios en el tiempo más corto posible y alertar para que se pueda realizar la evacuación de los ocupantes del edificio, disminuyendo las consecuencias del incendio, llamar a los Servicios de Bomberos y/o activar el sistema automático de extinción. Este sistema esta compuesto por: • Central de Alarmas. Encargado de alimentar a los detectores, comprobar el suministro eléctrico y verificar los estados de alarma y avería de los detectores y transmitirla de forma audible y visible localizando las zonas de riesgo. Son capaces de transmitir una alarma a los Servicios de Bomberos. A veces están conectado a ordenadores que informan no solo del sector donde se ha producido la anomalía sino incluso localiza al detector activado indicándonos el foco de origen de un posible incendio.
• Detectores. Elemento fundamental del sistema, detecta los síntomas que indican la presencia de un incendio y lo transmite al equipo de control por medio de una señal.
364
• Fuentes de alimentación. Por seguridad debe ser doble: la red eléctrica y un sistema secundario conformado por una o varias baterías para cuando falle el primero. • Elementos de unión: líneas de conductores eléctricos similares a los de cualquier otra instalación eléctrica. • Elementos de actuación: o Pulsadores de alarma. o Dispositivo de alarma de incendio. o Elementos de control. o Extinción automática.
DETECTORES DE INCENDIOS
Los sensores registran de manera continua o a intervalos regulares de tiempo (calor, humo, gases o algún otro producto de la combustión). Antes de ver los tipos de detectores, vamos a ver brevemente el tipo de fenómenos detectables que emite un incendio en sus diferentes fases: • Fase 1: fuego en estado latente produciéndose gases invisibles. Puede durar horas. • Fase 2: se producen humos visibles o partículas que ascienden con gran rapidez. Puede durar horas o minutos. • Fase 3: en condiciones favorables de oxígeno, se desarrollan con gran rapidez los humos y gases tóxicos. Se produce en minutos o segundos. • Fase 4: calor con llamas, rayos infrarrojos y ultravioletas, el fuego se convierte en incendio. Desarrollo en pocos segundos.
365
Detectores en función del fenómeno que detectan: • • • •
Detectores iónicos: gases de combustión. Detectores ópticos de humos: humo. Detectores de radiación: llamas. Detectores térmicos: calor.
DETECTORES IÓNICOS Son los más fiables. Funcionan por la disminución de flujo de corriente eléctrica formada por moléculas de O2 y N2 ionizadas por una fuente radiactiva entre dos electrodos, al penetrar los productos de combustión de un incendio. Constan de una cámara de medición en contacto con el ambiente y una cámara de referencia. Una pequeña fuente radiactiva (isotopo americio 241) ioniza el aire de ambas cámaras, de tal modo que una pequeñísima corriente de iones de oxígeno y nitrógeno, se establece en ambas cámaras que se encuentran equilibradas eléctricamente.
No son adecuados para recintos de altura superior a 12 metros, ni en los que en circunstancias normales haya humo, polvo o aerosoles. No deben colocarse en corrientes de aire ni cerca de salidas de ventilación. Exigen limpieza periódica, y pruebas de funcionamiento. Su instalación a una altura de unos 4 metros protege una zona de 50-70 m2. Existen también detectores iónicos por partículas beta que son de Niquel 63, (posteriores a los de partículas alfa). Estos detectores han tenido éxito en la detección de las partículas procedentes de la combustión de alcohol, las cuales no son detectadas por el detector de partículas alfa. Este tipo no es comercializado en España. DETECTORES ÓPTICOS DE HUMOS Hay dos variables:
366
• Detectores ópticos de oscurecimiento: El humo obstruye el paso de luz a una célula fotosensible. • Detectores ópticos de difusión: Una pantalla impide que la luz incida directamente sobre la célula; cuando entra humo la luz se dispersa en todas direcciones (efecto Tyndall) y una parte alcanza el sensor. La altura máxima serán 12 metros. Poseen las mismas limitaciones que los iónicos (no deben instalarse en recintos de altura superior a 12 metros, ni en locales con humo, polvo ó aerosoles, ni cerca de salidas de ventilación).
Exigen limpieza periódica y pruebas de funcionamiento. Cubren una superficie de unos 50-70m2. o 1 detector en los locales < 80m2. o 1 detector por cada 60 m2 en locales de > 80m2 si la altura < 6 metros. o 1 detector por cada 80 m2 cuando la altura es entre 6 y 12 metros. DETECTORES DE RADIACIÓN O DE LLAMA Constan de una célula fotovoltaica o fotorresistiva.
367
Tipos de detectores de llama: • De radiación infrarroja : responde a radiaciones con longitudes de onda < 300 nm (nano metros). • De radiación ultravioleta: radiaciones con longitud de onda > 850 nm. • De chispas . • De oscilación de llama: capta oscilaciones de luz visible características de la llama. No son adecuados para los locales en los que en circunstancias normales haya radiaciones ópticas (sol, cuerpos incandescentes, soldadura). Si son adecuados para proteger grandes espacios, hasta 1000 m2 desde grandes alturas. No debe haber obstáculos que apantallen su campo de radiación. DETECTORES TÉRMICOS Sensible a un incremento de temperatura, existen en diferentes variables: • Detectores termoestáticos: Se activan cuando la temperatura ambiente supera un valor predeterminado (entre 60 y 100ºC). Su mecanismo sensible puede ser: o De metal eutéctico fusible: líquido termosensible (mercurio, alcohol). Rompe la ampolla por calor, que se ha de reemplazar. o Con ampolla de cuarzo: líquido termosensible (mercurio, alcohol). Rompe la ampolla por calor, que se ha de reemplazar. o De lámina o membrana bimetálica: al calentarse cierra la membrana. No se rompe cada vez. o Con cable de resistencia variable con la temperatura. • Detectores termovelocimétricos: Se activan cuando la velocidad de elevación de la temperatura ambiente supera un valor determinado. Norlamente de 6 a 10ºC/min. No funcionan ante fuegos de desarrollo lento. Su mecanismo sensible puede ser: o Aerotérmicos de tubo y cámara neumática: un diafragma sensible se deforma con el calor y cierra el circuito. o Aerotérmicos de tubo neumático: un diafragma sensible se deforma con el calor y cierra el circuito. o Termmoeléctricos: dos células, una interna y la otra externa. Cuando se produce una diferencia de temperatura en el equilibrio eléctrico entre ambas cierran el circuito. o Electrónicos: dos resistencias, una interna y otra externa. Si aumenta la temperatura, la externa cierra el circuito. • Detectores combinados: Combina termostáticos y termovelocimétricos. Se activan cuando la temperatura ambiente o la velocidad de elevación de la temperatura ambiente excede un valor 368
determinado. Se montan juntos y requieren un mantenimiento casi nulo. Cubren zonas de 2030 m2. Se colocan a una altura no superior a 4,5-6-7,5 metros en función de su sensibilidad de respuesta, A, B ó C respectivamente.
Detector termovelocimétrico Detectores en función del tipo de variación que detectan:detectores en función de la respuesta ante el fenómeno detectado. • Detectores estáticos: se activa cuando alcanza un valor prefijado durante un tiempo determinado. • Detectores velocimétricos: se activa cuando se produce un incremento en la velocidad de crecimiento del fenómeno medido. • Detectores diferenciales: se activa cuando la diferencia de valores entre distintos puntos del recinto sobrepasa cierto nivel durante un tiempo determinado. Características y elección de los detectores. Capacidad de respuesta, factores determinantes: • Sensibilidad: muy alta puede ser contra producente por las falsas alarmas. La forma de evitarlas es adaptando el tipo de detector a las perturbaciones de la zona. • Ubicación: engloba la densidad de detectores, su altura respecto al suelo y su situación relativa respecto las irregularidades del techo u otros elementos perturbadores. La influencia de estos factores en el tiempo de detección es muy grande. Elección, factores determinantes: • Velocidad de desarrollo del incendio probable. • Altura del recinto. • Temperatura ambiente. 369
• Existencia de corrientes de aire, y su velocidad. • Existencia de humo, polvo y aerosoles. • Existencia de radiaciones. Número y distribución, factores determinantes: • Tipo de detector. • Características del recinto. • Tipo de actividad desarrollada en el recinto.
CENTRAL DE CONTROL Y SEÑALIZACIÓN Funciones que deben llevar a cabo:
• Alimentación de energía a los detectores y demás componentes del sistema en corriente continua. • Recepción de las señales de alarma. • Señalización, indicación sobre el panel de control del origen de la señal. • Alarma: activación de la alarma óptica y acústica, tanto en la propia central como en la zona de origen. • Mando: activar otros medios de protección: A. Instalaciones fijas de extinción. B. Apertura de elementos de ventilación (exhutorios de humos). C. Corte de suministro de energía eléctrica. D. Parada de motores e instalaciones (aire acondicionado). E. Cierre de elementos compartimentadores (puertas, trampillas de conductos,...) • Vigilar el correcto funcionamiento del sistema, y señalizar cualquier avería.
370
FUENTE DE SUMINISTRO DEL SISTEMA DE DETECCIÓN DE INCENDIOS
Debe estar asegurada incluso en caso de avería. Al menos dos fuentes de alimentación diferentes: la principal y la de reserva. La de reserva (normalmente baterías) se conectará automáticamente cuando caiga la red principal. La fuente de alimentación de emergencia debe funcionar durante 72h como mínimo, transcurridas las cuales deberá quedar la suficiente capacidad para mantener alimentada la alarma durante un mínimo de 30 minutos.
ELEMENTOS DE UNIÓN (LINEAS)
Las líneas deben estar vigiladas. Una avería puede ser detectada y señalizada en la central. La cantidad de elementos que se pueden conectar tienen un límite. Lo normal son 25 elementos en una línea colectiva y 50 en una individual. La resistencia óhmica tiene un valor máximo del orden de 200 Ω. Esto limita su longitud. El material de las líneas es normal de iluminación o de telefonía, con las secciones adecuadas a la carga y un grado de protección en función del local.
OTROS COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN DE INCENDIOS. • Pulsadores manuales de alarma de incendio: se colocan de tal forma que la distancia máxima a recorrer hasta cada pulsador no sobrepase los 25 metros. Dispondrán de un “led” que se ilumina cuando es activado. En general, deberán fijarse a una altura del suelo entre 1,2 y 1,5 metros.
• Sistemas de comunicación de alarma: la señal será en todo caso audible, debiendo ser; además, visible cuando el nivel de ruido donde deba ser percibida supere los 60 dB. • Instalacion de megafonía: La instalación de alerta podrá ser sustituida por la de megafonía cuando esta exista y cumpla los requisitos establecidos.
371
INSTALACIONES FIJAS DE EXTINCIÓN DE INCENDIOS
Se denomina así al conjunto de elementos que forman una instalación cuya misión es la de activar los medios de extinción o también el conjunto de elementos que forman una instalación de detección, alarma y extinción. Normalmente están conectadas a una central de control y su accionamiento puede ser manual ó automático (este estará dotado secundariamente de un accionamiento manual). PRINCIPALES COMPONENTES • • • •
Una o más reservas de agente extintor. Conductos de alimentación y distribución. Boquillas de descarga o toberas (con o sin elementos sensibles). Sistemas de control automático y alarma.
Su funcionamiento, excepto en el caso de los “sprinklers”, estará asociado siempre a un sistema de detección. INSTALACIONES SEGÚN AGENTE EXTINTOR El Reglamento de Instalaciones de Protección Contra Incendios, en función del agente extintor empleado, clasifica los siguientes sistemas: • • • • • • •
Sistema de Rociadores de Agua (Sprinklers) Sistema de Agua Pulverizada. Sistema de Espuma Física. Sistema de Polvo Químico. Sistema de Agentes Gaseosos (CO2) Sistema de Agentes Limpios (sustitutos de los hidrocarburos halogenados, agentes inertes) Sistema de Agua Nebulizada (Atomizada)
Vamos a ver a continuación cada uno de ellos con mas detalle.
SISTEMAS DE EXTINCIÓN POR ROCIADORES AUTOMÁTICOS DE AGUA (SPRINKLERS) Engloban las tres etapas contra el fuego: detección, alarma y extinción. Está conectada a una o más fuentes de abastecimiento. Su apertura es individual y cada sprinkler cubre un área aproximada de 916 m2. El caudal es en función del tamaño del orificio de descarga y de la presión, determinado en 372
función del riesgo (ligero-ordinario-alto-extra). Para zonas donde en invierno sea posible que se alcancen temperaturas bajas, se emplea el sistema mixto o seco.
Partes del sprinkler • Deflector: de latón, es el elemento sobre el que choca la descarga y se disgrega en gotas. Cuenta con unos dientes que determinan la forma y tamaño de la gota. • Cuerpo tubular: de latón o bronce, formado por la rosca de unión a la tubería, orificio de descarga, los brazos para la sujeción del dispositivo de disparo y el deflector. • Dispositivo de apertura: se rompe con el calor liberando el disco de cierre o caperuza de la válvula. • Elemento termosensible: puede estar formado por: o Componente termosensible: placa soldada que hace la función de tapón, realizada a partir de metales con bajo punto defusión como el bismuto, plomo, estaño, cadmio, plata, antimonio. Tarado según UNE-EN 12259 entre 57 y 343ºC (hasta257ºC según las normas NFPA). o Ampolla de vidrio: contiene un líquido con un elevado coeficiente de dilatación (alcohol, cetona) existiendo una burbuja de aire, de forma que al expandirse el líquido por el calor, absorbe la burbuja de aire, lo cual conlleva un aumento de presión en el interior del bulbo, rompiéndose.
Clasificación de los rociadores Según el tipo de deflector y descarga: 373
• Convencional: es un modelo antiguo para ser instalado montante o colgante. Descarga de tipo esférico, que distribuye el 30% hacia arriba y el 60% hacia abajo. Dirigiéndose hacia la cubierta, y luego cayendo en forma de gotas de gran tamaño por lo que su distribución y volumen son más irregulares que en otros rociadores. • Pulverizador: casi toda la descarga se dirige hacia el suelo. El tamaño de la gota es más regular. • Gota gorda: para locales cuya previsión del desarrollo del incendio sea con gran desprendimiento de calor. Gotas gruesas para aumentar la capacidad de penetración en las fuertes corrientes de convección. • De pared: para producir una descarga lateral semiparabólica. Están próximos a muros o paredes, de manera que una pequeña porción de la descarga incide sobre ellas. El deflector curvo distribuye agua con patrón de descarga ¼ de esfera. Según su ubicación: • Montante: (rociador pulverizador), se monta sobre la tubería, de manera que el agua sale hacia arriba, golpea el deflector y se desvía hacia abajo. Es el más utilizado en la protección de locales industriales o públicos en los que no existen falsos techos. • Colgante: (rociador pulverizador), se monta con deflector hacia abajo o debajo del ramal de distribución. La boquilla dirige el chorro de agua hacia abajo. Empleado para la protección de locales industriales o públicos en los que si existe falso techo. • Horizontal: (rociador), posición exclusiva en rociadores de pared. Otros: • Semiempotrado: se instala parcialmente por encima del plano inferior del techo pero con el elemento termosensible por debajo del mismo. • Empotrado: todo o parte del elemento termosensible está por encima del plano inferior del techo. • Oculto: empotrado totalmente con una placa que lo cubre y que desprende por acción del calor. El resto del sistema esta constituido por el sistema de tuberías (presurizadas con agua o aire), el grupo de presión y la válvula de control.
374
Tipos de sistemas de red de tuberías. • Tubería húmeda: constantemente bajo presión de agua. Representa el 75% de las instalaciones. No se usa cuando existe peligro de heladas. • Tubería seca: el agua solo llega hasta la válvula de control, estando presurizadas de aire o nitrógeno de tal modo que oprime la válvula de control cerrando el paso de agua al sistema. Al abrirse un rociador, el aire se escapa permitiendo la apertura de la válvula. Utilizado cuando hay peligro de heladas. • Acción previa: combina rociadores automáticos con detección automática de incendios supletoria. En las tuberías hay aire o gas comprimido a baja presión con motivo de detectar fugas. Si el sistema de detección supletorio indica la existencia de fuego se abre la válvula para que la tubería quede inundada de agua antes de que el primer rociador entre en funcionamiento. La válvula principal se acciona de forma manual, in situ o remota.
375
Sistema de tubería húmeda
SISTEMAS FIJOS DE AGUA PULVERIZADA Para proteger riesgo o equipos específicos. Aunque presentan similitudes con los sprinklers las diferencias son: • • • •
La detección: es independiente y llevada a cabo por una instalación de detectores. El accionamiento: puede ser manual o por la central de control. Las tuberías están vacías y sin presurizar. Constituyen un sistema de “diluvio”: las boquillas quedan desprovistas de elementos termosensible, por lo tanto, la válvula de control provoca la descarga de agua simultáneamente por todas las boquillas.
376
Ventajas sobre los sprinklers: • Detección más perfecta. • Utilización en fuegos con electricidad, especialmente en transformadores a la intemperie. • Posibilidad de refrigeración y limpieza de riesgos exteriores en cualquier momento, ya que todas pueden accionarlo manualmente. INSTALACIONES FIJAS DE ESPUMA Utilizada para la protección de depósitos de líquidos inflamables y para extinción de fuegos tridimensionales mediante inundación total. Equipamiento básico Un depósito de agua, una reserva de espumógeno, elementos dosificadores y los generadores de espuma. El sistema de detección y accionamiento es independiente. Aplicaciones • Rociadores de espuma : similares a los de agua pero con un venturi para aspiración de aire. Normalmente son boquillas de tipo abierto. Generan espumas de baja expansión. • Cámaras y vertederas: para la aplicación de espumas de baja expansión sobre la superficie del combustible contenido en tanques. Cabe la posibilidad de inyección subsuperficial por la base del depósito. Estos sistemas utilizan espumógenos especiales que no se contaminan por el combustible, principalmente de tipo fluoroproteínico. • Generadores de espuma de media y alta expansión: suelen actuar por inundación total. Similares a los generadores de alta móviles pero la mezcla espumante no se forma en el propio generador sino en la estación de bombeo.
SISTEMA DE ESPUMA CON AIRE COMPRIMIDO CAF La espuma con aire comprimido se consigue al inyectar aire a presión en el flujo de una solución de espumante. Este sistema de extinción es un generador de espuma de alta energía que produce burbujas uniformes de pequeño diámetro, fuertemente impulsadas en forma de chorro. Los sistemas de extinción CAF pueden proporcionar espuma infinitamente variable en el rango de consistencias y con creciente estabilidad. Caracteristicas:
377
• La gran presión con que se distribuye, combinado con la energía de las burbujas de espuma, permite la penetración efectiva del penacho de llamas, consiguiéndose así una rápida extinción. • Produce espuma uniforme de pequeñas burbujas, de gran energía. • Mejora el tiempo de degradación de la espuma y proporciona una mejor barrera combustiblevapor. Su excelente resistencia a la reignición aumenta el tiempo de protección después de la descarga. • Forma una manta de espuma que aísla la radiación: • La película CAF se mantiene largo tiempo sobre el combustible y se adhiere a las superficies verticales, proporcionando en ambos casos una buena barrera de protección térmica entre el fuego y el material combustible. • Mejora la visibilidad del área de fuego: • Al no formar apenas vapor de agua durante la extinción, se asegura una buena visibilidad en la zona. • Se reduce significativamente la cantidad necesaria de agua y espumógeno (entre un 0,3 y 0´5% es suficiente para hacer espuma).
INSTALACIONES FIJAS DE POLVO QUÍMICO SECO Excelente agente extintor, menos empleado por la dificultad de conseguir una correcta vehiculización y una descarga uniforme. La instalación debe limitar la existencia de codos y en caso de uno o más circuitos derivados debe procurarse que sean idénticos, consiguiendo que el sistema quede balanceado. Sus aplicaciones son limitadas (tanques de disolventes y cabinas de pintura). Constan de un depósito a presión atmosférica donde se almacena el polvo, con una presión máxima de trabajo de 25 bar, y dotados de una boca de entrada de gas presurizador, una boca de salida del polvo presurizado, y una válvula de seguridad. Como gas impulsor se emplea generalmente nitrógeno seco ó CO2. El sistema de descarga funciona por inundación total o de aplicación local. Si se trata de un sistema de inundación total, y el recinto es accesible a las personas, es necesario instalar una alarma de 378
evacuación y un retardo para la descarga, o incluso un sistema de bloqueo cuando el recinto esté ocupado. Pueden ser accionados manual o automáticamente. En cualquier caso deben disponer de un mando manual de emergencia.
SISTEMAS DE EXTINCIÓN POR AGENTES EXTINTORES GASEOSOS Ofrecen una protección limpia frente incendios para la vida humana, los bienes y el medio ambiente. Equipamiento básico: • • • • •
Mecanismo de disparo. Equipos de control de funcionamiento eléctrico o neumático. Recipientes de gas a presión. Conductos para el agente extintor. Difusores de descarga.
Los mecanismos de disparo serán por medio de detectores de humo, elementos fusibles, termómetro de contacto o termostatos o disparo manual en lugar accesible. Solo serán utilizables cuando quede garantizada la seguridad o la evacuación del personal. El mecanismo de disparo incluirá un retardo en su acción y un sistema de prealarma de forma que permita la evacuación.
Instalaciones de CO2 De penetración rápida y eficaz. No genera residuos ni productos de descomposición. La inhalación de CO2, aun en bajas concentraciones, puede provocar asfixia. Sistemas de descarga: • Inundación total: hasta alcanzar concentraciones del 30-40%. Ello conlleva un desplazamiento del aire y una reducción del porcentaje de oxígeno al 12%. No se puede emplear para proteger áreas ocupadas, excepto en el caso de que se programe un retardo en su actuación y un sistema de alarma. • Aplicación local: enfocado sobre el elemento a proteger. 379
Instalaciones en función del almacenamiento del CO2: • Sistemas de alta presión: se almacena en cilindros o botellas de 50 Kg. a una presión de 60 bar. Es el tipo más empleado, más económico que el de baja presión, sí bien, puede producir una descarga menos uniforme ya que entraña cierto riesgo de congelación de la tubería, con la consiguiente obstrucción. • Sistemas de baja presión: se almacena en grandes contenedores refrigerados a unos 23 Kg./cm2. para que pueda mantenerse a esta presión la temperatura del CO2 ha de mantenerse a -18ºC.. Este sistema solo es económico cuando la cantidad almacenada es > 2500 Kg.
Los dos sistemas pueden funcionar por control automático o mando manual y en cualquier caso están provistos de un mando manual de emergencia. Este último debe asegurar la descarga del sistema, bajo cualquier condición, incluso sin abastecimiento energético. La descarga del dióxido de carbono puede originar cargas eléctricas estáticas; siendo peligroso en zonas explosivas, por lo que todos los elementos en contacto con el agente extintor, incluidas las boquillas, deben ser metálicos. El sistema debe estar puesto a tierra de forma conveniente. Instalaciones de Halón (En desuso) Hasta hace unos años se utilizaba Halón 1301 por su baja toxicidad. Apaga inmediatamente toda llama y el fuego superficial. Aunque su presión de vapor (14 bar) es muy superior al del Halón 1211, no basta para dar el caudal necesario, por lo que se sobrepresurizan las botellas con nitrógeno a presiones de 24 ó 41 bar. La descarga puede ser automática o manual. Su concentración mínima es del 5% del volumen del local, niveles que no son tóxicos para la exposición humana, con lo que no es necesario programar un retardo. Esta concentración no permite extinguir fuegos profundos (si bien apaga las llamas y anulan la propagación), salvo que se mantenga una concentración elevada durante mucho tiempo. Esto no se hace porque las brasas descomponen parte del halón generando gases tóxicos y corrosivos. 380
La concentración máxima admisible por las personas en locales ocupados de Halón 1301 es del 10%, y debe evacuarse el local en 1 min. como máximo. En locales no destinados a la presencia de personas, la concentración máxima es el 15%. No producen efectos perceptibles, a concentraciones del 7% de Halón 1301 y del 2-3% de Halón 1211. Se producen mareos, hormigueo en extremidades y síntomas de ligera anestesia, a concentraciones del 7-10% de Halón 1301 y del 3-4% de Halón 1211. Se acentúa el mareo, se siente perdida de conocimiento (pero sin perderlo) y se reduce la destreza física y mental, a concentraciones > 10% de Halón 1301 y > 4-5% de Halón 1211. En personas expuestas a un 7% de Halón 1301 durante períodos de hasta 30 minutos, los efectos aparecen en los primeros 5 a 10 minutos, permaneciendo invariables durante el resto de la exposición y desapareciendo rápidamente, una vez finalizada la exposición. Sistema de descarga: • Inundación total: recinto cerrado con pocas o ninguna apertura. Se utiliza Halón 1301 por su menor toxicidad y mayor volatilidad. • Aplicación local: cuando no está dentro de un recinto cerrado o es demasiado grande para inundarlo. Se utiliza Halón 1211 por su menor volatilidad y, por tanto, mayor alcance y direccionalidad. Ventajas frente a los de CO2: • Pueden emplear sistemas modulares por esferas (botellas con un difusor a la salida), que evitan las canalizaciones. • No existen problemas graves de toxicidad o asfixia. • No precisan un tiempo de retardo en su actuación. • Menor volumen de agente extintor, peso más reducido y mejor acción extintora. Inconvenientes: • Para grandes volúmenes se precisa una cantidad de Halón que hace su precio prohibitivo. • Puede generar gases tóxicos si no se consigue extinguir totalmente el incendio. • Daña la capa de ozono. INSTALACIONES DE AGENTES GASEOSOS LIMPIOS Existen dos grandes grupos de agentes extintores gaseosos sustitutos de los halones: los gases inertes y los halogenados.
381
Conceptos básicos • NOAEL- Nivel de Efectos Adversos no Observables: concentración máxima a la cual no se han observado ningún efecto adverso de carácter fisiológico o toxicológico (nivel sin efectos). • LOAEL- Nivel Mínimo de Efectos Adversos Observables: concentración mínima a la cual se ha observado un efecto adverso de carácter fisiológico o toxicológico (nivel de bajo efecto). Estos dos parámetros miden el potencial tóxico de estos productos mediante el análisis de su cardiotoxicidad. Los requisitos para utilización en áreas ocupadas son: • Concentración de diseño menor o igual al NOAEL. • Concentración de oxígeno mínima: o Agentes químicos 16%. o Gases inertes 12%. En caso de incumplir alguna de estas dos condiciones será necesario disponer de retardo para la descarga.
Gases Inertes. Contienen como componente primario uno o más de los siguientes gases: Helio, Neón, Argón o Nitrógeno. Pueden contener CO2 como componente secundario. Sus características principales son: • Son básicamente de inundación total. • Se almacenan comprimidos en lugar de licuados como el CO2 o los Halones. Por ello requieren mayor tamaño. • Por la misma razón, el tiempo de descarga del gas es muy superior que el CO2. • La presión de almacenamiento es entre 150 y 300 bar. Las altas presiones suponen una exigencia para las tuberías. • La densidad del agente extintor es muy similar a la del aire, lo que elimina prácticamente la probabilidad de estratificación y el peligro de formación de atmósferas asfixiantes. • Pueden utilizarse para inundación de recintos ocupados, siempre que la concentración del agente no sea superior al 43%, (lo cual corresponde a una concentración de oxígeno del 12%) si el espacio está normalmente ocupado y se disponen de los medios necesarios para que el tiempo de exposición no supere los 5 min.. En el caso de áreas desocupadas la concentración de agente extintor podrá ser mayor.
382
• Una atmósfera con un contenido del 10 al 12% de oxígeno, sin la presencia de otros gases tóxicos es respirable por períodos cortos por personal sano, lo que hace viable la utilización de estos agentes en áreas normalmente ocupadas. IG-01 (ARGOTEC, ARGONFIRE) Es argón, gas inerte, químicamente neutro, no conductor ni corrosivo, incoloro, inodoro e insípido. Extingue por reducción de oxígeno y su concentración debe ser sobre el 40%. La mayoría de los incendios necesitan una concentración de oxígeno de 14-16% para mantener la combustión. El argón reduce esta concentración hasta el 12% lo cual es suficiente para extinguir. Es seguro para su uso en áreas ocupadas. Durante la descarga se mantiene una buena visibilidad y la mayoría de los incendios se extinguen en menos de 45 segundos. Se aplica para proteger salas de ordenadores, archivos de cintas informáticas, equipos de centrales telefónicas, instalaciones eléctricas, electrónicas, museos. Estando especialmente indicado para grandes volúmenes. IG-55 (ARGONITE) Mezcla equitativa de nitrógeno y argón. No deja residuo, es no conductor, no corrosivo, no tóxico y no produce productos de combustión secundarios. Cuando se inicia un fuego se inyecta rápidamente reduciendo la concentración de oxígeno del 21% normal a un nivel entre 11% y 13%, para lo que se emplea una concentración extintora del 36-40%, siendo la concentración de diseño del 43%. Se aplica en salas de control, informática, archivos, armarios eléctricos y equipos de telecomunicaciones. IG-541 (INERGEN) Compuesto por un 52% de nitrógeno, un 40% de argón y un 8% de CO2. Apaga el fuego por desplazamiento de oxígeno, siendo su concentración extintora entre el 40 y 80%. El tiempo de descarga es de 60 a 90 segundos.
383
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 CO2. Si la concentración de O2 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. Su concentración de extinción es 40% y su concentración de diseño 43%. Se aplica en riesgos eléctro-electrónicos, locales para mezclas líquidos inflamables, bibliotecas, archivos y museos. AGENTE IG-01 IG-55 IG-541
NOAEL % (nivel sin efectos) 12% min de O2 43% 43% 43%
LOAEL % (nivel de bajo efecto) 10% de O2 52% 52% 52%
Desventajas de los agentes inertes: • • • •
Requieren un volumen de almacenamiento de o 8 a 10 veces superior a los de Halón 1301. Los recintos protegidos deben disponer de una mínima área de venteo. Su precio es sensiblemente superior al Halón 1301. El CO2, no es propiamente tóxico paro en concentraciones superiores al 6% produce efectos adversos para la salud.
Gases Halogenados o Halocarbonados. Compuestos químicos orgánicos que contienen átomos de Cl, F o I, solos o en combinación. Su denominación es: • Sistemas NAF: hidroclorofluorocarbonos (HCFC). • Sistemas FE y FM: hidrofluorocarbonos (HFC). • Sistemas CEA: perfluorocarbonos (FC). Características: • Tienen un ODP (poder de destrucción del ozono), casi nulo. 384
• • • • • • • •
No son conductores de la electricidad. Son “agentes limpios” Son gases licuables bajo su presión de vapor. Se pueden almacenar para su utilización en forma similar al Halón 1301. Con excepción del FE-13, se sobrepresurizan con nitrógeno para su descarga. Los mecanismos de extinción son de naturaleza predominantemente física. Son menos eficaces que el Halón 1301. Producen cantidades de productos térmicos de descomposición mucho mayores que el Halón 1301. • Más caros que el Halón 1301. • El tiempo de descarga para inundación total es inferior a 10 segundos.
HTC-227ea (FM-200). Extingue rápidamente (por inundación total). Su concentración extintora es entre 5 y 7,1% (concentración de extinción 5,8%, concentración de diseño 7%). Su mecanismo de extinción es por absorción de calor. Es seguro para las personas porque no sólo extingue el fuego sin reducir la cantidad de oxígeno, sino que no resulta tóxico en las concentraciones específicas de utilización. Su tiempo máximo de exposición segur es de 5 min. a la concentración de 10,5%. El NOAEL es del 9% y el LOAEL del 10,5%. No es conductor de electricidad. Su poder de destrucción del ozono es casi nulo, de efecto invernadero extremadamente bajo y una vida atmosférica muy limitada (31 años). Es apto para fuegos de clase A y B. Se aplica en centros de elaboración o archivo de datos, telecomunicación, medios de trasporte, estaciones de radio/radar, torres de control. HFC-23 (FE-13) Extingue por absorción del calor (por inundación total) y en menor medida por eliminación de radicales libres. Utilizando una concentración entre el 12 y 16% (concentración de diseño 15,1%). Debido a su presión de vapor natural de 41 bar a 20ºC, no se presuriza. 385
Es totalmente seguro en zonas ocupadas. El NOAEL es del 30%. No deja residuos, no es conductor y su potencial de destrucción de ozono es nulo. Se aplica en salas de ordenadores, archivos y equipos electrónicos. Especialmente útil para zonas de almacenamiento a bajas temperaturas (hasta -40ºc) y locales con techos de hasta 7,5 metros o más. HCFC Mezcla A (NAF S-III) Extingue por absorción de calor (por inundación total) y también químicamente como el Halón 1301. Compuesto por una mezcla de hidrocarburos halogenados y un aditivo detoxificante (reduce la cantidad de producto de descomposición que se forma con la llama). Es incoloro, no conductor y tiene una densidad unas 6 veces mayor que la del aire. Es un agente “drop-in” respecto al Halón 1301, es decir, su empleo en los sistemas anti-incendio existentes proyectados para Halón 1301 no requieren modificaciones sustanciales. Los fuegos de clase B requieren una concentración del 12% y los de clase A del 10%(concentración de diseño 12%) Los niveles de toxicidad permiten su uso en áreas normalmente ocupadas. El NOAEL es 12%. El impacto medioambiental es muy bajo, pero el ODP (potencial reducción ozono) no llega a ser cero. Se aplica en fuegos de clase A y B, salas de ordenadores, telecomunicaciones. HCFC Mezcla (NAF P-III) Reemplaza al Halón 1211. Es un agente limpio aplicable a extintores portátiles y en las aplicaciones locales. Compuesto por una mezcla de hidrocarburos halogenados y un aditivo detoxificante que reduce la cantidad de productos de descomposición que se forman en presencia de la llama. No supone un riesgo para las personas por si mismo, aunque los productos de descomposición pueden suponer riesgo. Por ello incorpora aditivo detoxificante que reduce los humos ácidos tóxicos). Efectivo para fuegos de clase A, B y C. Se aplica en salas informáticas, de control, laboratorios químicos y científicos (gracias a su baja toxicidad), vehículos militares, compartimentos de carga y pasajeros en aviones, almacenamiento de líquidos inflamables, protección de obras de arte. SISTEMAS FIJOS DE EXTINCIÓN POR AGUA NEBULIZADA (ATOMIZADA). Conocidos como “water mist o aquafog”. Son una alternativa eficaz a los de Halón y a los agentes limpios. Consiste en emplear el agua en forma de fino spray, tanto que el agua no moja, sino que aumenta la humedad ambiental. Emplean presiones de trabajo de hasta 200 bar. Las normas de la NFPA establecen que el grado de pulverización debe ser un 99% del volumen de agua descargada con un tamaño de gota inferior a 1mm, pero normalmente es 386
inferior a 0,2mm. Las partículas de agua nebulizada se esparcen a alta velocidad (la cual compensa su pequeña masa) y penetran en los extremos de las llamas, impidiendo que se expanda, reduciendo el tamaño de la llama y, por fin extinguiendo.
Basa su principio de extinción y control en tres acciones: • Enfriamiento: las partículas de agua se evaporan rápidamente, sustrayendo gran cantidad de calor. • Inertización: el vapor acuoso producido, se comporta como un gas inerte. • Separación y escudo: las partículas reducen la irradiación de calor evitando que materiales próximos a las llamas alcancen su temperatura de ignición. Permite crear barreras contra el fuego. No son necesarios los recintos cerrados. Normalmente, ni si quiera es necesario un periodo de aviso antes de su activación para proteger a las personas. Equipamiento básico: • • • • • • • • •
Fuente de suministro de agua-depósito. Cilindros de nitrógeno. Válvulas de montaje. Tuberías. Boquillas. Panel de control. Panel de control de presión. Válvulas solenoides para control de paso de agua y aire. Actuador que opere la válvula del cilindro automática, manual o remotamente.
Clasificación según la presión de descarga: • Alta: ≥ 35,4 bar • Media > 12,1 bar y < 35,4 bar 387
• Baja < 12,1 bar Opciones de diseño • Alta presión (sistema habitual): compuesto por unas botellas de agua y nitrógeno que las presuriza a 200 bar, tuberías de distribución y boquillas atomizadoras. • Bomba de alta presión y una bomba jockey para mantener un presión constante (15-20 bar). Al margen de ello, nos podemos encontrar: • Sistema de fluido único: requiere una red de tubería para transportar el agente extintor a las boquillas. • Sistema de doble fluido: necesita dos redes de tubería que lleguen hasta cada boquilla. Una conduce el agente extintor y la otra el agente atomizador.
Los sistemas de agua nebulizada se utilizan en la protección de buques civiles y militares, salas de máquinas, salas de generadores y turbinas, centros de procesos de datos, archivos y riesgos de trasporte público subterráneo.
MANTENIMIENTO
El aun vigente Reglamento de Instalaciones de Protección Contra Incendios aun en vigor (RD 1942/1993) hasta la entrada en vigor del nuevo RIPCI (aun pendiente de publicación) regula las condiciones de mantenimiento de los sistemas de detección, alarma y extinción automática de incendios:
388
SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE DETECCIÓN Y ALARMA DE INCENDIOS Cada tres meses - Comprobación de funcionamiento de (por el titular) las instalaciones - Sustitución de pilotos y fusibles defectuosos. - Mantenimiento de acumuladores. Cada año (por el instalador, fabricante)
mantenedor, - Verificación integral de la instalación. Limpieza del equipo de controles y accesorios. - Verificación de uniones. - Limpieza y reglajes de relés. Regulación de tensiones e intensidades. -Verificación de los equipos de transmisión de alarma. - Prueba final de la instalación.
SISTEMAS MANUALES DE ALARMA DE INCENDIOS Cada tres meses
- Comprobación del funcionamiento de la instalación. - Mantenimiento de acumuladores.
(por el titular) Cada año (por el instalador, fabricante)
mantenedor, - Verificación integral de la instalación. Limpieza de sus componentes. Verificación de uniones. - Prueba final de la instalación.
SISTEMAS FIJOS DE EXTINCIÓN Cada tres meses (por el titular)
- Comprobar que las boquillas están en buen estado. - Comprobación del buen estado de los componentes del sistema. - Comprobación del estado de la carga de la instalación. - Comprobación de los circuitos de señalización. - Limpieza general de todos los componentes. 389
Cada año (por el instalador, fabricante)
mantenedor, - Comprobación integral. - Verificación de los componentes. - Comprobación de la carga del agente extintor. Comprobación del estado del agente extintor. - Prueba de la instalación.
DOTACION
Como hemos visto anteriormente el Código Técnico de la Edificación, regula las condiciones minimas de dotación de instalaciones de protección contra incendios, de los diferentes edificios, según su uso y superficie construida. Vamos a ver a continuación, los mínimos establecidos para sistemas de detección, alarma y extinción de incendios automática. EN GENERAL • Instalación Automática de Extincion: o Salvo otra indicación en relación con el uso, en todo edificio cuya altura de evacuación exceda de 80 m. o 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 o En centros de transformación cuyos aparatos tengan aislamiento dieléctrico con punto de inflamación menor que 300 ºC y potencia instalada mayor que 1 000 kVA en cada aparato o mayor que 4 000 kVA en el conjunto de los aparatos. Si el centro está integrado en un edificio de uso Pública Concurrencia y tiene acceso desde el interior del edificio, dichas potencias son 630 kVA y 2 520 kVA respectivamente. RESIDENCIAL VIVIENDA • Sistema de deteccion y alarma: o Si la altura de evacuación excede de 50 m. ADMINISTRATIVO • Sistema de alarma: o Si la superficie construida excede de 1.000 m2. • Sistema de detección de incendio: o Si la superficie construida excede de 2.000 m2, detectores en zonas de riesgo alto. Si excede de 5.000 m2, en todo el edificio. 390
RESIDENCIAL PUBLICO • Sistema de detección y de alarma de incendio o Si la superficie construida excede de 500 m2. • Instalación automática de extinción o Si la altura de evacuación excede de 28 m o la superficie construida del establecimiento excede de 5 000 m2. HOSPITALARIO • Sistema de detección y de alarma de incendio: o En todo caso. El sistema dispondrá de detectores y de pulsadores manuales y debe permitir la transmisión de alarmas locales, de alarma general y de instrucciones verbales. Si el edificio dispone de más de 100 camas debe contar con comunicación telefónica directa con el servicio de bomberos. DOCENTE • Sistema de alarma: o Si la superficie construida excede de 1.000 m2. • Sistema de detección de incendio: o Si la superficie construida excede de 2.000 m2, detectores en zonas de riesgo alto. Si excede de 5.000 m2, en todo el edificio. COMERCIAL • Sistema de alarma: o Si la superficie construida excede de 1.000 m2. • Sistema de detección de incendio o Si la superficie construida excede de 2.000 m2. • Instalación automática de extinción: o Si la superficie total construida excede de 1.500 m², en las áreas públicas de ventas en las que la densidad de carga de fuego ponderada y corregida aportada por los productos comercializados sea mayor que 500 MJ/m² (aproximadamente 120 Mcal/m²) y en los recintos de riesgo especial medio y alto. PUBLICA CONCURRENCIA • Sistema de alarma: o Si la ocupación excede de 500 personas. El sistema debe ser apto para emitir mensajes por megafonía. • Sistema de detección de incendio o Si la superficie construida excede de 1000 m2
391
APARCAMIENTO • Sistema de detección de incendio: o En aparcamientos convencionales cuya superficie construida exceda de 500 m2. Los aparcamientos robotizados dispondrán de pulsadores de alarma en todo caso. • Instalación automática de extinción: o En todo aparcamiento robotizado.
BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA UNE-EN 671 de Bocas de Incendio Equipadas UNE-EN 14384 de Hidrantes de Columna UNE-EN 14339 de Hidrantes bajo Tierra UNE 23007 de Sistemas de detección y alarma de incendios UNE-EN 54 de Sistemas de detección y alarma de incendios DIRECTIVA 92/58/CEE DEL CONSEJO de 24 de junio de 1992. RD 1942/1993 de Reglamento de Instalaciones de Proteccion Contra Incendios RD 2267/2004 de Reglamento de Seguridad Contra Incendios en Establecimientos Industriales RD 314/2006 de Código Técnico de la Edificación MF0402_2 Control y Extinción de Incendios 392
EXTINTORES PORTATILES DE INCENDIOS. CLASIFICACION. PARTES. IDENTIFICACION Y MARCADO. EMPLAZAMIENTO Y SEÑALIZACION. MANTENIMIENTO. DOTACION EN EDIFICIOS. INSTRUCCIONES DE USO.
La norma UNE-EN 3-7 de “Extintores portátiles de incendios” (la cual veremos desarrollada en los anexos de este tema), define al extintor de la siguiente manera: “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.”
CLASIFICACION DE EXTINTORES
Podemos clasificar los extintores de diferentes maneras: • Según el peso del equipo, los extintores se clasifican en la forma siguiente: o Extintores portátiles: aquellos cuya masa total transportable es inferior o igual a 20 Kg. Antiguamente se definía una categoría denominada “Extintores Portátiles Dorsales” cuya carga podía ser hasta los 30 kg. Los requisitos de éstos extintores se regulan por la norma UNE-EN 3-7, la cual veremos desarrollada mas adelante. o Extintores móviles: aquellos que sobrepasan los 30 kg y están dotados de ruedas para su desplazamiento. Los requisitos de éstos extintores se regulan por la norma UNE-EN 1866, la cual veremos desarrollada mas adelante.
Según el sistema de presurización utilizado, anteriormente el derogado “Reglamento de Aparatos a presión” (aun derogado, nos podemos encontrar estas nomenclaturas en muchos sitios), definía también las siguientes clases: 393
• Extintores permanentemente presurizados: o Agente extintor gaseoso que proporciona su propia presión de impulsión (p.ej.: anhídrido carbónico). o Agente extintor en fase líquida y gaseosa cuya presión de impulsión se consigue mediante su propia tensión de vapor y nitrógeno propelente, añadido en el recipiente durante la fabricación del extintor (p.ej.: Halón 1211). o Agente extintor líquido o sólido pulvurulento, cuya presión de impulsión se consigue por nitrógeno o anhídrido carbónico propelente, añadido en el recipiente durante la fabricación del extintor. (p.ej.: Polvo químico). • Extintores cuya presurización se realiza en el momento de su empleo: o Agente extintor líquido o sólido pulvurulento, cuya presión de impulsión se consigue por un gas propelente, contenido en una botella o cartucho, que es aportado en el momento de la utilización del extintor. o Agente extintor líquido, cuya presión de impulsión se consigue por un gas producido por una reacción química que tiene lugar en el interior del recipiente. Segun el tipo de agente extintor que porta, la norma UNE-EN 3-7 establece los diferentes tipos de extintores: • Extintores a base de agua (incluidos los de espuma) o Agua a chorro o Agua pulverizada o Agua con aditivos o Espuma física o Espuma química • Extintores de polvo o Polvo químico seco (BC): a base de bicarbonatos o cloruros potásicos. Actua principalmente por inhibición, siendo no apto para la extinción de fuegos de clase A. o Polvo polivalente (ABC): a base de fosfato monoamónico, crea una capa que actua también por sofocación, siendo apto para fuegos de clase A también. o Polvos especiales para metales. (MET-L-X, PyroMET, NA-X, etc). Ya los estudiamos en el tema de agentes extintores. • Extintores de dióxido de carbono • Extintores de halón o Halon 1211 o Halon 1301 • Extintores de agente limpio (Sustitutos de los halones): FM 200, FE 227, CEA 614, NAFIII, Inergen , Argonite. Ya los estudiamos en el tema de agentes extintores.
394
Especificaciones técnicas de los diferentes extintores según se agente extintor: CARACTERISTICAS TIPO PRESURIZACION
POLVO Incorporada (N2) Adosada (CO2) 15 bar
PRESION TARADO VALVULA 18-20 bar SEGURIDAD PRESION DE 25 bar PRUEBA CARGA NOMINAL 1,2,3,4,6,9,12 kg GRADO LLENADO
-
TIEMPO DE DESCARGA ALCANCE
AGUA/ESPUMA CO2 Incorporada (N2) Propia Adosada (CO2) 8 bar 50-60 bar
HALON Incorporada (N2) 15 bar
12 bar
190-200 bar
18-20 bar
15 bar
250 bar
25 bar
2,3,6,9, litros
2 y 2,5
-
-
1,2,4,6 kg 1,12 kg/l (halon 1211) 1,61 kg/l (halon 1301)
6 a 15 segundos (Según carga) 3- 8 metros
8-12 metros
1-3 metros
5-6 metros
Según la eficacia para la extinción, la norma UNE-EN 3-7, clasifica los extintores según el hogar tipo que sean capaces de extinguir, identificado por un NÚMERO y una LETRA. El número hace referencia a la cantidad de combustible utilizada en el hogar y la letra a la clase de fuego. Veremos el proceso por el cual se establece la eficacia de un extintor para un determinado combustible en el anexo normativo que se incluye al final de este tema.
Veamos un ejemplo. Un extintor de eficacia 21A – 113B – C , significa: 21A El hogar tipo para fuegos de clase “A” (sólidos) que es capaz de extinguir tiene 21 capas transversales de vigas de madera, y mide 2,1 metros. 113B El hogar tipo para fuegos de clase “B” (líquidos inflamables), que es capaz de extinguir, tiene una capacidad de 113 litros (1/3 de agua + 2/3 de combustible). C Nos indica que es apto para fuegos de clase “C” (gases), ya que dentro de la clase C, la norma no establece diferentes eficacias ni hogares tipo, solo su aptitud.
395
PARTES DE UN EXTINTOR
Según la norma UNE-EN 3-7 un extintor portátil se compone de los siguientes elementos: a) Cuerpo b) Accesorios del cuerpo, que se fijan o roscan al mismo, e incluyen al menos lo siguiente: • • • •
Dispositivo/s de control Conjunto de la manguera Conjunto del cabezal, que también constituye el cierre principal Dispositivo de disparo
c) Agente Extintor
396
IDENTIFICACION Y MARCADO
La norma UNE-EN 3-7, establece las condiciones de identificación y marcado de los extintores conforme a lo siguiente: Color El color del cuerpo debe ser rojo RAL 3000. Los reglamentos nacionales pueden pedir que se utilice una zona de color, con una superficie de hasta el 10% de la superficie del cuerpo del extintor, para identificar el agente extintor. Marcado El marcado del extintor debe realizarse con color/es que contraste/n con el del fondo. El marcado se debe dividir en cinco partes que deben contener la siguiente información: Parte 1: Las palabras “EXTINTOR” o “EXTINTOR DE INCENDIOS” mas el agente. Parte 2: Modo de empleo con varios pictogramas al efecto. Parte 3: Información relativa a las limitaciones o peligros de uso (ej: limite eléctrico) Parte 4: Información sobre varios datos relativos a la verificación periódica, recarga obligatoria, temperaturas de uso, tipo de extintor, gas propulsor, etc. Parte 5: Fabricante y/o suministrador.
EMPLAZAMIENTO Y SEÑALIZACION
El emplazamiento del extintor permitirá que sea fácilmente visible y accesible. Estarán situados próximos a los sitios donde se estime mayor probabilidad de iniciarse el incendio, a ser posible, próximos a las salidas de evacuación. Serán colocados, preferiblemente sobre soportes fijados a parámetros verticales, a modo que la parte superior del extintor quede, como máximo, a 1,70 metros sobre el suelo. 397
Los medios de protección contra incendios deben señalizarse, especialmente si no son claramente visibles desde todos los puntos de la zona que protegen. Una razón que justifica la necesidad de hacerlo, incluso aunque sean claramente visibles, es que las señales permiten detectar con facilidad la falta de un extintor en la ubicación prevista. Las señales deben tener forma rectangular o cuadrada e incluir pictogramas blancos sobre fondo rojo (el rojo deberá cubrir como mínimo el 50% de la superficie de la señal). Nos podemos encontrar con las siguientes señales:
MANTENIMIENTO
El mantenimiento de extintores, se regula en profundidad en la Norma UNE 23.120. A continuación vamos a ver los aspectos mas relevantes de esta normativa.
DEFINICIONES
• Agente extintor: Sustancia que, contenida en el extintor de incendios, produce la extinción. • Botellín de gas: Recipiente a presión que está instalado en el interior o adosado al exterior del cuerpo del extintor y que contiene un gas impulsor que se emplea para impulsar el agente extintor al accionarse el aparato. 398
• Carga: La masa o volumen de agente extintor contenido en el extintor de incendios. La carga de los aparatos a base de agua se expresa en volumen (litros) y la de los restantes aparatos en masa (kilogramos). • Componentes del cuerpo: Aquellas partes del extintor que, bajo condiciones normales de trabajo, están permanentemente fijas a la pared del cuerpo y que están sometidas a la presión de trabajo. • Comprobar: Contrastar o cotejar con un patrón. • Cuerpo del extintor: Conjunto de elementos integrados por la pared y los componentes del extintor • Cuerpo desechable: El cuerpo de un botellín de gas o de un extintor (usualmente del tipo de presión permanente) que no está diseñado para la recarga. • Entidad mantenedora registrada: Entidad legalmente registrada por el Órgano Competente de la Administración para realizar todas las operaciones de mantenimiento descritas en esta norma: el fabricante cuando mantiene los extintores por él fabricados, el usuario registrado cuando mantiene los extintores de los que es titular y la empresa mantenedora registrada. • Extintor de incendios: Aparato que contiene un agente extintor que puede proyectarse mediante la acción de la presión interna y dirigirse al fuego. Esta presión puede ser permanente o generarse mediante la liberación de un gas auxiliar. • Extintor de agua con botellín de gas: Extintor del que el agua es descargada mediante la liberación de la presión de un botellín de gas. • Extintor de dióxido de carbono: Extintor que contiene dióxido de carbono (CO2) que se descarga al accionar el extintor. • Extintor de espuma (química): Extintor del que se proyecta espuma cuando se mezclan y reaccionan las soluciones químicas almacenadas por separado en el interior de su cuerpo • Extintor de espuma y/o a base de agua con botellín de gas: Extintor del que se expele espuma o un medio acuoso al descargarse la presión almacenada en un botellín de gas. • Extintor de espuma y a base de agua de presión permanente: Extintor del que se expele espuma o un medio acuoso al descargarse la presión almacenada en el interior de su cuerpo. • Extintor de halón: Extintor que contiene un hidrocarburo halogenado que se descarga cuando se libera la presión almacenada en el interior del cuerpo • Extintor de agua con presión permanente: Extintor del que el agua es descargada mediante la liberación de la presión almacenada en el interior de su cuerpo. • Extintor de polvo de presión permanente: Extintor del que se descarga polvo al liberarse la presión almacenada en el interior del cuerpo. • Extintor de polvo con botellín de gas exterior: Extintor del que se descarga polvo al liberarse la presión de un botellín de gas. • Extintor de polvo con presión interior sellado: Extintor de polvo con presión interior, en el que la cabeza del percutor y la válvula de control de la descarga del agente extintor se puede desprender del cuerpo del extintor, sin que se produzca una descarga de la presión o del agente extintor, dado que éstos se hallan retenidos en el cuerpo por un obturador que se perfora al activarlo. • Extintor móvil: Todo aquel que tenga una masa total, en condiciones de servicio, superior a 20 kg. • Extintor portátil: Todo aquel que esté diseñado para ser trasladado y operado manualmente, que tenga una masa total, en condiciones de servicio, inferior o igual a 20 kg. 399
• Extintor sellado: Aquel que tiene un dispositivo de cierre que sólo puede ser reinstalado por el fabricante una vez abierto el extintor. • Inspeccionar (revisar, examinar): Reconocer atentamente un extintor o componente • Mantenimiento: Es la combinación de todas las medidas de carácter técnico y administrativo, incluyendo las acciones de inspección, revisión, reparación, recarga y pruebas hidráulicas destinadas a conservar un aparato, o a reponerlo al estado de funcionamiento original. • Pared del cuerpo (envase): La envoltura externa del extintor que se somete a presión y contiene una abertura o aberturas para la carga o para el montaje posterior de componentes tales como válvulas, indicadores de presión y cierres. • Taller de mantenimiento (centro de revisión): Instalaciones, fijas o móviles, de la entidad mantenedora registrada • Usuario(s): Persona(s) responsable(s) de realizar o de que se realicen, según proceda, las verificaciones rutinarias, y de velar por que se realice el mantenimiento de los extintores de incendios. • Usuario registrado: Usuario que se ha registrado ante la administración competente para realizar el mantenimiento de los extintores de los que es titular. • Verificar: Comprobar la veracidad de un dato o característica declarada.
PRUEBAS DE PRESION
El objeto de la prueba hidrostática o retimbrado de los extintores sometidos a presiones internas es evitar que sucedan fallos inesperados mientras están en servicio. Tales fallos pueden ser: • Corrosión interna causada por humedad no detectada; • Corrosión externa causada por la humedad atmosférica o vapores corrosivos; • Daños causados por la manipulación descuidada (que pueden o no ser claramente observados por inspección visual); • Presurizaciones repetidas; • Montaje impreciso de las válvulas o discos de seguridad; • Exposición del extintor a temperaturas superiores a las normales. Como la vida útil del extintor es de 20 años cada extintor debe someterse a un máximo de cuatro pruebas de presión. No deben someterse a pruebas de presión los extintores que puedan estar incluidos dentro de uno o más de los criterios de rechazo
TÉCNICA DE ENSAYO
La técnica recomendada para el ensayo hidráulico es el método por expansión volumétrica de envoltura de agua. 400
No debe emplearse en ningún caso aire o gas para la prueba de presión, porque existe el riesgo de una ruptura violenta en el caso de que el cilindro se encuentre en mal estado. Los extintores se prueban a 1,43 Ps, con un valor mínimo de 20 bar. Para los extintores sin presión permanente, Ps es la presión que adquiere el extintor a la máxima temperatura de servicio, que se toma, como mínimo, a 60 ºC, cuando se manipula estando todos los orificios cerrados. Para los extintores permanentemente presurizados, Ps es la presión que adquiere el extintor a la máxima temperatura de servicio, que se toma como mínimo a 60 ºC. La presión de ensayo se debe mantener durante un mínimo 30 s y el recipiente no debe presentar fugas. Después del ensayo, el recipiente no debe presentar señales visibles de deformación permanente. Rechazo Debe inutilizarse y darse de baja a todo extintor que no supere la prueba de presión, no pudiéndose bajo ningún concepto realizar el mantenimiento o poner en uso el extintor si no se supera la prueba o una vez se hayan superado los 5 años desde la cuarta prueba de presión realizada sobre el aparato.
CERTIFICADO DE MANTENIMIENTO Y REGISTRO
La entidad mantenedora registrada encargada de realizar las operaciones de mantenimiento, debe expedir un certificado de mantenimiento, el cual se entregará al titular de los extintores, en el que consten la identificación de los extintores revisados, operación efectuada, piezas ó componentes sustituidos, así como cualquier observación que considere oportuna. El responsable de realizar el mantenimiento, ya sea la entidad mantenedora registrada o el usuario en los casos que corresponda, debe conservar durante al menos tres años la documentación justificativa actualizada de las operaciones de mantenimiento que realice, sus fechas de ejecución, resultados e incidencias, elementos sustituidos y cuanto se considere digno de mención para conocer el estado de operatividad del extintor.
VIDA ÚTIL DE UN EXTINTOR
La vida útil de un extintor o botellín de gas no debe exceder los 20 años. Dicha vida útil puede reducirse, si durante las operaciones de mantenimiento periódicas se producen circunstancias que así lo aconsejan 401
PERIODICIDAD DEL MANTENIMIENTO Y VIDA ÚTIL MÁXIMA PARA LOS EXTINTORES DE INCENDIOS Operación de
Mantenimiento trimestral
Periodicidad Todos los trimestres desde el 1er trimestre del año 0 al 3er trimestre del año 19
Mantenimiento anual
Todos los años desde al año 1 al 19
Pruebas de presión
A los 5, a los 10 y a los 15 años
Vida útil del extintor
20 años
Los plazos empiezan a contar a partir de la fecha de instalación del extintor pero ésta no debe sobrepasar un año de la fecha estampada por el fabricante en el cuerpo del recipiente.
OPERACIONES DE MANTENIMIENTO TRIMESTRAL
Descripción detallada de las operaciones de mantenimiento trimestral
1
Verificar que cada extintor está en el lugar que tiene asignado
2
Verificar que el extintor sea el adecuado al riesgo a proteger
3 4
Verificar que los extintores no tienen obstruido el acceso, son visibles o están señalizados y con las instrucciones de manejo situadas en la parte Verificar que tengan las instrucciones de manejo claramente legibles
5
Verificar que no presenten muestras aparentes de daños
6
Verificar que en los extintores con indicador de presión, éste se encuentra en la
7
Verificar visualmente, el estado externo de las partes mecánicas (boquillas,
8
Verificar que no estén rotos o falten los precintos o los tapones indicadores de
9
Verificar que no han sido descargados total o parcialmente
OPERACIONES DEL MANTENIMIENTO ANUAL
Extintores de presión permanente y extintores de dióxido de carbono Columna 1 − Extintores de presión permanente: agua, agua con aditivos y polvo. Columna 2 − Extintores de dióxido de carbono.
402
Descripción detallada de los procedimientos de mantenimiento. Extintores de presión permanente y extintores de dióxido de carbono Operación
1
2 Procedimiento operativo
1
Situación y adecuació n del extintor
X
X
Verificar que cada extintor está en el lugar que tiene asignado, que no tiene obstruido el acceso, que es visible o está señalizado y con las instrucciones de manejo situadas en la parte delantera. Verificar que el extintor sea el adecuado al riesgo a proteger
2
Verificación del elemento de seguridad (precinto)
X
X
Verificar la integridad del elemento de seguridad para determinar si el extintor ha sido utilizado o accionado
3
Verificación y control del indicador de presión y de la presión
-
Cuando esté instalado un indicador de presión, comprobarlo. Si no funciona correctamente o si la presión indicada queda fuera de los límites especificados, adoptar las medidas indicadas en las instrucciones dadas por el fabricante.
4
Examen exterior del extintor
X
Examinar el exterior del cuerpo del extintor y el conjunto de la válvula para detectar corrosión o abolladuras, grietas o daños que puedan menoscabar la seguridad en el uso del extintor.
5
Masa del extintor
X
Pesar el extintor de CO2 de acuerdo con las instrucciones del fabricante y verificar que la masa concuerda con la masa registrada cuando se puso en servicio por primera
X
X
Examinar la manguera y boquilla de descarga, comprobando que estén en condiciones de uso y asegurarse de que no están obstruidas, agrietadas o desgastadas y reemplazar las que estén dañadas
X
X
Verificar que las instrucciones de operación sean claramente legibles y correctas
6
7
Verificación de la manguera y boquilla de d Verificación de las instrucciones de uso
X
X
-
8
Apertura del extintor
X
X
Si durante las operaciones anteriores se constata que en el extintor concurren una o más de las circunstancias relacionadas en el anexo E se procederá a su apertura.
9
Cumplimenta ción de la etiqueta de mantenimient
X
X
Rellenar los detalles de la etiqueta de mantenimiento y servicio.
403
1 0
Registr oy Certific ado
X
X
Anotarlo en el registro correspondiente y emitir el certificado correspondiente
Extintores de presión adosada. (Extintores de polvo con botellín interior sellado, extintores con botellín de gas-agua y agua con espumógeno y extintores de polvo con botellín de gas exterior). Descripción detallada de los procedimientos de mantenimiento. Extintores de presión adosada Operación
Procedimiento operativo
1
Situación y adecuación del extintor
Verificar que cada extintor está en el lugar que tiene asignado, que no tiene obstruido el acceso, que es visible o está señalizado y con las instrucciones de manejo situadas en la parte delantera. Verificar que el extintor sea el adecuado al riesgo a proteger
2
Verificación del elemento de seguridad ( i t )
Verificar la integridad del elemento de seguridad para determinar si el extintor ha sido utilizado o accionado
Examen exterior del extintor
Examinar el exterior del cuerpo del extintor y el conjunto de la válvula para detectar corrosión o abolladuras, grietas o daños que puedan menoscabar la seguridad en el uso del extintor.
4
Masa del extintor
Pesar los botellines de gas de acuerdo con las instrucciones del fabricante y verificar que la masa concuerda con la masa registrada cuando se puso en servicio por primera vez.
5
Verificación de la manguera y boquilla de descarga
Examinar la manguera y boquilla de descarga, comprobando que estén en condiciones de uso y asegurarse de que no están obstruidas, agrietadas o desgastadas y reemplazar las que estén dañadas
6
Verificación de las instruccion es de uso
Verificar que las instrucciones de operación sean claramente legibles y correctas
3
404
7
Apertura del extintor
Si durante las operaciones anteriores se constata que en el extintor concurren una o más de las circunstancias relacionadas en el anexo E se procederá a su apertura.
8
Cumplimentación de la etiqueta de mantenimiento
Rellenar los detalles de la etiqueta de mantenimiento y servicio
9
Registro y certificado
Anotarlo en el registro correspondiente y emitir el certificado correspondiente
OPERACIONES DE APERTURA Y RECARGA DE LOS EXTINTORES Descripción detallada de las operaciones de apertura y recarga
1
Verificar el funcionamiento de los indicadores de presión, si existen, en los extintores de presión permanente en conformidad con las instrucciones del fabricante.
2
Comprobar que el extintor esta totalmente despresurizado, y proceder a la apertura del mismo.
3
Vaciar la carga original en un recipiente limpio, excepto los de CO2 y, si se va a volver a utilizar, comprobar su estado siguiendo las instrucciones del fabricante. En el caso de extintores de agua pulverizada, si el aditivo se encuentra en un envase separado, extraer dicho envase y comprobar la estanquidad del mismo. Si el envase ha tenido fugas, desechar el envase y la carga. Someter el cuerpo del extintor, si corresponde (véase el capítulo 7 y el anexo A), a la prueba de presión en conformidad con la presión de servicio indicada en el cuerpo. Los cuerpos en los que no figure la presión de servicio no deberá mantenerse y se desechan.
4
Las tapas y los conjuntos completos de manguera de descarga, si están equipadas con mecanismos de cierre, por ejemplo pistola, se someten a la prueba de presión correspondiente a la presión de prueba del cuerpo del extintor o a la presión a la que está regulada la válvula de seguridad. Deben sustituirse las partes defectuosas.
405
5
Examinar el polvo en el extintor y comprobar que no está apelmazado ni contiene grumos ni cuerpos extraños visibles. Agitar el polvo invirtiendo el extintor y sacudiéndolo, teniendo cuidado de no derramarlo. Si hay cualquier síntoma de formación de cortezas, grumos o cuerpos extraños, o si el polvo no fluye libremente o si existe cualquier duda, desechar todo el polvo. Desmontar completamente los componentes del extintor y reemplazar todos los defectuosos con componentes nuevos. Cuando los extintores estén construidos de forma tal que el mecanismo de descarga se pueda desmontar, desmontarlo y comprobar que el percutor y el mecanismo de control de descarga (si está instalado) se pueden accionar libremente. Limpiar, corregir o reemplazar si es necesario. Proteger las piezas móviles y las roscas de la corrosión con un lubricante siguiendo las recomendaciones dadas por el fabricante.
6
Limpiar los componentes si fuera necesario y hacer pasar un chorro de aire por las otras piezas, poniendo especial atención en los orificios de descarga de presión (o cualquier otro dispositivo de descarga de presión) del cierre. Cerciorarse de que la boquilla de la manguera, el filtro (si está instalado), el tubo interior de descarga y la válvula de seguridad (si están instalados) no estén obstruidos. Repararlos o cambiarlos si fuere necesario. Verificar que el percutor y el mecanismo de control de descarga (si está instalado) se pueden accionar libremente. Limpiar corregir o reemplazar si es necesario. Proteger las piezas móviles y las roscas de la corrosión con un lubricante siguiendo las recomendaciones dadas por el fabricante.
7
Debe verificarse o sustituirse la válvula de seguridad, si existe, siguiendo las instrucciones del fabricante.
8
Inspeccionar para detectar la corrosión, daños, abolladuras y fisuras en: − cabezas y válvulas − indicadores de presión − mangueras y boquillas de descarga.
9
Renovar todas las juntas siguiendo las instrucciones del fabricante. Si la manguera está equipada con diafragma, éste debe sustituirse también.
10
Montaje y puesta en condiciones de funcionamiento: volver a montar el extintor y recargarlo siguiendo las instrucciones del fabricante 406
11
Fijar un nuevo precinto y el dispositivo exterior acreditativo de su apertura
CRITERIOS DE RECHAZO
Por razones de tipo, construcción, sistema de funcionamiento o de exigencia legal, no se debe realizar el mantenimiento de los extintores siguientes: • • • • • • • • • • • • • • • •
• • • • • • •
Los extintores de espuma química; Los extintores de agua con presión por reacción química ácido-base; Los extintores remachados; Los extintores que deban invertirse para su activación; Los extintores que deban invertirse y golpearse contra el suelo para su activación; Los extintores para los que ya no existan en el mercado piezas originales o agentes extintores que garanticen el mantenimiento de las condiciones de fabricación; Los extintores retirados por los reglamentos nacionales, entre ellos los de volante; Los extintores con cuerpo desechable que no tengan fecha de caducidad o que la hayan sobrepasado; Los extintores que carezcan de la correspondiente placa de diseño o marcado ce y los que superen los 20 años desde su fabricación; Los extintores que carezcan de la etiqueta de modo de funcionamiento o ésta no sea claramente legible y características técnicas y de identificación; Los extintores de polvo de 4 o más kg que no hayan sido diseñados con manguera; Los extintores de presión incorporada que no dispongan de válvula de comprobación interna o indicador de presión autocomprobable; Los extintores de halón; Los extintores que no sean de color rojo normalizado, (excepto que exista reglamentación sectorial específica que indique otra posibilidad); Los extintores de eficacias inferiores a la normativa vigente. Además, se deben rechazar aquellos extintores que, a juicio de la entidad mantenedora registrada presenten defectos que pongan en duda el correcto funcionamiento y la seguridad del extintor. Un extintor puede considerarse inseguro para el uso si, en opinión de la entidad mantenedora registrada: Su estado entraña riesgo; Su uso pudiera ser peligroso; Su estado pudiera impedir su funcionamiento satisfactorio; Existan reparaciones por cualquier tipo de soldadura o con otros remiendos (consultar al fabricante); Las roscas del cilindro o recipiente estén dañadas; Exista corrosión que haya causado la picadura del cilindro, incluso debajo de la placa de identificación; El extintor haya sufrido los efectos de algún incendio; 407
• Los extintores de acero inoxidable hayan contenido un agente extintor a base de cloruro cálcico, o • Cuando su mantenimiento anterior hubiera sido realizado por una empresa no registrada o no se hubieran realizado • Los mantenimientos anuales anteriores; • Los extintores que no superen la prueba de presión o en cuya etiqueta o cuerpo no figure la presión de servicio y/o la presión de prueba. Lo anterior es aplicable a todo extintor o botellín de gas que presente una pérdida de contenido o una pérdida de presión que exceda de la recomendada por el fabricante. La entidad mantenedora registrada debe adoptar las medidas para eliminar cualquier riesgo. Si no se adopta ninguna medida inmediatamente para corregir el defecto, se debe informar por escrito al usuario, mediante un informe técnico, de cada extintor que requiera acciones de corrección.
MEDIOS TÉCNICOS MÍNIMOS EN ENTIDADES MANTENEDORAS DE EXTINTORES CONTRA INCENDIOS Taller, fijo o móvil, de recarga y mantenimiento, dotado como mínimo del siguiente equipamiento: • • •
• • •
•
•
Tolva de polvo para llenado de extintores de polvo; Báscula con fuerza mínima de hasta 150 kg; Instalación de aporte de agente propulsor admitidos en norma para presurización de extintores de polvo de presión incorporada, con manorreductores, manómetros y válvulas de regulación y seccionamiento; Instalación de aire comprimido; Máquina mecánica o neumática para la fijación de extintores a banco de trabajo; Instalación para pruebas de baja presión a extintores, con acoplamientos acondicionados a cada extintor a los que se realizan estas pruebas, dotada de una bomba capaz de aportar una presión hasta 50 kg/cm2; En el caso de realizar recargas de extintores de co2, bomba de transvase de co2, con manómetros indicadores de presión de entrada y salida de co2 y válvula de seguridad por sobrepresión. Así como, instalación fija para pruebas de alta presión a extintores, con acoplamientos acondicionados a cada extintor a los que se realizan estas pruebas, dotada de una bomba capaz de aportar una presión hasta 300 kg/cm2; Herramientas y equipos auxiliares que cumplan la normativa vigente en materia de seguridad laboral (llaves fijas, llaves inglesas, llaves especiales para la apertura y cierre de válvulas de extintor, etc.…).
408
TOLERANCIAS DE LLENADO Carga
Polvo
1 kg 2 kg 2l ≥3 kg ≥3 l
+-5% +-3% +-2% -
Agua, agua con aditivos y espuma
Dióxido de carbono
-
+0%, -5% +0%, -5%
+0%, -5% +0%, -5%
PLACAS O ETIQUETAS
La etiqueta de mantenimiento periódico, véase el capítulo 11, debe contener, como mínimo, los datos siguientes:
Nombre de la empresa mantenedora registrada: Dirección: Nº de autorización: Fecha de realización
Operación realizada
Fecha próximo
Placa de inspecciones periodicas El Real Decreto 2060/2008, por el que se aprueba el Reglamento de equipos a presión establece ciertas condiciones que deben tener los equipos a presión, entre ellos los extintores de incendios. Dicho reglamento, menciona textualmente:
409
“Placa de inspecciones periódicas de extintores y otros equipos. En el caso de extintores, tuberías y otros equipos móviles de las categorías I a IV previstas en el artículo 9 y anexo II del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, tras la realización de la primera inspección periódica del nivel B o C se colocará, en caso de que no exista, una placa por el agente que la realice.” Modelo de placa de inspecciones periódicas de extintores:
La placa podrá ser adhesiva y tendrá unas dimensiones de 70x35 mm En la cumplimentación de las placas se indicarán los datos siguientes:
410
DOTACION DE EXTINTORES EN EDIFICIOS
El Real Decreto. 314/2006, de Código Técnico de la Edificación, establece en su Documento Básico de Seguridad (DB-SI) Seccion 4 sobre Instalaciones de Protección Contra Incendios, la dotación mínima de extintores que deben cumplir, los diferentes edificios según su uso y peligrosidad. • En general (en todo edificio): Un extintor de eficacia mínima 21A -113B: o A 15 m de o recorrido en cada planta, como máximo, desde todo origen de evacuación. o En las zonas de riesgo especial • Edificios de Uso Hospitalario: En las zonas de riesgo especial alto cuya superficie construida exceda de 500 m², un extintor móvil de 25 kg de polvo o de CO2 por cada 2.500 m² de superficie o fracción. • Edificios de Uso Comercial: En toda agrupación de locales de riesgo especial medio y alto cuya superficie construida total excede de 1.000 m², extintores móviles de 50 kg de polvo, distribuidos a razón de un extintor por cada 1 000 m² de superficie que supere dicho límite o fracción.
411
USO DE EXTINTORES
El usuario de un extintor de incendios para conseguir una utilización del mismo mínima eficaz, teniendo en cuenta que su tiempo de descarga efectivo es aproximadamente de 6 a 15 segundos según tipo y capacidad del extintor, tendría que haber sido formado previamente sobre los conocimientos básicos del fuego y de forma completa y lo más práctica posible, sobre las instrucciones de funcionamiento, los peligros de utilización y las reglas concretas de uso de cada extintor. Como se ha visto anteriormente, en la etiqueta de cada extintor se especifica su modo de empleo y las precauciones a tomar. Pero se ha de resaltar que en el momento de la emergencia sería muy difícil asimilar todas las reglas prácticas de utilización del aparato. Dentro de las precauciones generales se debe tener en cuenta la posible toxicidad del agente extintor o de los productos que genera en contacto con el fuego. La posibilidad de quemaduras y daños en la piel por demasiada proximidad al fuego o por reacciones químicas peligrosas, 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. 1. Descolgar el extintor asiéndolo por la maneta o asa fija que disponga y dejarlo sobre el suelo en posición vertical. 2. En caso de que el extintor posea manguera asirla por la boquilla para evitar la salida incontrolada del agente extintor. En caso de que el extintor fuese de CO2 llevar cuidado especial de asir la boquilla por la parte aislada destinada para ello y no dirigirla hacia las personas. 3. Comprobar en caso de que exista válvula o disco de seguridad que están en posición sin peligro de proyección de fluido hacia el usuario. 4. Quitar el pasador de seguridad tirando de su anilla. 5. Acercarse al fuego dejando como mínimo un metro de distancia hasta él. En caso de espacios abiertos acercarse en la dirección del viento. 6. Apretar la maneta y, en caso de que exista, apretar la palanca de accionamiento de la boquilla. Realizar una pequeña descarga de comprobación de salida del agente extintor. 7. Dirigir el chorro a la base de las llamas. 8. En el caso de incendios de líquidos proyectar superficialmente el agente extintor efectuando un barrido horizontal y evitando que la propia presión de impulsión pueda provocar el derrame incontrolado del producto en combustión. Avanzar gradualmente desde los extremos.
412
413
REACCION Y RESISTENCIA AL FUEGO DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION Y ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS.
RESISTENCIA AL FUEGO
Para poder caracterizar adecuadamente las estructuras y elementos constructivos en cuanto a su resistencia y estabilidad en caso de estar inmersos en un incendio estas deben acreditar que no pierden sus capacidades durante un tiempo adecuado. Por tanto, todos los componentes que tienen una función estructural (vigas, pilares, forjados, cubiertas,…) o compartimentadora (tabiques, puertas, ventanas, sellados,…) deben estar convenientemente caracterizados en cuanto a su resistencia al fuego. En el primer caso, los elementos estructurales, deben mantener su capacidad portante durante un tiempo determinado, de manera que no se produzcan fallos de sustentación o flechas (deformaciones) excesivas. En el segundo caso, debe evitarse durante un tiempo determinado la propagación del incendio a través de dicho elemento, comprobándose la integridad y el aislamiento térmico suficiente. Para poder justificar este comportamiento, ya sea del material que sea, debe ser ensayado y caracterizado, de manera que quede contrastada su capacidades durante un incendio, es decir que no existe riesgo de colapso de la estructura o fallo en la compartimentación del edificio en sectores de incendios.
NORMATIVA REGULADORA
En función de la tipología del edificio, y su nivel de riesgo caracterizado por el tipo de uso, altura de evacuación y sentido de evacuación: ascendente o descendente, la normativa de aplicación, el Código Técnico de la Edificación y el Reglamento de Seguridad contra Incendios en Establecimientos Industriales, indica unos requisitos mínimos que deben cumplirse para garantizar una evacuación segura del edificio y una intervención de los servicios de emergencia en las mismas condiciones. ENSAYOS Y CURVA NORMALIZADA La resistencia al fuego de los elementos de construcción se define y evalúa mediante criterios normalizados, basados en las propiedades físicas de los elementos que están asociados a su resistencia al fuego.
414
La norma UNE EN 1363-1, UNE EN 1363-2 y UNE 1363-3, proporcionan las características que deben cumplir los ensayos para caracterizar en cuanto a resistencia al fuego de los elementos constructivos, así como las características del horno de ensayo, curva de temperatura-tiempo que deben sufrir los elementos a ensayar, propiedades a medir, etc. A la hora de realizar el ensayo para caracterizar el elemento correspondiente se medirán diversos factores para comprobar el comportamiento en caso de incendio: • Deformación: Se medirá la deformación producida en elemento ensayado, con unos intervalos de 1 minuto, desde el principio del ensayo. De esta manera podrá comprobarse la falta de capacidad portante, cuando se supere una velocidad de deformación determinada o que se produzca una deformación excesiva que determine el fallo del elemento. • Integridad del elemento: Para medir la integridad del elemento, es decir que no se produzcan deformaciones, pandeos u otros comportamientos similares que hagan posible la propagación del incendio a través de un elemento sectorizador, se medirán tres variables: o Ignición de un tampón de algodón por efecto de los gases calientes que pueden atravesar el elemento. o Paso de una galga de 6 mm de espesor en una apertura de un ancho de 150 mm, o paso de una galga de 25 mm de espesor en cualquier punto. o Presencia de llama sostenida en la cara no expuesta del elemento ensayado. • Aislamiento Térmico: Se mide la capacidad de evitar la propagación del incendio a través de un elemento debido a la limitación de las temperaturas existentes en la cara no expuesta al incendio, siendo los valores máximos admisibles los siguientes: o La temperatura media de la cara no expuesta no supere 140º la temperatura media inicial (antes de comenzar el ensayo). o La temperatura de ningún punto de la cara no expuesta supere 180º la temperatura media inicial. Para ello se dispone de la denominada curva normalizada tiempo-temperatura, que es la curva nominal definida en la norma UNE EN 1363:2000 para representar un modelo de fuego totalmente desarrollado en un sector de incendio.
Esto significa que un elemento con una resistencia al fuego, por ejemplo, de R 60, puede mantener sus características resistentes en un incendio durante 60 minutos (lo cual equivale según las tablas a una temperatura de 950 ºC).
415
CARACTERIZACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN EN CUANTO A SU RESISTENCIA AL FUEGO
Tras la publicación del RD 312/2005, el cual ha sido modificado por el RD 110/2008, de 1 de febrero de 2008, la caracterización de los elementos de construcción cambia sustancialmente, al pasar del antiguo sistema de clasificación nacional a uno igual para todo el ámbito de la Comunidad Europea. Con el sistema actual, la caracterización del producto queda reflejada en una codificación formada por letras y números, que proporciona mayor riqueza de información. Las características más importantes que pueden ser medidas son las siguientes: • Capacidad Portante, indicado por la letra R, se alcanza cumpliendo los requisitos de deformación y velocidad de deformación máxima anteriormente indicadas. • Integridad, indicado por la letra E • Aislamiento térmico, indicado por la letra I (I2, en el caso de puertas, en el que las características del ensayo son ligeramente distintas) • Atenuación de la radiación, indicado por la letra W, debiendo el elemento permitir el paso de una radiación inferior a 15 kW/m2 a su través. El cumplimiento de las características de aislamiento térmico (I) implica el cumplimiento de esta característica de atenuación de la radiación. • Acción Mecánica, indicada por la letra M, mide la capacidad del elemento para soportar un impacto tras el tiempo de ensayo, sin perjudicar sus características R, E ó I. • Cierre Automático, indicado por la letra C, proporciona una información adicional sobre el funcionamiento del cierre automático del elemento concreto, habitualmente una puerta. El sistema deberá funcionar sin necesidad de alimentación eléctrica, y se realizará un número de aperturas en función de la categoría de la misma. Tras ello, se realiza el ensayo para caracterizar el elemento. La clasificación va de C0 a C5, siendo esta última la más restrictiva, ensayándose tras 200.000 ciclos de uso. • Estanqueidad a humos, indicado por la letra S, indicándose la estanqueidad al paso de humos a su través, ya sea con humos a 20º C (Sa) o a 200ºC (S200) Otras características menos frecuentes son: • G - Resistencia al fuego de hollín en chimeneas • K - Capacidad de protección contra incendios de revestimientos de protección contra igniciones u otros daños • F - Funcionamiento de extractores de humos mecánicos • B - Funcionamiento de extractores de humos pasivos (exutorios) • P - Continuidad de la señal eléctrica • D - Durabilidad a temperatura constante de elementos como barreras de humos (En España se usará la D600, es decir, a 600º C) • DH - Durabilidad según la curva temperatura/tiempo en elementos como barreras de humos
416
RESISTENCIA AL FUEGO DE LOS PRINCIPALES ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN La mayoría de los elementos constructivos deben estar caracterizados en cuanto a sus condiciones de resistencia al fuego. Vamos a conocer la nomenclatura de las propiedades de resistencia al fuego de los principales elementos de construcción: ELEMENTOS Elementos portantes sin funciones de sectorización Elementos: Vigas, columnas, pilares, escaleras,… Elementos portantes con funciones de sectorización Elementos: Muros de carga, forjados, cubiertas Elementos no portantes, con o sin funciones de sectorización: Elementos: Particiones, Techos no portantes (1), Muros exteriores no portantes. Elementos: Muros cortina (2)
TIPO DE RESISTENCIA
Elementos: Puertas resistentes al fuego
EI2, E ó EW (Se le puede añadir la característica C de cierre automático)
Elementos: Puertas corta-humos
S200 ó Sa. (También se puede añadir esta característica a una puerta resistente al fuego)
Elementos: Conductos de instalaciones (3)
R REI, y en ocasiones especiales REI-M (sólo paredes) ó REW EI, en ocasiones especiales EW ó EI-M E, EI ó EW
417
EI ó E
Elementos: Conductos para control de calor y EI, cuando atraviesan humos sectores de incendio (4) y E600 , cuando únicamente circulan por un sector. Elementos: Compuertas sectorizadoras conductos de control de calor y humos
para E ó EI
F400 Elementos: Extractores mecánicos de control y humos D600 Elementos: Barreras de humos
B600
Elementos: Exutorios pasivos de humos (1) En este caso debe indicarse además si el fuego está encima del techo (a - b), bajo el techo (a b) o en ambos sentidos (a - b) (2) En este caso debe indicarse además si el fuego es interior (i - o), exterior (o - i) o en ambos sentidos (o - i). (3) En este caso debe indicarse además si el fuego es interior (i - o), exterior (o - i) o en ambos sentidos (o - i), y si el ensayo en posición vertical (ve), horizontal (ho) ó ambos. (4) En este caso debe indicarse además si el ensayo en posición vertical (ve), horizontal (ho) ó ambos y se puede añadir la restricción suplementaria de estanqueidad a humos (S) VALORES MÍNIMOS DE RESISTENCIA AL FUEGO A la hora de determinar cuales son los valores mínimos de resistencia al fuego es necesario valorar el riesgo del edificio o la zona del mismo, de esta manera ponderando una serie de variables se determina que un mayor riesgo necesita una mayor protección contra incendios, tanto de protección activa, como pasiva. En primer lugar es necesario determinar el uso del edificio o zona del mismo: • Si el uso es industrial o un almacenaje de grandes dimensiones (carga de fuego almacenada superior a 3.000.000 MJ) los requerimientos serán según el Reglamento de Seguridad contra Incendios en Establecimientos Industriales • Si el uso es: o Administrativo, incluyendo centros de salud ambulatorios o Comercial o Docente o Aparcamientos, de más de 100 m2 de superficie 418
o o o o o
Hospitalario, incluidas residencias geriátricas De Pública Concurrencia Residencial Público, es decir hotelero Residencial Vivienda Otros usos similares
En estos casos, la normativa a aplicar sería el Código Técnico de la Edificación.
USO “NO INDUSTRIAL”
Si el uso que estamos estudiando es “no industrial”, es decir, que sea de aplicación el Código Técnico de la Edificación, las restricciones que deben cumplirse en cuanto a resistencia al fuego de elementos constructivos son las siguientes: • • • •
Se limita el tamaño máximo del sector de incendio, en función del uso. Se determina la resistencia al fuego mínima que tienen que tener los elementos sectorizadores Se determina la estabilidad al fuego mínima que tiene que tener la estructura. Se determinan la estabilidad y resistencia al fuego que tienen que tener la estructura y elementos delimitadores de locales de riesgo especial
Estas superficies pueden duplicarse cuando estén protegidas con una instalación automática de extinción que no sea exigible.
419
Resistencia mínima de los elementos sectorizadores Los principales elementos sectorizadores son las paredes, suelos y techos. Los primeros pueden ser elementos no estructurales, conformados por cerramientos de diversos materiales.
Los tabiques de ladrillo son elementos con un gran comportamiento en el incendio, por lo que son fácilmente alcanzables los valores exigidos, como puede observarse en la tabla siguiente:
Puertas de paso Las puertas de paso entre sectores debe ser, en tiempo la mitad del elemento sectorizador que atraviesa. En el caso de que el paso de un sector a otro se haga a través de un vestíbulo, es decir, de dos puertas resistentes al fuego, situadas una a continuación de la otra, cada una de las dos puertas debe tener un tiempo de resistencia al fuego de al menos la cuarta parte del elemento sectorizador. Por tanto las características de las puertas deben ser: EI2 t/2-C5 ó EI2 t/4-C5
420
Para poder garantizar la sectorización, las puertas deben estar cerradas en caso de incendio para ello se permiten dos soluciones: • Si la puerta permanece habitualmente cerrada, debido al uso y funcionamiento del edificio, deberá disponer de un sistema de cierre automático, de manera, que tras su apertura la puerta retorne a su posición inicial, garantizando la sectorización. • Si el hueco dispone de dos puertas, debe disponer de un selector de hojas de cierre que garantice que las dos hojas cierran en el orden correcto. • En el caso en que la puerta tenga un uso intensivo, y por tanto, deba permanecer abierta deberá garantizarse la sectorización mediante un sistema de retenedores. Estos elementos soportan la o las puertas abiertas mediante un electroimán fijado a la pared. • En caso de incendio, cuando la instalación de detección automática de incendios se activa, manda una orden a los retenedores magnéticos para que cese su funcionamiento, cerrándose la misma mediante el sistema de cierre automático. • El sistema debe funcionar en caso de ausencia de energía eléctrica, por lo que en caso de fallo en el suministro, todas las puertas se cerrarían.
Paso de instalaciones Uno de los fallos más habituales que suele producirse en la sectorización de los edificios es el que se produce a través de las instalaciones, ya que a menudo no están bien ejecutadas o protegidas y el paso de humo y gases calientes de un sector a otro no es impedido. El paso de tubos, cables eléctricos, instalaciones de ventilación, conducciones de elementos fungibles (como el PVC), patinillos de instalaciones, etc, son los responsables en muchos casos de la gravedad de los incendios. Para evitar esta problemática, es obligatorio cerrar cualquier penetración en un elemento sectorizador que supere los 50 cm2. El elemento o material usado debe disponer al menos de la misma EI que el elemento sectorizador. En el mercado existen multitud de elementos que cumplen con estos requerimientos, entre los que se destacan: • Sellados para bandejas de cables • Siliconas incombustibles 421
• Collarines y anillos intumescentes para conductos fungibles • Rejillas intumescentes • Almohadillas intumescentes Conductos de Ventilación Otro de los elementos de mayor peligrosidad en cuanto al posible fallo de la sectorización se da en los conductos de ventilación. Pueden darse tres casos fundamentalmente: • Que la instalación sirva para climatizar el edificio y circule por un único sector de incendio • Que la instalación sirva para climatizar el edificio y circule por varios sectores de incendio, atravesándolos. • Que la instalación sirva para evacuar gases y humos del incendio Climatización en un único sector En este caso no hay necesidad de cumplir ninguna prescripción en cuanto a las características de la instalación. Un incendio existente en el sector donde se encuentran los conductos no tendría riesgo de propagarse a otro sector a través de dicha instalación, ya que no lo atraviesa. No obstante, sería recomendable que caso de detectar un incendio, los ventiladores o extractores de la instalación pararan para evitar el movimiento de gases dentro del sector, generando flujos turbulentos que harían empeorar sensiblemente la visibilidad, aumentaría el área ocupado por los humos y se podrían producir otros focos de incendio más fácilmente. Climatización atravesando varios sectores En este caso existe un riesgo de propagación del incendio a los sectores adyacentes a través de los propios conductos, o si el paso del conducto de un sector a otro está mal ejecutado y existen rendijas o huecos por los que puede circular el humo y los gases. Para evitar esto se deben disponer elementos sectorizadores en el interior de los conductos, situados sobre el cerramiento que delimita los sectores. Estos elementos están conformados por una placa resistente al fuego que en condiciones normales se encuentra en una posición que posibilita el paso del aire, y en caso de incendio corta el hueco de paso, funcionando de manera automática en caso de detectarse humo en el interior del conducto. Mediante este sistema, aunque los conductos no resistan el incendio y se destruyan o deterioren, la sectorización queda garantizada. Conductos para la evacuación de humos y gases En el caso de que exista una instalación para evacuación de humos en caso de incendio, como es habitual en garajes, la extracción no puede pararse en caso de incendio, ni puede obturarse los huecos de paso, es por ello que el sistema debe ser en sí resistente al incendio: • Los conductos deben resistir el fuego durante un tiempo determinado, (tanto en su interior, como en su exterior) habitualmente 90 minutos, que garantice las conducciones de gases al exterior y el no deterioro de las mismas, lo que supondría posibles fallos en la sectorización, por ejemplo al atravesar un conducto desde un garaje subterráneo hasta la última planta de un 422
edificio de viviendas que hubiera sobre este. Los conductos habituales y existentes hasta hoy en día, de chapa, no cumplen con estos parámetros. • Los extractores deben ser capaces de mover gases calientes (a 400º C) durante 90 minutos • En el caso de existir impulsores de aire fresco del exterior, estos no tendrían que cumplir ningún requisito si se encuentran en el exterior del edificio, ya que no les podría afectar un posible incendio, y el aire que trasegarían siempre sería “frío”, al ser el procedente de la calle. Medianerías Los elementos medianeros entre edificios y entre sectores, deben cumplir una serie de características para conseguir una sectorización efectiva. No es extraño que en incendios en naves industriales adosadas se produzca una propagación del mismo de una nave a otra, cuando el muro medianero cumple con los requerimientos exigidos. El problema está en que el fuego puede romper la cubierta de la nave (que no tiene que cumplir ninguna restricción en cuanto a resistencia al fuego) en la zona medianera, y alcanzando la cubierta de la siguiente nave, pudiéndose propagar fácilmente. Un caso similar puede ocurrir con un forjado que separe dos sectores. El incendio no atravesará el forjado, pero si puede salvarlo por la fachada, pasando desde una ventana en el sector inferior a otra en el superior que se encuentren demasiado cerca. Otra posible propagación puede darse, simplemente por radiación del calor producido en un incendio hacia otro sector o edificio que se encuentre demasiado próximo. Para contrarrestar estas situaciones, se deben cumplir las siguientes condiciones: • Las medianerías deben ser al menos EI 120 (120, 180 y 240, en caso industrial, en función del nivel de riesgo intrínseco) • En los encuentros de medianería con cubierta, al menos una franja de un metro de ancho debe ser EI 60, o que la medianería supere en 60 cm (100 cm, en el caso industrial) la cubierta. • En los encuentros de forjado con fachada, cuando el forjado separa un sector de otro, al menos una franja de un metro de ancho debe ser EI-60. Si se coloca una cornisa que dificulta la propagación del incendio, esta franja de un metro puede reducirse en la misma cantidad que sobresalga la cornisa. Para cumplir con los requerimientos en cuanto a estabilidad al fuego de los elementos estructurales, los edificios habitualmente se diseñan con estructuras cuya R supere un cierto valor. Forjados y Cubiertas En cuanto a los forjados (que pueden considerarse como suelo de una planta o techo de la inferior), deben cumplir las especificaciones del uso en que el que son considerados como techos, ya que, en caso de incendio, debido al movimiento ascendente de los humos y gases, sufrirán más las temperaturas por la acumulación de calor en las capas altas. Un caso especial es el de las cubiertas ligeras. Se considera que una cubierta es ligera cuando su carga permanente es inferior a 1 kN/m2 (100 kg/m2), no está prevista para servir como elemento de 423
evacuación y su altura es inferior a 28 metros. En este caso, las cubiertas ligeras y sus soportes, podrán ser únicamente R 30 cuando su fallo no pueda ocasionar daños graves a los edificios próximos, no comprometa la estabilidad de plantas inferiores ni la compartimentación de los sectores de incendio. Es por ello que edificios con este tipo de cubierta (habitualmente estructuras metálicas de cerchas) proporciona una seguridad bastante limitada a los intervinientes, ya que se puede producir un desplome total o parcial del mismo en el transcurso de la intervención. LOCALES DE RIESGO ESPECIAL Dentro de los edificios existen zonas donde el riesgo de incendio, es más intenso que en el resto del mismo, ya sea por una mayor acumulación de elementos combustibles como por un mayor riesgo de iniciación del incendio.
En estas zonas las exigencias son mayores que en el resto del edificio, y están tipificadas según las tablas que se indican a continuación.
424
425
Los locales especiales de uso comercial, son habitualmente almacenes. Estos deben catalogarse según la densidad de carga de fuego ponderada y corregida que viene recogida en el Reglamento de Seguridad contra Incendios en Establecimientos Industriales, indicándose en este caso, en función de este valor, la superficie máxima que puede tener el local, en función de si dispone o no de instalación automática de extinción y de si la evacuación es en sentido ascendente, si por ejemplo el almacén se encuentra en un sótano, o descendente. DENSIDAD DE CARGA DE FUEGO Como estudiamos en el tema de química del fuego, hay un concepto íntimamente relacionado con el desarrollo del incendio, que es el poder calorífico del material combustible que se encuentra ardiendo. Como recordaremos el poder calorífico es la es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender en la combustión. El poder calorífico es una propiedad intrínseca de cada tipo de combustible y a título orientativo podemos ver algunos valores en la siguiente tabla: MATERIAL PVC CARBON COK LIGNITO TURBA
PODER CALORIFICO 4,5 Mcal/Kg 7 A 8 Mcal/Kg 6,6 Mcal/Kg 4,3 A 5,8 Mcal/Kg 3,5 Mcal/Kg 426
AZUCAR BUTIL NEOPANO CARTONES MATERIAL MADERA POLISOPRENO SERRIN DE PINO ASFALTO POLIETILENO POLIESTIRENO CLORURO DE METILO METACRILATO METILO MATERIAL ALCOHOL ETILICO TOLUENO PETROLEO GASOLINA ALQUITRAN GLICERINA ACEITE COCINA EBONITA (GOMA DURA)
4 Mcal/Kg 8,3 Mcal/Kg 6 Mcal/Kg PODER CALORIFICO 4 Mcal/Kg 10,8 Mcal/Kg 5,37 Mcal/Kg 9,87 Mcal/Kg 11 Mcal/Kg 9,6 Mcal/Kg 3,2 Mcal/Kg 6,1 Mcal/Kg PODER CALORIFICO 6,45 Mcal/Kg 8,6 Mcal/Kg 9 Mcal/Kg 11 Mcal/Kg 8,6 Mcal/Kg 4,3 Mcal/Kg 10,2 A 11 Mcal/Kg 7,9 Mcal/Kg
Por otra parte, se define como carga de fuego o carga combustible a la cantidad calorífica promedio resultante de la combustión de los materiales combustibles de un sector de incendio. A estos efectos, el CTE, ha desarrollado unas tablas en las que se exponen valores aproximados de densidades de carga de fuego, en función de los metros ocupados por ese combustible concreto, para así poder calcular la protección necesaria.
427
USO INDUSTRIAL
Si el uso del edificio es industrial o de almacenamiento sin actividad comercial es de aplicación el Reglamento de Seguridad contra Incendios en los Establecimientos Industriales. En este caso para obtener los valores de tamaño de sector máximo, resistencia al fuego de los elementos sectorizadores y la estabilidad al fuego de la estructura es necesario caracterizar el riesgo del establecimiento en función de su ubicación, de la carga de fuego y del riesgo de activación existente. Caracterización de los establecimientos industriales En primer lugar el establecimiento industrial se cataloga en función de donde está ubicado en el edificio: TIPO A: El establecimiento industrial ocupa parcialmente un edificio que tiene, ademas, otros establecimientos, ya sean estos de uso industrial ya de otros usos.
TIPO B: Establecimiento ubicado en un edificio exclusivo, adosado a otros edificios o a una distancia inferior de 3 metros. En el caso de naves adosadas, están únicamente serán tipo B en el caso en que su estructura no sea compartida, es decir, los pilares medianeros no sean comunes a las naves anexas.
TIPO C: Establecimiento ubicado en un edificio exclusivo, situado a más de 3 metros del edificio más próximo, ya sea industrial o no industrial
428
TIPO D: El establecimiento industrial ocupa un espacio abierto, que puede estar totalmente cubierto, alguna de cuyas fachadas carece totalmente de cerramiento lateral. TIPO E: El establecimiento industrial ocupa un espacio abierto que puede estar parcialmente cubierto (hasta un 50 por ciento de su superficie), alguna de sus fachadas en la parte cubierta carece totalmente de cerramiento lateral.
Posteriormente se calcula su nivel de riesgo en función de la carga de fuego, la combustibilidad de los elementos existentes en su interior y el riesgo de incendio en función de cual sea la actividad que en él se desarrolla. Los valores de carga de fuego de las distintas actividades o de diverso materiales y riesgo de activación inherente a cada actividad industrial pueden obtenerse de las tablas indicadas en el propio reglamento (procedentes, a su vez, del método Gretener). El coeficiente que pondera la peligrosidad de los combustibles son los siguientes: • Ci = 1,6 (Peligrosidad alta) o Gases licuados o Líquidos inflamables, con punto de inflamación inferior a 38º C o Sólidos con punto de inflamación inferior a 100º C o Gases inflamables o Productos que puedan auto inflamarse a temperatura ambiente o Ejemplos: Alcoholes, Barnices, Licores, Flúor, Gasolina, Hidrógeno,… • Ci = 1,3 (Peligrosidad media) o Líquidos inflamables, con punto de inflamación inferior entre 38º C y 100º C 429
o Sólidos con punto de inflamación inferior entre 100º C y 200º C o Sólidos que emiten gases inflamables o Ejemplos: Aceites lubricantes, Azúcar, Azufre, Café, Cartón, Caucho, Celulosa, Corcho, Madera, o Paja, Papel, Tabaco, Tejidos, Gasoil,… • Ci = 1,0 (Peligrosidad baja) o Líquidos inflamables, con punto de inflamación superior a 100º C o Sólidos con punto de inflamación superior a 200º C o Ejemplos: Amoniaco, Yeso, Cemento, Hormigón, Jabón, Lejía,… Una vez calculado la carga de fuego ponderada y corregida, el NIVEL DE RIESGO INTRINSECO (NRI) viene graduado en Bajo (niveles 1 y 2), Medio (niveles 3, 4 y 5) y Alto (niveles 6, 7 y 8), según la siguiente tabla:
No están permitidos sectores con los siguientes niveles de riesgo: • Configuración TIPO A o NRI Alto o NRI Medio, en plantas bajo rasante o NRI Medio, cuando la fachada accesible a bomberos sea inferior a 5 metros o Cualquiera si la altura de evacuación supera los 15 metros • Configuración TIPO B o NRI Alto (Nivel 8) o NRI Alto (Nivel 7), si la altura de evacuación supera los 15 metros o NRI Medio o Alto, cuando la fachada accesible a bomberos sea inferior a 5 metros o Cualquiera ubicada en segunda planta bajo rasante 430
Los sectores máximos son los siguientes: (1) Si el sector está en la primera planta bajo rasante, la superficie máxima es de 400 m2. (2) Si la fachada accesible supera el 50% del perímetro, se puede multiplicar por 1,25 (3) Si se dispone de sistema de extinción automática, no exigible según las condiciones del establecimiento, se puede multiplicar por 2,00 (4) Si la actividad lo requiere, la superficie puede ser ilimitada, si se dispone de sistema de extinción automática y la distancia a cualquier posible edificación sea superior a 10 metros. (5) Si la actividad es de almacenamiento de materiales incombustibles (clase A) y todos los materiales de construcción empleados son de clase A, se puede aumentar la superficie a 10.000 m2. ESTABILIDAD AL FUEGO DE LA ESTRUCTURA La estabilidad al fuego que debería disponer la estructura de los elementos portantes sería la siguiente:
Estos valores de estabilidad coinciden con los valores de resistencia al fuego que deben disponer los elementos sectorizadores. Los valores de estabilidad estructural, que a priori parecen adecuados para garantizar, no sólo, una correcta evacuación, si no una intervención en condiciones de seguridad, no tendrán que cumplirse en gran cantidad de ocasiones. En el caso de que el establecimiento disponga de una cubierta ligera, cosa que se produce en multitud de ocasiones, ya que es la construcción típica industrial, tanto esta, como sus soportes (pilares), podrán disponer de una considerable reducción si cumplen con los siguientes preceptos: • • • •
No ser previstas para la evacuación El fallo de la cubierta no pueda producir daños a edificios próximos No se comprometa la estabilidad de plantas inferiores o la sectorización del edificio Se disponga de un sistema de extracción de humos, en el caso de nivel de riesgo intrínseco medio o alto.
431
Esta reducción también es de aplicación a las siguientes configuraciones: • Naves industriales (Tipo B o C) en planta baja • Naves industriales (Tipo B o C) entreplanta de una superficie máxima del 10% (20% en caso de riesgo bajo) y que pueda soportar el fallo de la cubiert • Naves industriales adosadas (Tipo A) en planta baja, se considerarán como B, a la hora de adoptar esta reducción. Además existe otra reducción adicional que puede ser aplicada a edificios de una sola planta con cubierta ligera, protegidos por una instalación de extinción automática y sistema de extracción de calor y humos, en la que los valores de estabilidad al fuego quedarían reducidos a:
Por lo tanto, las naves de uso industrial, pueden tener una resistencia al incendio bastante limitada, como puede verse, incluso sin garantizar ni un solo minuto la resistencia al fuego. En este caso, y sobre todo, desde el punto de vista de la intervención, las exigencias de la normativa son bastante escasas, y las operaciones de extinción en incendios en naves de estructura de acero, deberán ser realizadas con todas las precauciones posibles, para evitar daños a los bomberos actuantes.
432
REACCIÓN AL FUEGO
Otro aspecto a tener en cuenta, en cuanto a la seguridad contra incendios en los edificios, es la existencia de elementos combustibles en los mismos. Es fundamental, y así lo hace la normativa de aplicación, que esté limitada la ubicación de elementos que sean fácilmente inflamables en lugares de riesgo, o por donde discurrirá una posible evacuación. De esta manera se trata, de evitar no sólo que un posible incendio quede confinado y que la estructura resista, si no que el incendio tenga las mayores dificultades posibles de comenzar y progresar. Al igual que ocurre con la resistencia al fuego, existe una nueva nomenclatura, homogénea en la Comunidad Europea, que viene a sustituir a la que tradicionalmente existía y era únicamente válida en España. Hasta la entrada en vigor del RD 312/2005, y la utilización de la nueva nomenclatura por parte del Código Técnico de la Edificación y el Reglamento de Seguridad contra Incendios en los Establecimientos Industriales, la nomenclatura usada era la conocida de M0, M1, M2, M3 y M4, que catalogaba los elementos combustibles desde incombustibles (M0) hasta muy combustibles (M4). Ahora, la nomenclatura varía, y se incluyen nuevas clasificaciones, como son la emisión de humos o de gotas inflamadas, así como si el elemento se encuentra ubicado en el suelo o en techos o paredes, con lo que la información es más amplia y completa. Únicamente se mantienen ensayos y clasificaciones antiguas en elementos que no son de construcción, como pueden ser telones, cortinajes y textiles suspendidos, mobiliario tapizado, carpas, etc.
NOMENCLATURA
La clasificación según las euroclases se basa en una letra (A1, A2, B, C, D, E ó F) que indica el grado de combustibilidad creciente. Es decir, un producto A1 es incombustible, y uno E es muy combustible, quedando la F para productos que no deben cumplir ninguna especificación, y por tanto pueden ser altamente combustibles. En función de la ubicación del producto en el edificio, se añade un subíndice: • Sin ningún subíndice, para materiales ubicados en paredes y techos. • Subíndice FL, para materiales ubicados en suelos. • Subíndice L, para materiales de aislamiento ubicados en tuberías. Tras esto se añade información de emisión de humos y gotas inflamadas: • Emisión de humos: s1, s2 ó s3, de menor a mayor emisión de humos 433
• Emisión de gota inflamada, d0, d1 ó d2, de menor a mayor emisión. Este término no se aplica a materiales ubicados en el suelo, ya que no tiene sentido. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES UBICADOS EN TECHOS Y PAREDES Clasificaciones posibles: A1 A2-s1 d0 A2-s2 d0 A2-s3 d0 A2-s1 d1 A2-s2 d1 A2-s3 d1 A2-s1 d2 A2-s2 d2 A2-s3 d2 B-s1 d0 B-s2 d0 B-s3 d0 B-s1 d1 B-s2 d1 B-s3 d1 B-s1 d2 B-s2 d2 B-s3 d2 C-s1 d0 C-s2 d0 C-s3 d0 C-s1 d1 C-s2 d1 C-s3 d1 C-s1 d2 C-s2 d2 C-s3 d2 D-s1 d0 D-s2 d0 D-s3 d0 D-s1 d1 D-s2 d1 D-s3 d1 D-s1 d2 D-s2 d2 D-s3 d2 E E d2 F CLASIFICACIÓN DE MATERIALES UBICADOS EN SUELOS Clasificaciones posibles: A1FL A2 FL-s1 A2 FL-s2 B FL-s1 B FL-s2 C FL-s1 C FL-s2 D FL-s1 D FL-s2 EFL FFL
CLASIFICACIÓN DE MATERIALES PARA AISLAMIENTO TÉRMICO DE TUBERÍAS Clasificaciones posibles: A1L A2 L -s1 d0 A2 L -s2 d0 A2 L -s3 d0 A2 L -s1 d1 A2 L -s2 d1 A2 L -s3 d1 A2 L -s1 d2 A2 L -s2 d2 A2 L -s3 d2 B L -s1 d0 B L -s2 d0 B L -s3 d0 B L -s1 d1 B L -s2 d1 B L -s3 d1 434
B L -s1 d2 B L -s2 d2 B L -s3 d2 C L -s1 d0 C L -s2 d0 C L -s3 d0 C L -s1 d1 C L -s2 d1 C L -s3 d1 C L -s1 d2 C L -s2 d2 C L -s3 d2 D L -s1 d0 D L -s2 d0 D L -s3 d0 D L -s1 d1 D L -s2 d1 D L -s3 d1 D L -s1 d2 D L -s2 d2 D L -s3 d2 E L E L d2 FL CLASIFICACIÓN DE CABLES En la modificación del RD 312/05, el RD 110/08, se añade a la clasificación en cuanto a combustibilidad, los ensayos y clasificación de los cables eléctricos. La clasificación consta inicialmente de una letra que proporciona el grado de combustibilidad, de menor a mayor (de menos combustible: Aca, B1ca, B2 ca y C ca, a más combustible. F ca, sin determinación de su comportamiento). Posteriormente se añade información sobre emisión de humos, emisión de gota inflamada y acidez de los humos: • Emisión de humos: s1, s1a, s1b, s2 ó s3, de menor a mayor emisión de humos • Emisión de gota inflamada, d0, d1 ó d2, de menor a mayor emisión. • Acidez de los humos: a1, a2 ó a3, de menor a mayor acidez. Si no se indica nada, no hay información al respecto. Esta nueva clasificación proporcionará mayor seguridad en uno de los elementos que en gran cantidad de ocasiones está inmersa en el origen de los incendios. Además, valora no sólo la combustibilidad, sino elementos incluso de mayor importancia como la opacidad de humos. Clasificaciones posibles: Aca B1 ca –s(1, 2 ó 3) d(0, 1 ó 2) a(1, 2 ó 3) B2 ca –s(1, 2 ó 3) d(0, 1 ó 2) a(1, 2 ó 3) C ca –s(1, 2 ó 3) d(0, 1 ó 2) a(1, 2 ó 3) Fca NOTA: Si no se aparece el término a1, a2 ó a3, no se hace referencia a la clasificación en cuanto a acidez de humos
435
CLASIFICACIÓN DE MATERIALES USADOS EN CUBIERTAS La normativa española, en este caso el Código Técnico de la Edificación, puede exigir que ciertos materiales que se encuentren en las cubiertas de los edificios cumplan con una clasificación en cuanto a combustibilidad. La clasificación en este caso tiene únicamente dos valores: • BROOF(t1) • F Un material entonces se clasificara como BROOF(t1) si cumple con un ensayo, que en este caso trata de valorar la resistencia a la ignición por pavesas.
VALORES MÍNIMOS DE REACCIÓN AL FUEGO
Las exigencias en cuanto a reacción al fuego vienen determinadas en las mismas normativas que para el caso de resistencia al fuego. En ambos casos, edificios industriales y no industriales, se hace referencia a la nueva clasificación de “euroclases”. Edificios “No industriales” En los edificios en los que es de aplicación el Código Técnico, es decir, prácticamente todas las edificaciones de uso no industrial, tienen que cumplir los siguientes requerimientos:
436
Además de sobre los elementos constructivos, en el Código Técnico de la Edificación se dan más restricciones en cuanto al uso de elementos combustibles: • Elementos textiles integrados en la edificación (carpas, cubiertas,…), deberán ser M2, según la UNE 23727:1990 • Mobiliario en edificios de pública concurrencia: o Los asientos fijos tapizados cumplirán con los ensayos UNE EN 1021-1, UNE-EN 1021-2, que tratan de simular el comportamiento del textil en presencia de un cigarrillo o una cerilla, cumpliendo con el requisito si lo soportan sin generar llama mantenida. • Los asientos fijos no tapizados, deberán ser M2, según la UNE 23727:1990 • Los textiles suspendidos (telones, cortinas,…) deberán ser clase 1, según la UNE-EN 13733 Para el caso de las fachadas, también es necesario cumplir una serie de requisitos para evitar una posible propagación a través de la misma. Por ello, los materiales que cubran más del 10% de la superficie de la fachada o de las cámaras ventiladas deben ser al menos de la clase B-s3 d2, en las siguientes zonas: • Toda la fachada, si su altura supera los 18 metros • Una franja de 3,5 metros, si la altura es inferior y dicha fachada es accesible, tanto desde la rasante exterior como desde una cubierta.
Por último, en las zonas de cubierta situadas a menos de 5 metros (en proyección vertical) de cualquier fachada (del propio edificio o de otro), incluidas las caras superiores de los voladizos de más 437
de 1 metro de longitud, cuya resistencia al fuego no sea EI 60 superior, deberá ser de la clase BROOF (t1), siempre que supongan más del 10% de dicha superficie. La misma clasificación (BROOF (t1) deberán disponer los lucernarios, claraboyas y cualquier otro elemento de iluminación o ventilación. Edificios Industriales Los materiales usados como revestimiento superficial deben ser, al menos: • Suelos CFL-s1 • Paredes y techos C-s3 d0 • Lucernarios no continuos o instalaciones para eliminación de humo en cubierta D-s2 d0 • Lucernarios continuos en cubierta B-s1 d0 • Revestimiento exterior de fachadas C-s3 d0
REACCIÓN AL FUEGO DE LOS PRINCIPALES MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Materiales que no son necesarios ensayar Existen una serie de materiales de construcción, los cuales no son necesarios ensayar para obtener su clasificación, entre ellos, y de manera resumida destacan los siguientes: • Incombustibles (Clase A1 y A1FL) • Arcilla • Perlita expandida • Vermiculita expandida • Lana mineral • Vidrio • Hormigón (en masa, prefabricado o armado) • Fibrocemento • Cemento • Cal • Áridos minerales • Hierro, acero, cobre y sus aleaciones, zinc y sus aleaciones, aluminio y sus aleaciones y plomo (salvo en forma finamente dividida) • Yeso • Morteros con agentes conglomerantes inorgánicos • Piezas de arcilla cocida • Piedra natural y pizarra • Terrazo • Etc. Placas de yeso laminado Las placas de yeso laminados, a veces denominadas de manera coloquial como pladur (como referencia a una marca comercial), está conformada por yeso y elementos celulósicos (cartón) que confiere sus propiedades resistentes. 438
Cada vez más usadas en construcción, pueden clasificarse en función de sus características sin necesidad de ser ensayados, en función de su espesor, densidad, gramaje del cartón usado en el proceso de fabricación, como A2-s1 d0 ó B-s1 d0. Tableros derivados de la madera La fabricación de tableros derivados de la madera está normalizada a nivel europeo, existiendo diversas normas UNE-EN que indican las características que deben tener. Debido a ese control existente en la fabricación, es posible determinar directamente en muchos casos la clasificación de estos productos, ya sea colocado en suelos o en paredes y techos. Prácticamente todos están encuadrados en la clase D-s2 d0, D-s2 d1 ó D-s2 d2, DFL-s1, E ó EFL Para comprobar cada caso concreto, sería necesario acudir a las tablas existentes en el RD 110/2008. Maderas para uso estructural La madera estructural (con densidad superior a 250 kg/m3 y espesor mínimo de 22 mm) se clasifica como D-s2 d0. Maderas laminadas encoladas La madera laminada encolada (con densidad superior a 380 kg/m3 y espesor mínimo de 40 mm) se clasifica como D-s2 d0. Suelos • Suelos de madera maciza de roble, haya y píceas (coníferas), con acabado superficialCFL-s1 • Otros suelos de madera maciza DFL-s1 • Parqué multicapa con capa superior de roble de 5 mm (mínimo) y acabado superficial CFL-s1 • Otros parqués multicapa ó revesitimientos de suelo rechazado con madera y acabado superficial DFL-s1 • Revestimientos de suelos laminados, linóleos, revestimientos a base de policloruro de vinilo, ó de caucho EFL Revestimientos murales de madera maciza Para revestimientos de madera maciza, con densidad superior a 390 kg/m3, la clasificación es D-s2 d0. Materiales de recubrimiento de cubiertas Se pueden clasificar como BROOF (t1), sin necesidad de ensayo los siguientes elementos: • Pizarras, tejas • Fibrocemento • Chapas metálicas perfiladas o planas Otros materiales El resto de materiales deberán acreditar sus características en cuanto a reacción al fuego mediante los correspondientes ensayos, por lo que no pueden darse valores concretos, ya que dependen del elemento comercializado concreto. 439
JUSTIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO EN CUANTO A RESISTENCIA Y REACCIÓN AL FUEGO Justificación de la resistencia al fuego Para justificar la resistencia al fuego de un elemento estructural o no estructural se pueden optar por varias opciones:
• Comprobación dimensional: En el Código Técnico existen una serie de tablas en la que se dan valores de resistencia al fuego (R, EI ó REI) de diversos elementos constructivos. • Métodos simplificados de cálculo: En el Código Técnico de la Edificación se hace referencia a diversos sistemas de cálculo para determinar la resistencia al fuego de elementos estructurales, con los que se justificaría la estabilidad de la estructura durante un tiempo determinado. Estos métodos son complejos de aplicar, ya que deben ser usados por los ingenieros que diseñan las estructuras. • Realización de ensayos: Cuando no es posible justificar el cumplimiento de un elemento estructural, o no estructural (puertas, vidrios, conductos, elementos selladores,…) es necesario que sean ensayados para justificar su comportamiento. En el punto 2 del Anejo F del CTE se enumeran las normas de aplicación en el momento de publicación del CTE, para la obtención y clasificación de los materiales de construcción en cuanto a su resistencia al fuego. Respecto a los ensayos de resistencia al fuego es necesario saber lo siguiente: • El certificado emitido tiene una validez de 10 años, por lo que el elemento en concreto debe pasar un nuevo ensayo, al menos cada década, para poder seguir siendo puesto en obra. Justificación de la reacción al fuego Para justificar la reacción al fuego, el sistema es similar al de la resistencia. En este caso, la duración de la acreditación de reacción al fuego, únicamente es por 5 años, debiendo disponerse de un ensayo de una antigüedad inferior para garantizar este comportamiento.
COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO DE LAS ESTRUCTURAS
Desde el punto de vista del Servicio de Bomberos es muy importante conocer las deformaciones y comportamiento que tienen las estructuras en un incendio, en función de los materiales de construcción empleados, ya que debemos trabajar en el interior de las mismas. Debemos conocer dos conceptos muy importantes a la hora de evaluar los efectos de un incendio en una estructura que son la temperatura crítica y la carga crítica. 440
Suele denominarse temperatura crítica aquella en la que la capacidad mecánica del elemento estructural desciende por debajo de la necesaria para soportar las cargas que actúan sobre él. En contraposición, carga crítica es la que puede soportar un elemento estructural a una determinada temperatura y de acuerdo con el cuadro de capacidades mecánicas que presenta a esa temperatura. La temperatura crítica y la carga crítica por tanto dependerán de las características que posee la estructura y de la carga que soporta la misma. La intervención de los Bomberos en un edificio dañado por un incendio se compone de tres tareas consecutivas: 1. Reconocimiento de los signos externos de las lesiones del edificio. 2. El diagnostico de la gravedad de las lesiones. 3. La puesta en práctica de las medidas correctoras provisionales de emergencia que sea preciso. El objeto de la intervención de los Bomberos en un edificio dañado por un incendio es doble: • Salvaguardar la vida de las personas, ya se trate de habitantes del inmueble dañado, habitantes de los inmuebles vecinos, o a transeúntes. • Prevenir daños materiales, tanto en el edificio dañado como en los colindantes Como hemos visto existen fundamentalmente tres tipos de materiales que se utilizan en las estructuras (hormigón, acero y madera), vamos a estudiar cuales son los comportamientos de las mismas en incendios.
COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
La diferencia fundamental a la hora de diferenciar el comportamiento del hormigón frente los otros materiales es su baja conductividad térmica, lo que origina que aunque haya elevadas temperaturas en las caras externas de las vigas de hormigón en su interior la temperatura es muy inferior. Por lo que cuando un elemento estructural de hormigón armado es sometido a la acción accidental de fuego, durante un cierto tiempo el hormigón esta actuando de protector de la armadura de acero, impidiendo la llegada al mismo de altas temperaturas. El hormigón es un material incombustible su reacción al fuego (según el RD 110/2008) es A1. El hormigón comienza a perder su capacidad mecánica a los 380ºC a partir de los 400ºC su pérdida de resistencia oscila entre un 15-25% y a los 800ºC pierde totalmente su resistencia a la compresión su debilitamiento será aún mayor a medida que se vaya enfriando. Si lo comparamos con el acero pretensado (armaduras) la pérdida de resistencia del hormigón es mucho menor ya que cuando el hormigón sufre pérdidas del 35% el acero llega a perder el 70% de su capacidad resistente. 441
Los principales efectos del fuego en el hormigón armado, podrían resumirse en: • Pérdidas de adherencia entre las armaduras de acero y la capa de hormigón que las recubre. La existencia de huecos provoca que las altas temperaturas lleguen con facilidad a las armaduras de acero como ya hemos comentado este material posee una conductividad térmica alta que provoca que se caliente la armadura en su totalidad lo que provoca a su vez una dilatación de la armadura que agrieta el hormigón. Podemos observar este proceso cuando observamos tras la extinción del incendio la aparición de grietas y fisuras en el hormigón. • Pérdida de espesor del recubrimiento del hormigón, debida al efecto spalling o desprendimiento por explosión del hormigón. Este efecto es debido al cambio de estado del agua intersticial existente en el hormigón, la cual al pasar a fase vapor provoca un aumento de presión originando el inicio de los desprendimientos. Por tanto, el efecto spalling consiste en la caída violenta o no, de trozos y piezas de hormigón de un elemento constructivo expuesto a altas temperaturas y a grandes incrementos de la misma. • Reducción de la resistencia del hormigón cuando su temperatura supera los 380ºC durante períodos prolongados. • Reducción de la resistencia de las armaduras de acero cuando la temperatura supera los 250ºC. • Daño o destrucción de las juntas y sellados, lo que en determinadas estructuras puede conducir al colapso. El hormigón posee una resistencia al fuego muy superior a las estructuras metálicas el cálculo de la misma viene reflejado en el CTE DB SI Anejo C. En grandes incendios debemos pensar que el hormigón aunque aparentemente no presente lesiones externas puede haber sufrido una importante pérdida de capacidad mecánica y su colapso puede ser inminente. Además como hemos visto la armaduras de acero habrán perdido su funcionalidad por lo que la estructura no podrá soportar los esfuerzos de tracción. El hormigón tiene la característica de variar su coloración con la temperatura, lo que puede utilizarse a posteriori de los incendios, en tareas de investigación, para conocer aproximadamente la temperatura a la que ha estado sometido el hormigón. Hasta 200ºC el color es grisáceo. Entre 300 y 600ºC pasa a un color rosado-rojo y es en este intervalo donde empieza a descender la resistencia de un modo notable. De 600 a 900ºC vuelve a un segundo color gris pero ahora con partículas rojas, mientras pierde ya toda su capacidad de resistencia. A partir de 900ºC se torna de un color ante amarillento. Cuando existen incendios de interior en edificaciones con forjados de viguetas y bovedillas durante el desarrollo de un incendio podemos observar como lo primero que se resquebraja y rompe son las bovedillas ya sean cerámicas o de hormigón, provocando su caída al suelo. Posteriormente el hormigón comienza a disgregrarse perdiendo sección, las armaduras de acero saltan a la vista y comienzan a doblarse por el efecto de la temperatura que se acumula en las zonas cercanas al forjado. Si el incendio progresa podemos llegar a encontrarnos forjados en los que prácticamente las viguetas de hormigón han desaparecido y el forjado aguanta con la capa de compresión por lo que no posee resistencia estructural ninguna. 442
No obstante, es necesario remarcar, que la caída o rotura de las bovedillas cerámicas no indica en absoluto la pérdida de resistencia del forjado, ya que estos elementos no tienen ninguna función estructural.
COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
El acero es un material incombustible pero con una gran conductividad térmica, como metal que es posee electrones libres, lo que puede propagar el calor fácilmente a través de elementos construidos con este material (vigas, columnas, paneles, etc.) originando a continuación nuevos focos térmicos que expanden el área de calor a una nueva combustión. La reacción al fuego del acero estructural (según RD 110/2008) es A1. El acero es empleado en construcción por su capacidad para soportar grandes esfuerzos; su resistencia es muy alta, tanto a tracción como a compresión, por ejemplo para aceros dulces oscila entre 3.500 y 6.100 kg/cm2 (350 a 610 MPa). Sin embargo no tiene un comportamiento bueno ante el fuego; por encima de 400ºC aumentan mucho las deformaciones que sufre a causa de las tensiones estructurales y también empieza a perder resistencia muy rápidamente. Su coeficiente de dilatación es de 0,000012 mm/m.ºC y como tiene una conductividad térmica muy alta (45 Kcal/m2.h.ºC), la temperatura se propaga rápidamente al resto de la estructura y la dilatación se produce con rapidez. Las consecuencias son que a 400ºC el acero ya se vuelve dúctil, a 500 ºC el acero pierde el 50% de su resistencia y a 590 ºC pierde las 2/3 partes de sus resistencia. Con temperaturas de 700ºC ya no podrá soportar su propio peso y se producirá el colapso de la estructura. A los 900ºC el acero aparece “quemado”, con aspecto granuloso y gris. A 1.450ºC fundirá el hierro. La figura 2, extraída de la NTP-200 “Estructuras metálicas: comportamiento frente al fuego”, correspondiente a un acero tipo A-42, muestra como varía la resistencia con la temperatura: la deformación (j) de un perfil a 550ºC que soporte 600 kg/cm2 es la misma que la producida con una tensión de 2.600ºC a 20ºC.
443
Por lo tanto, la temperatura crítica del acero (aquella en que la capacidad mecánica del elemento estructural desciende por debajo de la necesaria para soportar las cargas que actúan sobre él) se sitúa entre 500 y 600ºC. Que un elemento estructural de acero alcance la temperatura crítica en un tiempo determinado depende, además de factores que externos a él, como la carga de fuego y las aberturas, de la superficie que expone al fuego y de la sección o espesor del perfil, denominándose factor de forma a la interrelación entre ambos. Por este motivo, piezas de gran sección se muestran más estables (permanecen más tiempo en "pie") que piezas de poca sección, como suelen ser las cerchas, vigas de celosía, etc. Por todo ello debemos recordar que un incendio origina en una estructura metálica: • Pérdida importancia de su capacidad mecánica, por lo que la estructura comienza a no se capaz de soportar los esfuerzos para los que esta dimensionada. • Dilatación de la propia estructura metálica, que genera una serie de tensiones sobre apoyos y demás elementos estructurales. • Posible colapso de la estructura. Que un elemento estructural de acero alcance la temperatura crítica en un tiempo determinado depende, además de factores que consideraremos fijos (carga de fuego, aberturas, etc.), de la superficie que expone al fuego y de la sección o espesor del perfil, denominándose factor de forma a la interrelación entre ambos. Por este motivo, piezas de gran sección se muestran más estables que piezas de poca sección, como suelen ser las cerchas, vigas de celosía, etc. Es por ello que en incendios de naves con estructura tipo cercha comprobamos que su resistencia al fuego (cuando la misma no esta protegida) es muy inferior a la que posee una estructura similar pero tipo dintel o pórtico. 444
En un incendio cuando se alcanza altas temperaturas el acero se dilata, si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio. La dilatación producida por la elevación de temperatura en elementos lineales puede contribuir al derrumbe o colapso de la estructura en tiempos muy pequeños, especialmente si se compara con estructuras de otros materiales, especialmente del hormigón armado. Es por ello que se hace necesaria la protección de estructuras metálicas debido a su baja resistencia ante el fuego, podemos comprobar la resistencia al fuego de un perfil metálico siguiendo los cálculos reflejados en el CTE DB SI D. Masividad Para conocer cual es la resistencia o estabilidad al fuego de una estructura, un factor determinante es como de expuesta está esta al incendio. Evidentemente, un pilar que se encuentre en el centro de una habitación está más expuesto al incendio, que uno que se encuentre en una esquina, ya que el primer caso, recibiría aporte calórico del incendio por los cuatro lados, mientras que el que se encuentra en la esquina únicamente por dos, lo que el primero se calentaría más rápidamente, y por tanto perdería su capacidad portante antes que el segundo. Otro factor importante es la sección del elemento estructural. Si por ejemplo tenemos dos pilares cuadrados en el centro de una habitación, uno con el doble de sección que el otro, aunque a los dos el calor le afecte por las cuatro caras igualmente, el de doble sección tardaría más en calentarse, comportándose mejor que el segundo. Ambas características: grado de exposición, y cantidad de material resistente se valoran con un factor denominado masividad o factor de forma. La masividad, es simplemente la relación existente entre la superficie de elemento estructural expuesta al fuego y el volumen del elemento estructural. También es habitual que se exprese como la relación de perímetro de un perfil expuesto al incendio y la sección de dicho perfil. Cuanto más baja sea la masividad, mejor será el comportamiento de la estructura en caso de incendio. Por el contrario, una masividad alta, significa que el perfil perderá rápidamente sus propiedades resistentes en caso de incendio.
445
COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO DE LA MADERA
La madera y sus productos derivados están formados principalmente por celulosa y lignina, los cuales se componen de carbono, hidrógeno y oxígeno. Estos componentes la hacen combustible. Cuando la madera se encuentra expuesta en un incendio en fase de pleno desarrollo, inicialmente se produce una combustión rápida de la superficie de la madera y se crea una capa carbonizada. Debajo de esta capa existe otra en la que se produce la pirólisis de la madera, y finalmente bajo esta capa aparece la madera sin afectar por el fuego. El comportamiento de la madera sometida a un foco calorífico varía en relación con el incremento de la temperatura que alcanza, pudiéndose diferenciar cuatro diferentes etapas a lo largo del proceso de deterioro (pirólisis): • Temperatura hasta 200ºC: la madera sufre una deshidratación interna, desprendiendo CO2, vapor de agua, ácido acético, algo de ácido fórmico, etc. Se produce una pérdida de peso rápida y cerca de los 100ºC se puede producir una ligera carbonización. Aún cuando se producen reacciones de oxidación, son ligeramente exotérmicas, no ocasionando la ignición de la madera. • Temperatura entre 200 y 280ºC: las reacciones de oxidación comienzan a ser realmente exotérmicas, apareciendo llamas a los 280º C, denominado punto de inflamación de la madera. En este punto de la pirólisis es aún lenta, pero se va incrementando, desprendiéndose del interior de la madera CO y demás productos. • Temperatura comprendida entre 280 y 500ºC: se produce una pirólisis grande y exotérmica, con desprendimiento de elevadas cantidades de gases y vapores a través de la capa carbonosa superficial formada y en desarrollo. Tras la aparición de la llama superficial en la madera, la formación y desarrollo de la capa carbonosa la hace disminuir incluso llegando a desaparecer, hasta que una cantidad suficiente de calor pase a través de ella para seguir con la pirolisis de las capas más profundas. Al principio de esta fase, la mezcla de gases y vapores podría ser incombustible con la presencia de CO2, vapor de agua, …pero con el incremento de temperatura posterior da lugar a una mezcla combustible de CO, metano, formaldehído, ácidos acético y fórmico, metanol, hidrógeno, y gotas de alquitranes inflamables que ayudan a que progrese la pirólisis. Se produce un incremento de la capa carbonosa de muy baja conductividad térmica, que retrasa la penetración del calor en su interior. • Temperatura superior a los 500ºC: en la fase anterior el oxígeno va ganando superficie carbonosa, y esta arde a los 500º C (color cereza) y se consume. Esto continua, hasta que se alcanzan los 1000ºC (color rojo amarillento), siendo el porcentaje de consumo de la capa carbonosa igual al de penetración de zonas de alta temperatura en la madera. Así continuaría, hasta su destrucción. La capa carbonizada es 6 veces más aislante que la propia madera. Así, el interior de la pieza se mantiene frío y con sus propiedades físicas y mecánicas inalteradas. La pérdida de capacidad portante de la estructura se debe a una simple reducción de la sección, más que a una pérdida se resistencia del material. La combustibilidad de la madera depende de: 446
• La relación entre la superficie y el volumen de la pieza (masividad), cuanto mayor es esta relación más fácil es la ignición y más rápida la propagación de la llama. • Las aristas vivas y las secciones con partes estrechas aumentan esta relación. Las fendas también incrementan los efectos del fuego. • Cuanto más elevada sea la densidad de la madera, menor facilidad tiene para comenzar a arder y más lenta es la combustión. • El contenido de humedad de la madera es otro factor que influye en el comportamiento al fuego. • La reacción al fuego es un índice de la capacidad del material para favorecer el desarrollo del incendio. La madera estructural se clasifica (según RD 110/2008) como D-s2 d0. Existe una relación lineal entre la profundidad carbonizada y el tiempo transcurrido. Se denomina velocidad de carbonización y permite saber cual es la sección residual después de un tiempo determinado. La velocidad de carbonización aproximada de la madera es de 0,7 mm/minuto (el cálculo real viene determinado en el Anejo E del DBSI). Las uniones en las estructuras de madera son un punto débil en caso de incendio. Las mayores profundidades de carbonización se dan en los ensambles de las piezas, bien porque existen juntas que facilitan la penetración o porque se emplean elementos metálicos que conducen el calor. Tras la extinción de un incendio puede haber riesgo de pudriciones posteriores. Es un mal conductor del calor debido a la escasez de electrones libres, una vez que la madera entra en combustión hay que tener un cuenta la formación de carbón en las capas externas, que retrasa la difusión del calor hacia su interior constituyendo una barrera térmica que actúa como aislante. La zona interior de la pieza no sufre apenas ninguna modificación y conserva intactas sus propiedades mecánicas, el acero o el hormigón se comportan de forma totalmente diferente. A pesar de que es un material inflamable a temperaturas relativamente bajas, en relación con las que se producen en un incendio, es menos peligroso de lo que la gente se piensa por las siguientes razones: • Su baja conductividad térmica hace que la temperatura disminuya hacia el interior. • La carbonización superficial que se produce impide por una parte la salida de gases y por otra la penetración del calor.
447
Sección de viga de madera con capa carbonizada
COMPORTAMIENTO DE OTROS MATERIALES DE CONSTRUCCION ALBAÑILERÍA
Los elementos construidos con fábrica de albañilería sólo tienen una capacidad moderada para soportar esfuerzos, aunque tiene un buen comportamiento frente al fuego. Su densidad puede variar según los componentes, oscilando entre 2.600 y 2.800 kg/m3. El módulo de elasticidad se sitúa entre 10.103 y 20.103 MPa y su resistencia a la compresión tiene una variabilidad en un rango muy amplio, aceptándose como un valor normal 50 MPa, que supera en mucho las tensiones de diseño empleadas para elementos de fábrica de albañilería. El efecto de su dilatación con los incrementos de temperatura es menor que en el caso del hormigón. Son muchos los elementos constructivos a base de albañilería: ladrillos para tabiques o para recubrir elementos estructurales, tejas, bovedillas para forjados, azulejos y baldosas, etc. En general ninguno de estos elementos se emplea con efectos resistentes. Los elementos huecos de albañilería se verán afectados por su cara externa expuesta al fuego, que si llega a romperse puede crear una excentricidad que conlleve pérdida de capacidad resistente y la inestabilidad del muro.
448
VIDRIO Es un material incapaz de sufrir deformaciones, por lo que es muy frágil. Mal conductor del calor, al calentarse se reblandece y funde, aunque si el cambio de temperatura que sufre es brusco, entonces se rompe súbitamente. ALUMINIO Como metal que es, tiene gran facilidad para la conducción del calor. Pero su comportamiento al fuego es muy malo: su punto de fusión es bajo (comparado con el acero), 650ºC y a sólo 200ºC ya colapsa. Su empleo mayoritario es en carpintería y en perfilaría de sujeción de techos colgantes. PLÁSTICOS Los materiales plásticos tienen múltiples aplicaciones en construcción. En general los plásticos son combustibles, con temperaturas de combustión más altas que la madera y con velocidades de propagación de llama también altas, de 0,5 a 0,6 m/s. La combustión de materiales plásticos genera humos densos, oscuros y tóxicos. Los materiales termoplásticos, al calentarse, se ablandan antes de llegar a su temperatura de combustión y al enfriarse se endurecen; este ciclo de calentamiento y enfriamiento puede ir repitiéndose, pero si no se produce el enfriamiento, al llegar a temperaturas más altas, se funden y fluyen, lo que puede provocar goteo y esparcir más aún el fuego. TEXTILES Algunos materiales textiles, como las fibras artificiales arden a temperaturas bajas (de 250 a 400ºC), mientras que otras, como la lana y sus combinaciones, arden más tarde (de 570 a 600ºC). Una característica de su combustión es que necesitan poco oxígeno para arder, por lo que, una vez desaparecida la fuente de ignición, pueden seguir ardiendo incluso en atmósferas deficientes de oxígeno.
COMPORTAMIENTO DE ELEMENTOS DE NO ESTRUCTURALES
Como hemos descrito anteriormente existen una serie de elementos en los edificios que no poseen ninguna función estructural, a simple vista las lesiones en los mismos son muy aparatosas y con riesgo de caída en ocasiones, nuestra misión será evaluar la situación de las mismas y si es necesario con herramientas de mano proceder a su desmontaje o demolición. Podemos diferenciar los siguientes elementos no estructurales afectados por los incendios: • Falsos techos • Tabiques • Bovedillas 449
• Alfarjías FALSOS TECHOS Como ya hemos comentado anteriormente estos techos no tienen ningún tipo de función estructural y son muy frágiles ante la acción de la temperatura originada por un incendio, por lo que se resquebrajan con facilidad. Habitualmente están constituidos por elementos incombustibles o con muy poca contribución al incendio (A2 ó B), pero casi siempre su resistencia al incendio (EI) es muy limitada. Debemos tener cuidado ya que en su interior pueden existir elementos inflamables que conectan diversas estancias. Al agrietarse con facilidad debemos comprobar su estado de fijación por si es necesario su desmontaje o demolición. TABIQUES Son paredes divisorias sin función estructural, formadas normalmente por ladrillos o placas de yeso laminado (en ocasiones en su interior encontramos aislamientos acústicos y térmicos) son muy frágiles a la temperatura y se agrietan y derrumban con facilidad. Debemos inspeccionarlos por si es necesario su desmontaje o demolición. Son elementos incombustibles, en función del espesor utilizado tienen una resistencia al fuego según indican las tablas existentes en el CTE DB SI Anejo F. BOVEDILLAS Elementos colocados entre viguetas resistentes en forjados, no poseen una función estructural, suelen ser de hormigón, cerámicas o de poliestireno expandido. Muy frágiles ante las temperaturas alcanzadas por un incendio se agrietan y se caen con cierta facilidad. Es necesaria una inspección de las mismas para ver si es necesario su desmontaje. Las bovedillas de hormigón y cerámicas son incombustibles clasificadas como A1 en cambio las de poliestireno pueden generar una gran cantidad de humos tóxicos en un incendio sino están adecuadamente protegidas por otros elementos (capa de yeso ó placas resistentes al fuego). ALFARJÍAS Pequeñas vigas de madera que sujetan los ladrillos en construcciones de madera tipo ladrillo por tabla, su función es por tanto la de sujetar los ladrillos y no la de resistir los esfuerzos de la estructura. Al tener una pequeña sección se queman en su integridad con facilidad por lo que es necesaria su inspección por si hay que desmontar algún ladrillo no sujeto.
IGNIFUGACION DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES
Ignifugar un material es darle el tratamiento adecuado para que mejore la reacción al fuego del mismo. Puede conseguirse por diferentes métodos que pueden agruparse en las siguientes clases: • Por cubrición: o Rellenando los poros del material. o Formando espumas. • Por emisión de gases no inflamables. 450
• Por modificación del proceso de combustión. Estos métodos se aplican en unos casos antes de la propia fabricación del material o producto, en otros casos después de la conformación del producto, como una última etapa de su proceso de fabricación, y en otros casos pueden aplicarse in situ. Para las estructuras son usuales los métodos de ignifugación por cubrición. Uno de ellos es el uso de pinturas intumescentes; tras su aplicación se presenta como una película de pintura de 0,5 a 4 mm de espesor; pero al subir la temperatura hasta 100-200ºC, la capa de pintura se hincha, transformándose en una capa de espuma de 30 a 40 mm que aísla térmicamente la estructura o el elemento al que protegía. Su principal ventaja reside en la facilidad de aplicación, pero sus inconvenientes están en las precauciones que requiere: superficies limpias y secas, protegidas previamente con imprimación anticorrosivo, aplicación en capas sucesivas, etc. En su empleo para la protección de estructuras metálicas se consigue una clasificación de la resistencia al fuego de R-30 y en algunos casos mayores.
Otra opción de recubrimiento está formada por los productos proyectados directamente sobre el elemento metálico. Son morteros compuestos por fibras minerales aglomeradas por un ligante o cemento (densidad menor de 250 kg/m3) o bien morteros más densos (hasta 900 kg/m3) de yeso y perlita, cal y vermiculita o cemento y vermiculita. Pueden proporcionar resistencias al fuego altas, hasta R-240.
451
La tercera opción de ignifugación por recubrimiento está en el empleo de productos en placa para rodear al elemento estructural a proteger. Se fabrican a base de fibras minerales y silicatos cálcicos, y otras sólo con yeso. Fáciles de montar. Ofrecen valores altos de resistencia al fuego, hasta R-240. En algunos casos, el apantallado de los elementos estructurales es completo, por ejemplo en techos suspendidos, en los cuales la viga metálica queda interpuesta entre la pantalla de protección y el forjado en un falso techo, o bien pilares integrados entre dos tabiques; en esas soluciones, la pantalla provee otras funciones, como el aislamiento térmico, acústico y la estética.
Existen otras muchas soluciones constructivas para mejorar el comportamiento ante el incendio de las estructuras metálicas, en base a combinaciones con recubrimientos a base de hormigón o albañilería. También para la protección de conductos de ventilación, sellado de penetraciones, etc. A modo de resumen: • Las pinturas intumescentes reaccionan a la elevación de la temperatura, generando una espuma o intumescencia de naturaleza carbonosa que aisla la estructura, manteniéndola fría temporalmente. • Los ignifugantes (sólo aplicables a estructuras de madera), son aditivos que se aplican a la madera para retardar la aparición de gases combustibles. • Los paneles de lana de roca constituyen una barrera contra el fuego gracias a la baja conductividad térmica de este material, y la elevada temperatura de fusión. • Las placas de fibro silicato basan su resistencia al fuego en el tiempo que tardan en deshidratarse, que depende asimismo del contenido de otros materiales como lanas minerales, perlitas o vermiculitas. • Los morteros protegen las estructuras tanto por resistencia térmica como por su poder refrigerante durante la deshidratación del agua contenida según sea el material del que están compuestos. 452
Los ventajeas y desventajas de los sistemas habituales de protección estructural son los siguientes: • Pinturas intumescentes o No aportan sobre peso a la estructura o La instalación es sencilla o Fácil mantenimiento o Únicamente se consiguen bajas protecciones de la estructura, habitualmente, 60 minutos, aunque en caso de masividades muy bajas pueden alcanzarse valores mayores • Morteros o Se alcanzan altos valores de protección estructural o Aportan un peso a la estructura que puede ser importante. o Reparaciones complejas • Placas o Se alcanzan altos valores de protección estructural o Aportan un peso a la estructura que puede ser importante. o Instalación compleja o Dificultad a la hora de resolver la protección de uniones y nudos IGNIFUGACIÓN DE LA MADERA Puede realizarse durante el proceso de fabricación o posteriormente. En el primer caso se consigue una alta eficacia, al posibilitar mayor penetración del ignifugante, hasta 20 mm, aunque será algo muy variable según especies de madera, humedad, etc. En la fabricación de tableros aglomerados el producto ignifugante es un elemento más en la mezcla con las partículas de madera y las colas. En 453
ambos casos se consigue mantener la eficacia del ignifugante por un periodo de 10 años. Los tratamientos a posteriori consisten en la aplicación de capas superficiales de barnices y pinturas intumescentes con diversos efectos en caso de incendio, aumentando de volumen, emitiendo gases no inflamables e impidiendo el desprendimiento de inflamables. IGNIFUGACIÓN DE PLÁSTICOS El empleo extensivo de materiales plásticos hará que estén presentes en prácticamente cualquier incendio. Los plásticos son materiales sintéticos compuestos por sustancias orgánicas de alto peso molecular; en general todos los plásticos se queman, variando intensidad y velocidad de la combustión según su composición. Ademán en su combustión aparece un elemento que los diferencia de otros materiales y que no debe olvidarse, la emisión de gases de combustión muy tóxicos. La ignifugación de los materiales plásticos se lleva a cabo durante su proceso de fabricación, mediante cambios en la estructura molecular de los productos empleados para su obtención o mediante la adición de elementos ignifugantes en alguna etapa de su proceso de fabricación. Pueden conseguirse varios efectos: reducción de la velocidad de calentamiento, retardo en la descomposición por el calor, emisión de gases que inhiban la combustión, etc.
BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA MF0402_2: Control y Extinción de Incendios. NTP 200: Estructuras metálicas: comportamiento frente al fuego (I) NTP 766: Carga de fuego ponderada: parámetros de cálculo REAL DECRETO 110/2008, de 1 de febrero, por el que se modifica el Real Decreto 312/2005. Real Decreto 2267/2004, de 3 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento de seguridad contra incendios en los establecimientos industriales. REAL DECRETO 312/2005, de 18 de marzo, por el que se aprueba la clasificación de los productos de construcción y de los elementos constructivos en función de sus propiedades de reacción y de resistencia frente al fuego. REAL DECRETO 314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación. VVAA. DIPLOMA EPU SERVICIOS DE PREVENCIÓN, EXTINCIÓN DE INCENDIOS Y SALVAMENTO. UNIVERSIDAD DE VALENCIA 454
LOS ACCIDENTES DE TRAFICO. CINEMATICA DEL ACCIDENTE. TIPOS DE COLISIONES. EL VEHICULO. ESTRUCTURA. LUNAS. AIRBAG. BATERIAS. PRETENSIONADOR DEL CINTURON. LA HOJA DE RESCATE.
LOS ACCIDENTES DE TRAFICO INTRODUCCION
En España los accidentes de tráfico producen varios miles de muertos al año, y muchísimos más heridos graves con secuelas de por vida. En muchos de ellos, son requeridos los servicios de los bomberos para la excarcelación y extracción de las víctimas. La excarcelación también llamada “descarcelación” o “desencarcelación” consiste básicamente en la liberación de las victimas de entre la estructura del vehículo, que como todos sabemos, queda gravemente deformada tras una colisión. Esto se consigue mediante cortes, tracciones, retirada de elementos, etc. sobre el vehículo accidentado. Esta es una tarea para nosotros los bomberos, al poseer las herramientas y técnicas adecuadas a tal efecto. Por otra parte, cuando hablamos de extracción nos referimos a la retirada de la víctima para su atención sanitaria de urgencia (en caso de necesitarla) y traslado al hospital, una vez creado el hueco necesario. Esta tarea se suele realizar generalmente trabajando conjuntamente con los equipos sanitarios. Al intervenir en un accidente de tráfico, todas las acciones han de realizarse siempre con el objetivo prioritario de agilizar la asistencia de urgencia, el evitar agravar las lesiones y facilitar una rápida y adecuada evacuación al centro hospitalario más cercano. La actuación ha de ser una actuación de “calidad”. Los bomberos han de estar formados en las técnicas de excarcelación, en el manejo de las herramientas y contar con conocimientos en primeros auxilios. Es necesario saber aplicar los gestos de supervivencia, realizar una inmovilización y una extracción correcta in situ de las víctimas. En definitiva, ser capaces de servir eficazmente como apoyo al personal sanitario, y en caso de no contar con ellos, saber realizar los primeros auxilios necesarios hasta su llegada
CINEMATICA DEL ACCIDENTE
Hoy en día, los vehículos y las carreteras han evolucionado enormemente. Los vehículos son más potentes y rápidos, las carreteras tienen mejor firme y un trazado menos sinuoso. Sin embargo, esta mejora en las condiciones técnicas tanto de vehículos, como de vías de circulación, traen como resultado un incremento considerable de la velocidad. En nuestro curso de Preparación de bombero + bombero-conductor, hemos visto en el tema de física mecánica, que la cinemática estudia el movimiento de los cuerpos. La ciencia rige todo lo que nos rodea, y concretamente en el estudio de los accidentes de tráfico, la principal causante de daños es la energía cinética. 455
La energía cinética es la energía que posee un cuerpo por el simple hecho de estar en movimiento. La energía cinética depende de la masa del cuerpo y de la velocidad que lleva éste, relacionándose ambos factores, por la siguiente fórmula: 𝐸𝐸𝐸𝐸 =
1 𝑚𝑚 𝑥𝑥 𝑣𝑣 2 2
Para hacernos una idea, pongamos valores a la siguiente fórmula. Tenemos un coche de 1500 kg y estamos parados en un semáforo. Al ser la velocidad = 0, la energía cinética que llevamos es 0. Abre el semáforo y empezamos a rodar con nuestro vehículo hasta alcanzar una velocidad de 50 km/h (13,82 m/s en medidas del Sistema Internacional). En este momento tenemos (1/2 de 1500 kg) x (13,882) = 144.490 Julios de Energía. Es bastante energía, sin embargo, si circulamos a 100 km/h (27 m/s), llevaremos una energía cinética de (1/2 de 1500 kg) x (27,772) 578.250 Julios. Como podemos ver no es el doble de energía que antes, sino mucha más, ya que la energía cinética aumenta exponencialmente con la velocidad. Como podemos imaginar, a mayor energía a absorber, mayores serán los daños tanto en el vehículo como en los ocupantes. La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. En el caso de un accidente de tráfico, la energía cinética que lleva el vehículo antes del accidente se transformará en deformación del vehículo y, cuando ya no pueda absorber más energía, en lesiones de los ocupantes. Nuestro corazón, que tiene un peso aproximado de 350 gramos, a una velocidad de 100 km/h tiene un peso aparente de 31,5 kilogramos. Nuestro hígado, que pesa unos 1800 gramos, sometido a la misma velocidad tiene un peso aparente de 162 kg. Imaginemos las consecuencias sobre estos órganos de una detención brusca. De todo lo explicado, tenemos que entender simplemente, que la velocidad, es causa directa del calibre de las lesiones sufridas por sus ocupantes, al influir directamente en la cantidad de energía cinética portante que se ha de absorber en unas decimas de segundo.
TIPOS DE COLISIONES
Podemos distinguir cuatro tipos básicos de colisiones, aunque un accidente puede ser la sucesión de varias de ellas. Estos tipos básicos son: • Colisión frontal: A pesar del refuerzo de las áreas del compartimento de pasajeros en los vehículos modernos, debemos saber que las pruebas de choque frontal que se le hacen a los vehículos, y que todos hemos visto alguna vez, se llevan a cabo a bajas velocidades. A unas velocidades más altas, la deformación será mayor que la que sufre el vehículo complicando los esfuerzos para realizar el rescate • Colisión lateral: Los impactos laterales generan una alta tasa de mortalidad, ya que existe muy poco espacio entre la parte externa del vehículo y los ocupantes. En la mayoría de los casos la deformación del compartimiento de los pasajeros crea un espacio muy reducido para trabajar alrededor del paciente. Cuando sea posible, los esfuerzos de liberación de la 456
víctima se deben dirigir hacia el lado menos dañado para permitir una mejor y efectiva extracción. • Vuelco: En estos casos, el aspecto más importante para lograr una correcta liberación de las víctimas es hacer una buena estabilización del vehículo. La liberación de los pacientes del vehículo puede ser más complicada si están doblados o sujetos con los cinturones de seguridad. Es muy importante en este tipo de accidentes que el movimiento del paciente sea el mínimo posible. • Colisión por debajo de la carrocería: por ejemplo bajo un camión, los cuales generan un espacio de trabajo muy reducido y habitualmente graves daños.
Por otra parte, en un accidente podemos decir que se producen cuatro impactos: • El impacto del vehículo contra otro objeto (un árbol, otro coche, etc.). • Un segundo impacto va a ser el del cuerpo de los ocupantes del vehículo contra el interior del mismo. • Un tercer impacto será el de los órganos internos de los ocupantes del vehículo que sufrirán fuertes deceleraciones pudiendo llegar a romperse o lacerarse. • Y por último los objetos transportados en el vehículo u otros ocupantes sin sistema de retención podrán impactar contra los ocupantes produciendo nuevas lesiones. Las lesiones que finalmente presenten las personas implicadas en el accidente serán el resultado de todos estos impactos. Dentro de las colisiones, también podemos clasificar los diferentes niveles de atrapamiento a los que se pueden someter los ocupantes en función de la gravedad del impacto: • Atrapamiento mecánico: es aquel en el que el vehículo se encuentra dañado de tal manera que los ocupantes no pueden salir al estar las puertas bloqueadas por la deformación de la estructura del vehículo. Puede ser que no haya heridos o que las lesiones que presenten sean leves. • Atrapamiento físico de tipo I: los ocupantes están lesionados de manera que es necesario crear un espacio adicional para poderlos estabilizar, inmovilizar y retirar del interior del vehículo. Podríamos decir que los heridos están atrapados por sus lesiones. 457
• Atrapamiento físico tipo II: la víctima está atrapada físicamente por elementos estructurales que la tienen prendida, encajada, cogida o confinada. Está físicamente inmovilizada y sepultada por el siniestro.
458
ESTRUCTURA DEL VEHÍCULO
Para poder realizar una excarcelación con seguridad y eficacia, es importante conocer las diferentes partes estructurales de un vehículo, así como los posibles riesgos específicos que nos podemos encontrar en las maniobras. La estructura de un vehículo se compone de un chasis que soporta los elementos mecánicos y la carrocería. A continuación vamos a conocer los diferentes tipos de chasis existentes.
TIPOS DE CHASIS Chasis Independiente
Este sistema es bastante antiguo (digamos desde la fabricación de los primeros vehículos) pero todavía se usa en la construcción de camiones, autocares, todo terrenos y coches con carrocerías de fibra o similares. Este sistema consta de un chasis rígido en el cual va incorporadas todas las piezas mecánicas como el motor, suspensión, dirección, transmisión, etc. Lógicamente el chasis también soporta encima la estructura de la carrocería (normalmente el habitáculo y caja).
Bastidor montado (Chasis independiente)
Cuando el bastidor ha recibido todos los órganos mecánicos forma un conjunto denominado chasis. Generalmente, la carrocería va atornillada al bastidor a través de unas juntas de caucho, quedando perfectamente fijada. Este sistema presenta una gran versatilidad, permitiendo conseguir: tanta robustez como se desee, soportar grandes esfuerzos estáticos y dinámico. 459
Estos chasis (bastidores) separados de la carrocería suelen ser más resistentes que el conjunto de una carrocería autoportante, por lo cual aun se emplean para vehículos de carga. Estos bastidores normalmente están fabricados por travesaños de acero longitudinales y transversales, formando una estructura muy sólida y resistente. Chasis Autoportante (Semi o Monocasco) El sistema de carrocería autoportante es el más usado actualmente en la fabricación de automóviles por los motivos de reducción de peso, flexibilidad y coste. Puede ser Semi-Monocasco o Monocasco en función de si sujeta parte o toda la carga estructural del vehículo. Carrocería Autoportante = Carrocería que se soporta ella misma.
Carrocería autoportante - Monocasco 460
Casi todas las piezas de acero de las carrocerías monocasco están unidas por medio de puntos de soldadura aunque hay infinidad de modelos que gran parte de esas piezas van unidas por medio de tornillería para una sustitución menos problemática y rápida.
Este tipo de carrocerías es sometido a muchas pruebas y estudios antes de su comercialización debido a que todas las piezas que la conforman colaboran entre sí para una buena rigidez y a su vez dar flexibilidad.
ANILLOS LONGITUDINALES (LARGUEROS) Y TRANSVERSALES (POSTES)
Tal y como acabamos de ver en el punto anterior, la estructura de un vehículo, debe poder absorber la máxima energía posible, deformando su estructura al máximo, pero sin llegar a afectar a la cédula de habitabilidad. Esta cédula que actúa a modo de armazón de protección para los ocupantes, generalmente está formada por dos anillos longitudinales que se cruzan con varios anillos transversales en función del tipo de vehículo. Los vehículos de dos puertas tienen generalmente dos anillos transversales, los de cuatro puertas tienen tres, los vehículos tipo todo terreno o monovolumen tienen cuatro, etc. Estos anillos se identifican de la siguiente manera: • Longitudinales: Izquierdo y derecho (lado del conductor y lado del acompañante) • Transversales: A, B, C, D, etc. (Comenzando por el frontal del vehículo)
461
En la excarcelación, por norma general, denominamos “poste” o “pilar” al tramo de estos anillos comprendido entre el larguero inferior y el techo del vehículo. Siendo más estrictos se denomina poste o pilar a la parte del poste que va desde el suelo hasta la zona donde comienzan los cristales y “montante” a la zona que resta hasta el techo. Estos postes, no tienen la misma sección en todo su recorrido, siendo diferentes incluso entre ellos. Los diferentes métodos de aplicación del material en un vehículo son los siguientes: • Perfilería • Panelado • Extrusionado
462
La reacción al atacar alguna de estas partes del vehículo será diferente según sea el tipo. De ese modo, no podremos apoyar el cilindro RAM sobre zonas paneladas, y podremos usar la cizalla en perfilería sin problemas.
MATERIALES CONSTRUCTIVOS Y REFUERZOS
El material constructivo de estos elementos es acero laminado y reforzado en algunos puntos, generalmente, donde se emplazan los elementos mecánicos o las uniones de pieza de carrocería, como son: techo, hueco de puertas, faldones delanteros y traseros, hueco motor, etc. El grosor de la chapa en general oscila entre 0,4 mm. y 0,8 mm., y en refuerzos de 1 mm. Las partes estructurales que no llevan refuerzos, se pueden atacar con las herramientas sin mayor problema (exceptuando los riesgos específicos que estudiaremos mas adelante), sin embargo, para las zonas reforzadas, con objeto de poder ofrecer una mayor seguridad para los ocupantes sin influir en el peso del vehículo, se están desarrollando nuevas aleaciones, que aumentan considerablemente la resistencia de las estructuras, siendo a su vez mas difícil su manipulación con las herramientas de rescate.
463
Sección de un poste antiguo sin refuerzo
Sección de un poste actual reforzado
Los nuevos materiales empleados en los refuerzos estructurales, son aceros tipo: HSS (High Strength Steel): Aceros de alta fuerza con molibdeno y tungsteno (también puede tener vanadio y cromo), HSLA (High Strength Low Alloy): Aceros de alta fuerza de aleación baja, contienen solamente un porcentaje muy pequeño de carbón. Un acero típico de HSLA puede contener 0.15% carbones, 1.65% manganeso y niveles bajos (debajo de 0.035%) de fosforo y sulfuro. También son muy usados los refuerzos de aleaciones al Boro (Micro-Alloy y Boron), y últimamente UHSLA (Ultra High Strenght Low Alloy). Los refuerzos de boro, pueden llegar a tener grosores de 2,75 mm. Ejemplo de refuerzos de acero al Boro
Todas las zonas amarillas que se aprecian en la imagen son refuerzos en acero Boron y Micro Alloy, donde usualmente se realizan cortes en la excarcelación, y que sin herramientas muy potentes, no podrían ser cortados.
464
TIPO DE ACERO FUERZA DE CORTE REQUERIDA MS hasta 110 kN HSS hasta 180 kN MSLA entre 110 y 180 kN HSLA Entre 180 y 320 kN Micro-Alloy y Más de 340 kN Boron UHSLA Más de 350 kN Las cizallas hidráulicas habituales en los servicios de bomberos, poseen una fuerza de corte en las cuchillas de entre 250 y 300 kN (Esta fuerza es referida a la parte posterior de las cuchillas, disminuyendo a medida que se aproxima a las puntas de estas). El problema de esto, no es tanto que no podamos cortarlo sino que no sabemos que no podemos cortarlo y emplearemos un valioso tiempo intentándolo hasta desistir.
465
VEHÍCULOS DESCAPOTABLES
En los vehículos descapotables, no existe montante B (si existe pilar B), y por ello, se refuerza considerablemente el pilar A, con aceros de alta resistencia o incluso boro, que no pueden ser cortados por las cizallas habituales. Por tanto, ante una excarcelación de este tipo, nos veremos obligados o bien a evitar su corte, o a cortarlo por otros medios (radial, oxicorte, etc.).
Por otra parte, al no haber techo, para sustituir la falta de resistencia, se instalan unos arcos metálicos de protección denominados ROPS (Rollover Protection System) o URSS (UberrollSchutzsystem) en alemán. Estos arcos pueden ser fijos o activarse de forma automática al detectar el vuelco.
466
Nuevamente, estos refuerzos, no pueden ser cortados mediante herramientas hidráulicas.
IDENTIFICACION DE LAS PARTES ESTRUCTURALES
A continuación, vamos a conocer las zonas y términos utilizados para denominar las diferentes partes estructurales de los vehículos.
467
468
OTROS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS Y DE SEGURIDAD LUNAS
Otro elemento que debemos conocer, importante a la hora de excarcelar, son las lunas de los vehículos. Las lunas deberán ser retiradas, en muchas ocasiones para la creación de hueco y debemos saber que están compuestas por diferentes tipos de vidrios, y cuál es la manipulación en cada caso. Actualmente los fabricantes de vidrio disponen de una amplia gama de productos con diferentes funcionalidades que se aplican a las lunas de los automóviles. Estos vidrios están sujetos a condiciones sustancialmente diferentes al resto de los vidrios convencionales, debido a las propias exigencias que tienen asignadas como componentes de la carrocería.
469
Las principales características que deben poseer son las siguientes: • Resistencia frente a los esfuerzos externos e internos que se producen por motivo de los incidentes ocurridos en las condiciones normales de circulación, por los factores atmosféricos y térmicos, agentes químicos, combustión o abrasión. • Transparencia suficiente que permita una perfecta visión y no provoque ninguna deformación notable de los objetos vistos a través de ellos, ni confusión alguna entre los colores utilizados en la señalización vial. • Una reducida transmisión térmica hacia el interior del vehículo. La formación de un exceso de calor en el habitáculo equivale a una reducción del confort de los pasajeros. • Y en caso de rotura, los vidrios deben poseer características que minimicen al máximo las lesiones de los ocupantes permitiendo al conductor seguir viendo la carretera con suficiente claridad. Estas características se toman en cuenta en el Reglamento nº 43 y directiva 92/22/CEE, donde se marcan las pruebas y ensayos a los que deben ser sometidos los vidrios para poder ser instalados en los vehículos a motor. Estas funcionalidades o propiedades adquiridas actualmente por las lunas, se han conseguido a través de una constante evolución y desarrollo de la tecnología de fabricación de los vidrios. Nosotros solamente nos vamos a fijar en los tipos de vidrios en función de su resistencia y características de rotura, ya que las condiciones de confort y demás, no nos son de interés en la excarcelación. Actualmente se instalan en los vehículos, tres tipos de cristales: vidrio templado, vidrio laminado y EPG. Vidrio templado Una luna fabricada con vidrio templado está formada por una lámina de vidrio endurecida mediante un tratamiento térmico a 600ºC, que al enfriarla bruscamente adquiere propiedades mecánicas que le dan una mayor resistencia a los golpes frente al vidrio estándar. El vidrio templado presenta un característica importante a tener en cuenta, cuando rompe lo hace en numerosos pequeños fragmentos que impiden la visibilidad a través de él, y además no opone resistencia a su penetración de forma que puede entrar en el habitáculo de pasajeros los objetos causantes de su rotura.
470
Este tipo de vidrio se utilizó inicialmente para las lunas parabrisas y el resto de lunas de los vehículos, pero debido a las buenas cualidades del vidrio laminado (resistencia y tipo de rotura) su uso ha quedado restringido a las lunas laterales, traseras y techos. Vidrio laminado Se trata de un vidrio que está compuesto por una lámina de polivinilo butiral de 0,76 mm, situada entre otras dos láminas de cristal de 2,1 mm, todas ellas unidas por la acción combinada del calor y la presión. En total el espesor es de 5 mm., y pesa aproximadamente un 10% menos que el vidrio templado, lo que supone una reducción de más de 3,5 kg. en total para el conjunto de cristales laterales y luneta trasera de un vehículo de tamaño medio. Está homologado para su utilización en todas las ventanas del vehículo por la ONU en el Reglamento 43 (R43).
471
En caso de rotura de la luna, los fragmentos de vidrio quedan unidos a la lámina de plástico ofreciendo una mayor resistencia a la entrada de objetos al interior (seguridad de bienes y personas) que los vidrios templados. Su aplicabilidad es a todas las lunas del vehículo, aunque generalmente en los vehículos estándar se suelen instalar en los parabrisas y frecuentemente en las lunas traseras, manteniendo para las lunas laterales los cristales templados.
472
EPG Las siglas EPG significan (Enhanced Protective Glass) y son la denominación propuesta por una empresa para representar la nueva categoría de vidrio laminado aplicado a las ventanas laterales y traseras de algunos de los vehículos más modernos y avanzados del mercado. Este tipo de cristales suele estar formado por dos láminas de cristal de 2,1 mm y una de polivinilo butiral de 0,76 mm formando un grosor conjunto de 5 mm. Policarbonato Algunos fabricantes están considerando el uso de materiales de policarbonato para sus ventanas. Solo se utiliza en ventanas que no se muevan como las ventanas laterales de las minivans o los techos solares.
473
Formas de retirar las lunas según el tipo de vidrio
Vidrio templado La forma más fácil y directa de retirar una luna templada (por ejemplo cualquiera de las ventanas laterales de un coche estándar), es romperla. Como acabamos de ver, el vidrio templado se fragmenta en múltiples pedazos al ser golpeado. Antes de romper cualquier cristal es importante cubrir a la víctima con una manta o protecciones rígidas (lágrimas), para evitar que resulte perjudicada.
Para romper un cristal templado podemos usar martillos específicos o punzones percutores que al ser comprimidos contra el cristal, generan un pequeño rebote a alta frecuencia que fragmenta el cristal por completo.
Vidrio laminado/ EPG El vidrio laminado no podremos romperlo, debido a lo que acabamos de ver respecto a su estructura, por lo que tendremos que retirarlo entero o cortarlo. Dependiendo de su colocación en el vehículo, podremos retirarlo cuando vaya calzado con juntas de goma, que se pueden cortar con una navaja y descalzar el cristal completo.
474
Luna calzada
Luna pegada
Sin embargo si el cristal va colocado pegado sobre la carrocería, no tendremos más remedio que cortarlo. Antes de cortarlo, tendremos que proteger nuevamente a las víctimas, no solo por las virutas que puedan caerle sino también por un polvo tóxico que es desprendido al serrarlo. Algunos servicios de bomberos utilizan espuma de afeitar o similar, para aplicar en la zona donde se va a realizar el corte, para que el polvo quede retenido por ésta y evitar intoxicaciones. Para cortar un vidrio laminado, primero tendremos que crear un orificio para introducir la sierra, ya sea manual o de vaivén. Para ello, podemos efectuar un corte con la cizalla hidráulica en los postes que sujetan el cristal y con esto crearemos la apertura necesaria a ambos lados para introducir la sierra y proceder a su corte.
IDENTIFICACION DEL TIPO DE VIDRIO Los vidrios para lunas de automóviles, son homologados por la ONU en el Reglamento 43 (R43). Una vez han superado todos los ensayos correspondientes, los vidrios deben llevar una marca legible, indeleble y en zona visible, que estará formada por una serie de dígitos y simbolos que nos permitirán identificar el tipo de vidrio de que se trata. Los vidrios laminados llevaran la palabra “laminated” o el símbolo //.
475
BATERIAS
En un accidente las baterías pueden representar un elemento peligroso, ya que pueden provocar cortocircuitos, así como alimentar la bomba de inyección de combustible o los airbag, y provocar que empeore considerablemente el escenario de trabajo. Por lo tanto, generalmente, se tomará como medida de prevención al llegar a un siniestro, la desconexión de la batería del vehículo accidentado. Esto se puede llevar a cabo o bien desembornando o cortando el polo negativo. Es importante cortar o desembornar primero el negativo, debido a que éste funciona como masa y tiene el mismo potencial eléctrico que la masa metálica del coche, por ésta razón si hay un contacto de la que se corta el cable con el metal del coche, no pasa nada porque el cable neutro ya está conectado a esta masa, sin embargo si cortásemos primero el cable positivo y tocásemos con la herramienta una parte metálica, se produciría un chispazo que podría generar un incendio u otros daños. Al hacerlo al revés, una vez cortado el negativo, el cable positivo no ocasiona riesgo. También es preferible desembornar antes que cortar, ya que puede sernos de utilidad en algún momento de las maniobras la electricidad del vehículo para por ejemplo abrir el maletero o bajar una ventanilla, etc. Para identificar cual es el cable negativo, nos fijaremos en que el borne positivo suele tener una pieza roja para identificarlo, por otra parte la batería llevará unas pegatinas o indicaciones con el signo + y -, siendo además el cable negativo de menor sección que el positivo.
476
Localización de las baterías En cuanto a su localización, nos podemos encontrar las baterías dependiendo del modelo de vehículo en: • • • • •
El hueco del motor (el más frecuente) El hueco de aguas (entre el motor y el parabrisas) Debajo de los asientos Debajo del suelo del copiloto En el maletero
AIRBAG
El airbag es un dispositivo de seguridad ideado complementariamente junto con el cinturón de seguridad para reducir el riesgo de lesiones a los conductores y ocupantes en la cabeza y parte superior del tronco, consistente en una bolsa que se hincha en caso de deceleración brusca del vehículo para evitar ser arrojados al conductor o a sus acompañantes y evitar que se proyecten contra el parabrisas o la columna de la dirección y otras partes duras de la estructura del vehículo. 477
Muchos modelos modernos incorporan también airbags laterales de cortina, y de techo para una mayor protección. El airbag entra en acción ante un cambio brusco de la inercia general del automóvil, como sucede en caso de un impacto frontal contra un obstáculo u otro vehículo. El llenado de la bolsa se produce mediante una detonación pirotécnica, de modo que se forma un cojín amortiguador entre el conductor o pasajero y los elementos rígidos que tiene delante, amortiguando e incluso evitando el impacto. El airbag se activa mediante un impulso eléctrico conectado a una carga pirotécnica que realiza una pequeña explosión controlada que hincha la bolsa. La bolsa de los airbags, está compuesta principalmente de nylon (poliamidas), un material resistente como para aguantar la onda expansiva generada por la explosión. El sistema que procesa todos estos mecanismos es la unidad de control. Ésta, contiene un acelerómetro que detecta la deceleración, calcula la gravedad de ésta, para saber si es lo suficientemente intensa como para activar el sistema de airbags, y en caso afirmativo, transmite la señal eléctrica a los demás componentes que inician el proceso de activación. La caja electrónica suele ir instalada próxima al centro de gravedad del vehículo (próxima a la caja de cambios).
Funcionamiento del Airbag Cuando un vehículo sufre una colisión frontal a mas de 25-30 km/h (umbral de activación habitual del sistema), el airbag se despliega en un tiempo de 120 milésimas de segundo (aproximadamente lo que tardamos en parpadear) El Airbag no puede depender de la alimentación eléctrica del coche, que en el momento del impacto puede fallar. En lugar de ello, la tensión se acumula en unos condensadores que alimentarán el dispositivo aun cuando falle el resto del sistema eléctrico (pueden mantener la tensión acumulada hasta 15 minutos tras la detención del coche si no se activaron). En caso de accidente, uno o varios acelerómetros electrónicos detectan la brusca deceleración. Un microprocesador evalúa en tiempo ínfimo las condiciones (diferencia entre acelerómetros, intensidad de la deceleración, actividad del ABS, velocidad del coche...) y decide si es un simple 478
frenazo brusco, avería en un acelerómetro o un accidente real. Este paso es más importante de lo que parece, pues si se dispara el airbag innecesariamente puede producirse un accidente real y en cualquier caso el coste de reponer el airbag es elevado. Si no se dispara en caso de accidente... pues no sirve de nada. Cuando el microprocesador decide que es necesario, envía corriente al fulminante eléctrico que inicia la combustión del explosivo sólido del Airbag. Este explosivo es muy especial. En su celerísima combustión se produce una enorme cantidad de gas (99% del cual es Nitrógeno, gas inerte que compone casi 4/5 partes del aire que respiramos) que llena el cojín hinchable a la presión necesaria durante unas milésimas de segundo. Suele presentarse en forma de pastillas por comodidad ya que la envuelta debe estar profusamente perforada para permitir la rápida salida de gases y los granulados escaparían por ella.
El detonador es el elemento responsable de la ignición de los explosivos que contiene el cojín, al recibir una señal de disparo de la unidad de control. Dicha señal provoca un arco voltaico en el interior del detonante. A partir de ese momento se desencadena la combustión del propulsor sólido. Es habitual encontrar cerca del detonador cierta cantidad de pólvora negra para ayudar a que el arco voltaico sea más intenso y se propague uniformemente por el propulsor sólido, evitando de esta manera que se comience la combustión en un lateral del cojín, con la consecuente deformación y pérdida de eficacia. El gas generado sale a través de una rejilla metálica para filtrar las posibles partículas del propulsor sólido sin quemar y además, disminuir la temperatura del gas. Como material propulsante se suele utilizar acida sódica (NaN3) que tiene buenas características para producir gran Cantidad de Gases y una considerable Velocidad y presión de detonación.
Aproximadamente entre 25 y 30 milésimas de segundo tarda el microprocesador en evaluar los datos de los sensores y excitar el Fulminante del Airbag del Conductor. Después de los 30 479
milisegundos empieza a hincharse para quedar lleno (típicamente unos 65 litros) a los 50 milisegundos con una presión de unos 0,05 bar que por el impacto del Conductor alcanza unos 0,6 bar. El suceso del accidente finaliza al cabo de unas 150 milésimas de segundo. Secuencia del Impacto:
480
COMPONENTES DEL SISTEMA DE AIRBAG Unidad de Control Como hemos visto en la introducción la unidad de control presente en todo sistema de airbag es la encargada de disparar el dispositivo de inflado de las bolsas, además de evitar disparos accidentales. Siempre se las ubica en un lugar firme, que permite la efectiva detección de los datos de una colisión, para permitir su reemplazo luego de un eventual accidente (para lo cual es recomendable cambiarla aún si no se inflaron las bolsas de aire) Cuenta con dos tipos de sensores diferentes que hacen posible su funcionamiento: uno de desaceleración y un sensor mecánico de seguridad, ubicados generalmente junto a la central de la unidad de control. 481
El sensor de desaceleración cuenta con un piezoeléctrico que transforma la desaceleración en un impulso eléctrico que cambia su tensión a medida que cambia la presión en el sensor. Cuando se produce un impacto, la fuerza de inercia presiona sobre el sensor cambiando la tensión de salida, informando así la velocidad de colisión mediante cálculos matemáticos realizados por el microprocesador presente en la unidad de control. El sensor mecánico de seguridad actúa como una especie de control, evitando que el sistema se accione en forma accidental. Cojín Hinchable En las siguientes figuras se pueden apreciar la forma de un cojín o bolsa hinchable, así como su constitución interna. 1 Tapa de protección 2 Cojín hinchable 3 Generador de gas 4 Detonador 5 Propulsor sólido 6 Soporte 7 Conexión para bocina
482
Estos cojines están fabricados en nylon (poliamidas), pudiendo estar impermeabilizado con silicona. Tal y como se aprecia en la imagen se guarda plegado en capas.
Generadores de Gas Tal y como hemos visto, los elementos que provocan el hinchado de los cojines, son los cartuchos generadores de gas. Éstos se pueden presentar en forma de generadores químicos o de gas a presión. Los generadores químicos se componen de unas pastillas de Acida Sódica(NaN3) y Nitrato potásico (NO3K) en forma sólida, que al activarse el detonador y producir su combustión, generan la cantidad sufieciente de Nitrógeno (N2) como para llenar el cojín en unas milésimas de segundo. Tendremos que tener precaución y no golpear ni perforar la zona donde se aloja el cartucho generador químico, ya que la acida sódica, es muy tóxica e inflamable y reacciona al contacto con el agua.
483
Generadores de Gas a Presión: Por otra parte, el elemento que provoca el hinchado del cojín pueden ser botellines de gas a presión (200 a 300 bares). Aunque los gases que llevan son inertes (Argón, CO2, N2), a la presión a la que están almacenados, si los cortamos con nuestras cizallas, generarán una explosión violenta, que puede resultar dañina tanto para los ocupantes del vehículo como para los bomberos, por lo que tendremos que tenerlo siempre en cuenta y mirar bien donde cortamos. Estos botellines suelen estar colocados habitualmente en el montante B (Parte superior del pilar B) en el C o en el larguero superior, por lo que antes de cortar, trataremos de comprobar si existe este sistema y realizar el corte con precaución.
484
Generadores Híbridos: También nos podemos encontrar con una mezcla de los sistemas anteriores, integrada en unos botellines que contienen un cartucho de generación químico similar a los anteriores y un depósito de gases inertes a presión.
LOCALIZACION DEL AIRBAG Vamos a ver las etiquetas y lugares de identificación que nos podemos encontrar, para reconocer rápidamente la instalación de airbags en un vehículo y obrar en consecuencia. Los fabricantes incluyen una serie de etiquetas cosidas o grabadas en el propio material, así como pegatinas, con los anagramas y que nos podemos encontrar en: • Airbag del conductor: en el centro del triangulo del volante. • Airbag de acompañante: en el salpicadero en el tapizado. • Airbag laterales: en la zona lateral exterior del respaldo de cada sillón tanto delanteros como traseros. Puede encontrarse también una etiqueta de tela cosida en el mismo lateral. • Cortina de techo: en el techo junto a los soportes laterales.
485
Podemos encontrarnos los siguientes anagramas: • SRS – Supplemental Restraint System (Sistema de Retención Suplementario) • SIR – Supplemental Inflatable Restraint (Suplemento Inflable de Retención) • SIPS – Side Impact Protection System (Sistema de Protección Lateral de Impacto, estas siglas no solo avisan un posible Airbag Lateral “SIPS BAG”, también son utilizadas para informar un refuerzo estructural) • SIRS – Side Impact Restraint System (Sistema de Retención para Impactos Laterales) 486
• • • • •
SPS – Side Protection System (Sistema Lateral de Protección) HPS – Head Protection System (Sistema de Protección para Cabeza) HIPS – Head Inflatable Protection System (Sistema de Protección Inflable para Cabeza) IC – Inflatable Curtain (Cortina Inflable) KPS – Knee Protection System (Sistema de Protección para Rodillas)
Posibles lugares de instalación:
Regla 15-30-60 En la intervención en la que tengamos presente el riesgo de airbags que no se han activado, procuraremos poner en práctica la regla 15-30-60 utilizada para guardar una distancia segura respecto a los airbags sin activar, en función del tipo de airbag: • Airbag lateral (Sidebag-Toraxbag): Mantener la distancia mínima de 15 cm. • Airbag frontal de conductor: Mantener la distancia mínima de 30 cm. • Airbag frontal de copiloto: Éste es el airbag con mayor volumen (120 litros) y por lo tanto habrá que guardar la mayor distancia, manteniendo un mínimo de 60 cm.
Protección de Airbag: Existen habitualmente en los servicios de bomberos, una pieza específica para la protección del airbag frontal del conductor que no se ha activado tras la colisión y por tanto con riesgo de ser activado durante las maniobras de excarcelación. Esta pieza se puede colocar sobre el volante, de forma que en caso de activación accidental, no permitiría el despliegue del cojín.
487
PRETENSIONADORES DEL CINTURON
Los pretensionadores del cinturón, son otro sistema de seguridad que funciona complementariamente con el airbag, y sirven para tensar los cinturones en caso de impacto de forma que el cuerpo no sufra un movimiento brusco que puede dañar seriamente la columna de la víctima. Su accionamiento puede ser mecánico, mediante un muelle o pirotécnico, similar al del airbag, por lo que tendremos que tener las mismas precauciones que con el sistema de airbag. Funcionamiento: Existen diferentes mecanismos con los cuales tensar el cinturón. Uno de los más extendidos es el pretensor pirotécnico, cuyo funcionamiento aparece en el siguiente esquema. El elemento principal de este tipo de pretensores es una cámara llena de gas combustible, en la cual se aloja una pequeña carga explosiva que actúa como detonador. La cámara de gas inflamable se encuentra alojada en un cilindro, en el cual existe un pistón móvil. Cuando el detonador se activa, el gas estalla dando lugar a un fuerte incremento de presión que empuja al pistón. Dicho pistón, al avanzar, hace girar la bobina en la cual está enrollado el cinturón de seguridad. El detonador que pone en funcionamiento todo este sistema es activado por un sensor que detecta la existencia del impacto.
488
Localización: Este tipo de dispositivo, puede ir ubicado en la parte baja del pilar B, parte media del pilar B, en el área de fijación del cinturón delantero, debajo de los asientos delanteros, o para los cinturones traseros en la parte plana comprendida entre los asientos traseros y la luna trasera. Este dispositivo puede actuar sobre el carrete de cinturón o bien sobre el anclaje. Si actúa sobre el carrete, el dispositivo suele ir colocado junto al pilar B o bien en larguero inferior junto al asiento delantero incluso en el mismo asiento. Si actúa sobre el anclaje, el dispositivo suele ir colocado debajo de los asientos.
489
Pretensionador en parte baja del poste B Como norma general no cortaremos la zona del carrete del cinto, realizando el corte en el pilar B, unos 20 cm por encima del carrete.
DEPOSITO DE COMBUSTIBLE
Por último tendremos en cuenta, los depósitos de combustible, ya que pueden dar lugar a que se provoque un incendio durante las maniobras de rescate y empeorar considerablemente la situación. Generalmente van ubicados en la parte trasera bajo los asientos, y su mayor riesgo se puede presentar en choques traseros (por alcance) o vuelcos, en los que se puede generar un derrame. A modo de prevención se debe dejar preparada, según la situación, una línea de agua o espuma en stand-by para ser utilizada rápidamente en caso de incendio repentino.
LA HOJA DE RESCATE
Recientemente se ha desarrollado un sistema estandarizado para identificar diferentes elementos que nos pueden ser de utilidad en la excarcelación, la hoja de rescate. La hoja de rescate es una ficha que incorpora toda la información técnica necesaria para poder excarcelar un vehículo de manera rápida y segura, según el modelo de automóvil correspondiente. Tiene un formato estándar, válido para toda Europa. Al ser un sistema aun en desarrollo y que no es obligatorio todavía por parte del propietario del vehículo, muchas personas ya lo están incorporando en sus automóviles. Identificación y localización: Para saber si un automóvil dispone de hoja de rescate, miraremos en el parabrisas, donde debe llevar una pegatina identificativa del sistema. 490
Por otra parte la hoja de rescate se debe llevar en el parasol del conductor, un lugar estandarizado para que los bomberos lo encontremos fácilmente.
A continuación podemos ver el contenido de una hoja de rescate para un modelo determinado.
491
492
MECANICA DEL AUTOMOVIL. MOTORES DE GASOLINA Y DIESEL. EQUIPOS AUXILIARES DEL MOTOR: LUBRICACION, REGRIFEGRACION, ALIMENTACION, ADMISION Y ESCAPE. ENCENDIDO. ELECTRICIDAD DEL AUTOMOVIL. SISTEMA DE PROPULSION Y TRANSMISION. SISTEMA DE SUSPENSION. SISTEMA DE DIRECCION. SISTEMA DE FRENADO. RUEDAS Y NEUMATICOS.
MOTORES DE GASOLINA Y DIESEL
El motor de un automóvil requiere ser compacto y liviano de peso, que genere gran potencia, sea fácil de manejar, que raramente se averíe y que sea silencioso cuando opere. Por estas razones, los motores de gasolina y diesel son utilizados muy a menudo en automóviles. Por otro lado, la parte principal del automóvil es el motor, donde la potencia es generada para mover el vehículo. Un motor de automóvil incluye equipos de lubricación para cada pieza, de enfriamiento para prevenir el sobrecalentamiento, de combustible para suministrarlo, de admisión y escape para hacer la mezcla de aire-combustible, de arranque para el motor, sistemas de generación de electricidad para producir la que sea necesaria, elementos de purificación de gases de escape para prevenir la contaminación atmosférica y otros dispositivos.
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA: CLASIFICACIÓN. SEGÚN LA IGNICIÓN O ENCENDIDO:
• Motor Otto o de encendido provocado, en los que la combustión se inicia mediante una chispa. Para evitar la combustión espontánea de la mezcla, estos motores no pueden alcanzar grandes presiones en la compresión de la mezcla del orden de 11Kp/cm². Mientras que en los motores de gasoil pueden llegar a alcanzar el doble. • Motor diesel también llamados de aceite pesado o de combustión , en los que la compresión del aire hace que se eleve la temperatura lo suficiente para que el gasoil se autoinflame, el gasoil debe ser inyectado a alta presión en el cilindro del oren de 1.600 a 2.000 bar en la actualidad. Se inyecta del orden de 1gramo de gasoil por cada 18 a 20 gramos de aire (un 30% más que en los de gasolina), por esto se dice que es de mezcla pobre y esto le hace ser un motor más económico y con mayor rendimiento que el de gasolina.
SEGÚN EL CICLO • Ciclo de 4 tiempos, en los que el ciclo termodinámico se completa en cuatro carreras del embolo y dos vueltas de cigüeñal. • Ciclo de 2 tiempos, en los que el ciclo termodinámico se completa en dos carreras del embolo y 493
una vuelta de cigüeñal. SEGÚN LA REFRIGERACIÓN • Refrigeración por aire: en estos motores los cilindros son independientes entre sí, y están rodeados por aletas que aumentan la superficie radiante facilitando la evacuación del calor. • Por liquido, mediante un radiador y un ventilador que fuerza la entrada de este por el radiador cuando el liquido refrigerante llega a cierta temperatura. SEGÚN SU DISPOSICIÓN CONSTRUCTIVA Las formas más comunes son en línea y en V, también pueden llegar a ser en W debido a su gran nº de pistones, incuso a 180º llamados opuestos o bóxer. POR EL NÚMERO DE CILINDROS • Monocilíndricos (uno) • Policilíndricos (dos, cuatro, seis y ocho son los más habituales) SEGÚN LAS CARAS ACTIVAS DEL PISTÓN Los motores comunes tienen una cara activa (de simple efecto), o con dos caras activas de doble efecto (como en los motores de 2 T). SEGÚN LA PRESIÓN DE ADMISIÓN Pueden ser atmosféricos o sobrealimentados. POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE • Motores de explosión: o Gasolina, Gas de petróleo licuado (G.L.P). • Motores diesel: o Gasoil. Las cualidades de estos motores que han causado su gran desarrollo son: • El uso de combustibles líquidos de gran poder calorífico. Gasolina, gasoil los más usados aunque también se usan combustibles gaseosos como el hidrogeno, el metano o el propano. • Rendimientos aceptables, cerca del 50%. • Amplio campo de potencias, desde 0,1 Kw hasta más de 30 MW. 494
Los motores más utilizados son los de combustión interna, en función del carburante utilizado pueden ser: • Motores alternativos: en los que hay un embolo llamado pistón se desplaza alternativamente arriba y abajo. • Motores rotatorios: motor Wankel, mucho menos utilizado. • También existen motores eléctricos y motores híbridos.
MOTOR DE GASOLINA
En este motor una mezcla de gasolina y aire en proporción conveniente es quemada en el interior de los cilindros por medio de un sistema de encendido por chispa. La presión generada es convertida, vía los pistones, bielas y cigüeñal, en fuerza motriz.
TEORÍA BÁSICA
En un motor de gasolina, las bujías encienden la mezcla de aire-combustible consistente de aire y gasolina, creando la combustión en el interior de los cilindros. La presión generada allí empuja al pistón hacia abajo. Este movimiento es convertido por el cigüeñal, al cual los pistones están conectados mediante las bielas en movimiento rotatorio. A fin de obtener fuerza continua desde el motor, es 495
necesario extraer los gases innecesarios creados en los procesos de combustión y suministrar nueva mezcla de aire combustible dentro de los cilindros en una forma cíclica. CICLO TEÓRICO MOTOR DE GASOLINA DE 4 TIEMPOS A fin de que un motor de gasolina se mueva continuamente, el movimiento requerido por la combustión debe ser repetido en una secuencia constante. Primero, la mezcla aire-combustible es tomada dentro del cilindro, esto luego es comprimido y quemado, y después los gases de combustión generados por el combustible quemado son extraídos desde el cilindro. De este modo, un motor en el cual los pistones van a través de 4 carreras -admisión, comprensión, expansión y escape- es llamado un motor de 4 tiempos. Primer tiempo: Admisión Este es el tiempo en el cual la mezcla aire-combustible es arrastrada dentro del cilindro, la válvula de admisión está abierta mientras la válvula de escape está cerrada. Como el pistón se mueve hacia abajo desde el PMS (punto muerto superior) a el PMI (punto muerto inferior), un vacío parcial es creado en los cilindros y la mezcla de aire-combustible es forzada dentro del cilindro por presión atmosférica. En el momento que el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión, en este tiempo el cigüeñal ha girado
media vuelta 180º. Segundo tiempo: Compresión Este es el tiempo en el cual la mezcla de aire-combustible es comprimida. Ambas válvulas, de admisión y escape, están cerradas. Como el pistón se eleva desde PMI a PMS, la mezcla aire-combustible es comprimida. Como resultado, ambas, la presión y la temperatura se incrementan para facilitar la combustión. Cuando el pistón llega al PMS los gases pasan a ocupar el espacio de la cámara de compresión en la culata a una presión de 13-14 bar. (11 Kp/cm²). Y unos 200ºC aprox. una relación de compresión de 10:1 aprox. El cigüeñal ha hecho una revolución completa cuando se alcanza el PMS 360º.
496
Tercer tiempo: Explosión o expansión: Este es el tiempo en el cual el motor genera fuerza motriz para el vehículo. Justo antes que el pistón alcance el PMS durante la carrera de compresión, las bujías encienden la mezcla de aire-combustible comprimida. El quemado del gas a alta presión fuerza el pistón hacia abajo. Esta fuerza se convierte en potencia del motor. De los cuatro tiempos solo el de expansión produce energía. Al final de este tiempo cuando el pistón llega al PMI el cigüeñal a dado otra media vuelta 540º. La presión interior se ha elevado con la combustión, teóricamente y de forma casi instantánea a una presión de unos 23-24 bares (5060 Kp/cm²) y la temperatura en algunos puntos puede ascender a 2000ºC cuando el pistón alcanzo el PMS. Se dice que este ciclo es a “volumen constante” porque se produce la explosión en el PMS, sin que se genere más presión cuando el pistón está bajando, es un impulso instantáneo como un golpe.
Cuarto tiempo: Escape Este es el tiempo en el cual el gas quemado es descargado desde el cilindro. La válvula de escape está abierta y el pistón se mueva hacia arriba desde el PMI al PMS, forzando el gas quemado (gases de escape) desde el cilindro. En el PMS se cierra la válvula de escape y vuelve a empezar el ciclo. En este momento el cigüeñal ha dado 2 revoluciones 720º y se ha completado un ciclo completo del motor.
497
MOTOR DIESEL
En este motor, el aire que es admitido al interior de los cilindros es comprimido al punto donde éste alcanza altas temperaturas. En este momento, el combustible es inyectado en forma pulverizada y a elevada presión al interior de los cilindros, donde es encendido espontáneamente y quemado al entrar en contacto con el aire caliente. La presión generada por este medio es convertida, vía los pistones, bielas y cigüeñal, en fuerza motriz.
CICLO TEÓRICO MOTOR DIESEL 4 TIEMPOS Tiempo 1: Admisión Este es el tiempo en el cual el aire es arrastrado dentro del cilindro, la válvula de admisión está abierta mientras la válvula de escape está cerrada. Como el pistón se mueve hacia abajo desde el PMS (punto muerto superior) a el PMI (punto muerto inferior), un vacío parcial es creado en los cilindros y el aire es forzado dentro del cilindro por presión atmosférica (en este caso no hay mariposa que regule la cantidad de aire que debe entrar como en los motores gasolina ya que debe entrar cuanto más aire mejor). En el momento que el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión, en este tiempo el cigüeñal ha girado media vuelta.
498
Tiempo 2: compresión Este es el tiempo en el cual el aire es comprimido. Ambas válvulas, de admisión y escape, están cerradas. Como el pistón se eleva desde PMI a PMS, el aire es comprimido. Como resultado, ambas, la presión y la temperatura se incrementan (600ºC aprox.) para facilitar la combustión. Cuando el pistón llega al PMS el aire pasa a ocupar el espacio de la cámara de compresión en la culata a una presión de 35 a 40Kg/cm2 y una relación de compresión de 16:1 aprox. El cigüeñal ha hecho una revolución completa cuando se alcanza el PMS.
Tiempo 3: Combustión Este es el tiempo en el cual el motor genera fuerza motriz para el vehículo. Cuando el pistón alcance el PMS durante la carrera de compresión, el gasoil es inyectado en el cilindro a altas presiones (actualmente desde los 1600 bar.) regulado por la posición del pedal del acelerador, la cantidad de gasoil inyectado depende del tiempo de apertura del inyector, el gasoil se inflama en el momento en que entra en contacto con el aire caliente, de esta forma se va quemando al mismo tiempo que entra, no hay una premezcla como en los motores de explosión de gasolina. La combustión del gasoil a alta presión fuerza el pistón hacia abajo. Esta fuerza se convierte en potencia del motor. De los cuatro tiempos solo el de expansión produce energía. Al final de este tiempo cuando el pistón llega al PMI el cigüeñal a dado otra media vuelta. La presión interior se ha elevado con la combustión, teóricamente y de forma casi instantánea hasta 50 a 90 Kg/cm². Según la forma de la culata llega a ser el doble que los de gasolina.
Tiempo 4: Escape Este es el tiempo en el cual el gas quemado es descargado desde el cilindro. La válvula de escape está abierta y el pistón se mueva hacia arriba desde el PMI al PMS, forzando el gas quemado (gases de escape) desde el cilindro. En el PMS se cierra la válvula de escape y vuelve a empezar el ciclo. En este momento el cigüeñal ha dado 2 revoluciones y se ha completado un ciclo completo del motor.
499
DIFERENCIAS Tipo de ciclo Combustible Se introduce mezcla de Inflamación por Sistema de encendido Relación de compresión Carburador Explosión/com bustión Equipo de inyección Construcción Tiempo en el que entra el combustible al cilindro.
TIPO DE MOTOR GASOLINA/EXPLOSIÓN DIESEL/COMBUSTIÓN Otto Diesel Gasolina Gasoil Aire/gasolina
Solo aspira aire
Chispa
Autoinflamación
Si
No
De 6,5:1 a 11:1 Si De toda la mezcla Existen dos opciones carburador o inyección (actualmente en la mayoría de motores) Ligera y simple Tiempo 1 admisión
De 12:1 a 22:1 (promedio de 16:1) No A medida que entra el gasoil Siempre Pesada Tiempo 3 combustión.
CONSTRUCCIÓN BÁSICA
Si se intentara categorizar al motor por su configuración, este puede ser dividido en el bloque motor, en el cual la presión generada dentro de la cámara de combustión es convertida a movimiento rotatorio, y en el equipamiento de accesorios, los cuales asisten y controlan la operación del bloque motor.
500
BLOQUE MOTOR
Las siguientes piezas trabajan en el cuerpo principal del motor: • Bloque de Cilindros: Es la parte fundamental del motor que forma su estructura. • Culata de Cilindros: Esta proporciona la cámara de combustión y el mecanismo de válvulas. • Pistones: Estos reciben la presión generada por la combustión del combustible y se traslada de arriba hacia abajo en los cilindros repetidamente. • Bielas: Estas transmiten la presión de la combustión recibida por los pistones al cigüeñal. Los engranajes de distribución y la correa de distribución mueven al eje de levas. • Cigüeñal: Este convierte el movimiento de arriba hacia debajo de los pistones en movimiento rotatorio. • Árbol de levas: Este abre y cierra las válvulas de admisión y escape. • Volante del Motor: Este facilita las rotaciones del motor. • Carter de Aceite: Este recolecta y almacena el aceite de motor.
EQUIPAMIENTO DE ACCESORIOS
El equipo de accesorios principales del motor tiene los siguientes nombres y funciones: • Equipo de Lubricación: Este lubrica las superficies de las piezas metálicas movibles en el motor. • Equipo de Enfriamiento: Este enfría el motor • Equipo de Combustible: Este suministra la cantidad necesaria de combustible para la combustión. • Equipo de Admisión y Escape: Este suministra aire para la combustión y extrae los gases para la siguiente combustión. • Equipo de Encendido: Este enciende la mezcla aire-combustible y la quema 501
• Equipo de Carga: Este mantiene la carga óptima de la batería. • Equipo de Arranque: Este gira el arrancador y arranca el motor. • Equipo de Purificación de Gases de Escape: Este limpia los gases de escape. BLOQUE DE CILINDROS Y CULATA DE CILINDROS El bloque de cilindros y la culata de cilindros son las partes principales del motor. Los pistones, el cigüeñal y otros componentes importantes son ensamblados en el bloque de cilindros, y el sistema de admisión y escape, mecanismo de válvulas, cámara de combustión, bujías y otras partes las cuales tienen un mayor impacto en el rendimiento, han sido ensambladas en la culata de cilindros.
Bloque de Cilindros El bloque de cilindros forma el armazón del motor. Generalmente está hecho de hierro fundido, pero a fin de reducir el peso, así como para mejorar la eficiencia de enfriamiento, muchos son hechos de aleación de aluminio. En algunos motores en las oquedades de los cilindros se insertan unas camisas de fundición aleada permitiendo así su sustitución en caso de avería (en el caso de las camisas húmedas, las camisas secas se rectifican al igual que los cilindros que no llevan camisas). Cuanto mayor sea el nº de cilindros más regular será la marcha del motor, el más utilizado es el motor de 4 cilindros en línea. Las partes principales del bloque de cilindros son las siguientes: Cilindros: estos son los tubos cilíndricos en los cuales los pistones se mueven arriba y abajo. En su interior se producen los cuatro tiempos. La medida interior de su diámetro se llama calibre. A la 502
distancia que recorre el pistón dentro del cilindro se le denomina carrera, es la distancia entre el PMI y el PMS. Para calcular la cilindrada de un motor debemos conocer las medidas del diámetro del cilindro “calibre” y la carrera, de esta forma conoceremos la cilindrada unitaria (C.U.) es decir la de cada cilindro. La formula es: C.U. = 3,14 x R² x C. Siendo R el radio del cilindro, C la carrera.
Si queremos saber la cilindrada total basta con multiplicar la C.U. x Nº de cilindros. La cilindrada se expresa en centímetros cúbicos (c.c.) o en litros, puesto que hablamos de volumen. Cuando hablamos de un motor y decimos que tiene 2.000 c.c. estamos hablando de lo que se conoce como “cilindrada nominal” es decir un motor de 1.990c.c. que es la cilindrada que obtendríamos al hacer los cálculos, las marcas identifican los motores diciendo que tiene 2.000 c.c. Para calcular la relación de compresión deberemos conocer el volumen de la cámara de compresión (V₂) y el volumen total del cilindro (V₁) es decir la cilindrada unitaria, con lo que: Relación de compresión (ρ) =
Par motor: es el valor que resulta de multiplicar la fuerza que transmite el pistón sobre el cigüeñal a través del mecanismo de la biela por el brazo de palanca del cigüeñal que viene determinado por una semicarrera expresada en metros (mkg). El esfuerzo ser mayor cuanto más lleno este el cilindro y esto sucede a un régimen medio de revoluciones, hasta este punto el par motor aumenta con el nº de r.p.m. y el llenado de los cilindros, hasta llegar a un punto que las velocidades del motor son tan elevadas que el llenado del cilindro y la combustión del combustible empiezan a ser incompletos con lo que el par motor cae.
503
Elasticidad: cuando un motor mantiene un par motor similar durante un rango amplio de revoluciones se dice que es un “motor elástico”. Ej: un motor elástico seria un motor que mantuviese un valor de par motor no inferior al 85% de este desde unas 1.700r.p.m a 4.500r.p.m. Potencia: la potencia es el trabajo realizado por el motor en la unidad de tiempo, las unidades de potencia son el Caballo Vapor CV y el Kw(S.I.M.). La potencia depende del par motor y del nº de r.p.m. puesto que es el producto de ambos. La formula de la potencia es : P = C x n / 716,2 P = potencia en CV C= par motor en Kgf.m (trabajo) n= nº de revoluciones motor. Sabiendo la potencia, podemos calcular el par: C = 716,2 x P/ n La potencia del motor, es una medida que se calcula de forma indirecta, es decir , aplicando las formulas después de recoger la información necesaria en el banco de pruebas. Si la cifra figura en CV se multiplica esa cifra por la constante 0,736 y el resultado son Kw. (1cv=0,736 Kw). Medidas de potencia 1CV = 0,986 HP 1 HP= 1,014 CV 1KW= 1,359 CV 1CV = 0,736 KW 1KW = 1,34 HP 1HP = 0,746 KW Potencia especifica: es la relación entre la potencia erogada y la cilindrada total, cv/litros. Potencia fiscal: se trata de un valor puramente administrativo. P.fiscal = 0.08 (π/4.D2.L) elevado a 0.6 = CV fiscales. Rendimiento: Es la proporción que existe entre la energía suministrada por el combustible y la potencia efectiva desarrollada en el motor por esa energía. (Kcal/kg). El rendimiento es directamente proporcional a la potencia obtenida e inversamente proporcional al consumo de combustible. 504
Existen varias clases de rendimientos: r. Mecánico (perdidas entre un 10 y un 15%), r. Térmico (perdidas del 40% en gasolina y del 45% en diesel, r. Efectivo (mide el combustible quemado), r. Volumétrico (proporción entre la mezcla que entra y la cilindrada unitaria). Consumo específico: Expresa el consumo en gramos de combustible por caballo de potencia efectiva y hora de funcionamiento (g/cv-h), este es uno de los mejores exponentes de su rendimiento. En el bloque motor también se encuentran: • • • •
Orificio para la bomba de refrigeración. Cavidades para que circule el liquido refrigerante. Apoyos para el cigüeñal, a estos apoyos también se los denomina bancada. Apoyos para el árbol de levas cuando este va montado en el bloque OHV
• Camisas húmedas: en algunos motores en los huecos destinados a los cilindros se introducen unas camisas de aleación, en este caso el refrigerante del interior del bloque si tiene contacto directo con las paredes exteriores de la camisa. Estas camisas llevan unos anillos de cobre en la parte superior y de caucho sintético en la parte inferior para evitar que salga el agua del interior del bloque. Su gran ventaja es que un deterioro de la camisa por “gripaje” o desgaste excesivo permite su sustitución. • Camisas secas: son forros de acero que se insertan a presión en el bloque, en este caso el agua no está en contacto directo con la pared exterior de la camisa aunque el bloque también tiene orificios en su interior para la refrigeración. En este caso cuando hay una avería o un desgaste pueden rectificarse.
• Galerías de Aceite: estas proveen conductos para la entrega del aceite de motor al bloque de cilindros y culata de cilindros. • Asientos del Cigüeñal: estas partes sostienen al cigüeñal mediante los cojinetes. Número y disposición de los cilindros: Los motores monocilíndricos, son motores con un par inestable. En el automóvil no se usan porque deberían ser motores muy grandes, de gran cilindrada para poder dar una potencia 505
apreciable. Esto es un problema porque todos los órganos móviles deberían se grandes y robustos. Por este motivo se utilizan motores policilíndricos, que están formados por varios cilindros situados en uno o más bloques, y unidos entre sí, cuyas bielas atacan a un solo cigüeñal. La finalidad es la de aumentar la potencia, conseguir una rotación más uniforme y compensar los momentos de inercia de las masas en movimiento. Muchos cilindros de pequeña cilindrada nos aportan las siguientes ventajas: • • • • •
Potencias específicas superiores aumentando el régimen máximo del motor. Mayor uniformidad del motor. Mejor equilibrado de las masas en movimiento, es decir, menores vibraciones. Mejor rendimiento, porque los cilindros son de menor diámetro y permiten altas compresiones.
Las desventajas son: • • • •
Aumento del peso total del motor y su volumen. Empeoramiento del rendimiento mecánico, disminuyendo la potencia. Cigüeñal de mayor longitud, dando problemas de vibraciones torsionales.
El número de cilindros empleados por los constructores es muy variado, suelen ser entre 2 y 12 cilindros, los cuales según están dispuestos en el motor reciben el nombre de V, en línea, y horizontales opuestos (BOXER). En línea: son aquellos que tienen los cilindros dispuestos en línea, uno a continuación del otro y en un solo bloque en posición vertical.
En V: tienen los cilindros repartidos en dos bloques unidos por su base a la bancada, y formando un cierto ángulo. Cada bloque lleva el mismo número de cilindros y atacan todos a un único cigüeñal. 506
En Boxer: tienen sus cilindros dispuestos como en V, con la particularidad de que su ángulo es de 180º.
CULATA DE CILINDROS La culata de cilindros es la pieza que sirve de cierre al cilindro, montada en la parte superior del bloque de cilindros, que en unión con los cilindros y pistones, forman la cámara de combustión. Como en el bloque de cilindros, la culata de cilindros, está hecha de hierro fundido o aleación de aluminio. En la parte superior se alojan en su caso los árboles de levas. Las partes principales de la culata de cilindros tienen los siguientes nombres y funciones: • Cámara de Combustión: esta cámara es donde la mezcla de aire-combustible es comprimida (con una relación de compresión para los gasolina de 6,5 a 11 y para los gasoil de 12 a 22 siendo 16 el promedio) y quemada y donde las bujías de encendido prenden la mezcla airecombustible que es ingresada. En esta cámara también se alojan la bujía en motores de gasolina y los inyectores en motores diesel. • Orificios de Admisión y Escape: estos son conductos a través de los cuales la mezcla airecombustible es entregada al cilindro y a través de los cuales los gases de escape son expulsados desde los cilindros. Ellos son abiertos y cerrados por sus respectivas válvulas.
507
• Galería de Agua y Galería de Aceite: estas proveen conductos para el refrigerante y aceite del motor alrededor de las cámaras de combustión para enfriarlas. • Orden de apriete de los tornillos de culata. Sirven para la unión de la culata su junta con el bloque motor. El apriete de los tornillos se realiza en varios pasos mediante una llave dinamométrica(para dar un par de apriete) y un goniómetro (que mide los ángulos).
• Junta de culata: es la junta más importante del motor, constituye la unión hermética entre la culata y el bloque motor, y entre los circuitos de los gases de la combustión, el circuito de refrigeración y el circuito de engrase. Para identificarse se montan con orificios y muescas. La junta se monta con las letras “TOP” en la parte superior.
508
MECANISMO DE VÁLVULA Disposición de las válvulas en el cilindro Una de las diferencias básicas que podemos encontrar en un sistema de distribución, es la disposición que adoptan las válvulas en el cilindro. De hecho estas disposiciones se estudian convenientemente, para conseguir el máximo rendimiento del motor y ya se han adoptado distintas soluciones, alguna de las cuales ya han caído en desuso. • Sistema SV: válvulas en bloque y árbol de levas en bloque. Este sistema es el principio de todos los demás sistemas. La posición de las válvulas y los colectores no favorece el llenado de los cilindros, además de utilizar una cámara de compresión con tendencia al autoencendido, y de no contar con el mando directo de ataque de las válvulas. Sin embargo el sistema de distribución está simplificado al máximo. Prácticamente en desuso.
• Sistema OHV: válvulas en culata y árbol de levas en bloque. El sistema incorpora las válvulas en cabeza, con lo que el problema de sistema SV queda en parte solucionado. No obstante la configuración del sistema, hace que sea ruidoso y poco eficaz frente a otros sistemas , además de limitar de manera muy evidente el número de revoluciones del motor.
• Sistema OHC: válvulas en culata y árbol de levas en culata. Ubica las válvulas en culata y como que el árbol de levas también se encuentra en la parte superior, permite que la apertura y cierre de la válvula sea casi instantáneo. Adicionalmente las válvulas pueden adoptar diversas disposiciones en la cámara de compresión, según interese para conseguir o aumentar el rendimiento térmico del motor como puede ser la cámara de tipo hemisférico.
509
• Sistema DOHC: válvulas en culata y doble árbol de levas en culata. Actualmente está en alza, una de las ventajas frente al sistema anterior, se caracteriza de utilizar un doble árbol de levas, lo que permite realizar un mayor número de válvulas. Con lo que diseñando una cámara de compresión adecuada y un diagrama de distribución adecuado o mejor, se consigue un sistema de distribución casi perfecto.
ARBOL DE LEVAS Sincronismo de Válvulas
El eje de levas es responsable en gran parte del rendimiento de un motor. Determina el número de revoluciones que se requieren para obtener la mejor respiración. La creación de un buen eje de levas obliga a mucho conocimiento de geometría, cálculo 510
matemático y de mecánica de los gases. A la vez requiere de pruebas prácticas sofisticadas. En motores de carrera el eje de levas es pieza central de una buena preparación. Geometría de Lóbulos de Levas
Tipo Circular: las válvulas abren y cierran a velocidad moderada. Tipo Tangencial: las válvulas abren con mayor aceleración. Tipo Aceleración Constante: las válvulas se abren y cierran acelerando uniformemente. Válvulas Consisten en válvulas de admisión instaladas en los orificios de admisión para abrir y cerrar el conducto para entregar la mezcla de aire-combustible, y en las válvulas de escape, instaladas en los orificios de escape para abrir y cerrar los conductos para el escape de los gases de combustión. Debido a que las válvulas son siempre sometidas a altas temperaturas de los gases e impactos de la explosión de la combustión, ellas deben ser suficientemente fuertes para resistir el calor y los grandes impactos. Las válvulas constan de cabeza y vástago, la zona de contacto donde cierra la válvula se denomina asiento.
De izquierda a derecha tenemos: muelle de válvula, guía de válvula, válvula y retén de guía de válvula. Asiento de válvula Los asientos de válvula son anillos postizos colocados a presión por interferencia (0,08mm) en la culata, sobre los que apoyan las válvulas cuando permanecen cerradas. 511
Siempre están fabricados en un material extremadamente duro, para poder soportar el continuo golpeteo durante el funcionamiento del motor. Se fabrican en fundición gris nitratada aleada con cromo y níquel, y en lo motores que funcionan con gasolina sin plomo con un recubrimiento superficial, denominado estelita (aleación de cobalto, tungsteno y cromo). Los asientos de válvulas se diferencian tres zonas: • Zona interior o superior que puede ir a 75º, 60º o 90º. • Zona media que es la zona principal del asiento y en la mayoría de los casos es de 45º, a excepción de competición que es a 30º igual que las válvulas. • Zona exterior con un ángulo de 20º. La zona interior y exterior del asiento de válvula, sirven para poder ajustar la anchura exacta de la parte central del asiento. Muelles de Válvulas Estos funcionan para cerrar las válvulas, asegurando la respuesta al movimiento de las levas. Balancines Es la palanca que transmite directa o indirectamente el movimiento de la leva a la válvula. Existen dos tipos de balancines, basculantes y oscilantes. Taqués Dependiendo del tipo de distribución, los taqués irán situados o bien en el bloque o en la culata.
• Taqués en bloque: Van situados entre la leva y la varilla empujadora. • Taqués en culata: Se colocan cuando el árbol de levas va montado sobre la culata y el accionamiento sobre las válvulas es directo (no necesita varilla empujadora). Este tipo se coloca encima de la misma válvula. En la actualidad, en este tipo de montaje, se emplean taqués hidráulicos los cuales poseen la ventaja de mantener en todo momento las cotas de funcionamiento evitando de este modo realizar el llamado reglaje de taqués.
512
Existen dos tipos de taqués con posibilidad de reglaje: • Los que incorporan la pastilla de reglaje en el interior del vaso, en este tipo de taqué será necesario extraer el árbol de levas para sacar el taqué de su alojamiento, y extraer o cambiar la pastilla de reglaje. • Taqués con la pastilla de reglaje en la cara exterior y en contacto con la leva. En este tipo de taqué es posible extraer las pastillas levantando levemente el árbol de levas, aunque sea recomendable extraer todo el sistema de distribución. Brazos de Balancines (en motores OHV)
Estos son instalados en la culata de cilindros y son apoyados en el centro por un eje. La mitad de los brazos de balancines siguen el movimiento de la leva, y son, de éste modo, movidos cerca al eje de oscilación formado por éste eje. La otra mitad de los brazos de balancines actúan para empujar las válvulas y abrirlas. Reglaje de válvulas Siempre que el sistema de distribución cuente con balancines o taqués de reglaje por pastilla, será necesario realizar el reglaje de válvulas. Estas cotas de reglaje suelen variar para cada tipo de 513
distribución y de válvula, siendo generalmente mayores las de escape, por estar sometidas a mayor temperatura. PISTONES Y CIGÜEÑAL Un motor de gasolina quema gasolina y obtiene energía térmica. El medio por el cual esta energía térmica es convertida a potencia es a través de los pistones, bielas y cigüeñal. Los movimientos de los pistones para arriba y abajo generados por la presión de la combustión son convertidos por el cigüeñal, vía las bielas, a movimientos rotatorios, de este modo llega la potencia que puede ser utilizada para mover el vehículo.
Pistones El pistón recibe la presión de la combustión por su parte superior llamada cabeza o fondo y su forma depende de la cámara de combustión, en la falda del pistón se aloja en bulón al que se sujeta el pie de biela.
Funciona para transmitir esa energía al cigüeñal vía la biela, al igual que para empujar a los gases de combustión fuera del cilindro. Los pistones son hechos de materiales que puedan resistir altas temperaturas y alta presión. Con la finalidad de reducir el peso para igualar los más altos movimientos para arriba y abajo, aleación de aluminio es la más usada.
514
Partes del pistón • Cabeza: es la parte más pesada y de mayor sección del pistón, y debe ser capaz de transmitir los esfuerzos al bulón. Debido a las temperaturas que se alcanzan en la cabeza del pistón, y en consecuencia a las dilataciones que sufre el diámetro será menor que el de la falda. • Falda: tiene la misión de transmitir el calor al cilindro, y guiar al pistón en su carrera ascendente y descendente. • Alojamiento de segmento: se mecanizan unas ranuras alrededor del pistón de una profundidad determinada para que el aro pueda ser alojado. En el alojamiento del aro de engrase se suelen realizar unos taladros, para el retorno del aceite sobrante de las paredes del cilindro al cárter. • Alojamiento del bulón: es necesario realizar en el pistón un alojamiento para el bulón que unirá el pistón con la biela. Este alojamiento en algunos casos no estará en el centro de simetría del pistón para compensar el desgaste de las paredes del cilindro. • Alojamiento de válvulas: en ocasiones cuando los pistones están sometidos a altas relaciones de compresión, y el cruce de válvulas en el motor es importante, se practican unos alojamientos o rebajes en la cabeza del pistón, para evitar que las válvulas choquen con éste doblándose, cuando el pistón se encuentre en p.m.s. y las válvulas en fase de cruce. • Segmentos de Pistón. Los segmentos de pistón consisten en 3 anillos elásticos no cerrados que se colocan con sus aberturas a 120º respectivamente. En primer lugar se encuentran los 2 segmentos de compresión ( al colocado en primer lugar también se le llama de fuego), para prevenir que los gases escapen a través de la holgura entre el pistón y las paredes del cilindro, a continuación se encuentra el segmento rascador de aceite, de engrase, el cual actúa para raspar el exceso de aceite lubricante de las paredes del cilindro y gracias a unas lumbreras (aberturas), de que dispone este segmento, permite que el aceite regrese al cárter.
• Biela: Esta funciona para transmitir la fuerza recibida por el pistón al cigüeñal. Desde que esta varilla está sometida a resistir fuerzas de compresión y fuerzas de extensión mientras el motor está funcionando, los materiales que son usados tienen suficiente resistencia siendo al mismo 515
tiempo livianos de peso como los pistones. En una biela se distinguen tres partes: pie, cuerpo y cabeza, se llama pie de biela al extremo con que se une al bulón y cabeza de biela al extremo que se une con el cigüeñal mediante la muñequilla.
• Bulón: El bulón se encarga de mantener unidos el pistón y la biela. Está sometido a esfuerzos de corte y compresión, por lo que se construye del mínimo diámetro posible, hueco en su interior y en acero cementado. En función del sistema de montaje, se pueden montar de tres tipos: solidario a la biela, solidario al pistón y flotante.
Cigüeñal (también llamado eje motor o árbol motor) Este eje funciona para convertir los movimientos para arriba y abajo generados por la carrera de combustión de los pistones en cada uno de los cilindros en movimientos rotatorios. El cigüeñal también trabaja para generar movimientos continuos para suministrar movimiento a los pistones en las otras carreras. Del giro del cigüeñal obtienen su movimiento por medio de engranajes, cadenas o correas se mueven los de refrigeración, generador de corriente y compresor de aire acondicionado. En uno de los extremos del cigüeñal se monta el volante de inercia. El cigüeñal también dispone de unos contrapesos colocados en sentido opuesto al de los codos con la finalidad de asegurar un correcto equilibrado del cigüeñal. En estos contrapesos se realizan orificios de equilibrado, para ajustar el equilibrado del cigüeñal se realizan unos taladros de diferente profundidad, y normalmente el mismo diámetro en los extremos de los contrapesos.
516
• Arandelas de juego axial (lateral): Es necesario el uso de más arandelas que limiten el juego lateral del cigüeñal.
• Apoyos: Son los puntos de apoyo del cigüeñal y sobre los que gira. Suele haber en un cigüeñal un numero de apoyos igual que de pistones menos uno. • Cojinetes o casquillos: Existen unos cojinetes que van en la unión de la biela al cigüeñal en la muñequilla. Debe ser lo suficientemente robusto para resistir los esfuerzos a que estará sometido en la carrera de explosión. o Los cojinetes de bancada van lubricados a presión y llevan un orificio en su mitad superior, por el que se efectúa el suministro de aceite procedente de un conducto de lubricación del bloque. Lleva una ranura que sirve para repartir el aceite mejor y más rápidamente por la superficie de trabajo del cojinete. También llevan unas lengüetas que encajan en las ranuras correspondientes del bloque las tapas de los cojinetes. Dichas lengüetas alinean los cojinetes e impiden que se corran hacia adelante o hacia atrás por efectos de las fuerzas de empuje creadas. La mitad inferior correspondiente a la tapa es lisa. o Además de los de bancada, todos los motores llevan un cojinete de empuje que evita el juego axial en los extremos del cigüeñal. Ellos funcionan para facilitar la rotación así como también para prevenir el desgaste. o Otro tipo de cojinete es el usado en los ejes compensadores; es de forma de casquillo, de una sola pieza. El orificio de aceite coincide con el conducto de lubricación del bloque.
517
• Sombreretes: La cabeza de la biela que va acoplada a la muñequilla del cigüeñal va unida por un elemento llamado sombrerete el cual va unido a la cabeza de la biela por medio de dos fijaciones roscadas. o El cigüeñal va fijado en sus apoyos, al igual que la cabeza de biela, por unos sombreretes, denominados sombreretes de bancada.
518
OTROS ELEMENTOS DEL MOTOR
Volante del Motor Esto es una placa redonda hecha de hierro fundido la cual es montada en la parte posterior del cigüeñal. El cigüeñal recibe la fuerza rotacional desde la carrera de combustión solamente, mientras que en las otras carreras, éste pierde fuerza rotacional. Como resultado, desuniformidad en la fuerza rotacional es generada. El volante del motor funciona para apaciguar ésta desuniformidad por energía inercial.
Dámper Se coloca en el extremo opuesto al volante de inercia en el cigüeñal para absorber las vibraciones del cigüeñal causadas por las explosiones del cilindro.
Retén Un retén es una pieza de compuesto sintético que se utiliza para evitar las fugas de lubricante desde las cajas de cambio o motores de explosión que deben permanecer siempre lubricados. De esta forma incrementa la vida útil de los rodamientos que componen las máquinas y motores, pues de lo contrario el lubricante puede escapar o algún contaminante puede ingresar, originando una avería de la máquina.
519
Los retenes se montan mediante herramientas adecuadas que permitan encajarlo adecuadamente en su emplazamiento sin dañar el labio, y se sujetan mediante una arandela elástica de retención (circlip). Antes de colocarlo el retén recibe un tratamiento de grasa o aceite. De este modo se disminuye la fricción al deslizar la pieza por la superficie de contacto y protege los labios del retén cuando se enciende por primera vez o luego de ser reparada, ya que se debe colocar un nuevo retén cada vez que se realiza un arreglo en el motor o caja en el que fue montado.
520
SISTEMAS AUXILIARES DEL MOTOR
ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN
La transmisión del movimiento entre el cigüeñal y el árbol de levas puede realizarse de tres formas distintas: Por rueda dentada Consiste en comunicar el movimiento a través de unos piñones o ruedas dentadas. En principio se acopla una rueda dentada al cigüeñal y otra al árbol de levas las cuales engranan entre sí transmitiendo el movimiento. En caso de existir una distancia considerable entre ambas se intercala otra rueda dentada entre medias. Este sistema se encuentra en desuso debido al elevado ruido que produce y al gran peso de los piñones que disminuyen la eficacia del motor.
521
Por cadena Consiste en realizar la transmisión del movimiento a través de una cadena que engrana en dos piñones situados en el cigüeñal y en el árbol de levas. Este sistema, más empleado que el anterior, también ha quedado prácticamente en desuso, ya que es muy ruidoso. Aunque plantea la ventaja de no necesitar mantenimiento.
Por correa dentada Es el sistema más empleado en la actualidad ya que evita los inconvenientes de los otros sistemas, reduciendo considerablemente el ruido y el excesivo peso. Consta de una correa dentada la cual se encarga de transmitir el movimiento. Construida a base de caucho y poliamida con un entramado metálico en su interior. Plantea el inconveniente que hay que sustituirla a un determinado número de kilómetros. Por lo tanto el riesgo de rotura es mayor que en los dos casos anteriores. 522
EQUIPO DE LUBRICACIÓN
Hay muchas piezas que rotan en el interior de un motor. Cuando el motor está funcionando, todas estas piezas rotativas generan calor por la fricción que las piezas de metal hacen cuando entran en contacto directo con otras piezas de metal. Como resultado del desgaste y el calor de todo este movimiento y fricción, es fácil para un motor agarrotarse o empezar a dañarse. El equipo de lubricación crea una película de aceite en las piezas de metal en movimiento del motor, aliviando el desgaste y el calor, originando que las piezas roten fácilmente. Los puntos principales a engrasar en un motor, son: • • • • • •
Paredes de cilindro y pistón. Bancadas del cigüeñal. Pié de biela. Árbol de levas. Eje de balancines. Engranajes de la distribución.
Sistemas de engrase A partir de aquí lo envía, a presión, a engrasar las distintas partes del motor y según el punto a donde llegue a presión, recibirá nombre el sistema empleado y que puede ser: • • • • •
Por barboteo. Mixto. A presión. A presión total. Por cárter seco.
523
Por barboteo o salpicadura Apenas se usa hoy en día, pues resulta poco eficiente. Este sistema dispone de una bomba, que remonta el aceita a una bandejas o pocillos en los que mantiene un determinado nivel y donde golpean una cuchillas dispuesta en cada codo de cigüeñal con lo que se asegura su engrase. Al salpicar esparce el aceite de la bandeja en forma de niebla de aceite pulverizado, llegando así a todos los puntos que hayan de ser engrasados.
De este sistema de engrase se van a aprovechar los demás sistemas en cuanto al engrase de las paredes del cilindro y pistón. Sistema mixto En el sistema mixto se emplea el de barboteo y además la bomba envía el aceite a presión a las bancadas del cigüeñal. Sistema a presión Es el sistema de engrase más usado. El aceite llega impulsado por la bomba a todos los elementos, por medio de unos conductos, excepto al pie de biela, que segura su engrase por medio de un segmento, que tiene como misión raspar las paredes para que el aceite no pase a la parte superior del pistón y se queme con las explosiones.
524
De esta forma se consigue un engrase más directo. Tampoco engrasa a presión las paredes del cilindro y pistón, que se engrasan por barboteo. Sistema a presión total Es el sistema más perfeccionado. en él, el aceite llega a presión a todos los puntos de fricción (bancada, pie de biela, árbol de levas, eje de balancines) y de más trabajo del motor, por unos orificios que conectan con la bomba de aceite.
Sistema de cárter seco Este sistema se emplea principalmente en motores de competición y aviación, son motores que cambian frecuentemente de posición y por este motivo el aceite no se encuentra siempre en un mismo sitio.
525
Consta de un depósito auxiliar (D) donde se encuentra el aceite que envía una bomba B. Del depósito sale por acción de la bomba N, que lo envía a presión total a todos los órganos de los que rebosa y, que la bomba B vuelve a llevar a depósito. Para que la lubricación sea perfecta, en cualquier sistema empleado, el nivel de aceite ha de mantenerse en el depósito entre dos niveles, uno máximo y otro mínimo. Es preferible que el nivel se encuentre más próximo del valor máximo que del mínimo. BOMBA DE ACEITE El aceite del engrase se mueve por una bomba, de la que podemos ver, se acciona por el árbol de levas.
526
Se encuentra en el cárter, sumergida en el aceite que éste contiene. Los tipos de bomba son: • De engranajes. • De paletas. • De émbolo. De paletas La bomba de paleteas consta de un cárter, dentro del cual gira una excéntrica, que arrastra dos paletas a las que un resorte mantiene unidas a la pared por sus extremos.
Cada paleta, en su giro, absorbe el aceite al girar por una cara y lo empuja por la otra, haciéndolo salir ya a presión a engrasar. De émbolo La bomba de émbolo está formada por un cilindro y un émbolo o pistón que se desliza dentro de él por la acción de una excéntrica. Cuando el pistón sube, una válvula permite el llenado del cilindro, al bajar el pistón, ésta se cierra y el aceite sale a presión por el conducto, que lo lleva a los distintos órganos.
De engranajes Consta de dos ruedas dentadas y encerradas en un cárter, una de ellas recibe el movimiento y lo transmite a la otra, haciendo pasar el aceite entre ellas y las paredes del cárter en el que están encerradas. Un conducto lo recoge y lo envía a los distintos órganos a engrasar.
527
VENTILACIÓN La ventilación consiste en sacar del cárter los vapores de aceite, gasolina y agua a medida que se vayan formando dentro del mismo. Existe la ventilación directa, cerrada y una mezcla entre los dos. REGULADOR DE PRESIÓN DE ACEITE Cuando el motor está en funcionamiento a altas velocidades, este dispositivo ajusta el volumen de bombeo de aceite al motor para que nada más el aceite necesario sea entregado. Cuando la presión de la bomba de aceite se eleva, una válvula de seguridad interior del regulador de presión de aceite se abre, permitiendo que el exceso de aceite retorne al cárter de aceite. FILTRO DE ACEITE A medida que se usa el aceite del motor, este se contamina gradualmente con partículas de metal, carbón, suciedad aerotransportada, etc. Si las piezas del motor que están en movimiento fueran lubricadas por dicho aceite sucio, ellas se desgastarían rápidamente y como resultado el motor podría agarrotarse. Para evitar esto, se fija un filtro de aceite en el circuito de aceite que remueva esas sustancias indeseables. EI filtro de aceite está montado a la mitad del camino del circuito de lubricación. Este remueve las partículas de metal desgastadas de las piezas del motor por fricción, así como también la suciedad, carbón y otras impurezas del aceite. Si el elemento del filtro de aceite (papel filtrante), el cual remueve las impurezas, llega a obstruirse, una válvula de seguridad está colocada en el filtro de aceite, luego este flujo de aceite no será bloqueado cuando intente pasar a través del elemento obstruido.
528
Tipos de filtros de Aceite En los motores a gasolina se usa el filtro tipo de flujo completo, en el cual todo el aceite que circula por el circuito de lubricación es filtrado por el elemento. Válvula de Derivación Cuando el elemento de filtro llega a obstruirse por las impurezas y la presión diferencial entre los lados de admisión y descarga del filtro aumenta por encima de un nivel predeterminado (aprox. 1 kg/cm2, 14 psi o 98 kPa), la válvula de derivación se abre y permite que el aceite se desvíe del elemento de filtro. En esta forma, el aceite es suministrado directamente a las partes en movimiento para proteger de que se agarrote el motor. CARTER DE ACEITE El cárter de aceite recolecta y almacena el aceite de motor. Muchos cárteres de aceite son hechos de láminas de acero prensado, con una zona hueca profunda y una placa divisora construida en previsión al oleaje del aceite para adelante y para atrás. Además, un tapón de drenaje está provisto en la parte inferior del cárter de aceite para drenar el aceite cuando sea necesario. NIVEL DEL ACEITE Para una correcta medición, es necesario que el vehículo se encuentre parado en un terreno horizontal. Hay que realizarlo con el motor en frío. En caliente, la dilatación produce un margen de error y, en caso de vernos obligados a rellenar el depósito de aceite, podría resultar peligroso si alguna gota cae sobre componentes a altas temperaturas. • Extraeremos la varilla tirando con suavidad hacia arriba. • Limpiaremos con un trapo o papel el extremo de la varilla y observaremos que presenta dos muescas. Son los niveles mínimo y máximo de aceite permitidos. • Introduciremos de nuevo la varilla hasta el tope y la volvemos a extraer. Observaremos que se ha manchado de aceite en su extremo. La mancha debe situarse entre las dos muescas. Si el nivel estuviera por debajo del recomendado, deberemos rellenar con el tipo de aceite indicado por el fabricante. Temperatura del aceite No debe pasar los 80ºC. CARACTERÍSTICAS DE UN BUEN LUBRICANTE Se debe escoger un lubricante que le brinde la máxima protección posible, entre las características que debe cumplir un buen lubricante resaltan las siguientes: 1. Baja viscosidad. 2. Viscosidad invariable con la temperatura. 529
3. Estabilidad química. 4. Acción detergente para mantener limpio el motor. 5. Carencia de volatilidad. 6. No ser inflamable. 7. Tener características anticorrosivas. 8. Tener características antioxidantes. 9. Tener gran resistencia pelicular. 10.Soportar altas presiones. 11.Impedir la formación de espuma. Especificaciones del lubricante El Grado • Se define por la clasificación SAE (Sociedad de los Ingenieros del Automóvil). • Se caracteriza por la viscosidad en frío y en caliente del lubricante; dos números separados por la letra “W” (Winter=Invierno) dan el grado. • El primer número, seguido de una “W” representa la viscosidad en frío: 5W, 0W... Cuanto más pequeño es el número, más fluido será el aceite en frío y • felicitará el arranque. • El segundo número representa la viscosidad en caliente: 20, 30, 40 ... Cuanto más alto sea el número, más viscoso será el aceite en caliente. Existen aceites monogrado y multigrado: • Los aceites monogrado vendrán indicados como ej: SAE-10 o SAE-10W. • Los aceites multigrado vendrán indicados como ej: SAE-10W/40.
La viscosidad SAE • La viscosidad mide la resistencia a fluir de un líquido. El lubricante es más fluido en caliente y más viscoso en frío.
La utilización de lubricantes fluidos en frío permite reducir los desgastes al arrancar gracias a una lubricación rápida de todas las piezas del motor.
530
EQUIPO DE REFRIGERACION
Cuando el motor está funcionando, la temperatura de todas sus piezas se eleva debido al calor de la combustión en la cámara de combustión. Si dejamos esta condición, el motor podría rápidamente sobrecalentarse y dañarse. El equipo de enfriamiento enfría las partes del motor a fin de prevenir el sobrecalentamiento, Dependiendo del método usado, un motor puede ser enfriado por aire o por agua. Sin embargo, el sistema de enfriamiento generalmente más utilizado es el sistema de enfriamiento por agua (anticongelante). Un sistema de enfriamiento por agua es complejo, pero no sólo entrega enfriamiento estable, además, actúa para controlar el ruido del motor y la transferencia del calor del refrigerante puede ser usada en la calefacción del vehículo.
CAMISA DE AGUA Este es un conducto para el refrigerante en el bloque de cilindros y culata de cilindros, el cual permite que el agua enfríe el calor generado por el motor. BOMBA DE AGUA Esta bomba circula el refrigerante. Está montada en bloque de cilindros y es conducida por una correa en V desde el cigüeñal.
el
frente
531
del
TERMOSTATO El termostato trabaja automáticamente para mantener la temperatura del refrigerante constante. Este es instalado en el circuito del refrigerante, entre el radiador y el motor. Cuando la temperatura del refrigerante está baja, el termostato cierra la válvula, permitiendo al refrigerante circular alrededor del interior del motor. Cuando la temperatura del refrigerante viene a ser alta (de 85 a 90ºC), el termostato abre la válvula, permitiendo al refrigerante circular hacia el radiador.
RADIADOR El radiador enfría al refrigerante cuando este alcanza una temperatura elevada. Es hecho de muchos conductos con aletas sobre ellos, a través de los cuales el refrigerante fluye antes de que retorne al motor. El radiador es enfriado por el aire que es aspirado por el ventilador o por el viento que golpea a este en el frente mientras que el vehículo se está moviendo. Hay varios tipos de radiador, los más comunes, son: • Tubulares. • De láminas de agua. • De panal. 532
VENTILADOR La velocidad del ventilador eleva el flujo de aire que pasa a través del radiador para la eficiencia de enfriamiento del mismo. El ventilador está montado justo en la parte posterior del radiador. Algunos ventiladores son conducidos por una correa en V que viene desde el cigüeñal y otros son conducidos por un motor eléctrico.
Refrigeración por aire: Para la refrigeración por aire, nos basta que ésta se logre mediante un ventilador. La corriente de aire AB enfría el cilindro provisto de aletas.
CORREAS Los ventiladores de enfriamiento son a menudo impulsados por correas (correas en V o correas dentadas en V). Otras unidades tales como la bomba de agua, alternador, bomba de la 533
servodirección y compresor del acondicionador de aire son también impulsados por correas. Las correas son el medio más sencillo de transmisión de fuerza que no requieren lubricación. Correas en V o trapezoidales Las correas en V han sido utilizadas por muchos años. Son llamadas en “ V” debido a que ellas tienen una sección transversal en forma de V, la cual incrementa la eficacia de transmisión de fuerza. Una correa en V generalmente está compuesta de goma sintética, tetrón u otro refuerzo y está cubierta de lona en ambos lados. Dentro de esta categoría está la correa en V del tipo dentado con dientes semielípticos. Las correas en V transmiten la fuerza desde el cigüeñal de agua, ventilador, alternador, etc. La sección en corto de correa es en la forma de V, que da una gran eficiencia de transmisión de potencia.
a la bomba este tipo de
Los componentes que forman una correa trapecial son: A: Funda exterior de tejido vulcanizado B: Elementos que soportan la carga C: Cojín resistente de caucho D: Capa de flexión Correas dentadas en V Las correas en V están siendo gradualmente reemplazadas por correas dentadas en V. El espesor total es menor que el de las correas en V. Las correas dentadas en V tienen rebordes en forma de V en el lado que está en contacto con la polea. Además, tienen una mayor eficiencia en la transmisión de fuerza y mayor resistencia al calor y desgaste que las correas en V. Son menos afectadas por el estiramiento causado por el calor.
534
EQUIPO DE COMBUSTIBLE
El equipo de combustible es usado para suministrar gasolina al motor. Dicho equipo consiste en un tanque de combustible, la bomba de combustible (que aspira la gasolina desde el tanque de combustible y la envía al motor), el filtro de combustible (que remueve la suciedad del combustible), el carburador (que mezcla el combustible con el aire para hacer la mezcla airecombustible) y las líneas de combustible que enlazan estos componentes. TANQUE DE COMBUSTIBLE El tanque de combustible es un contenedor para almacenar gasolina. Comúnmente, este está montado en la parte inferior del vehículo y tiene una capacidad de 40 a 90 litros. Un sensor medidor de combustible o dispositivo similar para indicar la cantidad de combustible remanente es instalado en el tanque. Placas divisorias son también instaladas en el tanque de combustible para prevenir que el combustible produzca oleaje para atrás y para adelante cuando el vehículo para repentinamente o cuando acelera repentinamente. FILTRO DE COMBUSTIBLE La gasolina puede contener suciedad o humedad. Si esto es entregado al motor y debido a que el conducto es pequeño en el carburador, puede obstruirse, originando que el motor se ponga fuera de punto. El filtro de gasolina remueve esta suciedad y humedad de la gasolina. Partículas de arena o gotas de agua, etc. tienden a fijarse en el filtro de combustible y ligeras impurezas son limpiadas por el elemento (filtro de papel). BOMBA DE COMBUSTIBLE La bomba de combustible bombea el combustible desde el tanque de combustible. Esta puede ser mecánica o eléctrica, pero comúnmente, los motores equipados con un carburador usan una bomba de combustible mecánica, mientras muchos motores con EFI usan una bomba de combustible eléctrica. Bomba de Combustible Mecánica Este tipo de bomba es conducida por la rotación del eje de levas. Un diafragma interior de la bomba mueve arriba y abajo, aspirando el combustible y bombeándolo a través de la línea de combustible.
Bomba de Combustible Eléctrica Esta es una bomba tipo engranaje que opera usando un motor. Algunas bombas de combustible son 535
instaladas en el tanque de combustible y algunas en la cañería de combustible.
EL CARBURADOR El carburador es un dispositivo que hace la mezcla de aire-combustible. A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia de salida, es importante que la gasolina esté en las mejores condiciones. A fin de hacer una mezcla óptima de aire combustible, el carburador usará varias técnicas.
Construcción y Operación del Carburador El carburador posee una porción donde la gasolina y el aire son mezclados y otra porción donde la gasolina es almacenada (cámara del flotador). Estas porciones están divididas pero están conectadas por la tobera principal. En la carrera de admisión del motor, el pistón baja dentro del cilindro y la presión int6rior del cilindro disminuye, aspirando aire desde el purificador, carburador y múltiple de admisión fluyendo hasta el cilindro. Cuando este aire pasa a través de la porción angosta (venturi) del carburador, la velocidad 536
se eleva, luego aspira la gasolina desde la tobera principal. Esta gasolina aspirada es soplada y esparcida por el flujo de aire y es mezclada con el aire. Esta mezcla aire-combustible es luego aspirada dentro del cilindro. La cantidad de aire es controlada por la válvula de aceleración conectada al pedal del acelerador, determinándose así la cantidad de gasolina aspirada.
INYECCIÓN DE GASOLINA La diferencia conceptual fundamental entre los dos tipos de preparación de la mezcla, es que en el carburador se hace básicamente de acuerdo a patrones más o menos fijos, establecidos de fábrica, que con el uso se van alterando hasta sacarlo de los estrechos índices permitidos de producción de contaminantes, mientras que la inyección de gasolina tiene sensores en todos los elementos que influyen en el proceso de alimentación y escape del motor y ajusta automáticamente la mezcla para mantenerlos siempre dentro de las normas, a menos que se produzca una avería en el sistema. Es notoria la mayor complejidad de la inyección de gasolina con respecto al carburador, lo que la encarece, pero no hay hasta ahora, ningún otro sistema que garantice la limpieza de los gases requerida para mantener la atmósfera respirable en las zonas de tránsito urbano intenso actual. Para describir cómo funciona utilizaremos el diagrama de bloques siguiente:
Colocado en el conducto de admisión del motor existe una electroválvula conocida como inyector, que al recibir una señal eléctrica, se abre y deja pasar la gasolina al interior del conducto. La línea de entrada al inyector tiene una presión fija mantenida desde el depósito, por una bomba eléctrica asistida por un regulador de presión. El tiempo de duración de la señal eléctrica y con ello la cantidad de gasolina inyectada, así como el momento en que se produce la inyección, los determina la unidad procesadora central en consecuencia con la posición de la mariposa de entrada de aire al motor y las señales emitidas por un grupo de sensores que miden los factores que influyen en la formación de la mezcla. 537
La clave de la inyección de gasolina es la unidad procesadora central (UPC) o unidad central electrónica (UCE), que es un miniordenador cuya señal de salida es un pulso eléctrico de determinada duración en el momento exacto que hace falta (durante la carrera de admisión) al, o los inyectores. La señal principal para hacer la decisión del tiempo de apertura del inyector la recibe de una mariposa colocada en el conducto de admisión en cuyo eje hay montada una resistencia eléctrica variable, así la posición de la mariposa es interpretada por la UPC como más o menos aire al cilindro y por lo tanto más o menos necesidad de gasolina, regulada a través del tiempo de apertura del inyector. El momento exacto de comenzar la apertura del inyector viene de un sensor de posición montado en el árbol de levas o el distribuidor, que le indica a la UPC cuando están abiertas las válvulas de admisión y por lo tanto se está aspirando el aire que arrastrará al interior del cilindro la gasolina inyectada en el conducto de admisión. Este trabajo lo hace la UPC utilizando un tiempo básico que viene con él por defecto y que hace funcionar el motor en condiciones normales, pero que no son las óptimas para el trabajo del motor en otras condiciones. Para ajustar con exactitud el tiempo de apertura de los inyectores y obtener la máxima eficiencia y la mínima emisión de gases tóxicos, la UPC tiene en cuenta un grupo de otras entradas que llegan a él, procedentes de varios sensores, que vigilan el comportamiento de los factores que influyen en el proceso de combustión, estas entradas son procesadas electrónicamente y sirven para modificar el tiempo de apertura del inyector a la cantidad exacta. Las UPC están preparadas para ignorar los sensores cuando hay una avería de algunos de ellos, o están dando señales fuera del rango normal, y continuar con el programa básico, para permitir el funcionamiento del motor hasta llegar al taller de reparaciones. Este programa básico no se pierde aunque la UPC se quede sin alimentación eléctrica al desconectar la batería con el motor apagado como es frecuente oír. Funcionamiento del motor gasolina con compresor y turbo compresor. La idea fundamental del desarrollo de los motores TSi es la utilización de un compresor volumétrico para generar potencia a bajas revoluciones y un turbocompresor para generar potencia a altas. El compresor cuyo funcionamiento está basado en el principio "Roots". Una característica de este tipo de compresores es su capacidad para mantener el giro cuando se produce un cambio de marchas. El compresor es accionado mecánicamente por el cigüeñal del motor mediante una correa que mueve entre otros dispositivos, la bomba de agua, que forma conjunto con el embrague magnético que conecta o desconecta la transmisión de movimiento al compresor. Ventajas: - Rápida generación de la presión de sobrealimentación - Pares intensos a bajas revoluciones - Sólo se activa en función de las necesidades No requiere lubricación
o
refrigeración
externas
538
Desventajas: - Consume potencia del motor - La presión de sobrealimentación se genera en función del régimen y luego se vuelve a perder una parte de la energía al someterse a regulación El turbocompresor es una unidad estándar como las utilizadas en otras mecánicas, con su válvula de descarga (wastegate) para controlar su velocidad. Ventajas: Un rendimiento muy favorable, a base de utilizarse la energía de los gases de escape. Desventajas: - En un motor pequeño, la sobrealimentación generada no resulta suficiente para generar un par intenso a regímenes bajos. - Altas cargas térmicas. Esquema
general
del
sistema
de
aspiración
y
escape
del
motor
TSI
El aire exterior es aspirado a través del filtro. La posición de la mariposa de regulación determina si ha de fluir aire exterior a través del compresor y/o directamente a través del turbocompresor de escape. El aire exterior pasa del turbocompresor de escape a través del intercooler y la mariposa de estrangulación hacia el colector de admisión.
539
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DIESEL Bomba de Inyección Diesel El elemento más importante de la línea de alimentación de un motor diesel es la bomba de inyección, dispositivo que se encarga de bombear a presión y repartir la cantidad necesaria de combustible a cada cilindro. Desde la bomba misma hasta los extremos de los inyectores, la línea de admisión se convierte en un sistema de alta presión que –según el tipo de inyección- varía entre 350 y 2.000 bar. No obstante, la bomba misma tiene una parte de baja presión y una válvula de rebose para el retorno al tanque del diesel excedente.
Tipos de bomba Existen diferentes tipos de bomba de inyección que dependen del tipo de motor y, más específicamente, de la manera en que se inyecta el diesel a la cámara de combustión. La bomba 540
recibe energía del cigüeñal del motor, que la hace girar a través de engranajes y es desde ella que sale el diesel a la presión para ser pulverizado por el inyector directamente en el cilindro o en la precámara. En la actualidad, la eficiencia de los motores diesel ha dado un gran salto con el control electrónico de la bomba. Una computadora dirige la electroválvula de avance, que varía la alimentación del diesel al motor, la electroválvula que detiene la alimentación, la electroválvula antiarranque, etc. Revisemos los tipos de bomba de inyección: • Bomba en línea: tiene una línea por cada cilindro que bombea a presión el diesel, a través de un pistón que se mueve por el impulso de una leva y retorna por la fuerza de un resorte. La carrera de este pistón es fija y la cantidad de combustible inyectado a presión varía por el giro de este pistón, que tiene unas ranuras que permiten varias la cantidad de diesel enviado hacia el cilindro. El giro de los pintones varía por medio de una varilla mecánica de regulación, controlada antes por un regulador centrífugo, ahora por un actuador eléctrico. Estas bombas envían el diesel a los inyectores a una presión de 600 bar. En promedio, usualmente para una inyección indirecta en precámara. • Bomba rotativa: a diferencia de la bomba en línea, trabaja con un solo pistón de bombeo para todos los cilindros. Una bomba de paletas suministra diesel a una cámara de la bomba y el pistón, que gira mediante una leva en cada una de sus carreras, envía diesel a presión hacia los inyectores. En cada vuelta del eje de accionamiento, el pistón realiza tantas carreras como cilindros tiene el motos. La carrera del pistón puede ser variable y su regulación depende de un regulador centrífugo en motores antiguos. En motores más modernos, el caudal depende de una válvula electromagnética. La presión de trabajo de una bomba rotativa a un régimen intermedio del motor de 2.500 rpm es de 700 bar (10.000 psi) para una inyección que bien puede ser directa al cilindro. • Common Rail: en los últimos años, la tecnología diesel dio un gran salto con el sistema common rail de raíl común de inyección directa a alta presión. En este caso la bomba no inyecta el diesel al cilindro, sino alimenta a muy alta presión (1400‐1500 atm) una rampa de inyección en donde están alojados los inyectores. El control de la cantidad de diesel a inyectar depende de una computadora que comanda unas electroválvulas. Los motores turbodiésel de rampa de inyección común son los más habituales actualmente. Su diferencia con la inyección convencional está en que la presión de inyección es independiente de la velocidad del motor. Además, funciona con una inyección previa, luego con una inyección principal y, en algunos casos, con una inyección posterior, todas ellas dirigidas por una computadora que regula –según el tiempo de inyección- la cantidad de diesel inyectado directamente al cilindro. La inyección previa sirve para preparar una mejor combustión, menos retardada y, por lo tanto, menos bulliciosa. La inyección posterior sirve para reducir los contaminantes óxidos nitrosos. • Inyector-bomba: otra forma de inyección directa a alta presión del diesel es a través del sistema inyector-bomba, en donde el inyector y la bomba representan una unidad. Sin líneas de trasporte de diesel a alta presión, la inyección del diesel alcanza 2.000 bar (30.000 psi). La inyección es dirigida por una computadora y con este sistema se consiguen reducir más el consumo y las emisiones.
541
ARRANQUE DEL MOTOR DIESEL El arranque de los motores diesel es uno de los grandes inconvenientes de estos motores respecto a los de explosión. Debido a que la inflamación de la mezcla se produce por autoencendido mediante la elevación de temperatura y presión cuando se produce el arranque, especialmente en tiempo frío, el aire y las paredes del cilindro se encuentran a baja temperatura, por lo que la temperatura alcanzada al final de la compresión no es suficiente para inflamar el combustible. Los procedimientos que se utilizan para conseguir ese precalentamiento del aire son: bujías de incandescencia, calefacción en el colector de admisión o introduciendo una pequeña cantidad de un líquido muy inflamable.
Bujía de incandescencia o calentamiento Son resistencias eléctricas que calientan el aire de las cámaras para facilitar la inflamación del gasóleo al arrancar en frío. Lleva una sistema electrónico que determina el tiempo necesario de precalentamiento según la temperatura del motor. Las bujías se hallan situadas en el centro de las cámaras, más o menos, en el eje de los inyectores. Se pueden conectar en serie o en paralelo, aunque por razones de seguridad, están conectadas de dos en dos. Se acciona mediante el interruptor de arranque y el tiempo que dura encendido el testigo del cuadro, recibiendo la tensión de la batería y cuando este se apaga es el momento de accionar el motor de arranque. Calefacción en la galería de admisión La bujía de incandescencia tiene el inconveniente de estar sometida, constantemente, al calor, turbulencias y presiones de la combustión, por lo que su resistencia falla con cierta frecuencia. Para salvar este problema se recurre a calentar el aire antes de entrar en el cilindro. Para ello se utilizan 542
unas resistencias eléctricas, instaladas en la galería de admisión, que se ponen incandescentes al hacer pasar por ellas una corriente eléctrica procedente de la batería. Actualmente en los sistemas como el Common rail o sistema de inyección de tubería común siempre van acompañados de un sistema de sobrealimentación: Sobrealimentación de un motor Diesel. En los motores Diesel el sistema más utilizado para realizar su sobrealimentación es el que utiliza un turbocompresor, ya que es un sistema sencillo, fiable y que mejora las cualidades de funcionamiento del motor además de sus prestaciones. Su funcionamiento no difiere al de los usados en los motores de gasolina. En algunos motores se utilizaron compresores volumétricos, pero fueron desechados por problemas de desarrollo y su mayor complejidad. El turbocompresor se compone esencialmente por una turbina y un compresor, montados en el mismo eje. La turbina recibe el movimiento de los gases de escape, que se encuentran a elevada temperatura, y que la ponen en rotación. Al mismo tiempo la rueda del compresor comprime el aire que va a ser introducido en la admisión y posteriormente en los cilindros.
La cantidad y la presión del aire que entra es proporcional a la velocidad de rotación. El turbocompresor presenta en su funcionamiento grandes ventajas, de entre las cuales destacan: • Incremento notable de la potencia y el par motor, que puede llegar a un 35% más que el mismo motor en versión atmosférica. • Son motores generalmente más silenciosos, aunque a veces se percibe un silbido, procedente del turbo, en las aceleraciones. • Su rendimiento volumétrico es mayor, con lo que las combustiones son más completas, dando como resultado un consumo mucho más bajo a igualdad de potencia. • La combustión es mucho más eficaz y limpia, con lo que se reducen los gases contaminantes. En algunos motores, se intercalan intercambiadores de calor entre el turbo y el colector de 543
admisión, con el fin de reducir la temperatura del aire de admisión. Dichos intercambiadores pueden ser del tipo aire/aire, si el aire se refrigera por la circulación de otros aire, o aire/agua, si se refrigera mediante el paso de un líquido. Para controlar las presiones de trabajo se coloca una válvula limitadora de presión, o waste-gate, cuya misión es controlar la presión mínima y máxima del turbo, para un mejor funcionamiento. Dicha válvula es controlada por la UCE.
EQUIPO DE ADMISIÓN Y ESCAPE
Los equipos de admisión y escape están divididos en el sistema de admisión y el sistema de escape. El sistema de admisión consiste en un purificador de aire que remueve el polvo del aire del múltiple de admisión, que conduce la mezcla aire-combustible a cada uno de los cilindros. El sistema de escape consiste en un múltiple de escape, el cual recolecta los gases de escape cuando son extraídos desde los cilindros, la tubería de escape, la cual extrae estos gases de escape al aire exterior, el silenciador, el cual reduce el nivel de ruido del escape, etc.
544
SISTEMA DE ADMISIÓN Purificador de Aire Naturalmente que el aire fresco contiene polvo. Si este polvo ingresa a los cilindros con el aire de admisión, este desgastará los cilindros y contaminara el aceite lubricante. Como resultado se acortará la vida útil del motor. Por lo tanto, el polvo debe removerse del aire de admisión antes de que ingrese a los cilindros. En los automóviles, el aire de admisión es limpiado por un depurador de aire, el cual también reduce la velocidad del aire y minimiza el ruido producido por mismo. Los depuradores de aire deben ser comprobados y limpiados regularmente debido a que el elemento llegará gradualmente a obstruirse con el polvo y no proporcionará suficiente aire al motor, causando una caída en su potencia. Los tipos de purificadores de aire son: • Depurador de Aire Tipo de Baño en Aceite: Un depurador de este tipo contiene aceite en la parte inferior de la caja del depurador, como se muestra a la derecha El elemento está fabricado de lana metálica impregnada de aceite. El aire de admisión pasa a través del elemento del filtro, en donde es limpiado por la lana de metal aceitada antes de ingresar al motor. • Depurador de Aire Tipo Ciclón: Un depurador de aire tipo ciclón utiliza un elemento de papel y tiene aletas que crean turbulencia de aire. Las partículas grandes de polvo, arena, etc. son atrapadas dentro de la caja del depurador mediante la fuerza centrifuga de la turbulencia del aire. Las partículas pequeñas son atrapadas por el elemento de papel. Este diseño reduce la obstrucción del elemento del filtro y no necesita mantenimiento frecuente como en algunos otros tipos. • Depurador de Aire Tipo Elemento de Papel: Este tipo de depurador contiene un elemento que está fabricado de papel o tela. El elemento está dentro de la caja del depurador de aire. Algunos depuradores de aire tipo de papel usan elementos que pueden lavarse con agua. Casi todos los depuradores de aire usan elementos tipo de papel de flujo axial. Los depuradores de aire que usan tales tipos de elementos pueden fabricarse más compactos y de peso ligero. • Pre-depurador de Aire: Es una clase de depurador de aire tipo ciclón. Es altamente eficiente y tiene aletas alternadas que separan el polvo del aire mediante la fuerza centrifuga. Este polvo es recolectado en una trampa de polvo removible. Este depurador no necesita reemplazo del elemento con frecuencia, como los otros tipos de depuradores. Sistema de Admisión de Aire Caliente A fin de prevenir insuficiente ventilación y vaporización de la mezcla aire- combustible que ocurre cuando la temperatura esta baja, este sistema utiliza el calor de los gases de escape para calentar el aire de admisión. Múltiple de Admisión Este múltiple posee un conducto para conducir la mezcla de aire-combustible hecha por el carburador para cada uno de los cilindros. Es necesario que el múltiple de admisión sea conformado para que la mezcla aire-combustible sea distribuida uniformemente y fácilmente. 545
SISTEMA DE ESCAPE Tubería de Escape y Silenciador Desde que los gases salen de cada uno de los cilindros tienen una alta temperatura y están a alta presión. Si ellos son extraídos al aire exterior libremente, el vehículo haría ruido de sonido explosivo. A fin de prevenir esta condición, un silenciador es instalado en el sistema de escape. Catalizadores y Sistemas de Escape El sistema de escape consiste en sacar de un modo apropiado los gases que son producto de las explosiones que genera la combustión del motor. El sistema de escape, igual que los demás sistemas del auto, requiere de atención y mantenimiento, lo que le puede suceder generalmente son fugas y/o rupturas por corrosión, ya que todos sus componentes están expuestos. Los componentes incluyen lo siguiente: • Juntas y bridas • Tubo conductor • Sensores de oxígeno • Convertidor catalítico • Silenciador • Pre-silenciador • Soportes de escape Si el sistema no está en correcto funcionamiento, puede causar ruidos en caso de tener alguna fuga por corrosión, o golpeteos debido a soportes rotos, estos están distribuidos a lo largo del tubo de escape, y ayudan a soportarlo de manera móvil. El sistema de escape puede ocasionar fallas importantes en el motor, por ejemplo, un catalizador o silenciador tapado, podría ocasionar calentamiento en el motor del auto por obstrucción en la salida de los gases de escape. También cuenta con componentes importantes ya que los sensores de oxígeno (La sonda lambda (Sonda-λ)) mandan información a la computadora central sobre enriquecer o empobrecer la mezcla de aire combustible, de tal modo que podría provocar fallos tales como alto consumo de gasolina o fallos de potencia. Y obviamente se involucra directamente con las cuestiones ambientales, el catalizador convierte los gases de escape en vapores menos tóxicos y el silenciador es parte fundamental en una marcha silenciosa. Convertidor Catalítico El convertidor catalítico está montado en la mitad del camino entre el múltiple de escape y el silenciador. EI convertidor catalítico tiene interiormente alúmina granular activada, llamada píldoras catalíticas, con una estructura interna cubierta con un cubrimiento delgado de platino la cual tiene un efecto catalítico. Cuando los gases de escape fluyen entre las píldoras catalíticas, el efecto catalítico purifica los gases de escape. 546
SISTEMA DE GASES DE ESCAPE
Sistema PCV (Ventilación Positiva de la Caja de Cigüeñal) El equipo PCV fuerza al gas soplado, que incluye gases de combustión sin quemar y los fugados de los cilindros entre los anillos de pistón y las paredes del cilindro, hacia el múltiple de admisión para que ellos puedan ser quemados en los cilindros. Este previene que los gases se escapen al aire exterior. La cantidad del gas soplado generado por el motor es baja cuando la carga del motor es baja, como cuando el motor está en marcha de ralentí. La cantidad de gas soplado es alta cuando la carga del motor es grande, como cuando la aceleración en larga.
EQUIPO DE ENCENDIDO
El equipo de encendido enciende la mezcla de aire-combustible la cual es comprimida en el interior del cilindro.
547
EI equipo de encendido es requerido para generar suficiente chispa para encender la mezcla de airecombustible y para generar estas chispas con la distribución que corresponde a la condición de funcionamiento del motor, también que sea extremadamente durable. Bobina de encendido Este dispositivo genera el alto voltaje necesario para el encendido. La bobina secundaria está envuelta alrededor del núcleo, que es hecho de placas de hierro delgado en capas unidas. Sobre esto, la bobina primaria está enrollada. La corriente es enviada intermitentemente a la bobina primaria de acuerdo con la abertura y cierre de los puntos en el distribuidor, y la bobina secundaria enrollada alrededor del núcleo genera el alto voltaje entregado por la bobina.
Cable de alta tensión Estos son cables que confiablemente transmiten el alto voltaje generado en la bobina de encendido hacia las bujías de encendido. Los conductores (núcleo de alambre) de estos cables son cubiertos con 548
una capa gruesa de jebe aislante para prevenir la pérdida del alto voltaje. Estos cables conectan la bobina de encendido al distribuidor y del distribuidor a las bujías de encendido. Distribuidor El distribuidor consiste en una sección distribuidora de energía la cual distribuye la corriente para cada una de las bujías de acuerdo con la secuencia de descarga, un generador de señal de encendido el cual envía corriente intermitentemente a la bobina de encendido y un avanzador que controla el tiempo de encendido de acuerdo con las condiciones del motor. Bujías de encendido La corriente de alto voltaje (10 a 30 Kv) procedente del distribuidor genera una chispa de alta temperatura entre el electrodo central y de masa (tierra) de la bujía para encender la mezcla de airecombustible comprimida. De este modo se enciende la mezcla de aire-combustible en el cilindro. Las bujías de encendido son divididas dentro del tipo de valor térmico alto y bujías de tipo de valor térmico bajo, dependiendo del grado de dispersión (valor térmico) del calor recibido cuando la mezcla de aire-combustible es quemada. Ese grado es expresado con un número. Generalmente, las bujías de encendido que son apropiadas para el motor y modelo de vehículo son seleccionadas, luego un tipo específico de bujía debe ser usado.
Construcción de las Bujías Las bujías están construidas como se muestra en la ilustración. El aIto voltaje procedente del distribuidor es conducido al terminal y pasado a través del electrodo central y resistor, y luego genera chispas en la parte en la ilustración. El resistor se ha incluido para evitar el “ruido” captado por la radio, y es generado por las chispas de alto voltaje. Rango Térmico de una Bujía El rango térmico de una bujías se refiere a la temperatura de operación de la misma bujía Una bujía que disipa más calor es denominada “ bujía fría” debido a que permanece más fría, mientras que una bujía que disipa mucho menos el calor es denominada “bujía caliente” , debido a que esta mantiene su calor. La longitud de la punta del aislador de las bujías frías y calientes varia como se muestra en la figura. La bujía fría tiene la longitud de la punta del aislador más corta. Puesto que el área de la superficie 549
expuesta a la llama es pequeña y la ruta de radiación del calor es corta, la radiación de calor es excelente y la temperatura del electrodo central no es muy alta. Por esta razón, se usa una bujía fría, ya que es más difícil que ocurra el pre-encendido. Por otro lado, debido a que la bujía caliente tiene la punta del aislador más larga, el área de la superficie expuesta a la llama es mayor, la ruta de radiación de calor es larga y la radiación es pequeña. Como resultado, la temperatura del electrodo central aumenta demasiado y la temperatura de autolimpieza puede lograrse más rápidamente en el rango de bajas velocidades que en el caso de una bujía fría.
EQUIPO DE CARGA Y EQUIPO DE ARRANQUE
En el equipo eléctrico de los motores, además del equipo de encendido, se incluye el equipo de carga que rellena la energía a la batería la cual es usada por el equipo de arranque, que enciende el motor. El equipo de carga consiste en el alternador, que genera electricidad, y el regulador, que mantiene el voltaje constante de la electricidad generada. El equipo de arranque consiste en el arrancador. La batería adicionalmente está siendo usada como un dispositivo de almacenaje eléctrico que también es usado como creador del suministro de energía. Alternador El alternador no funciona solamente para suministrar energía eléctrica a varios dispositivos durante el manejo, sino también para mantener la batería cargada para que éste pueda suministrar energía El alternador tiene una bobina rotora (electromagneto rotor) que es conectado directamente a la polea, que es girada vía una correa en V por el motor. El alternador tiene también una bobina reactora que genera energía de corriente alterna. Esta corriente alterna es convertida a corriente DC por un rectificador.
550
Regulador El regulador funciona para ajustar el voltaje generado por el alternador a un voltaje constante (aproximadamente 14-15V). El regulador puede tener cualquier tipo de contacto regulador, el cual mantenga un voltaje constante por abertura y cierre de puntos, o un regulador IC, que controla la corriente usando un circuito integrado. Motor de arranque Puesto que un motor es incapaz de arrancar sólo por el mismo, su cigüeñal debe ser girado por una fuerza externa a fin de que la mezcla airecombustible sea tomada, para dar lugar a la compresión y para que el inicio de la combustión ocurra. EI motor de arranque montado en el bloque de cilindros empuja contra un engranaje motriz cuando el interruptor de encendido es girado, una cremallera engancha con el volante y el cigüeñal es girado.
Batería La batería funciona para suministrar electricidad al equipo de arranque del motor, al equipo de 551
encendido y luces, así como también a otros dispositivos eléctricos que son usados en el vehículo. Además, ésta es recargada con electricidad generada por el alternador. La batería es un contenedor (deposito de batería) que está dividido interiormente en varios segmentos. Este contenedor contiene fluido electrolítico y placas. Estos segmentos divididos internamente son unidos por conectores en serie, para que juntos ocurra la descarga y recarga a través de una reacción química entre el fluido electrolítico y las placas.
EQUIPO DE PURIFICACIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE
El equipo de purificación de los gases de escape es un equipo que purifica los gases de escape de sustancias dañinas contenidas en ellos. Extraer los gases consiste en descargarlos desde la tubería de escape después de la combustión en el motor, la mezcla de aire-combustible sin quemar que se fuga a través de la holgura entre los anillos del pistón y las paredes del cilindro, y gas soplado, que es la mezcla de gases sin quemar y gases quemados, añadiéndose gases de combustible evaporados que son vaporizados desde el tanque de combustible y otros componentes del sistema de combustible. El equipo de purificación de los gases de escape purifica estos gases. Depósito de carbón El depósito de carbón almacena temporalmente gases de combustible evaporados que son generados en el tanque de combustible y los conduce al sistema de admisión, mientras el motor está funcionando. El carbón activado en el depósito de carbón separa los gases de combustible evaporados en aire y HC (hidrocarburos). El aire se escapa de la zona inferior del depósito del carbón mientras que los HC son enviados al sistema de admisión cuando la presión en el múltiple de admisión disminuye. Separador de evaporación de combustible 552
Cuando el tanque de combustible está lleno, si el vehículo está estacionado en un camino bajo un sol fuerte, el combustible dentro del tanque se expande, incrementando su volumen. El separador de evaporación de combustible previene esta expansión de combustible desde el flujo directo en el depósito de carbón.
553
OTROS MOTORES
MOTOR DE 2 TIEMPOS
El motor de dos tiempos, también denominado motor de dos ciclos, es un motor de combustión interna que realiza las cuatro etapas del ciclo termodinámico (admisión, compresión, explosión y escape) en dos movimientos lineales del pistón (una vuelta del cigüeñal). Se diferencia del más conocido y frecuente motor de cuatro tiempos de ciclo de Otto, en el que este último realiza las cuatro etapas en dos revoluciones del cigüeñal. Existe tanto en ciclo Otto como en ciclo Diesel.
El motor de dos tiempos se diferencia en su construcción, del motor de cuatro tiempos Otto en las siguientes características: • Ambas caras del pistón realizan una función simultáneamente, a diferencia del motor de cuatro tiempos en el que únicamente esta activa la cara superior. • La entrada y salida de gases al motor se realiza a través de las lumbreras (orificios situados en el cilindro). Este motor carece de las válvulas que abren y cierran el paso de los gases en los motores de cuatro tiempos. El pistón dependiendo de la posición que ocupa en el cilindro en cada momento abre o cierra el paso de gases a través de las lumbreras. • El cárter del cigüeñal debe estar sellado y cumple la función de cámara de pre compresión. En el motor de cuatro tiempos, por el contrario, el cárter sirve de depósito de lubricante. • La lubricación, que en el motor de cuatro tiempos se efectúa mediante el cárter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible en una proporción que varía entre el 2 y el 5 por ciento. Dado que esta mezcla está en contacto con todas las partes móviles del motor se consigue la adecuada lubricación. Fase de admisión-compresión El pistón se desplaza hacia arriba (la culata) desde su punto muerto inferior, en su recorrido deja abierta la lumbrera de admisión. Mientras la cara superior del pistón realiza la compresión en el cárter, la cara inferior succiona la mezcla de aire y combustible a través de la lumbrera. Para que esta operación sea posible el cárter tiene que estar sellado. Es posible que el pistón se deteriore y la culata se mantenga estable en los procesos de combustión. 554
Fase de explosión-escape Al llegar el pistón a su punto muerto superior se finaliza la compresión y se provoca la combustión de la mezcla gracias a una chispa eléctrica producida por la bujía. La expansión de los gases de combustión impulsan con fuerza el pistón que transmite su movimiento al cigüeñal a través de la biela. En su recorrido descendente el pistón abre la lumbrera de escape para que puedan salir los gases de combustión y la lumbrera de transferencia por la que la mezcla de aire-combustible pasa del cárter al cilindro. Cuando el pistón alcanza el punto inferior empieza a ascender de nuevo, se cierra la lumbrera de transferencia y comienza un nuevo ciclo.
LUBRICACIÓN
El aceite, mezclado con la gasolina, es desprendido en el proceso de quemado del combustible. Debido a las velocidades de la mezcla, el aceite se va depositando en las paredes del cilindro, pistón y demás componentes. Este efecto es incrementado por las altas temperaturas de las piezas a lubricar. Un exceso de aceite en la mezcla implica la posibilidad de que se genere carbonilla en la cámara de explosión, y la escasez el riesgo de que se gripe el motor. Estos aceites suelen ser del tipo SAE 30, al que se le añaden aditivos como inhibidores de corrosión y otros. La mezcla de aceite y gasolina es 555
ideal hacerla en un recipiente aparte, y una vez mezclados, verterlos al depósito, también existen sistemas automáticos que proporcionan el aceite inyectándolo en la cantidad apropiada. La mezcla se realiza con una proporción del 2 al 5% de aceite en combustible.
VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas
• El motor de dos tiempos no precisa válvulas de los mecanismos que las gobiernan, por lo tanto es más liviano y de construcción más sencilla, por lo que resulta más económico. • Al producirse una explosión por cada vuelta del cigüeñal, desarrolla más potencia para una misma cilindrada y su marcha es más regular. • Pueden operar en cualquier orientación ya que el cárter no almacena el lubricante. • Son motores más ligeros y necesitan de menor mantenimiento, debido al menor número de piezas que los componen.
Desventajas • El motor de dos tiempos es altamente contaminante ya que en su combustión se quema aceite continuamente, y nunca termina de quemarse la mezcla en su totalidad. • Al no quemarse la mezcla en su totalidad en el interior de la cámara de explosión y debido al barrido de los gases de escape mediante la admisión de mezcla, no se aprovecha completamente todo el combustible utilizado y esto genera un rendimiento menor. Por ello, aunque tiene una carrera de trabajo en cada vuelta de cigüeñal, a diferencia de un motor de 4 tiempos que tiene una carrera de trabajo cada dos vueltas, no alcanza a tener el doble de potencia que un motor de cuatro tiempos de la misma cilindrada. • Al ser un motor cuyo régimen de giro es mayor, sufre un desgaste mayor que el motor de 4 tiempos. • Son menos eficientes económicamente que los motores de 4 tiempos debido al consumo de aceite y al mayor consumo de combustible.
MOTOR WANKEL
El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos. 556
Wankel concibió su motor rotativo en 1924 y recibió su patente en 1929. Durante los años 1940 se dedicó a mejorar el diseño. Se hizo un considerable esfuerzo en el desarrollo de motores rotativos en los 1950 y los 1960. Eran particularmente interesantes por funcionar de un modo suave, silencioso y fiable, gracias a la simplicidad de su diseño. Un motor rotativo o Wankel, en honor a su creador Félix Wankel, es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente de los motores alternativos. En un motor alternativo; en el mismo volumen (mililitros) se efectúan sucesivamente 4 diferentes trabajos —admisión, compresión, combustión y escape. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; con el pistón moviéndose continuamente de uno a otro. Más concretamente, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular o triángulo lobular que realiza un giro de centro variable. Este pistón comunica su movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único. Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones. El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el "freno", delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la expele hacia el escape.
VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas
• Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y regletas), árbol motriz y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los 557
motores de pistón). Esto redunda en una mayor fiabilidad. • Suavidad de marcha: Sin tirones ni detonaciones ni autoencendido, la mejor gasolina que puede utilizar es la de 70 octanos incluso la de 60. • El motor ocupa menos espacio y pesa menos. (pero necesita un sistema d refrigeración muy dimensionado. • Su sencillez mecánica es indiscutible. Inconvenientes • Emisiones: es más complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas de emisiones contaminantes, ya que trabaja igual que un motor de 2 tiempos, consumiendo aire, combustible y aceite. • Costos de mantenimiento. • Consumo: un poco mayor al de pistones. • Freno motor: pobre. • El ralentí no es lento y recuerda la irregularidad de los dos tiempos. • Par motor: bajo cae rápidamente, no es un motor elástico.
558
ELECTRICIDAD DEL AUTOMOVIL LA BATERIA
Se entiende por batería a todo elemento capaz de almacenar energía eléctrica para ser utilizada posteriormente.
559
Los elementos que forman una batería se ven en la figura de arriba. El liquido que hay dentro de la batería, se llama electrólito está compuesto por una mezcla de agua destilada y acido sulfúrico, con una proporción del 34% de acido sulfúrico y el resto de agua destilada. El nivel del electrólito debe de estar un centímetro por encima de las placas.
BATERÍAS DE BAJO MANTENIMIENTO Y SIN MANTENIMIENTO La diferencia entre estas y la convencionales consiste en la constitución de la placas. En las convencionales las rejillas de las placas son de plomo y antimonio, siendo este ultimo el motivo de la continua evaporación de agua. 560
En las baterías de bajo mantenimiento se reduce la proporción de antimonio, con lo que se disminuye la evaporación del agua y se amplían los plazos de mantenimiento: En las baterías sin mantenimiento las placas positivas son de plomo-antimonio, de bajo contenido es éste último, y las negativas de plomo-calcio. Los separadores evitan el desprendimiento de la materia activa de las placas, con lo que se consigue reducir el espacio dedicado al depósito de los sedimentos, al disminuir estos, y así se puede aumentar el nivel de electrólito por encima de las placas, garantizando permanezcan sumergidas durante la vida de la batería, eliminado el mantenimiento. ACOPLAMIENTO DE BATERÍAS Para conseguir mayores tensiones (V) o una capacidad de batería (Amperios-hora Ah) distintos a los estándares que tienen las baterías que encontramos en el mercado, se utiliza la técnica de unión de baterías: Esta unión puede ser mediante: • Acoplamiento serie • Acoplamiento paralelo • Acoplamiento mixto El acoplamiento serie tiene como característica principal que se suman las tensiones de las baterías y la capacidad permanece igual. Como punto a tener en cuenta en este acoplamiento es que la capacidad de la batería (Ah) debe ser la misma para todas las baterías. Si una de ellas tuviera menor capacidad, durante el proceso de carga de las baterías, este elemento alcanzaría la plena carga antes que los demás por lo que estaría sometido a una sobrecarga, cuyos efectos pueden deteriorar la batería. También durante el proceso de descarga la batería de menor capacidad se descargara antes por lo que se pueden sulfatar sus placas. El acoplamiento paralelo tiene como característica principal que se suman las capacidades de la batería manteniéndose invariable las tensiones. Como punto a tener en cuenta en este acoplamiento es que todas las baterías deben de tener igual valor de tensión (V) en sus bornes de no ser así la de mayor tensión en bornes se descargara a través de la de menor. El acoplamiento mixto consiste en unir baterías en serie con otras en paralelo para así conseguir así la suma de las ventajas de cada uno de los acoplamientos. COMPROBACIÓN DE CARGA DE UNA BATERÍA. Para comprobar el estado de carga de una batería se usa un densímetro o pesa-ácidos (figura de abajo). Está constituido por una probeta de cristal, con una prolongación abierta, para introducir por ella el liquido medir, el cual se absorbe por el vació interno que crea pera de goma situada en la parte superior de la probeta. En el interior de la misma va situada una ampolla de vidrio, cerrada y llena de aire, equilibrada con un peso a base de perdigones de plomo. La ampolla va graduada en unidades densimetrías de 1 a 1,30.
561
La forma de medición con este aparato: se introduce su extremo abierto por la boca de cada vaso como se ve en la figura de arriba derecha, aspirando una cantidad de liquido suficiente para elevar la ampolla y leer directamente sobre la escala graduada, al nivel del liquido, la densidad correspondiente a cada vaso. Hecha la lectura, se vuelve a introducir el liquido en el elemento o vaso de la batería. Hay densímetros que la escala de valores en vez de números la tiene en colores. Las pruebas con densímetro no deben realizarse inmediatamente después de haber rellenado los vasos con agua destilada, sino que se debe esperar a que esta se halla mezclado completamente con el ácido.
Un buen rendimiento de la batería se obtiene cuando la densidad del electrólito esta comprendida entre 1,24 y 1,26. Para plena carga nos tiene que dar 1,28. Si tenemos un valor de 1,19 la batería se encuentra descargada. También se puede comprobar la carga de una batería con un voltímetro de descarga, especial para este tipo de mediciones que dispone de una resistencia entre las puntas de prueba de medir. Este voltímetro tiene la particularidad de hacer la medición mientras se provoca una descarga de la batería a través de su resistencia. La medición se debe hacer en el menor tiempo posible para no provocar una importante descarga de la batería. Los valores de medida que debemos leer en el voltímetro son los siguientes: - Si la batería no se utilizado en los últimos 15 minutos, tendremos una tensión por vaso de 2,2 V. si la batería está totalmente cargada, 2 V. si esta a media carga y 1,5 V. si esta descargada.
562
- Si la batería se está sometiendo a descarga, tendremos una tensión de por vaso de 1,7 V. si la batería está totalmente cargada, 1,5 V. si está a media carga y 1,2 V. si esta descargada. Ejemplo: 2,2 V. x 6 vasos = 13,2 V. Esta tensión mediríamos cuando la batería lleva más de 15 minutos sin utilizarse y está totalmente cargada.
CARGA DE BATERÍAS Antes de cargar una batería se debe comprobar que esté limpia superficialmente y el electrólito debe estar a su nivel correspondiente. Se deben destapar los vasos y mantenerlos abiertos durante la carga y hay que respetar las polaridades a la hora de conectar la batería al cargador. El cargador de baterías (visto en la figura) hay que regularlo a una intensidad de carga que será un 10% de la capacidad nominal de la batería que viene expresado en amperios-hora (A-h) por el fabricante. Por ejemplo para una batería de 55 A-h la intensidad de carga será de 5,5 A, comprobando que la temperatura interna del electrólito no supera el valor de 25 a 30 ºC. La carga debe ser interrumpida cuando la temperatura de uno de los vasos centrales alcance los 45 ºC y reemprendida de nuevo cuando se halla enfriado. Cada vez que hay que desconectar una batería primero se quita el cable de masa o negativo y después el cable positivo, para conectar la batería al revés primero se conecta el cable positivo y después el cable de masa.
563
EL ALTERNADOR
El alternador es el encargado de proporcionar la energía eléctrica necesaria a los consumidores del automóvil (encendido, luces, motores de limpia-parabrisas, cierre centralizado, etc.), también sirve para cargar la batería. Antiguamente en los coches se montaba una dinamo en vez de un alternador, pero se dejo de usar por que el alternador tiene menor volumen y peso para una misma potencia útil. Además el alternador entrega su potencia nominal a un régimen de revoluciones bajo; esto le hace ideal para vehículos que circulan frecuentemente en ciudad, ya que el alternador carga la batería incluso con el motor funcionando a ralentí. El alternador igual que el motor de arranque se rodea de un circuito eléctrico que es igual para todos los vehículos.
El circuito que rodea el alternador se denomina circuito de carga que está formado por: el propio alternador, la batería y el regulador de tensión. Este último elemento sirve para que la tensión que proporciona el alternador se mantenga siempre constante aprox. 12 V. El borne positivo del alternador se conecta directamente al positivo de la batería y al borne + del regulador de tensión, cuyo borne EXC se conecta al borne EXC del alternador. La energía eléctrica proporcionada por el alternador está controlada por el regulador de tensión, esta energía es enviada hacia la batería, donde queda almacenada, y a los circuitos eléctricos que proporcionan energía eléctrica a los distintos consumidores (encendido, luces, radio, cierre centralizado etc.).
Despiece de un alternador El alternador igual que el motor de arranque en la mayoría de los casos si se produce una avería se sustituye por otro de segunda mano. La excepción se produce cuando la avería viene provocada por las escobillas, fallo frecuente y que se arregla fácilmente sustituyendo las escobillas desgastadas por 564
unas nuevas. Otra avería podría ser la provocada por un falso contacto en los componentes eléctricos que forman el alternador debido a las vibraciones del motor o a la suciedad. Este fallo se arregla desmontando el alternador para limpiarlo y comprobar sus conexiones. Otro fallo habitual es el gripado de los rodamientos o cojinetes que se arregla sustituyendo los mismos.
Regulador de tensión que forma conjunto con las escobillas
El regulador de tensión hasta los años 80 venia separado del alternador (como se ve en el circuito de la figura del inicio de la pagina). Estaba constituido por dos o tres elementos electromagnéticos según los casos, era voluminoso y más propenso a las averías que los pequeños reguladores de tensión electrónicos utilizados después de los años 80 hasta hoy en día. Son reguladores electrónicos de pequeño tamaño y que van acoplados a la carcasa del alternador como se ve en la figura de la derecha. Esquema eléctrico de un alternador con su regulador electrónico mas el circuito de carga que lo rodea formado por la batería, la lámpara de control, el interruptor de la llave y los circuitos de los elementos receptores (luces, encendido, elevalunas etc.).
Los reguladores electrónicos tienen menos averías debido a que carecen de elementos mecánicos, sometidos siempre a desgastes y dilataciones. Los reguladores electrónicos no tienen arreglo, si se estropean se sustituyen por otro nuevo.
565
MOTOR DE ARRANQUE
El motor de arranque es un motor eléctrico que tiene la función de mover el motor térmico del vehículo hasta que éste se pone en marcha por sus propios medios (explosiones en las cámaras de combustión en el interior de los cilindros). El motor de arranque consta de dos elementos diferenciados: - El motor propiamente dicho que es un motor eléctrico ("motor serie" cuya particularidad es que tiene un elevado par de arranque). - Relé de arranque: tiene dos funciones, como un relé normal, es decir para conectar y desconectar un circuito eléctrico. También tiene la misión de desplazar el piñón de arranque para que este engrane con la corona del volante de inercia del motor térmico y así transmitir el movimiento del motor de arranque al motor térmico.
En la figura inferior vemos el circuito de arranque con todos sus elementos. La llave de contacto da la orden de arranque poniendo bajo tensión el relé de arranque.
566
En la figura inferior vemos resaltada la parte eléctrica del motor de arranque. Se ven claramente las dos bobinas eléctricas que forman el relé de arranque. También se ve el bobinado inductor y las escobillas, así como el circuito eléctrico exterior que siempre acompaña al motor de arranque.
567
LAMPARAS UTILIZADAS EN EL AUTOMÓVIL
Las lámparas están constituidas por un filamento de tungsteno o wolframio que se une a dos terminales soporte; el filamento y parte de los terminales se alojan en una ampolla de vidrio en la que se ha hecho el vacío y se ha llenado con algún gas inerte (argón, neón, nitrógeno, etc.); los terminales aislados e inmersos en material cerámico se sacan a un casquillo, éste constituye el soporte de la lámpara y lleva los elementos de sujeción (tetones, rosca, hendiduras, etc.) por donde se sujeta al portalámparas. Cuando por el filamento pasa la corriente eléctrica éste se pone incandescente a elevada temperatura (2000 a 3000ºC) desprendiendo gran cantidad de Luz y calor por lo que se las conoce como lámparas de incandescencia; en el automóvil se emplean varios tipos aunque todos están normalizados y según el empleo reciben el nombre, pudiendo ser para: faros, pilotos, interiores y testigos.
568
Las lámparas de alumbrado se clasifican de acuerdo con su casquillo, su potencia y la tensión de funcionamiento. El tamaño y forma de la ampolla (cristal) depende fundamentalmente de la potencia de la lámpara. En los automóviles actuales, la tensión de funcionamiento de las lámparas es de 12 V prácticamente en exclusiva.
TIPOS DE LAMPARAS
• Plafón (1): Su ampolla de vidrio es tubular y va provista de dos casquillos en ambos extremos en los que se conecta el filamento. Se utiliza fundamentalmente en luces de techo (interior), iluminación de guantera, maletero y algún piloto de matrícula. Se fabrican en diversos tamaños de ampolla para potencias de 3, 5, 10 y 15 W. • Pilotos (2): La forma esférica de la ampolla se alarga en su unión con el casquillo metálico, provisto de 2 tetones que encajan en un portalámparas de tipo bayoneta. Este modelo de lámpara se utiliza en luces de posición, iluminación, stop, marcha atrás, etc. Para aplicación a luces de posición se utilizan preferentemente la de ampolla esférica y filamento único, con potencias de 5 o 6 W. En luces de señalización, stop, etc., se emplean las de ampolla alargada con potencia de 15, 18 y 21 W. En otras aplicaciones se usan este tipo de lámparas provistas de dos filamentos, en cuyo caso, los tetones de su casquillo están posicionados a distintas alturas. • Control (3): Disponen un casquillo con dos tetones simétricos y ampolla esférica o tubular. Se utilizan como luces testigo de funcionamiento de diversos aparatos eléctricos, con potencias de 2 a 6 W. • Lancia (4): Este tipo de lámpara es similar al anterior, pero su casquillo es mas estrecho y los tetones se que está provisto son alargados en lugar de redondos. Se emplea fundamentalmente como señalización de cuadro de instrumentos, con potencias de 1 y 2 W. • Wedge (5): En este tipo de lámpara, la lámpara tubular se cierra por su inferior en forma de cuña, quedando plegados sobre ella los hilos de los extremos del filamento, para su conexión al portalámparas. En algunos casos este tipo de lámpara se suministra con el portalámparas. Cualquiera de las dos tiene su aplicación en el cuadro de instrumentos. • Foco europeo (6): Este modelo de lámpara dispone una ampolla esférica y dos filamentos especialmente dispuestos como se detallara más adelante. Los bornes de conexión están ubicados en el extremo del casquillo. Se utiliza en luces de carretera y cruce. • Halógena (7): Al igual que la anterior, se utiliza en alumbrado de carretera y cruce, así como en faros antiniebla. Las lámparas van dentro de los faros que proyectan su luz. Los faros a su vez deben de llevar a cabo dos tareas opuestas: una trata de conseguir una luz potente para realizar una conducción segura, con una cierta difusión cerca del vehículo, a fin de obtener una buena iluminación que permita ver bien el pavimento y la cuneta. Por otra parte, tiene que evitar que esta potente luz no deslumbre a los conductores de los vehículos que vienen en sentido contrario, hace falta otra luz más baja o de cruce, que sin deslumbrar, permita una iluminación suficiente para mantener una velocidad razonable con la suficiente seguridad. El alumbrado de carretera se consigue situando la lámpara en el interior de la parábola del faro, de manera que su filamento coincida con el foco geométrico de la misma. Así, los rayos de luz que emite el filamento son devueltos por el reflector de manera que en conjunto forman un haz luz 569
paralelo. Si el filamento se coloca delante del foco geométrico de la parábola, el haz de luz sale convergente, y si se coloca detrás, divergente. Estos efectos pueden verse en la figura inferior:
570
El foco geométrico de una parábola es por definición, el único punto para el que los rayos reflejados son paralelos. Para el alumbrado de carretera se obtiene, por consiguiente, una intensidad luminosa considerable por un haz de rayos paralelos de gran alcance. Pero esto no es lo que se busca para el alumbrado de carretera ya que se necesita una proyección de luz a gran distancia, pero que no se concentre en un punto sino que se extienda por toda la anchura de la carretera. Para lograr este objetivo el deflector o cristal que cubre el foco suele ir tallado formando prismas triangulares, de tal forma que se consiga una desviación hacia abajo del haz luminoso y una dispersión en el sentido horizontal. El alumbrado de carretera por su intensidad llega a deslumbrar a los conductores de los automóviles que circulan en sentido contrario. Para evitar esto se dispone del alumbrado de cruce, que se obtiene instalando un segundo filamento por delante del foco geométrico de la parábola, con lo que se consigue que los rayos de luz salen de forma convergentes. Este filamento tiene la peculiaridad de disponer una pequeña pantalla por debajo de él, que evita que los rayos de luz que despide el filamento hacia abajo, sean reflejados por la parábola, con lo cual, solamente lo son los que salen hacia la mitad superior, que parten del reflector con una cierta inclinación hacia abajo, lo que supone un corte del haz de luz, que incide en el suelo a una menor distancia evitando el deslumbramiento. 571
Los filamentos de las lámparas de carretera y cruce se disponen generalmente en una sola lámpara que tiene tres terminales uno de masa, otro de cruce y el otro de carretera. La fijación de la lámpara al faro se realiza por medio de un casquillo metálico (G), de manera que encaja en una posición única, en la cual, la pantalla (C) del filamento de cruce queda posicionada por debajo de él en el montaje. Para ello el casquillo va provisto de un resalte que encaja en el foco en una posición predeterminada. Para aprovechar al máximo la intensidad luminosa del alumbrado de cruce sin deslumbrar al conductor que viene en sentido contrario, se utiliza un sistema de alumbrado llamado de "haz asimétrico". Este efecto consigue dando una pequeña inclinación a la pantalla situada por debajo del filamento de luz de cruce, de forma que el corte de haz de luz se levante en un ángulo de 15º sobre la horizontal a partir del centro y hacia la derecha. Como se ve en la figura inferior la parte derecha de la calzada queda mejor iluminada, permitiendo ver mejor el carril por donde vamos circulando sin deslumbrar a los conductores que vienen en sentido contrario. Lámparas halógenas Aunque se les da este nombre, la forma real de llamarlas es Lámpara de Halógeno. Para aumentar la intensidad luminosa de una lámpara se puede aumentar la temperatura de funcionamiento de la misma, pero la forma constructiva de las lámparas incandescentes limitan su temperatura de funcionamiento por lo que también se ve limitada su intensidad luminosa. Las lámparas halógenas presentan la ventaja de que la intensidad luminosa es muy superior a la de una lámpara convencional, con un pequeño aumento del consumo de corriente y una vida más larga de funcionamiento. La ausencia casi total de ennegrecimiento de la ampolla, hace que su potencia luminosa sea sensiblemente igual durante toda la vida útil de la lámpara.
En la figura superior puede verse la constitución de una lámpara de halógeno de doble filamento para carretera y cruce, donde se aprecia la disposición en línea de ellos y la situación de la pantalla en el de cruce. El extremo de la ampolla está recubierto con pintura negra especial. La zona recubierta con pintura tiene una influencia directa sobre la distribución de la temperatura en el interior de la ampolla durante el ciclo de halógeno. Atendiendo a la forma de la ampolla, numero de filamentos y posicionamiento de los mismos, existen básicamente las siguientes clases de lámparas halógenas: 572
• Lámparas H1, de ampolla tubular alargada en la que el único filamento está situado longitudinalmente y separado de la base de apoyo. En su casquillo se forma un platillo de 11 mm de diámetro. Se utiliza fundamentalmente en faros de largo alcance y antinieblas, con potencias de 55, 70 y 100 W. • Lámpara H2, similar a la anterior en cuanto a filamento y ampolla, pero de menor longitud y no dispone de casquillo, sino unas placas de conexión. Es empleada básicamente en faros auxiliares, con potencias similares a la anterior. • Lámpara H3, cuyo único filamento está situado transversalmente sobre la ampolla y no dispone de casquillo, acabando el filamento en un cable con terminal conector. Se utiliza principalmente en faros auxiliares antiniebla y largo alcance, con potencias similares a las anteriores. • Lámpara H4, que es la más utilizada en luces de carretera y cruce. Sus dos filamentos van situados en línea alojados en una ampolla cilíndrica, que se fija a un casquillo con plataforma de disco para su acoplamiento a la óptica del faro. En algunos casos, la ampolla principal se cubre con otra auxiliar que puede ser coloreada para aplicación a países que utilizan alumbrado intensivo con luz amarilla. Generalmente se disponen los filamentos con potencias de 55/60 W (cruce-carretera), 70/75 y 90/100 W.
• Lámpara H5, que es similar a la anterior, de la que se diferencia únicamente por el casquillo, como puede verse en la figura.
573
El empleo de lámpara halógena en lugar de la convencional representa un fuerte aumento de la energía luminosa. Para la luz de carretera, 1200 lm (lúmenes) en lugar de los 700 lm de la lámpara convencional y en luz de cruce 750 lm frente a 450 lum. Los faros halógenos dan una mayor profundidad de visión en la luz de carretera, mientras que en la de cruce, aunque la distancia iluminada es la misma, la luz es mucho más intensa y el haz luminoso más ancho, lo que permite ver mejor los bordes de la calzada. Dada la mayor temperatura de funcionamiento de la lámpara halógena y su potencia luminosa, se hace necesario emplear reflectores apropiados a ellas, cuya fabricación requiere unos niveles de calidad y precisión netamente superiores a los de un reflector convencional. En cuanto al cristal de la óptica se refiere, esta mucho más cuidado el tallado de los prismas encargados de dirigir con precisión el haz luminoso, especialmente con el funcionamiento de la luz de cruce. Con las lámparas halógenas debe tenerse la precaución de no tocar con los dedos el cristal de cuarzo, pues aparte de las quemaduras que puede provocar cuando está caliente, la grasilla depositada con el tacto, produce una alteración permanente en el cristal con las altas temperaturas. Por esta razón, cuando se haya tocado el cristal, debe limpiarse con alcohol antes de poner en servicio la lámpara. Un tipo de lámpara halógena especial es aquella que utiliza gas xenón en el interior de la ampolla, con el cual se consigue una luz más blanca y, por tanto, mas semejante a la luz del día. LAMPARAS DE XENÓN Estas lámparas son un sistema de iluminación con alto rendimiento luminoso que aumenta la seguridad activa durante la conducción. Se instalan estas lámparas actualmente en los vehículos de alta gama, aunque también se empiezan a ver cada vez más en vehículos de gama media. Estructura del faro Está formado por una unidad de control y un bloque de encendido, normalmente están incorporados en el faro. No obstante, también existen modelos en los que la unidad de control está en una pletina sujeta cerca de las torres de amortiguación. Normalmente, los componentes del faro de descarga de gas pueden sustituirse por separado. Funcionamiento Funcionan por descarga de gas, en el interior de la ampolla hay gas xenón y halogenuros metálicos; para el funcionamiento se requiere un dispositivo electrónico que debe llevarlo el vehículo que utilice estas lámparas, el dispositivo enciende la lámpara y controla el arco. Para el encendido el sistema electrónico eleva la tensión entre los electrodos del interior de la ampolla creándose un arco de luz gracias al gas xenón y a la gasificación de los halogenuros metálicos. La luz es generada por medio de un arco voltaico de hasta 30.000 voltios, entre los dos electrodos de tungsteno situados en la cámara de vidrio. 574
El arco es generado por una reactancia o reacción que produce una corriente alterna de 400 Hz. En el interior de la lámpara se alcanza una temperatura de aproximadamente 700 ºC. La temperatura de luz de estas lámparas es de 4100 a 4500ºk frente a los 3200 de las halógenas, por los que es mas blanca.
Una vez efectuado el encendido, se hace funcionar la lámpara de descarga de gas aproximadamente durante 3 segundos, con una corriente de mayor intensidad. El objetivo es que la lámpara alcance su claridad máxima tras un retardo mínimo de 0,3 segundos. Debido a este ligero retardo no se utilizan lámparas de descarga de gas para la luz de carretera.
En virtud de la composición química del gas, en la ampolla o bulbo de la lámpara se genera una luz con un elevado porcentaje de luz verde y azul. Esa es la característica de identificación exterior de la técnica de luminiscencia por descarga de gas.
575
Las ventajas de este nueva generación de faros, en comparación con la tecnología de las lámparas convencionales son: Ventajas • El rendimiento luminoso es unas tres veces mayor. Para generar el doble de intensidad luminosa que una lámpara convencional de 55 W, se utiliza una descarga de gas de sólo 35 W. De esta manera se reduce el consumo aproximadamente en un 25%. • La energía eléctrica convertida en calor es mucho menor por lo que se pueden usar faros pequeños y de materiales plásticos. • Banda de luz más amplia. Mediante una configuración especial del reflector, visera y lente se consigue un alcance superior y una zona de dispersión más ancha en la zona de proximidad. De esta forma se ilumina mejor el borde de la calzada, lo cual reduce la fatiga visual del conductor. • La vida útil es de unas 2.500 horas. Cinco veces más que una lámpara halógena. Inconvenientes: • Tardan 60 segundos en dar luz máxima (3200lm) aunque al segundo dan 800lm (lúmenes). • Necesitan equipo electrónico de encendido y control. • Se permite el uso solo en combinación con sistemas automáticos de regulación de altura de la luz de los faros y de lavafaros (lo del lavafaros es para que siempre estén limpios, pues la suciedad es un aislante térmico y sin evacuaciones del calor se produce avería segura). • Precio de lámparas e instalación requerida.
FAROS CON LÁMPARAS DE DESCARGA DE GAS BIXENON En los sistemas anteriores no era posible generar las luces de cruce y carretera con una sola lámpara de descarga de gas. No se podía modificar el límite claro-oscuro durante el funcionamiento. Ahora es posible utilizar la luz de xenón para cruce y carretera, haciendo intervenir un obturador mecánico “shutter”, cuya posición se conmuta por medio de un electroimán.
576
Con este mecanismo obturador se cubre una parte de la luz generada por la lámpara, para configurar así la luz de cruce. Al pasar el mecanismo a la posición de carretera se deja pasar la totalidad de la luz generada por la lámpara. Se sigue manteniendo una lámpara H7 para la función de ráfagas, ya que la bombilla de xenón, debido a las características de inflamación del gas para la producción de luz, no puede trabajar en la función de apagado y encendido rápido. Regulación automática del alcance luminoso Para evitar la posibilidad de deslumbrar a los conductores que circulan en sentido contrario, la legislación obliga a que los vehículos con faros de descarga de gas dispongan de un sistema. El perfeccionamiento de este sistema dinámico de reglaje se debe a la presencia de sensores situados en los ejes delantero y trasero, los cuales trasmiten la información sobre la situación de la suspensión del vehículo. Los datos recibidos son tratados electrónicamente y transmitidos a los accionadores situados detrás de los proyectores de Xenón. Los tiempos de reacción se miden en milésimas de segundo y la posición del haz de luz es ajustada inmediatamente, emitiéndose un haz luminoso que no deslumbra a los conductores que circulan en sentido contrario.
577
Nota: Si se presenta alguna avería eléctrica en la regulación automática del alcance luminoso, los servomotores del sistema desplazan automáticamente el enfoque de los faros a su posición más baja. De esta forma, el conductor se da cuenta de la avería.
Precauciones • Debido a que la lámpara de descarga de gas recibe tensiones eléctricas de hasta 30.000 voltios, es imprescindible extremar las medidas de seguridad. El faro con cámara de descarga de gas y el bloque de encendido tienen rótulos de aviso a este respecto. • Debido a la alta potencia luminosa de este tipo de lámparas, se debe evitar la observación directa y frontal del faro. • Desconectar el borne negativo de la batería antes de proceder al desmontaje o instalación. • Si el faro de xenón está encendido, no tocar la instalación, la bombilla o el enchufe sin protegerse las manos con guantes. • No realizar tareas de mantenimiento en el faro de xenón con las manos húmedas. • Para encender el faro de xenón, la lámpara debe estar instalada en su alojamiento (nunca encender el faro con la lámpara de xenón fuera de éste) • Asegurarse de instalar la lámpara de forma adecuada, si se instala de forma incorrecta, pueden producirse fugas de alta tensión que deteriorarían la lámpara y el enchufe. Sustitución de una lámpara Esta operación debe realizarse en el taller. Los fabricantes suelen sujetar las tapas con tornillos torx para que el conductor no sustituya la lámpara. El trabajo no encierra dificultad especial, hay que respetar las normas de seguridad descritas con anterioridad y consultar la documentación del fabricante respecto al proceso de desmontaje.
ELEVALUNAS ELÉCTRICO
Se puede subir y bajar los cristales de las puertas por medio de un mecanismo eléctrico, que está compuesto básicamente por un pequeño motor eléctrico y un mecanismo que transforma el movimiento rotativo del motor en un movimiento lineal de sube y baja que es transmitido al cristal. 578
La timonería o mecanismo del elevalunas puede adoptar distintas formas, según sea su constitución, las más usuales son las que utilizan para subir o bajar el cristal un: • Cable de tracción: el motor mueve un cable de tracción en ambos sentidos. • Cable rígido de accionamiento: el motor mueve en uno u otro sentido un cable rígido normalmente dentado parecido al que se utiliza en el limpiaparabrisas. • Brazos articulados: el motor acciona un sector dentado que se articula a unas palancas en forma de tijera.
ELEVALUNAS CON BRAZOS ARTICULADOS
En las figuras inferiores se pueden ver la instalación de este dispositivo en la puerta del automóvil. El conjunto del motor eléctrico y su correspondiente soporte se fija en los soportes (3) al panel de la puerta. El motor da movimiento a un sector dentado (por medio de un engranaje) que es solidario a los brazos articulados (4), cuyos extremos se alojan en las correderas (5) dispuestas en el soporte fijado a la luna de puerta. El extremo (6) de la articulación se fija en (2) a la puerta. De esta manera, el movimiento giratorio del motor eléctrico en uno u otro sentido se traduce en un desplazamiento arriba o abajo del cristal de la puerta.
579
ELEVALUNAS CON CABLE RÍGIDO DE ACCIONAMIENTO
En este tipo de elevalunas, el conjunto motor transmite el movimiento a un cable rígido dentado que se mueve en un sentido o en otro. Un extremo de este cable se une al soporte o pieza de arrastre que mueve el cristal, tirando o empujándolo para hacerle subir o bajar según sea el sentido de giro del motor.
ELEVALUNAS POR CABLE DE TRACCIÓN En este tipo de elevalunas, el conjunto motor transmite el movimiento a cable de acero flexible que se mueve por debajo de unas fundas que lo conducen al carril o carriles guía, tirando en uno u otro sentido del los soportes o piezas de arrastre que mueven el cristal. El conjunto motor que mueve el elevalunas (figura inferior: se ven motores de distintos tamaños) va dotado siempre de un dispositivo de protección contra sobrecargas, que lo desconecta automáticamente si se produce una resistencia excesiva en el movimiento de los cristales, por ejemplo: cuando encuentra algún obstáculo (como puede ser el brazo del conductor apoyado en el cristal). En la actualidad se utiliza un sistema de elevalunas eléctrico denominado secuencial. Este modelo presenta la peculiaridad de que basta pulsar una vez el interruptor de accionamiento para conseguir que el cristal de puerta suba hasta el final de su recorrido o baje del todo si ya estaba subido, aun cuando se suelte el pulsador de mando.
580
CERRADURAS ELECTROMAGNÉTICAS DE LAS PUERTAS Comúnmente llamado "cierre centralizado" consiste en asegurar el cierre de todas las puertas de forma eléctrica y conjunta. Al intentar abrir o cerrar la puerta del conductor de forma manual mediante la llave, esta activa con su movimiento, un interruptor que se encarga de activar todos los dispositivos electromagnéticos dedicados a bloquear o desbloquear las puertas. También desde el interior del vehículo se puede activar el cierre centralizado mediante un pulsador. En algunos casos, el circuito eléctrico de este mecanismo va unido a un dispositivo de seguridad (contactor de inercia) que desenclava automáticamente las cuatro puertas si se produce un choque del vehículo a mas de 15 km/h. También hay vehículos que además de lo anterior enclavan el cierre centralizado por seguridad de sus ocupantes a partir de una velocidad determinada (15 km/h). Los primeros dispositivos de cierre centralizado estaban compuestos por dos "bobinas eléctricas" entre la que se interponía un "disco de ferrita", que se mueve atraído por las bobinas según estén alimentadas o no con tensión eléctrica. Así cuando se hace pasar corriente eléctrica por la bobina superior el disco de ferrita es atraído hacia arriba desplazando con ella la varilla, la cual accionada mediante el correspondiente mecanismo de palancas a la leva, que produce el enclavamiento de la cerradura. Al mismo tiempo y debido al dispositivo mecánico de esta cerradura, la palanca hace subir a la correspondiente varilla unida a ella, apareciendo el testigo de que la correspondiente cerradura se encuentra enclavada. Lo contrario de este proceso ocurre cuando se hace pasar corriente eléctrica por la bobina inferior.
581
En la actualidad, las cerraduras electromagnéticas se han sustituido por un mecanismo de cierre centralizado que utiliza pequeños motores eléctricos que activan las cerraduras de una manera similar. El motor eléctrico es un motor reversible al que se le hace llegar la corriente por uno de los bornes para el cierre y por el contrario para la apertura, mientras que el otro borne se pone a masa. También hoy en día se utiliza frecuentemente para el cierre o apertura de las puertas, un transmisor portátil o mando a distancia, capaz de emitir una señal infrarroja codificada que es captada por un receptor emplazado en el interior del habitáculo, generalmente cerca del espejo retrovisor interno. Este receptor transforma la señal recibida en impulso de corriente que es enviado a los actuadores electromagnéticos o motores eléctricos de cada una de las puertas para su activación.
582
583
SISTEMA DE PROPULSION EL TREN DE PROPULSIÓN
Un tren de propulsión es un mecanismo integrado que transmite la potencia desarrollada en el motor al movimiento de las ruedas de un vehículo. Dos tipos de tren de propulsión son usados generalmente. Ellos son el motor delantero de transmisión posterior tipo (FR) y el motor delantero de transmisión delantera tipo (FF). Además de estos, hay un motor intermedio de transmisión posterior tipo (MR) y el de transmisión a las 4 ruedas tipo (4WD). El tipo 4WD es mayormente dividido en el tipo 4WD a tiempo parcial y el tipo 4WD a tiempo completo. CONFIGURACIÓN DEL TREN DE PROPULSIÓN Embrague EI embrague es usado para el arranque, o para los cambios de engranaje. Este transmite potencia desde el motor al tren de propulsión (vía transmisión / transeje). Transmisión / Trans-eje. Los diseños actuales de transmisión automática y de trans-eje o eje transversal son más ligeros, más pequeños y tienen características superiores de operación comparadas con algunos de los diseños antiguos. La transmisión / Trans-eje cambia la combinación de engranajes que transmiten potencia desde el motor al movimiento de las ruedas, además, cambia la velocidad del vehículo obtenida desde el motor. El trans-eje es una unidad que integra la transmisión y el mecanismo diferencial en un caso simple. Es usado en FF y vehículos similares. En las transmisiones automáticas y trans-ejes automáticos cambia la combinación de engranaje automáticamente. Árbol de Transmisión En los vehículos FR y 4WD, el árbol de transmisión transmite potencia desde la transmisión delantera al diferencial posterior. Diferencial El diferencial reduce la velocidad rotacional y después la transmisión, y dirige la potencia, luego es transmitida en ángulos rectos al eje propulsor o al eje motriz. Durante el giro de un vehículo, el diferencial absorbe diferentes velocidades en los neumáticos izquierdos y derechos, facilitando el viaje. Eje Propulsor / Eje Motriz Este eje transmite la potencia del diferencial a los neumáticos. Transferencia La transferencia es usada en los vehículos 4WD. Esta distribuye la potencia desde la transmisión / trans-eje a las ruedas delanteras y posteriores.
584
Tipo FR
Tipo FF
585
EL EMBRAGUE
El motor del automóvil, es una máquina térmica que no tiene arranque propio, por lo que una vez puesto en marcha, debe mantenerse girando, al sistema de arranque durante las constantes arrancadas y paradas del tráfico urbano. Para poder cumplir con este propósito debe existir algún elemento que permita desconectar el motor del resto de la transmisión del vehículo durante las paradas. Este dispositivo se llama embrague, y está colocado entre el motor y la caja de cambios. Este embrague, debe hacer un acoplamiento gradual entre el motor y la transmisión durante la puesta en movimiento inicial del automóvil. En ese momento, el motor se mantiene girando a una velocidad moderada, y la transmisión que acopla a las ruedas está completamente detenida, el embrague debe entonces, encargarse de ir acelerando de manera gradual la transmisión (y con ella al automóvil), hasta sincronizarla con giro del motor. Para algunos vehículos muy ligeros, como las motocicletas más pequeñas y similares, se usan también embragues de fricción de accionamiento centrífugo automático, que no serán considerados. Los siguientes tipos de embragues de automóvil son frecuentemente utilizados: Embrague de Fricción El disco de embrague (placa de fricción) presiona contra el volante del motor, transmitiendo potencia desde el motor por medio de la fuerza de fricción.
Liquido de Embrague La potencia del motor es usada para cambiar el flujo de aceite que es transmitido a la transmisión. Este es usado ampliamente como un convertidor de par en transmisión automática.
586
Flujo del aceite dentro del convertidor de par. Partes básicas del Convertidor de par Consiste en un impulsor de bomba y en un rodete de turbina, que se encara uno a otro, y un estator que es posicionado entre ellos. Este es llenado con aceite. Cuando el impulsor de bomba que es conectado directamente al cigüeñal del motor gira, el aceite en el convertidor del torque es dirigido bajo presión al rodete de turbina, causando la rotación y la transmisión de la potencia.
EMBRAGUES DE FRICCIÓN
Un esquema representativo de un embrague de fricción es como sigue: El Esquema 1 muestra de manera elemental, los principales componentes de un embrague de fricción acoplado. Un disco (azul) está acoplado al eje de salida hacia la transmisión, este disco se mantiene apretado contra el volante del motor (verde) que es parte del eje de entrada, por unos resortes que empujan otro disco (azul claro), perteneciente a un cuerpo que está montado sobre el propio volante y gira con él. De esta forma el disco de fricción (azul) está obligado a girar junto con el volante de entrada y ambos ejes, entrada y salida están acoplados. Esquema 1 Unas palancas (negras), que pivotan en los puntos rojos, pueden levantar el disco opresor (Esquema 2), cuando son empujadas por el collar (rojo), liberando el disco de fricción y desconectando el embrague. Así se permite que el volante de entrada gire y no arrastre el disco de 587
fricción, ambos ejes están desacoplados. Estas palancas están conectadas por un mecanismo adecuado al pedal del embrague del conductor. Esquema 2 Una vista de un embrague real seccionado se muestra en el Esquema 3. El elemento señalado como diafragma en el dibujo corresponde a un plato de acero de forma especial y es a la vez el resorte de opresión y la palanca de desacople.
Esquema 3
588
ACCIONAMIENTOS DE EMBRAGUE Un embrague opera en una de las formas siguientes: Embrague Mecánico Los movimientos del pedal del embrague son transmitidos al embrague usando un cable. Embrague Hidráulico Los movimientos del pedal del embregue son transmitidos al embrague por presión hidráulica. Una varilla de empuje conectada al pedal de embrague genera presión hidráulica en el cilindro maestro cuando el pedal es presionado y esa presión hidráulica desconecta el embrague.
Embrague Mecánico
Embrague Hidráulico
CAJA DE CAMBIOS
La caja de cambios o caja de velocidades manual, es aquella en la que el conductor puede a voluntad, establecer la fuerza de tracción del automóvil, utilizando diferentes etapas de engranajes colocados dentro de un cuerpo. Este cuerpo o carcasa está lleno hasta determinado nivel, de aceite lubricante de más alta viscosidad y resistencia a la presión que el lubricante del motor. Las cajas de cambios manuales pueden utilizar diferentes esquemas de trabajo entre los engranajes, y los modos en que se acoplan para transmitir la fuerza del motor. El esquema que sigue corresponde a la caja de cambio tradicional con collares desplazables de acoplamiento con tres velocidades. 589
En este tipo de caja , pueden diferenciarse dos árboles o ejes, uno de entrada y otro de salida, el primero procedente del motor y el segundo acoplado al resto de la transmisión. Entre ambos árboles hay un cojinete que permite el movimiento de rotación relativo entre ellos, de manera que pueden girar a diferentes velocidades. El árbol de entrada tiene en uno de sus extremos un engrane y un collar estriado, este engrane está acoplado constantemente a un tren de engranes montados en un solo cuerpo rígido, conocido como tren fijo, que gira todo el tiempo llevado por el árbol de entrada y montado en cojinetes en sus extremos.
El árbol de salida es un árbol estriado y en él, giran libremente varios engranes, que a su vez están acoplados al resto de los engranes del tren fijo. Estos engranes, al igual que el del árbol de entrada tienen un collar estriado. Con este esquema, siempre que gire el árbol de entrada, girará también, el tren fijo y los demás engranes sobre el árbol de salida que hemos supuesto detenido. Veamos ahora como se produce la transmisión del movimiento. En el árbol de salida se montan sobre las estrías, de manera que no puede haber movimiento de rotación relativo entre ellos y el árbol, los desplazables, que se llaman así, porque pueden moverse axialmente sobre él. Estos desplazables, además de las estrías que lo acoplan al árbol de salida, tienen otras estrías interiores que pueden acoplarse perfectamente a los collares estriados de los engranes, de manera que si se mueve alguno de estos desplazables lateralmente, puede producirse un acoplamiento rígido entre el engrane correspondiente y el desplazable, que a su vez se acopla al árbol de salida, con lo que se establece la transmisión del movimiento. Unas horquillas acopladas a través de un mecanismo apropiado, a la palanca de cambios del automóvil, realizan este desplazamiento, y con ello establecen las diferentes velocidades de acuerdo al par engranado seleccionado. Uno de los desplazables, como puede verse en la figura, acopla directamente los dos árboles, por lo que el movimiento del motor se transmite directamente. Los diferentes estados de transmisión se ilustran a continuación.
590
Posición de Neutro Este estado corresponde a la posición de neutro, el movimiento del árbol de entrada se transmite solo al tren fijo, y de este, a los engranes que giran libremente sobre el árbol de salida, por lo que no hay transmisión.
Primera velocidad Este estado corresponde a la primera velocidad, uno de los desplazables se ha acoplado al collar estriado del engranaje de mayor diámetro al moverse a la derecha, y el movimiento del árbol de entrada, se transmite al árbol de salida a través de la combinación de engranajes de mayor reducción de velocidad, y por lo tanto de mayor amplificación de la fuerza.
Segunda velocidad Este estado corresponde a la segunda velocidad, el mismo desplazable se ha movido ahora a la izquierda, y se ha acoplado al collar estriado del engrane de segunda, y el movimiento del árbol de entrada, se transmite por la combinación de engranajes de menor reducción de velocidad, y por lo tanto de menor amplificación de la fuerza.
591
Directa. Este estado corresponde a la directa, en la cual, el otro desplazable se ha movido a la izquierda y se ha acoplado al collar estriado del árbol de entrada, por lo que se establece la conexión directa entre directamente ambos árboles, por lo que no hay ni cambio de velocidad ni de fuerza.
MECANISMO SINCRONIZADO
Cuando los engranajes son cambiados la rotación de los mismos es igualada con la rotación del eje de salida. Este mecanismo engancha a los engranajes juntándolos fácilmente y consiste en un anillo sincronizado, un resorte de cubo, un embrague de cubo y otras partes. En las imágenes anteriores pintados de azul claro. Gracias a este mecanismo se igualan las velocidades de los engranajes para poder ser engranados.
592
5.1.1. ANILLO SINCRONIZADOR Este anillo conecta con un engranaje en el eje de salida que gira libremente. La fuerza de fricción resultante causa la rotación de los engranajes parejas.
5.1.2. MANGUITO DEL CUBO Cuando la palanca de cambios es operada, este manguito se mueve en la dirección del eje por la horquilla de cambio y engancha con el engranaje que está siendo rotado por el anillo sincronizador a la misma velocidad. Además el eje de salida y los engranajes son fijados. 5.1.3. CUBO DEL EMBRAGUE Este cubo siempre rota conjuntamente con el eje de salida. Este transmite la potencia transmitida vía resorte del cubo al eje de salida.
593
CAJA DE TRANSFERENCIA
Los vehículos con tracción a las 4 ruedas se dividen en dos categorías: • Tracción total opcional: tienen tracción permanente sólo en las ruedas posteriores, no tienen diferencial central y la tracción delantera se engancha con una palanca, quedando bloqueada. Esto quiere decir que permanentemente las 4 ruedas giran a la misma velocidad. Este tipo de tracción se utiliza mas en todoterrenos. • Tracción total permanente: El sistema consiste en un diferencial central que distribuye la tracción a las 4 ruedas y puede tener un control de embrague viscoso que transmite mas tracción a uno de los ejes cuando el otro pierde adherencia. Este tipo de tracción se usa mas en turismos que circulan por carreteras que por caminos. La misión de la caja de transferencia, también denominada “caja transfer” o reductora, en vehículos doble tracción, es la de permitir conectar y/o desconectar la propulsión o las ruedas delanteras (2 o 4), como así también la de proveer dos velocidades auxiliares, una baja (L = “Low” = Cortas) y otra alta (H = “High” = Largas). Está acoplada en la parte posterior de la caja de velocidades. Sus engranajes, son conectados por acción de una palanca o interruptor dispuestos a tal fin. Los piñones de la caja reductora van dispuestos en pares de engranajes de forma que, cuando se utiliza la transmisión total, se reduce el giro de las ruedas para obtener un mayor par de tracción en las mismas. La función de la caja reductora o de transferencia es los vehículos todo-terreno es multiplicar el par de salida de la caja de cambios, para coronar fuertes pendientes, avanzar lentamente por terrenos muy accidentados y vadear rios con seguridad. De la caja de transferencia sale el par a las transmisiones delantera y trasera. Esta transmisión puede hacerse a través de piñones o cadena.
FUNCIONAMIENTO En el funcionamiento de la caja de transferencia adopta las siguiente posiciones:
• Posición 2H: • Posición 4H: • Posición 4L: Posición 2H (Tracción Trasera – Largas): cuando arrancamos el vehículo con las velocidades normales, de la caja de cambios, y tenemos la palanca de transfer en 2H, quiere decirse que hemos arrancado el vehículo, solamente con tracción en las ruedas del eje trasero, para una conducción normal. Produciendo movimiento, al árbol trasero, el árbol de transmisión delantero, no tiene movimiento, ya que aunque los bujes están rodando, no existe movimiento en los palieres.
594
Posición 4H (Tracción Total – Largas): se pasa la palanca a la posición 4H, el sincronizado ha conectado con el piñón (4x4), que transmite movimiento, a la transmisión delantera, esta, comienza, a girar y los cubos delanteros, automáticamente se conectan produciéndose la transmisión 4x4. Tenemos al vehículo con tracción 4x4 con una marcha normal (larga) o directa. Posición 4L (Tracción Total – Cortas) : se pasa la palanca del transfer a la posición 4L, la tracción sigue estando en las 4 ruedas, pero ahora entra en funcionamiento el eje intermedio que va a reducir el numero de revoluciones (marcha corta) que se transmiten a las ruedas traseras y delanteras, como contrapartida vamos a tener un aumento de Fuerza que nos sirva para salir de situaciones difíciles cuando el terreno así lo requiera.
LA TRANSMISIÓN
ÁRBOL DE TRANSMISIÓN
EI árbol de transmisión o propulsión es un dispositivo que conecta la transmisión al diferencial posterior en vehículos FR (motor delantero, transmisión posterior) y en 4WD (transmisión a las 4 ruedas). Además, es diseñado para transmitir potencia al diferencial a causa de los continuos cambios en ángulo y longitud con respecto al diferencial, puesto que este es siempre movido hacia arriba y abajo o adelante y atrás en respuesta a los baches o rutas en la superficie de las pistas y cambios en la carga del vehículo. El eje es hecho de una tubería de acero hueca, que es liviana en peso y lo suficientemente fuerte para resistir torsión y doblado. Una unión universal o junta cardan es montada en cada uno de los extremos del eje. Además, es construida para que la porción conectada a la transmisión pueda responder a cambios en longitud.
595
EJE DE IMPULSIÓN
El eje de impulsión transmite la potencia desde el diferencial a las ruedas motrices. UNIÓN UNIVERSAL O JUNTA CARDAN La unión universal responde a cambios en el ángulo de conexión del árbol de propulsión para que la potencia pueda ser transmitida fácilmente. Su construcción es simple y su operación es confiable, siendo usada ampliamente. Una unión universal es hecha por unión de yugos con un eje en forma de cruceta enclavijados por cojinetes. La parte que conecta con la transmisión es también ranurada (con sus dientes uno a otro son conectados a un eje o en un agujero), haciéndose posible para el eje deslizarse hacia delante o atrás para amortiguar los cambios de longitud de conexión.
596
JUNTA HOMOCINETICA Cuando es necesario trasmitir movimiento entre dos árboles concéntricos pero desviados angularmente se utilizan acoplamientos especiales, uno de ellos, utilizado con mucha frecuencia, es el cardán descrito anteriormente, no obstante, los cardanes tienen el inconveniente de que la velocidad angular del árbol arrastrado no es constante aunque lo sea la del árbol transmisor, por lo que la trasmisión no es homocinética; que significa de igual velocidad. Para lograr la igualdad entre las velocidades instantáneas de los árboles arrastrado y transmisor se acude a otros tipos de acoplamiento que si son homocinéticos.
Figura 1. cardán La primera posibilidad de lograr una junta homocinética es utilizando un cardán doble como se muestra en la figura 1. En este caso, los cambios instantáneos de la velocidad angular de uno de los cardanes y trasmitidos al cuerpo común, son compensados en sentido contrario por el otro, de manera que las velocidades angulares instantáneas de los árboles de entrada y salida son iguales en todo momento. Este acoplamiento simple, robusto y durable se usa en ocasiones para la trasmisión de la potencia en los puentes motrices de palieres desnudos en los automóviles, pero tienen el inconveniente de que su longitud es relativamente grande y cuando el espacio es muy reducido no son utilizables. También otro inconveniente de este tipo de unión es que no permiten movimiento axial relativo entre los árboles transmisor y trasmitido, por lo que si esta condición es necesaria en el trabajo, hay que dotar al sistema con algún acoplamiento desplazable intermedio que permita el cambio de longitud. Otra junta homocinética es la que se muestra en el esquema típico de la figura 2, este tipo de junta es la más universalmente utilizada en los vehículos ligeros de tracción delantera y palieres desnudos.
597
Observe que está constituida por un núcleo interno acoplado a uno de los árboles de la unión al que se han tallado unas pistas acanaladas con perfil especial, al otro árbol se acopla otro cuerpo exterior en cuyo interior están talladas también un número igual de pistas acanaladas. Ocupando el espacio de manera precisa entre las canales talladas de los cuerpos interior y exterior, están unas bolas de acero que pueden rodar apoyadas en ambas pistas y embebidas en un lubricante sólido. Todas estas partes están construidas de acero endurecido para aumentar su durabilidad. Con esta construcción los árboles pueden adquirir una posición angular tal y como se muestra mientras la trasmisión es de igual velocidad, es decir homocinética. Este diseño puede soportar grandes ángulos de inclinación, tales como los necesarios en las ruedas directrices de los vehículos y son de dimensiones reducidas, además permiten cierta cantidad de movimiento axial entre los árboles, por lo que encuentran gran aplicación en este campo. Cabe aclarar aquí, que este no es el único diseño de juntas homocinéticas, pero esta es la "mas típica". Su principal inconveniente es que deben estar aislados del exterior, para evitar la pérdida del necesario lubricante y la entrada a la unión de materias abrasivas o agua desde el exterior. Estas materias extrañas aumentan notablemente el desgaste de bolas y pistas produciendo holguras inadmisibles en poco tiempo. Como la inclinación de los dos árboles es variable la cubierta de la junta homocinética no puede ser rígida, y se acude para ello, a una suerte de acordeón de goma, cuya durabilidad en una parte de los casos es relativamente corta. En la figura 3 se muestra una vista real seccionada de una de estas uniones para apreciar el interior, y en la figura 4, otra con más detalle: observe el estriado interior de uno de los cuerpos para introducir uno de los árboles, y el exterior en el otro para acoplar la carga. Por último, en la figura 5 una vista real de un palier de automóvil, note el protector de goma de ambas uniones homocinéticas.
598
Figura 3
Figura 4
Figura 5
DIFERENCIAL
El diferencial reduce la velocidad de rotación transmitida desde la transmisión e incrementa la fuerza de movimiento, así como también distribuye la fuerza de movimiento en la dirección izquierda y derecha transmitiendo este movimiento a las ruedas. También cuando el vehículo está girando, el diferencial absorbe las diferencias de rotación del movimiento de las ruedas izquierdas y derechas, haciendo esto posible que el vehículo gire fácilmente.
Despiece del diferencial 599
Constituido así el mecanismo, cuando la corona empieza a girar impulsada por el piñón de ataque , arrastra con ella a la caja del diferencial (B), que en su giro voltea a los satélites (C) y (D) que, actuado como cuñas, arrastran a su vez a los planetarios (E) y (F), los cuales transmiten el movimiento a las ruedas haciéndolas girar en el mismo sentido y con igual velocidad mientras el vehículo marche en línea recta; pero cuando toma una curva, la rueda interior ofrece más resistencia al giro que la exterior (al tener que recorrer distancias desiguales) y, por ello, los satélites (C) y (D) rodarán un poco sobre uno de los planetarios (el correspondiente a la rueda interior) multiplicando el giro en el otro (el de la rueda exterior). De esta manera, lo que pierde en giro una rueda lo gana la otra, ajustándose automáticamente el giro de cada una de ellas al recorrido que le corresponda efectuar en cada curva. Igualmente, las diferencias de trayectoria en línea recta, debidas a diferencias de la presión de inflado de los neumáticos, irregularidades del terreno, etc., son absorbidas por el diferencial.
ENGRANAJE FINAL EI engranaje final está hecho de un piñón motriz y un engranaje anular. Este engranaje reduce le velocidad de la rotación desde la transmisión, incrementando la fuerza del movimiento. En el engranaje final, muchos engranajes hipoidales cónicos, que se conectan con el engranaje anular así el centro del eje del piñón motriz esta debajo del centro del engranaje anular, que son usados. Además, la relación por la cual el engranaje final es reducido es llamada relación de reducción. Este valor indica el número de dientes en el engranaje anular dividido por el número de dientes en el engranaje piñón motriz.
600
ENGRANAJE DIFERENCIAL Cuando un vehículo va alrededor de una curva, la trayectoria recorrida por los neumáticos exteriores y los interiores difiere. Eso es, la velocidad de los dos neumáticos posteriores se diferencia. Por lo tanto, para que el neumático izquierdo y derecho no patinen, el engranaje diferencial es usado para ajustar la diferencia de velocidad de los neumáticos izquierdo y derecho, luego el neumático interior es retardado y el exterior es más rápido. El engranaje diferencial consiste de una funda de diferencial, en la cual el engranaje final es montado y dos engranajes laterales conectados a los neumáticos izquierdo y derecho, como también dos engranajes piñones conectan a los engranajes laterales. Si las ruedas de ambos lados giran a la misma velocidad, el vehículo no se desplazará alrededor de la curva. Si hay una diferencia de velocidad entre las dos ruedas, el vehículo puede desplazarse suavemente alrededor de la curva.
601
602
SISTEMA DE SUSPENSIÓN
La suspensión es el conjunto de elementos cuya finalidad es suspender el peso del vehículo de un soporte constituido por las ruedas. Su función principal es absorber las desigualdades del terreno sobre el cual se desplaza y a la vez mantener las ruedas en contacto con el pavimento, proporcionando un nivel adecuado de confort y seguridad de marcha. Las funciones básicas de este sistema son las siguientes: reducción de fuerzas causadas por irregularidades del terreno, control de dirección del vehículo, mantenimiento de la adherencia de los neumáticos a la carretera, mantenimiento de una correcta alineación de las ruedas, soporte de carga del vehículo, mantenimiento de la altura óptima del vehículo, aislamiento de las vibraciones de alta frecuencia debido a la excitación del neumático, lograra una respuesta eficaz del vehículo debido a las fuerzas de frenado, aceleración y fuerzas laterales presentes en curvas, entre otras. Los primeros sistemas de suspensión nacen a finales del siglo XIX por parte de los fabricantes de carruajes, los cuales buscaban aumentar la comodidad de éstos debido a las grandes irregularidades presentes en los caminos por los que se desplazaban, cabe destacar caminos empedrados. Luego de varios intentos tales como acolchar los asientos e introducir resortes por debajo de éstos, el problema aún no se resolvía, hasta que se creó un sistema capaz de mantener la cabida del carruaje colgada con unas correas de cuero, desde unos soportes de metal que venían de los ejes, de modo tal que ésta quedaba suspendida de cuatro correas y cuatro soportes. Este sistema resolvió parcialmente la problemática, debido a que presentaba numerosas oscilaciones que originaban mareos en los ocupantes del carruaje. Sin embargo de aquí se deriva el concepto de suspensión: un medio elástico que además de suspender la carrocería asimile las irregularidades del terreno. Hasta 1898 las primeras suspensiones eran simples ballestas. Para amortiguar el movimiento oscilatorio de éstas se comenzaron a instalar unos amortiguadores que consistían en dos simples brazos unidos mediante tornillo con un disco de fricción entre ellos, los cuales no eran muy duraderos, teniendo como principales desventajas el comportamiento debido al desgaste y el vencimiento de la fuerza de fricción, la cual hasta que no se superara, mantendría el sistema sin amortiguación.
Amortiguador de Fricción. Las suspensiones actuales de tipo convencional cuentan básicamente con dos elementos: el resorte, cuya función principal es absorber las irregularidades del camino para evitar transmitirlas a la carrocería, y los amortiguadores, los cuales cumplen la función de controlar las oscilaciones de la carrocería. Con la combinación de estos se logra una marcha cómoda, segura y estable, acorde con los requerimientos de los automóviles. Éstos elementos, integrados en conjuntos mecánicos que funcionan como equipo, constituyen el sistema de suspensión. 603
ELEMENTOS DE LA SUSPENSIÓN ELEMENTOS PRINCIPALES
Resortes o Muelles Son elementos colocados entre el bastidor y lo más próximo a las ruedas, que recogen directamente las irregularidades del terreno, absorbiéndolas en forma de deformación. Tienen buenas propiedades elásticas y absorben la energía mecánica, evitando deformaciones indefinidas. Cuando debido a una carga o una irregularidad del terreno el muelle se deforma, y cesa la acción que produce la deformación, el muelle tenderá a oscilar, creando un balanceo en el vehículo que se reduce por medio de los amortiguadores. Existen de 3 tipos: Ballestas: Están compuestas por una serie de láminas de acero resistente y elástico, de diferente longitud, superpuestas de menor a mayor, y sujetas por un pasador central llamado “pernocapuchino”. Para mantener las láminas alineadas llevan unas abrazaderas. La hoja más larga se llama “maestra”. Termina en sus extremos en dos curvaturas formando un ojo por el cual, y por medio de un siembloc de goma, se articulan en el bastidor. Mediante los abarcones, se sujetan al eje de la rueda . En uno de sus extremos se coloca una gemela, que permite el desplazamiento longitudinal de las hojas cuando la rueda coja un obstáculo y, en el otro extremo va fijo al bastidor. El siembloc consiste en dos casquillos de acero entre los que se intercala una camisa de goma. Si la ballesta es muy flexible se llama blanda, y, en caso contrario, dura; usándose una u otra según el peso a soportar. Las ballestas pueden utilizarse como elemento de empuje del eje al bastidor. Para evitar que el polvo o humedad, que pueda acumularse en las hojas, llegue a “soldar” unas a otras impidiendo el resbalamiento entre sí y, por tanto, la flexibilidad, se recurre a intercalar entre hoja y hoja láminas de zinc, plástico o simplemente engrasarlas. Suelen tener forma sensiblemente curvada y pueden ir colocadas longitudinalmente o en forma transversal , esta última forma es empleada en la suspensión por ruedas independientes, siendo necesario colocar en sus extremos las gemelas. Existen ballestas llamadas “parabólicas”, en las cuales las hojas no tienen la misma sección en toda su longitud. Son más gruesas por el centro que en los extremos. Se utilizan en vehículos que soportan mucho peso.
604
Muelles helicoidales: Otro medio elástico en la suspensión. No puede emplearse como elemento de empuje ni de sujeción lateral, por lo que es necesario emplear bielas de empuje y tirantes de sujeción. Con el diámetro variable se consigue una flexibilidad progresiva; también se puede conseguir con otro muelle interior adicional. La flexibilidad del muelle será función del número de espiras, del diámetro del resorte, del espesor o diámetro del hilo, y de las características elásticas del material. Las espiras de los extremos son planas, para favorecer el acoplamiento del muelle en su apoyo. Los muelles reciben esfuerzos de compresión, pero debido a su disposición helicoidal trabajan a torsión.
Barra de torsión: Medio elástico, muy empleadas, en suspensiones independientes traseras en algunos modelos de vehículos. También son empleadas en la parte delantera. Su funcionamiento se basa en que si a una barra de acero elástica se la fija por un extremo y al extremo libre le someto a un esfuerzo de torsión (giro), la barra se retorcerá, pero una vez finalizado el esfuerzo recuperará su forma primitiva. El esfuerzo aplicado no debe sobrepasar el límite de elasticidad del material de la barra, para evitar la deformación permanente. Su montaje se puede realizar transversal o longitudinalmente. La sección puede ser cuadrada o cilíndrica, siendo esta última la más común. Su fijación se realiza mediante un cubo estriado.
605
Amortiguadores Los amortiguadores más usados en la actualidad son los amortiguadores hidráulicos de tipo telescópico, en los cuales la fuerza de amortiguación es función creciente con la velocidad. Éstos constan de un pistón que trabaja dentro de un cilindro que contiene aceite. Sobre el pistón existen una serie de orificios y válvulas pre-comprimidas que permiten el paso del aceite de una parte a otra del pistón cuando la presión supera cierto valor dado. En este tipo de amortiguador el paso del aceite puede ser de tipo permanente, el cual consta de orificios fijos, que pudieran regularse mediante la variación del tamaño de dicho orificio. Otra forma de producirse el flujo del aceite es a través de válvulas de apertura por presión, sobre las cuales es necesario ejercer una determinada presión, esta apertura se va incrementando a medida que aumenta dicha presión.
Amortiguador hidráulico de tipo telescópico. Tipos de Amortiguadores: Hay dos tipos de amortiguadores hidráulicos telescópicos: doble tubo y monotubo AMORTIGUADORES DOBLE TUBO Este tipo de amortiguador es el más común en la actualidad. Se encuentran de dos tipos: no presurizados (aceite) y presurizados (con aceite y gas). Poseen dos cámaras denominadas de 606
interior y de reserva respectivamente. Éste contiene válvulas en el pistón y en la base del amortiguador, llamada válvula de pie.
Amortiguador de doble tubo. Sus componentes principales son: cámara interior o cilindro, cámara de reserva o exterior, pistón acoplado al vástago, válvula de pie, guía del vástago, acoplamientos superior e inferior. El funcionamiento de los amortiguadores presurizados y no presurizados es similar. • Carrera de Compresión: Al penetrar el vástago, el aceite contenido en la cámara interior fluye a través de los orificios y de la válvula de no retorno hacia el espacio generado al otro lado del pistón. Simultáneamente, una cierta cantidad de aceite es desplazada por el volumen que el vástago va ocupando en la cámara interior, este aceite se ve forzado a pasar por la válvula de pie hacia la cámara de reserva, en la cual está contenido aire a presión atmosférica o nitrógeno a una presión de 4 bar a 8bar (dependiendo si el amortiguador es no presurizado o presurizado, respectivamente). La fuerza de amortiguamiento viene dada por la resistencia que impone la válvula de pie al paso del aceite. • Carrera de Extensión: al salir el vástago, el aceite contenido por encima del pistón se comprime y fluye a través de las válvulas que éste contiene. La resistencia que el aceite encuentra en estas válvulas es la fuerza de amortiguamiento de extensión. El aceite que se encontraba en la cámara de reserva retorna a la cámara interior sin encontrar resistencia en la válvula de pie, compensando así el volumen liberado por el vástago. Amortiguadores No Presurizados Tienen la desventaja que se pueden formar bolsas de aire bajo las siguientes condiciones: al amortiguador se almacena en posición horizontal antes de ser instalado, la columna de aire de la cámara principal cae por gravedad cuando el vehículo permanece estático durante mucho tiempo, el aceite se contrae como consecuencia de su enfriamiento al final del un viaje y se succiona aire hacia la cámara principal. Amortiguador Presurizado Posee una cámara de gas de baja presión, por lo general 4 bar, ya que por lo general la fuerza de compresión la sigue generando la válvula de pie, de esta la fuerza de extensión que realiza el amortiguador en su posición nominal es baja. Entre sus ventajas respecto a los no presurizados se encuentran: respuesta de la válvula más sensible para pequeñas amplitudes, mejor confort de marcha, mejores propiedades de amortiguación en condiciones extremas, reducción de ruido 607
hidráulico, continuidad de operatividad al perder el gas. Respecto a los monotubos presentan la ventaja de tener menor longitud y fricción para las mismas condiciones de operación.
AMORTIGUADORES MONOTUBO Constan de dos cámaras principales, una contiene aceite y la otra gas (normalmente hidrógeno) separadas por un pistón flotante, solo se encuentran válvulas en el pistón.
Cámaras de un Amortiguador Mono tubo Sus componentes principales son: tubo de presión, pistón acoplado al vástago, pistón flotante (separador), guía del vástago, acoplamiento superior e inferior. Su funcionamiento es el siguiente: • Carrera de Compresión: al no contar con una cámara de reserva como los amortiguadores doble tubo, el aceite que ocupa el espacio ocupado por el vástago al penetrar, es ubicado en una cámara de volumen variable, la cual está dividida por el pistón flotante en dos secciones, la que contiene el gas a alta presión entre 20 y 30bar, y en la que se aloja el aceite. Al penetrar el vástago del pistón, el aceite ejerce presión sobre el pistón flotante, comprimiendo el gas e incrementando así la presión en ambos lados, a su vez el aceite fluye a través de las válvulas del pistón. La fuerza de amortiguamiento está dada por la resistencia que oponen estas válvulas al paso del aceite. • Carrera de Extensión: al salir el vástago, el aceite contenido por encima del pistón se comprime, pasando a través de las válvulas que tiene éste, al disminuir la presión en la cámara, el pistón flotante vuelve a su posición original compensando el volumen liberado por el vástago. La fuerza de amortiguamiento está dada por la resistencia que el aceite encuentra al pasar a través de las válvulas del pistón. Entre las ventajas que presentan este tipo de amortiguadores respecto a los doble tubo no presurizados están: mejor refrigeración debido a que la cámara está en contacto directo con el aire, mayor diámetro de pistón lo cual permite reducir las presiones de operación, el nivel de aceite no baja al quedar el vehículo en forma estacionaria, no se forma espuma debido a la presurización evitando problemas de cavitación mejorando así el amortiguamiento incluso con pequeñas vibraciones de alta frecuencia, debido al pistón flotante no hay restricción en la posición de montaje. Entre las desventajas se pueden mencionar: mayores costos derivados de requerimientos superiores de precisión, valvulería más compleja, mayor necesidad de espacio lo cual puede aumentar su longitud sobre 100 mm, variaciones en la altura de la suspensión 608
producto de la fuerza de extensión debido a la presión interna del gas y la diferencia de áreas efectivas a ambos lados del pistón. ELEMENTOS AUXILIARES DE SUSPENSION Barra estabilizadora: Al tomar las curvas con rapidez el coche se inclina, hacia el lado exterior, obligado por la fuerza centrífuga. Para contener esa tendencia a inclinarse se emplean los estabilizadores, que están formados por una barra de acero doblada abiertamente. Por el centro, se une al bastidor mediante unos puntos de apoyo sobre los que puede girar; por sus extremos se une a cada uno de los brazos inferiores de los trapecios. La elasticidad del material trata de mantener los tres lados en el mismo plano. Al tomar una curva, uno de los lados recibe más peso que el otro y trata de aproximarse a la rueda; la barra se torsiona por este peso y ese mismo esfuerzo se transmite al otro brazo, tratando de mantener ambos lados de la carrocería a la misma distancia de las ruedas, con lo que se disminuye la inclinación al tomar las curvas.
Rótulas: tiene por finalidad permitir libremente los movimientos verticales de las ruedas, como también los movimientos angulares de la dirección.
609
TIPOS DE SISTEMAS DE SUSPENSIÓN
De acuerdo al tipo de elementos empleados y la forma de montaje de los mismos, existen varios tipos de sistemas de suspensión. No todos los modelos de suspensión pueden ser montados en el eje delantero o trasero indistintamente; la mayor o menor facilidad de adaptación a las necesidades específicas de los dos ejes ha determinado una selección, por lo que cada tipo de suspensión se adapta mejor a uno de los dos ejes. Las suspensiones se pueden clasificar en tres grupos: • Suspensiones rígidas • Suspensiones semi-rígidas • Suspensiones independientes SUSPENSIÓN RÍGIDA Esta suspensión tiene unidas las ruedas mediante un eje rígido formando un conjunto. Presenta la desventaja de que al estar unidas ambas ruedas, las vibraciones producidas por la acción de las irregularidades del pavimento, se transmiten de un lado al otro del eje. Además el peso de las masas no suspendidas aumenta notablemente debido al peso del eje rígido. En estos últimos el grupo cónico sube y baja en las oscilaciones como un parte integradora del eje rígido. Como principal ventaja, los ejes rígidos destacan por su sencillez de diseño y no producen variaciones significativas en los parámetros de la rueda como caída, avance, entre otras. El principal uso de esta disposición de suspensión se realiza sobre todo en vehículos industriales, autobuses, camiones y vehículos todo terreno.
Suspensión Rígida SUSPENSIÓN SEMI-RÍGIDA La principal diferencia respecto a las suspensiones rígidas es que las ruedas están unidas entre sí como en el eje rígido pero transmitiendo de una forma parcial las oscilaciones que reciben de las irregularidades del terreno. En cualquier caso aunque la suspensión no es rígida total tampoco es independiente. La función motriz se separa de la función de suspensión y de guiado o lo que es lo mismo el diferencial se une al bastidor, no es soportado por la suspensión. Entre este tipo de suspensión se encuentra la suspensión con eje "De Dion". En ella las ruedas van unidas mediante soportes articulados al grupo diferencial, que en la suspensión con eje „‟De Dion‟‟ es parte de la masa suspendida, es decir, va anclado al bastidor del automóvil. Bajo este aspecto se transmite el giro a las ruedas a través de dos semiejes como en las suspensiones independientes. A su vez ambas ruedas están unidas entre sí mediante una traviesa o tubo De Dion que las ancla de forma rígida permitiendo a la suspensión deslizamientos longitudinales. Este sistema tiene la ventaja, frente al eje rígido de que se disminuye la masa no suspendida debido al poco peso de la traviesa 610
del eje „‟De Dion‟‟ y al anclaje del grupo diferencial al bastidor y mantiene los parámetros de la rueda prácticamente constantes como los ejes rígidos gracias al anclaje rígido de la traviesa. La suspensión posee además elementos elásticos de tipo muelle helicoidal y suele ir acompañada de brazos longitudinales que limitan los desplazamientos longitudinales.
Suspensión Semi-Rígida: De Dion. Otro tipo de suspensión semi-rígida es el "eje torsional", utilizada en las suspensiones traseras, en vehículos que tienen tracción delantera. La traviesa o tubo que une las dos ruedas tiene forma de "U", por lo que es capaz de deformarse un cierto ángulo cuando una de las ruedas encuentra un obstáculo, para después una vez pasado el obstáculo volver a la posición inicial. Las ruedas están unidas rígidamente a dos brazos longitudinales unidos por un travesaño y que se tuerce durante las sacudidas no simétricas, dando estabilidad al vehículo. Esta configuración da lugar, a causa de la torsión del puente, a una recuperación parcial del ángulo de caída de alto efecto de estabilización. Este tipo de suspensiones en una de las más empleadas en vehículos de gama media – baja.
Suspensión Semi – Rígida-Eje Torsional.
611
SUSPENSIÓN INDEPENDIENTE Es la más óptima desde el punto de vista de confort y estabilidad al reducir de forma independiente las oscilaciones generadas por el pavimento sin transmitirlas de una rueda a otra del mismo eje. La principal ventaja añadida de la suspensión independiente es que posee menor peso no suspendido que otros tipos de suspensión por lo que las acciones transmitidas al chasis son de menor magnitud. El diseño de este tipo de suspensión deberá garantizar que las variaciones de caída de rueda y ancho de ruedas en las ruedas directrices deberán ser pequeñas para conseguir una dirección segura del vehículo. Por contra para cargas elevadas esta suspensión puede presentar problemas. Actualmente éste tipo de suspensión es el único que se utiliza para las ruedas directrices. El número de modelos de suspensión independiente es muy amplio y además posee numerosas variantes. Los principales tipos de suspensión de tipo independiente son: • • • •
Suspensión de eje oscilante. Suspensión de brazos tirados (trailing arm). Suspensión McPherson. Suspensión de paralelogramo deformable.
Suspensión de eje oscilante En este sistema el elemento de rodadura y el semieje son solidarios (excepto el giro de la rueda), de forma que el conjunto oscila alrededor de una articulación próxima al plano medio longitudinal del vehículo. Este tipo de suspensión no se puede usar como eje directriz puesto que en el movimiento oscilatorio de los semiejes se altera notablemente la caída de las ruedas en las curvas. Completan el sistema de suspensión dos conjuntos muelle-amortiguador telescópico.
Suspensión de Eje Oscilante Suspensión de brazos tirados (trailing arm) Este tipo de suspensión independiente se caracteriza por tener dos elementos soporte o brazos en disposición longitudinal que van unidos por un extremo al bastidor y por el otro a la mangueta de la rueda. Si el eje es de tracción, el grupo diferencial va anclado al bastidor. En cualquier caso las ruedas son tiradas o arrastradas por los brazos longitudinales que pivotan en el anclaje de la carrocería. Este sistema de suspensión ha dado un gran número de variantes cuyas diferencias estriban fundamentalmente en cuál es el eje de giro del brazo tirado en el anclaje al bastidor y cuál es el elemento elástico que utiliza. Los brazos tirados pueden pivotear de distintas formas: sobre un eje de giro perpendicular al plano longitudinal del vehículo, este tipo de suspensión apenas produce variaciones de vía, caída o avance de la rueda; o sobre ejes que tienen componentes 612
longitudinales, es decir sobre ejes oblicuos al plano longitudinal del vehículo, llamándosele a esta última también como "brazos semi-arrastrados" los cuales tienen la ventaja de que no precisa estabilizadores longitudinales debido a la componente longitudinal que tiene el propio brazo o soporte. Aquí las variaciones decaída y de vía dependen de la posición e inclinación de los brazos longitudinales por lo tanto, permite que se varíe durante la marcha la caída y el avance de las ruedas con lo que se mejora la estabilidad del vehículo. En cuanto al tipo de elementos elásticos que se utilizan en estas suspensiones, se encuentran las barras de torsión y los muelles.
Suspensión de Brazos Tirados (trailing arm)
Suspensión McPherson Esta suspensión fue desarrollada por Earle S. McPherson, ingeniero de Ford del cual recibe su nombre. Este sistema es uno de los más utilizados en el tren delantero aunque se puede montar igualmente en el trasero. Ha tenido mucho éxito, sobre todo en vehículos más modestos, por su sencillez de fabricación y mantenimiento, el coste de producción y el poco espacio que ocupa. Con esta suspensión es imprescindible que la carrocería sea más resistente en los puntos donde se fijan los amortiguadores y muelles, con objeto de absorber los esfuerzos transmitidos por la suspensión. 613
Suspensión McPherson
Suspensión de paralelogramo deformable La suspensión de paralelogramo deformable junto con la McPherson es la más utilizada en un gran número de automóviles tanto para el tren delantero como para el trasero. Esta suspensión también se denomina: suspensión por trapecio articulado y suspensión de triángulos superpuestos.
614
Suspensión de paralelogramo deformable. El paralelogramo está formado por un brazo superior y otro inferior que están unidos al chasis a través de unos pivotes, cerrando el paralelogramo a un lado el propio chasis y al otro la propia mangueta de la rueda. La mangueta está articulada con los brazos mediante rótulas esféricas que permiten la orientación de la rueda. Los elementos elásticos y los amortiguadores coaxiales son de tipo resorte helicoidal e hidráulico telescópico respectivamente y están unidos por su parte inferior al brazo inferior y por su parte superior al bastidor. Completan el sistema unos topes que evitan que el brazo inferior suba lo suficiente como para sobrepasar el límite elástico del muelle y un estabilizador lateral que va anclado al brazo inferior. Con distintas longitudes de los brazos se pueden conseguir distintas geometrías de suspensión de forma que puede variar la estabilidad y la dirección según sea el diseño de estos tipos de suspensión.
615
SISTEMAS ESPECIALES DE SUSPENSIÓN SISTEMAS CONJUGADOS
Si la suspensión delantera y la trasera del mismo lado se comunican, se dice que el sistema es conjugado. La principal ventaja que se obtiene al unir así la suspensión delantera y trasera, es que se consigue una gran reducción en el cabeceo del vehículo, que se mantiene más nivelado, lo que se traduce en una mayor comodidad de los ocupantes. Dos sistemas: Hydrolastic, de funcionamiento hidráulico; y el sistema de unión por muelles, con mandos mecánicos. Sistema Hydrolastic Cada una de las ruedas posee una unidad de suspensión que desempeña las funciones de muelle y amortiguador, se fijan al bastidor y están unidas por medio de las tuberías, los elementos de suspensión del mismo lado. En su interior, y en uno de los extremos, lleva una masa cónica de caucho que desempeña los efectos de muelle. El otro extremo se cierra mediante los diafragmas, en el que apoya un pistón conectado a los brazos de las unidades de suspensión. La cámara que media está dividida por una campana metálica con una válvula bidireccional doble de goma. Cuando la rueda delantera sube para salvar un obstáculo, el diafragma se desplaza hacia adentro, impulsando el líquido a través de los orificios del tabique metálico y de la válvula bidireccional, cuya resistencia constituye el efecto amortiguador. El movimiento del diafragma reduce el volumen de la cámara y aumenta la presión, desplazando parte del líquido por la tubería de conexión. Esto hace que el diafragma del otro elemento sea empujado hacia afuera con lo que sube la suspensión. Sistema de unión por muelles Consiste en unir los brazos delantero y trasero, de cada lado del vehículo, por un cilindro, en cuyo interior hay un muelle . En cada una de las ruedas hay un amortiguador de inercia. Sistema de suspensión hidroneumática En esta suspensión se combinan, perfectamente, la gran flexibilidad y la corrección automática de la altura que mantiene constante la distancia al suelo. Permite reducir las reacciones transmitidas por las ruedas a la carrocería (confort), mantener constantes las fuerzas de contacto de las ruedas con el suelo, y amortiguar, de forma inmediata, la tendencia al salto de las ruedas (estabilidad en carretera). El sistema de suspensión hidroneumática que equipa los modelos de la gama Citroën está constituido por dos fluidos: líquido y gas. El muelle mecánico clásico es sustituido por una masa de gas (nitrógeno), encerrado en una esfera de acero. La carrocería reposa sobre 4 bloques neumáticos, cuya función entra en acción al realizarse los desplazamientos de las cuatro ruedas independientes. El líquido es el elemento que asegura la unión entre la masa gaseosa y los elementos móviles de los ejes: los brazos de suspensión. El líquido permite también compensar automáticamente, mediante variaciones de su volumen, los cambios de altura del vehículo (por ejemplo, los que resultarían al cargar el vehículo).Un mando mecánico manual permite hacer variar la altura del vehículo, para facilitar el franqueo de obstáculos o el cambio de una rueda. Suspensión neumática El estudio de este sistema se realizó anteriormente al desarrollar independientemente, la suspensión delantera y trasera neumática. Entre las grandes ventajas de la suspensión neumática hay que incluir la constancia de sus características, que proporcionan una marcha suave 616
independientemente de si el vehículo va cargado o vacío. Ello reduce los daños de transporte, confiere mayor longevidad al chasis y un mejor confort para el conductor.
617
SISTEMA DE DIRECCIÓN
Salvo raras excepciones, para dirigir un automóvil en la dirección deseada por el conductor, se utilizan las ruedas delanteras, desviándolas de la posición recta al frente hacia un lado o hacia el otro a través de un mecanismo especialmente construido para ello. Al conjunto de piezas que sirven para ese propósito es a lo que se le llama sistema de dirección.
GEOMETRÍA
A primera vista podría parecer que ambas ruedas, para tomar una curva deben tener el mismo ángulo de desviación con respecto a la marcha en línea recta, pero esto no es así, veamos por qué. Nos auxiliaremos de la figura 1. Cuando se toma una curva, las ruedas se desplazan por circunferencias de radio diferente, la rueda mas externa circulará por una circunferencia de radio mayor (OA) que la rueda interna (OB), por lo que ambas ruedas, además de girar a velocidades diferentes, deben adquirir un ángulo distinto para adaptarse a la dirección que deben llevar. Si el sistema de accionamiento de las ruedas no cumple este principio, entonces necesariamente se produce el arrastre lateral de ellas con el consiguiente desgaste de la zona de rodamiento, producen además una resistencia adicional al movimiento del vehículo y hacen que se pierda un tanto la seguridad de giro del automóvil.
Figura 1 Para conseguir que cada una de las ruedas delanteras tome la posición adecuada durante un giro se utiliza lo que se llama el trapecio de dirección. Observe la figura 1, notará que del mismo eje de pivote de la rueda salen dos brazos el A-C y el B-D, ambos están solidarios a la rueda y son los que la hacen pivotar, además hay una barra de acoplamiento C-D que une los extremos de estos brazos, la que junto con el eje de soporte de las ruedas A-B forman el trapecio de dirección
618
mencionado. Esta barra C-D hace que necesariamente si una rueda pivota la otra lo haga también pues están unidas a través de ella. Concentrémonos ahora en el dibujo de la izquierda de la figura 1, que representa la marcha en línea recta, note que las prolongaciones de los brazos de las ruedas A-C y B-D se cortan en el centro del eje trasero del automóvil es decir están ligeramente inclinados con respecto a la trayectoria del vehículo mientras todas las ruedas marchan de forma paralela, esto hace que el ángulo entre el eje de las ruedas y los brazos o manguetas del trapecio no sea un ángulo recto (ángulo a). Cuando se hace pivotar una rueda, como se indica en el dibujo de la derecha, y debido precisamente a la posición de las manguetas y al ángulo a, ambas ruedas se inclinan una cantidad diferente, representados como a y b, siendo el ángulo a mayor que el b, lo que satisface la condición necesaria para que cada una se mueva por el perfil de curva de radio mayor o menor según sea la rueda interior o exterior. Un buen diseño del trapecio hace que las prolongaciones de los ejes de las ruedas directrices se corten en un punto sobre la prolongación del eje trasero (punto O). Este punto de corte estará más cerca de las ruedas traseras a medida que el ángulo de las ruedas se hace mayor, y resulta en el infinito cuando se marcha en línea recta. El esquema presentado es el más simple posible y se usa preferentemente en camiones pesados con un eje de carga transversal entre las ruedas delanteras, los automóviles ligeros tienen suspensión independiente en las ruedas delanteras por lo que la barra C-D puede estar constituida por varias partes articuladas, pero siempre conservando el principio del trapecio. La colocación de las ruedas además tiene que satisfacer otras condiciones geométricas. Que explicaremos más adelante.
EL MECANISMO
Hay dos formas básicas para el sistema que convierte el giro del volante en movimiento de las ruedas: - Con reductor de tornillo sin fin. - Con piñón y cremallera. CON REDUCTOR DE TORNILLO SIN FIN En la figura 2 se muestra un esquema que corresponde a uno de los tantos posibles mecanismos utilizables en los automóviles del tipo de tornillo sin fin. Observe que el árbol del volante está acoplado a una caja reductora, la que a través de un mecanismo de tornillo convierte el giro hacia a un lado u otro del volante en el movimiento oscilante de un brazo rígido conocido como brazo Pitman. Esta conversión se hace con una gran reducción mecánica de forma que varias vueltas del volante se traducen en el giro de solo un ángulo en el brazo, esto, de hecho, proporciona que el esfuerzo hecho en el volante se convierta en una fuerza mucho mayor en el brazo.
619
Finalmente el brazo Pitman se acopla al mecanismo del trapecio para pivotar las ruedas y lograr así dirigir el vehículo Reductor de tornillo y sector de engrane: La figura 3 se explica por sí sola, al girar el tornillo arrastra un sector de engrane que está acoplado al brazo Pitman.
Figura 3. Reductor de tornillo y sector de engrane.
Reductor de tornillos y carrete: Funciona exactamente como el anterior, figura 4, pero en este caso el contacto con el tornillo es a través de un carrete que gira libremente sobre un eje. La ventaja de este método con respecto al anterior es que la resistencia por rozamiento es más baja debido al giro del carrete cuando se mueve el tornillo.
Figura 4. Reductor de tornillo y carrete. Reductor de tuerca y bolas recirculantes: En este caso, figura 5, existe una gran tuerca montada sobre el tornillo, de manera que cuando este gira, la tuerca se desplaza hacia un lado y hacia otro comunicando el movimiento al brazo Pitman a través de un sector de engrane. El espacio entre las roscas de ambas partes, tornillo y tuerca, está relleno de bolas que recirculan a través de un conducto exterior cuando hay movimiento. Este método reduce aun más la resistencia del mecanismo ya que el contacto es por rodadura pura.
620
Figura 5. Reductor de tuerca y bolas recirculantes.
Reductor de tornillo y rodillos cónicos: Es otra alternativa que se usa, figura 6, unos rodillos cónicos, y que pueden rotar sobre su eje, son los que trasmiten el movimiento entre el tornillo y el brazo Pitman.
Figura 6. Reductor de tornillo y rodillos cónicos En todos los casos, se tiene la posibilidad de regular la holgura entre las superficies en contacto a fin de poder compensar el desgaste que se produce con el uso. Esta regulación se hace con un perno que desplaza axialmente el eje del brazo Pitman, en la figura 6 es fácil darse cuenta que si desplazamos el cuerpo con los rodillos cónicos hacia el tornillo, estos conos se aprietan cada vez más en la rosca, haciendo desaparecer la holgura entre conos y tornillo. Lo mismo sucede con el reductor de tornillo y carrete, este último si se acerca al tornillo se introducen cada vez más en la rosca por lo que la holgura se reduce. Para el caso de los que tienen sectores de engranaje, los dientes están elaborados de sección variable es decir más gruesos en un extremo y más finos en el otro, de esta forma si se desplaza el eje del sector hacia el tornillo, el grosor del diente en contacto es mayor, queda claro que la holgura se puede hacer desaparecer. Por supuesto, la caja reductora contiene lubricante. CON PIÑÓN Y CREMALLERA Se utiliza casi universal para todos los automóviles ligeros. Usemos las figuras 7 y 8. La barra transversal del trapecio de dirección se ha convertido en un mecanismo de piñón y cremallera del tipo que se muestra en la figura 8, de forma que al girar el
621
volante se produce el desplazamiento de la cremallera hacia un lado u otro en dependencia de la dirección de giro. Los extremos de la cremallera están acoplados a través de unas barras con los extremos articulados al brazo de giro de las ruedas a ambos lados. Este método se ha hecho muy común debido a que deja libre el espacio frente a los centros de pivote de las ruedas, lo que permite disponer del espacio para el mecanismo de suspensión independiente de cada rueda.
Figura 7. Esquema típico del mecanismo de dirección de piñón y cremallera Aunque en la figura 8 los dientes del conjunto se han representado como rectos, en realidad en los sistemas reales son de tipo helicoidal, y están, como en el caso del reductor de tornillo sin fin, diseñados de forma que se pueda regular la holgura entre los dientes, lo que se hace desplazando el piñón hacia adentro o hacia afuera, para que se aprieten mas los dientes de este contra los de la cremallera.
Figura 8. Piñón y cremallera
DIRECCIÓN ASISTIDA
Cuando se trata de vehículos pesados, el giro de las ruedas, dada la carga que soportan, necesita de una gran fuerza en el volante. Para palear este problema los camiones antiguos se dotaban de un volante de gran diámetro y un mecanismo reductor sin fin de elevado radio de reducción, con estos dos elementos el conductor podía maniobrar el vehículo pero de todas formas se producía
622
un rápido cansancio en el conductor. Este problema hizo que los ingenieros automotrices dotaran a los vehículos pesados desde hace bastante tiempo, con el mecanismo de dirección asistido de forma hidráulica utilizando la energía del motor. Con el decursar del tiempo, el desarrollo tecnológico y dada la suavidad de maniobra, en la actualidad es muy frecuente encontrar sistemas de dirección asistida aun en los vehículos muy ligeros. PARA EL TIPO TORNILLO SIN FIN En la figura 9 abajo, se representa un esquema de cómo funciona la asistencia hidráulica para el mecanismo de tornillo sin fin. Observe que se ha adicionado al conjunto una bomba de aceite que es movida desde la polea del cigüeñal y que proporciona fluido a alta presión al sistema. Esta presión entra a la caja reductora a una zona donde se encuentra una válvula giratoria que controla el paso del aceite a presión a un lado u otro del pistón hidráulico y que conecta al mismo tiempo el retorno del aceite del otro lado del pistón al recipiente acumulador que está en el mismo cuerpo de la bomba. Como pistón hidráulico se usa el propio cuerpo de la tuerca colocado dentro de una camisa adecuada al efecto.
Figura 9. Asistencia hidráulica en el reductor de tornillo sin fin. Note que la conexión mecánica entre el volante y el trapecio de la dirección se mantiene siempre, lo que constituye un requisito de seguridad indispensable si falla el suministro de presión, como por ejemplo, si se detiene el motor.
PARA EL TIPO CREMALLERA Cuando se usa el sistema por cremallera el principio de trabajo es el mismo (ver figura 10 abajo), con la diferencia de que en este caso, es el vástago de la cremallera la que se convierte en el pistón de fuerza.
623
Figura 10. Asistencia hidráulica en el sistema de cremallera.
LA ALINEACIÓN
GEOMETRÍA DE LAS RUEDAS DIRECTRICES Salvo raras excepciones la capacidad de hacer giros en un automóvil se consigue haciendo pivotar un cierto ángulo la(s) rueda(s) delantera(s) para adaptarse a las curvas del camino. Esta necesidad presupone que la rueda estará montada en una suerte de "bisagra", tal como si fuera una puerta, y que esta rueda estará accionada por un mecanismo especial que responde a la voluntad del conductor. Para el caso de la puerta, lo más deseable es que el eje de la bisagra se coloque en posición vertical, con ello logramos que toda la puerta está también vertical y que mantenga esa posición en todo el ángulo de giro, evitando la tendencia a auto-moverse por su propio peso, como sería el caso de un montaje inclinado, o en otros casos, perder el paralelismo del borde inferior con el piso. A primera vista puede pensarse que estas mismas condiciones serían las deseables para las ruedas del coche, pero...... nada más lejos de la realidad, en el coche, ni el eje de pivote, ni la rueda están verticales, incluso las dos ruedas de un mismo eje no son paralelas. Al conjunto de cotas angulares de los pivotes y de las ruedas con respecto a la vertical, así como la falta de paralelismo entre las ruedas se les conoce como Geometría de la Dirección. Cotas de la geometría de la dirección Las cotas angulares que determinan la geometría del sistema de dirección son: • Ángulo de salida • Ángulo de caída
624
• Ángulo de avance • Convergencia de las ruedas Veamos ahora qué son, y porqué son convenientes en el automóvil cada una de estas cotas. Angulo de salida. Este ángulo, conocido en Inglés como King-pin Inclination, se muestra en la figura 1. En ella se representa un corte transversal a la rueda montada en el vehículo, observe que la línea del pivote forma un ángulo B con respecto a la vertical, el que ha sido exagerado en el dibujo para facilitar la comprensión. Observe también que de esta forma, la prolongación del eje del pivote, pasará muy cerca de la prolongación de la línea vertical en el centro del área de contacto de la rueda con el suelo.
Figura 1 Ventajas: • Al estar inclinado el eje de giro de la rueda, cuando ella abandona la posición de marcha recta al frente, tendría la tendencia a bajar, como no puede hacer esto, ya que lo impide el suelo, lo que se produce es un levantamiento del vehículo. No es difícil darse cuenta entonces, que el peso del vehículo está forzando constantemente la rueda a mantener la posición recta al frente, si se gira a un lado levanta el vehículo, si se gira al otro también, de manera que la posición más estable es con las ruedas rectas al frente. Por lo que nuestra dirección adquiere la tendencia a auto-alinearse al frente haciéndose más estable en marcha recta y además genera la recuperación de la marcha recta después de hacer un giro
625
de manera automática sin esfuerzo del conductor. • Como la distancia entre la prolongación de la línea del pivote y la vertical que pasa por el centro del área de contacto de la rueda con el piso es muy pequeña, el esfuerzo necesario para realizar un giro se reduce considerablemente, ya que la rueda en realidad está girando "casi" sobre su centro de apoyo, favoreciendo además, la auto-recuperación de la marcha al frente por influencia del peso de coche. Todo esto ha sido visto hasta aquí de manera estática, sin embargo en la realidad, el propio giro del coche produce la deformación de la "huella" del neumático al actuar en él las fuerzas centrífugas generadas por el giro, también esta "huella" se modifica por las fuerzas de frenado, las fuerzas de tracción (si además de directrices las ruedas son tractoras) la presión de inflado y la rigidez del neumático etc. por lo que la determinación del ángulo de salida, recomendado por el fabricante del coche, ha sido el resultado de pruebas de campo meticulosas y nunca debe cambiarse por el usuario del vehículo. Ángulo de caída. Si volvemos a la figura 1 podemos observar que la línea de simetría del neumático, representada por la línea de puntos, no coincide con la línea vertical, entre ellas hay un pequeño ángulo denominado como A en la figura. Esto es, la rueda está instalada en el vehículo con cierta inclinación respecto al plano horizontal del camino. ¿Porque se hace esto? Por tres razones básicas: Primera: Cuando la rueda se inclina en la forma mostrada en la figura 1, es decir, con su parte superior más hacia afuera, la propia carga que soporta la rueda produce un cierto empuje hacia adentro, hacia el cojinete mas interno de la mangueta, la rueda no tiende a salirse del coche, si no, todo lo contrario. Segunda: Otra ventaja del ángulo de caída es que reduce la fuerza de flexión que actúa sobre la mangueta al trasladar el punto de soporte de la carga más hacia el interior de esta. Apoyémonos en la figura 2 para entender. En la figura 2 se muestran dos esquemas de montaje de la rueda, a la izquierda sin ángulo de caída, y a la derecha con él un tanto exagerado para facilitar la compresión. Observe las líneas de las cargas, a la izquierda sin ángulo de caída, la distancia d que es el brazo de la palanca donde actúa el peso del vehículo es mayor que en el caso del dibujo de la derecha, con ángulo de caída. De este modo hemos acercado la línea de acción del peso del vehículo a la zona de empotramiento de la mangueta, reduciendo el brazo de palanca que tiende a flexionarla. Este cambio permite utilizar manguetas con menores dimensiones, reduce considerablemente las cargas sobre los cojinetes de giro del pivote, y además se puede utilizar el cojinete de rueda exterior más ligero que el interior. La mangueta entonces adquiere un perfil marcadamente cónico con su extremo exterior de mucho menor diámetro que el interior para el caso de las ruedas directrices que no sean motrices.
626
Figura 2 Tercera: Para mejorar el drenaje del agua de las carreteras y calles cuando llueve, todas tienen un perfil abombado que induce al agua que cae, a circular hacia los bordes externos y así darle salida de la vía. De esta forma, el neumático no circula por una superficie plana, especialmente el de la rueda que se mueve por el borde del camino. Podemos suponer entonces, que una pequeña inclinación del neumático en el sentido de esta combadura favorece un mejor contacto con el perfil del pavimento y por tanto un desgaste más parejo. Ángulo de avance. Nunca has pensado, ¿Porqué los carritos de los supermercados son tan fáciles de guiar?, observemos el dibujo de la figura 3.
Figura 3 En la figura 3 se muestra una imagen de una rueda típica delantera de las usadas en los carritos de los mercados. En ella se pueden ver dos líneas trazadas; la línea marrón que corresponde al eje del pivote direccional del conjunto y la línea magenta que une el centro de pivote del conjunto, con el
627
punto donde la rueda apoya en el suelo, lugar donde se genera la fuerza de resistencia al rodaje F (azul). En la proyección sobre el piso, ambas líneas están separadas por la distancia d. Supongamos ahora que queremos iniciar el movimiento del carrito, y que la dirección de rodaje de la rueda esté desviada de la dirección de este movimiento un cierto ángulo , la rueda está parcialmente atravesada al movimiento que hemos iniciado y con ello la distancia d. ¿Qué pasa entonces? Como la dirección de rodaje no coincide con la dirección del movimiento, la rueda tendría la tendencia a rodar con cierto arrastre lateral, este arrastre lateral genera una gran fuerza F que actúa sobre la distancia d como brazo de palanca, y hace girar el conjunto hasta adquirir la dirección donde la fuerza de resistencia al movimiento sea la menor, es decir, con la dirección de rodaje coincidente con la dirección del movimiento. Nuestra rueda se auto-alinea y el empuje del carrito se hace fácil. Este mismo efecto de auto-alineación en marcha recta se logra en las ruedas directrices del automóvil con el uso del ángulo de avance. Observe la figura 4, en ella se ha representado esquemáticamente un rueda del automóvil con su pasador de pivote. Hay dos esquemas superpuestos, uno relleno, que representa la rueda con el pasador del pivote completamente vertical, y otro de líneas de puntos con el pasador inclinado formando el ángulo de avance (inclinación). Observe que la inclinación del pasador del pivote hace que la proyección de su eje corte el suelo adelantado a la vertical, y desplaza el punto de contacto de la rueda con el suelo hacia atrás una distancia d, tal y como se produce en el carrito del supermercado explicado anteriormente. Así, como en aquel caso, se produce el efecto de autoalineación deseado con lo que se logra una estabilización notable de la marcha recta al frente del vehículo.
628
Figura 4 Convergencia de las ruedas. En la figura 5 se representa el esquema de montaje y direccional de las ruedas delanteras de un camión provisto de eje de carga rígido. La flecha magenta corresponde a la dirección de marcha al frente. Observe en el dibujo, que la posición relativa de una rueda con respecto a la otra, se produce con el uso de una barra transversal conectada a unas palancas fijas a las manguetas a través de rótulas. De esta forma, cuando el mecanismo de dirección hace girar la rueda primaria, el movimiento de pivoteo se transfiere a la otra por la barra transversal. Aunque a simple inspección podría suponerse que lo mejor es montar las dos ruedas directrices paralelas al eje longitudinal de vehículo para obtener un mejor rodaje, la práctica demuestra que no es así, que lo más conveniente es instalar las ruedas de manera que formen un pequeño ángulo entre ellas conocido como convergencia.
629
Figura 5 La convergencia puede ser positiva, cuando las ruedas se cierran al frente, y negativa cuando se abren al frente. En el caso del dibujo presentado en la figura 5, que corresponde a las ruedas directrices, pero no motrices, la convergencia es positiva. Observe como la distancia A entre las líneas longitudinales centrales del neumático es menor que la B, correspondiente a la distancia entre las líneas longitudinales paralelas al vehículo. Las ruedas cierran al frente. La convergencia en la práctica se mide en milímetros, y corresponde a la diferencia entre la distancia medida en el borde delantero de la llanta metálica de la rueda a la altura de la mangueta (C) y la distancia en el mismo punto en la parte trasera (D). Para el caso de las ruedas que son al mismo tiempo motrices y directrices, lo más común es que la convergencia sea negativa, esto es las ruedas abran al frente. ¿Porque la convergencia es conveniente? Ya sabemos que cuando la rueda marcha, en el punto de contacto con el camino se genera cierta resistencia al movimiento, esta resistencia evidentemente tiene el efecto de producir la tendencia a la apertura de las ruedas por la parte delantera y en parte lo logra, debido a la elasticidad de las piezas metálicas que aseguran la rueda y a las holguras de las articulaciones, para compensar esta abertura en movimiento, las ruedas se dotan de cierta convergencia de montaje. Para el caso de las ruedas que son motrices al mismo tiempo de directrices, como son las que generan el empuje su tendencia es contraria, es decir, tienden a cerrarse por el frente, por eso se montan con convergencia negativa. Con el uso, y el desgaste normal de las articulaciones pivotantes de la suspensión y de giro de la
630
rueda, especialmente en la suspensión independiente, todas estas cotas de la dirección se van alterando, y con ello se pueden empezar a notar problemas de estabilidad en la dirección o de desgaste irregular de los neumáticos, en tal caso, debe llevarse el coche a un taller especializado para revisar y corregir cualquier alteración.
631
SISTEMA DE FRENOS
Los frenos son un sistema que reduce la velocidad y para el vehículo mientras está siendo manejado, manteniéndolo sin movimiento mientras está estacionado.
TIPOS DE FRENO
FRENOS DE TAMBOR Este es un dispositivo de freno con un tambor girando en el cual la rueda y neumático son montados. Interiormente, este tambor es un mecanismo con material de fricción que genera fuerza de frenado cuando se empuja contra el tambor. FRENOS DE DISCO Este es un dispositivo de frenado con un plato redondo de rotación (disco rotor) en el cual la rueda es montada. Los calipers con materiales de fricción sobre ellos son presionados contra el disco en ambos lados para generar fuerza de frenado. FRENO DE ESTACIONAMIENTO Este freno es usado para estacionamiento. Es un freno mecánico que traba solamente las ruedas posteriores. Este opera jalando la palanca de freno de estacionamiento o presionando el pedal de freno del mismo. FRENO CENTRAL Este es un freno de tambor que es montado entre el eje principal de transmisión y el árbol de propulsión. Es usado exclusivamente para estacionamiento.
MECANISMO DE TRANSMISIÓN DE FRENO
Este mecanismo conecta la operación del aparado de freno del asiento del conductor con los frenos, en cada una de las ruedas. Los siguientes dos tipos son usados: FRENO HIDRÁULICO Este tipo de sistema de frenos usa presión hidráulica para operar los frenos en cada una de las ruedas. Casi todos los vehículos usan este tipo de sistema de frenos, por el freno de pedal.
632
FRENO MECÁNICO Este tipo opera los frenos en cada una de las ruedas usando cables. Puesto que es dificultoso para que la fuerza de frenado actuante en cada una de las ruedas sea uniforme, este tipo de freno es casi nunca usado en estos días, excepto como un freno de estacionamiento.
Configuración de los frenos
633
CILINDRO MAESTRO
Este es un sistema que genera presión hidráulica desde la fuerza de presión del pedal de freno. EI sistema hidráulico tiene los siguientes dos sistemas. Los cilindros maestros (sistema dual) de Tándem, en el cual uno de los dos sistemas hidráulicos operarán igualmente si uno de ellos falla, son usados ampliamente.
Configuración del cilindro maestro
634
Tubería Convencional La tubería del freno es distribuida separadamente para las ruedas delanteras y las ruedas posteriores. Tubería Diagonal La tubería del freno es distribuida a la rueda delantera derecha y a la rueda posterior izquierda y la rueda delantera izquierda y rueda posterior derecha.
REFORZADOR DE FRENO, SERVOFRENO O ISOVAC.
Este dispositivo convierte la pequeña fuerza aplicada en el pedal de freno a una gran fuerza. El servofreno se encuentra en contacto con el colector de admisión en los vehículos equipados con motores de gasolina y con la bomba de vacío en los vehículos equipados con motor diesel a través de la válvula de retención de vacío.
635
VÁLVULA P (PROPORCIÓN) O COMPENSADOR DE FRENADA
Esta válvula distribuye la presión hidráulica entre las ruedas delanteras y posteriores a fin de obtener una fuerza de frenado estable. Cuando la fuerza de drenado actúa en un vehículo, la carga cambia hacia adelante, disminuyendo la carga en los frenos traseros y haciéndose fácil para las ruedas traseras trabarse. La válvula “ P” es instalada en medio camino en las tuberías en el lado de los frenos traseros para ajustar la presión hidráulica actuando sobre ellos.
Posición en el coche del servofreno y del compensador de frenada
EL FRENO DE TAMBOR
El freno de tambor es un sistema que aplica la fuerza de frenado usando material de fricción que es empujado contra la superficie interior de un tambor que gira conjuntamente con el neumático. Una gran fuerza de frenado puede ser obtenida comparativamente con una pequeña fuerza de presión en el pedal.
636
Cilindro de Rueda Este cilindro convierte la presión hidráulica del cilindro maestro en una fuerza que mueve la zapata de freno.
Zapata de Freno y Forro de Zapata de Freno La zapata de freno tiene la misma forma circular como el tambor de freno y tiene un forro de zapata de freno (material de fricción) fijado a su circunferencia exterior. El forro de la zapata de freno es un material de fricción que obtiene fuerza de frenado de la fricción entre este y el tambor de freno cuando este rota.
637
Tambor de Freno El tambor de freno está hecho de hierro fundido. Hay una pequeña holgura establecida entre el tambor y el forro de la zapata. El tambor de freno rota juntamente con el neumático. Cuando los frenos son aplicados, el forro de zapata de freno es empujado contra el interior del tambor, estableciendo la fricción que genera la fuerza de frenado.
Palanca de Ajuste (Mecanismo de Auto Ajuste) Este es un mecanismo que ajusta la luz entre el tambor de freno y el forro de la zapata de freno automáticamente, corrigiendo la holgura tanto como sea necesario cuando el freno de estacionamiento es operado.
FRENOS DE DISCO
Los frenos de disco no tienen una aplicación tan universal como los de zapata. Su principal campo de aplicación es en frenos de automóviles. Este tipo de frenos necesita una mayor fuerza de accionamiento para obtener la misma fuerza de frenado, comparada con los otros tipos de frenos, por esta razón es muy poco utilizado en la industria. La capacidad de auto regulación para compensar el desgaste de los materiales de fricción, la simplicidad de construcción, el bajo costo de las piezas de fricción y su elevada durabilidad sin fallo, son entre otras, las ventajas que lo han llevado a ser los frenos por excelencia de los vehículos.
638
En el esquema se representa de manera simplificada las partes del freno de disco. Un cuerpo rígido conocido como pinzas y representado en azul, está montado entre dos topes pertenecientes a la estructura de la máquina que no se muestran, estos topes impiden que las pinzas puedan moverse en el sentido de rotación del disco, pero a su vez permiten que pueda desplazarse lateralmente entre ellos. Un cilindro, al que se aplica presión en el líquido hidráulico, representado en amarillo, empuja un pistón interior el que a su vez empuja una de las piezas de fricción que se mueve entre dos guías, este efecto, hace que la pinza entera se desplace y apriete el disco entre las dos piezas de fricción, generando la fuerza de frenado.
639
ABS (SISTEMA ANTIBLOQUEO DE FRENOS)
Descripción El ABS evita el bloqueo de las ruedas durante el frenado. En los vehículos que no están equipados con ABS, puede ocurrir el bloqueo del neumático durante una frenada de emergencia sobre una carretera pavimentada y sobre carreteras resbalosas. Ello puede ocurrir algunas veces durante una frenada. Cuando ocurre el bloqueo de un neumático, la dirección del recorrido del vehículo no puede controlarse por medio del volante de dirección, de tal modo que es difícil librarse de una situación peligrosa (esto es debido a que cuando los neumáticos se bloquean, la fuerza de agarre lateral de los neumáticos, denominada "fuerza angular" se pierde).
El ABS es un sistema que evita el bloqueo del neumático y trabaja para mantener la habilidad del vehículo para librarse de situaciones peligrosas y mantener así la estabilidad.
Operación En una situación de frenado con pánico, los sensores de velocidad de las ruedas detectan cualquier cambio repentino que ocurre en la velocidad de las ruedas. La ECU del ABS calcula la velocidad rotacional de las ruedas y el cambio en su velocidad, luego calcula la velocidad del vehículo a partir de estos datos. La ECU luego juzga las condiciones de los neumáticos y de la carretera, y da instrucciones a los actuadores para proporcionar la presión hidráulica optima a cada rueda. Las unidades de control hidráulico operan recibiendo Ordenes de la ECU, aumentando o reduciendo la presión hidráulica o reteniendo la presión constante, si es necesario, a fin de evitar el bloqueo de las ruedas.
640
LAS RUEDAS
Las ruedas son los elementos del automóvil que toman contacto con el terreno y por lo tanto, el único lazo de unión entre el suelo y el vehículo, cumpliendo una serie de funciones como son: • • • • • • • •
Sostener el peso del vehículo. Convertir el movimiento de giro en movimiento de avance. Ofrecer una fuerte resistencia al deslizamiento. Dirigir el automóvil para lograr los giros. Absorber o amortiguar las irregularidades del terreno. Liberar al ambiente el calor producido por los frenos. Presentar cierta resistencia al desgaste. Han de ser ligeras y fáciles de montar y desmontar.
ELEMENTOS DE LA RUEDA • CUBO: Al que fija directamente la rueda por medio de tornillos que permiten un correcto centrado. • DISCO: Es el elemento con forma anular que sirve como unión entre la llanta y el cubo. • LLANTA: Es la parte sobre la que se ajusta el neumático. • NEUMATICO: Es el elemento elástico exterior montado sobre la llanta y una cámara rellena de aire comprimido.
EL NEUMATICO
PARTES DEL NEUMATICO
Banda de rodadura • Funciones: o Adherencia longitudinal y transversal en seco y mojado. o Resistencia al choque y desgaste. o Buena direccionalidad. o Confort, absorbe los ruidos • Partes: o Banda de rodadura. o Escultura. o Indicadores de desgaste.
641
Talón • Funciones: o Anclar la cubierta a la llanta. o Crear un cierre hermético. o Asegurar la transmisión de esfuerzos en frenados y aceleraciones. • Partes: o Punta de talón o Aro de talón
Talón
642
Hombros Hacen de unión entre los flancos y la banda de rodadura.
Flancos Son los laterales del neumático y es donde suelen ir las marcas identificativas del neumático.
Cordón de centrado Facilita el posicionamiento de la cubierta en la llanta.
Carcasa • Lonas de carcasa: compuesta por acero, algodón y fibras, transmite esfuerzos, facilita el confort y estabilidad. • Lonas de cima o cintura: compuesta de nylon, acero y kevlar en varias lonas, evita deformaciones.
643
Calandraje o liner Es un revestimiento de goma que sirve para unificar el neumático.
TIPOS DE NEUMÁTICOS Por su construcción existen tres tipos de neumáticos:
644
• Diagonales: en su construcción las distintas capas de material se colocan de forma diagonal, unas sobre otras. • Radiales: en esta construcción las capas de material se colocan unas sobre otras en línea recta, sin sesgo. Este sistema permite dotar de mayor estabilidad y resistencia a la cubierta. • Autoportante: en esta construcción las capas de material se colocan unas sobre otras en línea recta, sin sesgo, también en los flancos. Este sistema permite dotar de mayor resistencia a la cubierta aunque es menos confortable por ser más rígida, se usa en vehículos deportivos y tiene la ventaja de poder rodar sin presión de aire a una velocidad limitada, sin perder su forma.
Igualmente y según su uso de cámara tenemos: • Neumáticos con cámara (tubetype): aquellos que usan cámara y una llanta específica para ello. No pueden montarse sin cámara. Se usan en algunos 4x4, y vehículos agrícolas.
• Neumáticos sin cámara (tubeless): estos neumáticos no emplean cámara. Para evitar la pérdida de aire tienen una parte en el interior del neumático llamada talón que, cómo tiene unos aros de acero en su interior, evitan que se salga de la llanta. La llanta debe ser específica para estos neumáticos. Se emplea prácticamente en todos los vehículos.
645
PRESION DE INFLADO Todo fabricante determina la presión del inflado que puede soportar la llanta de acuerdo a las pruebas que fue sometida, esta presión se debe calibrar en frio. Una presión incorrecta puede causar que el neumático se desgaste de forma irregular, según sea menor o mayor la presión que la requerida por el fabricante, como se puede apreciar en la siguiente imagen.
646
Inflado del neumático con nitrógeno El objetivo principal de esta innovación es evitar la presencia de oxigeno dentro del neumático, el aire está compuesto por un 78% de nitrógeno frente a un 21% de oxigeno. La perdida de presión en un neumático oscila en torno de 2 P.S.I. por mes, está perdida de presión es debida a que el oxigeno existente en el interior del neumático se oxida (oxidación) por la temperatura que absorbe al rodar.
IDENTIFICACION DE LOS NEUMATICOS La identificación de un neumático se basa fundamentalmente en 3 parámetros:
• Marcas del fabricante. • Dimensiones. • Características de servicio. Marcas del fabricante Ej: “PIRELI P4”
Pirelli: nombre del fabricante. P4: tipo o nombre comercial del neumático.
Dimensiones Ej: “155/70 R13”
155: ancho del neumático en mm. 70: porcentaje en % entre la Altura del neumático y su ancho. R: indica que es de un neumático de tipo radial. 13: diámetro de la llanta en pulgadas.
647
Características del servicio
Ej: “72 S M+S”
72: índice de carga en este caso puede soportar un peso de 355 kg. S: índice de velocidad máxima. En este caso su velocidad máxima es de 180 km/h. M + S: utilizable en barro y nieve.
Medidas de un neumático 185/60R14.
648
LLANTA
PARTES DE LA LLANTA • Perfil de la llanta • Disco Perfil de la llanta Partes: • • • • •
Pestaña. Asiento de talón Talón. Base. Orificio de válvula.
Tipos: • • • •
Simétricas Simétricas. Asimétricas. Con resaltes (hump).
Disco Partes: • Superficie de apoyo.
649
• • • •
Agujeros de fijación. Agujero central. Ventanas de aireación. Bombeo (distancia entre la superficie de apoyo y el plano longitudinal medio)
650
