Tema 1. TEORIA DEL FUEGO I

• El fuego es una combustión con emisión de calor, humo y llamas, resultado de la combinación de un combustible y un comburente, generalmente oxígeno.
• La norma UNE-EN ISO 13943:2018 define la combustión como una reacción exotérmica de una sustancia con un agente oxidante, que emite efluentes de fuego acompañados de llamas o incandescencia.
• "Fuego controlado" es una combustión auto sostenida usada deliberadamente para efectos útiles.
• "Incendio descontrolado" es una combustión auto sostenida no deliberada y sin límites en tiempo o espacio.
• La velocidad de la combustión determina si es una simple oxidación o una explosión.

Reacciones Endotérmicas y Exotérmicas

• En las reacciones químicas, los enlaces de los reactivos se rompen y se reordenan, requiriendo energía que se libera al formarse nuevos enlaces.
• Los enlaces químicos con alta energía son enlaces fuertes y difíciles de romper.
• Reacción exotérmica: se libera energía en forma de calor porque los productos tienen menos energía que los reactivos.
• Reacción endotérmica: la energía es absorbida por el sistema.
• Las reacciones exotérmicas espontáneas son comunes debido a la facilidad de crear enlaces fuertes.
• Ejemplo de reacción exotérmica: combustión de compuestos de carbono en aire para producir CO2 y H2O.
• Ejemplo de reacción endotérmica espontánea: disolución de sal en agua.
• Reacción endotérmica: aumenta la energía interna del sistema al absorber energía.
• Reacción exotérmica: disminuye la energía interna del sistema al desprender energía.

Reacción Redox

• Las reacciones Redox involucran la transferencia de electrones de un reductor (cede electrones) a un oxidante (capta electrones).
• Oxidación: un elemento cede electrones, aumentando su índice de oxidación.
• Reducción: un elemento capta electrones, disminuyendo su índice de oxidación.
• Agente reductor: sustancia que se oxida y reduce a otra cediendo electrones.
• Agente oxidante: sustancia que se reduce y oxida a otra quitando electrones.
• En el fuego, el oxidante es el comburente y el reductor es el combustible.
• La reacción entre oxidante y reductor es exotérmica; la oxidación implica pérdida de electrones y la reducción ganancia de electrones.

Pirólisis y Agentes Pasivos

• Pirólisis: Descomposición química de una sustancia por calor, a menudo referida como la fase previa a la combustión con llama.
• El proceso de pirólisis puede ocurrir entre 80°C y 800°C, dependiendo de la sustancia.
• Generalmente, la pirólisis se verifica a 300-400°C, según los ensayos de la NFPA.
• Agentes pasivos: sustancias presentes en la combustión que absorben calor, reduciendo la energía disponible para realimentar la combustión.
• Ejemplos de agentes pasivos: gases no inflamables (dióxido de carbono, vapor de agua), residuos (hollín), nitrógeno (79% del aire), agua (necesita energía para vaporizarse).

Combustiones

• La norma UNE-EN ISO 13943:2018 define la combustión como una reacción exotérmica de una sustancia con un agente oxidante, emitiendo efluentes de fuego.
• Combustión completa: todos los productos se oxidan totalmente, como carbono convirtiéndose en dióxido de carbono e hidrógeno en agua.
• En la combustión incompleta, los productos pueden no oxidarse completamente, produciendo monóxido de carbono (CO) y carbón.
• Características principales de la combustión:
  • Proceso químico de oxidación-reducción.
  • Cinética rápida.
  • Carácter exotérmico.
  • Reacción autoalimentada (en reacciones en cadena).
  • Reactivos: combustible y comburente.
  • Productos: calor, humo, gases, radiación luminosa, llamas (opcional).
  • Comburente: oxígeno atmosférico.
  • Combustible: sólido, líquido o gaseoso.
  • Sólido: produce incandescencia.
  • Líquido/Gaseosa: produce llamas visibles.
  • Humo: parte visible de los efluentes del fuego, formados por gases (CO, CO2, vapor de agua) y partículas sólidas/líquidas en suspensión.
  • Hollín: polvo rico en carbono de combustiones incompletas.
  • Cenizas: sustancias inorgánicas en polvo de combustión completa.
  • Alquitrán: restos de materia no quemada elevados por convección.
  • Humo blanco: combustibles vegetales, abundante O2 y vapor de agua.
  • Humo gris: compuestos celulósicos o fibras artificiales.
  • Humo negro: derivados del petróleo, fibras sintéticas, poco O2.
  • Humo amarillo: sustancias con azufre, ácidos clorhídricos, pinares, nitrocelulosa.
  • Humo amarillo verdoso: sustancias con cloro.
  • Humo violeta: sustancias con yodo.
  • Humo azul: hidrocarburos, robles o encinas.

Tipos de Combustiones

• Se clasifican según su manifestación (aportación) y velocidad de propagación.

Combustiones de Aportación

• Son aquellas en las que la masa reactiva se va incorporando al frente de reacción.
  • Combustión con llamas: combustión en fase vapor de gases incandescentes, emitiendo calor, luz y gases.
  • Fuego latente: reacción exotérmica de oxidación lenta sin llama ni luz visible, detectada por aumento de temperatura o humo.
  • Incandescente: combustión sin llama que emite luz y calor en forma de ascuas en combustibles sólidos.
  • Ignición espontánea: aumento de temperatura sin calor externo hasta el punto de autoinflamación.

Combustiones de Propagación

• También denominadas de pre mezcla.
  • Oxidación lenta: velocidad de propagación inapreciable, la energía desprendida se disipa y no aumenta la temperatura del entorno (envejecimiento del papel).
  • Combustión simple: velocidad de reacción apreciable visualmente pero inferior a 1 m/s, con calor, humo, gases y llamas; la energía se disipa en el ambiente.
  • Explosión: combustión brusca con liberación de gas a alta presión generando una onda de presión (deflagraciones - subsónicas; detonaciones - supersónicas).
  • Combustión deflagrante o deflagración: velocidad de propagación entre 1 m/s y 340 m/s (subsónica); produce luz, sonido y ondas de presión continuas.
    • Combustión detonante o detonación: velocidad de propagación superior a 340 m/s (supersónica); produce sobrepresión en ondas discontinuas y onda de choque.
  • Reacciones pirofóricas: materias que reaccionan al contacto con el oxígeno.
  • El tiempo y energía necesarios para producir ignición depende de la energía de la fuente de exposición, la inercia térmica y la geometría del combustible, así como de la energía mínima necesaria (punto de combustión).

Fuego vs. Incendio

• Fuego DRAE: calor y luz producidos por la combustión.
• Incendio DRAE: fuego grande que destruye lo que no debería quemarse.
• Norma ISO 13943:
  • Fuego: combustión auto-sostenida controlada para efectos útiles.
  • Incendio: combustión auto-sostenida descontrolada.

Triángulo y Tetraedro del Fuego

• Triángulo del fuego: combustible, comburente y calor.
• Tetraedro del fuego: añade las reacciones en cadena.
• La supresión de un lado del triángulo o del tetraedro impide o extingue el fuego.
• Combustible: sustancia que arde en presencia de energía de activación.
  • La inflamabilidad del combustible condiciona la fuente de inflamación.
  • Los combustibles pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos, pero siempre entran en combustión en estado gaseoso.

Factores de Ignición del Combustible

• Temperatura mínima a la que emite vapores inflamables:
  • Punto de inflamación (flash point): temperatura mínima para que los vapores prendan momentáneamente con llama.
  • Punto de combustión (fire point): temperatura mínima para que el material se prenda y siga ardiendo.
  • Temperatura de autoignición: temperatura mínima para la autoignición.
  • Combustión súbita generalizada (flashover): transición a la implicación total de la superficie en un fuego. Contracorriente (backdraft): combustión rápida por introducción de aire en espacio confinado con productos de combustión.
  • Temperatura mínima de ignición: temperatura mínima para iniciar una combustión sostenida.
  • Temperatura de ignición espontánea: temperatura mínima para la ignición por calentamiento sin llama.
• Concentración de vapores:
  • Límite superior de inflamabilidad (LSI): máxima concentración de vapores combustibles en aire para combustión.
  • Límite inferior de inflamabilidad (LII): mínima concentración de vapores combustibles en aire para combustión. Rango de inflamabilidad: intervalo entre LSI y LII.
    • Punto ideal de combustión (PIC): combustión en las mejores condiciones.
      • Punto estequiométrico (PE): punto de explosión si la reacción se produce.
• Cada combustible tiene concentraciones mínimas y máximas, definidas por los límites de inflamabilidad.

Comburente

• Agente oxidante que oxida el combustible en una reacción rápida y exotérmica.
• El oxígeno (21% en volumen del aire) es el comburente más común.
• Algunos compuestos (nitrocelulosa) contienen oxidante y reductor, y pueden combustionar con energía de activación.
• La proporción mínima de oxígeno necesaria para la combustión es del 15%.
• Ciertos ácidos fuertes oxidantes pueden causar combustiones sin ignición adicional.

Energía de Activación

• Es la energía mínima para iniciar la reacción, proporcionada por fuentes de ignición (llamas, superficies calientes, chispas).
• Orígenes de la energía de activación:
  • Natural (rayos).
  • Químico (reacciones exotérmicas).
  • Mecánico (roces entre metales).
  • Eléctrico (corriente eléctrica).
  • Térmico o directo.
  • Nuclear (fisión/fusión).
  • Biológico (fermentación).
• La ignición ocurre si la energía aumenta la temperatura del combustible por encima de su punto de ignición.
• Formas de aporte energético:
  • Llamas: calientan el vapor hasta su temperatura de ignición.
  • Chispas eléctricas: tienen suficiente energía para encender mezclas inflamables.
  • Superficies calientes: pueden ser fuentes de ignición si tienen suficiente dimensión y temperatura.
  • Brasas: producen calor por radiación.

Reacciones en Cadena (REC)

• La reacción de combustión progresa mediante REC, reacciones químicas complejas que aparecen en la combustión con llama.
• La REC consiste en el automantenimiento de la combustión por la eliminación de los radicales libres.
• La reacción se automantiene cuando la energía desprendida activa un número igual o mayor de moléculas.
• La velocidad de reacción en cadena se duplica con un aumento de 10°C y se multiplica ante un aumento de 200°C.

Agentes Pasivos

• Afectan tanto al triangulo como al tetraedro, y no toman parte en la reacción química de combustión.
• Ejemplos:
  • Gases no inflamables: dióxido de carbono y vapor de agua.
  • Hollín: partículas de carbón.
  • Agua: temperatura y humedad.
  • Nitrógeno: componente inerte del aire (79%).

Sustancias Combustibles e Inflamables

• Pirólisis: descomposición de una sustancia por el calor, pasando de sólido/líquido a vapor.
• Existe una temperatura mínima (punto de ignición) para que la sustancia emita suficientes vapores para encenderse.
• El punto de ignición es unos grados superior al punto de inflamación.
• Una sustancia combustible tiene un punto de ignición bajo y mantiene el fuego.
• Una sustancia inflamable emite gases que arden fácilmente, dependiendo del flujo de calor, la constitución del material y el punto de inflamación.