La dinámica del fuego y su importancia en la detección de incendios

En este artículo abordaremos la dinámica del fuego y el por qué es importante comprender los conceptos básicos para quienes se desempeñan en el mundo de la seguridad contra incendios, cubriremos estos temas: 

• ¿Qué se requiere para que exista el fuego?
• Dinámica del fuego.
• Química del fuego.
• Productos de combustión y peligros asociados.
• Clases de fuego.
• Evolución de los incendios.
• Transmisión de incendios.
• Modos de propagación del fuego.
  
  

¿Qué se requiere para que exista el fuego?

Fuente: quimicaencasa.com

El fuego es una reacción química entre el combustible y el comburente y se produce gracias a una energía de activación. Los combustibles pueden ser muy variados pero el comburente suele ser siempre el oxígeno

Podríamos decir entonces que el fuego está compuesto de tres elementos que lo componen; el combustible, el comburente y la energía de activación, ya que si alguno de estos tres elementos no está presente en la reacción de combustión el fuego no se produce. Estos tres elementos se han considerado siempre parte necesaria de la reacción de combustión, aunque hoy en día se habla de un cuarto componente como lo es la reacción en cadena. 

Esto implica que el fuego se compone de estos cuatro elementos y por tanto, que la eliminación de cualquiera de ellos terminará extinguiendo el fuego.

Combustible

Puede ser cualquier sustancia o materia capaz de arder en contacto con el aire, oxígeno o una mezcla gaseosa que contenga oxígeno, produciendo una cierta cantidad de calor. En una combustión es el agente reductor que cede o traspasa electrones al agente oxidante. Combustible es toda sustancia que no ha alcanzado su grado máximo de oxidación. Normalmente las materias combustibles contienen cantidades apreciables de carbono e hidrógeno, que son elementos oxidables. 

Comburente

Producto o sustancia que proporciona el oxígeno necesario para la combustión. Es el cuerpo en cuya presencia puede arder el combustible y en una combustión es el agente oxidante el que roba electrones al reductor. Normalmente el comburente será el oxígeno del aire, pero hay otros productos que lo pueden ser.

Calor (energía de activación)

No siempre que hay un combustible en presencia de un comburente se produce la combustión. Para que esto suceda es necesario un tercer factor que provoque esa reacción, este tercer factor es lo que llamamos energía de activación que es aportada por los focos de ignición y puede tener diversos orígenes: 

• Origen químico: cualquier reacción exotérmica provoca calor que puede ser el origen de un incendio.
• Origen mecánico: los choques o roces entre metales generan calor y chispas que pueden aportar la energía necesaria para iniciar un incendio.
• Origen eléctrico: el paso de una corriente eléctrica provoca calor y eso es causa de numerosos incendios.
• Origen natural: rayos, entre otros. 

Reacción en cadena

En ocasiones, a pesar de tener los tres factores conjugados en tiempo y lugar, y con la intensidad suficiente, la reacción no progresa. Pero si ese calor no disipado se convierte en una nueva energía de activación provoca el reinicio y ayuda a que la reacción continúe con otros elementos combustibles adyacentes. Es decir, se produce una reacción en cadena.

Dinámica del fuego 

Ejemplo de modelización CFD de un compartimiento utilizando Fire Dynamics Simulator. Fuente:certec.upc.edu

La dinámica del fuego es el estudio de cómo los incendios comienzan, crecen y evolucionan con el tiempo. La dinámica del fuego reúne varias disciplinas para comprender mejor la naturaleza del fuego y estos incluyen la química, la ciencia o composición de los materiales, la ingeniería mecánica, mecánica de fluidos y la transferencia de calor. El objetivo de la ciencia del fuego es determinar cómo cada uno de estos aspectos impactan o influyen en el comportamiento del fuego. 

Conocer lo básico sobre la dinámica del fuego es útil por las siguientes razones:

• Puede ayudar a las organizaciones de seguridad autorizadas a aprender más sobre la naturaleza del fuego y compartir esta información con quienes concurren en un determinado espacio. 
• Puede ayudar a los diseñadores y constructores en los procesos de construcción para que sean más resistentes al fuego. 
• Ayuda a las empresas a lograr condiciones de trabajo más seguras, un protocolo de emergencia contra incendios ajustado a la realidad y planes de evacuación eficientes y simplificados. 

Química del fuego

El fuego es una combustión. Una combustión es un proceso químico-físico que se manifiesta cuando un cuerpo se une al oxígeno y desprende calor y dependiendo de la velocidad de este proceso, estaremos ante una simple oxidación o una violenta explosión, así el fuego no es más que una reacción de oxidación-reducción fuertemente exotérmica. 

Aunque las palabras fuego e incendio, en ocasiones se emplean indistintamente, definen situaciones distintas. El fuego es una combustión dominada y controlada por el hombre, mientras que el incendio es una combustión que se desarrolla sin control en el tiempo y en el espacio.

Reacción de oxidación-reducción

Es la reacción química que se produce entre dos elementos, sustancias o cuerpos, en la que uno se oxida a costa del otro que se reduce. El elemento que se reduce es el agente oxidante que “roba electrones” al agente reductor. 

Reacción exotérmica

Esta se produce con desprendimiento de calor, porque las sustancias resultantes de la reacción tienen menos energía que las que dieron lugar a la misma. Esa energía sobrante se manifiesta en forma de calor.

Productos de combustión y peligros asociados

En cualquier tipo de combustión siempre aparecen una serie de productos, cuya naturaleza dependerá del tipo de combustible, temperatura que se alcance e incluso de la localización física de la combustión, ya que es distinto un fuego confinado que si éste se da al aire libre. Estos productos, en general, aparecen conjuntamente en el tiempo y se deben tener en cuenta para prevenir sus efectos nocivos sobre las personas.  Estos son:

• Humo
• Gases
• Llamas
• Calor

Humos

Representan un riesgo importante para cualquier persona que se aproxima a un incendio, ya que reducen la visibilidad, producen irritación de mucosas, ojos y vías respiratorias y, ante exposiciones prolongadas, afectan al ritmo respiratorio y disminuyen considerablemente la capacidad de respuesta de la persona que los inhala. Su color depende de las sustancias que arden y de la cantidad de oxígeno presente. 

Gases

Constituyen el principal riesgo para las personas ante un incendio. De hecho, las estadísticas demuestran que el mayor número de víctimas en un incendio son como consecuencia directa de la inhalación de los gases desprendidos durante la combustión y no como consecuencia de las llamas. La naturaleza de estos gases dependerá del tipo de combustible que arda, lo que dificulta una explicación, listado detallado de los múltiples riesgos por este aspecto. 

Llamas

Realmente las llamas son gases incandescentes visibles que se producen cuando arde el combustible (sólido, líquido o gaseoso). Los combustibles sólidos que no se descomponen emitiendo vapores inflamables (que son los que realmente arden), no producen llama. 

Calor

Producto más que obvio, la energía calorífica generada en la combustión, además de calentar los gases y humos producidos, se transfiere al aire circundante. El aire recalentado produce deshidratación, cansancio y quemaduras en las personas, pudiendo causar hasta la muerte. En los materiales se producen deformaciones y pérdidas de resistencia.

Clases de fuego

En función de la naturaleza del combustible involucrado, los fuegos se clasifican de la siguiente manera: 

Clase A

Fuegos de materiales sólidos (madera, papel, cartón, tejidos, etc.). Este tipo de fuegos puede desarrollarse con llamas y brasas. 

Clase B

Fuegos de sustancias líquidas (gasolina, aceites, disolventes, etc.), o de sólidos licuables o de bajo punto de fusión (ceras, grasas, parafina, etc.). Estos fuegos se desarrollan con llamas, pero sin producir brasas.

Clase C

Fuegos de gases combustibles (acetileno, propano, butano, etc.). Estos fuegos arden produciendo llamas. 

Clase D

Fuegos especiales, donde los materiales involucrados son metales (aluminio en polvo, magnesio, etc.).

Evolución de los incendios

En términos generales se pueden considerar cuatro fases en la cadena lógica del incendio: 

• Iniciación
• Desarrollo 
• Propagación
• Extinción

Iniciación

El inicio de un incendio puede venir motivado por muchas causas ajenas a los combustibles, pero al final lo que tendremos son: unos combustibles (mobiliario, telas, etc.), un comburente (el oxígeno del aire) y una energía de activación (por ejemplo una colilla mal apagada), de este modo se tienen los tres factores del incendio y comienza el fuego que produce una liberación de energía en forma de calor que es suficiente para mantener la reacción en cadena. En este punto ya se tiene manifiesta una situación de incendio. 

Desarrollo

El incendio empieza a desarrollarse libremente porque el contenido de oxígeno del sitio, por ejemplo en una habitación, posibilita la combustión completa de los materiales involucrados. La temperatura ambiente va subiendo, y por radiación y conducción, se van inflamando otros elementos que no estaban afectados por el fuego inicialmente. 

Propagación

El incendio alcanza grandes dimensiones y en esta fase el calor se transmite por todos los medios. Por convección se generan corrientes de humo, gases calientes, etc., que van a buscar cualquier espacio o fuga para continuar su camino. La radiación actúa con mucha importancia en esta fase, ya que cuanto más calientes están los cuerpos más radiación térmica se transmite. 

La extinción

Se puede producir de forma natural si todo el combustible se agota porque ya se ha quemado, el incendio se apaga solo porque ya no hay nada que pueda arder. Aunque cuando hablamos de extinción nos referimos a la extinción provocada por la acción del hombre.

Transmisión de los incendios

Los mecanismos de transmisión de calor que generalmente se consideran son los  siguientes: 

Conducción

Es la que se produce entre dos cuerpos por contacto entre ellos o, en el caso de un solo cuerpo, dentro de sí mismo. Aunque también se da en los líquidos y gases, es en los sólidos donde se aprecia con más claridad y donde tiene más importancia. Se trata de un movimiento vibratorio en el que unas moléculas chocan contra otras traspasándose energía. En los incendios este mecanismo tiene mucha importancia sobre todo al principio ya que las diferencias de temperatura entre los materiales son más evidentes. 

Convección

Hace referencia a la transmisión de calor por la mezcla de una parte de un fluido (líquido o gas) con otra que tiene menos temperatura. Para que se produzca esta mezcla tiene que haber movimiento del fluido, de ahí que no se pueda dar este mecanismo en los sólidos. En los fluidos puede darse que su densidad merme en cuanto mayor sea su temperatura. La convección se basa en el movimiento originado por distintas densidades para conseguir esa mezcla que transmite calor.

La convección tiene mucha importancia en el desarrollo de forma vertical de los incendios, y suele ser la causante de la propagación del incendio en la mayoría de los casos. 

Radiación

Es el mecanismo de transmisión predominante y produce la propagación horizontal de los incendios. Se produce por movimientos ondulatorios que se propagan en todas las direcciones. Este movimiento ondulatorio se produce hasta en el vacío, por lo que este mecanismo no necesita ni cuerpos sólidos, ni fluidos para la transmisión de calor. La radiación siempre se está produciendo, por lo que no importa la diferencia de temperatura entre los cuerpos para que se genere. Cada cuerpo o fluido emitirá una cierta radiación a una determinada temperatura, sin importar lo que le rodee. Lo que sí está claro es que cuanto más caliente esté más radiación emitirá.

Modos de propagación del fuego

Fuente: architectsjournal.co.uk

Un fuego se propagará desde el punto de origen si existe suficiente combustible y oxígeno. Ya vimos cómo se puede dar la propagación en donde la transmisión del calor a los combustibles adyacentes en el lugar es un factor clave y la forma en que el fuego se propaga se da en tres modos: vertical, horizontal y descendente.

Vertical

Cuando se presenta el fuego y este se convierte en incendio, el humo y los gases calientes tienden a subir. De este modo un fuego se propaga en sentido ascendente cuando se lo permiten las características constructivas del edificio o área afectada. Los fosos de escaleras, ascensores, ductos de aire y los espacios entre paredes interiores y exteriores proporcionan un paso vertical para la ascensión de los productos de la combustión. Los materiales combustibles que se encuentran en las cercanías del trayecto, resultarán afectados si los productos de la combustión están lo suficientemente calientes para causar la pirolización o la vaporización de estos combustibles, y encender sus vapores.

Horizontal

Cuando se impide el movimiento ascendente de los productos de la combustión, por ejemplo, por un techo, éstos se dispersan en todas las direcciones. Se desplazan entonces lateralmente a la altura del techo hasta encontrar otros obstáculos, como una pared. Si no hay aberturas en ésta, los productos de la combustión se acumulan hasta que son forzados a bajar a lo largo de la pared. Si en el desplazamiento lateral de los productos de la combustión se encuentra una abertura, penetrarán en zonas no afectadas por el incendio. 

Entonces subirán si es posible o se moverán horizontalmente si no existe ningún camino ascendente. Nuevamente, los materiales combustibles que se encuentran en la trayectoria, se inflamarán y el fuego continuará propagándose. De esta forma, un fuego puede desplazarse horizontalmente, pegado al techo, a través de un largo pasillo sin afectar prácticamente a las paredes.

Descendente

El fuego desciende se genera cuando caen materiales ardiendo desde una zona superior a un nivel inferior. También el fuego puede descender a través de recubrimientos de paredes, tales como barnices, pintura, papel y paneles combustibles. Sin embargo, este proceso es muy lento y produce una propagación poco importante.

Conclusión

La química y la dinámica del fuego son campos de estudio fundamentales para comprender y controlar los incendios, así como para  generar buenos diseños y especificaciones en la implementación de los sistemas de detección de incendios. La interacción de los elementos del triángulo del fuego, la temperatura de ignición, la transferencia de calor y la reacción en cadena son conceptos clave en la comprensión de cómo el fuego se inicia, se propaga y se extingue. Estos conocimientos son esenciales para la seguridad y la gestión de incendios en diversos entornos.