Usuario:Creosota/taller/Efectos del agua en un incendio

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Los efectos de la aplicación de agua sobre un incendio confinado se pueden describir en base a los fenómenos físicos individuales y su efectos en la dinámica del incendio. Los principales efectos son enfriamiento, dilución, incorporación de un balasto térmico, ventilación hidráulica y efectos mecánicos del chorro.

Efectos físicos[editar]

El calentamiento del agua aplicada y el cambio de fase líquido-gas generan una absorción de energía con el consiguiente enfriamiento de la masa de gases de incendio, del combustible y de la estructura. La incorporación de vapor de agua al recinto constituye una dilución de las concentraciones de comburente y combustible. Por su parte la presencia de gotas de agua en suspensión, ya sea por saturación de vapor de agua o por falta de evaporación, constituye un balasto o impedimento para la combustion con llama.

Efecto de enfriamiento[editar]

El efecto de enfriamiento o absorción de calor por parte del agua como agente extintor se produce en tres fases consecutivas a medida que se transfiere calor.

Calentamiento del agua hasta el punto de ebullición.
Cambio de fase líquido-gas. Evaporación del agua líquida y formación de vapor de agua.
Calentamiento del vapor de agua.

La cantidad de energía necesaria para que la unidad de masa eleve su temperatura un grado de temperatura se conoce como calor específico $C_{e}$ .

El agua no hierve inmediatamente tras alcanzar su temperatura de ebullición (100 °C al nivel del mar). Una vez alcanzado su punto de ebullición, el agua debe absorber una cantidad adicional de energía para convertirse en vapor de agua. Se denomina calor latente de vaporización $C_{v}$ , a la cantidad de energía necesaria para que un líquido cambie a estado gaseoso sin que haya aumento de temperatura. En el caso del agua, este valor es significativamente superior a la cantidad de energía necesaria para calentar de temperatura ambiente a 100 °C. Esta característica, junto a otras, hacen del agua un agente extintor universal.

Una vez en fase gaseosa, el aumento de temperatura en la masa de vapor de agua supone la absorción de energía del entorno. El calor específico del vapor de agua varía en función de la temperatura,^[1]^[2] pudiendo asignarle un valor promedio para el rango de temperaturas en incendios convencionales que se muestra en la siguiente tabla.

Valores de referencia:
Calor específico agua	$C_{e_{H_{2}O}}=4,182\ kJ\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}$
Calor latente de vaporización	$C_{v_{H_{2}O}}=2257\ kJ\ kg^{-1}$
Calor específico del vapor de agua	$C_{e_{vaporH_{2}O}}=2,090\ kJ\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}$

Ejemplo:

Calcular la cantidad de energía absorbida al aplicar 1L de agua a temperatura ambiente (18 °C) a un recinto de incendio que alcanza una temperatura final de equilibrio de 300 °C suponiendo una vaporización completa del agua utilizada.

Fase de calentamiento de agua de 18 a 100 °C:

$Q_{liquido}=m\cdot C_{e_{H_{2}O}}\cdot \Delta T=1\ kg\cdot 4,182\ kJ\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}\cdot (100-18)K=343\ kJ$

Fase de vaporización a 100 °C,

$Q_{evaporacion}=m\cdot C_{v_{H_{2}O}}\cdot =1\ kg\cdot 2257\ kJ\cdot kg^{-1}=2257\ kJ$

Fase de calentamiento del vapor de agua de 100 a 300 °C,

$Q_{vapor}=m\cdot C_{e_{vaporH_{2}O}}\cdot \Delta T=1\ kg\cdot 2,090\ kJ\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}\cdot (300-100)K=409\ kJ$

Energía total absorbida,

$Q_{total}=343\ kJ+2257\ kJ+409\ kJ=3009\ kJ$

La energía total absorbida es de 3009 kJ, de los cuales tres cuartas partes corresponden a la energía empleada para la vaporización.

Efecto de dilución[editar]

La aplicación de agua al recinto del incendio, siempre que genere vapor de agua, influye en la dinámica del incendio por el efecto de dilución del volumen de gases de combustible y comburente. En efecto, a la mezcla existente, se incorpora un tercer fluido que la diluye alejándola del rango de inflamabilidad.

El volumen de vapor de agua que se genera a una temperatura de 100 °C es, aproximadamente, 1.700 veces mayor que el volumen original en fase líquida.^[3] A medida que la temperatura aumenta, esta expansión es aún mayor.

Expansión de 1L de agua
Temperatura	Volumen de vapor de agua
100 °C	1700 L
200 °C	2060 L
300 °C	2520 L
400 °C	2980 L
500 °C	3440 L
600 °C	3900 L

Balasto térmico[editar]

Tras la aplicación de agua en el recinto de incendio, multitud de gotas de agua quedan en suspensión en el ambiente, ya sea fruto de la condensación del vapor de agua o de gotas que no llegaron a evaporarse completamente. Con más frecuencia estas gotas de agua en suspensión se encuentran en la capa fría en la zona inferior del recinto. Por ello son arrastradas hasta el motor del incendio, donde dificultan la combustión con llama al actuar como un balasto térmico: las gotas absorben energía de la pluma de llamas, reduciendo la radiación emitida por la pluma del incendio y así dificultando el proceso de combustión.

Este es el fenómeno físico en el que se basan los sistemas fijos de protección contra incendios de nebulización a alta presión.

Ventilación hidráulica[editar]

Cualquier chorro de agua produce un flujo de aire de forma coaxial que recibe el nombre de ventilación hidráulica. El flujo de aire generado por el chorro depende fundamentalmente del caudal y el grado de disgregación de la masa de agua, que a su vez está condicionado por la velocidad y la distancia que haya recorrido. De esta forma, se puede afirmar:

A igualdad de caudal, un chorro con un patrón de proyección abierto genera más ventilación hidráulica que un chorro cerrado.
Con igual patrón de proyección, un chorro con mayor caudal genera más ventilación hidráulica.
A igualdad de patrón de proyección y caudal, un chorro con mayor velocidad genera más ventilación hidráulica.
Cuanto más se aleja el chorro de la lanza, mayor es su dispersión y con ello la ventilación que puede generar.

De forma simultánea a la presión positiva que genera el movimiento del aire impulsado por el agua en su mismo sentido, se genera una zona de presión negativa en el área inmediatamente anterior en el eje del chorro. Los efectos de la ventilación hidráulica deben ser considerados tanto en la aplicación de agua en el interior de un incendio estructural, donde pueden provocar la rotura de la estratificación térmica y la incorporación de oxígeno adicional, como en la aplicación de agua desde el exterior a través de exutorios, en cuyo caso pueden interrumpir el flujo de salida de gases del incendio.^[4]

Eficiencia en términos de enfriamiento en la aplicación de agua[editar]

Se entiende como eficiencia en relación a la capacida de enfriemiento en la aplicación del agua a la relación entre la energía absorbida por una determinada cantidad de agua arrojada al incendio $Q_{absorbido}$ y la absorción máxima teórica $Q_{max}$ que corresponde a la energía para calentar esa masa de agua hasta su punto de ebullición, realizar el cambio de fase y calentar el vapor hasta la temperatura del recinto en el estado de equilibrio.

$ef={{Q_{absorbido}} \over Q_{max}}$

En términos de eficiencia de enfriamiento, Grimwood afirma que el rendimiento en aplicación de agua pulverizada podría estar entorno al 75 %, mientras que en el chorro sólido el valor sería del 50 %.^[5]

El agua que no llega a evaporarse, como máximo, podrá absorber la energía correspondiente al aumento de temperatura hasta su temperatura final, mientras que el agua que consiga convertirse en vapor y llegar a la temperatura de equilibrio con el recinto tendrá una absorción de energía considerablemente mayor.

Efectos del agua en función de la zona de aplicación[editar]

Los efectos de la aplicación de agua sobre un incendio confinado pueden también analizarse a partir de las consecuencias que tiene su aplicación en cada uno de los diferentes elementos básicos que encontramos en un escenario convencional.^[6]

Llamas y capa de gases[editar]

Situados en el plano superior son el origen de los fenómenos como el flashover, fire gas ignition y otros. La proyección de agua sobre estos gases tiene un efecto de refrigeración, que será más efectiva cuanto menor sea el diámetro de las gotas y mayor el tiempo de exposición. Como consecuencia de la trasferencia de energía al agua, esta se convierte en vapor a la vez que se contrae el volumen de los gases por el descenso de temperatura. Si el incendio sigue activo seguirá generando gases que sustituirán rápidamente los que han sido enfriados, volviendo a las condiciones previas.

Paredes y techos[editar]

Considerando construcciones convencionales mediante elementos no combustibles, son los elementos que confinan el incendio y que van incrementando su temperatura conforme este se desarrolla. El enfriamiento de estos elementos por la proyección de agua absorbe energía del incendio, pero la tasa de liberación de calor no disminuirá. El incendio activo seguirá liberando calor y las paredes y techos volverán al nivel energético que tenían.

Combustible[editar]

En los incendios estructurales los combustibles más frecuentes son sólidos que sirven como motor del incendio. La aplicación de agua enfría su superficie deteniendo la pirólisis y la combustión. La transferencia de calor genera vapor de agua, que puede ser un inconveniente por el aumento de volumen de la capa caliente que puede provocar. Sin embargo, esto se compensa con el cese de la generación de gases producto de la combustión, si el volumen de agua aplicado es proporcional. El combustible, en función de su naturaleza, puede mantener una cantidad de energía considerable una vez detenida la pirólisis, por lo que la aplicación de agua una vez detenida la combustión mantendrá el proceso de enfriamiento, generando un volumen de vapor cuyos efectos deben ser valorados.

Véase también[editar]

Técnicas de aplicación de agua

Referencias[editar]

↑ Robert H., Perry (1997). Perry Chemical Engineering´s Handbook (7ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0070498419.
↑ Engineering Equation Solver Sofware.
↑ Särdvisqt, Stefan (1999). «Fire brigade use of water». INTERFLAM '99: Fire science and engineering conference (en inglés) (Interscience Communications Limited). Consultado el 27 de mayo de 2020.
↑ Boj, Pablo (junio de 2016). «Offensive fire attack – Variables that interfere with the fire gases outlet». International Firefighting (50 y 51). Consultado el 19 de octubre de 2021.
↑ Grimwood, Paul (2008). Euro Firefighter. Jeremy Mills Publishing Limited. ISBN 978-1-905217-06-9.
↑ Boj, Pablo (mayo 2020). «Exterior Water Application: Influence of Nozzle Postioning and Pressure». Fire Engineering (en inglés) (Clarion Events) 173 (5). Consultado el 19 de mayo de 2020.

[1] Robert H., Perry (1997). Perry Chemical Engineering´s Handbook (7ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0070498419.

[2] Engineering Equation Solver Sofware.

[3] Särdvisqt, Stefan (1999). «Fire brigade use of water». INTERFLAM '99: Fire science and engineering conference (en inglés) (Interscience Communications Limited). Consultado el 27 de mayo de 2020.

[4] Boj, Pablo (junio de 2016). «Offensive fire attack – Variables that interfere with the fire gases outlet». International Firefighting (50 y 51). Consultado el 19 de octubre de 2021.

[5] Grimwood, Paul (2008). Euro Firefighter. Jeremy Mills Publishing Limited. ISBN 978-1-905217-06-9.

[6] Boj, Pablo (mayo 2020). «Exterior Water Application: Influence of Nozzle Postioning and Pressure». Fire Engineering (en inglés) (Clarion Events) 173 (5). Consultado el 19 de mayo de 2020.

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