Primera parte
Autor: Patricio Levenzon – CALFIK
NFPA 1041 Fire Instructor
Investigador de Incendios
CALFIK
Edición: Andrea Sanguinetti – CALFIK
Mayo / 055-01-ACK-22
Sabemos que el calor se transmite por medio de radiación, convección y conducción, ya sea individualmente o en forma conjunta. ¿Pero representan estos fenómenos las únicas formas de transmisión de calor en un incendio? La respuesta claramente es NO. Intentaremos en este artículo fundamentar esta aseveración.
La termodinámica corresponde a la rama de la física que estudia la transferencia de calor, la conversión de la energía y el potencial de los “sistemas” para producir un trabajo. Las leyes termodinámicas describen también los comportamientos generales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.
Ya en la tercera edición año 2004 del libro Forensic Fire Scene Reconstruction, de los autores David J. Icove, PH.D., P.E., John D. DeHaan, PH.D. y Gerald A. Haynes, M.S., P.E., se expone una cuarta forma de transmisión de calor denominada superposición. Además, analizaremos en esta publicación la transmisión de calor mediante advección.
Respecto de la radiación, convección y conducción, por ser estos fenómenos (aunque complejos) ampliamente difundidos en el ámbito de la dinámica del fuego y los programas de capacitación de bomberos e investigadores de incendios, no se abordarán aquí en mayor detalle, a excepción de los fenómenos convectivos por su relación con la advección.
¿Qué entendemos por calor?
El calor es básicamente energía que se produce por el movimiento (“roce”) de las moléculas, lo que genera un aumento en la temperatura. El calor en sí implica la transferencia de energía de un cuerpo hacia otro de menor temperatura (magnitud de proceso). Esta, a su vez, es la que indica la energía térmica que contiene un cuerpo. Por lo tanto, calor y temperatura, aunque están relacionados, son conceptos diferentes y en consecuencia su medición también lo es. El calor se mide mediante un calorímetro y la temperatura con un termómetro. El calor se cuantifica en julio o joule, caloría o kilocaloría. La unidad BTU (British Thermal Unit) es considerada obsoleta y las escalas BTU están definidas en calorías. Por su parte, la temperatura se mide en tres escalas: Fahrenheit (°F), Celsius (°C) y Kelvin (K), cero absoluto. La transmisión implica movimiento y la termodinámica nos muestra que este movimiento (de energía en forma de calor) se produce sólo si existe una diferencia de temperatura. Aquí vale la pena detenerse un momento.
Yunus A Çengel[1] señala: “En este texto se está interesado sobre todo en el calor, que es la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia en la temperatura. La ciencia que trata de la determinación de las razones de esa transferencia es la transferencia de calor”.
Çengel señala una “limitación” desde el punto de vista de la termodinámica, en el sentido que el análisis termodinámico se centra en la cantidad de transferencia de calor, pero no indica en cuánto tiempo se desarrollará este fenómeno.
“Un análisis termodinámico sencillamente nos dice cuánto calor debe transferirse para que se realice un cambio de estado específico con el fin de satisfacer el principio de conservación de la energía”.
Por ejemplo, continúa Çengel: “es posible determinar la cantidad de calor transferida de una jarra o termo conforme el café caliente que está en su interior se enfría de 90°C hasta 80°C con sólo un análisis termodinámico. Pero a un usuario típico o al diseñador de una de estas jarras le interesa principalmente cuánto tiempo pasará antes de que el café caliente que esté en el interior se enfríe hasta 80°C, y un análisis termodinámico no puede responder esta pregunta”.
¿Qué entendemos por sistema?
La definición de sistema es bastante amplia; se podría señalar que: “Un sistema termodinámico se define como una cantidad de materia o una región en el espacio, sobre la cual la atención se concentra en el análisis de un problema”. Un sistema puede ser igualmente una máquina que genere calor, un motor, un horno, una cámara de frío, un planeta, un átomo, la atmósfera de la tierra y por cierto también una estructura afectada por un incendio. Lo fundamental es entender que en él se encuentra un conjunto de elementos que interaccionan; por lo tanto, existe interdependencia.
[1] Yunus A Cenguel es Profesor de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Nevada, Reno. Recibió su grado de Doctor en Ingeniería Mecánica en la Universidad Estatal de Carolina del Norte en 1984. Sus áreas de investigación son la energía renovable, la desalinización, el análisis de la energía, el mejoramiento de la transferencia de calor. Es autor de la publicación Transferencia de Calor y Masa. Un Enfoque Práctico, en la cual se plantea que el estudio de la transferencia de calor es en sí una ciencia dentro de la termodinámica.
Agrega Çengel: “La termodinámica trata de los estados de equilibrio y de los cambios desde un estado de equilibrio hacia otro. Por otra parte, la transferencia de calor se ocupa de los sistemas en los que falta el equilibrio térmico y, por tanto, existe un fenómeno de no equilibrio. En este sentido, el estudio de la transferencia de calor no puede basarse sólo en los principios de la termodinámica. Sin embargo, las leyes de la termodinámica ponen la estructura para la ciencia de la transferencia de calor.”
Como ya vimos, el requisito básico para la transferencia de calor es entonces la presencia de una diferencia de temperatura. No puede haber, por lo tanto, transferencia neta de calor entre dos medios que se encuentren a la misma temperatura. En consecuencia, es esta diferencia la fuerza motriz para la transferencia de calor.
Se ha citado y transcrito el texto de Çengel dado que este autor establece -si se me permite- una suerte de frontera o al menos un matiz, que resulta trascendente para estudiar el desarrollo de un incendio y, en el caso que nos ocupa, cuando éste se genera y evoluciona en una estructura determinada. El planteamiento de Çengel respecto de la “ciencia de transmisión de calor” como una derivada de la termodinámica es fundamental para entender los fenómenos presentes en un incendio, su propagación, extinción y la investigación de origen y causa.
Desde el punto vista de la “ciencia de la transmisión de calor”, un incendio que se desarrolla relativamente confinado por una estructura o bien una combustión al aire libre, como podría ser un incendio forestal, representan uno o más sistemas. Ya hemos visto que cualquiera sea la forma de transmisión de calor que predomine, éste se transferirá desde un sistema más caliente a uno más frio, lo que Çengel denomina “desequilibrio térmico”. Durante la investigación del punto de origen de un incendio, por ejemplo, es posible entender entonces que los patrones de daño por propagación (incluida la vectorización de éstos) indican qué área o zona generó el desequilibrio térmico; vale decir, aportó calor en un inicio para producir la transmisión de calor y así también la propagación del fuego.
Esto se condice con el axioma relativo a que el punto de origen es donde encontraremos mayor daño por efectos del calor. No obstante, el investigador de incendios sabe que esto no es necesariamente efectivo. Serán también el tipo de combustible y sus particulares características, su disposición con relación al entorno, como asimismo la cantidad de combustible, los factores determinantes para la generación de patrones de daño y, por tanto, su eventual interpretación como “patrones de daño de mayor intensidad”.
Transmisión de calor por superposición (Flame Impingement – FI)
Esta forma de transmisión de calor se da principalmente (aunque no en forma exclusiva) durante el desarrollo de un incendio estructural. Consiste en principio en la combinación de dos fenómenos de transferencia de calor: radiación y convección, lo que ocurre desde las llamas y/o sus gases a una superficie expuesta. Dado que, por lo general, la persona que causa un incendio de manera intencional busca una propagación rápida, en el edificio afectado será factible encontrar múltiples focos o puntos de inicio del fuego. Si la secuencia de ignición es desconocida y se ha producido el contacto de llama por superposición en el desarrollo del incendio, fácilmente se podrá interpretar la existencia en el sitio del suceso de múltiples “puntos de origen”. Otro factor que puede ocasionar un error en la interpretación de los daños está dado por las labores de extinción de los servicios de bomberos. En el caso de este ensayo (fotografía 2), si el incendio hubiese sido extinguido en cualquiera de las fases que muestra la secuencia de imágenes, el fuego en el castillo podría ser interpretado fácilmente, por la dificultad que tendría el investigador de conectar el foco en la parte alta del castillo con el resto de la zona afectada, como un segundo foco.
La fotografía 1 muestra una llama en ascenso, haciendo contacto con la parte superior del castillo de madera.
Las fotografías 1-A y 1-B muestran el castillo durante la preparación del ensayo. La fotografía 1-B muestra también en forma aproximada la posición de la llama que durante el ensayo propagó el fuego a la superficie del castillo de madera.
Si esquematizamos lo que se observa en las fotografías 1, 1-A, 1-B y la secuencia de la fotografía 2, es posible establecer lo siguiente (figura 2):
Como se observa en el video del ensayo, la carga combustible consistió en distintos tipos de maderas, plásticos, polipropileno, cartones, caucho natural, entre otros. Ahora bien, el fenómeno que propagó el fuego hacia el castillo de madera, como se aprecia en el video, se produjo por superposición de llama. Aunque existe una continuidad de material combustible entre el castillo y el punto de origen, la eventual extinción del fuego por parte del servicio de bomberos en el momento que se inicia la combustión podría inducir a error en la interpretación de los patrones de daño, considerando la existencia de más de un punto de origen.
Como se aprecia en la fotografía 1-B y en el croquis de la figura 2, la continuidad del material está dada por trozos de madera a nivel de piso, los cuales se encontraban parcialmente afectados al momento de producirse la superposición. La figura 2 A muestra en recuadros menores de color rojo las zonas afectadas por el fuego al momento de producirse la ignición en el vértice del castillo. El recuadro en color azul indica la zona sin daño o con muy bajo compromiso.
Cabe señalar que las cuatro secuencias de la fotografía 2 muestran zonas no afectadas aún por el fuego, que se encuentran cercanas al punto real de origen (ver enmarcados en la secuencia de la fotografía 2) La secuencia muestra el desarrollo incipiente del fuego en la parte superior del castillo después del contacto de llama que se observa en la fotografía 1.
La figura 2 B muestra la distancia desde el castillo a la zona del punto de origen (9.8 m aprox.).
La superposición que se produjo en el castillo se debe analizar detalladamente dado que constituye un escenario controvertido.
La figura 3 esquematiza el escenario inicial del incendio; vale decir, tenemos la fuente primaria de calor, el objeto, el entorno, que en este caso corresponde a una estructura con techumbre, y un elemento sólido conductor en la base a nivel de piso.
En la medida que se desarrolla el incendio y crece la fuente de calor inicial, la radiación de calor afecta los objetos más próximos, los cuales contribuyen con el flujo de calor. También se produce la propagación por el contacto directo de las llamas (FI). Si este escenario se mantiene, la temperatura del aire comienza a incrementarse rápidamente y se producen los fenómenos convectivos. Como sabemos, el aire caliente, al ser menos denso, asciende y el aire frío (más denso) se mantiene en las zonas bajas. Dado que el proceso es muy dinámico, suceden varios fenómenos en esta primera etapa y en forma simultánea; esto es:
- El aire caliente que ha ido en ascenso tiende a enfriarse levemente y se puede mantener relativamente estable o tender a bajar.
- En un incendio dependiente del combustible, como es el caso del ensayo, tenemos una buena ventilación, lo que genera el ingreso de aire frío a las zonas bajas.
- El leve descenso de aire “enfriado” se encuentra con las corrientes en ascenso de aire caliente. Estas “corrientes” se ven impulsadas además por las masas de aire frío que continúan entrando al edificio.
- Por ende, habrá flujos de aire predominantemente de movimiento vertical (figura 4).
En el esquema que se reproduce en la figura 6, los gases calientes han descendido en el interior del edificio afectado. Nuevamente y dependiendo de circunstancias, tales como:
Se generará un plano de transición o plano neutro; en este caso, se grafica por la línea verde punteada (figura 6). Este fenómeno, la mayoría de las veces, precede y origina un flashover o combustión súbita generalizada (ver video). Debe considerarse en este ensayo que, si bien la masa de gases calientes está relativamente delimitada a la mitad superior del edificio, la radiación de calor a las zonas bajas de éste es suficiente para producir la generación de gases en las superficies afectadas y, por consiguiente, un flashover.
La figura 6 A grafica el descenso de los gases calientes y la vectorización de la radiación que éstos emiten. La convección continúa, aunque atenuada por la relativa uniformidad en la temperatura de los gases calientes. Dependiendo de las condiciones de ventilación, se generará un flashover o bien un backdraft, si se produce una inyección de aire a la mezcla de gases.
Evidentemente que el contacto de llama no sería suficiente para mantener la combustión en la superficie del castillo, si no se hubiera alcanzado previamente la temperatura que permite la emisión de gases de la madera. Como se aprecia en la fotografía 1-A, el castillo está formado por madera aglomerada, la cual se comercializa en tableros que se componen de partículas de madera de tamaños diferentes, unidos por resinas y aglomerantes. Estas partículas posteriormente se prensan y conforman los referidos tableros (figura 7)
Tablero Aglomerado
El aglomerado presenta astillas de madera de diferentes formas y tamaños. Esto genera espacios, por los cuales circula aire, ocasionando que su comportamiento (independiente del tratamiento ignifugo) al fuego sea más proclive a la propagación y la combustión se sostenga fácilmente.
El tablero MDF está conformado por láminas prensadas, tanto en su superficie como al interior. Al ser una estructura más compacta (densidad), la ignición y propagación son procesos más lentos. Ambos tableros son prensados a una temperatura de 200°C aproximadamente.
NOTA: Ver artículo «Las maderas como patrones de daño en las investigaciones de incendio»
