lunes, 18 de marzo de 2013

Oxígeno, calor, vegetación y...fuego: de Vulcano a Prometeo

Todo el mundo hemos intentado encender un fuego (chimenea, estufa, barbacoa) utilizando una fuente de calor (cerillas, mechero, quemador) ¿lo hemos conseguido a la primera y sin problemas sin ayuda de acelerante? ¿por qué es más fácil que ardan las hierbas secas, hojas y ramillos que cuando están húmedas? ¿a alguien se le ocurre encender un fuego con ramas vivas recién podadas? ¿y con un tronco aunque esté seco? ¿Cuánto calor es necesario? ¿Durante cuánto tiempo? ¿Por qué soplar "despacio" ayuda y soplar "fuerte" apaga cuando estamos intentando conseguir llama?



Estas inocentes preguntas con evidente respuesta para cualquiera que se haya peleado con una chimenea, no tienen una respuesta tan evidente para la ciencia del fuego. Efectivamente los procesos de combustión de un material vegetal son objeto de sesudos estudios, tesis doctorales y artículos científicos. Las técnicas y metodologías desarrolladas para evaluar la ignición y reacción al fuego están basadas en el análisis de los materiales de construcción, pero aún no hay una metodología estándar para evaluar la inflamabilidad de los combustibles forestales. En general, los materiales inflamables arden en presencia de oxígeno (siempre disponible en el aire atmosférico) y de una fuente calor. En los incendios forestales el combustible que tiene capacidad de inflamarse es la vegetación. Dicha vegetación está compuesta básicamente por celulosahemicelulosa y lignina, compuestos orgánicos formados por cadenas de Carbono (C) con  Oxígeno (O) e Hidrógeno (H) también llamados polímeros. La combustión con llama (inflamación) de esta vegetación por tanto la podemos definir mediante una sencilla fórmula química como:

Combustible forestal (CHO)n + Oxigeno (O2) + calor -------------> Agua (H2O)+Dióxido de carbono (CO2)+Energía

Evidentemente esto es una simplificación tanto de la formulación orgánica de los polímeros como de la reacción en sí que es algo más compleja (sobre todo la fase gaseosa), pero pone de manifiesto los elementos fundamentales que rigen la termoquímica aplicada a los materiales vegetales, conocido como "triángulo del fuego" ya que hacen falta estos tres elementos para generar la combustión con llama. Así por ejemplo el combustible forestal posee grandes cantidades de agua que se encuentran en sus tejidos  conductores y de constitución y que por tanto se evapora y se une a la mezcla de gases durante el proceso. También poseen pequeñas cantidades de aceites esenciales con diversas funciones fisiológicas que se evaporan muy fácilmente al aparecer la fuente de calor y que, sin embargo, su baja temperatura de inflamación suele ser responsable, en realidad, de generar la ignición (compuestos orgánicos volátiles). En las fases previas y sobre todo posterior a la llama, la combustión es incompleta y por tanto se genera monóxido de carbono (CO) en lugar de CO2. Incluso en la fase de llama no todo el vegetal se quema simultáneamente con lo que aunque el gas predominante sea el CO2, en realidad siempre existe emisión de CO.

Como hemos dicho, la explicación química de esta reacción y por tanto el proceso de transformación de energía que se produce está bastante bien definido, existiendo ensayos de laboratorio que lo demuestran. Consisten en secar y moler la vegetación y medir muy detalladamente la combustión de manera controlada (Análisis termogravimétrico,  Bomba calorimétrica, Análisis Térmico Diferencial, Calorimetría de Escaneo Diferencial). En estos ensayos se suele controlar gran cantidad de parámetros entre los que se encuentran los referentes a la cantidad de oxígeno disponible, la cantidad de calor y la forma de calentar la muestra (entradas de la reacción). Por otro lado se analizan los gases emitidos antes (precalentamiento), durante (fase de llama) y después de la llama (fase de rescoldo) y la energía liberada en el proceso (productos de la reacción). La verdad es que el asunto tiene poco misterio cuando lo enfocamos desde un punto de vista exclusivamente químico ya que la mayoría de los vegetales tienen una composición muy parecida. Sin embargo ¿es esto suficiente para explicar la combustión de los vegetales en un incendio forestal? ¿Qué "puede más" en la inflamación de los vegetales durante un incendio, la química o la física de la combustión? ¿Los mismos procesos que rigen la ignición del material son los que intervienen en la fase de llama y en la fase de rescoldo?

En los últimos años se vienen proponiendo nuevas caracterizaciones de materiales basadas tanto en la química de la combustión como en los procesos dominados por el transporte de gases, que en el caso de combustibles forestales pueden llegar a ser más importantes que la fase química, ya que dependen de la estructura, relación superficie-volumen, porosidad, compactación, densidad y empaquetamiento del combustible, todas ellas propiedades físicas del material estudiado. El conocimiento y caracterización de la combustión desde el punto de vista del transporte de gases es imprescindible para extender conclusiones a escala real, donde en la mayoría de los casos la estructura de los combustibles condiciona la reacción al fuegoLos materiales altamente inflamables presentan dificultades para la descripción y análisis de su combustión ya que es un proceso complejo con muchos componentes relacionados, algunos de los cuales no son fáciles de medir. De hecho, muchas de las limitaciones que en la actualidad tienen los modelos de simulación se deben precisamente al escaso conocimiento de los procesos físico-químicos de dicha combustión. Si queremos conservar la estructura original de la vegetación y caracterizar su combustión se presenta la dificultad de que los vegetales son materiales altamente porosos (con mucho aire en su interior, pensemos en la hojarasca de un bosque o en las copa de un árbol) y heterogéneos (cada muestra es diferente de la anterior). A ello debemos añadir que son materiales vivos y con altos grados de humedad. Se entiende fácilmente que la presencia de gran cantidad de agua va alterar el proceso en relación a una muestra seca. Es más, los vegetales vivos pueden llegar a tener hasta 3 veces más peso de agua que de material vegetal seco (humedad 300%) siendo muy habitual que tengan una humedad alrededor del 100% (una muestra de 20 gramos tendría 10 g de agua y 10 g de materia seca). En este espectacular vídeo del NIST se puede comprobar la reacción al fuego del mismo árbol de Navidad con una humedad del 100% en las hojas (derecha) y una vez se ha secado (izquierda).


Clayton Huggett propuso en 1980 el método de consumo de oxígeno para estimar la energía emitida en una reacción de combustión. Enunciado originalmente por William Thornton en 1917, este autor no encontró ninguna aplicación práctica a su formulación, que se basa en asumir que el oxígeno consumido durante la combustión es proporcional al calor liberado. El "padre" de la aplicación tecnológica del método de consumo de oxígeno es Vytenis Babrauskas, que en 1984 fue el inventor del “cono calorimétrico”, el más conocido  equipo de laboratorio para la evaluación de la reacción al fuego de materiales, regulado por la norma ISO 5660 y por tanto su uso está normalizado en todo el mundo. Este dispositivo mide la concentración de oxígeno en el flujo de gases procedente de la combustión que multiplicado por un coeficiente que depende de las dimensiones del dispositivo, la presión (Pa) y la temperatura del gas (K), realiza la estimación de la energía liberada medida en kW. Es ésta, por tanto, la variable más importante para caracterizar la reacción al fuego de materiales y productos que retardan el fuego: la "Tasa de Calor Emitida", denominada Heat Release Rate (HRR) en la literatura anglosajona (kW) parámetro ampliamente utilizado en la tecnología del fuego aplicada a los materiales y que según el propio V. Babrauskas: (1) Es un indicador de la fuerza conductora del fuego en un proceso que se retroalimenta ("heat makes more heat", recordemos que para que haya combustión hace falta calor y como producto se emite calor) (2) La mayoría de las variables implicadas en la combustión están directamente relacionadas con el HRR, por tanto es una variable que explica muy bien la combustión (3) Altos valores de HRR implican altas amenazas para la vida, ya sea para las personas expuestas durante un accidente o para los bomberos que se enfrentan al reto de intentar apagar el fuego. Por tanto es una variable que funciona inequívocamente como "indice de peligro".

Para la puesta en práctica de estas metodologías se han desarrollado en los últimos 30 años otros equipos a diferentes escalas, desde pequeñas muestras (small-scale test en la literatura anglosajona) hasta ensayos a escala “de habitación” (room-scale, forniture test) para ensayar muestras de tamaño real (como la de los árboles de Navidad mostrados). Estos equipos son utilizados para evaluar las características de la combustión de materiales y son suministrados por diversas empresas de calorimetría y tecnología del fuego.

Sin embargo un método más sencillo basado en el “principio de la entalpía basado en los estudios desarrollados por Edwin E. Smith (1996) ha sido utilizado para desarrollar un calorímetro de pérdida de masa (Mass Loss Calorimeter MLC) que dispone para estimar la tasa de calor emitida un sensor denominado “termopila” (norma ISO 13927). La termopila está compuesta por 4 termopares (sensores para medir temperatura) conectados en serie y colocados al final de una chimenea. Mide la temperatura de los gases procedentes de la combustión de la muestra sometida a una radiación determinada (entre 10 y 100 kW/m2). Se asume que el calor liberado es proporcional a la masa, a su calor específico y a la diferencia de temperatura aplicando el principio de entalpía:

H2-H1=Cp(T2-T1)

Donde H son las entalpías inicial (1) y final (2) por unidad de masa, Cp es el calor específico o cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad y T es la diferencia de temperatura, en este caso de los gases procedentes de la combustión entre el estado 1 y el 2.

La termopila se calibra periódicamente con metano (CH4) para diferentes flujos de dicho gas ya que los valores de calor específico y calor emitido por unidad de masa de este hidrocarburo son conocidas. Las temperaturas obtenidas son aplicadas a las muestras a ensayar, por tanto se obtiene una estimación de HRR simplemente midiendo la temperatura de los gases a la salida de la chimenea. Este método acumula más error que el método de consumo de oxígeno pero es mucho más sencillo y económico. Este dispositivo, desarrollado para materiales plásticos, lo hemos aplicado en el Laboratorio de incendios forestales del INIA a otro tipo de muestras de alta inflamabilidad, como son los combustibles forestales, y se ha comprobado su precisión y repetibilidad en la medición del HRR, incluso para comparar muestras de combustibles vivos con altos porcentajes de humedad. En estas fotos podéis ver el dispositivo y un detalle de un ensayo de Coscoja (Quercus coccifera) con humedad del 100%  (la mitad del peso de la muestra es agua) sometida a una potencia de radiación de 50 kW/m2, recibiendo una temperatura procedente de una resistencia (conical heater) de aproxidamente 330-350ºC.



El dispositivo lleva una "chispa piloto" generada por una arco de alto voltaje que se sitúa justo por encima de la muestra ¿por qué? ¿qué arde antes la fase gaseosa o la fase sólida en una reacción de combustión? La temperatura mínima de autoignición del material vegetal se considera que es unos 600 K (327ºC) aunque en la práctica es necesario alcanzar entre 370-400ºC. Sin embargo es muy frecuente que los gases emitidos por la muestra al calentarse se queman (existe llama) antes de que se se queme la vegetación. En estos ensayos en general la llama va de arriba hacia abajo, esto es, la llama procedente del gas por encima de la chispa piloto es la que se propaga hacia la muestra de vegetación y termina produciéndose la combustión de la fase sólida. La verdad es que durante un fuego real este proceso es tan rápido que podemos asumir que la fase gaseosa y sólida empiezan a arder al mismo tiempo. De hecho, como decíamos antes, es un proceso que se retroalimenta, puesto que una vez que existe llama es ésta (gases a alta temperatura) la que genera el calentamiento de la muestra vegetal (energía transmitida por radiación y convección), y su posterior combustión que emite a su vez más energía hasta que se haya consumido todo el material vegetal.

En diversos accidentes y eventos producidos en incendios, los bomberos forestales relatan la existencia de "explosiones" y "olas de fuego" muy por delante del frente de llama, que describirían fenómenos en los que la dinámica de los gases calentados por delante del frente de fuego podrían intervenir en la aceleración de la combustión, proceso conocido como "fuego eruptivo". Este fenómeno fue descrito y modelizado por el profesor D.X. Vieigas como un fenómeno básicamente físico-mecánico, aunque hay autores que consideran que la acumulación de compuestos volátiles altamente inflamables y muy comunes en los vegetales como el limoneno, podrían intervenir en este proceso. Una de las hipótesis que se plantean en las fases de inicio y aceleración de la combustión es hasta qué punto interviene la química, esto es, en qué medida la composición de los gases que se emiten en la fase de calentamiento, así como su concentración, no sólo desencadenan la ignición sino también la aceleración de la combustión (HRR). Esta línea de investigación aún poco explorada plantearía la "hipótesis de la atmósfera de volátiles" por delante del frente de llama para explicar fenómenos de ignición súbita y/o aceleración de la combustión (más detalles en la revisión de Vieigas y Simeoni 2011). Los compuestos bioquímicos orgánicos volátiles (VOC, BVOCs en la literatura científica) son muy estudiados en el campo de la contaminación atmosférica ya que son precursores  de la destrucción del ozono y de la contaminación del aire, sobre todo en las ciudades.  Existen BVOCs que forman parte del metabolismo de las plantas como aceite esencial con diversas funciones (insecticidas, fungicidas, resistencia a la desecación de tejidos, ...). De hecho muchos de estos compuestos para la mayoría de las plantas son desconocidos o al menos se desconoce tanto su concentración en la planta como la concentración en la atmósfera que rodea a las plantas.  Por tanto es una línea de investigación que ofrecería información de la importancia relativa de la química frente a la física de la combustión, que hasta ahora se considera que es más importante en los modelos de propagación del fuego forestal.

Formula química del Limoneno (C10H16), inflamación a 48ºC, autoignición  237ºC, pico de emisión a 150-200ºC

Actualmente existen diversos modelos físicos para simular incendios forestales. Uno de los más avanzados es el modelo físico FIRETEC que está basado en la dinámica de los fluidos y tiene en cuenta los procesos fisico-químicos de intercambio de energía, en este caso aplicados al avance del fuego a través de una masa forestal o de matorral. En este vídeo podéis ver los fundamentos y algunas aplicaciones de este modelo. Presenta unos tiempos de computación aún inasumibles para su uso en la planificación de la extinción pero ha mostrado buenos ajustes con el comportamiento real, tanto en experimentos a escala de laboratorio como a escala de campo.


Por tanto desde la fórmula química básica del triángulo del fuego hasta el modelo FIRETEC se puede entender que hay mucho camino recorrido pero, a pesar de todo, Vulcano sigue generando fuego en su fragua para que Prometeo nos ayude entender el poder de este misterioso elemento.


Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Química alojado en el blog molesybits.
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8 comentarios:

  1. ¡Guau! Entrada curradísima, hay en ella muchísimas cosas que desconocía.

    Gracias por participar en el XXIII Carnaval de la Química.

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    1. Gracias!! Me alegro, gracias a todos por vuestras visitas, vaya subidón en el contador!! Gracias de verdad

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  2. Muy interesante post, esta información debería de difundirse en las redes sociales, ¡¡ahora mismo lo twitteo!!

    Saludos

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  3. Ahora, unos meses más tardes repaso tu entrada, en concreto,las preguntas que formulas:
    " ¿es esto suficiente para explicar la combustión de los vegetales en un incendio forestal? ¿Qué "puede más" en la inflamación de los vegetales durante un incendio, la química o la física de la combustión? ¿Los mismos procesos que rigen la ignición del material son los que intervienen en la fase de llama y en la fase de rescoldo?"
    Me hacen recordar (y creo que en buena pare responden las cuestiones) que un profesor nos mencionó el tetraedro del fuego, cuándo se considera que además debe existir autopropagación (reacción química autopropagada → reacción en cadena).

    Saludos

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    1. Gracias Graciela, siento no haber visto antes este comentario, con el follón de bitácoras se me había pasado. La existencia de la autopropagación (comportamiento dinámico del fuego, o sea, que no sea una fogata puntual sino que sea un frente de fuego con una velocidad más o menos estacionaria) no explica por sí misma si es debido a la física o a la química de la combustión. Los modelos más usados como el de Rothermel (BEHAVE) tienen en cuenta ambos factores sin embargo consideran que la química es significativa sólo por su posible efecto retardante (presencia de sales en las palntas que impiden la evaporación del agua y un retraso en su ignición), siendo las variables físicas de transmisión de energía las que mejor explicarían el comportamiento del fuego. Actualmente esto está en cuestión y hay autores que empiezan a plantearse la importancia de la fase gaseosa de la combustión y por tanto de la química de la atmósfera de volátiles por delante del frente de llama. Estos efectos lo tienen en cuenta los modelos como FIRETEC pero sólo en lo referente a la proporción de los gases más importantes de la combustión como el CO, CO2, agua, CH4. Sin embargo los compuestos orgánicos volátiles que son los que se supone que se inflaman en fase gaseosa son bastante desconocidos. Aunque se conozca más o menos los más abundantes es bastante desconocida su concentración en las plantas y la que en teoría existe en la atmósfera por delante del frente. De ahí mis preguntas. Espero haberte aclarado algo. Saludos!!

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  4. ¿Cómo puedo evaluar el riesgo de incendio en un invernadero? producen pimiento morrón, es un construcción con paredes y techos de cristal, cómo puedo establecer el calor posible generado ante un incendio? ¿cómo afectaría la estructura?

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    1. Hola de nuevo, releyendo su pregunta, efectivamente la metodología que hemos desarrollado en el INIA podría ayudar a caracterizar tanto el riesgo de que se produzca la ignición como el calor emitido por las plantas en caso de incendio. No obstante una vez que se produzca el fuego en el interior del recinto empezarían a arder tanto los materiales de construcción como el resto de equipos (goteo, aspersores en su caso, etc.) que complicaría el cálculo de la energía desprendida. Como le decía en la respuesta anterior el cómo afectaría a la estructura ya se me escapa de mis conocimientos. En general los puntos débiles de cualquier estructura no son tanto los materiales en sí como las uniones, en este caso las uniones estructura metálica-cristal. En el caso de cristal si no está templado y es de pequeño espesor es bastante susceptible a la radiación directa de la llama y suele estallar. La estructura si es de acero se salvaría excepto que por residencia de la llama en algún punto se llegue al punto de fusión. Con calor procedente de vegetación no sería posible (unos 1000ºC) pero sí si arde otro tipo de material dentro del invernadero (PVC, plásticos, etc). Espero haber aclarado algo aunque como decía lo ideal es que se pusiera en contacto con expertos en resistencia al fuego de edificaciones.

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  5. Estimado Juan Manuel, gracias por su consulta. Lamentablemente no lo puedo ayudar puesto que no soy experto en tecnología del fuego de materiales de construcción ni en edificaciones. Le recomiendo que se ponga en contacto con lo expertos de Tecnifuego-Aespi. Saludos

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