10ma Edición | DICIEMBRE 2022 | ISSN 2618-1894 | Artículos científicos
DISEÑO DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN PARA
ENSAYOS DE TASA DE LIBERACIÓN DE CALOR.
COMBUSTION CHAMBER DESIGN FOR HEAT RELEASE
RATE TESTS.
Laiño, Ailén Melisa
1
Bacci, Guillermo Alberto
2
Schmidt, Nicolás
3
Pereira, Cecilia María
4
Saenz, Nazarena
5
Chiarelli, Bianca
6
Ponzoni, Lucio María Emilio
7
Laiño, A. M., Bacci, G. A., Schmidt, N., Pereira, C. M., Saenz, N., Chiarelli, B. y Ponzoni, L.
M. E. (2022). Diseño de cámara de combustión para ensayos de Tasa de Liberación de
Calor.. Revista INNOVA, Revista argentina de Ciencia y Tecnología, 10.
RESUMEN
Una de las formas convencionales de determinar la carga de fuego en la normativa nacional
es determinar el calor almacenado por unidad de superficie como la equivalencia para
cualquier material sea combustible o inflamable a peso en madera. Uno de los inconvenientes
1
Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina / ailenmelisalaino@gmail.com/ ORCID
https://orcid.org/0000-0003-3083-7226.
2
Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina / gbacci1984@gmail.com / ORCID
https://orcid.org/0000-0002-9752-2926
3
Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina / nico_schmidt@live.com.ar/ ORCID
https://orcid.org/0000-0002-2517-2947
4
Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina / cpereira@untref.edu.ar/ ORCID https://orcid.org/0000-
0002-3671-7690.
5
Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina / nazarenasaenz97@gmail.com/ ORCID 0000-0001-7431-
5118.
6
Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina / bian_chiarelli@hotmail.com/ ORCID
https://orcid.org/0000-0003-4814-125
7
Comisión Nacional de Energía Atómica - Universidad Nacional de Tres de Febrero/ Universidad Nacional de
San Martín, Argentina / lponzoni@untref.edu.ar/ ORCID https://orcid.org/0000-0002-0414-1535
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de este método, es que no considera la velocidad con la que se libera ese calor en función del
tiempo, conocido como tasa de liberación de calor o Heat Release Rate en inglés, siendo este
uno de los parámetros fundamentales para analizar el riesgo de una combustión o de un
incendio. Recientemente se conformó un grupo de trabajo formado por docentes e
investigadores y alumnos de la Universidad Nacional Tres de Febrero (UNTREF), que apunta
a complementar el método convencional de la obtención de la carga de fuego nacional
determinado por el Decreto PEN Nro. 351/79, proponiendo un análisis de mejora del método
a partir de implementar un estudio de la termodinámica del incendio con el uso del concepto
de HRR. En este sentido, el grupo ha comenzado a desarrollar una cámara de combustión en
escala, diseñada para modelar la combustión de diferentes materiales equipada con sensores
ad-hoc, que permitirá obtener mayor precisión de las diferentes etapas de un incendio y
modelar el comportamiento de un incendio aplicando los conceptos de dinámica de incendio,
una rama relativamente nueva para el estudio de incendios en la Argentina.
ABSTRACT
A conventional method to determine the fire load in national regulations is to determine the
heat stored per unit area as the equivalence for any material is combustible or flammable to
weight in wood. An inconvenient of this method is that it doesn't consider the speed of the
heat released per time, known as the heat release rate, this is one of the fundamental
parameters to analyze the risk of combustion or fire. UNTREF teachers, researchers and
students formed an investigation group, which aims to complement the conventional method
of obtaining the national fire load determined by Decree 351/79, improving the method
studying the thermodynamics of the fire applying the HRR concept. The group has begun to
develop a combustion chamber. It was designed with sensors to model the combustion of
different materials, it will allow to obtain precision in different stages of a fire and to model
the behavior of a fire applying the concepts of fire dynamics, a new branch for the study of
fires in Argentina.
PALABRAS CLAVE
Tasa de liberación de calor /cámara de combustión / poder calorífico/ carga de fuego.
KEY WORDS
Heat release rate /combustion chamber/ heat of combustion / fire load
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INTRODUCCIÓN
Tras finalizar la investigación de un incendio, se evalúan medidas preventivas las cuales
pueden evitar y limitar su propagación y, por sobre todo cómo reducir al máximo sus daños y
consecuencias. El riesgo incendio representa un potencial de pérdidas y para prevenir, es
necesario conocer la evolución que tendrá el mismo, como así también, las variables que
contempla el proceso de una combustión.
Determinar por qué ocurre un incendio, aún en los casos en que las pérdidas sean mínimas,
es fundamental para desarrollar métodos preventivos que mitiguen sus efectos. El control y
extinción requiere un conocimiento básico de la naturaleza química y física del fuego, así
como también las características de los combustibles y las condiciones ambientales. Esto nos
provee de una base para comprender el desarrollo de un incendio, su propagación en una
estructura, su comportamiento, y las técnicas y tácticas para su combate y control.
Al momento de definir el parámetro carga de fuego, hablamos de la cantidad de energía en
forma de calor que un material libera en un proceso de combustión. Ahora bien, a fin de
garantizar la prevención contra incendios, no sólo debe contemplar la cantidad de calor
liberado en función del material combustible presente, sino también diversos parámetros que
detallaremos más adelante. Por consiguiente, para explicar lo que antecede, en esta etapa
del análisis nos centraremos en considerar el tiempo que tarda en liberarse esa cantidad de
calor capaz de entregar el combustible durante el proceso de combustión y comprender las
diferentes etapas durante el desarrollo de un incendio, las cuales son:
Etapa 1ª. Desarrollo. En esta primera etapa, todos los elementos presentes capaces de iniciar
el incendio comienzan a interaccionar por medio de la generación de vapores (pirólisis). El
acto físico de la ignición podrá estar dado por la presencia de una fuente de ignición o bien
podrá ser provocado cuando el material implicado alcance su temperatura de ignición como
resultado de poseer vapores con suficiente energía para ello. Esta etapa puede durar varios
minutos o apenas unos segundos, en este momento, existen las condiciones favorables y la
existencia de oxígeno suficiente para que se desarrollen llamas con gran rapidez, con el
correspondiente desprendimiento de rayos infrarrojos y luz. A su vez, a las llamas les sigue la
producción de calor, con humos y gases tóxicos, ascendiendo a las partes altas. Durante este
período, los gases calientes se seguirán acumulando horizontalmente de arriba hacia abajo,
empujando al aire fresco a las zonas bajas, generando emisión de gases de combustión en los
materiales combustibles más cercanos si los hubiese. En esta etapa, el incendio se encuentra
en su fase de crecimiento y alcanzará su pico máximo. Este último se encuentra asociado al
punto en el cual todo el material se encuentra ardiendo, y en donde el fuego no podrá
continuar creciendo una vez encendido la cantidad de material combustible presente.
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Figura 1: Fases de desarrollo del Fuego
Fuente: Fundamentals of Fire Phenomena (Quintiere, 2006)
Etapa 2ª. Flashover. El Flashover es la transición entre la etapa de desarrollo y la etapa del
incendio cuando este se encuentra completamente desarrollado. Por lo general, la
combustión súbita generalizada está caracterizada por el cambio repentino en las condiciones
del recinto, siendo esta la consecuencia que más la caracteriza. Estos cambios están dados
por el intervalo en el que, la combustión de los materiales implicados que han comenzado a
arder en primer lugar, comienza a generar por medio de los vapores, una cantidad de calor
radiante suficiente para que esta combustión se extienda a todas las superficies de material
combustible dentro del recinto. Esto se debe a que, con el transcurso del tiempo, la
temperatura y la concentración de gases aumentan hasta generar una nube de gases de
incendio en la parte más alta del recinto donde se favorece una inflamación muy favorable
en un punto del Límite Inferior de Inflamabilidad. Por consiguiente, cuando las llamas
alcanzan la parte inferior de esta nube de gases, estos se inflaman e incrementan el efecto de
radiación de calor al resto de los materiales que se encuentran en el lugar. Sin embargo, no
debe confundirse la ocurrencia de este fenómeno con el acontecimiento del Flashover, ya
que este ocurre cuando se halla la máxima cantidad de calor liberado en un breve lapso. Por
otro lado, es importante señalar la importancia de dicha coyuntura al momento en el que el
cuerpo de bomberos se encuentra en el recinto, ya que implica una situación de extremo
peligro para los mismos aun cuando se encuentren previstos de su equipo de protección
personal.
La ocurrencia o no del flashover así como la magnitud del mismo, dependerá de varios
factores: características constructivas del recinto, propiedades de los materiales que se
encuentren en el interior de los mismos, existencia de huecos de ventilación y resistencia a la
presión de elementos como puertas y ventanas.
Etapa 3ª. Completamente desarrollado. Es aquella etapa del incendio en la que todos los
materiales combustibles presentes en el recinto se encuentran ardiendo. Durante este
período de tiempo, los combustibles incendiados se encuentran liberando la máxima cantidad
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de calor posible por la o las fuentes de ignición disponibles y a su vez continúan generando
grandes cantidades de gases.
Etapa 4ª. Enfriamiento. En el decurso del tiempo, en la medida en que el fuego consume el
combustible disponible, es decir, ya no se dispone de más material para combustionar, la
curva comienza a descender de manera vertical. Lo que indica que la cantidad de calor
liberado es cada vez menor hasta llegar a su extinción.
Como se mencionó anteriormente, durante el proceso de combustión se desprende energía
calórica, y surge aquí un concepto que se erige como el más influyente por encima del resto:
la tasa de liberación de calor del incendio, que en adelante denominaremos HRR (Heat
Release Rate). Esta se define en función de la carga combustible por unidad de área del
compartimiento y del tiempo en el cual se desarrolla el fuego en todas sus etapas. En este
caso, el área bajo la curva será la que representa la energía liberada en forma de calor en el
transcurso del tiempo. Es decir, representa con qué velocidad (tasa) se estaría liberando el
calor durante un incendio.
En este sentido, la información de las curvas HRR (Heat Release Rate) podrían ser de gran
ayuda para determinar el calor liberado en función de tiempo, es decir determinar la carga
dinámica del fuego de un recinto de estudio, además, se debe considerar cada elemento de
forma particular, ya que las propiedades químicas de la materia son diversas, no es correcto
considerar que todo es equivalente a madera. Un ejemplo de ello es; “Para la combustión de
la madera, primero es necesario evaporar el agua contenida en la misma y cambiar de estado
el material”. Este fenómeno no se observa en líquidos inflamables. Es por ello que el cálculo
de carga de fuego por equivalencia a peso en madera es sumamente impreciso y escaso para
determinar el riesgo ante un incendio al no contemplar el tiempo como variable.
Desde el grupo de investigación denominado “Incendios” estamos trabajando en una
alternativa al método tradicional del cálculo de la carga de fuego mediante el uso de curvas
HRR. En este sentido, el proyecto presentado tiene por objetivo determinar diferentes
escenarios en los cuales a partir de parámetros como poder calorífico, materiales, tiempos,
superficies se pueda estimar la curva característica de la tasa de liberación de calor y con ello
estudiar la dinámica del incendio.
El desarrollo de esta temática es de gran interés para mejorar la metodología actual
establecida legalmente pues el método del cálculo de carga de fuego según Decreto PEN Nro.
351/79 es en muchos casos poco preciso para garantizar la seguridad contra incendios de un
lugar. Del mismo modo, este método no se encuentra preestablecido mediante algún
protocolo, lo cual genera que existan numerosos modelos de informes, haciendo difícil la
unificación de criterios por parte de los profesionales al momento de generarlo.
La Tasa de liberación de calor (HRR) es una medida de la cantidad de energía que un tipo
específico de combustible puede contribuir al flujo de calor en un incendio, asimismo, está
controlada por las propiedades químicas y físicas del combustible y el área de superficie del
combustible. Por lo general esta se mide en KW. En la Figura 2, se muestra un ejemplo de
curva HRR realizada por el National Institute of Standards and Technology (NIST)
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Figura 2: Curva Heat Release Rate
Fuente: National Institute of Standards and Technology (NIST)
OBJETIVOS
El objetivo del presente trabajo consiste en diseñar una cámara de combustión capaz de
sostener ensayos que permitan estimar el calor liberado a través del tiempo producto de la
combustión de distintos materiales o sustancias inflamables.
Los objetivos específicos son:
● Seleccionar el material o sustancia combustible que se utilizará en los ensayos.
● Determinar los métodos y parámetros de medición.
● Describir el funcionamiento de los sensores a utilizar.
● Diseñar la cámara de combustión.
METODOLOGÍA
Para el diseño inicial de la cámara de combustión se decidió utilizar el software SolidWorks
de modelado 3D, con el que se representó el prototipo inicial que se puede apreciar en la
Figura 3. A continuación se realiza una breve descripción de los elementos que se utilizarán
para su construcción.
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Figura 3: Cámara de combustión
Fuente: Elaboración propia
Figura 4: Proceso de armado de la cámara
Fuente: Elaboración propia
La estructura de la cámara, la cual se puede observar en la Figura 4, estará compuesta por un
total de doce perfiles de aluminio de una longitud de un metro y medio que conformarán un
cubo. A su vez, se colocarán dos perfiles adicionales. En su parte superior un perfil que
cumplirá la función de sostén para las roldanas y el cable tensor que mantendrán la bandeja
de combustión suspendida en el aire a determinada altura con respecto del suelo, tanto la
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altura, como las dimensiones del recipiente, serán dependiendo del material a combustionar.
El segundo perfil se situará en uno de sus laterales y cumplirá la función de sostener la celda
de carga, la cual será desarrollada en el transcurso de este apartado.
Las cuatro caras laterales del cubo estarán cubiertas por placas rectangulares de cartón yeso
(conocidas en Argentina como Durlock) de 1 metro de ancho por 1,5 metros de largo que
protegerán a la reacción de combustión de los efectos indeseados del viento. Sin embargo,
se puede observar una abertura, es decir, las placas no cubren la superficie total de los
laterales, esto es para alcanzar un flujo de aire por convección. Tanto los perfiles como las
placas estarán unidos mediante elementos de fijación como remaches y pitones.
Por último, en cuanto al diseño de la cámara de combustión, se utilizará el perfil central
superior para anexar un tubo de zinc corrugado de 4 pulgadas de diámetro y 2 metros de
longitud, que será destinado a recolectar los fluidos y los productos de la combustión con el
fin de transportarlos hacia el sensor de gases MQ135.
El equipo de sensores ad-hoc estará compuesto por un árbol de tres termocuplas tipo K (con
un rango de medición de -200 a 1372°C y una sensibilidad de 41 microvoltios por grado
centígrado), una celda de carga y el sensor de gases mencionado anteriormente.
La termocupla o termopar es un sensor de temperaturas cuyo funcionamiento se puede
entender mediante el efecto Seebeck, registrando una diferencia de temperaturas a través
de un par bimetálico y transduciéndolo en una diferencia de potencial. El termopar
seleccionado está compuesto por una aleación de alumel (níquel y aluminio) y otra de cromel
(cromo y níquel). Como se mencionó anteriormente, se seleccionó la termocupla del tipo K
(Teniendo en cuenta que existen otros tipos) ya que se considera que el rango de
temperaturas a la que opera corresponde a las temperaturas que se podrán alcanzar durante
el ensayo, teniendo así, una medición lo más precisa. El árbol de termocuplas se colocará en
el lado interno de la cámara de combustión, sobre uno de los largueros principales de la
estructura, de manera tal que dos termocuplas quedarán ubicadas en las partes superior e
inferior dejando a la última equidistante, en el centro de las otras.
Por otro lado, la celda de carga, un transductor que convierte la fuerza aplicada sobre ella en
una señal eléctrica medible, será ubicada en el perfil lateral y cumplirá la función de sensar la
variación de la masa de combustible a lo largo del ensayo. Utilizaremos una celda de carga de
5 kg., este dato representa el peso máximo que podrá sensar, la misma se seleccionó tanto
por la cantidad de combustible que se utilizará en el momento la combustión, como también
se tiene en cuenta la sensibilidad de la misma, para lograr una medición lo más exacta posible.
Será sostenida por un cable tensor de acero que, a través de las dos roldanas que se añadirán
al perfil central superior, y se mantendrá la bandeja de combustión suspendida en el aire.
Cabe destacar que la misma estará protegida con una pared de Durlock con el fin de que la
transferencia de calor no la afecte.
En último lugar, el sensor de gases MQ135 se ubicará también por fuera de la cámara. Estará
situado a unos dos metros de distancia y recibirá los gases de la combustión por medio del
tubo corrugado de zinc mencionado previamente. Será de gran utilidad para analizar la
calidad de la combustión midiendo los niveles de concentración de ,
,
y
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Para obtener la tasa de liberación de calor se utilizará el método de pérdida de masa
desarrollado por (SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2016). Para realizar este
cálculo será preciso conocer el poder calorífico (también conocido como calor de combustión)
del combustible a estudiar y la variación de masa a medida que se desarrolla la reacción de
combustión. De esta manera, la tasa de liberación de calor se podrá calcular mediante la
siguiente expresión:
(Ecuación 1)
Donde
representa la tasa de liberación de calor (en kJ/s),
el poder calorífico del
material (en kJ/kg) y , la tasa de flujo másico (kg/s), que irá variando a medida que progrese
la combustión. Este método tendrá un margen de error del 10%, siempre y cuando la
combustión sea 100% completa. Como este tipo de reacciones jamás se da de manera
perfecta y siempre subsiste un porcentaje de inquemados, el método permite realizar una
corrección del error a través de la medición de CO y CO2 emanados por la combustión.
Una vez determinada la metodología seleccionada para la obtención de curvas HRR y
diseñada la cámara de combustión, se plantea lineamientos y herramientas a utilizar para dar
inicio a la etapa constructiva de la misma, teniendo en cuenta los sensores que se dispondrán
en la misma, dado que, el diseño de la cámara deberá garantizar el funcionamiento y vida útil
de estos.
Construcción
Una vez establecido el material y diseño de la cámara de combustión se realizó la construcción
de su estructura. En primer lugar, se dispusieron los perfiles en el espacio de trabajo a fin de
determinar el encastre de estos (Figura 5). Se decidió que su encastre, se llevaría a cabo
mediante la colocación de varillas roscadas de 6mm de diámetro, con sus respectivas tuercas.
Para ello, se procedió a la perforación de los perfiles en lugares estratégicos, de modo tal que
las varillas no se interpusieran entre sí (Figura 6). Una vez realizadas las perforaciones, se
colocaron las varillas y tuercas, finalizando de esta manera el armado de la estructura.
Figura 5: Presentación de perfiles Figura 6: Perforación de perfiles
Fuente: Elaboración propia Fuente: Elaboración propia
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En segundo lugar, se planteó que podría ser favorable la colocación de ruedas para un
provechoso traslado de la estructura. Por tanto, en los perfiles que componen la base, se
colocaron las mismas mediante remaches, según se muestra en Figura 7.
Figura 7: Colocación de ruedas
Fuente: Elaboración propia
En tercer lugar, en su parte superior, se colocó un perfil siguiendo los lineamientos
establecidos en los perfiles anteriores. Este perfil, como se mencionó anteriormente, cumple
la función de sostén del recipiente que contendrá la sustancia a combustionar. Para esto, en
la mitad del perfil se realizó una perforación y se colocó una roldana, a fin de situar un cable
tensor, el cual sostendrá el recipiente. Como puede verse en la Figura 8, se coloca una roldana
adicional en uno de sus extremos, en la cual se dispone el cable tensor, y sostiene la celda de
carga.
Figura 8: Colocación de roldana
Fuente: Elaboración propia
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Por otro lado, resulta necesario desarrollar que, en el transcurso de la construcción, hubo
discrepancias respecto al prototipo inicial realizado en SolidWorks (Figura 3). Esto se debe a
que, en un primer momento la celda de carga se situaría por fuera de la cámara, a modo de
protegerla de la transferencia de calor que se produciría en la combustión. Sin embargo, se
analizó la localización y se concluyó en la colocación de un perfil adicional, situado en uno de
los laterales de la cámara. Para ello, se realiza las perforaciones y se encastra el perfil en el
lateral de la cámara, a una altura y disposición estratégica de modo tal que, la celda de carga
se sitúe en forma perpendicular en dicho perfil y el cable tensor se direccione a 90° respecto
de la celda, logrando de esta manera que las mediciones sean lo más exactas posibles.
Figura 9: Colocación de perfil lateral
Fuente: Elaboración propia
● Ensayo de líquidos inflamables
Inicialmente, con la finalidad de estimar el calor liberado, se someterá a ensayo el
combustible NAFTA INFINIA. Al seleccionar un líquido se debe tener en cuenta, que el mismo
arde en toda su superficie, es decir, está estrechamente relacionado con el recipiente que
contendrá la sustancia. Por esta razón, se utiliza una metodología propuesta por el Instituto
Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo (INSHT) y se concluye lo siguiente:
La bandeja de combustión rectangular que se puede apreciar en el centro de la imagen a
modo ilustrativo será reemplazada por una bandeja de aluminio circular de 14,5 centímetros
de diámetro, suspendida a 0,5 metros respecto del nivel del suelo, con el fin de controlar la
altura máxima de la llama. Su capacidad permitirá realizar ensayos con una cantidad de hasta
330 mililitros de combustible. En el transcurso del apartado “Radiación Térmica” se detalla el
método de cálculo utilizado para determinar tanto su tamaño como la relación del mismo con
la altura de la llama.
● Radiación Térmica
El calor radiante de la llama es uno de los parámetros de importancia que indican el riesgo de
incendio y su determinación, no solo es necesaria para evaluar consecuencias nocivas y
verificar la resistencia al fuego (tanto sea en equipos, materiales, instalaciones); sino también
es un factor utilizado para establecer distancias de seguridad.
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Con el propósito de estudiar este parámetro, se opta por implementar la metodología
descripta en Nota Técnica de Prevención (NTP) 326: Radiación Térmica en incendios de
líquidos y gases, publicada por Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo (INSHT).
En la misma se desarrolla un modelo de cálculo a fin de evaluar la irradiación térmica de
incendios estacionarios de base circular o rectangular y sin considerar la influencia del viento.
En la ecuación (2), se aprecia el cálculo propuesto. El mismo, consiste en determinar la
irradiación por unidad de superficie que recibe una persona u objeto situado a determinada
distancia, y la misma depende de:
● Condiciones atmosféricas: temperatura ambiente, humedad relativa
● Geometría del incendio: diámetro de la base de incendio, altura de las llamas y
distancia al punto irradiado.
● Características fisicoquímicas del combustible.
Donde:
q= Intensidad de irradiación a una distancia determinada (kW/m²)
d= Coeficiente de transmisión atmosférica (adimensional)
F=Factor geométrico de visión, de vista o de forma (adimensional)
E= intensidad media de radiación de la llama (kW/m²)
Anteriormente se mencionó la elección del combustible NAFTA INFINIA. Ahora bien, para la
estimación de la radiación térmica en forma analítica, no se dispone en su totalidad la
información requerida por la NTP de dicho combustible. Es por lo que, se decidió investigar
aquellos líquidos inflamables que posean similar poder calorífico que este (con un margen de
error del 10-15 %), ya que se espera un equivalente en la liberación de calor, y a su vez, se
dispongan los datos necesarios para la realización del cálculo. Según la Ficha de Datos de
Seguridad, la NAFTA INFINIA posee un poder calorífico de 10,081 Mcal/kg, en base a esto, se
designa para el desarrollo del cálculo propuesto, al líquido inflamable Benceno con un poder
calorífico de 9,6 Mcal/kg.
A su vez, debemos tener en cuenta algunas consideraciones que nos condicionan al momento
de estimar la irradiación. En primer lugar, el diseño de la cámara de combustión, ya que la
misma tiene una altura de 1,5 metros y se situará un recipiente en el centro suspendido a 0,5
metros de altura con respecto al suelo. Siendo así, se tiene en cuenta que la altura de la llama
no puede superar el metro. En segundo lugar, se escoge una bandeja circular, pero, al
momento de seleccionar la más apropiada en cuanto a dimensiones, se debe tener en cuenta
no sólo la cantidad de combustible, sino también la altura de la llama, debido a que a mayor
superficie la llama alcanzará una altura superior. En tercer lugar, el cálculo depende de las
condiciones atmosféricas, es necesario tener en cuenta que el mismo se desarrollará con una
temperatura de 25°C y una humedad relativa del 60%.
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Todas estas consideraciones se relacionan directamente, entre otros, con la forma
geométrica de la llama, es decir, con el factor de visión geométrico el cual será nuestro punto
de partida al momento de realizar el cálculo.
Una de las razones favorables de la utilización de la NTP, es que considera dos tipos habituales
de forma de incendio, entre ellas las circulares, y proporciona tablas con valores de factor de
visión, tanto para vertical
como para factor de visión horizontal
y el factor de visión
máximo. Para hallar estos valores, es necesario conocer los parámetros que se observan en
la Figura 10.
Figura 10: Forma de incendio cilíndrico vertical
Fuente: NTP 326 “Radiación Térmica de incendios de líquidos y gases
Siendo:
a= altura de la llama (metros)
b= radio del recipiente (metros)
c= Distancia entre P y el centro de la base de las llamas (metros).
Altura de la llama y radio del recipiente
En la Ecuación (3) se puede observar la fórmula empírica que proporciona la NTP que
determina la altura de la llama. Dicho factor depende del radio del recipiente (b) y del caudal
de evaporación del combustible (m).
No obstante, como se mencionó anteriormente la altura de llama es un parámetro que
tendremos que establecer considerando las dimensiones de la cámara de combustión. Por lo
expuesto, optamos por comenzar el cálculo con la altura máxima que puede tomar, un metro,
teniendo en cuenta que resultará una estimación, no sólo por las condiciones atmosféricas
sino también por desconocimiento del caudal de evaporación de NAFTA INFINIA.
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Por lo cual, se procede a calcular el caudal de evaporación del Benceno y despejar de la
Ecuación (3) el radio del recipiente. De esta manera, obtendremos la dimensión deseada del
recipiente para la altura requerida.
Caudal de evaporación
Para hallar el caudal de evaporación se hace la distinción dependiendo de la temperatura de
ebullición del combustible. En el caso del benceno, como se observa en la Tabla 2, es un
líquido inflamable con una temperatura de ebullición superior a la temperatura ambiente. En
la Ecuación (4) se dispone el cálculo del caudal del benceno.
Tabla 1: Propiedades del Benceno
Benceno
Calor de combustión
(kJ/kg)
Calor latente de
vaporización (kJ/kg)
Calor específico a
presión constante
(kJ/kg °C)
Temperatura de
ebullición (°C)
40140
389
1,72
80,1
Fuente: Handbook of Fire Protection Engineering
(4)
Sustituyendo en la Ecuación (3) y despejando el factor b, se obtiene que el radio del recipiente
es b= 0,068 m, y por tanto su diámetro 0,136m.
Para la utilización de tablas proporcionadas por NTP, debemos hallar la relación entre los
indicadores que hacen al factor geométrico: altura de llama (a), radio del recipiente (b) y
distancia entre un punto y el centro de la base de llamas (c). La distancia “c” que se selecciona
es la máxima de 0,75 m. Por tanto, se busca la relación entre
e ingresamos a la Tabla (3)
y hallamos el factor de visión horizontal, vertical y máximo.
●
●
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Tabla 2: Factor de visión geométrico para incendio cilíndrico
Fuente: NTP 326 “Radiación Térmica de incendios de líquidos y gases
Realizando interpolación entre valores se obtiene:
0,041
0,045
Continuando con la Ecuación (2), empleamos una fórmula empírica, Ecuación (5), a modo de
hallar el coeficiente de transmisión atmosférica, recordando que utilizamos condiciones de
temperatura ambiente de 25°C y humedad relativa del 60%. En la ecuación (5) se observa
que el coeficiente además de depender de la presión de vapor de agua, depende de la
longitud de recorrido de la radiación, por tanto, se interpreta que esa distancia es “c” = 0,75m
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Siendo:
= Presión parcial de vapor de agua a una temperatura determinada (Pa)
x= Longitud de recorrido de la radiación, distancia desde la superficie de llama al blanco
receptor (m)
Por tanto, según ecuación (3) el coeficiente será:
A modo de finalizar el cálculo, expresamos la intensidad de radiación de la llama (E) medida
en kW/m
, la cual depende del tipo de combustible y del diámetro de la base del líquido a
combustionar. La NTP proporciona dos tablas en donde, dependiendo de la temperatura de
ebullición del combustible, se encuentran los valores para estimar E.
Tabla 3: Intensidad media de la radiación de superficie de llama (
Fuente: NTP 326 “Radiación Térmica de incendios de líquidos y gases
Como se puede observar en la Tabla 4 la intensidad media de llama que corresponde al
benceno es 70 kW/m.
Por tanto, la intensidad de irradiación (Ecuación 2) para una distancia de 0,75m será:
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Tal como se mencionó anteriormente, si se quisiera evaluar las posibles consecuencias de la
radiación térmica de un incendio, podemos adquirirlo mediante esta metodología propuesta
por la NTP. En este caso, es útil para hallar un valor aproximado, es decir, es estimativo por
las razones que se fueron desarrollando en este artículo. Adicionalmente del objetivo que
posee este procedimiento, particularmente nos aporta la posibilidad de establecer y
asimismo transformar mediante las circunstancias, parámetros que hacen al cálculo. Un
ejemplo claro, es la altura. En este contexto se encuentra limitada y optamos la máxima, pero
si se deseara reducir la altura, hallaríamos las dimensiones de un recipiente con menor
diámetro; de igual modo, si se busca mayor altura, el recipiente sería mayor y en ese caso
deberíamos descender el mismo. Otro factor que hace al cálculo y presenta estas
flexibilidades, es la distancia desde la superficie de llama al receptor, sea persona u objeto.
Como en el caso de la altura, se tomó la distancia máxima, sin embargo, se podría establecer
una menor, y obtener una mayor intensidad. En otras palabras, lo que nos aporta tomar estos
atributos es evaluar, más allá del combustible a seleccionar, en cómo varía esta intensidad de
irradiación alternando otros parámetros que hacen a la misma.
CONCLUSIONES
El trabajo demuestra que mediante ensayos se podrán obtener curvas de tasa de liberación
de calor para variedad de elementos combustibles, ya sea líquidos o sólidos.
A partir del análisis planteado se concluye que es beneficioso y necesario poder
complementar la legislación y los métodos que utilizamos actualmente para determinar la
carga de fuego de un recinto, ya que actualmente se considera poco preciso para garantizar
la seguridad contra incendios de un lugar. Por lo tanto, podremos realizar una comparación
de resultados obtenidos con el método convencional y estudiar el comportamiento de los
materiales nacionales.
Asimismo, la cámara de combustión será de utilidad para realizar, ya sea, ensayos para
diferentes materiales, como también mediciones de liberación de calor y ensayos de
resistencia al fuego para el proyecto de Eco Vivienda Modular Eficiente.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Decreto Poder Ejecutivo Nacional 351 de 1979. Reglamentación de la Ley 19.587 de Higiene
y Seguridad en el Trabajo.
http://servicios.infoleg.gob.ar/infolegInternet/verNorma.do?id=32030
National Institute of Standards and Technology (NIST). (2018). Fire Barriers in Full-Scale Chair
Mock-ups. Test B4-1 Fire Barriers in Full-Scale Chair Mock-ups | NIST
10ma Edición | DICIEMBRE 2022 | ISSN 2618-1894 | Artículos científicos
National Fire Protection Association (NFPA). (2016). SFPE Handbook of Fire Protection
Engineering. Editorial Staff.
Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo. (1992). Nota Técnica de Prevención
326: Radiación térmica en incendios de líquidos y gases.
Fecha de recepción: 7/11/2022
Fecha de aceptación: 28/11/2022
