Usuario:Creosota/taller/Ventilación de incendios

Volver al índice

La ventilación de incendios es la dinámica de fluidos que se establece como consecuencia del propio incendio y de factores externos, como el viento o los medios de ventilación operativa del servicio de extinción. En ella influyen otros factores como el estado de desarrollo del incendio, la geometría de la estructura o incluso las condiciones atmosféricas .

El movimiento de gases en un incendio, conocido como flujo de gases, queda definido en función de dos premisas fundamentales:

Las masas de aire entrante y saliente del recinto se asumen como equivalentes.
Las dos causas que rigen su movimiento son: (1) las diferencias de presión y (2) el efecto de flotabilidad de los gases de incendio.

El flujo de gases establecido entre el recinto donde se desarrolla un incendio confinado y el exterior puede asimilarse a un patrón de ventilación, que es un modelo simplificado que lo describe y al que se asimila.

En intervención, los equipos de extinción, ponen en práctica la ventilación operativa con objeto de adecuar el flujo de gases de un incendio a fin de obtener una ventaja operativa.

Masa de aire entrante y saliente

Conservación de la masa en un incendio

La ley de la conservación de la materia establece que la masa total de un sistema aislado no sufre cambios. La masa no se crea ni se destruye, pero cambia en su disposición.

Aplicado al recinto de incendio y su entorno, se puede determinar que la masa de gases que abandona el recinto $m_{saliente}$ será igual a la masa de gases que entra en el mismo $m_{entrante}$ , más la cantidad de combustible que pasa a estado gaseoso $m_{\rightarrow gas}$ .

$m_{saliente}=m_{entrante}+m_{\rightarrow gas}$

En general, a lo largo de las distintas fases de incendio, el valor de la masa de combustible que se gasifica $m_{\rightarrow gas}$ es despreciable frente a la masa de aire entrante $m_{entrante}$ , por lo que es frecuente asmimilar la masa de gases que sale a la que entra dentro del incendio.^[1]

$m_{entrante}\simeq m_{saliente}$

Si bien esta afirmación es cierta para la cantidad de masa, no lo es para el volumen de los gases. Los gases de incendio a altas temperaturas disminuyen su densidad generando un volumen de gases mayor que los de entrada, fríos y densos. En incendios confinados con un flujo de entrada y otro de salida en la misma abertura (flujo bidireccional), es frecuente observar que la salida de gases toma una sección mayor que la entrada. Efectivamente, el volumen de los gases que salen es mayor que el de entrada, pero la cantidad de masa que entra y sale es casi idéntica.

Movimiento de gases debido a las diferencias de presión

En un incendio se producen diferencias de presión por diversas causas:

Diferencias de temperatura debidas al incendio.
Diferencias de temperatura debidas a los sistemas de climatización, exposición solar o aislamiento.
Incidencia del viento sobre el edificio cuando existen aberturas.
Empleo de herramientas propias de la ventilación operativa: ventiladores de presión positiva o extractores.
Sistemas fijos de protección contra incendios basados en la ventilación o la presurización.

Movimiento de gases debido a la diferencia de presión

El aire y los gases de incendio se desplazan de zonas de mayor presión a zonas de menor presión siguiendo el camino más corto (de máximo gradiente). El flujo de gases tenderá a igualar las presiones entre los distintos puntos del recinto. Para describir este proceso podemos utilizar la ecuación de Bernuolli; una formulación del principio de conservación de la energía en conducciones de fluidos ideales (no turbulentos e incompresibles) y que supone una aproximación más que razonable al movimiento del flujo de gases de un incendio.

Establece que entre dos puntos de un fluido en movimiento se cumple:

${\frac {V^{2}\rho }{2}}+{P}+{\rho gz}={\text{constante}}$

donde:

$V$ = velocidad del fluido en la sección considerada en m/s.
$\rho$ = densidad del fluido en kg/m³.
$P$ = presión a lo largo de la línea de corriente en Pa o [N/m²].
$g$ = aceleración gravitatoria g = 9,81 m/s².
$z$ = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia en [m].

Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:

Viscosidad (fricción interna) = 0. Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido.
Caudal constante.
Flujo incompresible, donde ρ es constante.
La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo laminar.

Aplicando la igualdad entre dos puntos cualesquiera situados a la misma cota obtenemos:

${\frac {V_{1}^{2}\rho }{2}}+{P_{1}}+{\rho gz_{1}}={\frac {V_{2}^{2}\rho }{2}}+{P_{2}}+{\rho gz_{2}}$

Siendo $z_{1}=z_{2}$ al estar los puntos en la misma cota:

$\Delta {P}={P_{1}}-{P_{2}}={\frac {\rho }{2}}({V_{2}^{2}}-{V_{1}^{2}})$

El cambio de velocidad entre los dos puntos esta determinado por diferencial de presiones $\Delta P$ existente.

Ejemplo:

Calcular el caudal de gases que salen por una ventana de 1,1 m² cuando se coloca un ventilador de presión positiva en la puerta del edificio y se logra alcanzar una sobrepresión de 25 Pa en su interior.

Tomando el punto 1 en una sección del recinto lo suficientemente amplia como para que la velocidad $V_{1}$ sea prácticamente nula y el punto 2 en la sección de la ventana donde la velocidad $V_{2}$ será máxima y la presión $P_{2}$ equivalente a la del exterior:

$\Delta {P}={P_{1}}-{P_{2}}={\frac {\rho }{2}}({V_{2}^{2}}-{V_{1}^{2}});V_{1}=0;P_{2}=0$

$\Delta {P}={\frac {\rho }{2}}{V_{2}^{2}};\,\,V_{2}={\sqrt {\frac {2\Delta {P}}{\rho }}}={\sqrt {\frac {2\cdot 25\,Pa}{1.20\,kg/m^{3}}}}=6,45\,m/s$

Sin embargo, en el recinto de un incendio, este movimiento de los fluidos de zonas de mayor presión hacia zonas de menor presión se ve condicionado también por el efecto de flotabilidad de los gases. Al aumentar su temperatura disminuye su densidad. Si el movimiento de los gases simplemente obedeciese a los diferenciales de presión, las capas superiores del colchón de gases (a mayor presión) se intentarían desplazar a las zonas más bajas por debajo del plano neutro (presiones menores). Esto, en la realidad, no ocurre debido al efecto de flotación de los gases de incendio que se encuentran a altas temperaturas y, por tanto, baja densidad.

Movimiento de gases debido a la flotabilidad (diferencias de densidad)

Flotabilidad de los gases de incendio

El efecto flotabilidad de un fluido está vinculado directamente con la densidad del mismo. Un volumen de un fluido menos denso que el que lo rodea, recibe en su cara inferior una presión mayor por parte del medio circundante que la que recibe en su cara superior, razón por la que tiende a flotar.

Las diferencias de densidad se pueden deber a dos motivos:

Diferente composición química . Ejemplo: los dirigibles llenos de Helio (0,18 kg/m³) que flotan en una atmósfera mucho más densa formada por el aire (1,2 kg/m³).
Diferente temperatura y por tanto según la ley de los gases ideales diferente densidad. Ejemplo: los globos aerostáticos de aire caliente flotando en la atmósfera de aire.

Dentro de un incendio, el efecto flotabilidad se debe, sobre todo, a la diferencia de temperatura ya que la densidad de los compuestos químicos del aire es muy parecida a la de los gases de incendio.

Ejemplo:

Calcular el efecto de flotabilidad de los gases de incendio a 500 °C asumiendo que a temperatura ambiente tendrían la misma densidad que el aire (1,2 kg/m³).

Según la forma común de la ley de los gases ideales, la ecuación que describe normalmente la relación entre la presión $P\!$ , el volumen $V\!$ y la temperatura $T\!$ Kelvin para una misma cantidad de un gas ideal es:

${\cfrac {PV}{T}}=constante$

Pudiéndose expresar en función de la densidad $\rho ={\frac {m}{V}}$ como:

${\cfrac {P}{\rho \,T}}=constante$

Para un fluido sometido a una misma presión:

$\rho \,T=constante$

Calculamos la densidad $\rho _{500^{\circ }C}$ de los gases a 500 °C.

$\rho _{500^{\circ }C}={\frac {\rho _{20^{\circ }C}\,T_{20^{\circ }C}}{T_{500^{\circ }C}}}={\frac {1,2\,kg/m^{3}\,(20+273,15)}{500+273,15}}={\frac {1,2\,kg/m^{3}\,293,15K}{773,15K}}=0,45\,kg/m^{3}$

El efecto flotabilidad $F_{1m^{3}}$ sobre un volumen de 1 m³:

$F_{1m^{3}}=m\,g=1\,m^{3}(\rho _{20^{\circ }C}-\rho _{500^{\circ }C})\,g=(1,2-0,45)\cdot 9,81\,m/s^{2}=7,35\,N$

Un metro cúbico de gases de incendio a 500 °C tiene una flotabilidad de 7,35 N con respecto al aire fresco a 20 °C.

Consideraciones tácticas para bomberos

En revisión en Consideraciones tácticas.

Referencias

↑ Svensson, Stefan (2020). Fire ventilation (en inglés). Swedish Rescue Services Agency. ISBN 978-91-7927-036-0.

[Svensson-1] Svensson, Stefan (2020). Fire ventilation (en inglés). Swedish Rescue Services Agency. ISBN 978-91-7927-036-0.

[1]