Cómo mantener a raya una bola de fuego


Aspectos no planteados hasta ahora salvarían vidas en un incendio devastador

El incendio es el fenómeno más frecuente que caracteriza a los accidentes graves que tienen lugar tanto en establecimientos industriales como en el transporte de mercancías peligrosas por carretera y ferrocarril. ¿Qué medidas podemos adoptar para reducir la radiación térmica procedente de una bola de fuego sobre un vulnerable? ¿Consideran los modelos actuales el efecto de apantallamiento ejercido por bienes de equipo, orografía e infraestructuras?


Por Juan Manuel Bonilla Martinez, doctor, Ingeniero Químico. Oficial de Bomberos en el Servicio de Extinción de Incendios y Salvamento del Ayuntamiento de Murcia desde 2006. Responsable del Área de Intervención y de Formación y Estudios. Fue ingeniero de proyectos en la empresa Heat Recovery Systems (HRS) Spiratube, realizando diseños térmicos y mecánicos de intercambiadores de calor e instalaciones para el sector alimentario, químico e industrial.


La formación de una bola de fuego, aislada o como parte de una BLEVE (*) se caracteriza por la emisión de una intensa radiación térmica, capaz de causar daños letales e irreversibles a personas situadas a una distancia significativa. A pesar de que el conocimiento acerca de este tipo de accidente ha mejorado de forma sustancial, se siguen produciendo eventualmente, por lo que es necesario desarrollar propuestas encaminadas a reducir los efectos de sus consecuencias.

Un nuevo modelo matemático considerando el “efecto sombra”

Con el objetivo de resolver dichas interrogantes, esta tesis doctoral propone una metodología para la determinación de nuevos factores de configuración de bolas de fuego considerando el efecto sombra ejercido por una barrera. La obtención de dichos factores posibilita el modelado de bolas de fuego ante escenarios habituales en análisis del riesgo, obteniendo soluciones para casos extremos, desarrollando curvas de vulnerabilidad, formulando un nuevo modelo dinámico y efectuando propuestas para el diseño de barreras físicas.

Accidente el 30 de diciembre de 2013 en Casselton, Dakota del Norte.El choque entre dos trenes, uno de los cuales transportaba crudo, produjo, minutos después, una enorme explosión con la formación de una gran bola de fuego (afortunadamente, no hubo fallecidos).

Los resultados de esta investigación han permitido desarrollar un nuevo modelo matemático de bola de fuego dinámica considerando el efecto sombra, cuya principal novedad es que el régimen transitorio de la bola de fuego evoluciona a través de diferentes regiones en las que la visibilidad relativa puede ser nula, parcial y total.

Las utilidades prácticas de este trabajo pueden resumirse en que:

-Proporciona herramientas a los analistas del riesgo tecnológico sobre un escenario habitual en la práctica

-Su método numérico aporta una estrategia reproducible para escenarios similares.

-Permite modelar con mayor realismo un problema de ingeniería. Aportamos conocimiento, sobre un efecto no considerado hasta el momento.

-Abre nuevas vías de investigación en tres direcciones: aprovechar los factores para el modelado de otros sistemas que se beneficien de dicha configuración, aprovechar el desarrollo obtenido para obtener nuevos factores con efecto sombra y optimizar el diseño de barreras de protección en el entorno de industrias de proceso.

-Proporciona criterios para reducir la radiación térmica en entornos donde se almacenan sustancias inflamables. Tiene por tanto un beneficio social, como es la protección de personas mediante el diseño de espacios más seguros.

Un problema de ingeniería no planteado hasta ahora.

Los modelos clásicos de bola de fuego consideran visibilidad total. En la figura se aprecia la existencia de una barrera entre emisor y receptor que bloquea parcialmente la radiación térmica de la bola de fuego. El interés se centra en determinar exactamente que fracción de energía recibe un vulnerable para todas las alturas y separaciones de la barrera física.

 

Se ha desarrollado un método matemático propio para determinar el factor de configuración en las condiciones descritas anteriormente, que proporciona unos resultados de gran precisión, con reducido tiempo de ejecución y coste computacional. También se han obtenido ecuaciones matemáticas, a través de un método semi-analítico, que permiten realizar una aproximación aceptable de dichos factores.

Se establecen criterios de diseño de barreras físicas para limitar los efectos de la radiación térmica, conocimiento que hasta el momento se limitaba a muros diseñados para resistir la onda de choque y el hipotético impacto de fragmentos. Pueden integrarse en metodologías de análisis del riesgo relacionadas con la planificación del uso del suelo.

En síntesis, esta tesis proporciona conocimientos y herramientas sobre un efecto no considerado hasta ahora. La esencia de la misma se puede resumir en esta figura:

Trazado de rayos para el cálculo de visibilidad (energía) entre bola y receptor con presencia del muro.

La bola de fuego se divide en elementos triangulares, caracterizados por su baricentro. Entonces se parametriza la posición de la barrera y el receptor, de modo que mediante un método de trazado de rayos (ray-tracing) se puede determinar la visibilidad relativa. Es decir, se desarrolla un algoritmo que, mediante ecuaciones matemáticas “envía” un rayo desde cada baricentro al receptor. Si este rayo sortea la barrera, podría ver al receptor, y su factor de configuración se calcula mediante una fórmula matemática (triángulo color verde).Si el rayo es interceptado por la barrera, emisor y receptor no se ven, de modo que el intercambio de energía es nulo y el factor de configuración es cero (triangulo rojo). En color gris se representan los triángulos de la bola de fuego que no pueden ver al emisor en función de su posición geométrica relativa.

 

Mi tesis tenía como objetivo principal el desarrollo de nuevos factores de configuración entre una bola de fuego y un receptor vulnerable, considerando el efecto sombra que ejerce una tercera superficie interpuesta entre ambos. Este planteamiento define un escenario de gran utilidad práctica, como es la implantación de barreras físicas, no consideradas hasta el momento para la predicción de las consecuencias de accidentes graves con bolas de fuego sobre su entorno próximo. No se han encontrado en la bibliografía factores de configuración para la hipótesis planteada, por lo que será en esta tesis la primera vez que se publiquen, para dos casos particulares: bola de fuego a ras de suelo, y elevada. Este trabajo resuelve un problema de ingeniería no planteado hasta el momento.

Diseño de barreras de ingeniería para proteger frente a la radiación térmica de bolas de fuego en zonas situadas en las proximidades de establecimientos industriales o tránsito de mercancías peligrosas. Polos químicos, estaciones de ferrocarril y otros escenarios similares podrían beneficiarse de los resultados de esta tesis para proyectar barreras integradas arquitectónicamente que permitan proteger a la población de los efectos de un accidente con sustancias inflamables. Hasta el momento no existen métodos predictivos como el desarrollado en esta tesis para cuantificar la protección que ofrece una barrera a la radiación térmica. Si existen modelos para cálculo de barreras frente a la onda de choque y proyección de fragmentos procedentes de la explosión.


En casos como el accidente de Dakota, se produce una rápida mezcla del combustible con el aire y su progresiva combustión, dominada por el impulso inicial de las sustancias inflamables. Durante los instantes iniciales, la bola de fuego crece aproximadamente hasta la mitad de su diámetro final y el contorno de la llama es brillante con color blanco-amarillento, indicando una temperatura aproximada de 1300ºC.

Posteriormente, la bola de fuego alcanza su máximo volumen, pero en torno a un 10% de la superficie es oscura y envuelta en hollín, siendo el resto de color blanco, amarillento-anaranjado o rojo claro, indicando temperaturas del orden de 900-1300ºC.

En una segunda fase, la bola de fuego, que ha evolucionado hacia una forma casi esférica, ya no crece. En el comienzo de esta fase comienza a despegar del suelo. Comienza a elevarse y cambia a la típica forma de hongo. El combustible residual se mezcla con el aire en la propia nube y entra en combustión, estando dominada esta fase más por la flotabilidad y efectos de combustión que por el impulso inicial. En la última fase, la bola de fuego mantiene su tamaño, pero las llamas se vuelven menos oscuras y más traslúcidas. La combustión prácticamente se ha completado y la bola de fuego se desplaza debido a la flotabilidad, provocando la entrada de aire fresco y enfriando la misma hasta que cesa su existencia. (JMBM)


NOTA: (*BLEVE: Una BLEVE es un caso especial de explosión catastrófica de un recipiente a presión en la que ocurre un escape súbito a la atmósfera de una gran masa de un gas licuado sobrecalentado).

REFERENCIA: Tesis doctoral: “Contribución al desarrollo de factores de configuración de bolas de fuego con presencia de obstáculos”, por Juan Manuel Bonilla Martínez. Dirigida por Eulalia Planas Cuchi y Juan Antonio Vilchez Sánchez. Presentada en la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE), Noviembre 2017.

J.A. Vílchez, M. Muñoz, J.M. Bonilla, E. Planas, Configuration factors for ground level fireballs with shadowing, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Volume 51, 2018, Pages 169-177, ISSN 0950-4230. http://www.tdx.cat/handle/10803/461610

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