¿En qué zona de las llamas se alcanzan mayores temperaturas?:
- En la zona externa.
- En la zona intermedia.
- En la zona interna.
Y en libro de test Preguntas y soluciones técnicas para bomberos de Ignacio Méndez-Trelles enuncia la siguiente pregunta:
¿En qué zona de las llamas se alcanzan temperaturas más elevadas?
- En la zona externa
- En la zona intermedia
- En la zona interna
- En las tres por igual
Siendo
preguntas prácticamente iguales, en la primera se dio por correcta la
respuesta a) mientras que en la segunda se señala la b).
Ante
preguntas como estas, este artículo expone las respuestas y
conclusiones que proponen actualmente las investigaciones sobre ciencia
del fuego para tratar de obtener algunas conclusiones.
Discusión
Como se describe en el manual Fundamentos Teóricos para Bomberos en el apartado dedicado a la llama, estas pueden clasificase de manera general, en función de dos criterios:
- Según cómo se realiza la mezcla combustible comburente, de forma que podemos tener llamas de premezcla o llamas de difusión.
- Según cómo sea el régimen del flujo, laminar o turbulento.
Probablemente,
los primeros estudios difundidos sobre la estructura de la llama son
las charlas impartidas por Michael Faraday en la primera mitad del siglo
XIX, que aparecieron publicadas por primera vez bajo el título La historia química de una vela
en 1861. En ellas describía la morfología de la llama de difusión
laminar de una vela. Faraday realizó una serie de experimentos simples,
como introducir un pequeño tubo hasta la zona interior de la llama para
permitir a los gases combustibles salir a través de él. Al inflamar
estos gases por el otro extremo del tubo, Faraday demostró que en el
interior de llama existía una zona ocupada exclusivamente por gases
combustibles.
Figura 1 – Reproducción de una de las ilustraciones de las charlas impartidas por Faraday.
En
sus exposiciones, Faraday ya describía que la llama estaba formada por
las clásicas tres zonas: la zona interior (tambien denominada zona fría u
oscura), la zona intermedia y la zona externa.
Sin
embargo, la ciencia ha avanzado enormemente y el desarrollo de nuevas
tecnologías ha permitido un examen más detallado y profundo de la
estructura y de las diferentes regiones que componen un llama laminar de
difusión.
El
arquetipo de llama utilizado para realizar el estudio de este fenómeno
es la llama de una vela, y quién mejor para describirlo que la National
Candle Association. En la página web de esta asociación está disponible
un estudio, titulado The quality candle, llevado a
cabo por los doctores Michael Matthäi y Norbert Petereit en 2007, en el
cual describen cuatro regiones distintas de la llama de una vela, y
señalan la región más externa como la zona de mayor temperatura (zona
4).
Figura 2 – Estructura de la llama de una vela descrita por Matthäi y Petereit.
En esta misma línea de investigaciones y publicaciones, estudios más recientes, como por ejemplo Chemistry of the Christmas Candle del Dr. Klaus Roth, de la Universidad de Berlín (DOI: 10.1002/chemv.201000133),
también describen cuatro zonas en la llama de una vela, pero establecen
la región de mayor temperatura en las zonas 2 y 3, que son en las que
se produce la reacción.
Figura 3 – Estructura de la llama de una vela descrita por Klaus Roth.
En manuales de ingeniería del fuego como Fundamentals of combustion process o An introduction to fire dynamics se analizan tanto las llamas de premezcla como las llamas de difusión.
En
el caso de las llamas de premezcla, la diferenciación que hacen los
manuales de la estructura de la llama es más simple, distinguiendo tres
zonas: la zona de precalentamiento, la zona de reacción y la zona de
post-reacción. La zona de mayor temperatura es la zona de reacción,
manteniéndose en la zona de post-reacción para comenzar a disminuir
progresivamente.
Figura
4 – Gráfica que muestra la evolución de la temperatura en función de la
distancia desde la fuente de la mezcla combustible-combuerente,
mostrando las distintas regiones de una llama de premezcla. Tomado de Fundamentals of combustion process.
En
el caso de las llamas laminares, los manuales sobre el fuego describen
el proceso de combustión de la llama tipo de una vela, pero sin
identificar zonas o regiones. La descripción gira en torno a la zona de
reacción, el proceso previo y el proceso posterior, así como el
movimiento de los distintos flujos, tanto de los elementos combustibles
como del aire exterior. El análisis de estos flujos justifica que la
reacción se pueda producir en una región de apenas 1 mm de grosor.
Figura
5 – Gráficos que muestran la concentración de los diversos elementos
presentes en la llama y la temperatura registrada en una llama laminar. Tomado de Fundamentals of combustion process.
Volviendo
al principio, las preguntas aparecidas en exámenes oficiales, lo
primero que deberíamos plantearnos es: ¿a qué tipo de llama ser refiere,
laminares, turbulentas, de difusión, de premezcla? El enunciado de la
pregunta no lo aclara y es una cuestión fundamental para poder enunciar y
contestar la pregunta. Solo observando las respuestas debemos suponer
que se refiere las llamas laminares de difusión, pero realizar
suposiciones para poder contestar una pregunta en un examen real de una
oposición convierte automáticamente la pregunta en impugnable,.
A
continuación, se plantea el problema de la discrepancia existente entre
las distintas fuentes. Como se puede apreciar, la estructura y los
procesos de la llama laminar de difusión son cuestiones objeto de
discusión hoy en día, y no hay un modelo aceptado por la comunidad
científica internacional, más allá de la descripción general del
proceso. La combustión de la llama laminar de difusión está descrita en
los manuales que abordan esta materia y que coinciden en situar el punto
de mayor temperatura en el borde exterior de la zona de reacción, sin
fijar si esta se encuentra en una región denominada intermedia, externa u
otra que pudiera coincidir con un modelo de tres zonas, que por otro
lado parece anticuado.
En el caso de las pregunta que recoge el libro de test Preguntas y soluciones técnicas para bomberos, en la que señala como correcta la respuesta b) En la zona intermedia, en la explicación indica que la fuente que respalda la solución es el libro Química general moderna de
Babor e Ibarz, cuya primera edición data de 1962. En esta explicación,
que corresponde a una llama de premezcla de un mechero bunsen, se
transcribe un pasaje del libro que dice “la llama comprende por lo menos tres regiones cónicas bien definidas.” pero no indica la denominación de las mismas y señala “La parte más caliente de la llama se encuentra exactamente en lo alto del cono interior inmediato”
haciendo referencia a la zona de pre calentamiento, es decir, que
señala la zona de mayor temperatura en el extremo externo de la zona de
reacción.
Este
es un claro ejemplo de lo importante que resulta poder contar con la
referencia para verificar la información y para conocer todos los
aspectos del problema. Por ejemplo, es fácil suponer que existan
estudios más recientes viendo la fecha de la publicación.
Expuesto
todo lo anterior, parece que lo más adecuado sería una pregunta que
concretara el objeto de la misma y respuestas que evitaran entrar en
cuestiones que aún están en discusión, como sería:
¿En qué zona de una llama laminar de difusión se alcanza la mayor temperatura?
O bien,
¿En qué región de la llama laminar de una vela se alcanza la mayor temperatura?
Pudiendo ofrecer como respuestas:
- En la zona exterior de la zona de reacción
- En la zona de mayor concentración de combustible
- Donde la concentración de oxígeno alcanza el 21 %
- En la zona donde no se observa emisión de luz
En
este caso la respuesta correcta sería la a. La b no podría ser porque
la zona de mayor concentración de combustible sería la zona interior que
se encuentra por encima del límite superior de inflamabilidad y donde
no puede producirse la reacción. La respuesta c señala la zona alejada
de la llama y de los gases productos de la combustión, ya que su
presencia supondría un descenso en la concentración de oxígeno normal.
La respuesta d señala una zona de baja temperatura en una llama de
difusión (caso distinto de una llama de premezcla), ya que si las
partículas sólidas no emiten luz es que ya se han enfriado, o bien los
gases no han comenzado a combustionar.
Bibliografía
- Dougla Drysdale. An introduction to fire dynamics. Wiley, 2011. DOI : 10.1002/9781119975465
- McAllister et al. Fundamentals os combustion process. Springer, 2011. DOI: 10.1007/978-1-4419-7943-8
- Babor e Ibarz. Química general moderna. Editorial Marín.
- Méndez-Trelles. Preguntas y soluciones técnicas para bomberos. Escuela de bomberos, 2008.
- Michael Matthai and Norbert Petereit. The Quality Candle. SOFW Journal, 2004. Vol. 130; No. 10.
- Klaus Roth. Chemistry of the Chrismast candle. Chemie in unserer Zeit/Wiley-VCH, 2011. DOI: 10.1002/chemv.201000133
