lunes, 20 de abril de 2015

Estructura de la llama ¿Una pregunta de examen

En algunos exámenes oficiales han aparecido preguntas relacionadas con la estructura de la llama y con datos relacionados, como el punto donde se alcanza la mayor temperatura. Buscando en la bibliografía, se encuentran discrepancias entre lo que algunos temarios y libros de test recogen. Por ejemplo, en el examen para bombero especialista, realizado en 2009 por el Ayto de Madrid una de las preguntas era:
¿En qué zona de las llamas se alcanzan mayores temperaturas?:
  1. En la zona externa.
  2. En la zona intermedia.
  3. 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?
  1. En la zona externa
  2. En la zona intermedia
  3. En la zona interna
  4. 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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.

Conclusiones
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:
  1. En la zona exterior de la zona de reacción
  2. En la zona de mayor concentración de combustible
  3. Donde la concentración de oxígeno alcanza el 21 %
  4. 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

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