Ignición de combustibles forestales

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE INDUSTRIAS
IGNICIÓN DE COMBUSTIBLES FORESTALES EN VALPARAÍSO
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL
AUTOR
RUBÉN IGNACIO CHACÓN RAMOS
PROFESOR GUÍA
DR. ANDRÉS FUENTES C.
VALPARAÍSO DE CHILE, 7 DE AGOSTO, 2018
1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
La ignición hace referencia al inicio o a la combustión misma de una materia que
tiene las condiciones para estarlo, es decir, la aparición del fuego. Este elemento proviene
de una reacción química de oxidación violenta, que emite calor y luz (Quintiere, 2006).
Estos dos factores han propiciado a que sea utilizado desde tiempos remotos como fuente
de protección, energía lumínica, y así también calórica, ayudando en gran medida a los
avances tecnológicos modernos.
Sin embargo, a pesar de sus múltiples beneficios, no deja de ser materia de
preocupación, debido a las capacidades de destrucción que posee, esto representado por los
incendios, que destruyen y queman todo lo que se encuentre a su paso (Caballero, 2001). A
pesar de formar parte de un proceso natural, la intervención del hombre ha incrementado la
ocurrencia de incendios forestales que generan, entre otros efectos, contaminación del aire
durante y post-incendios, pérdida de flora y fauna natural, sedimentación de causes,
contaminación
de aguas y cambios micro climáticos, que afectan directamente a las
personas que habitan la zona.
En el caso de Chile, la estacionalidad, reflejada en condiciones de sequedad estival
por varios meses en los bosques templados, la susceptibilidad de los combustibles
forestales a la ignición e inflamabilidad, junto con el componente humano (agente inicial
del encendido), han provocado extensos incendios en zonas cordilleranas entre la V y IX
Región, con superficies afectadas superiores a las 70 mil hectáreas sólo en vegetación
nativa. La gravedad de estos eventos se acentúa cuando la propagación del fuego ocurre en
condiciones topográficas de difícil acceso, con presencia de vientos y altas temperaturas
(Castillo, Perderena y Peña, 2003).
1
Durante gran parte del año 2017, el centro y sur del país se vieron afectados por
incendios forestales descontrolados que provocaron la destrucción de casi seis mil hectáreas
de bosques y zonas urbanas (González, Lara, Urrutia & Bosnich, 2011), con causas que aún
no se logran dilucidar, pero que tuvieron un efecto catastrófico en la flora y fauna de gran
parte del país, como también en personas que perdieron viviendas y fuentes de trabajo.
Sin ir más allá, durante el verano del año 2014, Valparaíso sufrió un gran incendio
(Castillo Soto, 2013) que abarcó más de mil hectáreas y dejó quince muertos, en gran parte
terreno urbano, obligando a la ciudad y al país a aplicar grandes esfuerzos en la
reconstrucción, debido a la gran quema de viviendas. Pero esto no corresponde a un hecho
aislado, ya que todos los años la región sufre más de algún siniestro, viéndose siempre
indefensa y con bajos recursos para evitar el avance del fuego.
Gran parte de los incendios que se producen en la quinta región se inician en las
quebradas o en las alturas de los cerros; lugares que no están poblados y presentan
vegetación típica de la zona (Fernández, Morales, Olivares, Salvatierra, Gómez, &
Montenegro, 2010). A pesar de la distancia entre los bosques y las casas, el fuego logra
bordear estos espacios y propagarse de manera descontrolada, demostrando el poco
conocimiento que se tiene del tema por parte de las autoridades y bomberos.
Cabe preguntarse cómo es que las llamas pueden alcanzar tantos lugares.
El suelo en los bosques se encuentra cubierto por hojas y pastizales secos, además
de presentar una tierra rojiza, que se da sólo en esta zona (Soto, Silva, & Molina, 2009).
Mediante un laboratorio experimental que se aproxime en gran medida al ambiente natural
(viento y humedad, entre otros) donde se inician estos incendios, se podría prever el
comportamiento, tiempo y expansión del fuego en y entre los árboles, para así poder tomar
2
medidas que puedan evitar los incendios, o al menos disminuir la velocidad de avance.
Además, conociendo cómo saltan y viajan las chispas que surgen en el siniestro, se podrían
construir barreras que eviten el contacto con la zona urbana (Hernández, 2017).
Se requiere un estudio capaz de aclarar incertidumbres en la propagación del fuego
en zonas boscosas, específicamente en la comuna de Valparaíso, pudiendo así fortalecer los
mecanismos de pronóstico, detección temprana y seguimiento, influyendo así en la
educación sobre la materia a la comunidad, y mejorando también la disposición y los
materiales con que se construyen las viviendas.
Para lograr tal objetivo, la investigación presentada se valdrá de un heater eléctrico,
que corresponde a un calentador que funciona con campos magnéticos a través de una
bobina de núcleo de aire (Alegre, Pineda y Ugarte, 2011), simulando la pavesa;
proyecciones de partículas inflamadas o incandescentes a una cierta distancia del frente de
fuego de un incendio forestal, que pueden originar focos secundarios fuera del perímetro
del incendio (Guijarro, M., et al. 2001). Junto a ella se encontrará vegetación típica de la
región, obteniendo así parámetros como ignitibilidad (tiempo), sostenibilidad (seguir
encendido) y combustibilidad (velocidad), que podrán ser usados en estudios posteriores
para la prevención de incendios en Valparaíso, apoyando a las autoridades para que se
puedan crear planes de acción efectivos junto con bomberos y adecuando las leyes de
construcción actuales.
3
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo general
Calcular de forma experimental parámetros que se pueden establecer dentro de la
expansión y quema de vegetación típica de la región de Valparaíso, bajo condiciones que se
aproximen de la forma más cercana a las dadas por la naturaleza.
2.2. Objetivos Específicos
1. Desarrollar una base teórica en base a experimentos de igual índole, con el fin
de tener un parámetro guía para la construcción del laboratorio.
2.
Construcción de un espacio que permita la experimentación con chispas o
pavesas en una simulación del suelo porteño, generando ignición que podrá ser estudiada.
3.
Determinar las características físicas de los extractos vegetales a utilizar,
reconociendo factores como humedad, densidad aparente y de masa, y porosidad.
4. Variar los niveles de radiación, conociendo así el comportamiento de la ignición
de extractos vegetales, en un espacio adecuado para su estudio.
5.
Cambiar la vegetación, simulando distintos lugares y estaciones.
6. Determinar una metodología que permita disminuir la variabilidad de los tiempos
y resultados de la ignición de vegetación.
7. Realizar de manera metódica todos los experimentos, para obtener de manera
correcta los tiempos y velocidad de ignición y combustión, junto con la forma de
propagación.
8. Determinar una relación entre cantidad de calor emitido, tiempos de ignición y
tipo de vegetación.
4
9. Modelar las variables obtenidas, es decir, tiempo de ignición, la potencia con la
que el fuego se expande y su velocidad, y el tipo de vegetación y sus características, con el
fin de formular un modelo matemático que permita visualizar de mejor manera la relación
entre ellas.
10. Proporcionar herramientas que permitan en cierta medida evitar los incendios
forestales en la región de Valparaíso.
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3. MARCO TEÓRICO
3.1 Antecedentes
Un incendio forestal es un fuego que, cualquiera sea su origen y con peligro o daño
a las personas, la propiedad o el ambiente, se propaga sin control en terrenos rurales, a
través de vegetación leñosa, arbustiva o herbácea, viva o muerta. Es decir, es un fuego
injustificado y descontrolado en el cual los combustibles son vegetales y que, en su
propagación, puede destruir todo lo que encuentre a su paso.
El origen de los incendios, recae en la acción humana. El 99,7% de los incendios se
inician ya sea por descuidos o negligencias en la manipulación de fuentes de calor, o
por prácticas agrícolas o por intencionalidad, originada en motivaciones de distinto tipo,
incluso la delictiva (CONAF).
Chile posee cerca de 35 millones de hectáreas de vegetación vulnerable a los
incendios, entre praderas y matorrales (20 millones), bosque nativo (13 millones) y
plantaciones (2,1 millones) (Urrutia R., Lanza C., 1993). De esta vegetación, una cifra
superior a las 50 mil hectáreas se queman anualmente en alrededor de 5.900 incendios
forestales, siendo las regiones más afectadas, en términos de superficie y número de
eventos, la Quinta (28,5%), la Octava (38,5%) y la Novena (18,2%). Las pérdidas
directas provocadas por los incendios son cercanas a los 50 millones de dólares, sin
considerar los valores ambientales y sociales. Si se hiciese una estimación económica
de las pérdidas provocadas por los incendios al medio ambiente, salud humana,
infraestructura, valores sociales y culturales, fuentes laborales y otros aspectos
económicos, esta cifra indudablemente sería muchísimo mayor.
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En términos de investigación de causas, sanciones y aspectos legales, en Chile el
99% de los incendios son causados por el ser humano, con una intencionalidad que en
algunas comunas de la Octava y Novena regiones alcanza al 90%. Este problema es
particularmente grave si se considera que solo un 16% de los incendios son
investigados, de los cuales no se encuentran responsables en el 95% de los casos,
terminando en sentencia solo el 0,5%. Este es un problema que se repite
permanentemente, y cuya raíz se basa en la diversidad de cuerpos legales que
generalmente funcionan en forma dispersa, conformando un marco normativo y legal
que indudablemente será necesario perfeccionar.
FUENTE: Sistema de Información Digital para el Control de Operaciones – SIDCO CONAF
Tabla 1: Número de incendios forestales y superficie afectada a la fecha
3.2 Origen de la combustión
Primeramente, para la que se produzca una llama, que luego provocará un incendio,
el primer elemento necesario es el calor, que puede ser obtenido desde diversas fuentes
7
naturales, como la actividad volcánica, los rayos, caídas de rocas, el sol o de forma
intencional por el hombre (Rodriguez-Tejo, D. 2012).
Luego, se requiere del combustible, que son sustancias cuya propiedad fundamental
es su poder calorífico, es decir, la cantidad de calor que puede desarrollarse por la
combustión de la unidad de combustible (Martínez, M. M. 2005).
Finalmente, debe existir el comburente, que en el caso de la tierra el más común es el
oxígeno.
3.3 Mecanismos de transferencia de calor
Una vez realizada la combustión, o solamente con el hecho de que existan
diferencias de temperatura, es que este calor podrá ser transmitido de tres formas
distintas.
3.3.1 Conducción
La transferencia de calor mediante el proceso de conducción se entiende
como el resultado directo de una transferencia de movimiento de una molécula con
mayor energía a otra menos enérgica por las áreas de contacto (Eckert y Drake Jr,
1959). Con esto, la energía calórica es transmitida como vibraciones o movimiento.
La conducción en sólidos se produce por las vibraciones de los átomos de una
retícula en el caso de que sea dieléctrico, o a través de los electrones libres para
materiales metálicos. En gases, múltiples colisiones aleatorias son producidas por la
distancia que existe entre moléculas, comportamiento que puede ser explicado por
la teoría cinética de los gases. Para las sustancias líquidas, el comportamiento es
similar a sólidos y gases (Eckert y Drake Jr, 1959).
8
La formulación matemática de la Ley Fourier de Conducción de Calor se puede
expresar como:
(1)
donde el factor de proporcionalidad k representa la conductividad térmica propia del
material por donde pasa el flujo de calor, A es el área transversal normal a la
transferencia de calor y ∂T/∂n corresponde al gradiente de temperatura del material
(Weston C., 2018).
3.3.2 Convección
Es el mecanismo de transferencia de calor que ocurre en fluidos, líquidos o
gaseosos, en combinación con un sólido. Es el producto de una combinación entre el
fenómeno de conducción y el transporte del fluido y energía, debido al propio
movimiento del él. En otras palabras, el mecanismo de transferencia de calor sigue
siendo la conducción, pero en este caso la energía puede ser transportada de un
lugar a otro del espacio por el movimiento mismo del fluido (Çengel y Ghajar,
2011).
El movimiento del fluido puede generarse por un mecanismo externo, e.g.,
una bomba o un ventilador, denominándose convección forzada. Si producto de las
fuerzas de empuje causadas por diferencias de densidad debido a diferencias de
temperatura en la masa del fluido se genera el movimiento, recibe el nombre de
convección natural (Çengel y Ghajar, 2011). Al existir conducción en un fluido, la
convección natural también existirá como resultado de la diferencia de densidades
del fluido.
9
Todas las complejidades del enfoque analítico del proceso pueden ser
agrupadas en un único parámetro, como se muestra en la Ley de Enfriamiento de
Newton:
(2)
La h en la ecuación 2 es conocida como el coeficiente de transferencia de
calor o coeficiente de transmisión superficial. Es una unidad de conductancia y no
una propiedad del material. Necesariamente se encuentra relacionado a la
composición del fluido, a la naturaleza y geometría del movimiento del fluido sobre
la superficie (Weston C., 2018).
3.3.3. Radiación
Un cuerpo puede absorber o liberar energía térmica sin necesidad de un
medio físico para ser transportado. La radiación térmica es la forma en que se
conoce la emisión electromagnética que produce las alteraciones energéticas
mencionadas. Esta radiación es emitida en todas direcciones; cuando se encuentra
con otro cuerpo, puede ser reflejada, absorbida o transmitida. Es la forma de
transferencia de calor más rápida y no se ve atenuada en el vacío (Çengel y Ghajar,
2011).
Todos los cuerpos, independiente del estado físico en el que se encuentren,
emiten energía en forma de radiación, siempre y cuando su temperatura se encuentre
por sobre el cero absoluto. También todos son capaces de absorber dicha energía.
Un modelo idealizado para el estudio de la radiación es mediante un cuerpo
negro, i.e., un objeto capaz de absorber toda la luz y energía incidente sobre él, y, a
10
su vez, emitir perfectamente la radiación, de forma uniforme en todas direcciones.
De esta forma es posible determinar la tasa de radiación máxima que un cuerpo es
capaz de emitir por unidad de área, gracias a la Ley de Stefan-Boltzmann:
(3)
σ representa la constante de Stefan-Boltzmann, As es la superficie del cuerpo que
emite radiación y Ts la temperatura del cuerpo. Todo objeto emite radiación a una
razón menor que la de un cuerpo negro dada una misma temperatura y superficie,
siendo expresada por:
donde ε es la emisividad de la superficie, cuyo valor oscila entre 0 y 1. Es un
indicador de cuán próximo se encuentra de ser un cuerpo negro.
Para este estudio es necesario comprender el factor de forma, el cual consiste en la
fracción de la radiación que sale de la superficie
superficie ,
y choca directamente con la
. Existe una relación de reciprocidad entre los productos de área y
factor de forma de ambos cuerpos,
=
factores de un cuerpo con el resto debe ser uno,
, además la suma de todos los
(Incropera y DeWitt,
1999). Al relacionarlo con la Ec. 3 se obtiene:
11
(Weston C., 2018).
3.4 Mecanismos de propagación
Una vez conocidos los mecanismos de transferencia de calor, se estudiarán las
formas de propagación en el ámbito forestal.
3.4.1 Propagación superficial
Corresponde a uno de los mecanismos más comunes en incendios forestales. Desde
el punto de vista físico el modelo mayormente aceptado es el de Sugihara (2006). El
modelo supone que se requiere de suficiente calor en el frente de fuego de forma de
provocar la ignición del material combustible adyacente, la propagación del fuego
es entonces el resultado de una serie de sucesivas igniciones controladas por el
tiempo de ignición y la distancia entre las partículas de material combustible. La
unidad de él que está quemándose toma el rol de fuente de calor para las unidades
de combustible adyacentes, las que a su vez actúan como receptores del calor.
Luego, la rapidez de propagación es resultado de cuán rápido se encienden las
unidades contiguas.
Los incendios de superficie queman principalmente material orgánico sobre la
superficie, como hojas en descomposición, madera y corteza, y vegetación baja tales
como arbustos, con un frente de fuego activo (Hernández N., 2017).
12
Tabla 2: Clasificación de Incendios Forestales por estrato combustible (Sugihara N., Wagtendonk J., Fites-
Kaufman J., Shaffer K., y Thode A. 2006)
3.4.2 Propagación en copas
Un incendio de copa ocurre cuando el fuego se propaga desde la materia
combustible a nivel del suelo hacia las canopias de los árboles. En general se
pueden distinguir tres fases de este mecanismo.
La primera fase es conocida como un incendio de copas pasivo, el cual
comienza con un incendio de superficie que enciende sólo unos cuantos árboles
cercanos. En la segunda fase si el fuego se propaga simultáneamente a través de las
coronas y de un incendio de superficie, entonces se denomina incendio de copas
activo. Finalmente, un incendio de copas que se propaga lejos o en ausencia de un
incendio de superficie se denomina incendio de copas independientes.
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En un incendio de copas pasivo, árboles solitarios o ramas agrupadas se
encienden y como consecuencia podría haber, eventualmente, propagación hacia las
canopias. Aunque un incendio de copas pasivo no se propaga corona a corona,
pavesas provenientes de las ramas encendidas pueden iniciar otros frentes de fuego.
Existiendo condiciones de bajo contenido de humedad, las coronas se encenderán
cuando la intensidad del incendio de superficie es lo suficientemente grande para
llevarlas a su temperatura de ignición ya sea por contacto directo o convectivo. Una
vez que se ha encendido la corona, la propagación tendrá lugar, pero débilmente,
pues la rapidez de propagación no es suficiente para transformarse en un incendio
activo de copa.
Un incendio de copa activo puede ocurrir cuando la velocidad del viento se
incrementa al punto que las llamas desde las coronas de los árboles encendidos son
desviadas hacia las coronas de árboles adyacentes. El calor generado por el incendio
de superficie al quemar bajo la canopia permite un fuego sostenido a través de las
coronas. Condiciones favorables para un incendio de copa activo son la menor
distancia desde la superficie a la corona, vientos fuertes y densidad mayor de la
corona.
Incendios de copa independientes son resultado de vientos extremos,
provocando que el fuego se desvíe lo suficiente para provocar un foco bastante lejos
de donde se encuentra el incendio de superficie. Son un fenómeno relativamente
raro con un período de vida muy corto (Hernández N., 2017).
14
Figura 1: Incendio de superficie
Figura 2: Incendio por copas
3.4.3 Propagación por Spotting
Aquellos árboles que se encienden durante cualquier fase de un incendio de
copa o árboles muertos que se encienden en cualquier tipo de incendio son fuentes
de pavesas que podrían generar incendios por spotting. Las pavesas son,
básicamente, pequeños trozos de madera o material carbonizado desprendidos
generalmente de vegetación siendo quemada, que por medio de los fuertes vientos
son desplazadas a través del aire hasta alcanzar otros puntos del terreno,
provocando, eventualmente, nuevos focos de incendio. Estos trozos pueden ser
incandescentes con o sin presencia de llama (Sugihara et. al, 2006).
La propagación de un incendio se incrementa drásticamente al encenderse
numerosos focos de incendio más allá del frente de fuego. Por supuesto, las
características del árbol fuente y de la pavesa, su tamaño y el estrato sobre el que se
depositará la partícula incandescente determinan la distancia y probabilidad de
ignición. Pavesas de gran tamaño no podrán alcanzar puntos altos al ser lanzadas ni
podrán llegar tan lejos como sí pueden las más pequeñas. Entonces, a menudo
siguen encendidas al momento de tocar el estrato y pueden, eventualmente, generar
15
focos de incendio. Las pavesas pequeñas comúnmente se apagan antes de tocar
suelo. En general, mientras están en vuelo la rapidez y dirección del viento, la
homogeneidad y vegetación del terreno influencian la distancia recorrida. Las
características relevantes de estas partículas incandescentes incluyen su tamaño,
forma, densidad y altura desde la que son lanzadas. En estudios recientes
desarrollados por Manzello et al. (2009) se han presentado las principales
características físicas de pavesas generadas artificialmente (Hernández N., 2017).
Figura 3: Spotting
Figura 4: Incendios superficiales alcanzan las canopias a través de la vegetación baja, convirtiéndose en incendios
de copa y, eventualmente, dando lugar al spotting.
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