Quemación rápida

Combustión que conduce a una explosión

Deflagraciones pirotécnicas

La deflagración (del latín de + flagrare , 'quemar') es una combustión subsónica en la que una llama premezclada se propaga a través de un explosivo o una mezcla de combustible y oxidante. ^{[1] [2] Las deflagraciones en} explosivos altos y bajos o mezclas de combustible y oxidante pueden convertirse en una detonación dependiendo del confinamiento y otros factores. ^{[3] [4]} La mayoría de los incendios que encontramos en la vida diaria son llamas de difusión . Las deflagraciones con velocidades de llama en el rango de 1 m/s difieren de las detonaciones que se propagan supersónicamente con velocidades de detonación en el rango de km/s. ^[5]

Aplicaciones

Las deflagraciones se utilizan a menudo en aplicaciones de ingeniería cuando se utiliza la fuerza del gas en expansión para mover un objeto, como un proyectil por un cañón o un pistón en un motor de combustión interna . Los sistemas y productos de deflagración también se pueden utilizar en minería, demolición y explotación de canteras de piedra mediante voladuras a presión con gas como una alternativa beneficiosa a los explosivos de alta potencia.

Terminología de seguridad de explosivos

Al estudiar o analizar la seguridad de los explosivos o de los sistemas que contienen explosivos, es necesario comprender los términos deflagración, detonación y transición de deflagración a detonación (comúnmente denominada DDT) y utilizarlos de forma adecuada para transmitir la información pertinente. Como se explicó anteriormente, una deflagración es una reacción subsónica, mientras que una detonación es una reacción supersónica (superior a la velocidad del sonido del material). Distinguir entre una deflagración y una detonación puede resultar difícil o imposible para el observador casual. Más bien, diferenciar con seguridad entre ambas requiere instrumentación y diagnósticos para determinar la velocidad de reacción en el material afectado. Por lo tanto, cuando ocurre un evento inesperado o un accidente con un material explosivo o un sistema que contiene explosivos, suele ser imposible saber si el explosivo deflagró o detonó, ya que ambas pueden aparecer como reacciones muy violentas y enérgicas. Por lo tanto, la comunidad de materiales energéticos acuñó el término "reacción violenta de alto explosivo" o "HEVR" para describir una reacción violenta que, debido a que carecía de diagnósticos para medir la velocidad del sonido, podría haber sido una deflagración o una detonación. ^{[6] [7]}

Física de la llama

La física de la llama subyacente se puede entender con la ayuda de un modelo idealizado que consiste en un tubo unidimensional uniforme de combustible gaseoso quemado y no quemado, separados por una delgada región de transición de ancho en la que se produce la combustión. La región de combustión se conoce comúnmente como llama o frente de llama . En equilibrio, la difusión térmica a través del frente de llama se equilibra con el calor suministrado por la combustión. ^{[8] [9] [10] [11]} ${\displaystyle \delta \;}$

Aquí son importantes dos escalas de tiempo características. La primera es la escala de tiempo de difusión térmica , que es aproximadamente igual a ${\displaystyle \tau _{d}\;}$

$${\displaystyle \tau _{d}\simeq \delta ^{2}/\kappa ,}$$

donde es la difusividad térmica . La segunda es la escala de tiempo de combustión que disminuye fuertemente con la temperatura, típicamente como ${\displaystyle \kappa \;}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$

$${\displaystyle \tau _{b}\propto \exp[\Delta U/(k_{B}T_{f})],}$$

donde es la barrera de activación para la reacción de combustión y es la temperatura desarrollada como resultado de la combustión; el valor de esta denominada "temperatura de llama" se puede determinar a partir de las leyes de la termodinámica. ${\displaystyle \Delta U\;}$ ${\displaystyle T_{f}\;}$

En el caso de un frente de deflagración móvil y estacionario, estas dos escalas de tiempo deben ser iguales: el calor generado por la combustión es igual al calor transportado por transferencia de calor . Esto permite calcular la anchura característica del frente de llama: ${\displaystyle \delta \;}$

$${\displaystyle \tau _{b}=\tau _{d}\;,}$$

de este modo

$${\displaystyle \delta \simeq {\sqrt {\kappa \tau _{b}}}.}$$

Ahora, el frente de llama térmica se propaga a una velocidad característica , que es simplemente igual al ancho de la llama dividido por el tiempo de combustión: ${\displaystyle S_{l}\;}$

$${\displaystyle S_{l}\simeq \delta /\tau _{b}\simeq {\sqrt {\kappa /\tau _{b}}}.}$$

Este modelo simplificado no tiene en cuenta el cambio de temperatura y, por lo tanto, la velocidad de combustión a lo largo del frente de deflagración. Este modelo tampoco tiene en cuenta la posible influencia de la turbulencia . Como resultado, esta derivación solo proporciona la velocidad de la llama laminar , de ahí la designación . ${\displaystyle S_{l}\;}$

Eventos dañinos

Una deflagración de corta duración y a gran escala puede causar daños a edificios, equipos y personas. El daño potencial depende principalmente de la cantidad total de combustible quemado en el evento (energía total disponible), la velocidad máxima de reacción que se alcanza y la manera en que se contiene la expansión de los gases de combustión. Las deflagraciones ventiladas tienden a ser menos violentas o dañinas que las deflagraciones contenidas. ^[12]

En las deflagraciones al aire libre, existe una variación continua de los efectos de la deflagración en relación con la velocidad máxima de la llama. Cuando las velocidades de la llama son bajas, el efecto de una deflagración es liberar calor, como en un incendio repentino . A velocidades de llama cercanas a la velocidad del sonido , la energía liberada se presenta en forma de presión, y la alta presión resultante puede dañar equipos y edificios. ^[13]

Véase también

• Conflagración
• Transición de deflagración a detonación
• Pilotaje a presión

Referencias

1. O'Conner, Brian (27 de marzo de 2023). «Explosiones, deflagraciones y detonaciones». Asociación Nacional de Protección contra Incendios . Archivado desde el original el 28 de marzo de 2023. Consultado el 31 de mayo de 2023 .
2. Manual de ingeniería de protección contra incendios (5.ª ed.). Sociedad de ingenieros de protección contra incendios. 2016. pág. 373.
3. McDonough, Gordon (1 de abril de 2017). «¿Qué es un explosivo de alto poder?». Bradbury Science Museum, Los Alamos National Laboratory . Archivado desde el original el 2017-05-02 . Consultado el 31 de mayo de 2023 .
4. Rosas, Camilo; Davis, Scott; Engel, Derek; Middha, Prankul; van Wingerden, Kees; Mannan, MS (julio de 2014). "Transiciones de deflagración a detonación (DDT): predicción de DDT en explosiones de hidrocarburos". Journal of Loss Prevention in the Process Industries . 30 : 263–274. doi :10.1016/j.jlp.2014.03.003 . Consultado el 31 de mayo de 2023 .
5. Manual de ingeniería de protección contra incendios (5.ª ed.). Sociedad de ingenieros de protección contra incendios. 2016. pág. 390.
6. Squires, Jess (22 de enero de 2023). "Reacción violenta altamente explosiva (HEVR): directivas, orientación y delegaciones del DOE". www.directives.doe.gov . Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2022 . Consultado el 8 de junio de 2023 .
7. "¿Cuál es la diferencia entre una explosión y una detonación?". www.lanl.gov . Consultado el 8 de junio de 2023 .
8. Williams, FA (2018). Teoría de la combustión . CRC Press.
9. Landau, LD y Lifshitz, EM (1959). Mecánica de fluidos . Curso de Física Teórica, 6.
10. Linan, A., & Williams, FA (1993). Aspectos fundamentales de la combustión .
11. Zeldovich, IA, Barenblatt, GI, Librovich, VB y Makhviladze, GM (1985). Teoría matemática de la combustión y las explosiones .
12. Tarver, CM; Chidester, SK (9 de febrero de 2004). "Sobre la violencia de las reacciones altamente explosivas". Revista de tecnología de recipientes a presión . 127 : 39–48. doi :10.1115/1.1845474. OSTI  15013892.
13. Norma NFPA 68 sobre protección contra explosiones mediante ventilación por deflagración. Asociación Nacional de Protección contra Incendios. 2018. pág. 5.