EFECTO DEL CONTENIDO DE HUMEDAD DE UN ESTRATO DE COMBUSTIBLE FORESTAL SOBRE EL RETARDO DEL TIEMPO DE IGNICIÓN

UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA

Peumo Repositorio Digital USM

https://repositorio.usm.cl

Tesis USM TESIS de Pregrado de acceso ABIERTO

2019

EFECTO DEL CONTENIDO DE

HUMEDAD DE UN ESTRATO DE

COMBUSTIBLE FORESTAL SOBRE

EL RETARDO DEL TIEMPO DE IGNICIÓN

CARVAJAL CALDERÓN, CARLOS ANTONIO

https://hdl.handle.net/11673/46629

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

VALPARAÍSO - CHILE

EFECTO DEL CONTENIDO DE HUMEDAD DE UN ESTRATO DE

COMBUSTIBLE FORESTAL SOBRE EL RETARDO DEL TIEMPO DE

IGNICIÓN

CARLOS ANTONIO CARVAJAL CALDERÓN

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL

PROFESOR GUÍA : DR. ANDRÉS FUENTES CASTILLO PROFESOR CORREFERENTE : DR. JUAN JOSÉ CRUZ VILLANUEVA

Agradecimientos

En primer lugar, quiero expresar mi agradecimiento, profundo amor y orgullo a mis padres quienes me han entregado mucho amor y se han esforzado enormemente para darme la oportunidad de venir lejos de casa a estudiar. A mis hermanas y hermano, quienes me han acompañado toda la vida y me han motivado en todo este tiempo.

Quiero también agradecerle a cada uno de los amigos que conocí en la universidad, que han sido parte de mi formación como profesional, que me han acompañado en todas esas noches de estudio y trabajos, y otras que sólo nos reuníamos a compartir un rato. Estoy muy feliz de haber conocido a estas maravillosas personas. Agradezco a Marce, Doni, Tomi, Carito, Koke, Cami, Rodri, Polilla, Palma, Vera Lucía, Dani, Cata, Lalo, Joxi, Monje, Torre, Frois, Deme, Vale, Alvaro, sé que faltan algunos,

pero no puedo escribir a cada uno.

RESUMEN EJECUTIVO

Un estudio experimental para el tiempo de ignición de un lecho poroso de combustible forestal con distinto contenido de humedad fue llevado a cabo. Este estudio simula la propagación de un incendio forestal mediante una pavesa (partícula incandescente) que se genera en la combustión de un árbol y arroja partículas incandescentes con o sin presencia de llama, las cuales viajan mediante convección o viento más allá del frente del incendio, la cual al caer en un lecho vegetal puede o no encender otro foco de incendio.

El aparato experimental a usar es el IFIT (Idealized Firebrand Ignition Test) que, donde se ha idealizado la pavesa a través de un heater (resistencia eléctrica). Este equipo permite entender la relación que exite entre el nivel de humedad (MC), tiempo de ignición (tig) y el flujo radiativo incidente ( ˙q”inc).

Debido a la vegetación existente en Chile y la alta presencia delP inusRadiata, es que se ha

trabajado con esta especie. Utilizando sólo las acículas de pino muertas. El trabajo realizado se ha considerado una fracción en volumen constante deα=0.08, y distintos contenidos de humedad, 0 % y

un 18 %.

Cada tipo de estrato fue sometido a un flujo radiativo incidente, y se midió su tiempo de ignición, pudiendo comprobar una relación cuasi-lineal entre el flujo incidente y el inverso del tiempo de ignición (1/tig). Además, se determinó el flujo radiativo incidente crítico para cada tipo de estrato, siendo para la muestra sin humedad (MC=0 %) corresponde a ˙q”inc=8.34 kW/m2y para el estrato con humedad (MC=18 %( el flujo radiativo incidente crítico corresponde a ˙q”inc,cri=9.67 kW/m2.

ÍNDICE DE CONTENIDOS ÍNDICE DE CONTENIDOS

Índice de Contenidos

1. Introducción y Antecedentes 1

1.1. Introducción . . . 1

1.2. Antecedentes . . . 2

1.2.1. Incendios forestales en el mundo . . . 2

1.2.2. Incendios forestales en Chile . . . 2

1.2.3. Vegetación en Chile . . . 3

1.3. Alcance . . . 5

1.4. Objetivos . . . 6

1.4.1. Objetivo General . . . 6

1.4.2. Objetivos Específicos . . . 6

2. Marco Teórico 7 2.1. Fenómeno de un incendio forestal . . . 7

2.1.1. Descripción . . . 7

2.1.2. Condiciones necesarias . . . 7

2.1.3. Mecanismos de propagación . . . 7

2.1.3.1. Incendio vía subsuelo . . . 8

2.1.3.2. Incendio vía superficial . . . 8

2.1.3.3. Incendio por copas . . . 9

2.1.3.4. Propagación de incendios por spotting . . . 10

2.2. Biomasa . . . 11

2.2.1. Densidad de masa . . . 11

2.2.2. Densidad aparente . . . 11

2.2.3. Packing ratio y porosidad . . . 12

2.2.4. Relación superficie - volumen de las muestras combustibles . . . 13

2.3. Contenido de humedad (MC) del estrato vegetal . . . 13

2.4. Transferencia de calor . . . 16

2.4.1. Conducción . . . 16

2.4.2. Convección . . . 16

2.4.3. Radiación . . . 17

2.5. Teoría de ignición de sólidos . . . 18

2.5.1. Descripción . . . 18

2.5.2. Generación de gases de pirólisis . . . 18

2.5.3. Difusión de gases de pirólisis y aire ambiente . . . 19

2.5.3.1. Ignición espontánea . . . 19

2.5.4. Aproximación Thermally Thin y Thermally Thick . . . 20

2.5.5. Consideraciones . . . 20

2.5.5.1. Charring . . . 20

2.5.5.2. Flujo crítico de ignición . . . 21

2.5.5.3. Temperatura de ignición y tiempo de ingnición . . . 21

2.6. Análisis estadístico . . . 22

3. Diseño Experimental 25 3.1. Variables Respuesta . . . 25

3.2. Montaje experimental . . . 25

3.2.1. Descripción . . . 25

3.2.2. Propiedades físicas y radiativas del Heater . . . 26

ÍNDICE DE CONTENIDOS ÍNDICE DE CONTENIDOS

3.2.4. Banlanza . . . 28

3.2.5. Termocupla . . . 28

3.2.6. Sistema de Adquisición de Datos (DAQ) . . . 28

3.2.7. Recipiente portamuestras . . . 28

3.2.8. Fuente de poder . . . 29

3.2.9. Multímetro digital . . . 29

3.2.10. Hornos . . . 29

4. Metodología 31 4.1. Caracterización del Heater . . . 31

4.1.1. Perfil de radiación incidente . . . 31

4.2. Caracterización biomasa . . . 34

4.2.1. Cálculo Contenido de humedad . . . 34

4.2.2. Cálculo relación superficie-volumen . . . 35

4.2.3. Cálculo densidad de masa . . . 36

4.2.4. Preparación de la muestra . . . 37

4.2.5. Distribución estrato vegetal . . . 38

4.3. Procedimiento experimental . . . 40

4.3.1. Descipción general . . . 40

4.3.2. Determinación pérdida de masa (MLR) . . . 40

4.3.3. Determinación de temperatura del estrato vegetal . . . 41

4.3.4. Determinación del tiempo de ignición . . . 41

4.3.5. Determinación del flujo critico incidente . . . 41

4.4. Estimación del error . . . 41

5. Resultados Experimentales 43 5.1. Resultados contenido de humedad . . . 43

5.2. Resultados tiempo de ignición . . . 44

5.3. Resultados de flujo crítico incidente . . . 45

5.4. Resultados de pérdida de masa (MLR) . . . 46

5.5. Resultados de temperatura del estrato . . . 47

6. Conclusiones y Comentarios 49

ÍNDICE DE TABLAS ÍNDICE DE TABLAS

Índice de Tablas

2.1. Clasificación de Incendios Forestales por estrato de combustible . . . 8

3.1. Propiedades físicas y radiativas delSi3N4, compuesto del heater . . . 27

4.1. Parámetros caracterización del heater. . . 34

4.2. Voltaje, intensidad de corriente y flujo radiativo indicente. . . 34

4.3. Contenido de humedad de los estratos vegetales . . . 35

4.4. My caption . . . 36

4.5. Resultados de densidad de masa de acículas de pino medidas experimentalmente. . . 37

4.6. Comparación densidad de masa y relación superficie - volumen de acículas para distintos tipos de pino. . . 37

4.7. Masa inicial (mf uel), densidad aparente (ρb) y francción en volumen de material com-bustible (αf uel) con los cuales se trabajó . . . 39

4.8. Rango de profundidad de la capa y promedios de densidad aparente para estratos no descompuestos (Ottmar y Andreu (2007)) . . . 39

ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE FIGURAS

Índice de Figuras

1.1. Distribución espacial de incendios forestales en Chile.Las áreas marcadas en rojo corres-ponden al número de incendios que coinciden con los principales centros de población y

carreteras.Castillo et al.(2015) . . . 3

1.2. Ocurrencia de incendios forestales y superficie afectada anualmente desde 1964 hasta 2018.CONAF(2018b) . . . 4

1.3. Principales áreas de riesgo de incendio forestal, definidas por áreas críticas con un historial de incendios. Mayores densidades se muestran más oscuras.Castillo et al.(2015) 5 2.1. Incendio superficial. . . 9

2.3. Pavesas en un incendio. . . 10

2.4. Distribución de área superficial y tamaño de pavesas reportado porManzello et al.(2009) 10 2.5. Ejemplo ilustrado de cálculo de densidad aparente . . . 12

2.6. Inserte descripción de la figura . . . 13

2.7. Curvas de contenido de humedad en equilibrio (EMC) para un combustible muerto típico, para el caso de perdida o ganancia de humedad. . . 14

2.8. Equilibrio del contenido de humedad de la madera en función de la humedad relativa y la temperatura. . . 15

2.9. EMC de agujas de P. pinaster muertas en los procesos de adsorción y desorción. . . 15

2.10. Representación de la exactitud y precisión. . . 22

3.1. Vista general del montaje experimental IFIT . . . 26

3.2. Vista y plano del heater utilizado. . . 27

3.3. Esquema recipiente portamuestras. . . 29

3.4. Horno de secado y Cámara de humedad utilizados. . . 30

4.1. Caracterización de flujo radiativo emitido e incicente del heater. . . 33

4.2. Esquema caracterización flujo radiativo incidente del heater. . . 33

4.3. Muestra escaneada de acículas de pino previo al análisis. . . 36

5.1. Incremento del contenido de humedad durante el proceso de humidificación en la cámara. 43 5.2. Tiempo de ignición a diferentes flujos radiativos incidentes y diferentes contenido de humedad. . . 45

5.3. Evolución temporal de la pérdida de masa normalizada. . . 47

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

1

|

Introducción y Antecedentes

1.1.

Introducción

El fuego es un elemento que ha tenido un rol fundamental en la historia de la humanidad, representando una herramienta imprescindible en la vida diaria del ser humano. Los beneficios que la combustión ha aportado abarcan muchas ámbitos de las actividades humanas, pues representan una fuente de luz, de calor, de energía. Estas características han permitido desarrollar y construir diversas herramientas tecnológicas que han mejorado la calidad de vida del humano durante toda su historia. También, el fuego representa un agente constante de cambios sobre el paisaje mediante los incendios forestales, permitiendo la evolución y renovación de los ecosistemas. Este rol ecológico ha sido un proceso vital y esencial para los procesos de sucesión ecológica y mantenimiento de la estabilidad al interior de los ecosistemas. Sin embargo, esta estabilidad ha sido crecientemente modificada por la acción humana, a través de la intervención cada vez más agresiva sobre los recursos naturales renovables

Castillo et al.(2003).

La Corporación Nacional Forestal, define un incendio forestal como “fuego que, cualquiera sea su origen, se propaga sin control en terrenos rurales a través de vegetación leñosa, arbustiva o herbácea, ya sea viva o muerta”CONAF (2018a). Los incendios forestales, pueden llegar a ser catastróficos para los asentamientos humanos circundantes, al poner en riesgo la integridad y salud de las personas y sus bienes. Por ejemplo, podemos citar el gran incendio que afectó Valparaíso el año 2014, el cual dejó 2000 casas destruidas, 850 hectáreas consumidas por el fuego y 17000 personas evacuadas (Mercurio(2014)). Los incendios forestales más grandes en la historia de Chile ocurrieron durante el verano del año 2017, en el cual resultaron quemadas cerca de 600 mil hectáreas de bosques, comprendidas entre la región de Coquimbo y los Lagos.

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES 1.2. ANTECEDENTES

1.2.

Antecedentes

1.2.1.

Incendios forestales en el mundo

El fuego ha realizado constante cambios sobre el paisaje, permitiendo la evolución y renovación de los ecosistemas. Las tormentas eléctricas y erupciones volcánicas son las causas naturales más frecuentes por las cuales el fuego se hace presente. Sin embargo, la acción humana, a través de la intervención cada vez más agresiva sobre los recursos naturales ha roto este balance con su accionar, ya sea deliberada o accidentalmente, de forma directa o indirecta. Castillo et al.(2003)

Hoy en día, el desarrollo de edificaciones y zonas urbanizadas contribuye a incrementar la inestabilidad de los ecosistemas, provocando un aumento en la vulnerabilidad territorial frente a incendios forestales.Martín(2012)

Grandes incendios se han visto a lo largo de la historia, como el incendio de Londres (1666), el cual destruyó cuatro quintas partes de la ciudad o el incendio de Australia (2009), el cual dejó 450.000 hectáreas consumidas, arrasando con ciudades inclusive. Otros países que se han visto afectados por estos incendios son España, Estados Unidos, Grecia, Portugal y Chile.

Resulta evidente que el problema de los incendios forestales tiene lugar a nivel mundial y que, a pesar de los grandes esfuerzos en investigación, prevención y control, aún las entidades deben enfrentar estas catástrofes año a año.

1.2.2.

Incendios forestales en Chile

Chile es constantemente afectado por incendios forestales, ya que posee condiciones propicias como el clima mediterráneo, períodos prolongados de sequías y el factor humano, para que inicie el fuego y éste se propague arrasando con lo que pilla a su paso. Algunos ejemplos de estas situaciones corresponden al gran incendio de Valparaíso de 2014 y el incendio del verano del 2017 que arrasó con 600 mil hectáreas. (Mercurio(2014))

Estudios realizados por el Laboratorio de Incendios Forestales de la Universidad de Chile, junto a los registros históricos de CONAF, han conseguido establecer lugares críticos de ocurrencias de incendios forestales, lo que implica una mayor probabilidad de que se produzca un incendio de gran envergadura

Castillo et al.(2015). Las zonas centro y sur son las que poseen mayor cantidad de incendios forestales y a su vez, mayor superficie afectada, como se puede visualizar en la figura 1.3.

1.2. ANTECEDENTES CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

Figura 1.1:Distribución espacial de incendios forestales en Chile.Las áreas marcadas en rojo corresponden al número de incendios que coinciden con los principales centros de población y carreteras.Castillo et al.(2015)

llegar a ser una buena referencia. Las estadísticas muestran que desde el año 2014 en promedio han ocurrido 6,504 incendios quemando 177.299 (ha) cada año, no obstante, esta información no cuantifica los daños provocados al ecosistema y a las personas.

Los incendios forestales son un problema a nivel mundial y por eso es que hay muchas investi-gaciones para comprender de mejor manera el comportamiento de este fenómeno y poder prevenir y controlarlo de manera mas eficiente.

1.2.3.

Vegetación en Chile

Chile se ubica en el extremo suroeste de América del Sur, desde el paralelo 17°30’ S hasta los 56°S. Tiene una superficie de 755.838,7 km2_{, en los que se incluye la isla de Pascua (Oceanía) y el} archipiélago de Juan Fernández.

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES 1.2. ANTECEDENTES

Figura 1.2:Ocurrencia de incendios forestales y superficie afectada anualmente desde 1964 hasta 2018.

CONAF(2018b)

Atacama. En la zona centro-norte se encuentran los bosques mediterráneos neotropicales. Es una zona muy degradada por los incendios, la explotación del suelo para la agricultura y la expansión de los grandes núcleos urbanos. Al sur del río Bío-Bío aparece el clima marítimo y la vegetación se vuelve más tupida. Se desarrolla el llamado bosque valdiviano. En las regiones australes del país aparece el bosque siempreverde, similar al valdiviano, aunque con menos especies arbóreas, y con características de taiga (bosque boreal o bosque de coníferas). En el extremo austral aparece la tundra. La vegetación se reduce a algunos árboles achaparrados, tales como el canelo, coigüe de Magallanes y diversas especies arbustivas y herbáceas, musgos y líquenes.

Cerca de 17.6 millones de hectáreas corresponden a bosques, lo cual corresponde al 23.3 % del territorio nacional, de los cuales, 14.4 millones corresponden a bosques nativos y 3.2 millones a plantaciones forestales según el catastro oficial de usos de suelos elaborado porCONAF (2019).

1.3. ALCANCE CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

Figura 1.3:Principales áreas de riesgo de incendio forestal, definidas por áreas críticas con un historial de incendios. Mayores densidades se muestran más oscuras.Castillo et al.(2015)

humedad de los combustibles suspendidos sobre el suelo (Gould et al. (2011)). Los primeros responden a los cambios de temperatura y humedad relativa, así como a la presencia de agua en la superficie del combustible y los últimos dependen de la radiación, la precipitación y los flujos de calor y vapor de agua.

De esta forma, el porcentaje de contenido de humedad (MC: moisture content) de los combustibles forestales, es una variable importante a ser considerada pues podría modificar el comportamiento y propagación de los incendios forestales. En ese sentido, resulta importante conocer la influencia de la humedad de la vegetación, debido a las condiciones climáticas, sobre el tiempo de ignición del combustibles en un incendio forestal.

1.3.

Alcance

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES 1.4. OBJETIVOS

partir de la radiación emitida por una partícula incandescente (pavesa). La justificación principal de este enfoque es la posibilidad de controlar de mejor manera las variables involucradas en el proceso de ignición.

Este estudio tiene como foco el proceso de ignición espontánea de pino radiata, estableciendo las correlaciones entre las principales variables en este estudio, tiempo de ignición y flujo de radiación.

El alcance es limitado a determinadas condiciones controladas como el flujo de radiación incidente, tipo de estrato y su contenido de humedad, quedando fuera de todo tipo de análisis otras variedades de estrato vegetal, otras porosidades o el proceso químico asociado a la ocurrencia de la ignición y posterior combustión.

1.4.

Objetivos

1.4.1.

Objetivo General

Estudiar el retardo del tiempo de ignición de un estrato de acículas de Pinus Radiata con diferentes contenidos de humedad mediante su exposición a diferentes flujos radiativos incidentes.

1.4.2.

Objetivos Específicos

1. Caracterizar la radiación emitida por la fuente de calor y la radiación incidente en el estrato vegetal en función de la potencia eléctrica suministrada al sistema.

2. Caracterizar las propiedades físicas del estrato vegetal teniendo en cuenta su densidad de masa, densidad aparente, relación superficie-volumen, porosidad y contenido de humedad.

3. Establecer una metodología para la disposición de acícula de pino en el portamuestras que permita minimizar la variabilidad de los tiempos de ignición de cada uno de los experimentos a realizar.

4. Diseñar una metodología experimental que permita minimizar la variabilidad de los tiempos de ignición de cada uno de los experimentos a realizar.

5. Obtener los tiempos de ignición, temperaturas radiales y pérdidas de masa en función del flujo radiativo incidente y las características físicas del estrato.

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

2

|

Marco Teórico

2.1.

Fenómeno de un incendio forestal

2.1.1.

Descripción

La Corporación Nacional Forestal (CONAF), define un incendio forestal como “fuego que, cualquiera sea su origen, se propaga sin control en terrenos rurales a través de vegetación leñosa, arbustiva o herbácea, ya sea viva o muerta”. (CONAF(2018a))

Los diferentes tipos de incendios puede clasificarse según su morfología, grado de intensidad o patrón de comportamiento. En el mundo forestal, la clasificación genérica en función de los estratos de combustible alcanzados y la forma del avance es:

1. Incendio de subsuelo.

2. Incendio de superficie.

3. Incendio en las copas de los árboles.

4. Incendio en forma de pavesas.

2.1.2.

Condiciones necesarias

Un incendio forestal representa un proceso de combustión fuera de control con gran liberación de energía. Para esto, se requiere de combustibles en cantidad suficiente, condiciones ambientales adecuadas, generación de calor suficiente para promover la liberación de gases de pirólisis que alcancen la temperatura de ignición y que se combinen con una cantidad adecuada de oxígeno, para sustentar la quema.

2.1.3.

Mecanismos de propagación

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.1. FENÓMENO DE UN INCENDIO FORESTAL

Tabla 2.1:Clasificación de Incendios Forestales por estrato de combustible

Tipo de incendio Estrato combustible Descripción del combustible

Subsuelo Combustible bajo suelo Material orgánico, turba, acumulación basal, descomposición animal.

Superficie Combustible de lecho vegetal Combustible de madera

Materia descompuesta, líquenes, musgo. Madera, madera descompuesta, troncos caídos.

Copas pasivo

Arbustos Vegetación baja

Combustible de lecho vegetal Combustible de madera

Arbustos, acícula aún en el árbol. Pasto, maleza, hierbas.

Lecho vegetal, líquenes, musgo.

Madera, madera podrida, árboles caídos.

Copa activo

Arbustos Vegetación baja Canopia de árboles

Combustible de lecho vegetal Combustible de madera

Arbustos, acículas muertas aún en el árbol. Hierbas, malezas, hierbas.

Canopias, troncos, ramas. Lecho vegetal, líquenes, musgo.

Madera, madera podrida, árboles caídos.

Copa independiente

Arbustos Vegetación baja Canopia de árboles

Arbustos, acícula aún en el árbol. Pasto, maleza, hierbas.

Canopias, troncos, ramas.

2.1.3.1. Incendio vía subsuelo

Se producen cuando la quema de materia orgánica se localiza en el subsuelo, y el combustible esta principalmente compuesto por las hojas muertas, raíces y la capa mineral del suelo. Estos incendios solo son detectados por la emisión de humo, ya que normalmente se queman sin la generación de llama y avanzan lentamente debido a la insuficiencia de oxigeno (Zárate López(2004)).

2.1.3.2. Incendio vía superficial

2.1. FENÓMENO DE UN INCENDIO FORESTAL CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

Figura 2.1:Incendio superficial.

2.1.3.3. Incendio por copas

En este tipo de incendios las copas de los arboles se queman en diferentes grados: incendios de copas pasivos, copas activos e independientes.

Los incendios de copas pasivo suceden cuando la intensidad del fuego de un incendio superficial, como hojas, ramas y troncos, es lo suficientemente grande para encender las copas de los arboles.

En incendios de copas activos, la quema de las copas y la quema de combustible presente en la superficie suceden simultáneamente. El incendio superficial libera energía suficiente para sostener y propagar la quema de las copas. Algunos factores que ayudan a la propagación de los incendios son la distancia entre copas, velocidad del viento y la densidad de la copa.

Los incendios de copas independientes son resultado de la propagación del fuego por vientos extremos. Aquí, el frente de fuego avanza rápidamente.

Los incendios de copas pueden favorecer la generación de incendios secundarios más allá del frente del incendio (spotting).

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.1. FENÓMENO DE UN INCENDIO FORESTAL

2.1.3.4. Propagación de incendios por spotting

Los incendios puntuales que aparecen mas allá del frente de fuego son generalmente iniciados por partículas carbonizadas incandescentes (pavesas), que son desprendidas y transportadas por convección y por el viento (Sugihara et al. (2006)). Estas viajan grandes distancias e inician otro foco de incendio.

Figura 2.3:Pavesas en un incendio.

Estudios realizados porManzello et al.(2009) han caracterizado la distribucion de tamaños de pavesas provenientes de incendios de Korean Pine y Douglas Fir, como mostrado en la figura 2.4 donde se observa la relación de superficie y masa de las pavesas.

2.2. BIOMASA CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

2.2.

Biomasa

2.2.1.

Densidad de masa

La densidad de masa del combustible,ρf uel, representa la masa individual de muestra combustible seca dividido por el espacio que ocupa. (Keane(2015)). Se calcula como:

ρf uel=

mf uel

vf uel (2.1)

EL volumen de muestras con formas irregulares, como el combustible forestal, se puede determinar por aproximación, asumiendo cierta semejanza a una forma geométrica estándar, estableciendo dimensiones promedio que permitan obtener un volumen referencial. Sin embargo, esto genera gran error cuando se trabaja con muestras muy pequeñas (como agujas de pino). Una metodología alternativa consiste en sumergir la partícula en algún líquido y medir la diferencia de volumen provocada, teniendo en consideración que el líquido no sea absorbido por la muestra. Por otro lado, antes de ser pesada la muestra, esta se seca en un horno y luego se aplica la ecuación arriba descrita 2.1.

2.2.2.

Densidad aparente

La densidad aparente de una muestra combustible (bulk density en inglés),ρb, representa la

masa global del material que compone el combustible por unidad de volumen del espacio en el que esta masa se encuentra. A diferencia de la densidad de masa, la densidad aparente incluye los espacios vacíos (o con aire) entre las partículas del combustible (Keane (2015)). Se obtiene a partir de la siguiente

ecuación:

ρb=

mf uel

vbasket

(2.2)

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.2. BIOMASA

Figura 2.5:Ejemplo ilustrado de cálculo de densidad aparente

2.2.3.

Packing ratio y porosidad

El packing ratio,β, es un índice usado para caracterizar la compactación de un estrato vegetal

(Keane(2015)), calculado como:

β = ρb

ρf uel (2.3)

Desde el punto de vista de la transferencia de calor, resulta ser un parámetro de gran interés porque existe una mayor pérdida de calor mayor en estratos con bajos packing ratios (gran cantidad de espacios con aire), mientras que para elevados packing ratios, la presencia de aire y profundidad de penetración del calor es menor, resultando en una propagación e intensidad de fuego menores.

Otro indicador del nivel de compactación es la porosidad,, definida como la razón del volumen

de aire (o vacío) respecto al total de volumen del estrato (Keane(2015)):

= vaire vbasket = 1

− ρb

ρf uel (2.4)

Un tercer parámetro de caracterización de la distribución de la biomasa es la fracción en volumen que ocupa el material combustible,αf uel, respecto del volumen total del estrato:

αf uel=

vf uel

vbasket

(2.5)

2.3. CONTENIDO DE HUMEDAD (MC) DEL ESTRATO VEGETAL CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

2.2.4.

Relación superficie - volumen de las muestras combustibles

La razón superficie–volumen,ω, se define como el área de un espécimen de combustible, dividida

por su volumen. Especímenes que son gruesos, e.g., troncos, tienen bajosω (<1m−1_{), en tanto que} para especímenes largos y delgadas es muy alto (>2000m−1_).

Esta relación es también un indicador de cuán fácil puede encenderse una espécimen (Keane

(2015)). Su importancia se puede explicar al considerar un material combustible de forma cubica, ver figura 2.6, que experimenta divisiones sucesivas. Por ejemplo, si el cubo consiste de una sola partícula unitaria de ladol= 20, se tiene queω= 0,3 yωtotal= 0,3. Sin embargo, tras aplicar sucesivas divisiones la razón superficie–volumen aumenta drásticamente, ver figura 2.6, a pesar de que el volumen total se conserva debido al incremento de superficie. Este concepto resulta de gran importancia pues a mayor superficie disponible al momento de la combustión, el calentamiento de la partícula es mucho más rápido y la humedad que puede haber contenido el material combustible se evapora más fácilmente.

Sugihara et al.(2006)

Figura 2.6:Inserte descripción de la figura

2.3.

Contenido de humedad (MC) del estrato vegetal

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.3. CONTENIDO DE HUMEDAD (MC) DEL ESTRATO VEGETAL

El intercambio de vapor se puede describir con una ecuación diferencial:

dm dt =

me−m

τ (2.6)

dondemes MC, mees EMC yτ es el tiempo de respuesta (h).

Sin embargo, el contenido de humedad en equilibrio depende de variables como la temperatura y humedad relativa del ambiente. Para una determinada temperatura ambiente, la figura 2.7 muestra como el contenido de humedad en equilibrio de una muestra vegetal varia con la humedad relativa del medio ambiente. Este gráfico muestra el comportamiento del EMC en los procesos de humectación realizados al interior de hornos bajo una temperatura fija. También muestras que existe un compor-tamiento ligeramente diferente si el proceso va en el sentido del secado (desorción) o humidificación (adsorción).

Figura 2.7:Curvas de contenido de humedad en equilibrio (EMC) para un combustible muerto típico, para el caso de perdida o ganancia de humedad.

Ross et al. (2010) determinó el EMC para la madera como función de la humedad relativa y temperatura, mostrados en la figura 2.8, donde se observa claramente el efecto que tiene la temperatura y la humedad relativa del medio ambiente sobre el valor del EMC en la muestra combustible. Se observa que para bajas temperaturas, el contenido de humedad cambia mas rápidamente que a una temperatura elevada, requiriéndose de una menor humedad relativa ambiente para obtener el mismo MC.

Simpson (2007) mostró que la ecuación 2.7 provee un buen ajuste a los datos EMC-RH-Temperatura, mostrados en la figura 2.8.

EM C( %) = 1,800 W

h Kh 1−Kh +

K1Kh+ 2K1K2K2h2 1 +K1Kh+K1K2K2h2

i

, (2.7)

2.3. CONTENIDO DE HUMEDAD (MC) DEL ESTRATO VEGETAL CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

Figura 2.8:Equilibrio del contenido de humedad de la madera en función de la humedad relativa y la temperatura.

K = 0.805 + 0.000736T - 0.00000273T2 K1 = 6.27 - 0.00938T - 0.000303T2 K2 = 1.91 + 0.0407T - 0.000293T2

Por otro lado,Lopes et al.(2014) realizó pruebas de laboratorio para estudiar los procesos de adsorción y desorción de combustibles forestales finos como el Pinus pinaster. La fig. 2.9 muestra los valores experimentales de EMC obtenidos para temperaturas de 35°C, en un rango de valores de HR entre 10 y 90o_{C en las pruebas de adsorción y desorción. Las cuales son congruentes con los modelos} propuestos por distintos autores y el comportamiento similar a la figura 2.7.

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.4. TRANSFERENCIA DE CALOR

2.4.

Transferencia de calor

Se define como calor a la transferencia de energía entre dos sistemas debido a una diferencia de temperaturas (Cengel y Ghajar (2007)). El calor se transfiere espontáneamente de un sistema de mayor temperatura hacia un sistema de temperatura más baja. Una vez que estos dos sistemas igualan sus temperaturas, la transferencia neta de calor cesa y se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico. El calor se puede transferir a través de tres diferentes mecanismos: conducción, convección y radiación.

2.4.1.

Conducción

Se define la conducción del calor, como la transferencia de energía de las partículas más energéticas de un medio hacia las menos energéticas adyacentes (Cengel y Ghajar(2007)). Este tipo de transferencia energética tiene lugar en medios solidos, así como líquidos y gases, siempre que no se tenga movimiento relativo en el medio.

La tasa de conducción de calor a través de un medio depende de su configuración geométrica, el material que lo compone, y la distribución de temperaturas del medio. Los resultados experimentales permiten expresar que la razón de conducción de calor en una determinada dirección es proporcional, pero de sentido opuesto, a la diferencia de temperaturas a través del medio, y es conocida como la ley de Fourier:

˙

qcond=−k·A·

∂T

∂x, (W) (2.8)

donde la constante de proporcionalidad k es la conductividad térmica del material, que representa

la capacidad del material para conducir el calor, en tanto que ∂T /∂x corresponde al gradiente de

temperatura perpendicular al área transversalA, normal a la dirección de la transferencia de calor.

Cuando la dependencia de la conductividad térmica con respecto a la temperatura no es elevada, se puede asumir un valor constante medido a una temperatura media.

2.4.2.

Convección

2.4. TRANSFERENCIA DE CALOR CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

La transferencia de calor recibe el nombre de convección forzada, si el flujo del fluido es forzado por medios externos como un ventilador, bomba o corriente de aire. Por otro lado, sera denominada como convección natural (o libre) si el movimiento del fluido se origina debido al empuje inducido por las diferencias de densidad, resultado de la diferencia de temperaturas.

Se observa que la tasa de transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura, y relaciona mediante la ley de Enfriamiento de Newton:

˙

qconv=h·As·(Ts−T∞), (W) (2.9)

en dondehes el coeficiente de transferencia de calor por convección enW/m2_K,T

∞ es la temperatura

del fluido alejado de la superficie. As y Ts son el área y la temperatura superficial expuesta a la convección.

A diferencia del coeficientehde conducción de calor, el coeficientehno representa una propiedad

del fluido.hes un parámetro global dependiente de las variables que influyen en la convección: geometría

de la superficie, naturaleza del movimiento del fluido, propiedades de éste y su velocidad.

2.4.3.

Radiación

La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas (Cengel y Ghajar (2007)). Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética arriba del cero absoluto y a diferencia de los anteriores mecanismos, la transferencia de calor por radiación no requiere de la presencia de un medio intermediario.

Si bien es cierto que la radiación es un fenómeno volumétrico, para solidos opacos a la radiación térmica se suele considerarse como superficial, ya que la radiación emitida nunca sale a la superficie, y la radiación incidente suele absorberse en unos pocos micrómetros de la superficie.

Teóricamente un cuerpo negro presenta la máxima tasa de radiación emitida por un cuerpo a una temperaturaTs(K), y viene dada por la Ley de Stefan–Boltzmann:

˙

qradcuerponegro=σ·As·Ts4, (W) (2.10) donde σ = 5,67x10−8_(W/m2_K4_{) se denomina constante de Stefan–Boltzmann. n el caso de una} superficie real, la radiación emitida es expresada como:

˙

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.5. TEORÍA DE IGNICIÓN DE SÓLIDOS

dondeεes la emisividad de la superfice real, cuyo valor esta en el intervalo 0≤ε <1.

La diferencia entre los flujos de radiación emitida y absorbida por una superficie es la tasa neta de transferencia de calor por radiación y depende de las propiedades radiativas de las superficies, la orientación geométrica entre ellas y la eventual participación del medio entre ellas.

2.5.

Teoría de ignición de sólidos

2.5.1.

Descripción

La ignición ocurre cuando un material combustible es calentado hasta alcanzar una temperaturas lo suficientemente elevada, para generar una rápida reacción exotérmica de oxidación, denominamos combustión. En la ignición de materiales solidos combustibles se requiere del aporte externo de un flujo de calor que depende de las propiedades del material, el tamaño y su forma, además del tiempo de exposición a este flujo (Castillo et al. (2015)).

El proceso de ignición se inicia cuando el flujo de calor aumenta la temperatura del combustible solido, induciendo cambios físico-químicos (Torero (2016)) en su superficie. El calentamiento del combustible da inicio al proceso de gasificación, que consiste en la descomposición térmica de moléculas complejas conocido como pirólisis. Para que la ignición ocurra, los gases combustibles deben ser liberados lo suficientemente rápido para generar una mezcla inflamable con el aire (Mowrer(2004)).

Se denomina ignición piloteada, si la combustión se inicia debido a una fuente externa en la mezcla combustible. Por otro lado, la ignición espontánea acontece cuando los gases alcanzan la temperatura necesaria para quemarse.

Como la mayoría de los combustibles que toman parte de los incendios forestales son sólidos, sus múltiples factores de peligro deberían ser estudiados, como el potencial de autoignición, la propensión al smouldering y la ignición, la rapidez de propagación del fuego y el calor liberado de la combustión. Estos factores son difíciles de describir pues dependen de la forma, orientación, sus propiedades físicas y químicas. Son igual de importantes, las condiciones externas de flujo externo de calor y la concentración de oxígeno sobre la superficie del sólido (Mowrer(2004)).

2.5.2.

Generación de gases de pirólisis

2.5. TEORÍA DE IGNICIÓN DE SÓLIDOS CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

endotérmico, controlado por muchas reacciones químicas fuertemente dependientes de la temperatura, descomponiendo las moléculas y liberando gases combustibles (Torero(2016)).

La velocidad de descomposición de las moléculas puede ser idealizada por una ecuación de Arrhenius (Quintiere(2006);Lautenberger y Fernandez-Pello (2011);Torero(2016))

˙

m000_{f uel}=AY_Om

2Y

n f uele−

Ex/(RT)_, (2.12)

dondeR es las constante universal de los gases, E y A son la energía de activación y la constante

de la reacción química, respectivamente.YO2 eYf uel representan la fracción de masa del oxígeno y

combustible sólido que participan en la degradación, mientrasmynson las constantes exponenciales,

respectivamente. La generación de gases de pirólisis es fuertemente dependiente de la temperatura. El flujo gaseoso generado es función de la profundida de penetración donde se aprecia un alza de temperatura,δ. Por lo tanto, el flujo másico de gases de pirólisis es dado por:

˙

m00_{f uel}=

Z δ

0

AY_Om

2Y

n f uele−

Ex/(RT)_dx (2.13)

2.5.3.

Difusión de gases de pirólisis y aire ambiente

Los gases de pirólisis emerger hacia la superficie del sólido, desplazados por una corriente convectiva o por fuerzas externas, e.g., vientos en incendios forestales. Entre los varios gases producidos se encuentran, componentes totalmente oxidados como dióxido de carbono (CO2), parcialmente oxidados como monóxido de carbono (CO) y moléculas con distintos niveles de oxidación, que deben ser considerados en cualquier análisis. (Torero(2016))

Las mezcla de gases combustibles con el aire ambiente se realiza en la superficie y disminuye a medida que aumenta la distancia a la superficie. Se establece así una mezcla inflamable, cuando su concentración se encuentra entre los Límite de Inflamabilidad Inferior (LFL por sus siglas en inglés) y el Límite de Inflamabilidad Superior (UFL) (Torero(2016)). Bajo el límite inferior, la concentración de gases combustibles es muy baja y por sobre el límite superior la concentración es muy alta para lograr la ignición. (Lautenberger y Fernandez-Pello(2011))

2.5.3.1. Ignición espontánea

En el caso de la combustión espontánea o también llamada auto-ignición, no existe un punto caliente que actúe como un piloto para la reacción, por lo que la mezcla debe absorber la suficiente cantidad de energía hasta alcanzar la temperatura de ignición,Tig,sp. (Mowrer(2004))

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.5. TEORÍA DE IGNICIÓN DE SÓLIDOS

razón entre el tiempo de residencia y el tiempo necesario para que la reacción química ocurra. Este tiempo de reacción depende directamente de la temperatura de los reactantes, mientras mayor sea, mayores son los ratios y menores los tiempos de reacción química. El tiempo de residencia es una medida de tensión, cuánto tiempo permanecen los reactantes en un lugar específico, por lo que se relaciona directamente con la rapidez de los gases. Si el tiempo requerido por la reacción química es menor al de residencia, la reacción posee el tiempo suficiente para ocurrir y originar una llama. Entonces existe un número de Damköhler crítico a partir del cual la ignición puede ocurrir. (Torero(2016))

2.5.4.

Aproximación Thermally Thin y Thermally Thick

Se considera que una muestra es thermally thin, si el gradiente de temperatura dentro del sólido es despreciable durante la mayor parte del proceso de ignición. En caso que el gradiente de temperatura es significativo, se dice que el material es thermally thick. (Torero(2016))

Es posible aplicar un criterio basado en el número de Biot (Bi) para definir la aproximación adecuada (Quintiere(2006)):

Bi=

dhc

k

hc(Ts−T0) ˙

q” , (2.14)

donde hc es el coeficiente global de transferencia de calor ykes la constante de conductividad térmica. Si se cumple la ecuación 2.14, el combustible sólido se puede considerar como thermally thin.

La teoría clásica está desarrollada para sólidos opacos, por lo que no es una muy buena aproximación afirmar que las agujas de pino formen un medio thin o thick. Sin embargo, es posible considerar el conjunto de agujas de la muestra como un sólido, determinando si existe un gradiente o no de temperatura en el estrato. Existen muy pocos análisis enfocados en medios porosos, salvo la investigación realizada porHernández et al.(2018) yWeston Fernández(2018) en la cual se basa este estudio.

2.5.5.

Consideraciones

2.5.5.1. Charring

Durante la combustión se forma una capa de carbón sobre superficies del combustible que podría seguir descomponiéndose completamente hasta formar cenizas inertes o continuar con un proceso de carbonización o charring secundario, repitiéndose hasta completar la descomposición. Por otro lado, materiales non-charring se descomponen sin dejar residuos. (Torero(2016))

2.5. TEORÍA DE IGNICIÓN DE SÓLIDOS CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

ante bajos flujos radiativos. La temperatura superficial aumentará a medida que la capa de carbón crezca y aísle el material (Quintiere(2006)), generando impacto en la transferencia de masa y calor. (Torero(2016))

La principal diferencia entre los tipos de material que producen carbón en la superficie y los que no, radica en la temperatura alcanzada tanto por las características aislantes mencionadas y la re-radiación desde esta capa. (Mowrer(2004))

2.5.5.2. Flujo crítico de ignición

El flujo crítico de ignición de un material sólido, ˙q”inc,cri, representa el mínimo valor que provocará la gasificación suficiente en la superficie del material para permitir su ignición (Mowrer (2004)). Se pueden evaluar flujos críticos tanto para igniciones piloteadas como espontáneas, siendo mayores los flujos radiativos necesarios para la auto-ignición o ignición espontánea. Muy poca información se encuentra disponible sobre la ignición no piloteada, principalmente para madera, donde el flujo crítico suele ser dos a tres mayor que al usar un piloto. (Mowrer(2004))

Desde un punto de vista práctico,Mowrer(2004) habla de evaluar el potencial de ignición a un flujo externo particular, por un período de tiempo determinado dependiendo del experimento, pudiendo no representar el mínimo absoluto al ser una aproximación a éste. En este trabajo, un tiempo maximo de treinta minutos fueron establecidos para determinar el flujo critico de ignición.

2.5.5.3. Temperatura de ignición y tiempo de ingnición

Si consideramos que el sólido es un material inerte hasta que se produzca la ignición y la fase gaseosa se resume a un coeficiente de transferencia de calor totalhT, se puede afirmar que la ignición ocurrirá al comienzo de la pirólisis, caracterizada simplemente por medio de una temperatura superficial característica,Tig. El tiempo que transcurre entre la exposición a un flujo externo de calor y la ignición se denomina tiempo de ignición,tig (Torero(2016)). Con estos dos parámetros es posible representar todo el proceso de ignición.

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.6. ANÁLISIS ESTADÍSTICO

2.6.

Análisis estadístico

El error se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero de la magnitud objeto de la medición, pero esta definición es difícil de aplicar porque el valor verdadero es casi siempre desconocido. Por este motivo, se define la incertidumbre experimental, como el valor mas probable que el error puede asumir, y así estimar donde se encontraría el valor de la magnitud (con un determinado nivel de probabilidad). De esta forma, para que el resultado de una medición sea completa, se debe reportar la estimación del valor real de la magnitud medida, acompañada de la estimación de su respectiva incertidumbre.

La incertidumbre experimental se puede dividir en dos tipos, incertidumbres aleatorias e incerti-dumbres sistemáticas. Las primeras ocasionan que varias mediciones de la misma magnitud presenten valores diferentes, producto de diferentes factores que originan perturbaciones en cada una de las mediciones. Por otro lado, las incertidumbres sistemáticas desvían la medición de la misma manera de su valor real.

Por ejemplo, si suponemos el caso de una cañon automatizado que realizan tiro al blanco, la figura 2.10 representa gráficamente los resultados de sus disparos para cuatro diferentes cañones. Aquí, la incertidumbre aleatoria del disparo de una maquina representa la dispersión (precisión) de sus disparos, que es menor para el primer y segundo caso. Por otro lado, el error sistemático podría ser representado por la distancia que separa la posición de los disparos al centro del blanco (exactitud). Se logra apreciar un menor error sistemático para el segundo y tercer gráfico.

Figura 2.10:Representación de la exactitud y precisión.

2.6. ANÁLISIS ESTADÍSTICO CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

A partir de un análisis estadístico de las mediciones y estimación de la incertidumbre, se puede dar un estimado del valor real de la variable como:

x0= ¯x±ux (2.15)

Donde ¯xrepresenta la estimación media de las muestras yuxel intervalo estimado de incertidumbre en un cierto nivel de probabilidad. Esta herramienta debe ser usada luego de identificar y eliminar la incertidumbre sistemática de las mediciones.

Se presenta la metodología empleada para estimar la incertidumbre de una cantidad medida experimentalmente. Se siguió un parámetro de la política de propagación de incertidumbresMoffat

(1982). Según esta, un resultado ”R” es consecuencia de operaciones matemáticas que involucra un

número "N"de medidas experimentales independientes,xi,

R=R(x1+x2+x3+...+xN) (2.16) cada una de ellas con su incertidumbre experimental,δxi, con una misma probabilidad de ocurrencia. Asumiendo que las incertidumbres no están correlacionadas, el resultado ”R” tiene como incertidumbre

la siguiente expresión:

δR= " _∂R ∂x1 δx1 2

+∂R

∂x2 δx2 2 +...+ _∂R ∂xn δxn 2# 1 2 (2.17)

donde las derivadas parciales representan la sensibilidad del resultado para cada variable medida.

Cada medida experimental puede, y debe, ser adecuadamente reportada con su respectivo valor de incertidumbre, según alguna de las siguientes formas:

xi= ˆxi±δxi o xi±δx_xi

i (2.18)

dondeδxi se llama intervalo de incertidumbre absoluta, yδxi/xi se conoce como intervalo de incerti-dumbre relativa con el valor dexi.

CAPÍTULO 3. DISEÑO EXPERIMENTAL

3

|

Diseño Experimental

3.1.

Variables Respuesta

Este estudio tiene como objetivo realizar la medición simultanea de múltiples variables impor-tantes del proceso de ignición. El aparato experimental diseñado para tal finalidad permite obtener mediciones de las variables de interés como:

1. Retraso del tiempo de ignición,tig.

2. Evolución temporal de la temperatura radial,T Cj(t).

3. Evolución temporal de la pérdida de masa normalizada,η(t) = 1−mt/m0

4. Medición y control del flujo de calor radiativo incidente en el estrato vegetal, ˙q”inc. 5. Contenido de humedad del estrato vegetal.

3.2.

Montaje experimental

3.2.1.

Descripción

El conjunto experimental utilizado en este trabajo es mostrados en la figura 3.1, y es conocido como IFIT (Idealized Firebrand Ignition Test). Fue diseñado e implementado para reproducir condiciones idealizadas de un incendio forestal, en el contexto de una partícula incandescente (pavesa) que viaja por el aire y enciende un estrato de biomasa. El arreglo experimental se encuentra rodeado por Plexiglas para evitar ruidos en las mediciones de pérdida de masa y temperaturas radiales producto de corrientes de aire, permitiendo el flujo necesario para que la combustión pueda existir.

CAPÍTULO 3. DISEÑO EXPERIMENTAL 3.2. MONTAJE EXPERIMENTAL

un conjunto de termocuplas que miden el calentamiento del estrato. Los datos son almacenados en un computador, digitalizados por un sistema de adquisición de datos.

1. Heater

2. Thermocouples

3. Specimen holder

4. Analytical scale

5. Linear motor stage

6. Power supply

7. DAQ system

8. Computer

9. Multimeter

1

2

3

4

8

7

9

6

5

Figura 3.1:Vista general del montaje experimental IFIT

3.2.2.

Propiedades físicas y radiativas del Heater

La geometría y capacidad radiativa son dos de las características fundamentales que deben ser analizadas al momento de seleccionar la fuente radiativa.Manzello et al.(2006a,b,2008, 2009) realizo varios estudios sobre la ignicion por spotting, determinando formas y dimensiones caracteriticas de las partículas incandescentes desprendidas en los distintos tipos de incendios forestal. Estos estudio han mostrado que cilindros y discos son las formas geométricas más comunes,concordando con el origen de gran parte de las pavesas incandescentes, provenientes de secciones transversales y circulares de ramas. Estudios más recientes sobre la geometría de las pavesas muestran resultados algo diferentes.

Filkov et al.(2017) realizaron su investigación recolectando pavesas en incendios controlados en bosques de pino, concluyendo que las formas mencionadas efectivamente se encuentran, pero son las formas rectangulares, provenientes de la corteza de los árboles, las más frecuentes.

3.2. MONTAJE EXPERIMENTAL CAPÍTULO 3. DISEÑO EXPERIMENTAL

(a)Heater Bach RC hecho enSi3N4

(b)Dimensiones heater

Figura 3.2:Vista y plano del heater utilizado.

La emisividad del nitruro de silicos es mayor a 0.9 según información reportada por Bach RC, apreciable en la tabla 3.1, junto a las demás características de interés de este material. Las especificaciones técnicas del heater señalan una resistencia eléctrica base de 132 Ω±25 % medida a 20

°C y un rango máximo de voltaje suministrado de 230 V al cual se alcanza teóricamente la temperatura máxima segura. Notar que el voltaje máximo suministrado al heater durante los experimentos fue de 250 V, ligeramente arriba del rango recomendado. Con este heater se alcanzan en este estudio temperaturas de hasta 1000 °C según el rango de operación segura recomendado de fábrica.

Tabla 3.1:Propiedades físicas y radiativas delSi3N4, compuesto del heater

Parámetro Símbolo Convencional Unidad Valor

Temp. máxima segura Tmax °C 1000

Conductividad térmica λ W/mK 40

Calor específico cp J/kgK 750

Densidad ρ kg/m3 3210

Temp. de shock para la resistencia ∆T K 500

Emisividad (ref. 1100°C) ε - 0.96

Módulo de Young E GPa 320

Módulo de ruptura δbb MPa 400

Módulo de Weibull m - 7.9

Esfuerzo de compresión δD MPa 2000

Coeficiente de expansión térmica α 10−6_K−1 ₃

3.2.3.

Motor lineal

CAPÍTULO 3. DISEÑO EXPERIMENTAL 3.2. MONTAJE EXPERIMENTAL

soportando hasta 4 kg. Estas últimas características son de relevancia para retirar rápidamente el heater desde la llama generada cuando ha tenido lugar la ignición.

3.2.4.

Banlanza

La medición de pérdida de masa en pirólisis requiere de instrumentos de alta resolución debido a que los cambios son muy pequeños. Una balanza analítica Shimadzu modelo AUW–320 con capacidad para detectar cambios de hasta 0,1 mg y con frecuencia de muestreo de hasta 1,0 Hz fue utilizada.

3.2.5.

Termocupla

Formada por la unión de dos metales distintos, produce una diferencia de potencial pequeña (∼

mV), y que basado en el efecto Seedbeck, es función de la diferencia de temperatura. Las termocuplas elegidas son del tipo K, donde uno de los metales es una aleación denominada cromel (Ni–Cr) y el otro alumel (Ni–Al). Así, un rango operativo se obtiene un rango de medición de entre –200 °C a 1370 °C. Su bajo costo y linealización de respuesta la convierten en una buena opción.

3.2.6.

Sistema de Adquisición de Datos (DAQ)

Los datos provenientes de las cinco termocuplas dispuestas radialmente en el estrato vegetal son enviados al DAQ como señal analógica a cinco canales independientes. El DAQ procesa la señal en tiempo real para enviarla mediante conexión USB al computador donde se registran los datos. El dispositivo utilizado corresponde al módulo IOtech Personal Daq 56 Series y las mediciones se realizan a una frecuencia de 1.5 Hz

3.2.7.

Recipiente portamuestras

La forma y distribución axisimétrica del estrato vegetal fue elegida para simplificar los cálculos de radiación incidente, ˙q”inc. También, es conocida la expresion del factor de forma entre la superficie cilíndrica del heaterAh= 2πrhl y la del estratoAi= 2πril.

El recipiente de acero inoxidable que contiene las muestras posee una altural igual a la zona

3.2. MONTAJE EXPERIMENTAL CAPÍTULO 3. DISEÑO EXPERIMENTAL

Figura 3.3:Esquema recipiente portamuestras.

3.2.8.

Fuente de poder

Se requirió un transformador variable (variac) de entrada 210 VAC y salida variable de 0 % hasta 100 %, fabricado por Carroll & Meynell, modelo 4A-CMV4X-1. Debido a la necesidad de alcanzar voltajes de salida superiores, un transformador trifásico fue adicionado al circuito con una relación de voltajes 1:1.38. De esta forma es posible llegar hasta los 303 V.

3.2.9.

Multímetro digital

El voltaje y la intensidad de corriente en el heater son medidos utilizando un multímetro digital DT 9501, con una resolución de hasta 200mV en corriente alterna. Se conecta en paralelo para la

medición de voltaje y en serie para la medición de intensidad de corriente.

3.2.10.

Hornos

Para acondicionar el nivel de humedad de la biomasa, se utilizó un horno de secado y una cámara de humedad, ambos fabricados por la empresa alemanaM emmert. El horno de secado, modelo UN30,

CAPÍTULO 3. DISEÑO EXPERIMENTAL 3.2. MONTAJE EXPERIMENTAL

(a)Horno secado Memmert modelo UN30

(b)Cámara de humedad Memmert modelo HCP50

CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA

4

|

Metodología

4.1.

Caracterización del Heater

4.1.1.

Perfil de radiación incidente

Para determinar el flujo radiativo incidente sobre el estrato vegetal, ˙q”inc, primero es necesario caracterizar el flujo radiativo emitido por el heater, ˙q”emi, para las diferentes potencias eléctricas suministradas. Estas medidas son realizada con un radiómetro de la marca Hukseflux enfriado por agua, modelo SBG01-020, posicionado a una distancia radial que coincide con el inicio el estrato vegetal,

ri= 20mm. La potencia eléctrica es ajustada con el transformador variable y luego el heater se calienta durante 5 min antes de realizar la medición para garantizar que el heater llegue a un estado estacionario. Pasado este tiempo, la medición de radiación se realiza haciendo un barrido vertical de la radiación emitida, descendiendo el heater con ayuda del motor lineal. Los resultado de ˙q”inc(z) son reportados en la tabla 4.1, resultado de promediar las medidas de tres barridos verticales para cada potencia eléctrica (voltaje).

Si ˙q”inc(θ, ri, z) es la radiación incidente medida por el radiómetro en el punto (θ, ri, z) para coordenadas cilíndricas, entonces:

dq˙inc(θ, ri, z) = ˙q”inc(θ, ri, z)dAi, (4.1) denota el diferencial de radiación incidente proveniente desde el heater sobre un diferencial de áreadAi del estrato vegetal en la posición (θ, ri, z). El diferencial de área representado en coordenadas cilíndricas está dado pordAi =ridθdz, de esta forma:

˙

qinc= Z h

0

Z 2π

0 ˙

q”inc(θ, ri, z)ridθdz. (4.2) Asumiendo axisimetría tanto en el heater como en la radiación emitida, podemos afirmar que ˙q”inc(θ, ri, z) = ˙q”inc(ri, z), entonces:

˙

qinc= 2πri Z l

0 ˙

CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 4.1. CARACTERIZACIÓN DEL HEATER

por el área de la superficie expuesta a la radiación (Ai= 2πril) se tiene la ecuación 4.4:

˙

q”inc= Rl

0q˙”inc(ri, z)dz

l (4.4)

Las mediciones de radiación son realizadas de forma intermitente a lo largo del heater, siendo necesario discretizar la ecuación 4.4

˙

q”inc≈∆

z l n X k=1 ˙

q”inc(ri, zk), (4.5) dondenes el número de mediciones realizadas por el radiómetro a lo largo del ejez del heater, desde z= 0 hastaz=l, entonces ∆z=z/l.

Una vez determinada la radiación incidente, es necesario tener en consideración que es sólo una fracción del flujo de radiación emitido por la fuente alcanza la superficie expuesta del estrato vegetal de la muestra. Relacionando el concepto de factor de forma y la ley de reciprocidad (Incropera et al.

(2007)) se tiene que:

˙

q”emi=

Ai

Ah ˙

q”inc

Fh→i (4.6)

donde Fh→i corresponde a la fracción de radiación emitida por la superficie del heater, Ah, y es interceptada por la superficie expuesta a radiación del estrato vegetal, Ai. Para el cálculo de ˙q”emi sólo resta conocer cuál es factor de forma Fh→i que aplica para la configuración geométrica de este experimento, dos cilindros concéntricos del mismo largo separados por una cierta distancia conocida. Es posible obtener este factor por medio de una discretización, técnica de Montecarlo o una expresión analítica.

Modest(2013) presenta una expresión analítica para el problema del factor de forma y, por ende, obtener el flujo de radiación emitido por el heater a voltajes determinados, correspondiente a:

Fh→i= 1

πR1[ 1

2(R22−R 2

1−1) arc cos

R1

R2

−2R1arctan(R22−R 2 1)

1/2 _(4.7)

+((1 +A2)(1 +B2))1/2arctan

(1 +_A2_)B (1 +B2_)A

1/2 +π

R1−

AB

2

]

dondeR1=rh/h,R2=ri/h,A=R1+R2yB=R1−R2.

4.1. CARACTERIZACIÓN DEL HEATER CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA

mayor radiación en su centro (l/2), la cual se va atenuando hacia los extremos. Aplicando un voltaje de

225 V, la mayor cantidad de voltios con la cual se trabajó, se obtuvo un flujo radiativo máximo de 29.25 kW/m2_{, el cual decrece hacia los extremo hasta 15.22 kW/}2 _{(promedio de ambos extremos).}

(a) Caracterización del flujo radiativo incidente en función de la altura.

(b) Cacterización del flujo radiativo emitido e incidente del heater.

Figura 4.1:Caracterización de flujo radiativo emitido e incicente del heater.

(a) Detalle calibración heater a 20 mm.

(b)Vista real calibración heater con radiómetro

CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 4.2. CARACTERIZACIÓN BIOMASA

Tabla 4.1:Parámetros caracterización del heater.

Parámetros

Radiómetro Hukseflux SBG01-020 Factor conversión 0.222x10

−6 _V/(W/m2₎ Ventana Zafiro No

-DAQ Iotech Frecuencia 2.0 Hz

Período 0.5 s

Heater Bach RC

rh 5.0 mm

l 46.0 mm

Ah 1.45x10−3 m2

Discretización superficie vegetación

ri 20.0 mm

l 46.0 mm

Ai 4.34x10−3 m2

∆z 0.5 mm

dAi 9.42x10−5 m2

Motor Lineal Thorlabs Rapidez lineal 1.0 mm/s

Tabla 4.2:Voltaje, intensidad de corriente y flujo radiativo indicente.

Voltaje (V) q˙”inc (kW/m2) 140 8.34±0.57

147 9.37±0.64

162 11.40±0.77

176 13.66±0.93

195 16.95±1.15

207 19.11±1.29

225 22.94±1.56

250 28.61±1.94

4.2.

Caracterización biomasa

4.2.1.

Cálculo Contenido de humedad

4.2. CARACTERIZACIÓN BIOMASA CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA

Este cálculo se realiza mediante la expresión:

M C =mi−m0

m0 (4.8)

dondem0 corresponde a la masa del estrato vegetal en estado seco, establecida porMindykowski et al. (2011), como la masa del estrato tras 12 horas de secado dentro del horno, a 65 °C y un nivel de

humedad del 0 %.mi, corresponde a la masa del estrato vegetal rehidratado durante un tiempo de 12 horas, a 35 °C y un nivel de humedad del 95 %.

En este trabajo, las muestras fueron estudiadas para dos diferentes condiciones, de secado total y humedecidas, según se muestra en la tabla 4.3. El incremento del contenido de humedad del estrato se llevo a cabo primero, eliminando el contenido de humedad del estrato, para después usar su masa como valor de referencia de 0 % de humedad. En la segunda etapa, las muestras fueron rehidratadas por al menos 12 horas, a 35°C y un nivel de humedad del 95 %.

Tabla 4.3:Contenido de humedad de los estratos vegetales

Tipo de estrato Contenido de humedad ( %)

Seco 0.0±0.57

Rehidratado 17.89±0.24

4.2.2.

Cálculo relación superficie-volumen

Se asume que las agujas de pino son cilíndricas, por lo que para el cálculo del ratio sólo es necesario conocer el largo (lf uel) y su diámetro (φf uel).

ω= 4 φf uel +

2

lf uel (4.9)

Por medio de un código enMatlabes posible obtener el valor deω de las acículas de pino. Es

CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 4.2. CARACTERIZACIÓN BIOMASA

Figura 4.3:Muestra escaneada de acículas de pino previo al análisis.

Un resumen de los datos obtenidos para ambos tipos de estratos son mostrados en la tabla 4.4.

Tabla 4.4:My caption

Tipo de estrato Relación Superficie - Volumen (ω) (m−1)

Seco 3,717.1±153.7

Rehidratado 4,079.3±695.7

4.2.3.

Cálculo densidad de masa

El procedimiento descrito porTihay et al.(2009) permite determinar la densidad de masa de las agujas de pino empleado en este estudio. Se agrega un último paso para corroborar que el estrato vegetal analizado no ha absorbido alguna cantidad del líquido empleado (Keane (2015)). Los pasos seguidos para determinar la densidad de masa son los siguientes:

1. Se mide la masa de una cantidad determinada de acículas de pino (mf uel) y son puestas al interior de un tubo graduado.

2. Se miden 10 ml de alcohol isopropílico (viso) en un segundo tubo graduado.

3. Se agrega la totalidad del contenido del segundo tubo graduado en el primero y se mide el volumen total (vtotal)

4. La densidad de masa (ρf uel) es calculada como:

ρf uel=

mf uel

vtotal−viso

(4.10)

4.2. CARACTERIZACIÓN BIOMASA CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA

de la misma. Es necesario determinar si existen o no diferencias apreciables respecto a la masa medida inicialmente.

A pesar de que el procedimiento descrito por Tihay et al. (2009) utiliza etanol, no existen diferencias en el método de medición. La ventaja de utilizar etanol o alcohol isopropílico es que la densidad de ambos compuestos sea menor a la densidad del agua (ρiso = 786kg/m3yρetanol = 789

kg/m3_{), lo que hace menos favorable la flotación de las acículas. Idealmente se debería utilizar un fluido} con una densidad menor al de las acículas, lo cual resulta difícil de conseguir.

La tabla 4.5 muestra los resultados obtenidos deρf uelyω, para ambos tipos de estratos. En la tabla 4.6 se indicanρf uelyω, para distintos tipos de pino.

Tabla 4.5:Resultados de densidad de masa de acículas de pino medidas experimentalmente.

Tipo de estrato ρf uel Seco 615.25±19.81

Rehidratado 559.4±20.75

Tabla 4.6:Comparación densidad de masa y relación superficie - volumen de acículas para distintos tipos de pino.

Tipo de pino ρf uel(kg/m3) ω(m−1) Referencia

Pinus Pinaster 511 3,057 Tihay et al.(2014) Pinus Halepensis 789 7,377 Simeoni et al.(2012) Pinus Pinea 690 6,470 Fernandes y Rego(1998) Pinus Ponderosa 560 5,380 Fernandes y Rego(1998) Pinus Palustris 485 4,830 Niinemets et al.(2002) Pinus Taeda 560 6,024 Niinemets et al.(2002)

4.2.4.

Preparación de la muestra

El estudio experimental llevado a cabo utiliza acículas de pino radiata (P inusRadiata)

prove-nientes de la Región de Valparaíso, Chile. Se recoge directamente en el sector de Curauma, donde es posible encontrar bosques de pino en zonas WUI. Las acículas de pino son recogidas directamente del suelo eliminando impurezas como flores, ramas, etc.