Chorro de alta presión

Un chorro de alta presión es una corriente de fluido presurizado que se libera de un entorno a una presión significativamente más alta que la presión ambiental desde una boquilla u orificio, debido a una liberación operativa o accidental . ^[1] En el campo de la ingeniería de seguridad , la liberación de gases tóxicos e inflamables ha sido objeto de muchos estudios de I+D debido al gran riesgo que representan para la salud y la seguridad de los trabajadores, los equipos y el medio ambiente . ^[2] La liberación intencional o accidental puede ocurrir en entornos industriales como plantas de procesamiento de gas natural , refinerías de petróleo e instalaciones de almacenamiento de hidrógeno . ^[2]

Un enfoque principal durante un proceso de evaluación de riesgos es la estimación de la extensión y disipación de la nube de gas , parámetros importantes que permiten evaluar y establecer límites de seguridad que deben respetarse para minimizar el posible daño después de una liberación de alta presión. ^[3]

Cuando se libera un gas presurizado, la velocidad del flujo dependerá en gran medida de la diferencia de presión entre la presión estancada y la presión aguas abajo. Suponiendo una expansión isentrópica de un gas ideal desde sus condiciones estancadas (P ₀ , lo que significa que la velocidad del gas es cero) hasta las condiciones aguas abajo (P ₁ , ubicada en el plano de salida de la boquilla u orificio), la tasa de flujo subsónico del término fuente se da mediante la formulación de Ramskill: ^[4]

${\displaystyle Q\;=\;C_{D}\;A_{o}\;\rho _{1}\;{\sqrt {\;2\;{\frac {P_{0}}{\rho _{0}\ }}\;\left[{\frac {\gamma \ }{\gamma \ -1}}\right]\left[1-\;\,\left({\frac {\;P_{1}}{P_{0}}}\right)^{\frac {\gamma \ -1}{\gamma \ }}\;\right]}}}$

A medida que la relación entre la presión de la condición aguas abajo y la presión de la condición estancada disminuye, el caudal del gas ideal aumentará. Este comportamiento continuará hasta que se alcance un valor crítico (en el aire, P ₁ /P ₀ es aproximadamente 0,528, ^[5] dependiendo de la relación de capacidad térmica , γ), cambiando la condición del chorro de un flujo no estrangulado a un flujo estrangulado . Esto conducirá a una expresión recientemente definida para la relación de presión antes mencionada y, subsecuentemente, la ecuación del caudal.

El valor crítico para la relación de presiones se define como:

${\displaystyle {\frac {\;P_{1}}{P_{0}}}\;=\;[{\frac {2}{\gamma \ +1}}\right]^{\left({\frac {\gamma \ }{\gamma \ -1}}\right)}}$

Esta relación recién definida se puede utilizar luego para determinar el caudal para un flujo estrangulado por sonido :

${\displaystyle Q\;=\;C_{D}\;A_{o}\;\rho _{1}\;V_{c}}$

La ecuación de caudal para un flujo estrangulado tendrá una velocidad fija, que es la velocidad del sonido del medio, donde el número de Mach es igual a 1:

${\displaystyle V_{c}\;=\;{\sqrt {\;{\frac {T_{1}\;\gamma \ R}{M}}}}}$

Es importante tener en cuenta que si P ₁ sigue disminuyendo, no se producirá ningún cambio en el caudal si la relación ya está por debajo del valor crítico, a menos que P ₀ también cambie (suponiendo también que el área de salida del orificio/boquilla y la temperatura aguas arriba permanezcan iguales).

Un chorro subexpandido es aquel que se manifiesta cuando la presión en condiciones aguas abajo (al final de una boquilla u orificio) es mayor que la presión del ambiente en el que se está liberando el gas. Se dice que está subexpandido ya que el gas se expandirá, tratando de alcanzar la misma presión de su entorno. Cuando está subexpandido, el chorro tendrá características de un flujo compresible , una condición en la que las variaciones de presión son lo suficientemente significativas como para tener un fuerte efecto en la velocidad (donde puede superar la velocidad del sonido del gas), la densidad y la temperatura. ^[6] Es importante señalar que a medida que el chorro se expande e incorpora gases del medio circundante, el chorro se comportará cada vez más como un fluido incompresible , lo que permite que una definición general de la estructura de un chorro sea la siguiente: ^[1]

• Zona de campo cercano : esta zona está compuesta por una capa central que se encuentra aislada del medio circundante, en cuyo comportamiento predominan los efectos compresibles, y una capa exterior que se encuentra en contacto con el fluido del medio circundante. Debido a los efectos turbulentos , la capa exterior, denominada capa de mezcla, permite el arrastre de gas a medida que se facilita, diluyendo el chorro. En esta zona de cizallamiento se puede distinguir una sección subsónica y otra supersónica, donde la temperatura, la densidad y la presión varían enormemente en unos pocos centímetros de distancia de la fuente. Esta zona tiene las características de un fluido compresible.

• Zona de transición : el comienzo de esta zona representa el final de la zona de campo cercano, donde las variaciones (en sentido longitudinal y radial al eje del chorro) son pequeñas en comparación con la zona anterior. Las variaciones de densidad y temperatura se deben principalmente a la mezcla con el fluido circundante.

• Zona de Farfield : esta zona final es la de un chorro completamente expandido e incompresible. La velocidad longitudinal y la temperatura son ahora inversamente proporcionales a la distancia desde la fuente y la evolución radial se puede describir mediante un modelo de dispersión gaussiana . Es importante señalar que esta zona se puede dividir en zonas inerciales (dominadas por la aceleración inicial), boyantes (dominadas por fuerzas de flotabilidad internas) y turbulentas (dominadas por la turbulencia ambiental).

Una clasificación adicional del chorro puede estar relacionada con la forma en que se desarrolla la zona de campo cercano debido a los efectos compresibles que lo gobiernan. ^[1] Cuando el chorro sale por primera vez del orificio o boquilla, se expandirá muy rápidamente, lo que dará como resultado una sobreexpansión del flujo (que también reducirá la temperatura y la densidad del flujo tan rápido como se despresurizó). Los gases que se han expandido a una presión menor que la del fluido circundante se comprimirán hacia adentro, lo que provocará un aumento en la presión del flujo. Si esta recompresión lleva a que el fluido tenga una presión más alta que el fluido circundante, se producirá otra expansión. Este proceso se repetirá hasta que la diferencia de presión entre la presión ambiental y la presión del chorro sea nula (o cercana a nula). ^[7] La ​​compresión y la expansión se logran a través de una serie de ondas de choque , formadas como resultado de las ondas de expansión y compresión de Prandlt-Meyer . ^[8]

El desarrollo de las ondas de choque antes mencionadas estará relacionado con la diferencia de presión entre las condiciones estancadas o aguas abajo y las condiciones ambientales (η ₀ = P ₀ /P _amb y η _e = P ₁ /P _amb , respectivamente), así como con el número de Mach (Ma = V/V _c , donde V es la velocidad del flujo y V _c es la velocidad del sonido del medio). Con relaciones de presión variables, los chorros subexpandidos se pueden clasificar como: ^[1]

• Chorro moderadamente subexpandido : Campo cercano con estructuras en forma de diamante (cada estructura se denomina célula). Una expansión de Prandlt-Meyer genera ondas de expansión oblicuas que expanden el fluido aguas abajo del orificio de salida. A medida que estas ondas alcanzan una presión constante del fluido circundante, se desvían hacia atrás como ondas de compresión, convergiendo en ondas de choque oblicuas (llamadas ondas de choque interceptoras ). Cuando se encuentran en el eje del chorro, las ondas de choque reflejadas se mueven hacia afuera hasta que alcanzan una presión constante del fluido circundante, repitiendo el proceso y, a su vez, recreando la estructura de la célula (este fenómeno ocurre en el aire en un rango de 2 ≤ η ₀ ≤ 4 o 1,1 ≤ η _e ≤ 3).

• Chorro altamente subexpandido : Campo cercano con estructuras en forma de barril. A medida que aumenta la relación de presiones, las ondas de choque interceptoras ya no pueden encontrarse en el eje del chorro, lo que obliga a la generación de una onda de choque normal cuando las ondas de choque interceptoras van más allá de un cierto ángulo crítico (la onda de choque normal se llama disco de Mach). Desde el punto de intercepción del disco de Mach y el choque interceptor , una corriente de aire residual se reflejará hacia afuera, hasta que alcance una presión constante del fluido circundante, repitiendo el proceso, recreando la estructura celular en forma de barril (este fenómeno ocurre en el aire en un rango de 5 ≤ η ₀ ≤ 7 o 2 ≤ η _e ≤ 4).

• Chorro extremadamente subexpandido : campo cercano con una estructura de celda única. Cuando la relación de presiones supera un valor crítico (en el aire en un rango de η ₀ ≥ 7 o η _e ≥ 4), la cantidad de celdas dentro del campo cercano del chorro disminuye, hasta que todas se fusionan en una sola celda con un solo disco de Mach. Debido al aumento de la velocidad y las zonas de menor presión alrededor del chorro, aumentará el arrastre de fluido ambiental.

Entre los escenarios incidentales, las liberaciones de gas natural han cobrado especial relevancia en el entorno de la industria de procesos . ^[3] Con una composición general de 94,7% de metano , ^[9] es importante considerar cómo este gas puede causar daños incrementales cuando se libera. El gas metano es un gas no tóxico e inflamable que, en concentraciones más altas, puede comportarse como un asfixiante debido al desplazamiento de oxígeno de los pulmones. ^[10] La principal preocupación con el metano está relacionada con su inflamabilidad y el daño potencial que podría causar a sus alrededores si el chorro de alta presión se encendiera y provocara un incendio . ^[11]

Tres parámetros que deben considerarse cuando se trata de gases inflamables son su punto de inflamación (FP), límite superior de inflamabilidad (UFL) y límite inferior de inflamabilidad (LFL), ya que son valores establecidos para cualquier compuesto a una presión y temperatura específicas. Si consideramos el modelo del triángulo del fuego , para inducir una reacción de combustión se necesitan tres componentes: un combustible , un agente oxidante y calor . Cuando la liberación ocurre en un ambiente lleno de aire , el agente oxidante será oxígeno (el aire tiene una concentración constante del 21% en condiciones estándar). ^[12] En una concentración casi pura , a unos pocos centímetros del plano de salida, la concentración de gas natural es demasiado alta y la de oxígeno demasiado baja para generar cualquier tipo de reacción de combustión, pero a medida que se desarrolla el chorro de alta presión, la concentración de sus componentes se diluirá a medida que aumenta el arrastre de aire, lo que permite un enriquecimiento de oxígeno dentro del chorro. Suponiendo una concentración constante de oxígeno, el chorro debe diluirse lo suficiente para entrar dentro de su rango de inflamabilidad; por debajo de su UFL. Dentro de este rango, se puede formar una mezcla inflamable y cualquier fuente de calor puede iniciar la reacción. ^[13]

Para juzgar adecuadamente el daño y el riesgo potencial que puede generar el chorro de fuego, se han realizado varios estudios sobre la distancia máxima que puede alcanzar la nube generada por el chorro. Como la dilución del chorro continúa debido al arrastre de aire en el campo lejano, bajando por debajo de su UFL, la distancia máxima que puede alcanzar la mezcla inflamable es el punto en el que la concentración de la nube es igual al LFL del gas, ya que es la concentración más baja permisible que permite la formación de una mezcla inflamable entre aire y gas natural en condiciones estándar (el LFL para gas natural es 4% ^[9] ). Considerando un chorro libre a presión subcrítica (más allá de la zona de campo cercano), su descomposición de concentración axial de fracción de volumen media de cualquier gas liberado en el aire se puede definir de la siguiente manera: ^[14]

${\displaystyle {\bar {\eta \ }}\;=\;{\frac {k\;d}{z+a}}{\sqrt {\;{\frac {\rho _{a}\ }{\rho _{g}\ }}}}}$

Los datos experimentales de chorros de alta presión tienen que ser limitados en términos de tamaño y complejidad del escenario debido a los peligros y gastos inherentes correlacionados con el experimento en sí. Se pueden utilizar métodos alternativos para recopilar datos, como modelos representativos , para predecir cuál puede ser la extensión máxima que puede alcanzar la nube de gas en su concentración LFL. Los modelos más simples, como un modelo de dispersión de gas gaussiano (por ejemplo, SCREEN3, un modelo de dispersión) o un modelo integral (por ejemplo, PHAST, un modelo integral), pueden ser útiles para tener una visión general rápida y cualitativa de cómo puede extenderse el chorro. Desafortunadamente, su incapacidad para simular adecuadamente las interacciones chorro-obstáculo hace que sea imposible utilizarlos más allá de los cálculos preliminares. Esta es la razón por la que las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) generalmente se prefieren para escenarios más complejos. ^[15]

Aunque existen varios enfoques para simulaciones CFD, un enfoque común es el uso de un método de volumen finito que discretiza el volumen en celdas más pequeñas de formas variables. Cada celda individual representará un volumen lleno de fluido donde se aplicarán los parámetros de los escenarios. Cada celda que se modeló resuelve un conjunto de ecuaciones de conservación de masa , momento y energía , junto con la ecuación de continuidad . La interacción fluido-obstáculo se modela luego con algoritmos variables basados ​​en el modelo turbulento de cierre utilizado. ^[16] Dependiendo del número total de celdas dentro del volumen, cuanto mejor sea la calidad de la simulación, mayor será el tiempo de simulación. Pueden surgir problemas de convergencia dentro de la simulación a medida que aparecen grandes gradientes de momento, masa y energía en el volumen. Los puntos donde se espera que aparezcan estos problemas (como en la zona de campo cercano del chorro) deben tener un mayor número de celdas para lograr cambios graduales entre una celda y otra. Idealmente, a través de simulaciones CFD, se puede derivar un modelo más simple que, para un conjunto específico de escenarios, permita tener resultados con un nivel de exactitud y precisión similar a la propia simulación CFD. ^[17]

A través de un conjunto de experimentos a pequeña escala a presiones variables, Birch et al. formularon una ecuación que permitió la estimación de una fuente de superficie virtual, considerando la conservación de la masa entre el plano de salida del orificio y la superficie virtual. ^[18] Este enfoque permite simular un chorro compresible, subexpandido, como un chorro incompresible, completamente expandido. Como consecuencia, se puede simular un modelo CFD más simple utilizando el siguiente diámetro (denominado pseudodiámetro ) como el nuevo plano de salida: ^[19]

${\displaystyle d_{ps}\;=\;d\;{\sqrt {\;C_{D}\;\left({\frac {T_{2}}{T_{0}}}\right)^{0.5}\left({\frac {P_{0}}{P_{2}}}\right)\left({\frac {2}{\gamma \ +1}}\right)^{\left({\frac {1+\gamma \ }{2\gamma \ -2}}\right)}}}}$

En la industria de procesos, existen diversos casos en los que puede ocurrir un incidente de liberación de chorro de alta presión. Las fugas en instalaciones de almacenamiento de GNL o en sistemas de tuberías de gas natural ^[20] pueden degenerar en un chorro de fuego y, a través de un efecto dominó , causar graves daños a la fuerza laboral, los equipos y el medio ambiente circundante. Para los diferentes escenarios que pueden ocurrir, se deben diseñar protocolos de seguridad que apunten a establecer distancias mínimas entre los equipos y la fuerza laboral, junto con sistemas preventivos que reduzcan el peligro del posible escenario incidental. A continuación, se enumeran algunos de los escenarios más comunes que se pueden encontrar en un entorno industrial: ^{[19] [21] [22]}

• Interacción chorro-suelo : este es uno de los escenarios más comunes, donde el chorro libre no interactúa con ningún otro obstáculo aparte del suelo. Aunque el chorro puede disiparse a concentraciones por debajo de su LFL después de aproximadamente 16 metros sin interacciones (interacción con hormigón y a una presión estancada de 65 bar, una presión común para tuberías de gas natural, ^[23] con un tamaño de orificio de 2,54 mm), a medida que el chorro se acerca al suelo y hace contacto con él, un efecto de arrastre conduce a una mayor extensión. El chorro tiene la tendencia a doblarse hacia abajo si está lo suficientemente cerca del suelo debido a las zonas de menor presión debajo de él.

• Interacción chorro- tanque horizontal : la interacción chorro-tanque dependerá del tipo de material utilizado. En el caso de tanques cilíndricos de acero , la distancia desde el plano de salida tendrá un efecto en la interacción, junto con su ángulo con respecto al eje del chorro y la altura de liberación del chorro. Generalmente, cuando el chorro incide en el tanque horizontal a lo largo del eje del tanque, el chorro desciende, lo que permite una interacción con el suelo. Esto a menudo conducirá a la extensión del chorro en su concentración LFL con respecto a su chorro libre (el mismo escenario se simula sin otros obstáculos que el suelo). Además, también se espera una extensión transversal.

• Interacción chorro-tanque vertical : en el caso de un tanque cilíndrico de acero, la distancia desde el plano de salida tendrá un efecto en la interacción. Generalmente, cuando el chorro incide en el tanque vertical a lo largo del eje del tanque, el obstáculo actuará como un factor limitante para la extensión del chorro en su concentración LFL con respecto a su chorro libre. El impacto con el tanque generará más remolinos aguas abajo de la cola del chorro y limitará la interacción con el suelo (a velocidades y caudales suficientemente bajos), acelerando la dilución del gas por debajo de su límite inferior de inflamabilidad.

• Interacción chorro-tandem horizontal : añadiendo un segundo tanque horizontal detrás del primero se consigue un efecto de acortamiento. La presencia del segundo obstáculo provoca la generación de remolinos después del primero, favoreciendo la disipación. Además, el segundo obstáculo puede tener un efecto de desprendimiento del chorro del suelo, ya que tenderá a adherirse a la superficie redonda del segundo tanque debido al efecto coanda . La distancia entre los dos tanques tendrá un efecto, ya que, después de una cierta distancia, el segundo obstáculo ya no tendrá efecto sobre la nube a concentración LFL.

• Interacción chorro-tandem vertical : añadiendo un segundo tanque vertical detrás del primero, se conseguirá generalmente un efecto de acortamiento. La presencia del segundo obstáculo provoca la generación de remolinos después del primero, favoreciendo la disipación. Al contrario del escenario anterior, el segundo obstáculo puede permitir la interacción chorro-suelo y alargar el chorro, cualidad que puede empeorar debido al efecto coanda. La distancia entre los dos tanques tendrá un efecto, ya que, después de una cierta distancia, el segundo obstáculo ya no tendrá efecto sobre la nube a concentración LFL.

• Flujo estrangulado
• Boquilla De Laval
• Orificio de flujo restrictivo
• Boquilla de motor de cohete
• Efecto Venturi

• Diamantes de choque y discos Mach en el tubo de escape del motor de un F-15E

• Revisión de Birch et al. sobre su fórmula de fuente de superficie virtual

• Desafíos del almacenamiento y transporte de hidrógeno