Los campos de combustión de bajo perfil plantean importantes retos de diseño, entre los que se incluyen las llamas alargadas, el suministro de aire adecuado a las puntas de los quemadores situadas en las filas interiores y el elevado flujo de radiación de la llama a la valla de viento circundante. Un trabajo reciente realizado por los ingenieros de Alion Science and Technology para Zeeco, Inc. se ha centrado en el análisis del rendimiento de una punta de quemador patentada utilizada en grandes antorchas de gas de perfil bajo con más de 400 puntas de quemador agrupadas en una configuración de tuberías escalonadas rodeadas por una valla cortavientos especialmente diseñada. Este artículo presenta los resultados del análisis CFD de esta antorcha de gas e ilustra la capacidad de la herramienta CFD para simular la formación de hollín, el flujo radiante, la forma de la llama y la altura de la llama para campos de antorcha de bajo perfil a escala industrial. Este trabajo se completó junto con pruebas de antorcha en las que se disparó etileno a través de las puntas del quemador. Los datos recogidos durante estas pruebas incluyeron vídeo, flujo radiante y sonido. Los resultados de las pruebas se utilizaron para calibrar el modelo de combustión y validar las predicciones CFD de la altura de la llama y la demanda de aire. Sobre esta base, se proporcionaron predicciones de la altura de la llama y la demanda de aire para dos casos de campo de antorcha completa. Además, se proporcionaron estimaciones del flujo radiante hacia la valla eólica circundante.
INTRODUCCIÓN
Se ha realizado una serie de cálculos del rendimiento de la antorcha. El objetivo de los cálculos era predecir la demanda de aire en diversas condiciones. Además, también se determinó el perfil de radiación térmica alrededor de la antorcha. La principal herramienta de dinámica de fluidos computacional (CFD) utilizada en este análisis fue ISIS-3D [1, 2, 3]. Anteriormente, ISIS-3D se ha utilizado en diversos análisis de incendios de piscinas para predecir el rendimiento térmico de los paquetes [4]. Más recientemente, ISIS-3D se ha aplicado al análisis de antorchas. En esta aplicación, se han implementado nuevos modelos de combustión para manejar nuevas mezclas de combustible, incluyendo el propano y el etileno. Los modelos de combustión y radiación se han comparado con las mediciones del tamaño, la forma y la radiación de la llama, medidas durante las pruebas de un solo quemador y de varios quemadores en condiciones ambientales sin viento y con poco viento.
El modelo CFD incluía varios detalles dependiendo del caso que se ejecutara. Para el caso de un solo quemador se seleccionó un dominio de cálculo de 6 m x 6 m x 30 m. Para el caso de varios quemadores se seleccionó un dominio de 35 m x 35 m x 25 m. Para el caso de campo completo, el dominio computacional se extendió 10 m más allá de la valla de viento que rodea todo el campo de la antorcha.
Cálculos de campo completos
Se realizaron cuatro cálculos de campo completo que representaban un caso de flujo máximo y un caso de gas mixto sostenido sin viento cruzado. Estos cálculos tenían una densidad de malla de más de 700.000 celdas para el caso de gas mixto y 1.200.000 para el caso de flujo máximo. El dominio físico simulado era de 10 metros más allá del perímetro de la valla en todas las direcciones, con una altura total de 25 m. Los resultados de estos casos se utilizaron para evaluar la demanda total de aire para la antorcha, así como el flujo de radiación hacia dos puntos medios de la valla eólica.
CONCLUSIONES
El trabajo presentado en este documento documenta un análisis de la llama transitoria para la antorcha de perfil bajo con múltiples puntas. Los objetivos de este trabajo incluyen la predicción de la demanda total de aire y la altura de la llama esperada para un caso de flujo sostenido y un caso de flujo máximo quemando etileno. Se utilizó el modelo CFD ISIS-3D para realizar las simulaciones por ordenador de una prueba de un solo quemador y una prueba de tres quemadores para verificar las predicciones del modelo. Basándose en la verificación del modelo, se simuló el campo completo. Se realizaron simulaciones de campo completo que incluían todos los quemadores del campo de antorcha más la valla circundante. Las predicciones de ISIS-3D indican que se arrastra suficiente aire a través de la valla para evitar que la llama se extienda más allá de la parte superior de la valla y que se genere un humo apreciable para el caso de flujo máximo, que se considera el caso límite. Se prevé que los flujos de radiación hacia la valla eólica sean de hasta 100.000 W/m2.
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