CFD Modeling of dust explosions: Application to large-scale biomass silos
- Autores: Alain Islas Montero
- Directores de la Tesis: Adrián Pandal Blanco (dir. tes.), Jesús Manuel Fernández Oro (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 275
- Títulos paralelos:
- Modelado CFD de explosiones de polvo: aplicación a silos de biomasa de gran escala
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jorge Luis Parrondo Gayo (presid.), María Portarapillo (secret.), José González Pérez (voc.), José Manuel Pastor Enguidanos (voc.), Teresa Parra-Santos (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía y Control de Procesos por la Universidad de Oviedo
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUO
- Resumen
Los incendios y explosiones de polvo representan peligros significativos en la industria de la biomasa, incluyendo sitios de manufactura de pellets, plantas de generación de energía y el sector agroalimentario. El Informe de Incidentes de Polvo Combustible de 2021 reveló un promedio mensual de 18 incidentes en todo el mundo, atribuyendo el 75% de ellos a polvos orgánicos. Estos incidentes no solo ponen en peligro las operaciones de proceso, sino que también representan una amenaza para la seguridad de los trabajadores. Si bien las medidas preventivas tradicionalmente desempeñan un papel fundamental en la reducción del riesgo de estos eventos, también se emplean estrategias de mitigación para minimizar el impacto de las explosiones de polvo. Por ejemplo, los paneles de ventilación se utilizan comúnmente para aliviar la sobrepresión y suprimir las explosiones. Sin embargo, determinar el tamaño apropiado de los venteos sigue siendo motivo de controversia.
En la actualidad, se están realizando amplios esfuerzos para simular las explosiones de polvo en entornos industriales, incluyendo la predicción de la presión, temperatura, propagación de la llama y la determinación de áreas óptimas de venteo. Sin embargo, los enfoques numéricos convencionales se basan en supuestos que consideran que hay equilibrio térmico y cinético entre el polvo y el aire, tratando las nubes de polvo como un medio continuo y sin considerar la naturaleza discreta de las partículas en el aire. Además, estos modelos dependen en gran medida de correlaciones empíricas derivadas de pruebas de explosiones realizadas en la Esfera Siwek de 20L. Esto introduce incertidumbres adicionales, especialmente en relación a los altos niveles de turbulencia del aparato de prueba, que podrían no ser representativos de los procesos industriales. También existe preocupación sobre posibles efectos de sobreaccionamiento en el método de ignición, lo que puede influir en los parámetros de explosividad como Pmax y Kst.
Esta tesis presenta el desarrollo y validación de un modelo de dinámica de flui- dos computacional para predecir el comportamiento de las explosiones de polvo de biomasa. A diferencia de los modelos convencionales, se emplea un marco Euleriano-Lagrangiano para simular la naturaleza discreta del flujo bifásico (gas-partícula). El modelo, basado en OpenFOAM v8, incorpora flujo compresible y turbulento, reacciones químicas, transferencia de calor, radiación y combustión en fase gaseosa. Se considera en detalle la composición de la biomasa, el tamaño de las partículas y se incluyen submodelos para la evaporación de la humedad, la devolatilización y las reacciones heterogéneas.
El enfoque involucró una calibración inicial del modelo utilizando hallazgos literarios de la Esfera Siwek de 20L, seguida de validación a través de experimentos que involucraron explosiones con ventilación en un silo de 1 m3. Además, el modelo se aplicó a un silo de biomasa a gran escala (> 10,000 m3) para determinar el área de ventilación óptima requerida para la protección del equipo. Estos resultados se compararon con las pautas proporcionadas por la norma EN 14491 para evaluar la idoneidad de las fórmulas existentes para geometrías de tales volúmenes. Los tres documentos de investigación que componen esta tesis demuestran una excelente concordancia con las mediciones experimentales tanto para explosiones cerradas como con ventilación, afirmando la confiabilidad del modelo y allanando el camino para su desarrollo futuro
