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Introducción al cálculo de explosión de hidrógeno

Introducción al cálculo de explosión de hidrógeno


PROSEGUR, desde su división de Ingeniería de Protección Contra Incendios, nos adentra en el área de los cálculos de explosión, detallando una introducción al cálculo de explosión de Hidrógeno y sus consecuencias. Como respuesta al creciente uso del Hidrógeno como combustible alternativo, sumado a sus habituales usos industriales como refrigerante o combustible.

Comenzaremos por detallar sus características físico-químicas:

  • La fracción de volumen estequiométrico para Hidrógeno-aire es 0,296.
  • El peso molecular del Hidrógeno es 2.
  • La carga neta de combustión del Hidrógeno son 130,80 MJ/kg y la bruta 142 MJ/kg
  • Relación de calores específicos del Hidrógeno, Cp=28,82 (molar) J·mol-1K-1 y Cv= 20,4 (molar) J·mol-1·K-1 . Su relación es Cp/Cv= 1,4 aprox. (gases diatómicos.)

Indicar también que los límites de inflamabilidad del Hidrógeno están cuando su porcentaje de concentración en el aire se encuentra entre el 4% y el 75% (y con límites de detonación entre el 18% y el 59%). Lo que implica una presencia entre 3,6 g/m3 y 67 g/m3 para una posible inflamación.

En primer lugar es necesario definir los escenarios a los que nos enfrentaremos, en base a la tipología del riesgo a proteger, y del estado y confinamiento en el que se encuentra el Hidrógeno.

Conocemos que el Hidrógeno necesita una baja energía de ignición, por lo que para provocar su ignición es suficiente una fuente de baja producción de calor. Eso hace que prácticamente la ignición se produzca de forma instantánea cuando tenemos una fuente de energía de activación circundante. Lo que hará que la ignición del Hidrógeno se alcance en cuanto la mezcla con el aire supere su límite inferior de inflamabilidad, del 4%.

Como podemos ver en el siguiente diagrama los escenarios frente a una fuga de gas son varios. En base a la presión a la que está almacenado, y a la velocidad de ignición. Lo habitual en Hidrógeno es que se encuentre almacenado a alta presión, por lo que nos enfrentaremos a escenarios de explosión repentina (“Fire Ball”) o incendios de llamarada (“Jet Fire”)

En el caso de explosiones repentinas nos encontraremos en dos tipologías, con confinamiento y sin confinamiento.

Por otro lado un incendio de llamarada se puede definir como un incendio con llama progresiva de difusión o premezclada, con baja velocidad de llama sin producir onda de presión. Su efecto más importante sería la radiación térmica. Este escenario es habitual en el análisis de incendios de Hidrógeno.

Por ello es importante realizar un análisis de los posibles escenarios en la inflamación del Hidrógeno, para posteriormente determinar posibilidad e influencia de una explosión sobre los elementos estructurales.

 Para el estudio apropiado de los distintos escenarios incluidos en el presente informe se considerará, para cada uno de ellos, la siguiente información:

  • La casuística que implica la liberación del hidrógeno.
  • Se considera explosión confinada o no confinada.
  • Distancia al elemento delimitador.
  • La masa de hidrógeno susceptible de ser liberada.
  • Las fuentes de ignición capaces de iniciar la explosión.
  • La composición de la mezcla hidrógeno/aire/vapor.
  • Las dimensiones de la región que contiene dicha masa de hidrógeno.
  • Modelos de Calculo a utilizar.

De cara a evaluar los escenarios de explosión, el siguiente punto sería determinar las herramientas de cálculo empírico o computerizado a utilizar para obtener los resultados en cada uno de los escenarios seleccionados. Entre las más habituales están:

  • Método Empírico:
    • Método TNT NTP 321
    • Método SACHS
    • Método DEL U.S.NRC
  • Método Computerizado
    • Modelado de explosiones por CFD
    • Modelado método TNT

Para medir y evaluar los efectos de cada uno de los escenarios comparamos los resultados de cada uno en forma de sobrepresiones.

Como estándar para la comparación utilizamos la tabla que aparece en la NTP-321. Que nos marca los Daños personales y Daños estructurales en base a las sobrepresiones calculadas.

Daños personales Sobrepresiones Daños Estructurales Sobrepresiones
Umbral de muerte por lesiones de pulmón 70000 Pa Demolición total 80000 Pa
Umbral de rotura de tímpano 35000 Pa Daños irrecuperables 40000 Pa
Umbral de zona de intervención 12500 Pa Daños estructurales graves 18000 Pa
Umbral de zona de alerta 5000 Pa Daños graves reparables 15000 Pa
Daños estructurales menores 4700 Pa
Cristales rotos al 90% 4000 Pa

Como conclusión y en base a lo asumible de cada escenario se aplicarían medidas correctoras que evitaran o reducirán la probabilidad de los escenarios, así como sus efectos. O bien se dimensionarán medios estructurales adecuados, o pantallas, capaces de soportar la sobrepresión calculada .

Desde Ingeniería PCI de PROSEGUR quedamos a su disposición para cualquier aclaración o necesidad en esta materia o en cualquiera otra. dentro de la Ingeniería PCI.