Alma Mater Studiorum Università di ologna FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI MASSIMA DI UN SISTEMA DI CONTENIMENTO DI EMERGENZA PER UN POWER PACK AD IDROGENO Tesi di Laurea di: Relatore: IGOR MAZZONI Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI Correlatori: Prof. Ing. FRANCO PERSIANI Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA Prof. Ing. ALFREDO LIERANI Prof. Ing. GIAN MARCO IANCHI
Studiare le problematiche inerenti la progettazione di un recipiente che contenga un esplosione di una miscela aria-idrogeno per un sistema di produzione di energia compatto (power pack) e pensato per apparecchi di sollevamento mobili
IDROGENO COMPRESSO Pressione di servizio Massima pressione esterna ita utile Temperatura di funzionamento Poco più di 70 MPa 65 MPa 5 anni -40 / 85 C Test di affidabilità ciclo a temperature estreme ambiente acido Focolare penetrazione da proiettile test di caduta infragilimento da idrogeno
PERICOLOSITA DELL IDROGENO Limiti di infiammabilità (%) Metano Etilene Idrogeno 0 0 20 30 40 50 60 70 80 90 00 [m/s] 3,5 elocità laminare di fiamma [kj/kg] 40000 Potere calorifico inferiore 3 20000 2,5 00000 2 80000,5 60000 40000 0,5 20000 0 idrogeno metano benzina 0 idrogeno metano benzina
SCHEMA DEL MODELLO DI COMUSTIONE Equazioni risolventi del primo modello = + + = = = totdef A A vmisc misc f P H misc k k A A P T T c m T C m T R P P P 2 2 2 2 2 ) ( ) ( 2 Compressione adiabatica Legge dei gas perfetti Conservazione del volume di miscela Calore di reazione Risoluzione del sistema con Mathematica
IPOTESI DEL MODELLO. Concentrazione di idrogeno 43% (massima velocità laminare di fiamma 3, m/s) 2. Passo temporale pari a 0.000 s 3. L ignizione avviene sull asse del cilindro 4. Si considera una combustione troppo veloce per permettere riequilibrio termico 5. Si trascura la turbolenza 6. Il calore specifico a pressione costante varia con la temperatura della miscela fresca e la costante R della miscela e il calore specifico a volume costante sono dati in funzione del calore specifico a pressione costante C pmisc = + 0. 57 C 0.43 C ph 2 paria R misc = C pmisc k k C vmisc = C pmisc R misc
PRIMA IPOTESI DI LAORO Partecipa alla combustione tutto l idrogeno contenuto nelle bombole (circa kg) La massa di idrogeno che partecipa alla combustione è quella contenuta all interno del volume in espansione
OLUME DI MISCELA COMUSTA Il fronte di fiamma si espande per due ragioni: Traslazione del fronte alla velocità di fiamma Espansione dei gas combusti Calcolo della velocità laminare di fiamma S S La Lb Dipendenza dalla pressione P b x a x = 0,6 = P Dipendenza dalla temperatura T 2 = T 2 A 2 A 2 k
ESPANSIONE DEL RECIPIENTE. Si ipotizza spostamento solo radiale 2. Si trascurano gli effetti di bordo 3. Si assume un moto uniformemente accelerato con accelerazione costante ad ogni intervallo di tempo F x = t 2 m v = at + v 2 0 + vt + x 0
RISULTATO DEL PRIMO MODELLO P2 P m A H 2 k 2 A C P + = = T f 2 P R 2 misc = m = k 2 T misc totdef c vmisc ( T T A ) + P ( A ) [bar] 400 350 300 250 200 50 00 50 0 Pressione 0 2 Centinaia[µs] Temperatura raggiunta 3000 K Probabile sopravvalutazione dell entalpia di reazione
ARIAZIONE AL MODELLO MATEMATICO Cambiamento della terza equazione del sistema: approccio più energetico H i m H = m c ( T T A) + P ( 2 misc vmisc A ) [bar] 400 350 300 250 200 50 00 50 0 Pressione 0 2 Centinaia[µs] Temperatura raggiunta 2900 K
SOLUZIONE COSTRUTTIA Permettere la combustione di diversi chili di idrogeno significa consentire al contenitore di espandersi prima della rottura Compromesso: resistenza/contenimento del peso entro la zavorra di 970 kg Soluzione a lamiere incollate che costituiscono un tamburo su cui avvolgere un filo che svolge la vera funzione resistente
Filo utilizzato: acciaio NiTinol alta percentuale di Nickel e Titanio (55% circa in peso) Proprietà: Lega a memoria di forma : capacità di riprendere la configurazione geometrica di partenza dopo l allontanamento della causa della deformazione Reticolo martensitico reticolo austenitico instabile Comportamento superelastico : allungamento percentuale del 50% Il nostro interesse si rivolge verso la proprietà di superelasticità Comportamento perfettamente elasto-plastico tensione Alternativa: filo di polietilene deformazione
ARCHITETTURA Due gusci coassiali avvolti dal filo che resistono in successione ed un involucro esterno come protezione da schegge provvisto di un tubo di sfogo
RISULTATO DEL MODELLO 400 350 300 250 200 50 00 50 0 [bar] Pressione 0 5 0 5 20 25 30 35 40 45 Centinaia[µs] Problemi. Massa di idrogeno combusta 4,2 kg 2. Necessario un tubo di sfogo 3. Temperatura raggiunta 6000 K ariazioni sull ipotesi di lavoro ariazioni sul modello
ARIAZIONE SUL MODELLO MATEMATICO La combustione si sviluppa con un fronte di fiamma sferico Minore energia di accensione Maggiore realismo ARIAZIONE SULL IPOTESI DI LAORO La combustione riguarda solo la massa di idrogeno contenibile nel recipiente Limitazione massima del volume interno quindi delle dimensioni esterne
NUOA SPECIFICA: necessità di salvaguardare le bombole Contenitore riservato alle bombole provvisto di un intercapedine con vuoto per limitare al massimo la trasmissione di calore all interno Prima soluzione costruttiva
RISULTATO DELLA PRIMA SOLUZIONE COSTRUTTIA 57 50 43 36 29 22 5 8 [bar] Pressione 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Centinaia[µs] Combustione di 22 grammi di idrogeno Temperatura raggiunta 2800 K Problema di resistenza del contenitore delle bombole
ARIAZIONE DEL CONTENITORE DELLE OMOLE Spessore 0 mm
ARIAZIONE DELLE DIMENSIONI DEL RECIPIENTE olume interno varia poco Massa di idrogeno costante Pressione ancora di 58 bar
POSSIILE SOLUZIONE PER IL COPERCHIO Necessità di almeno 20 perni con copiglia Da 50 mm di diametro Soluzione scomoda
È stata messa in luce la potenza di un esplosione che riguarda l idrogeno Elaborazione di un modello matematico per il calcolo della pressione d esplosione in un recipiente chiuso È stata dimostrata l impossibilità di poter contenere un esplosione che riguardi il quantitativo massimo di idrogeno stivabile Ideazione di un contenitore di protezione delle bombole resistente anche al calore dell esplosione È stata verificata l integrità strutturale del recipiente Rimane irrisolto il problema del coperchio di accesso