Somoza, Juan I. (2012) Caracterización, control y operación de una fuente de hidrógeno de media presión basada en materiales formadores de hidruros. / Characterization, control and operation of a medium-range pressure hydrogen source based on hydride forming materials. Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
![[img]](/style/images/fileicons/application_pdf.png)
| PDF (Tesis) Español 24Mb |
Resumen en español
La tendencia de los últimos 40 años de diversificar la matriz energética, utilizando formas de generación más sustentables, hacen necesario contar con un vector de energía que permita almacenar y transportar la energía en forma segura y limpia. Dispositivos basados en el uso de Materiales Formadores de Hidruro (MFH) son una alternativa prometedora para ello. En el grupo Físico Química de Materiales, CNEA, se han desarrollado diversos dispositivos para el estudio y aplicación de estos materiales. En el año 2009, se diseñó y construyó una fuente portátil basada en un MFH, LaNi_5, para suministrar hasta 3 g de hidrógeno a presiones entre 3 y 60 bar, dependiendo de su temperatura, sin necesidad de recarga. En este trabajo se realizó una evaluación crítica del diseño original de la fuente, prestando especial atención a los aspectos de control, seguridad y operación del dispositivo. Se realizó una caracterización completa de su funcionamiento en situaciones similares a las de operación, en la que se determinó: la relación entre presión de la fuente y temperatura interna; procesos de carga y descarga, observando que la refrigeración es el principal limitante para los tiempos de carga; métodos para estimar la fracción de carga; disposición espacial interna del LaNi_5 mediante el uso de la neutrografía, técnica novedosa a nivel local (Argentina) y mundial para caracterizar este tipo de dispositivos. Se detectó la necesidad de implementar un sistema de control y seguridad que mantuviese la presión constante, independientemente del flujo requerido por el usuario, y que sacara automáticamente de servicio al dispositivo cuando se producía un evento indeseado. Para ello, se diseñó un sistema electrónico dedicado que, procesando los datos de temperatura y presión de la fuente, actúa para establecer la presión de salida en el valor seleccionado por el usuario. Estando este sistema en operación, con provisión de un flujo de hasta 16 sccm, la presión de salida se controla entre 1 y 40 bar, con 0,1 bar de resolución y variaciones no mayores al 2% para presiones menores a 5 bar y al 0,5% para el resto de los casos. Con el control funcionando, no se alcanzaron si indeseadas de presión o temperatura. Cuando estas condiciones fueron forzadas externamente, el sistema de seguridad se accionó siempre. Los procedimientos diseñados para la caracterización de la fuente resultaron útiles para el entendimiento de su funcionamiento y para el estudio de futuros dispositivos con fines similares. El sistema de control implementado posibilita la operación segura y confiable del dispositivo en condiciones normales de laboratorio.
Resumen en inglés
For the last 40 years, there's been a tendency to diversify the energetic matrix, using more sustainable forms of generation. This makes necessary the existence of an energy vector that allows storing and transporting energy in a safe and clean way. Devices based on the use of Hydride Forming Materials (HFM) are a promising alternative to do so. The Physics and Chemistry of Materials Group, CNEA, has developed different devices aimed to study the use of HFM to solve technological problems. During 2009, a portable hydrogen storage device based on a HFM, LaNi_5, was designed and constructed. Its main purpose was to provide 3 g of hydrogen, at pressure between 3 and 60 bar, depending on its temperature, without the need of recharging it. In this work, a critic evaluation of the source was carried out, paying special attention to the control, safety and operation parameters. A complete characterization of its performance was conducted. Real operation conditions were simulated and from them, several characteristics were determined: the relationship between the source pressure and its internal temperature, the behavior of the device under different charge and discharge procedures and the influence of external refrigeration on charging times. Some methods to estimate the charge fraction were explored and are discussed in the manuscript. In addition, the spacial distribution of LaNi_5 inside the recipient was observed by means of neutron radiography. The use of this technique is a novel approach at local (Argentina) and worldwide level to characterize this type of devices. The device, which relayed on temperature control only, could not keep a constant pressure level when a flow of hydrogen was required by the user. Moreover, the operator had to act manually to disconnect the device when dangerous levels of pressure or temperature were attained. In order to improve the device, it was necessary to implement a control and safety system able to keep the pressure constant, independently of the flow required, and ready to shut down when an undesired event occurs. To do so, a dedicated electronic system was designed. It processes the data of temperature and pressure of the source and acts in order to establish the outlet pressure in the selected value. Using the newly implemented system, the device ca provide a hydrogen flow up to 16 sccm, while the outlet pressure is controlled between 1 and 40 bar, with a 0.1 bar resolution and lower than 2% variations for pressures below 5 bar, and lower than 0,5% variations for the rest of the cases. No undesired situations in pressure nor in temperature were reached when the control was working. When this conditions were forced externally, the safety system acted immediately. The designed characterization procedures turned out to be useful for understanding the source operation and for the study of similar devices for other purposes. The implemented control system permits the safety and trustworthy operation of the source under normal laboratory conditions.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Neutron radiography; Neutrografía; Hydrogen; Hidrógeno; Energy vector; Vector energético; Storage device; Almacenador; Embedded system; Sistema embebido. |
| Referencias: | [1] “2011 Key World Energy Statisctis”, documento de la International Energy Agency (IAE), disponible en: www.iea.org [2] “Síntesis del mercado eléctrico mayorista de la República Argentina”, documento de la Subgerencia de Planificación Estratégica, Gerencia de Planificación, Coordinación y Control, CNEA (Abril 2012). [3] “BP Statistical Review of World Energy ” (Junio 2011), documento de BP, disponible en: www.bp.com/statisticalreview [4] A. Baruj, G. Meyer, en “Desde la Patagonia Difundiendo saberes” Vol. 8 No. 12 (2011), ISSN 1668-8848 . [5] D. Rodriguez, Tesis doctoral en Física: “Estudio y optimización de aleaciones almacenadoras de hidrógeno”, Instituto Balseiro, Univ. Nac. de Cuyo (2000). [6] F. Mangiarotti, Proyecto integrador de Ingeniería Nuclear: “Desarrollo de una fuente de hidrógeno de media presión basada en materiales formadores de hidruro”, Instituto Balseiro, Univ. Nac. de Cuyo, (2009). [7] A. Sieverts, H. Hagen, Brennstoff-Chem. 15 (1934) p. 414. [8] G. Meyer, D. Rodriguez, F. Castro, G. Fernández, Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, (1996) pp. 1293-1298. [9] B. Talagañis, F. Castro, A. Baruj, G. Meyer, Rev. Sci Instruments 80 (2009) art. 073901. [10] G. Meyer, P. Arneodo Larochette, A. Baruj, F. Castro, P. Lacharmoise, E. Zacur y B. Talagañis, Rev. Sci Instruments 78 (2007) Art. 023903 . [11] B. Talagañis, Tesis doctoral en Ciencias de la Ingeniería: “Desarrollo de equipos de medición utilizados en el estudio de materiales formadores de hidruro”, Instituto Balseiro, Univ. Nac. de Cuyo, (2010). [12] A. Mezio, Proyecto Integrador de Ingeniería Nuclear: “Caracterización y optimización de la facilidad de Radiografía con Neutrones On-Line del Reactor RA-6”, Instituto Balseiro (2009),Univ. Nac. de Cuyo. [13] Instalalation, Operation and Maintenace Whatman 75-32 and 75-34 Hydrogen Generators, (1998), Bulletin TI-7532/34K [14] B. Talagañis, G. Meyer, P. Aguirre, J. Hydrogen Energy, (2011) HE-D-11-00866R1 [15] F. Mangiarotti, G. Bertolino, A. Baruj, G. Meyer. Actas del Tercer Congreso Nacional, Segundo Congreso Iberoamericano Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía, HYFUSEN 2009, San Juan, Argentina (2009). [16] LaNi5, Start Record, Hydride Properties Data Base, Sandia National Laboratories. |
| Materias: | Química > Ingeniería química Química > Química física |
| Divisiones: | Aplicaciones de la energía nuclear > Tecnología de materiales y dispositivos > Fisicoquímica de materiales |
| Código ID: | 349 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 26 Sep 2012 16:30 |
| Última Modificación: | 26 Sep 2012 16:30 |
Personal del repositorio solamente: página de control del documento
