Caracterización, control y operación de una fuente de hidrógeno de media presión basada en materiales formadores de hidruros.

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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 Formado...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Somoza, Juan I.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2012
Materias:
Ingeniería química
Química física
Neutron radiography
Neutrografía
Hydrogen
Hidrógeno
Energy vector
Vector energético
Storage device
Almacenador
Embedded system
Sistema embebido.
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/349/1/1Somoza.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description 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.
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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. 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. 2012-06-19 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/349/1/1Somoza.pdf es 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. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/349/

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