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MEMORIAS DEL XXI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 23 al 25 DE SEPTIEMBRE DE 2015 COATZACOALCOS, VERACRUZ, MXICO

Tema A1a Diseo Mecnico: Materiales compuestos.

Tanque conformable para almacenamiento de hidrgeno como fuente de energa a bordo de vehculos

Lpez-Santos F. a, Ledesma-Orozco Elas R. b, Urbina-Gamboa Tadeo c

a Instituto Tecnolgico Superior de Coatzacoalcos. Divisin de Ingeniera Mecnica.

Carretera Antigua Minatitln - Coatzacoalcos km. 16.5., C.P. Coatzacoalcos,Veracruz, Mxico. b Universidad de Guanajuato.Divisin de Ingenieras Campus Irapuato-Salamanca.

Carretera Salamanca-Valle de Santiago km. 3.5 + 1.8, C.P., Comunidad de Palo Blanco, Salamanca,Gto., Mxico. c Instituto Tecnolgico Superior de Coatzacoalcos. Divisin de Ingeniera Mecnica.

Carretera Antigua Minatitln - Coatzacoalcos km. 16.5., C.P. Coatzacoalcos,Veracruz, Mxico.

*Lpez-Santos Francisco. Direccin de correo electrnico: [email protected]

RESUMEN

Este trabajo presenta el diseo de un tanque conformable usado para maximizar el almacenamiento de hidrogeno a bordo, en

forma de gas, criognico o criocomprimido. El tanque es conformado por cuatro celdas almohada y cada celda tiene dos

placas planas y extremos semiesfricos o semielpticos. Las superficies planas son presionadas entre s mediante un enrollado

de fibra exterior. Cada celda tiene un liner de aleacin de aluminio 7075-T6, reforzado con fibras de material compuesto

T300/5208. Se realiza anlisis numrico de las geometras semiesfrica y semielptica, mediante el software ANSYS. Se

determinan los esfuerzos en el liner e ndices de falla en las capas de material compuesto, variando la secuencia de apilado de

capas y sus espesores, el espesor del liner y la carga de presin. Para cada opcin de almacenamiento, se comparan los factores

de conformabilidad, capacidad gravimtrica y volumtrica, con los objetivos del DOE (Departamento de Energa de EE.UU.)

ABSTRACT

In this paper, the design of a conformable tank used to maximize the storage of hydrogen on board, which can be gas, cryogenic

or criocompresed, is presented. The tank is made up of four cells pillows and each cell has two at surfaces and semielliptical

or hemispherical ends. The at surfaces are pressed to each other by an outer lament wound. Each cell has an liner of

aluminum alloy 7075-T6 reinforced composite T300/5208. Numerical analysis of the geometries, semielliptical and

hemispherical ends, by ANSYS is performed. The stresses generated in the liner and the failure rates of the layers of composite

material, by varying the stack of layers and the thickness, the thickness of the liner and the pressure load are shown.

Conformability factors, gravimetric and volumetric capacity for each storage option, are compared with the goals of DOE (U.S.

Department of Energy).


Tema A2a Materiales: Materiales compuestos.

Tanque conformable para almacenamiento de hidrgeno como fuente de energa a bordo de vehculos

RESUMEN

Este trabajo presenta el diseo de un tanque conformable usado para maximizar el almacenamiento de hidrogeno a bordo,

en forma de gas, criognico o criocomprimido. El tanque es conformado por cuatro celdas almohada y cada celda tiene

dos placas planas y extremos semiesfricos o semielpticos. Las superficies planas son presionadas entre s mediante un

enrollado de fibra exterior. Cada celda tiene un liner de aleacin de aluminio 7075-T6, reforzado con fibras de material

compuesto T300/5208. Se realiza anlisis numrico de las geometras semiesfrica y semielptica, mediante el software

ANSYS. Se determinan los esfuerzos en el liner e ndices de falla en las capas de material compuesto, variando la secuencia

de apilado de capas y sus espesores, el espesor del liner y la carga de presin. Para cada opcin de almacenamiento, se

comparan los factores de conformabilidad, capacidad gravimtrica y volumtrica, con los objetivos del DOE (Departamento

de Energa de EE.UU.)

Palabras Clave: Conformable, Almohada, Liner, Material Compuesto, Capacidad Gravimtrica, Capacidad Volumtrica.

A B S T R A C T

In this paper, the design of a conformable tank used to maximize the storage of hydrogen on board, which can be gas,

cryogenic or criocompresed, is presented. The tank is made up of four cells pillows and each cell has two at surfaces and

semielliptical or hemispherical ends. The at surfaces are pressed to each other by an outer lament wound. Each cell has

an liner of aluminum alloy 7075-T6 reinforced composite T300/5208. Numerical analysis of the geometries, semielliptical

and hemispherical ends, by ANSYS is performed. The stresses generated in the liner and the failure rates of the layers of

composite material, by varying the stack of layers and the thickness, the thickness of the liner and the pressure load are

shown. Conformability factors, gravimetric and volumetric capacity for each storage option, are compared with the goals of

DOE (U.S. Department of Energy).

Keywords: Conformable, Pillows, Liner, Composite Material, Gravimetric Capacity, Volumetric Capacity.

1. Introduccin

Recientemente el uso de los recipientes a presin ha sido

expandido en aplicaciones de almacenamiento de hidrgeno

para ser utilizado como combustible automotriz,

proporcionando una considerable reduccin de

contaminacin ambiental en comparacin con los motores

tradicionales a gasolina y disel; a pesar de lo anterior, existe

un problema especfico de tecnologa asociado con este tipo

de recipientes, los vehculos deben llevar suficiente

hidrgeno para viajar ms de 300 millas (480 km) entre

recargas sin comprometer la capacidad de carga del vehculo

o espacio para los pasajeros. Los recipientes a presin como

cualquier otra estructura soportadora de carga, son

gobernados por dos restricciones mutuamente

contradictorias, la primera que exige mnimo peso y costo

para ahorrar materiales y recursos; sin embargo, la segunda


requiere una adecuada confiabilidad y seguridad de la

estructura. De todas las opciones que existen actualmente

para suministro de hidrgeno, el hidrgeno comprimido es

considerada la solucin a corto plazo para almacenamiento

de hidrgeno en vehculos, debido a su relativa simplicidad,

rpida capacidad de recarga, excelente caractersticas al

dormancy (tiempo durante el cual un tanque criognico de

hidrgeno, lquido, puede absorber calor de los alrededores

y sin ventear el vapor [1]), bajo impacto de infraestructura y

bajo riesgo [2]. A pesar de estas ventajas, el almacenamiento

de hidrgeno a bordo a alta presin debe vencer varios retos

tecnolgicos para poder ser viable a largo plazo. La densidad

de energa del hidrgeno es significativamente menor que la

de los dems combustibles. Incluso con las altas eficiencias

proyectadas para los vehculos de celdas un gran volumen

de hidrgeno gaseoso almacenado se requiere para un rango

aceptable en el vehculo. Los tanques cilndricos proveen

una eficiencia estructural cercana a la ptima en los

recipientes a presin, los vehculos que actualmente utilizan

combustible gaseoso, utilizan uno o ms cilindros de

almacenamiento comprimido. Sin embargo, la geometra

cilndrica de estos tanques no ofrece un uso eficiente del

volumen disponible para almacenamiento en un vehculo, el

cual normalmente es rectangular. Resulta necesario contar

con tanques que puedan adaptarse de manera eficiente a los

espacios disponibles en los vehculos, maximizar el

almacenamiento de hidrgeno, soportar las presiones de

almacenamiento y reducir al mnimo su peso.

2. Definicin del modelo

La geometra cilndrica de los tanques propuestos

actualmente para almacenamiento de hidrgeno no ofrece

un uso eficiente del volumen disponible para

almacenamiento en un vehculo, el cual normalmente es

rectangular, como se muestra en la Figura 1. En una

envolvente rectangular con una razn de aspecto

(ancho/alto) igual a un entero, los cilindros ocupan menos

del 75% del volumen de almacenamiento disponible. Para

razones de aspecto no enteras, este valor puede ser tan bajo

como 50% [3].

Figura 1 Tanques cilndricos en una evolvente rectangular.

La propuesta tecnolgica del trabajo es el desarrollo de

un tanque conformable que contribuya a solucionar el

problema de maximizar el almacenamiento de hidrgeno

utilizado como combustible a bordo; el cual pueda

almacenar hidrgeno gaseoso, lquido criognico o

criocomprimido, sopesando la razn resistencia a peso y las

capacidades volumtricas y gravimtricas del tanque.

El concepto fundamental para el tanque conformable

consiste en juntar celdas individuales conformadas por dos

placas planas y extremos semiesfricos o semielpticos. Un

liner interno metlico reforzado con fibras de material

compuesto, es utilizado como material para cada celda. La

idea general se muestra en la seccin transversal de la Figura

2.

Figura 2 Tanques cilndricos vs. conformables en una evolvente

rectangular.

El resultado es un tanque a presin multiceldas. El

nmero de celdas internas es optimizado para volumen y

capacidad de presin y depende en gran medida de la razn

de aspecto de la envolvente.

Los beneficios en el factor de conformabilidad (la

conformabilidad requiere que un tanque pueda tomar formas

irregulares y adaptarse al espacio disponible en el vehculo,

puede estimarse de la razn del volumen exterior del tanque

conformable al volumen de la envolvente rectangular), del

concepto de tanque conformable, comparado con cilindros

mltiples se muestra en la Figura 3. Independientemente de

la razn de aspecto el volumen de los cilindros nunca excede

70% del volumen de la envolvente.

Figura 2 Comparativo de eficiencias de almacenamiento como una

funcin de la razn de aspecto de la envolvente.

El factor de conformabilidad de los tanques puede ser

incrementado para el caso de almacenamiento criognico y

criocomprimido, utilizando un recipiente contenedor

externo aislado y sujeto a vaco, tal factor puede alcanzar

valores de hasta 98%.


Se determina que el uso de un liner de aluminio reforzado

con fibras de material compuesto, es adecuado para este fin.

El uso de material compuesto, permite al diseo del tanque

sopesar entre las restricciones estructurales, costo, peso y

volumen. El liner metlico sirve para dar soporte estructural,

previene permeacin del gas y sirve como mandril para el

bobinado de filamentos.

Se propone una serie de tanques conformables pillows

con dos superficies planas y extremos semiesfricos o

semielpticos. Un enrollado de fibra exterior mantiene juntos

y presionados a los tanques. Las Figuras 4-7 muestran el

concepto, en las que se pueden observar el liner, las bras de refuerzo y el apilado de los tanques, respectivamente.

Figura 4 Celda conformable extremos semiesfrico.

Figura 5 Celda conformable extremos semielpticos.

Figura 6 Celda conformable con fibras de refuerzo.

Figura 7 Tanque conformable.

El espacio tpico para los sistemas de almacenamiento de

combustible en un automvil es de 60x60x122 cm

(24x24x48 in), estas dimensiones son el punto de partida del

diseo. El concepto para el tanque conformable es en juntar

4 celdas individuales conformadas por dos placas planas y

extremos semiesfricos o semielpticos. Un liner metlico de

aleacin de aluminio 7075-T6, Figuras 4 y 5, es reforzado

con 3 capas de fibras de material compuesto T300/5208, una

capa orientada en la direccin axial y dos capas orientadas

en la direccin hoop (la direccin hoop es considerada en la

direccin circunferencial, sobre los extremos), Figura 6, son

utilizados como materiales para cada celda. Las dimensiones

de cada celda se muestran en las Figuras 8 y 9, el arreglo de

las capas puede observarse en la Figura 10.

Figura 8 Esquema de la celda con extremos semiesfricos.


Figura 9 Esquema de la celda con extremos semielpticos.

Figura 10 Arreglo de las capas en el espesor de la celda.

2.1. Materiales

Como se ha expuesto antes el material seleccionado para el

liner es aleacin de aluminio 7075-T6 [4] y el material de

las capas es fibra de carbono en matriz polimrica

T300/5208 [5].

Para la aleacin de aluminio 7075-T6 se tienen las

siguientes propiedades: Modulo de elasticidad E= 10,400 ksi

(71.705 Gpa), mdulo de Poisson =0.33, esfuerzo de uencia Sy =70 ksi (0.482 Gpa) y resistencia ltima Su =80 ksi (0.551 Gpa).

Para el material compuesto T300/5208 se tienen las

siguientes propiedades: Densidad = 0.56 lb/in3 (15,500 Kg/m3), mdulo de elasticidad E11 = 19,200 ksi (132.379

Gpa), mdulo de elasticidad trasversal E22 = E33 = 1,560 ksi

(10.755 Gpa), mdulo de Poisson 12 =0.24, mdulo de Poisson 23 =0.59, mdulo de cortante G12 =820 ksi (5.653 Gpa) y mdulo de cortante G23 =490 ksi (3.378 Gpa).

Resistencia a la tensin axial F1t =219.5 ksi (1.513 Gpa),

resistencia a la compresin axial F1c =130 ksi (0.896 Gpa),

resistencia a la tensin transversal F2t =6.3 ksi (0.043 Gpa),

resistencia a la compresin transversal F2c =29 ksi (0.119

Gpa), resistencia a cortante S12 =11.6 ksi (0.079 Gpa),

volumen de fibra Vf =62%.

3. Anlisis de elemento finito

Se realiza anlisis mediante la tcnica de elemento finito

para verificar comportamiento mecnico de los modelos

propuestos.

3.1. Modelo

Debido a la geometra de cada celda se realiza un modelo en

el software ANSYS utilizando solo un octavo de la celda,

se realiza un modelo para cada geometra, los cuales se

muestran en las figuras 11 y 12.

Figura 11 Modelo de la celda con extremos semiesfricos.

Figura 12 Modelo de la celda con extremos semielptico.


3.2. Materiales

El material seleccionado para el liner es una de aleacin de

aluminio 7075-T6, el cual es un material isotrpico y el

material de las capas es fibra de carbono en matriz

polimrica T300/5208, el cual es transversalmente

isotrpico. Las propiedades mecnicas de estos materiales,

fueron ex puestas en una seccin anterior.

3.3. Elemento

El elemento seleccionado SHELL 181, es un elemento tipo cascarn, compuesto por cuatro nodos y veinticuatro

grados de libertad. Este elemento puede ser usado para

aplicaciones de capas de un modelo estructural tipo Shell,

Figura 13.

Figura 13 Elemento Shell 181.

3.4. Secciones del modelo

Debido a que el enrrollado de las capas de fibras no es igual

en todas las direcciones de cada celda, es necesario dividir

dicha celda en secciones para asignar una secuencia de

apilado determinado, las secciones son mostradas en la

Figura 14.

Figura 14 Secciones que conforman el modelo de la celda.

3.5. Malla

Se crea un mallado mapeado de todas las secciones del

modelo, la cual se muestra en la Figura15.

Figura 15 Malla del modelo.

3.6. Condiciones de frontera

Se restringe la superficie plana de la celda, as como los

desplazamientos en las direcciones de cada corte de seccin

y simetra para las lneas pertenecientes a cada corte de

seccin, como se muestra en la Figura16.

Figura 16 Condiciones de frontera.

3.7. Carga

Se aplica presin en las reas, el valor de dicha presin se

fue variando, revisando la resistencia y los factores de

seguridad del liner y de cada una de las capas de material

compuesto, la carga de presin se muestra en la Figura 17.


Figura 17 Carga de presin aplicada al modelo.

3.8. Esfuerzos e ndices de falla

Se realiza un proceso iterativo, variando la secuencia de

apilado de las capas, el espesor del liner y de cada una de las

capas de material compuesto, adems de la carga de presin;

hasta alcanzar resultados aceptables para la densidad

gravimtrica y volumtrica del tanque. Se presentan los es

fuerzos de Von Mises en el liner y los ndices de falla, al

valor de la presin lmite, solo para las capas de material

compuesto con mayor esfuerzo, para ambos modelos.

3.9. Modelo con extremos semiesfricos

Los esfuerzos de Von Mises en el liner y los ndices de falla,

para la capa con mayor esfuerzo, se muestran en las Figuras

18 y 19, para este caso el valor de la presin lmite

corresponde a 2,600psi (18Mpa).

Figura 18 Esfuerzos de Von Mises en el liner.

Figura 19 ndice de falla para la capa 2 del material compuesto.

3.10. Modelo con extremos semielpticos

Los esfuerzos de Von Mises en el liner y los ndices de falla,

para la capa ms esforzada, se muestran en las Figuras 20 y

21, para este caso el valor de la presin lmite corresponde a

1,450 psi (10Mpa).

Figura 20 Esfuerzos de Von Mises en el line.

Figura 21 ndice de falla para la capa 2 del material compuesto.


3.11. Capacidad gravimtrica y volumtrica del tanque

Se presentan los valores para la capacidad gravimtrica

(la capacidad gravimtrica puede ser estimada como la razn

del peso del hidrgeno almacenado al peso del sistema, se

suele expresar en%, peso hidrgeno /peso sistema) y

capacidad volumtrica (la capacidad volumtrica puede ser

expresada como el peso del hidrgeno almacenado entre el

volumen del sistema, se suele expresar en kg/m3, peso

hidrgeno/volumen del sistema), se estiman para cada

modelo y para cada opcin de almacenamiento, gas, lquido

criognico y criocomprimido.

Para el caso de almacenamiento de hidrgeno gaseoso, la

masa de hidrgeno almacenado es funcin del volumen

interno de cada tanque y de la resistencia de la geometra a

la presin. Para el caso de almacenamiento criognico o

criocomprimido, las estimaciones estn hechas

considerando que existir un tanque externo sujeto a vaco

que contendr al tanque que estar aislado, cuyo diseo no

est considerado en este trabajo.

Para la estimacin de las capacidades gravimtrica y

volumtrica del tanque, se utilizan los espesores mostrados

en la tabla 1, los cuales fueron obtenidos del proceso de

variar el espesor del liner y de cada una de las capas de

material compuesto, la carga de presin y considerando la

relacin resistencia/peso del tanque.

Tabla 1 Espesores y materiales considerados en la estimacin de las

capacidades gravimtricas y volumtricas.

Modelo No. capa Espesor in (mm) Material

Terico

Liner 0.15 (3.810) 7071-T6

Capa 2 0.15 (3.810) T300/5208

Capa 3 0.12 (3.048) T300/5208

Capa 4 0.12 (3.048) T300/5208

ANSYS

Liner 0.15 (3.810) 7071-T6

Capa 2 0.15 (3.810) T300/5208

Capa 3 0.12 (3.048) T300/5208

Capa 4 0.12 (3.048) T300/5208

Para el caso del modelo con extremos semiesfricos y

para las tres opciones de almacenamiento, gas ( GH2),

lquido (LH2) y criocomprimido (CcH2), la tabla 2 muestra

los valores estimados para la capacidad gravimtrica y

volumtrica.

Tabla 2 Capacidades gravimtrica y volumtrica para tres opciones

de almacenamiento del modelo del tanque con extremos semiesfricos.

GH2

2600 psi, 300 K

(18 Mpa, 27 C)

LH2

14.7 psi, 20 K

(0.1 Mpa, 253 C)

CcH2

2600 psi, 38 K

(18 Mpa, -235 C)

Vol. slido

in3 (m3)

21,480

(0.352)

21,480

(0.352)

21,480

(0.352)

Vol. Shell

in3 (m3)

3,416

(0.056)

3,416

(0.056)

3,416

(0.056)

Vol. Interno

in3 (m3)

18,060

(0.296)

18,060

(0.296)

18,060

(0.296)

Masa tanque

lb (kg)

187

(85)

251

(114)

251

(114)

Densidad de H2

lb/in3 (kg/m3)

5.38e4

(15)

2.15e3

(70)

2.33e3

(65)

C. Volumtrica

[g/l]

12.61 57.23 53.14

C. Gravimtrica

[%]

5.60 18.14 14.77

Para el caso del modelo con extremos semielpticos y

para las tres opciones de almacenamiento, gas ( GH2),

lquido (LH2) y criocomprimido (CcH2), la tabla 3 muestra

los valores estimados para la capacidad gravimtrica y

volumtrica.

Tabla 3 Capacidades gravimtrica y volumtrica para tres opciones

de almacenamiento del modelo del tanque con extremos semielpticos.

GH2

2600 psi, 300 K

(18 Mpa, 27 C)

LH2

14.7 psi, 20 K

(0.1 Mpa, 253 C)

CcH2

2600 psi, 38 K

(18 Mpa, -235 C)

Vol. slido

in3 (m3)

23,188

(0.380)

23,188

(0.380)

23,188

(0.380)

Vol. Shell

in3 (m3)

2,572

(0.042)

2,572

(0.042)

2,572

(0.042)

Vol. Interno

in3 (m3)

20,616

(0.338)

20,616

(0.338)

20,616

(0.338)

Masa tanque

lb (kg)

202

(92)

264

(121)

264

(121)

Densidad de H2

lb/in3 (kg/m3)

3.59e4

(10)

2.51e3

(70)

1.97e3

(55)

C. Volumtrica

[g/l]

8.90 60.64 47.64

C. Gravimtrica

[%]

3.94 13.79 10.83

4. Resultados

De los mltiples anlisis de las geometras, extremos

semiesfricos y semielpticos, para los modelos propuestos

variando la secuencia de apilado de las capas, el espesor del

liner y de cada una de las capas de material compuesto, la

carga de presin y sopesando la razn resistencia a peso del

tanque y las capacidades volumtricas y gravimtricas del

tanque, se presentan los siguientes resultados.

Para el anlisis numrico, la secuencia de apilamiento

ms adecuada (la que menores esfuerzos para el liner y

menores ndices de falla para las capas de material

compuesto presenta) para las capas del tanque, se obtiene

variando las orientaciones de las fibras de las capas del

material compuesto sobre liner, la orientacin ms adecuada


para las dos geometras, partiendo de espesores iniciales tliner

= 0.11in (2.79x10-3), capa2 =0.09 in (2.28x10-3), capa3

=0.09 in (2.28x10-3), capa4 =0.09 in (2.28x10-3), se muestra

en la tabla 4.

Tabla 4 Secuencia de apilamiento para capas de las secciones de la

celda del tanque.

Seccin Capa

Espesor

In (m)

Orientacin

( C)

1

Liner 0.11 (2.79x10-3) 0

Capa 2 0.09 (2.28x10-3) 90

Capa 3 0.09 (2.28x10-3) 0

Capa 4 0.00 0

2

Liner 0.11 (2.79x10-3) 0

Capa 2 0.000 0

Capa 3 0.09 (2.28x10-3) 90

Capa 4 0.09 (2.28x10-3) 0

3

Liner 0.11 (2.79x10-3) 0

Capa 2 0.09 (2.28x10-3) 90

Capa 3 0.00 0

Capa 4 0.09 (2.28x10-3) 0

4

Liner 0.11 (2.79x10-3) 0

Capa 2 0.09 (2.28x10-3) 90

Capa 3 0.00 0

Capa 4 0.00 0

La secuencia de apilamiento es utilizada para las

siguientes estimaciones. Para el caso semielptico, el efecto

de variar los espesores del liner y de cada una de las capas

de material compuesto sobre los esfuerzos en el liner y sobre

los ndices de falla (Los ndices de falla son estimados

considerando la teora de Tsai-Wu) en las capas de material

compuesto, bajo una carga de presin inicial de 500 psi (3.44

Mpa). Los resultados pueden observarse en las figuras 22,

23, 24 y 25.

Figura 22 Efecto de la variacin del espesor del liner en los factores

de seguridad e ndices de falla, caso semielptico.

Figura 23 Efecto de la variacin del espesor de la capa 2, en los

factores de seguridad e ndices de falla, caso semielptico.





El anlisis de las de las figuras anteriores permite

determinar un espesor adecuado para el liner y para cada una

de las capas de material compuesto (los que permitan

disminuir los esfuerzos e ndices de falla en las capas). Este

proceso se realiza cuidando la capacidad gravimtrica del


tanque y buscando la mxima capacidad volumtrica. Lo

anterior permite incrementar la carga de presin hasta 1,450

psi (9.99 Mpa). La configuracin final del modelo de la

celda y los esfuerzos son mostrados en la tabla 5.

Tabla 5 Esfuerzos e ndices de falla para la configuracin final del

modelo con extremos semielpticos.

Capa Espesor

in (m)

Direccin

Esfuerzo

psi (Mpa)

Liner 0.15 (3.81x10-3)

x 41,219 (214.19)

y 63,044 (434.67)

xy 21,450 (147.89)

Von mises 61,388 (423.25)

Capa 2 0.15 (3.81x10-3)

x 45,287 (312.24)

y 32,777 (225.98)

xy 18,384 (126.75)

I.F 1.00

Capa 3 0.12 (3.04x10-3)

x 48,854 (336.83)

y 94,424 (651.03)

xy 2,337 (16.11)

I.F 0.995

Capa 4 0.12 (3.04x10-3)

x 4,172 (28.76)

y 95,046 (655.31)

xy 15,056 (103.80)

I.F 1.04

Sabiendo que la geometra semiesfrica es

estructuralmente ms resistente que la semielptica; se parte

de la configuracin final del modelo semielptico, espesores

tliner = 0.15in (3.81x10-3), capa2 =0.15 in (3.81x10-3), capa3

=0.12 in (3.04x10-3), capa4 =0.12 in (3.04x10-3), misma

carga de presin de 1,450 psi (9.99 Mpa), misma aleacin

de aluminio para el liner 7075-T6 y mismo material

compuesto para las capasT300/5208, para estimar los

esfuerzos e ndices de falla en el modelo semiesfrico. La

tabla 6 muestra el comparativo de los esfuerzos generados

en ambos modelos, para iguales condiciones.

Tabla 6 Comparativo de los esfuerzos e ndices de falla generados en

los modelo semiesfrico y semielptico para iguales espesores de capas,

materiales y carga de presin.

Direccin Esfuerzo

Semielptico

psi (Mpa)

Esfuerzo

Semiesfrico

psi (Mpa)

Desviacin

%

x 41,219 (214.19) 20,182 (139.15) 104

y 63,044 (434.67) 29,907 (206.20) 110

xy 21,450 (147.89) 5,133 (35.39) 317

Von mises 61,388 (423.25) 27,891 (192.30) 120

x 45,287 (312.24) 25,025 (172.54) 81

y 32,777 (225.98) 21,588 (148.84) 51

xy 18,384 (126.75) 10,017 (69.06) 183

I.F 1.00 0.572 76

x 48,854 (336.83) 29,730 (204.98) 64

y 94,424 (651.03) 40,168 (276.94) 135

xy 2,337 (16.11) 6,763 (46.62) 189

I.F 0.995 0.590 68

x 4,172 (28.76) 27,000 (186.15) 547

y 95,046 (655.31) 39,917 (275.21) 138

xy 15,056 (103.80) 5,050 (34.81) 236

I.F 1.04 0.427 144

De lo anterior, se puede notar que es posible incrementar

la carga de presin para el modelo semiesfrico, debido a

que el esfuerzo de Von Mises para el liner y los ndices de

falla para las capas estn por debajo de los valores

permisibles. Se realiza un proceso iterativo variando la

presin de carga para obtener el mximo valor de capacidad

volumtrica del tanque. La presin de carga que puede

soportar el tanque es de 2,600 psi (17.92 Mpa) y los

esfuerzos generados en las capas del modelo son mostrados

en la tabla 7.

Tabla 7 Esfuerzos e ndices de falla para la conguracin final del

modelo con extremos semiesfricos.

Capa Espesor

in (m)

Direccin

Esfuerzo

psi (Mpa)

Liner 0.15 (3.81x10-3)

x 36,189 (249.51)

y 53,626 (369.73)

xy 9,204 (63.04)

Von mises 50,013 (344.82)

Capa 2 0.15 (3.81x10-3)

x 44,843 (319.18)

y 38,710 (266.89)

xy 17,961 (123.83)

I.F 1.02

Capa 3 0.12 (3.04x10-3)

x 53,308 (367.54)

y 72,026 (496.60)

xy 12,128 (83.61)

I.F 1.05

Capa 4 0.12 (3.04x10-3)

x 49,000 (337.84)

y 71,575 (493.49)

xy 906,090

(6247.21)

I.F 0.766

Los valores de capacidades gravimtricas y volumtricas

de los modelos de tanques con extremos semiesfricos y

semielpticos para los tres tipos de almacenamiento (GH2,

LH2 y CcH2) son comparados con los objetivos de DOE

(U.S. Department of Energy ), estos valores son mostrados

en las tabla 8. Para todas las opciones de almacenamiento

est considerado de modo aproximado el peso de los

accesorios y para las opciones de almacena miento lquido y


criocomprimido, est considerado aproximadamente el peso

del aislamiento y el peso del tanque contenedor externo. Las

condiciones del hidrgeno para cada modelo y cada opcin

de almacenamiento fueron definidas en las tablas 2 y 3.

Tabla 8 Comparativo de capacidades gravimtrica y volumtrica los

modelos de celda con extremos semielpticos y semiesfricos para las

tres opciones de almacenamiento vs. DOE.

CH2 LH2 CcH2

Semielptico

Cap. gravimtrica (%) 3.94 13.79 10.83

Cap. volumtrica (g/l) 8.90 60.64 47.64

Semiesfrico

Cap. gravimtrica (%) 5.60 18.14 14.77


DOE

Cap. gravimtrica (%) 5.50 5.50 5.50


Los valores del factor de conformabilidad y otros

parmetros importantes del tanque, para las geometras de

extremos semielptico y semiesfrica y todas las opciones de

almacenamiento, se muestran en las tablas 9 y 10. Para la

estimacin del factor de conformabilidad para el caso del

almacenamiento criognico y criocomprimido, fue utilizado

el volumen del tanque externo contenedor del tanque, para

el cual el diseo no esta incluido en este trabajo. Para la

estimacin de gge (Galones equivalentes de gasolina) se con

sidera que 1 kgH2 =1galn equivalente de gasolina [6]. En

la estimacin del rango de autonoma se considera un

rendimiento del motor del automvil de 15 km/l de gasolina,

por lo que 1 kgH2 = 1galn equivalente de gasolina (gge)

rinde aproximadamente 56 km.

Tabla 9 Factor de conformabilidad y otros parmetros del modelo de

celda con extremos semielpticos para las tres opciones de

almacenamiento.

CH2 LH2 CcH2

Volumen interno (l) 338 338 338

Volumen externo (l) 380 444 444

Volumen caja (l)) 453 453 453

Conformabilidad (%) 87 98 98

Capacidad del sistema

(gge) 3.38 18.58 23.65

Rango de autonoma (km) 190 1,040 1,324

Tabla 10 Factor de conformabilidad y otros parmetros del modelo

de celda con extremos semiesfricos para las tres opciones de

almacenamiento.

CH2 LH2 CcH2

Volumen interno (l) 296 296 296

Volumen externo (l) 352 444 444

Volumen caja (l)) 453 453 453

Conformabilidad (%) 78 98 98

Capacidad del sistema

(gge) 4.44 20.72 19.24

Rango de autonoma (km) 248 1,160 1,077

5. Conclusiones y recomendaciones

Un diseo mediante anlisis numrico de un tanque con

formable que pueda ser utilizado para el almacenamiento de

hidrgeno a bordo en estado gaseoso (GH2), criognico

(LH2) o criocomprimido (CcH2) ha sido presentado. El

tanque es conformado por cuatro celdas (pillows) con dos

superficies planas y extremos semiesfricos o semielpticos;

las superficies planas son presionadas unas a otras. Un

enrrollado de fibra exterior mantiene juntos y presionados a

los tanques.

Cada celda est conformada por un liner interno metlico

de aleacin de aluminio7075T6 reforzado con fibras de material compuesto en matriz polimrica T300/5208

orientadas en las direcciones axiales y hoop.

Se realizaron mltiples anlisis de las geometras

(extremos semiesfricos o semielpticos) de los modelos

propuestos variando la secuencia de apilado de las capas, el

espesor del liner y de cada una de las capas de material

compuesto, la carga de presin, sopesando la razn

resistencia a peso del tanque, el factor de conformabilidad y

las capacidades volumtricas y gravimtricas del tanque. De

lo anterior se presentan las siguientes conclusiones:

1. La secuencia de apilamiento de las capas de material compuesto tiene efecto importante en la magnitud de los

esfuerzos generados en el liner y en cada una de las capas

de material compuesto. La disposicin ms adecuada

para minimizar los esfuerzos es colocar una capa en la

direccin axial de los extremos (semiesfricos o

semielipticos) y posteriormente las capas de material

compuesto en las direcciones hoop de dichos extremos.

2. Los esfuerzos generados en el liner y en cada una de las capas de material compuesto son inversos a su espesor,

pero debido a la limitacin de peso del tanque, resulta

necesario determinar espesores ptimos para mantener

los valores de capacidad volumtrica y gravimtrica

dentro de parmetros adecuados.

3. Debido a la geometra del modelo de celda con extremos semiesfricos, a los materiales utilizados, a los espesores

de capas y a la orientacin de las fibras de las capas del

material compuesto, la celda solo puede someterse a una

presin de 2,600 psi (17.92 Mpa).

4. Debido a la geometra del modelo de celda con extremos semielpticos, a los materiales utilizados, a los espesores

de capas y a la orientacin de las fibras de las capas del


material compuesto, la celda solo puede someterse a una

presin de 1,450 psi (9.99 Mpa).

5. Para iguales materiales, espesores de capas, orientaciones y carga de presin, la geometra semiesfrica es ms

resistente estructuralmente, es decir, los esfuerzos e

ndices de falla generados son menores que los generados

en la geometra semielptica.

6. La geometra semielptica tiene un factor de conformabilidad mayor que la semiesfrica, lo cual

permite aprovechar el espacio disponible para

almacenamiento, 87% para la geometra semielptica y

78% para la geometra semiesfrica.

7. El factor de conformabilidad es funcin del tipo de almacenamiento para el hidrgeno, siendo el ms bajo

para el almacenamiento gaseoso (GH2) y el ms alto para

el almacenamiento lquido (LH2).

8. Para una misma geometra, la capacidad gravimtrica es funcin del tipo de almacenamiento, siendo el ms bajo

para el almacenamiento gaseoso (GH2) y el ms alto para

el almacenamiento lquido (LH2).

9. La capacidad gravimtrica es mayor para la geometra semiesfrica que en la geometra semielptica, en gran

parte por la mayor resistencia a la carga de presin del

perfil semiesfrico. Aunque para el caso de

almacenamiento lquido la presin no tiene efecto

importante en este parmetro, sin embargo, si lo hace la

masa del sistema.

10. La capacidad volumtrica es mayor para la geometra semiesfrica que en la geometra semielptica, en gran

parte por la mayor resistencia a la carga de presin del

perfil semiesfrico. Aunque para el caso de

almacenamiento liquido este parmetro es mayor para la

geometra semielptica debido al mayor volumen, ya que

la presin no tiene efecto importante en este parmetro.

Recomendaciones

1. En este trabajo el diseo del tanque conformable para almacenamiento a bordo fue basado en la tcnica del

elemento finito, la cual ha demostrado ser una

herramienta eficaz para modelar el comportamiento de

recipientes a presin reforzados con materiales

compuestos, sin embargo resulta conveniente realizar

pruebas experimentales para complementar el trabajo

desarrollado hasta ahora.

2. En el diseo del tanque conformable solo fue considera da la carga de presin interna, presin externa y sus

combinaciones son posibles.

3. El anlisis de fatiga es extremadamente importante debido a las operaciones de recarga a la que estar

sometido el tanque, mxime que los requisitos de prueba

para aprobacin as lo exigen.

4. Es conveniente realizar un Autofrettage (el Autofrettage es una tcnica elastoplstica para incrementar la

capacidad de soportar presiones internas de los

recipientes) al tanque para incrementar la capacidad de

soportar presin interna.

5. Para determinar la resistencia a la presin se consider la temperatura ambiente, para los casos de almacenamiento

lquido o criocomprimido, debe considerarse la

temperatura criognica, ya que esta induce esfuerzos que

no fueron considerados en este trabajo.

REFERENCIAS

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a1adiseñomecanicoflopez

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