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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: flopezs@itesco.edu.mx
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).
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MEMORIAS DEL XXI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 23 al 25 DE SEPTIEMBRE DE 2015 COATZACOALCOS, VERACRUZ, MXICO
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
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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%.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
Figura 24 Efecto de la variacin del espesor de la capa 3, en los
factores de seguridad e ndices de falla, caso semielptico.
Figura 25 Efecto de la variacin del espesor de la capa 4, 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
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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
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MEMORIAS DEL XXI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 23 al 25 DE SEPTIEMBRE DE 2015 COATZACOALCOS, VERACRUZ, MXICO
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
Cap. volumtrica (g/l) 12.61 57.23 53.14
DOE
Cap. gravimtrica (%) 5.50 5.50 5.50
Cap. volumtrica (g/l) 40.0 40.0 40.0
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
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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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[2] B.D. James, G.N. Baum, F.D. Lomax, Jr., C.E. Thomas, I. F. Kuhn Jr., Comparison of onboard Hydrogen Storage for fuel cell vehicles, Task 4.2 Final Report under Subcontract 47-2-R31148, prepared for Ford Motor Co. under DOE Prime Contract DE-AC02-94CE50389, Inc., 1996.
[3] Andrew Haaland, High-Pressure Conformable Hydrogen Storage for Fuel Cell Vehicles proceedings of the 2000 Hydrogen Program Review, NREL/CP-570-28890, Thiokol Propulsion, 2000.
[4] Gere, J.M., Mecnica de Materiales, Cengage Learning, 2006.
[5] M.J. Hinton, A.S. Kaddour. P.D. Soden, Failure criteria in Fibre Reinforced Polymer Composites: The World Wide Failure Exercise, Elsevier , 2004.
[6] DOE Office of Energy College of the Desert, Palm Desert, CA, USA, Energy of technology Training Center Efficiency and Renewable Energy Hydrogen, Fuel Cells Infrastructure Technologies Program Multi- Year Research, Development and Demonstration, http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/mypp.
[7] Landes, R.E., Glass Fiber Reinforced Metal Pressure Vessel Design Guide, Structural Composites Industries Inc., California, 1972.
[8] U.S. Department of Energy Hydrogen Program, Hydrogen Our Energy Future, http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/education.html.
[9] S. Satyapal FY2006 DOE, Hydrogen Program Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting Proceedings, http://www.hydrogen.energy.gov/annual_review06_plenary.html.
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[11] Staab H. George, Laminar Composites, Elsevier: Madras India, 2009.
[12] Bertholet , J. M, Composite Material Mechanical Behavior and Structural Analysis, Springer, England, 1999.
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[14] Mazumdar, S. K., Composites Manufacturing Materials, Product and Process Engineering, CRC Press LLC, Boca Raton, 2002.
[15] Reddy , J. N., Miravete, A., Practical Analysis of Composite Laminates, CRC Press LLC, Boca Raton, 1995.
[16] ANSYS release 14.0 Documentation for ANSYS.
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