Come i raccordi corretti migliorano le prestazioni dei sistemi di alimentazione a idrogeno

Jul 07, 2023

19 gennaio 2022

Immagine: Adobe Stock

Con l’intensificarsi della ricerca sui veicoli a celle a combustibile a idrogeno, è fondamentale riconoscere la sfida di sviluppare celle a combustibile sicure e affidabili, una sfida presentata dall’idrogeno stesso.

Essendo un gas di piccole molecole, l’idrogeno può fuoriuscire anche attraverso le fessure più piccole e quindi essere assorbito dai materiali circostanti. Nei veicoli alimentati a idrogeno sono necessari più di 700 bar di pressione per mantenere la densità energetica necessaria nelle celle (Figura 1). Quando l’idrogeno viene immagazzinato nelle stazioni di rifornimento, i rapidi cambiamenti termici e di pressione possono influire sull’integrità del sistema poiché il gas viene rilasciato e si decomprime. Non sono consentite perdite in nessuna delle due applicazioni.

Immagine: Swagelok

Figura 1.I sistemi di erogazione del carburante per veicoli a idrogeno immagazzinano il gas a pressioni superiori a 700 bar per ottenere la densità di energia necessaria.

Ecco perché i raccordi nelle applicazioni a idrogeno, in particolare quelli che collegano le parti più critiche dei sistemi di carburante a idrogeno ad alta pressione, devono essere in grado di fornire elevati livelli di prestazioni e affidabilità. Oggi sono disponibili opzioni specializzate per contribuire a soddisfare queste elevate esigenze di prestazioni. In questo articolo esamineremo come si presentano queste nuove opzioni di raccordo rispetto ai tradizionali raccordi conici e filettati ed evidenzieremo anche alcune caratteristiche di progettazione specifiche che rendono le nuove opzioni ideali per le applicazioni con idrogeno.

Tenuta della guarnizione

Poiché l'idrogeno può fuoriuscire attraverso le aperture più piccole, la tenuta ermetica e la resistenza alle perdite sono due delle caratteristiche più importanti nella progettazione e nella selezione dei raccordi.

Tradizionalmente, le connessioni dei tubi hanno un'unica linea di contatto di tenuta su una superficie stretta tra il tubo e il raccordo, che funziona bene per la maggior parte dei liquidi e alcuni gas. Tuttavia, l’idrogeno ha caratteristiche specifiche che rendono tali connessioni più tenui. Le tenute a linea singola sono inoltre vulnerabili ai danni dovuti alle vibrazioni.

Il contenimento dell'idrogeno richiede progetti che includano due linee di contatto su superfici di tenuta più lunghe: una sul tubo e un'altra sul raccordo, leggermente angolate per fornire il livello di sollecitazione adeguato per mantenere le guarnizioni senza compromessi. Tipi specifici di raccordi per tubi a doppia ghiera possono garantire questo tipo di integrità della tenuta.

Forza di presa del tubo

La forza con cui il raccordo fa presa sul tubo è un altro elemento critico per determinare se un raccordo è appropriato per le stazioni di rifornimento di idrogeno ad alta pressione, nonché se è in grado di resistere alle vibrazioni dei veicoli in movimento.

Immagine: Swagelok

Figura 2. La ghiera anteriore temprata (grigio scuro) consente al raccordo di mordere fisicamente il tubo. La ghiera posteriore (grigio chiaro) consente un leggero movimento nel raccordo mantenendo presa e forza.

Per garantire una forza di presa adeguata, il design ideale per i raccordi per l'idrogeno è una presa meccanica raccolta che utilizza due ghiere (Figura 2). Se il raccordo ha una ghiera anteriore temprata, può agganciarsi fisicamente al tubo per produrre una valutazione di alta pressione. Quindi, la ghiera posteriore offre la possibilità al tubo di muoversi leggermente nel raccordo (chiamato "ritorno elastico") mantenendo contemporaneamente elevati livelli di presa e forza sul tubo. Questo sistema è resistente alle vibrazioni, il che lo rende vantaggioso per l'uso nei veicoli e nelle stazioni di rifornimento, dove i compressori e le condizioni dinamiche possono causare notevoli problemi di vibrazioni.

Il design a due ghiere con capacità di ritorno elastico consente inoltre ai raccordi di resistere a notevoli cambiamenti termici, che spesso comportano la crescita o il restringimento dei materiali. In particolare durante il rifornimento, la temperatura dell'idrogeno può variare tra -50°C e la temperatura ambiente, il che può influire sulle prestazioni dei raccordi conici e filettati convenzionali.

Installazione semplificata

I raccordi ben progettati dovrebbero anche essere facili da installare, contribuendo a rendere più efficienti l'installazione e gli assemblaggi. Ciò è di particolare importanza per i produttori di apparecchiature originali di veicoli a celle a combustibile a idrogeno (OEM) e per gli sviluppatori di infrastrutture per l’idrogeno.