Prestazioni del reattore al banco prova

Prima di accoppiare il catalizzatore al motore, e verificarne il funzionamento, l’intero sistema di generazione dell’idrogeno (il cui layout al banco è esattamente quello di Fig. 5.3) è stato testato presso l’azienda costruttrice ACTA. In queste prove il preriscaldamento dell’ammoniaca è stato fatto solo per mezzo degli scambiatori di calore alimentati elettricamente (H2 e H4). Nei test di laboratorio presso Acta la pressione della linea dell’ammoniaca è stata

settata a 2.5 bar, in accordo con le indicazioni provenienti dalle prove del motore al banco. Con riferimento alla figura 5.3, che riporta il lay-out del sistema di conversione dell’ammoniaca al banco prova, il flusso di ammoniaca, proveniente da bombole esterne, dapprima intercetta un riduttore di pressione (PR), che ha il compito di immettere in linea ammoniaca a una pressione costante e calibrata al valore desiderato. A valle del riduttore di pressione, la linea gas è intercettata da un’elettrovalvola (EV in Fig. 5.3) che ha il compito di alimentare o stoppare il flusso di ammoniaca verso la linea di produzione d’idrogeno.

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Fig. 5.3 – Layout del sistema di generazione dell’idrogeno

Da notare che durante il processo di espansione, l’ammoniaca subisce un repentino abbassamento di temperatura, che può portare all’ottenimento di una nebbia della medesima formata da particelle di liquido, sospese nel gas freddo. Si è ritenuto quindi necessario monitorare temperatura e pressione del gas dopo il processo di espansione in modo da evidenziare possibili anomalie che potrebbero precludere la buona riuscita del processo di decomposizione del gas. Chiaramente, il flusso di gas contenente al suo interno particelle sospese di liquido non potrebbe essere iniettato come tale all’interno del reattore per diversi motivi: si otterrebbe disomogeneità del processo catalitico dovute alla natura disomogenea del corpo alimentato, e ciò si tradurrebbe in disomogeneità e non corretta calibrazione del flusso di gas erogato dal reattore.

Il reattore è fornito di alcune termoresistenze, alimentate tramite corrente di rete a 220 V AC, che possono comunque lavorare anche con la stessa tensione con DC come dovrebbe avvenire sul veicolo, nel quale l’energia necessaria verrà fornita dal pacco batterie.

Il sistema viene scaldato da freddo, senza alimentare ammoniaca, per circa 13 min (da ca. 2000 s a ca. 2800 s), dopo di che viene alimentata l’ammoniaca (Fig. 5.4).

H1: Preriscaldatore ammoniaca

H2: Preriscaldatore ammoniaca elettrico

TT: Sensori di temperatura

H4: Scambiatore di calore elettrico per lo start-up del reattore

H6: Scambiatore di calore alettato per raffreddare la miscela di

H2/N2

PR: Riduttore di pressione FM: Misuratore di portata EV: Valvola solenoide PS: Sensore di pressione FC: Iniettore ammoniaca

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Fig. 5.4 – Andamento delle temperature del sistema in funzione del tempo

Dal grafico sopra è possibile derivare i tempi di riscaldamento dei componenti del sistema. Il sensore di temperatura TT_2, ad esempio, raggiunge la temperatura di 450°C in circa 300 s (5 min), mentre TT_4 in poco più di 600 s (circa 10 min). Da notare come la temperatura misurata da TT_2 e TT_3 non superi mai i 700°C, per non incorrere nel danneggiamento del sistema.

E’ visibile dalla figura 5.4 una lieve diminuzione di temperatura al momento dell’ingresso dell’ammoniaca. Si aumenta gradualmente la quantità di ammoniaca iniettata, da ca. 2800 s a ca. 3800 s, ed è visibile un repentino aumento della temperatura quando non viene più iniettata ammoniaca nella linea.

Si hanno fondamentalmente 4 gradini di pressione nel sistema dall’istante in cui si inizia ad immettere l’ammoniaca, che corrispondono a 4 diversi duty cycle con cui si pilota l’iniettore: 10, 20, 30 e 40%. Per duty cycle (o ciclo di lavoro) si intende la frazione di tempo che l’iniettore è allo stato attivo (aperto) in proporzione al periodo totale considerato. Se, come nel nostro caso, l’iniettore viene fatto funzionare con un’onda rettangolare di controllo ad una frequenza costante, il ciclo di lavoro non è altro che il rapporto tra la durate del segnale alto e il periodo totale del segnale. Avere un duty cycle pari al 40% significa che per il 40% del periodo totale il segnale è a livello alto.

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Fig. 5.5 - Andamento delle pressioni del sistema in funzione del tempo

Il sensore di pressione che registra una diminuzione di pressione (in blu nella Fig. 5.5) è quello posto a monte dell’iniettore [PS01 in figura 5.3]; lungo la linea a valle di FC si registra sempre un aumento di pressione, che è sempre meno marcato man mano che il gas percorre un tragitto più lungo (dovuto all’aumentare delle perdite).

Con un duty-cycle pari al 40% si raggiunge il target di idrogeno da erogare al motore, ciò è visibile in maniera più chiara dalla Fig. 5.6, dove sono riportate le pressioni del sistema ed anche i relativi flussi erogati.

Fig. 5.6 - Flussi erogati e pressione del sistema per diversi duty cycle 0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 1,3 1,5 1,8 2,0 2,3 2,5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 10 20 30 40 50 Pr e ssu re (bar g) Gas Fl ow (L /h) Duty Cycle (%) Ftot F(H2) F(N2) P_01 P_02 P_03 P_04

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In base ai risultati ottenuti lo scambio di calore con l’ambiente è sufficiente a vaporizzare completamente l’ammoniaca per i quantitativi utilizzati per alimentare il reattore di cracking.

L’ammoniaca viene alimentata per mezzo dell’iniettore FC, che viene fatto funzionare con un’onda rettangolare di controllo ad una frequenza costante pari a 20 Hz. Il flusso di ammoniaca erogato può essere modificato agendo sul duty cycle del dispositivo. Ovviamente, per questo tipo di dispositivi, il flusso erogato è funzione della variazione di pressione (∆𝑝) presente tra l’ingresso e l’uscita. Questo viene di conseguenza costantemente monitorato per mezzo dei misuratori di pressione PS01 e PS02.

Una volta iniettata, l’ammoniaca passa da uno scambiatore di calore H1. Questo serve a

preriscaldare l’ammoniaca in entrata ed a raffreddate la miscela di H2+N2 in uscita dal reattore di

cracking. H1 è stato pensato per il funzionamento del sistema con motore acceso, e quindi

funziona in condizioni ottimali solo in questo contesto. Un ostacolo, quindi, è rappresentato dall’avviamento a freddo del motore (quando ancora i gas di scarico non hanno raggiunto le temperature desiderate per il corretto funzionamento del reattore). Nasce per questo motivo la necessità di equipaggiare il reattore con scambiatori di calore alimentati elettricamente per permettere la generazione di idrogeno in caso di avviamento a freddo.

Una volta passata per H1, l’ammoniaca viene preriscaldata anche tramite H2. Questo

scambiatore di calore è fornito di 4 camere messe in serie in cui sono alloggiate delle cartucce riscaldanti da 250W cadauna (1kW totale). Lo scambiatore H2 è stato pensato per preriscaldare

l’ammoniaca prima dell’ingresso nel reattore durante l’accensione del sistema; in queste condizioni infatti non si può sfruttare l’entalpia dei gas di scarico al fine di preriscaldarla. Un sensore di temperatura, TTH2C, è impiegato per garantire il corretto utilizzo dello scambiatore;

una volta che il sistema raggiunge il funzionamento di regime (e la temperatura raggiunge valori superiori a 510°C), le termo-resistenze possono essere disattivate.

L’ammoniaca entra quindi nel reattore che è scaldato per mezzo di resistenze elettriche (H4)

alla temperatura opportuna (min. 450°C). L’ammoniaca viene decomposta trasformandosi in una miscela composta da idrogeno (75% vol.) e azoto (25% vol.). La miscela contiene sempre tracce di ammoniaca in quanto la reazione è di equilibrio e quindi influenzata da pressione e temperatura di esercizio. Sebbene sia desiderata un’alta percentuale di conversione dell’ammoniaca (> 98%), l’ammoniaca residua nel flusso di idrogeno non rappresenta un problema dal momento che il motore a combustione interna la ossiderà completamente. Il reattore è portato alla corretta temperatura di funzionamento tramite 4 riscaldatori da 500 W cadauno. La temperatura delle candelette riscaldanti da specifica non può superare i 750°C, in quanto oltre questa temperatura si avrebbe un danneggiamento del riscaldatore stesso. Per evitare

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questo problema, le termoresistenze adottate possiedono una termocoppia di monitor della temperatura interna. Durante la fase di riscaldamento, tramite i sensori di temperatura TTH3C,

TT01, TT02 e TT03, la temperatura viene quindi controllata in modo da non superare i 720°C. L’apporto di calore necessario per mantenere in temperatura il sistema e fornire l’entalpia di reazione è stimato in ca. 650 W. Il calore erogato dai termoresistori è sovradimensionato in modo da permettere un avvio più rapido del processo di decomposizione. Il reattore è inoltre fornito di più termocoppie che permettono una lettura della temperatura presente nel letto catalitico (TT04, TT05, TT06 e TT07 una per ogni letto di catalizzatore). Ciò permetterà di dosare il calore erogato dai termoresistori e di capire quando il reattore si troverà nelle condizioni ideali per l’innesco del processo di decomposizione catalitica dell’ammoniaca.

La pressione presente a valle del reattore è monitorata per mezzo del dispositivo PS03. Il gas ricco in idrogeno fluirà quindi nello scambiatore H1 nel quale subirà, come già detto, un primo

raffreddamento che porterà la temperatura dei gas a ca. 130°C. Tale temperatura è troppo elevata sia per l’iniettore (iniezione della miscela ricca in idrogeno nel motore) che per le tubazioni polimeriche che si sono utilizzate a valle dell’impianto di generazione dell’idrogeno.

E’ stato quindi previsto un altro scambio di calore da eseguire nel dispositivo H6, che è uno

scambiatore del tipo ad alette nel quale lo scambio termico avviene con l’aria ambiente. La temperatura dei gas viene portata ad un valore al di sotto di 80°C. A valle di questo dispositivo è previsto un nuovo controllo di temperatura per mezzo del sensore TT08 e un nuovo controllo della pressione (PS04). La pressione letta da PS04 rappresenterà la pressione di alimentazione dell’iniettore nel motore (stimata in ca. 0,4 bar relativi).

I risultati, in termini di conversione di ammoniaca a funzionamento stazionario, sono complessivamente mostrati in figura 5.7. La quantità di ammoniaca convertita in idrogeno ed azoto dipende, tra i vari parametri, dalla pressione di alimentazione nel reattore e dalla portata, ed anche dalla pressione all’uscita dello stesso. La pressione della linea di alimentazione ammoniaca, come detto in precedenza, è stata impostata a 2,5 bar (la stessa pressione usata per iniettare ammoniaca nel condotto di aspirazione) mentre la portata (controllata con l’iniettore prima menzionato) è stata regolata per ottenere un’appropriata portata di idrogeno con una pressione di 0,4 bar, abbastanza buona per iniettare idrogeno nel collettore di aspirazione del motore.

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Fig. 5.7 – Prestazioni del reattore catalitico

Come è mostrato nel grafico sopra, partendo da 500° C e con le pressioni adottate, l’ammoniaca è completamente convertita in idrogeno ed azoto. Inoltre, la portata di idrogeno prodotta è compatibile con quella richiesta dal motore per un corretto funzionamento [58]. In aggiunta, la conversione di ammoniaca è quasi completa anche a temperatura di 450°C, permettendo un ampio margine di sicurezza se si considerano eventuali fluttuazioni delle temperature dei gas esausti.

Alcuni problemi strutturali delle parti saldate interne al reattore sono sorte all’inizio della sperimentazione. Per questo la struttura del reattore è stata riprogettata, mantenendo comunque la stessa architettura sopra descritta.