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3 Manipolazione e stoccaggio del perossido di idrogeno............... 2 Le proprietà del perossido di idrogeno........................................ 1 Introduzione ed obiettivi della tesi................................................ INDICE

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INDICE

1 Introduzione ed obiettivi della tesi ...

1

1.1 Generalità sui motori a propulsione chimica . ... 1

1.2 Utilizzo del perossido di idrogeno nella propulsione spaziale ... 4

1.2.1 Cenni storici ... 5

1.2.2 Applicazioni correnti del perossido di idrogeno ... 7

1.3 Endoreattori a perossido di idrogeno ... 8

1.4 Obiettivi del lavoro di tesi... 8

1.5 Riferimenti ... 9

2 Le proprietà del perossido di idrogeno ...

12

2.1 Caratteristiche principali del perossido di idrogeno... 11

2.1.1 Proprietà fisiche ... 12

2.1.2 Proprietà termodinamiche e termochimiche ... 15

2.2 Altre proprietà del perossido di idrogeno ... 17

2.3 Riferimenti ... 17

3 Manipolazione e stoccaggio del perossido di idrogeno ...

19

3.1 Le schede di sicurezza... 19

3.1.1 Sezione 1 - Identificazione del prodotto chimico e della società ... 20

3.1.2 Sezione 2 - Composizione chimica ed informazioni sugli ingredienti... 20

3.1.3 Sezione 3 - Identificazione dei pericoli... 20

3.1.4 Sezione 4 - Interventi di primo soccorso... 20

3.1.5 Sezione 5 - Misure antincendio... 20

3.1.6 Sezione 6 - Provvedimenti in caso di dispersione accidentale... 20

3.1.7 Sezione 7 - Manipolazione e immagazzinamento... 20

3.1.8 Sezione 8 - Protezione del personale e controllo dell’esposizione ... 21

3.1.9 Sezione 9 - Proprietà fisiche e chimiche ... 21

3.1.10 Sezione 10 - Stabilità e reattività ... 21

3.1.11 Sezione 11 - Informazioni tossicologiche ... 22

3.1.12 Sezione 12 - Informazioni ecologiche... 22

3.1.13 Sezione 13 - Osservazioni sullo smaltimento ... 22

3.1.14 Sezione 14 - Informazioni sul trasporto ... 22

3.1.15 Sezione 15 - Informazioni sulla normativa ... 22

3.1.16 Sezione 16 - Altre informazioni... 22

3.2 Considerazioni sulle schede di sicurezza ... 22

3.3 Proprietà ed effetti della decomposizione ... 23

(2)

3.3.2 Decomposizione eterogenea... 23

3.3.3 Effetti della luce e del calore... 24

3.3.4 Effetti della decomposizione: aumento della pressione ... 24

3.3.5 Effetti della decomposizione: emissione di calore e riscaldamento endogeno 24 3.3.6 Effetti della decomposizione: vapore surriscaldato... 25

3.3.7 Caratteristiche esplosive... 25

3.4 Materiali compatibili ... 26

3.4.1 Alluminio e sue leghe ... 26

3.4.2 Acciaio inossidabile austenitico ... 26

3.4.3 Plastiche ... 26

3.4.4 Altrri materiali non metallici... 27

3.4.5 Lubrificanti... 27

3.4.6 Saldatura... 27

3.4.7 Trattamenti superficiali dell’acciaio inossidabile... 27

3.5 Materiali incompatibili... 28

3.6 Manipolazione del prodotto ... 29

3.7 Stoccaggio ... 30

3.7.1 Area di stoccaggio... 30

3.7.2 Piccoli contenitori ed IBC ... 30

3.7.3 Serbatoi... 31

3.7.4 Serbatoio intermedio ... 35

3.8 Elementi di un impianto per perossido di idrogeno ... 35

3.8.1 Tubazioni e connessioni ... 35

3.8.2 Valvole ... 36

3.8.3 Guarnizioni... 37

3.9 Riferimenti ... 37

4 Analisi preliminare delle prestazioni di motori monopropellente

a perossido di idrogeno ...

39

4.1 Modello semplificato per il calcolo delle prestazioni ... 39

4.1.1 Dati ... 40

4

.1.2 Calcolo del calore di reazione ... 41

4.1.3 Calcolo della temperatura adiabatica di decomposizione ... 42

4.1.4 Calcolo delle prorietà del propellente ... 44

4.1.5 Calcolo dei parametri propulsivi ... 46

4.2 Analisi e valutazione di alcuni codici per il calcolo delle prestazioni ... 48

4.2.1 Il codice Propep... 49 4.2.2 Il codice Gaseq ... 52 4.2.3 Il codice Cantera... 54 4.2.4 Valutazioni finali... 58 4.3 Riferimenti ... 58 ii

(3)

5 Progetto preliminare dell’impianto di approvvigionamento del

propellente ...

59

5.1 Requisiti dell’impianto... 59

5.2 Impianti preesistenti... 60

5.3 Scelte progettuali ... 62

5.3.1 Pressione massima di lavoro ... 62

5.3.2 Portata di massa ... 63

5.3.3 Numero e volume dei serbatoi ... 63

5.4 Dimensionamento delle linee... 64

5.5 Configurazione dell’impianto ... 66

5.6 Condizioni di fornitura del propellente ... 68

5.7 Gli elementi dell’impianto ... 69

5.7.1 I serbatoi... 69

5.7.1.1 Il serbatoio principale... 69

5.7.1.2 Il serbatoio di utilizzo ... 71

5.7.2 Giunzioni e riduzioni rivestite in PTFE ... 72

5.7.3 Raccordi per tubazioni e connessioni... 73

5.7.4 Tubazioni ... 74

5.7.5 Valvole... 75

5.7.5.1 Valvole a sfera per uso con perossido di idrogeno... 75

5.7.5.2 Valvole di non ritorno ... 76

5.7.5.3 Valvole di sicurezza ... 76

5.7.5.4 Valvole a sfera per uso con azoto ... 77

5.7.6 Compensatori ... 77

5.7.7 Regolatori di pressione... 78

5.7.8 Manometri e trasduttori di pressione ... 78

5.7.9 Filtri... 79 5.7.10 Indicatori di livello... 79 5.7.11 Altri elementi ... 80 5.7.11.1 Venturi cavitante ... 80 5.7.11.2 Flussimetro... 81 5.7.11.3 Disco di rottura... 82 5.7.11.4 Termocoppie ... 82

5.8 La configurazione trasportabile dell’impianto di approvvigionamento ... 84

5.9 Riferimenti ... 86

6 Progetto preliminare del banco di prova per endoreattori

monopropellente ...

87

6.1 Requisiti del banco di prova... 87

(4)

6.3 Gli elementi flessibili di vincolo ... 91

6.3.1 Analisi delle sollecitazioni e delle deformazioni dell’elemento flessibile ... 97

6.4 Descrizione del banco di prova ... 103

6.5 Riferimenti ... 108

7 Caratteristiche dei catalizzatori a schermi per perossido di

idrogeno...

109

7.1 Classificazione dei catalizzatori ... 109

7.1.1 Catalisi omogenea (liquido-liquido)... 109

7.1.2 Letti catalitici a sfere ... 110

7.1.3 Letti catalitici a schermi ... 110

7.2 Struttura di un catalizzatore a schermi ... 111

7.3 Parametri principali di un catalizzatore a schermi ... 112

7.4 Requisiti per un catalizzatore a schermi... 114

7.5 Problematiche connesse al funzionamento del catalizzatore... 115

7.5.1 Avvelenamento del letto catalitico e degradazione della superficie attiva... 116

7.5.2 Il fenomeno dell’incanalamento... 116

7.5.3 Ritardo d’accensione ... 117

7.6 Materiali impiegati per la costruzione del catalizzatore... 117

7.6.1 Materiali di supporto ... 117

7.6.2 Sostanze catalizzanti ... 118

7.7 Valutazione della attività delle sostanze impiegate come catalizzatori... 119

7.8 Effetti degli agenti stabilizzanti... 121

7.9 Riferimenti ... 122

8 Conclusioni e sviluppi futuri ...

125

8.1 Risultati principali e conclusioni... 125

8.2 Sviluppi futuri ... 126

Appendici

A Dati e proprietà del perossido di idrogeno...

127

A.1 Proprietà fisiche... 127

A.1.1 Diagramma di fase liquido-vapore ... 127

A.1.2 Viscosità ... 128

A.1.3 Tensione superficiale... 128

A.2 Proprietà termodinamiche ... 129

A.2.1 Funzioni termodinamiche... 129

A.2.2 Calore di decomposizione ... 129

A.2.3 Volume di ossigeno liberato... 130

(5)

A.2.4 Espansione del volume del liquido ... 130

A.3 Riferimenti ... 131

B Scheda di sicurezza del perossido di idrogeno...

133

C Documentazione tecnica relativa allo stoccaggio e alla

manipolazione del perossido di idrogeno...

143

C.1 Saldatura... 143

C.2 Specifiche tecniche per il decapaggio e la passivazione di riserve e tubazioni in acciaio inox (esempio)... 144

C.2.1 Decapaggio e passivazione degli apparecchi con gel... 144

C.2.2 Decapaggio interno degli apparecchi con soluzione liquida ... 144

C.2.3 Passivazione interna degli apparecchi con soluzione liquida... 145

C.2.4 Decapaggio e passivazione esterna con gel di saldature su tubazioni ... 146

C.2.5 Trattamento di decapaggio e passivazione delle superfici interne delle tubazioni mezzo navettamento ... 147

C.3 Requisiti per un impianto di stoccaggio di H2O2 standard ... 147

D Dimensionamento degli elementi strutturali utilizzati nella

configurazione mobile dell’impianto di approvvigionamento ...

151

D.1 Dimensionamento della piastra per il serbatoio di utilizzo ... 151

D.2 Verifica della resistenza del telaio con il profilo a C ... 153

D.3 Verifica della resistenza della saldatura tra telaio e pilastri ... 155

D.4 Verifica della resistenza e della stabilità dei pilastri ... 156

D.5 Riferimenti ... 157

E Stima dei costi ...

159

F Programmi in codice Matlab ...

161

F.1 Calcolo delle prestazioni di un endoreattore monopropellente a perossido di idrogeno... 161

F.2 Calcolo delle perdite di attrito in una tubazione per perossido di idrogeno ... 164

F.3 Calcolo della temperatura adiabatica di decomposizione e della composizione all’equilibrio tramite il codice Cantera ... 165

(6)

INDICE DELLE FIGURE

Fig. 1. 1 Schema di endoreattore monopropellente ad idrazina . ... 1

Fig. 1. 2 Schema di endoreattore bipropellente pressurizzato a gas ... 2

Fig. 1. 3 Schema di endoreattore a propellente solido ... 3

Fig. 1. 4 Schema di endoreattore ibrido ... 3

Fig. 1. 5 Andamento delle dimensioni dei satelliti lanciati ... 4

Fig. 1. 6 Risultati della simulazione finanziaria di Alta sullo sviluppo e la produzione di endoreattori a perossido di idrogeno... 5

Fig. 1. 7 Vista esplosa del motore del V-2 ... 6

Fig. 1. 8 Il velivolo ipersonico X-15 ... 6

Fig. 2. 1 Densità del perossido di idrogeno a varie concentrazioni ... 12

Fig. 2. 2 Punto di ebollizione e di congelamento del perossido di idrogeno al variare della concentrazione... 13

Fig. 2. 3 Pressione di vapore del perossido di idrogeno al variare della concentrazione .13 Fig. 2. 4 Calore specifico del perossido di idrogeno al variare della concentrazione. ... 14

Fig. 2. 5 Impulso specifico del perossido di idrogeno in funzione della concentrazione. 15 Fig. 2. 6 Impulso specifico di perossido di idrogeno e idrazina ... 16

Fig. 2. 7 Impulso specifico del perossido di idrogeno ed altri ossidanti in razzi ibridi.... 16

Fig. 3. 1 Esempio di stoccaggio di perossido di idrogeno in piccoli contenitori ... 30

Fig. 3. 2 Caratteristiche tipiche di un serbatoio per perossido di idrogeno (equipaggiamento di base) . ... 31

Fig. 3. 3 Caratteristiche tipiche di un serbatoio per perossido di idrogeno (equipaggiamento completo) ... 32

Fig. 3. 4 Esempio di installazione di un pozzetto per termocoppia in un serbatoio per perossido di idrogeno ... 33

Fig. 3. 5 Schema di valvola a sfera con foro di equilibrio ... 36

Fig. 3. 6 Valvola a diaframma con piccolo foro praticato nel coperchio ... 37

Fig. 4. 1 Temperatura adiabatica di decomposizione del perossido di idrogeno in funzione della concentrazione iniziale...………..43

Fig. 4. 2 Effetti della pressione sulla temperatura di decomposizione del perossido di idrogeno. ... 44

Fig. 4. 3 Velocità caratteristica del perossido di idrogeno in funzione della concentrazione iniziale... 45

Fig. 4. 4 Impulso specifico di un motore con spinta pari a 30 N, al variare della concentrazione iniziale di perossido di idrogeno e della pressione in camera di combustione ... 47

(7)

Fig. 4. 5 Portata di propellente in un motore con spinta pari a 30 N, al variare della concentrazione iniziale di perossido di idrogeno e della pressione in camera

di combustione... 48

Fig. 4. 6 Temperatura di decomposizione del perossido di idrogeno in funzione della sua concentrazione iniziale. Confronto tra i risultati presenti in letteratura, quelli ottenuti dal modello semplificato e quelli forniti dal codice Propep. .... 51

Fig. 4. 7 Impulso specifico di endoreattore a perossido di idrogeno (espansione ad 1 atm). Confronto tra i risultati presenti in letteratura e quelli ottenuti dal codice Propep. ... 52

Fig. 4. 8 Interfaccia grafica del software Gaseq... 53

Fig. 4. 9 Composizione all'equilibrio generata dalla decomposizione di una soluzione di perossido di idrogeno allo stato gassoso, calcolata con Cantera. ... 57

Fig. 4. 10 Temperature di equilibrio generate dalla decomposizione di una soluzione di perossido di idrogeno allo stato gassoso. Confronto tra i risultati ottenuti dai codici Gaseq e Cantera. ... 57

Fig. 5. 1 Schema dell'impianto di approvvigionamento utilizzato da General Kinetics. .. 61

Fig. 5. 2 Velocità e numero di Reynolds del fluido al variare del diametro del condotto. 65 Fig. 5. 3 Caduta di pressione lungo il condotto al variare del diametro... 65

Fig. 5. 4 Schema dell'impianto di approvvigionamento adottato... 67

Fig. 5. 5 Le bottigliette contenenti 1 litro di Propulse™ 875 HTP. ... 69

Fig. 5. 6 Schema del serbatoio per perossido di idrogeno da 100 litri (dimensioni in mm). ... 70

Fig. 5. 7 Schema del serbatoio per perossido di idrogeno da 10 litri. ... 71

Fig. 5. 8 Giunzioni a croce e a T rivestite in PTFE prodotte da Diflon. ... 72

Fig. 5. 9 Presa per strumenti rivestita in PTFE prodotta da Diflon... 73

Fig. 5. 10 Riduzione concentrica rivestita in PTFE prodotta da Diflon... 73

Fig. 5. 11 Il raccordo VCR prodotto da Swagelok... 73

Fig. 5. 12 Unioni a gomito e a T per raccordi VCR prodotti da Swagelok... 74

Fig. 5. 13 Tubi flessibili rivestiti in PTFE prodotti da Swagelok. ... 74

Fig. 5. 14 Valvola a sfera ad uso perossido di idrogeno prodotta da Conbraco... 75

Fig. 5. 15 Valvola di non ritorno prodotta da Swagelok. ... 76

Fig. 5. 16 Schema della valvola di sicurezza prodotta da Tai... 76

Fig. 5. 17 Valvola a sfera per uso con azoto prodotta da Swagelok. ... 77

Fig. 5. 18 Compensatori a soffietto in PTFE prodotti da TS. ... 77

Fig. 5. 19 Regolatore di pressione a valle prodotto da Swagelok. ... 78

Fig. 5. 20 Manometro prodotto da Swagelok... 78

Fig. 5. 21 Trasduttore di pressione prodotto da Swagelok... 79

Fig. 5. 22 Filtro prodotto da Swagelok. ... 79

Fig. 5. 23 Trasmettitore di livello idrostatico prodotto da Mobrey... 80

(8)

Fig. 5. 25 Flussimetro a galleggiante realizzato da Krohne. ... 82

Fig. 5. 26 Disco di rottura prodotto da Donadon... 82

Fig. 5. 27 La configurazione dell'impianto di approvvigionamento adottata... 83

Fig. 5. 28 Collocazione del serbatoio di utilizzo all'interno della struttura trasportabile (dimensioni in cm). ... 85

Fig. 6. 1 Schematizzazione delle componenti della spinta in un endoreattore... 88

Fig. 6. 2 Schema della configurazione a ponte di Wheatstone... 89

Fig. 6. 3 Schema della cella di carico prodotta da Metior (dimensioni in mm). ... 89

Fig. 6. 4 Schema della disposizione delle celle di carico. ... 90

Fig. 6. 5 Schema di un banco di prova per la misura della componente assiale di spinta. 91 Fig. 6. 6 Rappresentazione tridimensionale di un possibile elemento flessibile di vincolo. ... 92

Fig. 6. 7 Schema del collegamento tra cella di carico ed elementi flessibili... 93

Fig. 6. 8 Schematizzazione delle reazioni degli elementi flessibili sul motore: caso di spinta puramente assiale e centrata. ... 93

Fig. 6. 9 Dimensioni (in mm) dell'elemento flessibile considerato nell'analisi delle sollecitazioni e delle deformazioni. ... 96

Fig. 6. 10 Schema della ripartizione del carico di taglio all'interno dell'elemento flessibile. ... 97

Fig. 6. 11 Schema di equilibrio per la parte maggiormente sollecitata dell’elemento flessibile: caso di carico a compressione. ... 98

Fig. 6. 12 Stato di sollecitazione equivalente nell'elemento flessibile caricato a compressione da una forza di 30 N: risultato dell'analisi agli elementi finiti. .. 99

Fig. 6. 13 Schema di equilibrio per la parte maggiormente sollecitata dell’elemento flessibile: caso di carico a taglio. ... 100

Fig. 6. 14 Stato di sollecitazione equivalente nell'elemento flessibile caricato a taglio da una forza di 30 N: risultato dell'analisi agli elementi finiti... 101

Fig. 6. 15 Deformata direzionale nell'elemento flessibile caricato a compressione da una forza di 30 N: risultato dell'analisi agli elementi finiti... 101

Fig. 6. 16 Deformata direzionale nell'elemento flessibile caricato a taglio da una forza di 30 N: risultato dell'analisi agli elementi finiti... 102

Fig. 6. 17 Disegno preliminare del banco di prova per endoreattori monopropellente (dimensioni in mm)... 104

Fig. 6. 18 Schema concettuale di un banco di prova per endoreattori monopropellente con regolazione continua delle dimensioni... 107

Fig. 7. 1 Struttura di un catalizzatore a schermi. ... 111

Fig. 7. 2 Inviluppo delle prestazioni del catalizzatore schermi. ... 113

Fig. 7. 3 Volume di ossigeno rilasciato dalla decomposizione di perossido di idrogeno in funzione del tempo, per due tipi di catalizzatori. ... 120

(9)

Fig. 7. 4 Volume di ossigeno liberato dalla decomposizione di H2O2 diluito con e senza

aggiunta di pirofosfati per i catalizzatori Ag/Al2O3 (a) e MnOx/Al2O3 (b)... 121

Fig. 7. 5 Volume di ossigeno liberato dalla decomposizione di H2O2 diluito con e senza aggiunta di stannati per i catalizzatori Ag/Al2O3 (a) e MnOx/Al2O3 (b)122 Fig. A. 1 Diagramma di fase liquido-vapore del perossido di idrogeno al variare della concentrazione. ... 127

Fig. A. 2 Viscosità del perossido di idrogeno al variare della concentrazione. ... 128

Fig. A. 3 Tensione superficiale del perossido di idrogeno al variare della concentrazione. ... 128

Fig. A. 4 Funzioni termodinamiche della reazione di decomposizione del perossido di idrogeno. ... 129

Fig. A. 5 Calore di decomposizione del perossido di idrogeno al variare della concentrazione. ... 129

Fig. A. 6 Volume di ossigeno liberato dalla reazione di decomposizione del perossido di idrogeno. ... 130

Fig. A. 7 Curva di espansione del volume del liquido in decomposizione adiabatica totale a pressione costante e a temperatura iniziale di 20 °C... 130

Fig. D. 1 Schema dei vincoli e dei carichi per la piastra che sorregge il serbatoio di utilizzo. ... 151

Fig. D. 2 Andamento del momento lungo la piastra. ... 152

Fig. D. 3 Dimensioni del profilo a C del telaio quadrato. ... 153

Fig. D. 4 Schema dei carichi e dei vincoli per il telaio quadrato. ... 154

Fig. D. 5 Andamento del momento flettente lungo ciascun lato del telaio ... 154

Fig. D. 6 Schematizzazione della saldatura tra pilastri e telaio. ... 155

(10)

INDICE DELLE TABELLE

Tab. 1. 1 Impulsi specifici per varie combinazioni di propellenti... 2 Tab. 1. 2 Specifiche di alcuni dei motori a perossido di idrogeno sviluppati in passato... 7 Tab. 2. 1 Densità di vari propellenti... 12 Tab. 3. 1 Diametri minimi necessari per i bocchelli di sicurezza situati sull’estremità

superiore di un serbatoio contenente H2O2. ... 34

Tab. 5. 1 Dimensioni degli elementi impiegati per la realizzazione della struttura mobile. ... 86 Tab. 7. 1 Proprietà meccaniche del materiale ceramico Celcor ® a 400 ppi. ... 118 Tab. 7. 2 Dati sulle attività di vari ossidi metallici impiegati come catalizzatori su

substrato di allumina. ... 120

Riferimenti

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