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  • Università di Pisa - Facoltà di Ingegneria

    Dipartimento di Ingegneria Meccanica Nucleare e della Produzione

    Corso di Dottorato di Ricerca in: “SICUREZZA NUCLEARE ED INDUSTRIALE”

    Tesi di Dottorato

    Aspetti di Sicurezza delle Miscele Idrogeno / Metano

    CANDIDATO RELATORI Alessia Marangon Prof. Ing. Marco Carcassi Ing. Marcello Mossa Verre Allieva del XXI Ciclo. Anno di discussione 2011. ________________________________________________________________________ CODICE SSD: ING IND 19 ING IND 24

  • ASPETTI DI SICUREZZA DELLE MISCELE IDROGENO / METANO

    Alessia Marangon, a.marangon@ing.unipi.it Pag. II di 226

    INDICE

    1 Perché le miscele idrogeno – metano? .................................................................6

    1.1 Effetti dell’aggiunta dell’idrogeno nel metano ...................................................................... 7

    1.2 Progetti nazionali ed internazionali inerenti le miscele idrogeno / metano............................ 8

    1.3 Cenni normativi ................................................................................................................... 11

    2 Aspetti innovativi del presente tema di ricerca.................................................15

    3 Idrogeno e metano come gas puri ......................................................................17

    3.1 Identificazione delle sostanze e proprietà chimico-fisiche di idrogeno e metano ................ 19

    3.2 Prospettico sinottico riassuntivo: idrogeno e gas naturale (metano) .................................... 26

    3.3 Approfondimento sui limiti di infiammabilità upward e downward.................................... 31

    4 Miscele idrogeno-metano ....................................................................................33

    4.1 Limiti infiammabilità miscele .............................................................................................. 33

    4.2 Stratificazione miscele idrogeno / metano ........................................................................... 34

    4.3 Indice di Wobbe................................................................................................................... 36

    5 Teoria e tecnologia inerente le tecniche di misura di concentrazione ed

    applicazione a miscele .........................................................................................39

    5.1 Definizione di concentrazione ............................................................................................. 39

    5.2 Requisiti di uno strumento / tecnica di misura di concentrazione........................................ 40

    5.3 Sensori catalitici................................................................................................................... 41

    5.4 Sensori elettrochimici .......................................................................................................... 42

    5.5 Sensori a conducibilità termica (“Catarometrici”) ............................................................... 44

    5.6 Sensori a semiconduttore .................................................................................................... 45

    5.7 Sensori a proprietà paramagnetica ...................................................................................... 46

    6 Gas cromatografia ...............................................................................................50

    6.1 Gas cromatografia................................................................................................................ 52

  • ASPETTI DI SICUREZZA DELLE MISCELE IDROGENO / METANO

    Alessia Marangon, a.marangon@ing.unipi.it Pag. III di 226

    6.2 I picchi ed il cromatogramma .............................................................................................. 55

    6.3 Selettività, efficienza e risoluzione in una separazione cromatografica............................... 57

    6.4 Analisi qualitativa dei cromatogrammi ................................................................................ 59

    6.5 Analisi quantitativa dei cromatogrammi .............................................................................. 60

    7 Descrizione dell’apparato sperimentale ............................................................63

    7.1 Descrizione del vent di sicurezza......................................................................................... 66

    7.2 Descrizione del sistema di immissione gas .......................................................................... 68

    7.3 Descrizione del sistema di misura della concentrazione di miscela infiammabile............... 73

    7.4 Caratteristiche sensori ossigeno ........................................................................................... 76

    8 Prove sperimentali di messa a punto dell’apparecchiatura e del sistema di

    misura ...................................................................................................................77

    8.1 Sostituzione di tutte le viti a sezione sottocalibrata del vent di sicurezza............................ 77

    8.2 Predisposizione di un circuito di test dei sensori ossigeno, idrogeno e metano ................... 81

    8.3 Prove di calibrazione del gas cromatografo ......................................................................... 85

    9 Sistema di acquisizione concentrazioni .............................................................91

    9.1 Descrizione della tecnica acquisizione dei sensori ossigeno................................................ 91

    10 Predisposizione di procedure per l’esecuzione in sicurezza delle prove

    sperimentali..........................................................................................................94

    11 Prove sperimentali...............................................................................................98

    11.1 Eliminazione del rumore e dei disturbi ................................................................................ 98

    11.2 Matrice totale delle prove sperimentali.............................................................................. 101

    11.3 Problema della stima del numero di moli per miscele di gas reali ..................................... 106

    11.4 Prove sperimentali di rilascio di miscele idrogeno –metano in ambiente chiuso............... 121

    28 GIUGNO 2010_Prova con miscela 30%vol.H2/70%vol.CH4 e assenza di ventilazione naturale

    .......................................................................................................................................... 121

  • ASPETTI DI SICUREZZA DELLE MISCELE IDROGENO / METANO

    Alessia Marangon, a.marangon@ing.unipi.it Pag. IV di 226

    29 GIUGNO 2010_Prova con miscela 30%vol.H2/70%vol.CH4 e assenza di ventilazione naturale

    .......................................................................................................................................... 124

    13 LUGLIO 2010_Prova con miscela 10%vol.H2/90%vol.CH4 e assenza di ventilazione naturale

    .......................................................................................................................................... 127

    11.5 Prove sperimentali di rilascio di miscele idrogeno –metano in ambiente chiuso dotato di ventilazione naturale .......................................................................................................... 129

    02 LUGLIO 2010_Prova con miscela 30%vol.H2/70%vol.CH4 e ventilazione naturale con

    aperture contrapposte ........................................................................................................ 129

    21 LUGLIO 2010_Prova con miscela 10%vol.H2/90%vol.CH4 e ventilazione naturale con

    aperture contrapposte ........................................................................................................ 132

    04 GENNAIO 2011_Prova con miscela 10%vol.H2/90%vol.CH4 e ventilazione naturale con

    singola apertura posta in basso.......................................................................................... 135

    05 GENNAIO 2011_Prova con miscela 10%vol.H2/90%vol.CH4 e con ventilazione naturale data

    da una singola apertura posta in alto lato vent di prova .................................................... 138

    12 GENNAIO 2011_Prova con miscela 30%vol.H2/70%vol.CH4 e con ventilazione naturale data

    da una singola apertura posta in alto lato vent di prova .................................................... 141

    12 Analisi delle prove sperimentali con gas cromatografia ................................144

    29 GIUGNO 2010_Prova con miscela 30%vol.H2/70%vol.CH4 e assenza di ventilazione naturale

    .......................................................................................................................................... 144

    13 LUGLIO 2010_Prova con miscela 10%vol.H2/90%vol.CH4 e assenza di ventilazione naturale

    .......................................................................................................................................... 147

    13 Simulazioni CFD eseguite mediante il codi

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