1. Definición de los planos donde se van a mostrar las soluciones
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Escuela Superior de Ingenieros Industriales 55 ANEXO ANEXO 1. Definición de los planos donde se van a mostrar las soluciones Para mostrar los resultados con ANSYS-FLUENT se ha seccionado el vehículo por diferentes planos donde se mostrará los resultados. Además, también se mostraran gráficas y resultados numéricos obtenidos directamente una vez resuelto el problema de la dispersión de hidrógenoaire en el interior del Santana 350. Los planos que se mostrarán a lo largo del trabajo se dividirá en planos en dirección `y´, planos en dirección `x´ y planos en dirección `z´. En la Figura anexo 1 se muestra un ejemplo para su mejor compresión. Figura anexo 1. Posición de los planos donde se mostrarán las soluciones. El número de planos en los que se van a mostrar las soluciones para cada dirección del plano será de tres. Por esta razón, se ha decidido dar una nomenclatura a cada plano y mostrar siempre las soluciones en los mismos planos para así poder comparar los diferentes casos que se han resuelto. En la Figura anexo 1 se puede visualizar la nomenclatura que se ha usado para mostrar las soluciones. Además, todos los planos se mostrarán siempre con la misma escala en todos los casos que se han resueltos. En dichos planos se representará la fracción molar de hidrogeno. La importancia de representar la fracción molar de hidrógeno es debido a que nos muestra directamente las zonas que tienen riesgo a ser inflamables. Dichas partes será aquellas que superen el 4% de concentración molar de hidrógeno y que sean menores del 75%.Sin embargo, para poder contemplar correctamente la distribución de concentraciones molares se pondrá como límite superior en las gráficas una concentración molar de hidrógeno del 10% ya que para ese valor, el vehículo ya se puede considerar totalmente en riesgo de inflamación. 55 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 56 ANEXO Figura anexo 2. Nomenclatura de los planos que se van a usar a lo largo del problema Además de representar el campo de concentración molar de hidrógeno, también se representará el campo de velocidades, pero tan solo en los planos x-3 (que coincide con las rejillas de extracción) y el plano y-2 debido a que son los planos donde más información se obtiene. En el campo de velocidades también se representará con la misma escala en todos los casos y se ha puesto como máximo 2 m/s ya que es superior a la velocidad de confort en el interior del habitáculo. 56 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 57 ANEXO 2. Resultados del Caso 1 Contornos de concentraciones molares Planos en dirección `y´ En primer lugar se muestra los tres planos en dirección `y´ comentando los resultados obtenidos. El primer plano que se muestra es él y-1, el cual se encuentra situado muy cerca de donde incide el chorro de la fuga de hidrógeno. Figura anexo 3. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. En el plano y-1 se puede observar como la zona baja de la parte trasera se puede considerar totalmente en riesgo de inflamación ya que siempre está por encima del 4 % de concentración molar de hidrógeno. También se visualiza que las zonas bajas del resto del vehículo tienen más concentración de hidrógeno que las partes altas, esto se debe a que la fuga impulsa el hidrógeno hacia abajo y pasa de la parte trasera a la delantera a través de los huecos existentes debajo de los asientos. El resto del plano y-1 puede considerarse totalmente seguro en cuanto a riesgo de inflamación. 57 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 58 ANEXO El plano y-2 se encuentra situado justa en la mitad del habitáculo según la dirección `y´. Figura anexo 4.Concentración molar de hidrógeno en el plano y-2. En el plano y-2, al igual que pasaba en el plano y-1, se observa que la parte con más riesgo de inflamación sigue siendo la zona baja de la parte trasera, aunque en las zonas altas de dicha zona se ha llegado a unas condiciones de concentración de hidrógeno tales que hacen que no sea seguro la zona del maletero del vehículo. Sin embargo, la zona ocupada por pasajeros es segura, siendo la parte menos inflamable las partes altas. Este resultado puede llamar mucho la atención ya que el hidrógeno es menos denso que el aire y siempre tiende a acumularse en las zonas elevadas. En este caso, al impulsar la ventilación delantera a 3 m/s, se observa que la corriente de aire barre toda la luna delantera y llega hasta la zona trasera del Santana 350, arrastrando el hidrógeno a la zona del maletero que es justo donde se sitúa las extracciones. El último plano que se mostrará en dirección `y´ es el plano y-3. 58 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 59 ANEXO Figura anexo 5.Concentración molar de hidrógeno en el plano y-3. El plano y-3 es el que está más alejado de la fuga de todos los planos orientados en dirección `y´ y sin embargo es el que más riesgo de inflamación presenta. Que la zona izquierda presente más riesgo de inflamabilidad que la parte derecha se debe al campo de velocidades de la mezcla hidrógeno-aire que existe en la parte trasera, dicho campo de velocidades se mostrará en el apartado siguiente denominado campo de velocidades del caso 1. Planos en dirección `x´ El plano x-1 y el plano x-2 son los que están situados justo en el plano del conductor/copiloto y de los pasajeros respectivamente. Figura anexo 6. Concentración molar de hidrógeno en los plano x-1 y x-2. 59 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 60 ANEXO El hecho de representar las planos x-1 y x-2 en una misma figura se ha realizado para destacar el resultado que se ha obtenido. En ninguno de los dos casos se llegan a concentraciones de hidrógeno tales que hagan que el vehículo sea peligroso, siendo la concentración más alta de hidrógeno en los dos planos de 0,025. Este resultado implica que si ventilamos el interior del Santana 350 con las condiciones de ventilación del caso 1, la parte habitable del vehículo pude considerarse seguro en cuanto a riesgo de inflamabilidad. A continuación se mostrará la concentración molar en el plano x-3. La característica que posee el plano x-3 es que está situado justo en la posición donde se encuentran las rejillas de extracción. Por lo tanto, a priori, se espera que en esas zonas la concentración de hidrógeno se elevada Figura anexo 7.Concentración molar de hidrógeno en el plano x-3. Como se esperaba, en este plano la concentración molar de hidrógeno es bastante elevada y se puede considerar que casi todo el plano x-3 está en riesgo de inflamación. Al igual que ocurría con los planos orientados en dirección `y´, existe una diferencia apreciable entre las concentraciones de hidrógeno en la parte izquierda y en la parte derecha, además, en la zona inferior del plano que se encuentra cerca de la fuga la concentración de hidrógeno es superior al 0,1. Al igual que se comentó anteriormente, este distribución de hidrógeno será argumentada en el apartado relacionado con el campo de velocidades en el interior del vehículo. 60 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 61 ANEXO Planos en dirección `z´ El plano z-1 está situado en el suelo del Santana 350, aunque sabiendo los resultados de los planos en dirección `y´ y en dirección `x´ ya se tiene una idea de los resultados en este plano, resulta interesante visualizarlo de la misma forma que se ha visualizado todos los planos anteriores, ya que en estos planos se observa muy bien como se distribuye el hidrógeno y se verán grandes diferencias entra las parte izquierda y derecha del vehículo así como de la parte delantera y trasera del mismo. Figura anexo 8.Concentración molar de hidrógeno en el plano z-1. El plano z-1 puede considerarse seguro en cuanto a riesgo de inflamación excepto en una pequeña parte donde la concentración de hidrógeno es un poco superior al 4%. El plano z-2 se sitúa justo a mitad de altura del Santana 350. Figura anexo 9. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-2. En este plano se pone de manifiesto el contraste de concentraciones de hidrógeno comentado anteriormente. La parte trasera y en especial la izquierda contienen una alta concentración de hidrógeno, llegando incluso a concentraciones superiores al 0,1, sin embargo, la 61 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 62 ANEXO parte delantera y en especial la parte derecha se considera segura y no se llega a concentraciones de hidrógeno que la hagan inflamable. El plano z-3 es el situado justo en el techo. Intuitivamente, en esta superficie se esperan altas concentraciones de hidrógeno en todos los casos que se han resuelto, sin embargo, en este caso el hidrógeno no se acumula en las zonas altas del vehículo. Figura anexo 10.Concentración molar de hidrógeno en el plano z-3. El plano z-3 muestra que la concentración de hidrógeno puede llegar a ser inflamable en algunas zonas aunque en la mayor parte sea seguro. Por lo tanto, se puede concluir comentando que para estas condiciones de ventilación, el riesgo no está en las zonas altas sino en las zonas bajas. 62 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 63 ANEXO Campos de velocidades En este apartado se mostrarán los resultados obtenido del campo de velocidad. Estos resultados ayudarán a entender cómo es el movimiento de la mezcla aire-hidrógeno. En las siguientes imágenes se muestran el campo de velocidad de la mezcla aire-hidrógeno, gracias a los vectores de velocidad se podrá conocer cómo es la dirección y la velocidad localmente en el habitáculo del Santana 350. En primer lugar, se representará el campo de velocidades en el plano x-3. Figura anexo 11.Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano x-3. En la Figura anexo 11 se observa que, a pesar de estar la fuga situada en el lado derecho del habitáculo, toda la mezcla de aire-hidrógeno se mueve desde zona derecha hacia la izquierda por la parte baja del vehículo. Este movimiento se debe a la posición con la que se ha colocado la fuga, la cual impulsa el hidrógeno hacia la parte baja del habitáculo. Esta es la razón por la que la parte izquierda del vehículo se encuentra en todo momento con más riesgo de inflamación que la parte izquierda. Por otro lado, en la Figura anexo 11 se aprecia bien como las rejillas de extracción están funcionando correctamente ya que por ambas rejillas está saliendo mezcla de aire-hidrógeno hacia el exterior del vehículo. 63 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 64 ANEXO En la Figura anexo 12 se muestra el campo de velocidades en el plano y-2. Figura anexo 12.Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano y-2. Con la representación del campo de velocidades en este plano se explica por las zonas altas del habitáculo no presentan zonas con concentraciones de hidrógeno altas. Todo se debe a que la ventilación delantera impulsar aire de ventilación a una velocidad suficientemente elevada como para que, además de barrer la luna delantera, barra todo el techo del vehículo impulsando el hidrógeno hacia la parte del maletero donde será extraído hacia el exterior del Santana 350. 64 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 65 ANEXO Volumen del Santana 350 con peligro de inflamación A continuación se mostrará todas las zonas que se pueden considerar en peligro de inflamación debido a que la concentración de hidrógeno oscila entre el 4% y el 75%. Figura anexo 13. Volumen inflamable en el Santana 350. La Figura anexo 13 muestra que la zona trasera del vehículo puede considerarse en peligro de inflamación. Es interesante destacar que este caso es el más favorable que se ha contemplado y aproximadamente 1/3 del vehículo no se considera seguro en cuanto a resigo de inflamación. 65 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 66 ANEXO Resultados numéricos A continuación se mostrarán algunas soluciones numéricas que se han obtenido con el software comercial ANSYS-FLUENT. Caudales de extracción de la zona baja. Extracción izquierda (m3/h) 223,92 Extracción derecha (m3/h) 223,08 Caudales de extracción en la zona alta. Extracción izquierda (m3/h) 33,9 Extracción derecha (m3/h) 33,6 Masa de hidrógeno en el interior del Santana 350. Masa de hidrógeno (g) 0,6 % Volumen hidrógeno % Volumen hidrógeno 2,44 66 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 67 ANEXO 3. Resultados del Caso 2 Contornos de concentraciones molares Planos en dirección `y´ En el caso 2, la simulación se ha realizado tan solo con la ventilación delantera a 2 m/s. Seguidamente se representa la concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. Figura anexo 14. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. En la Figura anexo 14 se muestra la fracción molar de hidrógeno en el plano y-1. En dicho plano se observa que la parte la trasera y la zona intermedia alta son peligrosas en cuanto a riesgo de inflamación. La concentración molar de hidrógeno en el plano y-2 se muestra a continuación. Figura anexo 15.Concentración molar de hidrógeno en el plano y-2. En el plano intermedio según la dirección `y´ se observa que más de la mitad del plano se puede considerar seguro, siendo la zona trasera la que tiene una concentración de hidrógeno más elevada. En esta imagen se aprecia con claridad la influencia de la ventilación delantera y como empuja a la mezcla aire-hidrógeno hacia la zona trasera. 67 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 68 ANEXO A continuación se representa la fracción molar de hidrógeno en el plano y-3. Figura anexo 16. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-3. De nuevo, es la zona trasera la única que se encuentra en riesgo de inflamación siendo el resto del vehículo seguro. Planos en dirección `x´ Los planos orientados según la dirección `x´ muestran los planos donde se sitúan conductor/copiloto y pasajeros. A continuación se muestra la concentración molar de hidrógeno en los plano x-1 y x-2. Figura anexo 17.Concentración molar de hidrógeno en los planos x-1 y x-2. En ambos planos no se llegan a concentraciones de hidrógeno superiores al 4% (excepto en la esquina superior derecha del plano x-1). De acuerdo a la solución mostrada en los planos x-1 y x-2 se puede afirmar que la parte habitable del Santana 350 se puede considerar totalmente seguro en cuanto a riesgo de inflamación. 68 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 69 ANEXO A continuación se mostrará la concentración molar de hidrógeno en el plano x-3. Figura anexo 18. Concentración molar de hidrógeno en el plano x-3. Como se esperaba, todo el hidrógeno que expulsa la fuga se concentra en la parte trasera del Santana 350, siendo dicha zona inflamable con concentraciones de hidrógeno superior al 10% en la mayor parte de la misma. Planos en dirección `z´ En los planos orientados según la dirección `z´ se espera que tan solo haya zona inflable en la parte trasera de acuerdo con las soluciones mostradas anteriormente. A continuación se muestra la fracción molar de hidrógeno en el plano z-1. Figura anexo 19.Concentración molar de hidrógeno en el plano z-1. La Figura anexo 19 muestra que en todo el plano del suelo no se llega al 4% de concentración molar de hidrógeno por lo que no existe riesgo de inflamación. 69 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 70 ANEXO A continuación mostraremos la concentración molar de hidrógeno en la plano medio del vehículo según la dirección z. Figura anexo 20. Contorno de fracción molar de hidrógeno en el plano z-2. En la Figura anexo 20se muestra que tan solo existe peligro de inflamación en la zona trasera, por lo tanto, la zona habitable del Santana 350, en este caso, se considera totalmente segura. Por último, se muestra el plano que se encuentra próximo al techo del vehículo. Figura anexo 21. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-3. En el plano z-3 se observa una distribución de concentración molar de hidrógeno bastante heterogénea, situándose las zonas de más concentración de hidrógeno en las zonas próximas a las rejillas de extracción que se encuentran en la parte alta del Santana 350. La parte delantera puede considerarse libre de hidrógeno gracias a la ventilación delantera. 70 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 71 ANEXO Campo de velocidades El estudio del campo de velocidades en el caso 2 resulta muy interesante debido a que muestra la influencia de la ventilación delantera la cual resulta ser, según los resultados obtenidos, la clave para conseguir que el habitáculo del Santana 350 sea seguro, por lo menos en las zonas del conductor, copiloto y pasajeros. El campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano x-3 es el siguiente. Figura anexo 22. Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano x-3. La Figura anexo 22 no proporciona ningún resultado nuevo, ya que tanto para el caso 1 como para el caso 2, el comportamiento de la mezcla aire-hidrógeno resulta ser muy similar en la zona trasera. Por otro lado, se observa que las velocidades son muy elevadas en la zona baja y moderadas en el resto del plano, además se observa una vez más que las rejillas de extracción extraen la mezcla aire-hidrógeno hacía el exterior del vehículo. 71 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 72 ANEXO A continuación se representará el campo de velocidades en el plano y-2, este plano resulta interesante ya que muestra cual es el recorrido que realiza el aire que se impulsa por la ventilación delantera. Figura anexo 23.Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano y-2. En la Figura anexo 23 se puede visualizar como es el movimiento de la mezcla airehidrógeno en el interior del Santana 350. El aire se impulsa por la rejilla de ventilación delantera a 2m/s y consigue barrer la luna delantera y pegarse al techo empujando toda la mezcla airehidrógeno hacia la parte trasera. También se observa que el aire que se impulsa por la rejilla delantera barre el techo hasta aproximadamente la mitad del habitáculo que es cuando pierde velocidad chocando directamente con el asiento de los pasajeros, creando en la parte delantera una recirculación continua que es la responsable de que nunca se alcancen niveles de concentraciones inflamables de hidrógeno en la parte habitable del Santana 350. 72 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 73 ANEXO Volumen del Santana 350 con peligro de inflamación El volumen inflamable del Santana 350 se representará a continuación. Figura anexo 24. Volumen inflamable en el Santana 350. En la Figura anexo 24 se comprueba que el volumen inflamable es un poco superior a 1/3 del volumen total. De nuevo, sigue siendo la zona trasera la peligrosa en cuanto a riesgo de inflamación. Sin embargo, se ha comprobado que la ventilación delantera es clave para evitar que el hidrógeno se acumule en las zonas altas del habitáculo aunque en este caso se puede observar que existe algo de riesgo en esa zona. 73 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 74 ANEXO Resultados numéricos Los resultados numéricos obtenidos mediante el software comercial ANSYS-FLUENT del caso 3 se muestran a continuación. Caudales de extracción de la zona baja. Extracción izquierda (m3/h) 69,3 Extracción derecha (m3/h) 71,52 Caudales de extracción en la zona alta. Extracción izquierda (m3/h) 11,094 Extracción derecha (m3/h) 10,842 Masa de hidrógeno en el interior del Santana 350. Masa de hidrógeno (g) 0,88 % Volumen hidrógeno % Volumen hidrógeno 3,54 74 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 75 ANEXO 4. Resultados del Caso 3 Contornos de concentraciones molares Planos en dirección `y´ El caso 3 se diferencia del caso 1 en que los niveles de ventilación son la mitad en todas las rejillas. Esta reducción de los caudales de ventilación tendrá una fuerte repercusión en la seguridad del Santana 350 en cuanto a riesgo de inflamación. A continuación se mostrará, para el caso 2, la concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. Figura anexo 25.Concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. En el plano y-1 se puede observar que aproximadamente la mitad del plano supera el 10% de concentración molar de hidrógeno. Además, se ha extendido a las zonas altas las cuales estaban exentas de peligro en el caso 1. Las únicas zonas que se pueden considerar libres de inflamación en el plano y-1 son las bajas y la parte delantera. 75 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 76 ANEXO A continuación se mostrarán en la Figura anexo 26 y la Figura anexo 27 los contornos molares de hidrógeno en el plano y-2 y y-3. Figura anexo 26. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-2. Figura anexo 27. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-3. Al igual que ocurrió en el plano y-1, en estos dos planos se observa que toda la parte trasera y las zonas altas son altamente inflamables. En las imágenes se aprecia con claridad que las zonas alta tienen una concentración de hidrógeno alta debido a que la ventilación delantera no es capaz de arrastrar el hidrógeno hacia la zona trasera como ocurría en el caso 1, por lo tanto, impulsar a 3m/s por la ventilación delantera disminuye claramente el riesgo de inflamación en el habitáculo del Santana 350. 76 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 77 ANEXO Planos en dirección `x´ Los planos orientados según la dirección `x´ muestran con claridad como el hidrógeno se acumula en el techo del vehículo en el caso 3. Tanto en el plano x-1 como en el x-2 se observa como el riesgo de inflamación es aproximadamente el mismo aunque en el plano x-1, al estar más cerca de las rejillas de ventilación, la concentración molar de hidrógeno es más baja. Figura anexo 28. Concentración molar de hidrógeno en los plano x-1 y x-2. Por último, se muestra el plano x-3 donde se espera que la concentración de hidrógeno sea superior al resto debido a que se tiene que extraer. Figura anexo 29.Contorno de fracción molar de hidrógeno en el plano x-3. El plano x-3 se encuentra en su totalidad por encima del rango de concentración molar de hidrógeno de seguridad, por lo tanto resulta ser altamente inflamable. 77 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 78 ANEXO Planos en dirección `z´ A la vista de los resultados obtenidos en los planos anteriores, se espera que en dirección `z´ tan solo sea completamente seguro el plano del suelo. La concentración molar de hidrógeno en el plano z-1 se representa a continuación. Figura anexo 30. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-1. En el plano z-1 se observa que nunca se llega al límite de inflamabilidad inferior, considerándose seguro en todo el plano. Los resultados obtenidos para el plano z-2 se muestran a continuación. Figura anexo 31. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-2. En el plano z-2 se empieza a observar zonas inflamables aunque solo sea en la zona trasera que es donde se sitúa la fuga. Además, se aprecia que la ventilación central está protegiendo su zona y no se llegan a concentraciones altas de hidrógeno. 78 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 79 ANEXO El último plano que queda por representar en la dirección `z´ es el que se sitúa en el techo del vehículo(a unos 20 cm del la pared del techo). En este plano se esperan obtener altas concentraciones de hidrógeno. Figura anexo 32.Concentración molar de hidrógeno en el plano z-3. En la Figura anexo 32 se visualiza como la concentración de hidrógeno varía mucho desde la parte trasera a la delantera. La parte delantera está completamente exenta de peligro gracias a la ventilación delantera, sin embargo, a medida que nos alejamos de esa zona va creciendo la concentración molar de hidrógeno hasta llegar a la parte trasera donde supera el 10%. 79 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 80 ANEXO Campo de velocidades Los campos de velocidades se muestran en la Figura anexo 33 y en la Figura anexo 34. Figura anexo 33.Campo de velocidades de la mezcla-aire hidrógeno en el plano x-3. En la Figura anexo 33 se muestra que las rejillas de extracción cumplen su función extrayendo la mezcla aire-hidrógeno. En cuanto al movimiento de la mezcla aire-hidrógeno en la parte trasera del habitáculo se comprueba que es similar al del caso 1 y al del caso 2. Figura anexo 34.Campo de velocidades de la mezcla-aire hidrógeno en el plano y-2. En la Figura anexo 34 se observa como el caudal de salida de la ventilación delantera no tiene suficiente velocidad como para arrastrar a la mezcla aire-hidrógeno hacia la parte trasera. 80 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 81 ANEXO Volumen del Santana 350 con peligro de inflamación A continuación se representarán todas las zonas que pertenecen al rango de inflamación de la mezcla aire-hidrógeno. Figura anexo 35.Volumen inflamable en el Santana 350. En la Figura anexo 35 se observa que la zona inflamable es superior a la del caso 1 y al del caso 2. En este caso, además de contener a la zona trasera también contiene a toda las zonas elevadas del vehículo. De nuevo destacar la influencia de la ventilación delantera, que reduciéndose a la mitad, ya no es capaz de empujar la mezcla aire-hidrógeno hacia la parte trasera del Santana 350. 81 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 82 ANEXO Resultados numéricos Los resultados numéricos obtenidos mediante el software comercial ANSYS-FLUENT del caso 3 se muestran a continuación. Caudales de extracción de la zona baja. Extracción izquierda (m3/h) 109,62 Extracción derecha (m3/h) 115,68 Caudales de extracción en la zona alta. Extracción izquierda (m3/h) 17,343 Extracción derecha (m3/h) 17,388 Masa de hidrógeno en el interior del Santana 350. Masa de hidrógeno (g) 1,18 % Volumen hidrógeno % Volumen hidrógeno 4,72 Realizando una comparación con el caso 1, que es el caso más favorable que se ha simulado, se observa que en el interior del habitáculo hay el doble de masa de hidrógeno debido a que se extrae menos mezcla de aire-hidrógeno. 82 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 83 ANEXO 5. Resultados del Caso 4 Contornos de concentración molar En este caso, donde las velocidades de impulsión en todas las rejillas de ventilación son bajas, las mayorías de las zonas contendrán una concentración de hidrógeno elevada. Planos en dirección `y´ En todos los planos orientados según la dirección `y´ se contemplan concentraciones de hidrógeno muy elevadas tanto en la parte trasera como en la zona superior. En la Figura anexo 36se muestra la Concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. Figura anexo 36. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. El plano y-1 muestra el riesgo que conlleva el nivel de ventilación del caso 4 en caso de que se produzca una fuga ya que prácticamente todo el plano se puede considerar inflamable. 83 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 84 ANEXO Los resultados obtenidos para el plano y-2 se muestran en la Figura anexo 37. Figura anexo 37. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-2. En el plano y-2 ocurre lo mismo que en el plano y-1 aunque se puede observar como la ventilación central intenta dispersar el hidrógeno en aire sin mucho éxito. Por último se representa la concentración molar de hidrógeno en el plano y-3. Figura anexo 38. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-3. La concentración molar de hidrógeno en la Figura anexo 38 es tan alta, que en caso de producirse podría causar problemas respiratorios al conductor. 84 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 85 ANEXO Planos en dirección `x´ En los planos orientados según la dirección `x´ su puede obtener la altura de la capa de hidrógeno que se almacena en las zonas elevadas. Como se ha comentado anteriormente, en este caso donde la concentración molar de hidrógeno es tan elevada, no solo presenta riesgo de inflamación sino también de respieración. La concentración molar de hidrógeno en los plano x-1 y x-2 se muestra a continuación. Figura anexo 39. Concentración molar de hidrógeno en los plano x-1 y x-2. En la Figura anexo 39 se comprueba que la altura que alcanza la capa de concentración molar de hidrógeno es elevada y podría cubrir la cabeza del conductor en la mayoría de los casos. Tan solo podría considerarse seguro en cuanto a riesgo de inflamabilidad en las zonas bajas del habitáculo. Para el plano x-3, la concentración molar de hidrógeno es la siguiente. Figura anexo 40. Concentración molar de hidrógeno en el plano x-3. El plano x-3 presenta en su totalidad una concentración molar muy alta siempre superior al 10%. 85 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 86 ANEXO Planos en dirección `z´ Aunque en este caso, la dirección `z´ es la menos representativa, es interesante representar la concentración molar de hidrógeno en dicho plano para poder conocer la distribución de la mezcla aire-hidrógeno en dirección `z´. A continuación se mostrará la concentración molar de hidrógeno en el plano z-1. Figura anexo 41. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-1. Una vez más, el plano z-1 es seguro en cuanto a riesgo de inflamación, además es el único de todos los planos que se han representado en este caso que presenta esa característica. A continuación se representan los planos z-2 y z-3 donde se espera obtener una solución de concentración molar de hidrógeno elevada. Figura anexo 42. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-2. En la Figura anexo 42 se observa como varía la concentración molar de hidrógeno desde la parte trasera a la parte delantera. La parte trasera, como no podía ser de otra forma, es la parte más afectada. 86 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 87 ANEXO Figura anexo 43. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-3. En la Figura anexo 43 s observar lo que ya se mostró en la solución obtenida en los planos `x´, todo el plano z-3 se encuentra con concentraciones superiores al 10% excepto en las cercanías de la ventilación delantera, que al impulsar el aire a 1m/s, no es capaz de empujar el hidrógeno hacia la parte trasera, de hecho, el efecto es casi nulo. 87 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 88 ANEXO Campo de velocidades En este caso se ha comprobado que el efecto de la ventilación para evitar concentraciones elevadas de hidrógeno ha sido ineficiente. Este hecho se verá plasmado en el campo de velocidades, donde se espera que los vectores de velocidad tengan una velocidad muy baja en todo el habitáculo ya que no ha sido capaz de mantener al hidrógeno en la parte trasera. Para el plano x-3 el campo de velocidades es el siguiente. Figura anexo 44.Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano x-3. De nuevo, se observa que el campo de velocidades en el plano x-3 no se ve influenciado por las condiciones de ventilación y tan solo depende del caudal de fuga. Por último se representará el campo de velocidades en el plano y-2 el cual si que se verá muy afectado por las condiciones de ventilación. Figura anexo 45. Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano y-2. En todo el plano y-2 las velocidades son muy bajas excepto en las proximidades de las rejillas de ventilación y en las rejillas de extracción de la parte trasera. Este resultado es el que se esperaba y por esta razón el hidrógeno se encuentra disperso en casi todo el habitáculo y con concentraciones molares elevadas. 88 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 89 ANEXO Volumen del Santana 350 con peligro de inflamación En este caso, la concentración molar de hidrógeno se ha visto que es muy elevada y además se dispersa por casi todo el habitáculo del Santana 350. En la representación del volumen con peligro de inflamación del vehículo se mostrará este resultado. Figura anexo 46. Volumen inflamable en el Santana 350. En la Figura anexo 46 se aprecia que más del 50% del volumen del Santana 350 se encuentra dentro de los límites de inflamabilidad. En la zona alta del vehículo se observa que se llegan a concentraciones molares de hidrógeno de aproximadamente el 30% por lo que el riesgo de inflamación es alto. Comparando el volumen inflamable del Santana 350 de este caso con el de los otros casos resueltos se puede apreciar la gran influencia que tiene los niveles de ventilación al realizar un análisis de seguridad en el interior de un vehículo. 89 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 90 ANEXO Resultados numéricos Los resultados numéricos obtenidos mediante el software comercial ANSYS-FLUENT del caso 4 se muestran a continuación. Caudales de extracción de la zona baja. Extracción izquierda (m3/h) 65,97 Extracción derecha (m3/h) 74,4 Caudales de extracción en la zona alta. Extracción izquierda (m3/h) 11,52 Extracción derecha (m3/h) 10,77 Masa de hidrógeno en el interior del Santana 350. Masa de hidrógeno (g) 2,3 % Volumen hidrógeno % Volumen hidrógeno 9,16 Tanto la masa y el porcentaje Volumen hidrógeno de hidrógeno son bastantes elevadas siendo aproximadamente el doble que el del caso 3. Por otra parte, los caudales de extracción han ido disminuyendo en cada caso que se ha simulado obteniéndose caudales de extracción bastantes bajos en este caso. 90 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 91 ANEXO 6. Resultados del Caso 5 En este caso, el aire de ventilación se impulsa por las rejillas de ventilación derecha, izquierda y central a la máxima velocidad y no se impulsará nada por la ventilación delantera. Contornos de concentraciones molares Planos en dirección `y´ Para este caso se espera que no existan muchas zonas que puedan considerar seguras en cuanto a riesgo de inflamabilidad, sin embargo, se podrá conocer la influencia de la ventilación central, derecha e izquierda en la dispersión de la mezcla aire-hidrógeno. Para el plano y-1 se obtiene el siguiente campo de concentraciones molares de hidrógeno Figura anexo 47.Concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. En la Figura anexo 47 se observa la distribución de concentración molar de hidrógeno en el plano y-1. En dicho plano se puede visualizar que el riesgo de inflamación es muy elevado existiendo pocas zonas seguras. Por otra parte, también se aprecia como la pluma de concentración molar de hidrógeno de las zonas elevadas tiene un elevado grosor, pudiendo provocar problemas de respiración en todos los ocupantes del Santana 350. 91 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 92 ANEXO La concentración molar de hidrógeno en el plano y-2 se muestra en la siguiente imagen. Figura anexo 48. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-2. El plano y-2 muestra como el aire impulsado por la ventilación central empuja la mezcla aire-hidrógeno hacia la zona trasera. Sin embargo, la ventilación central no es capaz de mantener al habitáculo fuera del rango de inflamación, conteniendo la mayor parte del plano y-2 concentraciones molares de hidrógeno elevadas. Por último se mostrará la concentración molar de hidrógeno en el plano y-3. Figura anexo 49. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-3. El plano y-3 presenta las mismas características que los dos planos representados anteriormente. Solamente las zonas próximas al suelo poseen concentraciones molares de hidrógeno inferior al 4%. 92 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 93 ANEXO Planos en dirección `x´ Al igual que ocurrió en el caso 4, los planos orientados según la dirección `x´ mostrarán la altura existente de la pluma de concentración molar de hidrógeno superior al 10% medida desde el techo del Santana 350. Para los planos x-1 y x-2 se obtienen los siguientes resultados. Figura anexo 50.Concentración molar de hidrógeno en los plano x-1 y x-2. La Figura anexo 50 muestra la distribución de concentración molar de hidrógeno existente en los planos x-1 y x-2. En ellos se observa que la altura de concentración molar superior al 10% es alta, además, no se puede considerar que existen zonas seguras en estos planos. A continuación, se muestra la concentración molar en el plano x-3. Figura anexo 51. Concentración molar de hidrógeno en el plano x-3. Como ha ocurrido en todos los casos, este plano es el más crítico por situarse perpendicular a las rejillas de extracción. Como se muestra en la Figura anexo 51 todo el plano contiene una concentración molar de hidrógeno superior al 10%, la cual significa que es altamente inflamable. 93 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 94 ANEXO Planos en dirección `z´ A continuación se mostrará la distribución de concentración molar de hidrógeno en la dirección `z´, empezando por el plano z-1. Figura anexo 52. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-1. Por primera vez, el plano del suelo contiene zonas con peligro de inflamación. Este resultado muestra que la influencia de la ventilación central, derecha e izquierda es menor que la ventilación delantera. La concentración molar de hidrógeno en el plano z-2 se muestra a continuación. Figura anexo 53. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-2. El plano z-2 muestra que en la zona delantera existen zonas con concentración molar de hidrógeno comprendida entre el 4% y el 5%. La zona trasera, como siempre, presenta concentraciones de hidrógeno altas siendo altamente inflamable esa zona. 94 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 95 ANEXO Por último se mostrará una imagen del plano z-3 para visualizar la concentración molar de hidrógeno en las zonas próximas al techo. Figura anexo 54. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-3. La concentración molar de hidrógeno en las zonas altas es muy elevada, siendo en todo el plano z-3 superior al 10%. Esta imagen muestra la importancia que tiene mantener en todo momento la ventilación delantera en este tipo de vehículos que funcionan con hidrógeno como combustible, ya que en caso de una fuga eventual, el hidrógeno tiende a concentrarse en las zonas elevadas. 95 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 96 ANEXO Campo de velocidades El campo de velocidades de este caso que se ha simulado debería mostrar velocidades muy bajas en casi todo el habitáculo ya que en ningún momento la velocidad de impulsión ha sido capaz de garantizar la seguridad en el interior del Santana 350. El campo de velocidades para el plano x-3 es el siguiente. Figura anexo 55. Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano x-3. Una vez más, con la Figura anexo 55 se muestra la independencia de los niveles de ventilación con el movimiento de la mezcla aire-hidrógeno en la zona donde se produce la fuga. En todos los casos que se han simulado, los campos de velocidades en el plano x-3 han sido muy similares mostrando todos ellos que la extracción funciona y expulsa la mezcla aire-hidrógeno hacía el exterior. 96 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 97 ANEXO A continuación, se mostrara el campo de velocidades en el plano y-2. Figura anexo 56.Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano y-2. Como se comentó anteriormente, el campo de velocidades en el plano y-2 muestra que las velocidades en el interior del Santana 350 con los niveles de ventilación que se ha simulado son bajas. Este resultado explica que la ventilación no haya sido capaz de combatir la expansión del hidrógeno por todo el habitáculo. 97 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 98 ANEXO Volumen del Santana 350 con peligro de inflamación A continuación se representarán todas las zonas que pertenecen al rango de inflamación de la mezcla aire-hidrógeno. Figura anexo 57. Volumen inflamable en el Santana 350. En la Figura anexo 57 se observa que casi el 100% del volumen del habitáculo del Santana 350 contiene concentraciones molares de hidrógeno tales que lo hacen inflamable. Además, en este caso, se llegan a concentraciones de hidrógeno superiores al 30% lo que implica un riesgo elevado de inflamabilidad. Con esta simulación se llega a la conclusión de que para garantizar la seguridad en el interior del Santana 350 no es suficiente mantener encendida la ventilación central, derecha e izquierda sino que es muy importante mantener encendida la ventilación delantera con una velocidad de impulsión elevada para poder empujar siempre al hidrógeno hacía la zona trasera que es por donde se va a extraer la mezcla de aire-hidrógeno. 98 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 99 ANEXO Resultados numéricos Los resultados numéricos obtenidos mediante el software comercial ANSYS-FLUENT del caso 5 se muestran a continuación. Caudales de extracción de la zona baja. Extracción izquierda (m3/h) 56,97 Extracción derecha (m3/h) 60 Caudales de extracción en la zona alta. Extracción izquierda (m3/h) 9,18 Extracción derecha (m3/h) 9,45 Masa de hidrógeno en el interior del Santana 350. Masa de hidrógeno (g) 2,9 % Volumen hidrógeno % Volumen hidrógeno 11,95 99 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 100 ANEXO 7. Resultados del Caso 6 Este caso se ha simulado sin ventilación de ningún tipo. Se mostrarán todas las imágenes de cada plano juntas ya que la solución en todos los planos es exactamente la misma debido a la escala que se ha usado durante todo el proyecto fin de carrera. El motivo de realizar esta simulación es poder evaluar la cantidad de hidrógeno que se extraería por cada rejilla de extracción y así poder realizar un análisis de seguridad en el interior de un garaje, conociendo unos caudales realistas de fuga, sin hacer ninguna hipótesis. Contornos de concentraciones molares Las concentraciones molares de hidrógeno en los planos con dirección `y´, `x´ y `z´ se muestran a continuación. Planos en dirección `y´ Figura anexo 58. Concentración molar de hidrógeno en el plano y-1, y-2 y y-3. 100 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 101 ANEXO Planos en dirección `x´ Figura anexo 59. Concentración molar de hidrógeno en el plano x-1, x-2 y x-3. Planos en dirección `z´ Figura anexo 60. Concentración molar de hidrógeno en el plano z-1, z-2 y z-3. Se observa que todos los planos poseen concentraciones molares de hidrógeno superior al 10% y que el hidrógeno se ha dispersado por todo el volumen del habitáculo. Esta simulación pone de manifiesto que es importante detectar las fugas ya que se podría darse el caso de que en el interior del vehículo se encontrasen concentraciones molares de hidrógeno superiores al 10% en su totalidad. 101 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 102 ANEXO Campo de velocidades Aunque no tiene mucho sentido mostrar el campo de velocidades en este caso ya que no existe ventilación, se representará el campo de velocidades en el plano x-3 para confirmar que en dicho plano el movimiento de la mezcla aire-hidrógeno tan solo depende de la fuga. Figura anexo 61. Campo de velocidades de la mezcla aire-hidrógeno en el plano x-3. En la Figura anexo 61 se observa que el campo de velocidades en el plano x-3 es idéntico al obtenido en todos los casos que se han simulado, por lo tanto, el movimiento de la mezcla airehidrógeno en la parte trasera del Santana 350 tan solo depende de la fuga de hidrógeno. 102 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 103 ANEXO Volumen del Santana 350 con peligro de inflamación A continuación se representarán todas las zonas que pertenecen al rango de inflamación de la mezcla aire-hidrógeno. Figura anexo 62. Volumen inflamable en el Santana 350. Como no podía ser de otra manera, este caso que se ha simulado es el que posee mayor peligro en cuanto a riesgo de inflamación. Se observa que todo el vehículo tiene la misma concentración molar de hidrógeno y que se encuentra en torno al 30%. 103 Escuela Superior de Ingenieros Industriales 104 ANEXO Resultados numéricos Los resultados numéricos obtenidos mediante el software comercial ANSYS-FLUENT del caso 6 se muestran a continuación. Caudales de extracción de la zona baja. Extracción izquierda (m3/h) 27,33 Extracción derecha (m3/h) -10,25 Caudales de extracción en la zona alta. Extracción izquierda (m3/h) 3,93 Extracción derecha (m3/h) 3,869 Masa de hidrógeno en el interior del Santana 350. Masa de hidrógeno (g) 18,63 % Volumen hidrógeno % Volumen hidrógeno 73,77 En este caso se observa que en los resultados de caudales de extracción en la zona baja aparece un caudal negativo. Esto implica que al Santana 350 está entrando aire limpio del exterior al interior del habitáculo por la rejilla de extracción. El caudal de aire limpio entra por la rejilla de extracción que se encuentra más próxima a la fuga. Para comprender este fenómeno se debe de recurrir a la Figura anexo 61 donde se muestra el campo de velocidades en las proximidades de esa zona, en esa imagen se observa como el hidrógeno fuga en la parte derecha del habitáculo a una velocidad elevada y se dirige hacia la parte derecha del mismo donde es extraído. 104
