ES2370320B2 - Sistema de calefacción con cámara estanca de combustión oxhídrica. - Google Patents
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Abstract
Sistema de calefacción con cámara estanca de
combustión oxhídrica.
La tecnología del hidrógeno se perfila como una
de las fuentes de energía del futuro, sin embargo, actualmente se
está desarrollando la mitad, que consiste en utilizar el hidrógeno
para alimentar células de combustible, la otra mitad, la propia
combustión del hidrógeno, ha quedado olvidada tras la patente de
Stan Meyer.
Esta invención corrige el problema fundamental
de la combustión del hidrógeno al aire libre: la creación de ácido
nítrico. Nuestro sistema de calefacción con cámara estanca de
combustión oxhídrica combustiona el hidrógeno en una cámara cerrada
a la atmósfera, con lo cual evitamos la reacción del nitrógeno
atmosférico en contacto con la combustión, la causa de producción
del ácido nítrico.
Description
Sistema de calefacción con cámara estanca de
combustión oxhídrica.
El objeto de la presente invención consiste en
un sistema de calefacción con cámara estanca para la combustión de
hidrógeno con oxígeno (oxhídrica).
Las investigaciones sobre la tecnología del
hidrógeno se centran en las células de combustible (fuel cells)
abandonando la combustión del hidrógeno. La mejora propuesta por
nuestro invento, la cámara estanca evita, uno de los problemas más
comunes en la combustión de hidrógeno al aire libre: la creación de
ácido nítrico. La presencia de nitrógeno en la atmósfera es la causa
de que, al subir la temperatura por encima de los 600ºC, el
nitrógeno presente en el aire se convierta en ácido nítrico y corroa
todos los elementos metálicos presentes, para posteriormente
emitirse a la atmósfera. Dicho ácido es reconocido como perjudicial
a nivel medioambiental por su alto poder corrosivo. Por ejemplo, los
motores navales tienen un límite de producción de ácido nítrico para
ser homologados.
La creación de una cámara estanca sumergida en
agua dentro de la cual se produzca la combustión oxhídrica evita la
presencia del nitrógeno y, por consiguiente, la creación de ácido
nítrico.
El diseño es apto para conectar a un
electrolizador de agua que genere conjuntamente los dos gases:
hidrógeno y oxígeno, cuyo diseño resulta más sencillo que los que
separan ambos gases y que evita los riesgos de explosión de los dos
gases por separado.
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Se conoce desde hace tiempo la descomposición
del agua en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis. Inicialmente,
se pensó aprovechar el poder explosivo del hidrógeno con los motores
de combustión interna.
Durante los años 60, Stan Meyer un coche que se
movía gracias a electrolización de agua y su posterior combustión en
un vehículo comercial con pequeñas transformaciones. La patente del
sistema de inyectores para los motores de combustión interna fue
presentada en EEUU el 28 de junio de 1983, y registrada con el
número 4.389,981.
Los prototipos diseñados a raíz de tal invención
sufrían los siguientes inconvenientes:
- -
- Corrosión por la presencia del ácido nítrico.
- -
- Falta de refrigeración dada las altas temperaturas que alcanzaba la reacción oxhídrica frente a los combustibles fósiles para los cuales habían sido diseñados.
- -
- Desgastes anómalos por la mayor capacidad explosiva del hidrógeno.
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Tras los problemas sufridos, la invención quedó
olvidada y hasta la actualidad se sigue investigando sobre el
consumo de hidrógeno dentro de células de combustible (fuel cells)
para alimentar motores eléctricos, lo cual implica una pérdida de
energía, tanto en la célula de combustible como en el motor
eléctrico.
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La cámara estanca de combustión oxhídrica está
diseñada para aprovechar la capacidad calorífica de la combustión
del hidrógeno en presencia de oxígeno, evitando la presencia de aire
atmosférico. Es un diseño compacto, económico y fácil de usar.
Consta de seis partes diferenciadas:
- 1)
- Depósito calentador lleno de líquido intercambiador de calor para la calefacción el que acceden dos tubos, uno de entrada del líquido procedente del circuito de calefacción y uno de salida hacia el circuito de calefacción. Internamente, las entradas del circuito de calefacción (6) pueden estar unidas por un serpentín para mejorar el intercambio del calor. Este movimiento tiene que ser impulsado por una bomba.
- 2)
- Cámara estanca de combustión oxhídrica, dentro de la cual se produce la combustión. La cámara debe estar abierta por la parte inferior, sumergida por debajo dentro del agua, de forma que la combustión no entre en contacto con el aire atmosférico. Dicha cuba deberá ser especialmente reforzada para soportar la temperatura de trabajo.
\newpage
- 3)
- Quemador de gas oxhídrico: Con forma de quemador convencional, debe estar realizado en un material resistente a la temperatura. Los quemadores que funcionan al aire libre deben ser de platino o un material que aguante la corrosión del ácido nítrico, pero en nuestro caso, como evitamos la presencia de tal ácido, pueden utilizarse una gama mayor de metales. Además, debe contar con elementos de seguridad que impidan que la llama salga del sistema, como, por ejemplo válvulas antirretorno, arrastrallamas (blackflush arrestor).
- 4)
- Cuba de almacenamiento de agua, cuya función es mantener un nivel de agua suficiente para evitar que entre aire atmosférico dentro de la cámara estanca y permitir eliminar los sobrantes de agua generados por la combustión oxhídrica. No obstante, un litro de agua destilada puede generar más de 1200 m3 de hidrógeno, con lo cual la generación de agua será prácticamente inapreciable. También se pueden ir produciendo evaporaciones por la temperatura del agua obtenida tras la combustión, por lo cual habrá que mantener el nivel con un rebosadero y un depósito de agua destilada.
- 5)
- Circuito ignitor, cuya función consiste en encender la llama que posteriormente quemará el gas oxhídrico. El ignitor puede, por ejemplo ser por arco voltaico, habitual en las calderas de gas.
- 6)
- Circuito de calefacción, que será el consumidor final del calor generado por el sistema, por ejemplo un sistema de calefacción o agua caliente sanitaria (ACS).
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Como elementos de seguridad, incorporaremos un
termostato dentro de la cámara que controle que el sistema funciona
a la temperatura de trabajo. Si esta cae, puede significar que se
apagó la llama y se debe cerrar el paso del gas. Este mecanismo de
protección es necesario para detectar que se está consumiendo
adecuadamente el gas oxhídrico.
Es necesario reducir al mínimo las pérdidas de
gas oxhídrico, porque en espacios cerrados podrían existir
acumulaciones y eventuales explosiones. En espacios abiertos, el
hidrógeno se eleva rápidamente y reacciona con otros componentes de
la atmósfera perdiendo su capacidad explosiva, por lo cual, no
existirían inconvenientes en fugas de hidrógeno provocadas por
vehículos. Debemos recordar que la explosión y posterior incendio
del dirigible alemán Hinderburg fue provocada por el hidrógeno que
contenía.
Otro termostato cierra el paso de gas si la
cámara y/o el líquido intercambiador de calor alcanzan una
temperatura superior a la de trabajo. Sensores de líquidos controlan
la presencia de los adecuados niveles de líquido intercambiador de
calor y de agua en el depósito y en la cuba.
\vskip1.000000\baselineskip
El proceso se inicia al encender el arco
voltaico en la salida del quemador. Posteriormente, se introduce gas
oxhídrico y se detecta si la llama encendió. En caso negativo, se
intentará comenzar la combustión en otras ocasiones, que de no
conseguirse en un tiempo prudencial se parará la caldera y se dará
mensaje de avisar al servicio técnico.
Si se enciende la llama, el sensor de
temperatura detecta un aumento de la misma hasta alcanzar la
temperatura óptima de trabajo, tras la cual, se corta el arco
voltaico ignitor, por mantenerse la combustión sin necesidad de
ignición. El flujo de gas oxhídrico se regula en el momento de la
puesta en marcha para garantizar un nivel de rendimiento óptimo, de
forma que se mantiene constante mientras las necesidades caloríficas
del sistema se mantengan y se apaga si no es necesario aportar más
calor.
Dentro de la cámara (2), el gas oxhídrico se
inflama con combustión y la temperatura presente, generando calor.
La llama de la combustión del hidrógeno es incolora, por lo cual no
podemos utilizar sensores de presencia de llama por luz.
La reacción química genera agua, inicialmente en
estado gaseoso pero poco a poco, se satura la concentración de
moléculas de agua dentro de la cámara y se precipitará en forma
líquida hacia la cuba de almacenamiento de agua (4). Por este
motivo, esta cuba deberá tener un dispositivo que permita deshacerse
del agua sobrante o rebosadero.
La pequeña cantidad de aire atmosférico que
queda dentro de la cámara cuando se cierra contiene una
concentración de nitrógeno que generará ácido nítrico. Este ácido se
disuelve en el agua de la cuba de almacenamiento de agua (4), por lo
cual no plantea problemas.
Normalmente, el sistema se mantiene funcionando
hasta alcanzar la temperatura deseada dentro del sistema de
calefacción. Eventualmente, puede parar porque alguno de los
parámetros se escapa del nivel especificado. La precaución es vital
en el diseño de este sistema porque el hidrógeno es la sustancia más
inflamable de las que se conocen.
\vskip1.000000\baselineskip
Para la mejor comprensión de cuanto queda
descrito en la presente memoria se adjunta un dibujo (figura 1) en
el que, tan sólo a título de ejemplo, se representa un caso práctico
de construcción de la cámara estanca de gas oxhídrico para
calefacción.
El dibujo refleja una sección longitudinal de
los distintos componentes del sistema de calefacción por cámara
estanca de gas oxhídrico en la que se pueden apreciar las diferentes
cavidades y partes que lo componen.
Cabe destacar el orificio que permite eliminar
los excesos de agua en la cuba de almacenamiento de agua (4), si
bien estos excesos requerirán períodos prolongados de
funcionamiento. Esta agua podría contener pequeñas concentraciones
de ácido nítrico al comienzo de su funcionamiento. Posteriormente,
esta agua es prácticamente pura. El agua que generan las células de
combustible de la Estación Espacial Internacional (ISS) es lo que
beben los astronautas.
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Consideramos suficiente la realización con acero
inoxidable de calidad, si bien pueden utilizarse otros metales
semejantes.
El depósito calentador (1) lleno de líquido
intercambiador de calor puede contener en un serpentín de un
material resistente al calor, al paso del tiempo y con buenas
características conductoras de la temperatura. Dicho diseño evita el
contacto del líquido utilizado en el circuito de calefacción (6)
(por ejemplo, agua en un sistema de agua caliente sanitaria) con el
líquido intercambiador de calor. La mayor superficie del serpentín
mejora el intercambio calorífico.
La cámara debe estar abierta por la parte
inferior, sumergida parcialmente dentro del agua, de forma que no
entre en contacto con el aire atmosférico y se recoja el agua que se
va generando en la combustión del gas oxhídrico. De este modo se
consigue que el agua no se almacene irremisiblemente en la parte
baja de la cámara. Una vez que el nivel de agua alcanza el desagüe,
se puede reutilizar para volver a generar gas oxhídrico. Dicha cuba
deberá ser especialmente reforzada para soportar la temperatura de
trabajo, si bien al estar en contacto con el líquido intercambiador
se evita que alcance temperaturas muy elevadas. Este sistema es más
eficiente que utilizar un simple serpentín. La cámara estanca (2)
deberá estar especialmente diseñada para soportar altas
temperaturas. Deberá mantener los electrodos del sistema ignitor en
posición para conseguir un arco voltaico que encienda la llama. Es
necesario que los elementos que sostienen los electrodos soporten
altas temperaturas y sean aislantes eléctricos, porque el arco
voltaico debe pasar por encima del quemador (3). Pueden ir
atornillados con un material aislante a una base sobre la cual
pongamos el quemador (3). A su vez, deben existir sensores de
temperatura que hagan las veces de detectores de llama (controlar la
disminución de temperatura por debajo de la temperatura de trabajo)
y de control de la temperatura alcanzada dentro de la cámara
(controlar los aumentos de temperatura por encima de la temperatura
de trabajo). La cámara estanca cerrada por abajo con agua separa el
receptáculo de la combustión con el aire atmosférico, evitando la
creación del ácido nítrico así como los aumentos de presión que
podían desencadenar una explosión.
El quemador (3) de gas oxhídrico deberá constar
con varios orificios para que consiga una llama uniforme que permita
una adecuada distribución del calor en toda la superficie inferior
del depósito calentador (1). Tendrá una forma de quemador
convencional, debe estar realizado en un material resistente a la
temperatura. Los quemadores oxhídricos que funcionan al aire libre
deben ser de platino o un material que aguante la corrosión del
ácido nítrico, pero en nuestro caso, como evitamos la presencia de
tal ácido, puede utilizarse una gama mayor de metales. Además, debe
contar con elementos de seguridad que impidan que la llama salga del
sistema, como, por ejemplo válvulas antirretorno, arrastrallamas
(blackflush arrestor).
La cuba de almacenamiento de agua (4), cuya
función es mantener un nivel de agua suficiente para evitar que
entre aire atmosférico dentro de la cámara estanca y permitir
eliminar los sobrantes de agua generados por la combustión oxhídrica
por lo cual habrá que mantener el nivel con un rebosadero así como
un deposito de agua destilada para abastecer en el caso de posibles
evaporaciones.
Circuito ignitor (5), cuya función consiste en
encender la llama que posteriormente quemará el gas oxhídrico. El
ignitor puede, por ejemplo ser un transformador de alta tensión
semejante a los que se usan para encender las calderas
convencionales de gas.
Circuito de calefacción (6), debe ser diseñado
teniendo en cuenta las características del local o vivienda a
calefactor (radiadores, suelo radiante, fan coils) y las
peculiaridades de este sistema de calefacción aquí descrito.
Claims (4)
1. Sistema de calefacción con cámara estanca
cerrada por abajo con agua de combustión oxhídrica que comprende: Un
depósito calentador (1) del líquido intercambiador de calor del
circuito de calefacción (6), que consume el calor generado por el
sistema de calefacción. Una cámara estanca (2) donde se produce la
combustión entre el oxígeno y el hidrógeno que está parcialmente
sumergida en el agua contenida en el depósito de almacenamiento (4),
evitando el contacto con el aire atmosférico, y sirviendo a recoger
el agua generada en la combustión. Un quemador del gas oxhídrico (3)
que se encuentra alojado en el interior de la cámara que consta de
elementos de seguridad que impidan que la llama salga del sistema y
un circuito ignitor (5) que genera la llama en la cámara.
2. Sistema de calefacción con cámara estanca de
combustión oxhídrica, según la reivindicación 1, donde el agua
generada en la combustión se reutiliza como fuente para la
generación por electrólisis de la mezcla oxhídrica.
3. Sistema de calefacción con cámara estanca de
combustión oxhídrica, según la reivindicación 1,
caracterizado por contar con medidas de seguridad pasivas,
como válvulas antirretorno, arrastrallamas (blackflush arrestar) y
medidas de seguridad activas como sistemas de paro automatizados por
exceso o defecto de temperatura en la cámara estanca.
4. Sistema de calefacción con cámara estanca de
combustión oxhídrica, según la reivindicación 1,
caracterizado por disponer de indicadores de niveles de
funcionamiento como termostatos y detectores de nivel de
líquidos.
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