ES2522817A1

ES2522817A1 - Sistema generador de calor

Info

Publication number: ES2522817A1
Application number: ES201300466A
Authority: ES
Inventors: Jorge Eduardo VILA BIGLEIRI
Original assignee: Universidade de Vigo
Current assignee: Universidade de Vigo
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-11-18
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: ES2522817B1

Abstract

La presente invención consiste en un generador de calor que inicia y mantiene la separación de los componentes de las moléculas de agua por alta temperatura. La gran generación de calor permitiría su uso industrial, por ejemplo, en la creación de electricidad a partir de inputs tan baratos y abundantes que resultaría en un coste de producción bajo. Como la inversión también es baja, estos dos factores elevarían el retorno generado en la inversión, por lo cual se trata de un sistema extremadamente rentable de generación de calor.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema generador de calor

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención consiste en describir un generador de calor que inicie y mantenga la separación de los componentes de las moléculas de agua por alta temperatura. La gran generación de calor permitiría su uso industrial, por ejemplo, en la creación de electricidad a partir de inputs tan baratos y abundantes que resultaría en un coste de producción bajo. Como la inversión también es baja, estos dos factores elevarían el ROI (return on investment), por lo cual se trata de un sistema extremadamente rentable de generación de calor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El agua siempre ha sido objeto de interés para el ser humano. A parte de ser un componente vital necesario para su supervivencia, se consideró un elemento constitutivo de toda la materia existente (Tierra, Fuego, Aire y Agua). En 1800, William Nicholson descubre accidentalmente la electrolisis mientras estudiaba el funcionamiento de las baterías. Desde que entre los años 1833 y 1836, el físico y químico inglés Michael Faraday desarrolla las leyes de la electrólisis que Ilevan su nombre, miles de científicos han estudiado la posibilidad de separar sus componentes.

Separación del agua es el término generalmente empleado para ciertas reacciones químicas en las cuales el agua es dividida en sus componentes oxígeno e hidrógeno. Diversas técnicas están siendo activamente investigadas debido a la fuerte demanda que tendría un suministro de hidrógeno barato en la futura economía del hidrógeno.

Entre los métodos actuales de separación, se encuentran:

-Electrólisis

-Termólisis a 2500°C o superior.

-Fotocatálisis o Fotosíntesis artificial

-Electrólisis de alta temperatura a través de distintos métodos

Los dos primeros métodos son ampliamente conocidos, testados e ineficientes porque consumen más recursos de los que generan. La fotosíntesis artificial es un campo de investigación que intenta imitar la fotosíntesis natural de las plantas, con el fin de convertir dióxido de carbono y agua en carbohidratos y en oxígeno, utilizando para ello la luz del Sol.

La fotosíntesis natural consta de 2 fases la reacción dependiente de la luz y la reacción independiente de la luz. También la fotosíntesis artificial consta de 2 partes, si bien con diferencias en su desarrollo. En la primera fase de la artificial, se logra la separación del hidrógeno y del oxígeno. Este hidrógeno ya puede ser empleado en máquinas para producir energía de forma limpia (tecnologías de hidrógeno). Pero podemos ir más allá en la imitación y aprovechamiento de la fotosíntesis natural. En la segunda fase de la natural, las plantas convierten dióxido de carbono en glucosa (ciclo de Calvin). La glucosa es la manera en la que las plantas almacenan energía para su desarrollo y crecimiento. Si somos capaces de generar repetir este proceso a nivel industrial, podríamos absorber el exceso de dióxido de carbono de la atmósfera, ayudando a contener el calentamiento global.

Según el informe "Energy Technology Perspectives 2008" de la Agenda Internacional de la Energía, el hidrógeno es el combustible de transporte con mayor potencial en, el largo plazo. Sin .embargo, según la propia Agencia, apuesta por la producción de hidrógeno mediante reactores nucleares de IV generación, que pueden generar temperaturas superiores a los 900°C en el fluido de enfriamiento. Las principales vías de producción serían:

-Electrolisis convencional de agua, con electricidad de origen nuclear.

-Electrolisis de alta temperatura (emplea electricidad de origen nuclear y vapor generado por aprovechamiento del exceso de calor que porta el helio con el que se enfría el reactor).

-Ciclos termoquímicos, en los que se usa de calor nuclear para la rotura de la molécula de agua mediante series de reacciones a alta temperatura.

-Ciclos híbridos, que combina electrolisis y calor de origen nuclear.

-Reformado de hidrocarburos con calor de origen nuclear.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

Para la mejor comprensión de cuanto queda descrito en la presente memoria se adjunta un dibujo (figura 1) en el que a título ilustrativo, pero no limitativo representa un modo de realización. El dibujo refleja una sección longitudinal de los distintos componentes del prototipo en la que se pueden apreciar las diferentes cavidades y partes que lo componen. El material que se ha seleccionado es el acero inoxidable por sus propiedades físicas de resistencia a la temperatura y durabilidad. En el dibujo podemos describir las seis partes de las que consta el prototipo:

1) Fuente de calor (1): necesaria para alcanzar una alta temperatura en el elemento graso acelerador para que reaccione con el agua. Esta fuente funciona por combustión de combustibles habituales (carbón, gas, madera, hidrocarburos, etc.) o electricidad. Dentro de fuente de calor esta el sensor C que nos permite controlar la temperatura para iniciar y mantener la reacción química. Evidentemente, la temperatura para iniciar será más alta que temperatura de mantenimiento de la reacción. Si no se demanda mucha potencia, es posible que se pueda anular la fuente de calor y que el sistema se mantenga encendido por su propia inercia.

2) Recipiente del elemento graso acelerador (2), cuyo objetivo es mantener el elemento graso acelerador mientras se está calentando y cuando está reaccionando con el agua. Dentro del recipiente, está el sensor (B) que nos permite conocer el nivel de elemento graso acelerador para impedir que se agote y se queme este recipiente. Este recipiente tiene que ser diseñado para aguantar altas temperaturas.

3) Filtro separador (3), opcional, cuyo objetivo es minimizar la combustión del elemento graso acelerador maximizando el consumo de agua, así como evitar que las posibles salpicaduras de elemento graso y agua. Si no se incluye este elemento, la potencia calorífica es mayor pero la duración del sistema puede verse acortada.

4) Cámara de combustión refrigerada (4), estructura externa dotada con un intercambiador de calor y que posee una pluralidad de entradas de aire atmosférico. La función de esta estructura consiste en aprovechar el calor generado por la reacción.

5) Unidad reguladora de agua (5) cuyo objetivo es mantener un flujo de agua que maximice la producción de calor y minimice el consumo de elemento graso acelerador. Esta unidad cuneta con el sensor (D).

6) Salida de humos (6) cuyo objeto es evitar pérdidas de calor para el máximo rendimiento del sistema, así como evitar la emisión de cualquier tipo de contaminantes

7) Ignitor con objeto de encender la combustión (7).

Como elementos de seguridad, incorporamos un termostato (sensor A) dentro de la cámara que controle que el sistema funciona a la temperatura de trabajo. Si esta baja, puede significar que se apagó la llama y debe volver a funcionar el ignitor. El sensor B que mide el correcto nivel de elemento graso y el sensor D que comprueba que se esté suministrando agua al ritmo adecuado.

Este prototipo puede ser oportunamente conectado a un ordenador o autómata para registrar, experimentar y aprender de las variaciones del proceso, determinar la forma de funcionamiento óptima y después controlar el proceso tal y como se haya determinado atendiendo a las características de los elementos utilizados y todos los parámetros de seguridad y eficiencia.

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO

Desde el punto de vista físico-químico, se provocan al menos tres eventos:

1) Cambio de estado del agua que pasa de liquida a gaseosa en contacto con el elemento graso acelerador

2) Separación del agua en sus dos componentes: dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (HHO)

3) Combustión del hidrógeno (el elemento de la tabla periódica mas combustible) y del oxígeno (necesario en cualquier combustión).

El resultado de tal proceso químico es agua y probablemente algunos residuos de la combustión parcial del elemento graso acelerador, si bien se ha incorporado un filtro separador para reducir el consumo de este elemento, que aparte de ser más caro, provoca la emisión de dióxido de carbono.

El principio de funcionamiento es semejante al que se produce cuando una sartén con aceite prende fuego en un accidente doméstico. Cuando se intenta apagar el fuego con agua, a esas altas temperaturas el agua acelera combustión, lo que provoca graves incendios.

Nuestro prototipo se probó dentro de una caldera comercial a gasoil de una vivienda unifamiliar. Las pruebas se realizaron con las mismas condiciones iniciales (temperatura ambiente de 20ºC). El día que se utilizó exclusivamente la caldera, esta tardó 60 minutos en alcanzar la temperatura de 50ºC en el termostato. Al día siguiente, tras registrar las mismas condiciones de temperatura y humedad, se incorporó un prototipo con 500 gramos de aceite de girasol y una unidad reguladora de agua con 200 gramos. Ese día la caldera tardó 30 minutos en alcanzar la temperatura de 50ºC en el termostato. Como se puede ver en la siguiente tabla, el poder calorífico del aceite fue insuficiente para justificar la energía aportada, por lo cual concluimos que hemos conseguido una energía adicional generada por la termólisis de las moléculas de agua y posterior combustión del hidrogeno que aporta la unidad reguladora del agua, estimándose la energía producida en unos 15.000 kj/kg. Esta energía adicional es la que explicaría la gravedad un incendio doméstico de una cocina en presencia de agua.

Poder calorífico superior *: Experimento 1 Experimento 2

Kj/Kg: Kg Kg

Gasoil: 43.115 1 0,5

Aceite girasol: 37.100 0 0,5

Agua líquida-O: 15.035 0 0,2

Gasoil: 43.115 21.558

Aceite girasol: 0 18.550

Agua: 0 3.007

Energía aportada: 43.115 43.115

Límite experimento: 50°C en termostato 50°C en termostato

5 *Poder calorífico Superior (incluye la energía si se considerara el vapor condensado hasta convertirse en agua.)

Los datos en sombreado son deducidos al igualar la energía aportada.

10 Fuente:
http://cadascu.wordpress.com/2011/05/25/poder-calorifico-de-las-sustanacias
mascomunes/

Como puede observarse, nuestros experimentos nos Ilevan a deducir que también conseguimos hacer arder al agua y dada su abundancia y escaso valor económico puede ser 15 un combustible muy rentable.

DESCRIPCIÓN DE UNA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA

Consideramos suficiente para la realización del prototipo el acero inoxidable de calidad y con suficiente grosor para aguantar las altas temperaturas durante la vida útil del prototipo, si bien 20 pueden utilizarse otros metales semejantes.

El elemento graso y el agua pueden provenir de fuentes renovables o reciclaje.

La fuente de calor puede ser electricidad, gas, combustibles fósiles, etc. inicialmente, se debe

25 aportar mucho calor hasta alcanzar la temperatura de régimen, para posteriormente reducir su aportación calórica manteniendo la temperatura de elemento graso. Los experimentos realizados no han permitido prescindir del aporte calórico de esta fuente, sin embargo creemos que un régimen elevado de temperatura en la cámara puede Ilegar a, retroalimentar la temperatura del elemento graso En dicho momento, sería factible prescindir de la fuente de

30 calor, de modo que el rendimiento obtenido se deba principalmente a la combustión del agua.

El recipiente del elemento graso debe soportar líquidos a grandes temperaturas, llamas y a su vez tener buenas características conductoras de la temperatura. Su capacidad determina la autonomía del sistema, si bien es posible alimentarlo de elemento graso a medida que este se

35 vaya consumiendo. Los niveles bajos del elemento graso conllevan que las llamas se produzcan dentro de este recipiente, provocando mayores humos, el consumo de elemento graso y haciendo sufrir más al material del recipiente.

En los experimentos realizados, constatamos un bajo consumo del elemento graso, así como 40 un bajo deterioro de las propiedades físicas del recipiente. Creemos que experimentando e investigando en el diseño, podemos conseguir niveles de eficiencia en los cuales prácticamente

no se consuma elemento graso. También queremos destacar que si el elemento graso se consume en su totalidad, el recipiente puede Ilegar a calcinarse.

El filtro separador debe tener una resistencia elevada a la llama y las altas temperaturas, así como un diseño que permita que salgan los gases de la reacción química a la vez que evite que la llama penetre dentro del recipiente del elemento graso.

En cuanto a la cámara de combustión, en los experimentos hemos utilizado los diseños comerciales de calderas para calefacción. Entendemos que la experiencia puede redundar en un mejor diseño de las características de esta cámara.

La unidad reguladora del agua es un dispositivo electrónico que regula el líquido vertido al filtro separador, con su correspondiente sensor. En los experimentos realizados, ni la temperatura del agua ni la forma de suministrarlo influyeron significativamente en el resultado obtenido.

El ignitor puede ser el típico arco voltaico que usan las calderas de gas o combustibles fósiles. Los electrodos del sistema ignitor deberán entrar en la cámara con aisladores eléctricos y térmicos. Deben estar posicionados correctamente para conseguir un arco voltaico suficiente para que encienda la llama.

Por último, añadir que se deberán extremar las medidas de seguridad por peligrosidad de la reacción muy exotérmica con la que estamos tratando. Un mal uso de los elementos descritos puede generar una explosión, con sus consiguientes daños.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 muestra el sistema generador de calor, donde se indican los siguientes componentes;

fuente de calor (1), sensor de calor (C), recipiente que contiene el elemento graso acelerador (2), sensor de nivel (B), filtro separador (3), cámara de combustión (4), unidad reguladora de agua (5), sensor de flujo (D), salida de humos (6), ignitor (7), entrada de refrigerante (8), salida de refrigerante (9).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema generador de calor por combustión que comprende,

-una fuente de calor (1) que proporciona la temperatura suficiente en el elemento graso acelerador para que reaccione con el agua, la fuente de calor este el sensor C que nos permite conocer la temperatura para ajustar la aportación de energía de la fuente;

-un recipiente que contiene un elemento graso acelerador (2), cuyo objetivo es mantener el elemento graso acelerador mientras se esté calentando y cuando este reaccionando con el agua;

-un filtro separador (3), formado por una pluralidad de rejillas metálicas capaces de soportar altas temperaturas cuyo objetivo es minimizar la combustión del elemento graso acelerador maximizando a combustión del agua, así como evitar las posibles salpicaduras de elemento graso y agua;

-una cámara de combustión (4) dotado un circuito intercambiador por el que circula un líquido de entrada a salida, y que dispone de salida de humos (6) y una entrada de aire atmosférico;

-una unidad reguladora de agua (5) que aporta un flujo de agua que maximice la producción de calor y minimice el consumo de elemento graso acelerador.

-un ignitor (7) cuyo objeto es iniciar la combustión.
2.

Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento graso es un aceite de origen vegetal.
3.

Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento graso es aceite de girasol.

7