BRPI0610930A2 - máquina de lavar que compreende uma célula de combustìvel e um reator de geração de hidrogênio - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a uma máquina de lavar itens de vários tipos, que compreende um tanque de lavagem (1) que contém o liquido de lavagem, e provida com um reator (3) que executa uma dupla função isto é gerar calor para aquecer o dito líquido de lavagem e um fluxo de hidrogênio gasoso suprindo uma célula de combustível (2) que gera uma fonte de energia elétrica. No interior do mesmo, o dito reator contém uma massa de metais, de preferência compreendendo o magnésio, e produz um fluxo de hidrogênio gasoso. A máquina ainda compreende uma fonte de água que é conduzida para dentro do dito reator para disparar o processo de reação que produz o dito hidrogênio, uma célula de combustível que recebe o dito fluxo de hidrogênio e converte em energia elétrica, um meio de conexão elétrica adaptado para transferir a energia elétrica gerada pela dita célula de combustível para um meio de controle e atuação compreendido na dita máquina, e um meio para transferir o calor gerado pelo dito reator para o dito líquido de lavagem. No interior do mesmo, o dito reator compreende um primeiro trocador de calor (8) adaptado para transferir o calor que está sendo gerado dentro do mesmo para o líquido de lavagem contido no dito tanque de lavagem da máquina.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÁQUINA DELAVAR QUE COMPREENDE UMA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL E UM REATOR DE GERAÇÃO DE HIDROGÊNIO".
A presente invenção refere-se a um tipo aperfeiçoado de máqui-na de lavar, de preferência uma máquina de lavar roupas, ou uma máquinade lavar louça, a qual está adaptada para operar substancialmente sem ne-nhuma necessidade desta ser energizada por uma linha de suprimento deenergia.
Apesar de referência ser feita a uma máquina de lavar roupas dotipo doméstico através da descrição seguinte, a presente invenção deve sercompreendida como igualmente aplicando-se a qualquer tipo de máquinaque - para que esta opere - requeira uma quantidade considerável de calorpara aquecer um líquido de lavagem ou de processo, assim como uma e-nergia de voltagem inda mais baixa. Neste sentido, deve portanto ser com-preendido como efetivamente e vantajosamente aplicando-se às, digamos,máquinas de lavar louça.
Geralmente conhecida em qualquer lugar na técnica é uma ne-cessidade premente para que a utilização de energia elétrica tomada da li-nha de suprimento de energia seja reduzida e mantida tão baixa quanto pos-sível. Igualmente bem-conhecidos são os esforços que estão sendo feitospelos fabricantes de utensílios domésticos em geral para prover utensíliosque utilizem quantidades de energia sempre decrescentes para operar. Estatendência geral é amplamente reconhecida e aceita pela indústria atualmen-te, de modo que nenhuma necessidade surge aqui para deter à mesma adi-cionalmente.
Amplamente reconhecidos - especificamente por aqueles queprecisam desenvolver e projetar os utensílios para propósitos de lavagemem residências - são também os problemas de tanto uma natureza técnica e- acima de tudo - uma natureza econômica associados com a produção, emuma escala industrial, de utensílios que utilizam uma voltagem de energiza-ção da linha de suprimento de energia regular para operação, enquanto emconformidade com todas as normas padrão de segurança mais estritas queatualmente aplicam-se a tais utensílios e máquinas, tal restrição, de fato,torna necessário que os mesmos utensílios sejam projetados e fabricadosem um modo que forçosamente inclua um número de complicações de cons-trução - e sobrecargas relativas, mesmo bastante consideráveis nos custosde fabricação, é claro - basicamente em vista de apenas conformar-se com oconjunto inteiro de normas de segurança aplicáveis atualmente.
Deve mais ainda ser devidamente mantido em mente que a mai-oria da quantidade de energia elétrica realmente considerável requerida porestes utensílios é principalmente utilizada para executar o que - para a ener-gia elétrica - é certamente um trabalho básico mais elementar, isto é, aque-cer. Mesmo esta circunstância contribui para tornar as máquinas de lavarespecificamente solicitantes e dispendiosas de um ponto de vista de utiliza-ção de energia.
Devidamente considerado deverá finalmente ser o fato de queas especificações de alta energia de máquinas de lavar em geral para exe-cutar os seus ciclos de lavagem tornam praticamente estas máquinas total-mente dependentes da disponibilidade de uma rede de suprimento de ener-gia, já que não é realista atualmente pensar na possibilidade de fontes desuprimento de energia alternativas - mais econômicas ou práticas e, em ge-ral, mais expeditas e convenientes - serem disponíveis para utilização paratais propósitos.
O resultado de um tal estado de coisas é que, de fato, nenhumdesenvolvimento significativo foi feito até o momento em vista de assegurara disponibilidade de máquinas de lavar domésticas que sejam realmentecapazes de funcionar mesmo na ausência de uma linha de suprimento deenergia regular e, portanto, de ser utilizadas em localizações remotas, isola-das, tal como por exemplo uma casa distante nas montanhas ou em umapequena ilha, um barco de tamanho médio a pequeno ou, mais geralmente,em qualquer lugar que uma linha de suprimento de energia não esteja dis-ponível ou economicamente insustentável.
Mais recentemente, um trabalho de desenvolvimento técnico temsido especialmente direcionado em prover mais formas de energia e de su-primento de energia econômicas, de custo eficaz e, acima de tudo, autôno-mas que façam uso das assim denominadas células de combustível, isto éas células que são capazes de produzir energia elétrica através da utilizaçãoúnico de hidrogênio na forma gasosa a ser combinado com o oxigênio at-mosférico para uma reação com estes.
Uma solução mais interessante neste aspecto está descrita naPublicação de Patente KR 1020020056131 A para LG ELECTRONICS INC.
Como descrito na patente acima citada, uma utilização é feitaneste caso de um reformador de combustível para produzir uma quantidadede hidrogênio gasoso H2 que é então fornecido para um célula de combustí-vel de um tipo inerentemente conhecido como tal na técnica.
O reformador de combustível é alimentado de uma fonte de su-primento de combustível, e a reação deste combustível com o oxigênio do arno dito reformador de combustível é um tipo de reação exotérmica poderosa;o calor produzido por tal reação é então capturado e transferido - ou direta-mente ou através de trocadores de calor apropriados - para o líquido de la-vagem na máquina de lavar, o qual é portanto aquecido aproximadamentedo mesmo modo que este seria aquecido convencionalmente por um ele-mento de aquecimento elétrico energizado de uma linha de suprimento deenergia e submerso no mesmo líquido.
Portanto, a solução descrita parece ser uma especificamenteinteressante, já que esta sugere que um meio totalmente autônomo sejaprovido e utilizado, o qual está adaptado não somente para produzir - em ummodo simples e, ao mesmo tempo, até econômico - uma quantidade consi-derável de calor mas também assegurar uma certa geração de energia elé-trica, através da utilização de uma célula de combustível inerentemente co-nhecida que utiliza o hidrogênio assim produzido e possa ser mantida ope-rando para produzir uma voltagem em um nível baixo, e assim não perigoso,a qual pode adicionalmente ser vantajosamente utilizada para somente ope-rar as funções mais valiosas e solicitantes, para as quais não existe umaopção alternativa à utilização de energia elétrica, por meio disto evitandoutilizá-la para aquecer a água.A solução acima descrita tem no entanto uma desvantagem bas-tante séria que prejudica a possibilidade que esta seja utilizada em um modorealmente prático e eficaz. Esta desvantagem realmente deriva do combustí-vel utilizado para alimentar o reformador de combustível, um combustívelque pode ser tanto gasoso quanto líquido e contido em recipientes apropriados.
Agora, a presença de combustível necessário para suprir e ope-rar o reformador de combustível constitui uma causa totalmente óbvia deperigo, especialmente no caso em que o reformador de combustível é utili-zado em residências, onde nenhuma experiência ou habilidades geralmenteexistem em manipular e lidar com combustíveis líquidos ou gasosos dequalquer modo bastante perigosos.
Além disso, até a provisão, isto é, a construção de um reforma-dor de combustível é bastante dispendiosa e solicitante, e a sua operaçãodeve adicionalmente ser constantemente e o mais cuidadosamente supervi-sionada e monitorada, e isto mais obviamente frustra uma grande parte dasvantagens oferecidas pela invenção acima citada.
O fato deve ainda ser considerado de que o reformador de com-bustível é de qualquer caso uma peça de equipamento que - apesar de mi-niaturizado ao maior grau possível - continua implicando em um tamanhobastante significativo que resultar em ser inconsistente, isto é, incompatívelcom a utilização esperada em conjunto com um utensílio doméstico normal.
Seria portanto desejável, e é realmente um objetivo principal dapresente invenção, prover uma máquina para lavar uma variedade de dife-rentes itens, a qual não seja dependente de uma fonte externa de energiaelétrica tanto para energizar as várias partes de operação da mesma máqui-na quanto para converter a dita energia elétrica em calor a ser utilizado paraaquecer o líquido de lavagem utilizado para lavar os ditos itens em um modoconvencional.
Outro propósito da presente invenção, sem o dito sem objetoprincipal, é prover uma máquina do tipo acima citado, a qual seja facilmentefabricada utilizando as técnicas existentes, prontamente disponíveis, e sejaadicionalmente competitiva na sua construção e conveniente e fácil de utili-zar e operar.
De acordo com a presente invenção, estes objetivos são alcan-çados em um tipo específico de máquina de lavar que está provida commeios de operação e de controle como abaixo descrito por meio de um e-xemplo não limitante com referência aos desenhos acompanhantes, nos quais:
- Figura 1 é uma vista esquemática geral da construção básicade uma máquina de lavar de acordo com a presente invenção;
- Figura 2 é uma vista de uma modalidade aperfeiçoada da má-quina de lavar ilustrada na Figura 1;
- Figura 3 é uma vista simbólica, parcialmente em corte transver-sal das partes internas de um dispositivo básico da máquina de acordo coma presente invenção;
- Figura 4 é uma vista explodida do dispositivo mostrado na Fi-gura 3; e
- Figura 4A é uma vista em corte transversal do mesmo disposi-tivo mostrado na Figura 3;
- Figura 5 é uma vista esquemática de uma modalidade adicio-nalmente aperfeiçoada da máquina de lavar de acordo com a presente in-venção;
- Figura 6 é uma vista diagramática dos gráficos (A, B, C e D)que mostram algumas correlações temporais de respectivos modos de ope-ração de uma máquina de acordo com a presente invenção.
O propósito básico da presente invenção encontra-se na utiliza-ção de um único dispositivo, isto é, o reator, para gerar tanto um fluxo dehidrogênio gasoso destinado a suprir a célula de combustível, a qual por suavez gera a energia elétrica requerida, quanto o calor necessário para aque-cer o líquido de lavagem, isto é, executar um serviço que é geralmente co-nhecido como sendo bastante dispendioso em termos de utilização de energia.
Uma máquina de lavar roupas de acordo com a presente inven-ção compreende um tanque ou tambor externo 1 que contém o líquido delavagem e que adicionalmente acomoda em um modo convencional umtambor rotativo (não mostrado) adaptado para conter os itens a serem lava-dos, isto é, a carga de lavagem.
A dita máquina de lavar ainda compreende:
- uma célula de combustível 2 adaptada para receber um fluxode hidrogênio gasoso e convertê-lo em energia elétrica através de um pro-cesso de geração de energia apropriado; esta célula de combustível é umdispositivo de um tipo geralmente conhecido como tal na técnica que podeou ser especificamente feito utilizando as técnicas e as peças prontamentedisponíveis ou apropriadamente selecionada para utilização entre a amplavariedade de tipos e versões disponíveis no mercado.
A energia elétrica gerada por este processo é transportada parao meio de controle e de atuação da máquina - e, de qualquer modo para to-dos aqueles dispositivos da máquina que utilizam energia para operação -através de conexões e meios de ligação convencionais. Exemplos típicosdestes dispositivos que utilizam energia de uma máquina são os relês, asbombas, o motor utilizado para acionar o tambor rotativo, as válvulas eletro-magnéticos, as lâmpadas indicadoras e meios de exibição similares, as cha-ves de pressão, os termostatos ou chaves de controle de temperatura, e,mais geralmente, todos aqueles controles eletrônicos que requerem um su-primento de energia.
A geração do dito fluxo de hidrogênio gasoso é executada pelosseguintes meios:
- um reator vedado 3,
- uma fonte ou reservatório de água 4,
- um primeiro conduto 5 para transportar a água da dita fonte oureservatório 4 para o dito reator 3,
- um segundo conduto 6 para transportar um fluxo de hidrogêniogasoso do dito reator vedado para a dita célula de combustível,
- um terceiro conduto 7 para transportar um fluxo de água do ditoreator para o dito líquido de lavagem,- um primeiro meio de trocador de calor 8 entre o dito terceirocondutor 7 e o dito reator.
No que diz respeito à construção e à operação do reator vedado3 - o qual é o núcleo real da presente invenção - algumas informações bási-cas estão abaixo fornecidas, juntamente com os dados técnicos e as especi-ficações as quais, apesar de geralmente conhecidas em um nível científico,são utilizadas com vantagem em um modo totalmente inovador e original emvista de alcançar os objetivos da presente invenção.
PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO DA DECOMPOSIÇÃO DE ÁGUA COM AUTILIZAÇÃO DE METAIS E LIGAS ATIVADOS
O hidrogênio pode ser liberado da água como causado pelo efei-to de uma variedade de metais.
Os metais alcalinos e alcalinos-terrosos (exceto o cálcio) reagemmais ativamente com a água sob emissão de hidrogênio. Aqui, a reação o-corre na temperatura ambiente. Tais metais como o cálcio, o magnésio, oalumínio, o manganês (em pó), os metais de terra rara reagem com a águaaquecida a 50-100° C.
O alumínio interage com a água somente no estado ativado. Ozinco, o cromo, o ferro, o titânio, o cobalto, o níquel, etc. reagem com o va-por de água nâ temperatura de metal vermelho.
Usualmente, o Mg e o Al são utilizados na prática porque o B,Be, Na, K, Li:
- são metais comparativamente dispendiosos,
- a sua reação com a água acontece muito rapidamente, de mo-do que está é escassamente ou dificilmente controlável.
A ativação do magnésio é realizada sob a adição de uma pe-quena quantidade de elementos de ligação, tais como o Fe, Cu, Co, Ni, Mo;como será melhor explicado posteriormente, foi descoberto que a melhorsolução encontra-se na utilização de magnésio adicionado com níquel emuma percentagem não mais alta do que 3%.
A ativação do alumínio pode ser executada pelo processamentode seu pó com calomelano, cianeto de potássio, então amalgamando e adi-cionando índio, gálio, estanho, etc. à liga.
O consumo de magnésio ativado é de 1,1 quilograma por 1 m3de hidrogênio, e o consumo de alumínio é de 0,9 quilograma por 1 m3 dehidrogênio. No entanto, levando em conta a massa de aditivos de ligação, aqual para o alumínio atinge 15% em comparação com 1-2% para o magné-sio, a produção de hidrogênio das ligas acima mencionadas é aproximada-mente a mesma. A pureza do hidrogênio obtido alcança aqui 99%.
A produção de hidrogênio através de matais ativados não estáassociada com substâncias tóxicas e não requer nenhum suprimento de e-nergia adicional.
A pureza do hidrogênio obtido pela reação com a água, assimcomo as altas taxas de produção e o consumo relativamente baixo de mate-riais básicos, tornam os métodos abaixo preferidos nas aplicações para ageração de energia autônomas.
As reações de hidrogênio obtidas por dissolução de água commetais e ligas mostram um caráter exotérmico notável, de modo que a maio-ria da energia disponível é fornecida na forma de calor de reação.
Como uma conclusão, a produção de hidrogênio com uma simul-tânea geração de calor é provida somente pelos métodos baseados na rea-ção entre os metais / ligas e a água. Na tabela 1 algumas características dosmétodos de produção de hidrogênio das água ou de soluções aquosas coma utilização de metais estão mostradas.
Tabela 1. Características de métodos utilizados para obter o hidrogênio da
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Da tabela 1 aparece que os melhores resultados para a produ-ção de hidrogênio da água podem ser obtidos com a utilização de ligas demagnesio e de alumínio.
Entre todos os metais e compostos, os quais podem ser utiliza-dos para a produção de hidrogênio por separação dé água, o magnesio écomparativamente um metal econômico.
A aplicação de alumínio para tal propósito é difícil, porque requera ativação através da adição de agentes dispendiosos (índio, gálio, estanho)até 15% em massa. A vantagem na geração de hidrogênio pela reação dealumínio com a água se comparada com o magnesio é então perdida devidoà grande massa de agentes aditivos. Mais ainda, problemas são encontra-dos no armazenamento de ligas de alumínio ativadas.
As ligas de magnesio ativadas podem ser armazenadas por umlongo tempo sem que surja uma necessidade de que provisões especiaissejam tomadas de modo a isolá-las do ar atmosférico; na realidade, umacamada de oxido de magnesio será acumulada sobre a superfície das ligasde níquel - magnesio, o que é eficaz em impedir que toda a massa de mag-nesio reaja com a umidade do ar. Portanto, a liga de magnesio - níquel podeser armazenada por períodos de longa duração sem que nenhum cuidadoespecial precise ser tomado.
Quando corretamente embaladas e armazenadas, as ligas demagnesio necessárias para a geração de hidrogênio não requerem nem mui-to espaço de armazenamento nem condições de armazenamento especiais.A água para a reação pode ser utilizada de qualquer fonte e nãoprecisa de nenhuma etapa de limpeza, purificação preparação adicionais.
Tudo considerado, o melhor método para gerar tanto o hidrogê-nio quanto a energia elétrica é aquele baseado na reação entre a água e asligas baseadas em magnésio.
No nível de pesquisa e desenvolvimento atual, uma liga de mag-nésio com apenas uma pequena quantidade de níquel (até 1,5%) como umagente aditivo é utilizada como aquela mais viável e provada.
O magnésio reage mal com a água sob as condições normais,devido à presença do filme de MgO acima mencionado sobre a sua superfí-cie. No entanto, em temperaturas mais altas do que 330K (Kelvin) uma pro-dução de hidrogênio apreciável da água é observada de acordo com a se-guinte reação:
Mg+2H2O^Mg(OH)2+H2+Q (1)
Esta reação é uma exotérmica, com o efeito térmico Q = 353 kJ/mol.
A reação de 1 kg de liga de magnésio com água fornece 0,083kg de H2 (0,93 m3) e QM = 14400 kJ de calor.
G equilíbrio térmico e a quantidade de liga de magnésio neces-sária para um ciclo de lavagem executado com água aquecida até 90° C es-tão abaixo fornecidos; o calor de reação Qr está distribuído como segue:
Qp=Qcp+Qbp+Qkoi+Qb+Qícp+Qbod (2)
onde:
Qp - quantidade de calor para um ciclo de lavagem (QP = QmGcp);
Gcp - peso de liga de magnésio para um ciclo de lavagem;
Qcp - quantidade de calor utilizada para aquecer a liga de mag-nésio;
Qbp - quantidade de calor para aquecer a água para reação;
Qkoí - quantidade de calor utilizada para aquecer os elementosfísicos e construtivos;
Qb - quantidade de calor utilizada para aquecer o líquido de la-vagem;Qicp - calor para a evaporação de água em um reator;
Qboci - calor para o aquecimento de hidrogênio;
Qm - calor para 1 kg de liga de magnésio.
De acordo com a equação 1, o peso da água necessária paraexecutar a reação é: 1,5 GMg-
Com base em dados experimentais, um excesso de água é ne-cessário tanto para permitir a evaporação no reator quanto para aglutinar osprodutos de rejeito de reação. O fator aceito para tal excesso de água é 2.
Quando transformando a equação 2,
<formula>formula see original document page 12</formula>
onde nesta equação 3:
CCP",Cp,Cp0',CpOD- são respectivos valores de calor específicopara a liga de magnésio, a água, o material de construção, o hidrogênio, (kJ / kgK);
Gicp - peso de água evaporada no reator, em kg;
r0 - calor de vaporização, (kJ / kgK);
ATi - diferença de temperaturas entre o reator e o ambiente, a-justado em 100° C;
AT2 - diferença de temperaturas entre uma camisa externa deresfriamento d© reator e o ambiente, ajustado em 70° C.
O peso estimado de elementos de construção e peças é de 10kg, o peso de água aquecida é igual 15 kg, o peso da água evaporada noreator é de -1,5 kg, e, ignorando o último membro da equação 3 como sendomuito baixo, o peso da liga é calculado como segue:
<formula>formula see original document page 12</formula>
Assim, o peso da liga necessário para aquecer o líquido de lava-gem até 90° C, é de 0,65 kg.
Uma porção significativa da produção de calor é utilizada parapropósitos de evaporação de água no reator (r0G w. ev). Para que estas per-das sejam reduzidas surge a necessidade de que a pressão no reator sejaaumentada para 0,2-0,3 MPa, o que resulta na temperatura de ebulição noreator sendo aumentada para 120-130° C. Isto novamente resulta na dife-rença de temperatura e nas perdas causadas por evaporação de água sen-do por sua vez aumentadas. O peso de liga de magnésio necessário paraum ciclo de lavagem sem perdas foi estimado chegar a 0,36 kg. Levando emconta as perdas de calor devido à evaporação, as quais não podem sercompletamente eliminadas, o peso real da liga requerido para executar umciclo de lavagem em uma temperatura de 90° C, chegará a aproximadamen-te 0,5 kg.
Quando aquecendo o líquido de lavagem a uma temperaturamais baixa, o peso da liga necessário para a reação será conseqüentementereduzido.
Se a liga é totalmente utilizada no reator, isto gerará 0,5 m3 dehidrogênio. Pela utilização deste hidrogênio em elementos de combustível, épossível obter 1 kWh de energia elétrica. É óbvio que existirá então um ex-cesso de energia elétrica, a qual pode no entanto ser utilizada ou para pro-pósitos de aquecimento de água, assim reduzindo o peso de liga de magné-sio requerido, ou algum outro propósito útil, tal como em um processo desecagem de roupas.
Uma pesquisa e um trabalho experimental exaustivos mostraramque a taxa de reação e, com isto, a taxa de liberação de calor e o efeito deaquecimento de água depende basicamente da temperatura de reação.
É possível influenciar a taxa de reação em diversos modos, isto
é:
Construtivamente, selecionando o tamanho e a forma apropri-ados do reator, juntamente com o tamanho e a forma do magnésio, o qual émelhor embalado em um cartucho para uma fácil e conveniente inserção noe remoção do reator após a utilização.
Fisicamente, afetando, isto é variando as condições de troca decalor tanto no local de reação quanto ao redor do reator.
Quimicamente, afetando, isto é, variando a composição químicae o estado mecânico (dispersividade) da liga.
À luz das condições de operação reais de sistemas autônomos,para os quais as cargas variáveis são típicas, é um procedimento comumprojetar os geradores de gás de hidrogênio e de calor com base no princípioda substituição da carga de reação química. Os agentes de reação, isto é omagnésio e a água os quais estão constantemente em uma zona reacionáriaem reatores do tipo "misto", estão ao contrário separados no reator do tipode substituição. Em tal reator, carregado com a quantidade necessária deliga de magnésio, a taxa de reação e, com isto, a liberação de calor e a pro-dução de hidrogênio depende da quantidade de água utilizada na reação.Este permite que a produtividade do gerador seja apropriadamente ajustadae impede a presença de água livre, a qual poderia entrar em reação no vo-lume do reator.
PROJETO DE UMA FONTE DE HIDROGÊNIO E DE GALOR AUTÔNOMAPARA UMA MÁQUINA DE LAVAR
Uma máquina de lavar de acordo com a invenção compreendeum gerador de calor e de gás, no qual a liga reage com a água, por meiodisto gerando um fluxo de gás hidrogênio e liberando calor.
Como a reação é uma exotérmica, uma quantidade notável decalor (aproximadamente 14000 kJ de 1 kg de liga) é gerada, a qual pode serutilizada em diferentes modos dependendo da máquina. É claro, o calor dereação será consumido para aquecer o líquido de lavagem. O hidrogêniogerado na reação é por sua vez utilizado em uma célula de combustível paraa geração de energia elétrica.
O diagrama básico simplificado de um gerador de calor e de gásdo tipo acima mencionado, como utilizado em uma máquina de lavar, estámostrado na Figura 1.
O modo no qual este gerador de calor e de gás funciona é comosegue.
Em primeiro lugar, o cartucho que contém a liga de magnésio éinserido no reator 1. A água para a reação é enchida no tanque 4 (aproxima-damente 1,5 I), e água para lavar é conduzida para o tanque de lavagem damáquina. A bomba 15 bombeia a água na direção do reator através da válvu-la 16 aberta. Após um curto tempo, conforme necessário para os componen-tes aquecerem, a reação começa sob a emissão de hidrogênio e a liberaçãode calor.
Neste ponto, a bomba 27 começa a funcionar e bombeia a águado tanque de lavagem através da camisa de resfriamento do reator para fa-zer com que esta seja aquecida por este. Quando a água é aquecida atéuma temperatura pré-selecionada, as bombas 15 e 27 são desligadas.
O hidrogênio gerado durante a reação é coletado na porção su-perior do reator 3 e flui através do conduto 6 e da válvula 17 para o conden-sador 10, onde a sua umidade é condensada e removida do mesmo. O con-densador 10 é também utilizado como uma hidrovedação.
REATOR
Um número de diferentes métodos de preparação de liga demagnésio foi investigado. Os melhores resultados foram obtidos quando omagnésio ativado, na forma de partes diminutamente fragmentadas, foi em-balado em cartuchos feitos de metal perfurado e cobertos com um tecidofino. As vantagens básicas que derivam do carregamento da liga em cartu-chos de tecido no reator são como segue: uma ativação e operação maisrápidas, assim como uma retenção total dos subprodutos de reação dentrodo próprio cartucho.
A utilização de cartuchos para carregar a liga no reator acelera esimplifica o procedimento de preparação de liga. Em tais cartuchos, devido àmaior superfície de contato de agentes de reação por unidade de volume, épossível que a densidade máxima da liga ativa seja aumentada para valoresaté 0,35-0,38 kg/dm3. Esta oferece oportunidades adicionais em vista da re-dução do tamanho do reator e assim permite que as características volumé-tricas específicas do reator e da fonte de hidrogênio sejam significativamenteaperfeiçoadas.
O volume de um reator em uma densidade da liga de magnésioigual a 0,35 kg/dm3 é de aproximadamente 1,42 dm3. Se o reator contém umcartucho cilíndrico, as suas dimensões totais mostrarão um diâmetro de 95mm, e um comprimento de 200 mm.
Em reatores que utilizam os cartuchos substituíveis, e nos quaisa água é feita fluir através de uma camada de produtos de reação (escória),isto é a reação hidráulica, isto é, de fluxo de produtos de reação é o valorcrítico para determinar o seu tamanho geométrico. Irá de fato determinar otamanho do conduto para a água utilizada na reação e o comprimento domeio de distribuição de água até a periferia da liga.
Considerando a densidade da liga de magnésio, e de modo aminimizar as perdas de pressão da água fornecida para a reação, o valor daresistência de fluxo da camada de escória não deve ser além de 10 kPa.
Esta especificação permite que a espessura da camada de es-cória e, com isto, a espessura correspondente da camada de liga de magné-sio carregada sejam apropriadamente determinadas. Para uma densidadeda liga de magnésio carregada 0,35 kg/dm3, esta chega a 40 mm. Assim, oraio do cartucho sob as condições descritas não deve exceder 40 mm.
Uma descrição das características de construção da soluçãotécnica acima ilustrada seguirá neste ponto com referência à Figura 1. Oreservatório indicado em 4 contém uma quantidade de água que é suficienteem vista de assegurar a reação desejada com o magnésio carregado no rea-tor de modo a produzir a quantidade de calor desejada juntamente com aquantidade de hidrogênio desejada, em que tal quantidade de água é de a-proximadamerfte 2 litros.
No curso de experiências e testes de operação exaustivos e ex-tensos foi descoberto que a ativação da reação no reator é facilitada em umgrau considerável se uma quantidade de NaCI for adicionada em uma per-centagem situada em qualquer lugar entre 1% e 15% à água contida no re-servatório 4, já que tal adição é efetiva na contribuição para a eliminação dacamada de oxido formada sobre a superfície do magnésio, o que é claro seoporia fortemente à reação.
No que diz respeito ao próprio magnésio, este pode ser proces-sado em pedaços diminutos, tais como flocos, fragmentos, partículas pulve-rizadas, ou similares; o tipo de processamento não é crítico em si próprio,apesar de que pode ser mais prontamente apreciado que quanto menor otamanho das partículas, nas quais o magnésio introduzido no reator é moí-do, mais fácil o modo no qual este pode tornar-se mais completamente ex-posto à água para reagir com a mesma.
Para que a água seja transferida do dito reservatório 4 para oreator 3, o dito primeiro conduto 5 está provido com uma primeira bomba 15e uma primeira válvula 16, a operação da qual será explicada mais adianteem maiores detalhes.
No que diz respeito ao modo no qual o hidrogênio gasoso étransferido para a célula de combustível 2, uma utilização é feita neste casodo dito segundo conduto 6, o qual deverá no entanto ser devidamente com-pletado, isto é integrado pelos seguintes membros e dispositivos: imediata-mente a jusante do reator, o dito conduto 6 está de fato provido com umasegunda válvula 17, o propósito da qual é manter o hidrogênio produzido noreator 3 sob pressão, já que a célula de combustível 2 que utiliza tal hidro-gênio é otimizada na sua operação alimentando-a com hidrogênio que fluiem uma pressão controlada.
A jusante desta segunda válvula 17 está provido um filtro - depu-rador 10, o qual consiste em um recipiente que contém um líquido adaptadopara capturar, isto é reter e condensar os subprodutos de reação e a umida-de contida no fluxo de hidrogênio que flui através do mesmo. Este líquidopode ser simplesmente a água e, é claro, a abertura de entrada que levapara o dito filtro - depurador 10 e a abertura de saída do mesmo devem estardispostas de modo que o hidrogênio que flui para dentro seja capaz de so-mente fluir novamente para dentro da porção a jusante do dito conduto 7quando movendo-se através - sob condições de depuração - de um volumesuficiente de água de filtragem no dito filtro - depurador 10.
A jusante deste filtro - depurador 10, o segundo conduto 7 podeentão ser conectado diretamente na célula de combustível 2; o fato deve noentanto ser considerado que, para que a máquina de lavar seja capaz deiniciar um ciclo de operação, é necessário que uma fonte inicial de energiaelétrica esteja disponível, de modo que, se esta energia elétrica for primei-ramente gerada e suprida durante a reação, isto é após a máquina ser liga-da, a última seria incapaz de começar a operar, na realidade.De modo a resolver tal problema, no segundo conduto 6, a ju-sante do dito filtro - depurador 10, está provida uma válvula de três vias 11,da qual uma primeira via abre para dentro do dito filtro - depurador 10, umasegunda via abre para dentro da dita célula de combustível 2 e uma terceiravia abre para dentro de um reservatório vedado 18 (vide figura 5).
O propósito do dito reservatório vedado 18 é de armazenar partedo hidrogênio gasoso em excesso que é produzido pelo reator 3, e é libera-do sob pressão para dentro do dito conduto 6, em vista de fornecer nova-mente o gás de hidrogênio armazenado quando a máquina é ligada paraoperação, de modo que a célula de combustível possa ser alimentada antesque o próprio reator comece a operar.
Para que esta seja iniciada, isto é ligada, a máquina de lavarrealmente requer apenas uma quantidade mínima de energia elétrica que ébasicamente necessária para atuar as válvulas e os dispositivos de controleda célula de combustível. Esta quantidade mínima de energia elétrica podemais facilmente ser armazenada na máquina com o auxílio de capacitoresPowercap, cuja carga é utilizada para iniciar a operação na máquina; con-clusivamente, a cadeia de suprimento de energia deve ser como segue:
- quando atuando o controle de ligar, o capacitor Powercap ativaa célula de combustível e abre a válvula 11;
- quando a válvula 11 foi assim aberta, o hidrogênio contido noreservatório 18 alcança a célula de combustível, a qual então começa a ope-rar, por meio disto suprindo energia elétrica para energizar os controles, osatuadores e similares, tais como especificamente os controles e dispositivosque ativam o reator 3;
- quando o reator foi assim ativado, este começa a produzir esuprir tanto o fluxo de hidrogênio gasoso que flui para a célula de combustí-vel e - em parte - também para o dito reservatório 18, quanto o calor que éutilizado para aquecer o líquido de lavagem.
Como melhor mostrado na Figura 3, e no que diz respeito aoprocesso de geração de calor e ao transporte deste calor para o líquido delavagem, o reator 3 está simbolicamente mostrado contendo um primeirotrocador de calor 8, através do que o calor gerado dentro do dito reator étransferido para o terceiro conduto 7 e, através deste conduto, alcança o lí-quido de lavagem em um modo que será explicado mais adiante em maioresdetalhes.
Especificamente, uma modalidade preferida está ilustrada nasFiguras 3 e 4, onde pode ser notado que o reator 3 está provido com umcorpo cilíndrico externo 38, dentro do qual está coaxialmente disposto umcorpo cilíndrico interno 39 que o mais obviamente tem um menor diâmetrodo que dito corpo externo.
Entre os ditos dois corpos cilíndricos 38 e 39 está provido umacamisa anular, vedada ou espaço oco 40 que tem a mesma altura que osditos dois corpos.
Esta camisa oca anular 40 está conectada com o exterior atra-vés de duas aberturas distintas 41 e 42 na superfície externa do corpo ex-terno 38, em que uma destas aberturas conecta com uma extremidade nodito terceiro conduto 7, enquanto que a outra está similarmente conectadana extremidade oposta do dito conduto.
A massa de magnésio a ser utilizada na reação é colocada - emum modo que será abaixo explicado em maiores detalhes - dentro do ditocorpo interno 39. De modo a permitir que esta massa de magnésio reaja,dentro do dito corpo cilíndrico interno 39 está adicionalmente disposto umcanal interno 43 que estende-se em um modo substancialmente coaxial comos ditos dois corpos cilíndricos 38 e 39.
Este canal interno 43 está provido com uma pluralidade de furosvazados ou perfurações 44, e está conectado em um lado no dito primeiroconduto 5 e, no outro lado, no dito segundo conduto 6, de modo que a câma-ra interna do dito corpo interno 39 está praticamente conectada em ambosos ditos condutos 5 e 6 através das ditas perfurações e do dito canal interno.
Mais geralmente, o dito terceiro conduto 7 estende-se adicio-nalmente para dentro da dita camisa oca anular que é delimitada pelo ditocorpo cilíndrico interno 39 e entra deste modo diretamente em contato com acâmara interna do último, onde a reação entre o magnésio e a água aconte-ce sob a geração de calor e de hidrogênio gasoso.
Para tornar mais conveniente para a carga de magnésio ser in-troduzida e removida, uma utilização pode vantajosamente ser feita de umcartucho removível 45 que contém o magnésio, em que tal cartucho estáadaptado para ser introduzido no reator por cima através de uma aberturaprovida com uma cobertura revedável apropriada.
Na prática, e com referência específica à Figura 4, uma estruturana forma de um conjunto de bonecas russas é por meio disto obtida, na quala camisa oca anular externa 40 acomoda o cartucho removível 45 dentro damesma e este cartucho 45 por sua vez acomoda o dito canal interno 43, oqual está no entanto firmemente unido ou integral com a estrutura do reator 3.
Em um modo vantajoso, podem ser também providos e utiliza-dos os assim denominados cartuchos de "carga diferenciada", no sentido deque estes podem conter uma quantidade de magnésio especialmente dosa-da para aquecer o líquido de lavagem a uma temperatura específica, tal co-mo por exemplo 30° C ou 50° C ou até 70° C, de acordo com o tipo desejadode ciclo de lavagem a ser executado.
O modo no qual toda a disposição acima descrita funciona emprincípio podei ser neste ponto mais prontamente compreendida: quando ocartucho removível 41 que contém a carga de magnésio tendo assim sidointroduzido e o reator 3 tendo sido fechado estanque novamente, a primeirabomba 15 é energizada e a primeira válvula 16 do primeiro conduto 5 é aber-ta. A água é assim permitida fluir do reservatório 4 para dentro do reator 3 eespecificamente, fluindo ao longo do dito canal interno 43 e através das ditasperfurações 44, esta entra no cartucho, onde entra em contato com o mag-nésio, por meio disto disparando o processo de reação.
Como um resultado de tal reação, um fluxo de hidrogênio gasosoé desenvolvido, o qual então flui para fora do corpo do dito cartucho, de pre-ferência do seu lado superior, para coletar dentro da porção em forma desino 30 dentro da qual a cobertura superior 31 do reator está formada, e aqual está disposta para conectar com e conduzir para dentro do dito segundoconduto 6 e, através do dito conduto, para a célula de combustível. Ao mes-mo tempo, o calor gerado pela dita reação transfere por simples efeito decondução para o dito corpo cilíndrico interno 39 e, deste corpo, para a ditacamisa oca anular 40, através da qual o líquido a ser aquecido é feito fluir.
Desta camisa oca anular 40, o líquido aquecido flui novamentepara dentro do terceiro conduto 7, o qual está provido com uma segundabomba 27 apropriada para circular o dito líquido do tanque de lavagem damáquina para a dita camisa oca anular e, da última, novamente para o tan-que de lavagem da máquina, de acordo com os modos de operação os quaisé claro serão inerentemente incluídos no esquema de controle de programageral da máquina.
Será obviamente apreciado que a descrição acima foi somentefornecida para o propósito de apresentar os critérios gerais e os princípiosde modalidade da presente invenção, já que os modos reais de modalidadee operação serão capazes de ser mais facilmente e prontamente definidos edeterminados precisamente no estágio de projeto da máquina de lavar.
No entanto, é considerável totalmente apropriado fornecer aquialgumas informações especificamente úteis referentes à operação de umamáquina de lavar provida com uma disposição de acordo com a presenteinvenção.
Uma primeira tal informação cobre um aspecto de segurançaprincipal: pode de fato ser mais prontamente apreciado que se por qualquerrazão que seja o processo de reação no reator saia de controle, isto é torne-se descontrolado, o risco é incorrido de uma destruição do mesmo reator,ou, no pior caso, de uma explosão.
Com referência à Figura 3, e em vista de resolver tal tipo de pro-blema, um termômetro 20 e uma chave de pressão 21, adaptados para me-dir os parâmetros relativos e enviar os sinais correspondentes para os dis-positivos de controle e de atuação da máquina, estão vantajosamente dis-postos próximos da câmara interna do reator, em que os ditos dispositivosde controle e de atuação da máquina estão apropriadamente ajustados eprogramados de modo que - sempre que as ditas medições são detectadasestarem em excesso de respectivos valores permissíveis máximos preajus-tados - a reação seja imediatamente e automaticamente parada, isto é fa-zendo com que a primeira válvula 16 feche e/ou a segunda válvula 17 abra.
Deve ser adicionalmente notado que, para o reator operar corre-tamente, isto é de modo a impedir que a pressão de hidrogênio pare o influ-xo de água do reservatório 4, a primeira válvula 16 e a primeira bomba 15são somente atuados, isto é operados por curtos intervalos de tempo, e istoestá simbolicamente mostrado pelo gráfico "A" na Figura 6. De fato, estamedida é eficaz em permitir que apenas pequenas quantidades de água se-jam somente admitidas no reator nas fases nas quais a reação está morren-do, isto é tornando-se extinta, de modo que esta gere uma contrapressãobastante limitada que não oponha ou prejudique o influxo de água nova parao processo de reação, e - como um resultado - as fases de reação mais in-tensa, isto é de mais alta contrapressão, somente aconteçam quando a ditaválvula e a dita bomba estejam fechadas e desligadas, respectivamente, pormeio disto evitando qualquer problema conectado com a água e o gás fluin-do de volta para dentro do reservatório 4.
Um aperfeiçoamento vantajoso adicional pode ser obtido pro-vendo o segundo conduto 6 com uma segunda válvula 17 adaptada para sercontrolada de fora.
Esta válvula permite que a pressão do gás que está sendo pro-duzido seja ajustada, de modo que este gás possa somente ser fornecidotanto para a célula de combustível 2 quanto para o reservatório 18 na suapressão ótima desejada.
Uma vantagem adicional que é provável de ser encontrada sur-ge do fato de que o líquido de lavagem pode acontecer conter uma tal quan-tidade de contaminantes e matérias estranhas de modo a fazer com que adita camisa oca anular 40 torne-se gradualmente obstruída. Assim, em vistade evitar este risco, e com referência à Figura 2, outro aperfeiçoamento van-tajoso pode ser obtido pela provisão de um segundo meio de troca de calor 9entre o dito terceiro conduto 7 e o dito líquido de lavagem dentro do tanqueda máquina de lavar; na prática, isto criaria um segundo trocador de calor nadireção do líquido de lavagem, isto é do tanque de lavagem da máquina, demodo a completamente isolar o reator do próprio líquido de lavagem.
Com referência à Figura 6, esta pode ser notada representaradicionalmente alguns gráficos que ilustram o curso, isto é o padrão de ten-dência de alguns parâmetros de máquina na mesma escala de tempo; comojá mencionado, o gráfico "A" na figura representa uma seqüência de curtosintervalos de tempo, cada um dos quais dura apenas poucos segundos, edurante os quais tanto a primeira bomba 15 quanto a primeira válvula 16 sãoativadas para admitir quantidades de água correspondentemente pequenaspara o reator.
Ao mesmo tempo, o gráfico "D" na mesma figura mostra que asegunda bomba 27 no terceiro conduto 7 está ativada, isto é operada em ummodo contínuo para permitir que o líquido seja continuamente e regularmen-te circulado no circuito relativo.
Concorrentemente com os gráficos acima mencionados, o gráfi-co "B" e o gráfico "C" mostram - em um modo totalmente qualitativo - umcurso típico da pressão do hidrogênio gasoso dentro do reator 3 e a tempe-ratura do líquido dentro do terceiro conduto 7, respectivamente.
Claims (17)
1. Máquina para lavar itens de vários tipos, de preferência parautilização em residências, que compreende- um tanque de lavagem estacionado (1) destinado a conter olíquido de lavagem,- um primeiro meio, que compreende uma célula de combustível(2), adaptada para receber um fluxo de hidrogênio gasoso e converter o ditofluxo em uma fonte de energia elétrica,- um segundo meio adaptado para gerar o dito fluxo de hidrogê-nio gasoso e transferi-lo, através de condutos (6) apropriados, para a célulade combustível (2),- um meio de conexão elétrica adaptado para transferir a energiaelétrica gerada na dita célula de combustível para um meio de controle e a-tuação compreendido na dita máquina de lavar,caracterizada pelo fato de que o dito segundo meio compreende:- um reator vedado (3), no interior do qual está colocada umamassa de substâncias metálicas,- uma fonte de água,- um terceiro meio para conectar a dita fonte de água no dito rea-tor vedado, i-- um quarto meio para conectar o dito reator vedado na dita célu-la de combustível, e- um quinto meio que transfere o calor gerado pelo dito reatorpara o dito líquido de lavagem.
2. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zada pelo fato de que as substâncias metálicas compreendem o magnésio.
3. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 2, caracteri-zada pelo fato de que a dita fonte de água compreende um reservatório (4),e que o dito terceiro meio que conecta o dito reservatório no dito reator com-preende um primeiro conduto (5), uma primeira bomba (15) incluída no ditoprimeiro conduto (5), e uma primeira válvula (16) que controla o fluxo de á-gua do dito primeiro conduto (5).
4. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 2 ou 3, ca-racterizada pelo fato de que o dito quarto meio compreende um segundoconduto (6) e uma segunda válvula (17) que controla o fluxo de gás hidrogê-nio no dito segundo contudo.
5. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 4, caracteri-zada pelo fato de que o dito quarto meio ainda compreende um condensadorde umidade (10) disposto no dito segundo conduto (6) a jusante da dita se-gunda válvula (17).
6. Máquina de lavar de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que o dito quinto meio com-preende:- um terceiro conduto (7), no qual um fluxo de líquido de aqueci-mento circula em um padrão de laço fechado, e o qual está adaptado paraconectar o volume interno do dito reator (3) com o dito tanque da máquinade lavar que contém o líquido de lavagem, e- uma segunda bombas (27) instalada no dito terceiro conduto.
7. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 6, caracteri-zada pelo fato de que o dito reator (3) compreende um primeiro trocador decalor (8) adaptado para transferir o calor gerado dentro do dito reator para olíquido que circula no dito terceiro conduto.
8. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 7, caracteri-zada pelo fato de que esta compreende um segundo trocador de calor (9)adaptado para transferir o calor do dito líquido de aquecimento que flui atra-vés do dito terceiro conduto para o dito líquido de lavagem.
9. Máquina de lavar de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que, no dito segundo condu-to (6), a jusante do dito condensador de umidade (10), está disposta umaterceira válvula (11).
10. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 9, caracteri-zada pelo fato de que a dita terceira válvula (11) é uma válvula de três vias,e que a sua terceira via leva para um reservatório vedado (18) adaptado pa-ra conter e armazenar o hidrogênio gasoso em excesso que flui do dito con-densador de umidade (10).
11. Máquina de lavar de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que o dito reator vedado (3)compreende um corpo externo (38) e um corpo interno (39), os quais defi-nem uma primeira camisa oca anular vedada (40) entre os mesmos, a qualestá conectada com o exterior através de duas aberturas distintas (41, 42),as duas respectivas extremidades do dito terceiro conduto (7) estando aco-pladas nas mesmas.
12. Máquina de lavar de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes 9 a 11, caracterizada pelo fato de que esta adicional-mente compreende um canal interno (43) disposto dentro do dito corpo cilín-drico interno (39), o qual está adaptado para ser acoplado nas suas extremi-dades opostas no dito primeiro conduto (5) e no dito segundo conduto (6),respectivamente, o dito canal interno (43) estando provido com uma plurali-dade de furos vazados ou perfurações (44) que abrem para dentro da ditacamisa oca anular.
13. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 12, caracte-rizada pelo fato de que entre o dito corpo cilíndrico interno (39) e o dito canalinterno (43) está provida uma segunda camisa oca anular, dentro da qual érecebido removível um cartucho (45).
14. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 13, caracte-rizada pelo fato de que o dito cartucho (45) contém uma massa de magné-sio, de preferência na forma de fragmentos diminutos, flocos ou pó.
15. Máquina de lavar de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, caracterizada pelo fato de que o dito reator (3) compre-ende pelo menos um sensor de temperatura (20) e/ou um sensor de pressão(21).
16. Máquina de lavar de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes 2 a 15, caracterizada pelo fato de que o dito magnésioestá associado, mesmo em uma forma de liga, a uma quantidade modestade níquel.
17. Máquina de lavar de acordo com a reivindicação 16, caracte-rizada pelo fato de que o dito níquel está associado ao dito magnésio emuma percentagem que não é mais alta do que 3%.
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