ES2262791T3 - Sistema para la transformacion de combustible y aire en un reformado. - Google Patents

Sistema para la transformacion de combustible y aire en un reformado.

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ES2262791T3 ES02716817T ES02716817T ES2262791T3 ES 2262791 T3 ES2262791 T3 ES 2262791T3 ES 02716817 T ES02716817 T ES 02716817T ES 02716817 T ES02716817 T ES 02716817T ES 2262791 T3 ES2262791 T3 ES 2262791T3
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Abstract

Sistema para la transformación de combustible (216) y aire (218) en reformado (220) con un reformador (214), que presenta un espacio de reacción, con una tobera (11) para la alimentación de una mezcla de combustible/aire al espacio de reacción, con al menos un conducto (24) de abastecimiento para la alimentación para la alimentación de combustible (216) a la tobera (11) y con al menos un canal de entrada (18) para la alimentación de aire (218) a la tobera (11), caracterizado porque la tobera (11) presenta una cámara (19, 22) de turbulencia, en la que afluye un conducto (24) de abastecimiento para la alimentación de combustible (216) sustancialmente centrado de forma axial y en la que al menos un canal (18) de entrada afluye sustancialmente tangencial y de la que sale una salida (23) de tobera, y porque la cámara (19, 22) de turbulencia comprende un canal espiral (19) que se estrecha, en el que afluye el canal (18) de entrada para el medio en forma de gas, y un espacio (22) de hendidura queconecta allí axialmente en dirección a la salida (23) de tobera, en el que afluye el conducto (24) de abastecimiento para la alimentación de combustible (216) y del que sale la salida (23) de tobera.

Description

Sistema para la transformación de combustible y aire en un reformado.
El invento se refiere a un sistema para la transformación de combustible y aire en reformado con un reformador, que presenta un espacio de reacción, con una tobera para la alimentación de una mezcla de combustible/aire al espacio de reacción, con al menos un conducto de abastecimiento para la alimentación de combustible a la tobera y con al menos un canal de entrada para la alimentación de aire a la tobera.
Los sistemas del género expuesto sirven para la transformación de energía química en energía eléctrica. Con este fin se alimentan combustible y aire al reformador, preferiblemente en forma de una mezcla de combustible/aire. En el reformador se efectúa entonces la transformación del combustible con el oxígeno del aire, realizándose preferiblemente el procedimiento de la oxidación parcial.
Con el reformado así producido se alimenta entonces a una célula de combustible o a una pila de células de combustible, liberándose energía eléctrica y oxígeno por la transformación controlada de hidrógeno, como componente del reformado.
Como se ha mencionado, el reformador puede estar diseñado de modo que el procedimiento de la oxidación parcial se realice para producir reformado. En este caso es especialmente útil, en la utilización de Diesel como combustible, realizar reacciones previas antes de la oxidación parcial. De este modo pueden transformarse con "llama fría" moléculas Diesel de cadena larga en moléculas de cadena corta, lo que después de todo favorece el funcionamiento del reformador. En general se alimenta la zona de reacción del reformador con una mezcla de gas, la cual se transforma en H_{2} y CO. Ulteriores componentes del reformado son N_{2}, H_{2}O y CH_{4}. en el funcionamiento normal se regula la corriente de masa de combustible en correspondencia a la potencia requerida, y la corriente de masa de aire se regula con un número de aire en la zona de \lambda = 0,4. La reacción de reformación puede vigilarse por distintos detectores, por ejemplo por detectores de temperatura y detectores de gas.
Junto al procedimiento de oxidación parcial es igualmente posible realizar una reformación autotérmica. El procedimiento de la oxidación parcial, en contraste con la reformación autotérmica, se conduce de modo, que el oxígeno se alimenta de forma subestequiométrica. Por ejemplo la mezcla tiene un número de aire de \lambda = 0,4. La oxidación parcial es exotérmica, de modo que de forma problemática puede llegarse a un calentamiento indeseado del reformador. Además, la oxidación parcial tiende a una formación reforzada de hollín. Para evitar la formación de hollín puede elegirse más pequeño el número \lambda de aire. Esto se consigue de modo que una parte del oxígeno empleado para la oxidación se prepare por vapor de agua. Ya que la oxidación con vapor de agua discurre endotérmica, es posible ajustar la proporción entre combustible, oxígeno y vapor de agua, de modo que en total no se libere calor ni se consuma calor. La reformación autotérmica así conseguida descarta por tanto el problema de la formación de hollín y de un sobrecalentamiento indeseado del reformador.
Del mismo modo es posible que en relación con la oxidación en el reformador resulten fases ulteriores del tratamiento de gas, pudiendo estar conectada a continuación, especialmente de la oxidación parcial, una metanización.
Un sistema corriente de células de combustible es por ejemplo un sistema PEM ("proton Exchange membrane"), que típicamente puede hacerse funcionar con temperaturas de servicio entre la temperatura ambiente y aproximadamente 100ºC. Debido a las bajas temperaturas de servicio este tipo de células de servicio se utiliza frecuentemente para aplicaciones móviles, por ejemplo en automóviles.
Además, son conocidas células de combustible de alta temperatura, los llamados sistemas SOFC ("solid oxide fuel cell"). Estos sistemas trabajan en la zona de temperatura de unos 800ºC, estando un electrólito sólido ("solid oxide") en situación de emprender el transporte de iones de oxígeno. La ventaja de tales células de combustible de alta temperatura frente a los sistemas PEM consiste especialmente en la resistencia frente a cargas mecánicas y químicas.
Como campo de aplicación para células de combustible en unión con los sistemas del género expuesto, vienen al caso junto a las aplicaciones estacionarias especialmente las aplicaciones en el campo de automóviles, por ejemplo como "suxilary power unit" (APU).
Para un servicio fiable del reformador es importante alimentar el combustible o la mezcla de combustible/aire de forma adecuada en el espacio de reacción del reformador. Para la función del reformador son por ejemplo ventajosas una buena mezcla de combustible y aire y una buena distribución de la mezcla de combustible/aire en el espacio de reacción del reformador. En el marco de la revelación presente se trata siempre de una mezcla de combustible/aire, cuando en el espacio de reacción del reformador se reaccionan las sustancias a introducir o introducidas. Sin embargo las sustancias introducidas no están limitadas a una mezcla de combustible y aire. Antes bien pueden también introducirse adicionalmente otras sustancias, por ejemplo vapor de agua en el caso de reformación autotérmica, en tanto deba entenderse el concepto de mezcla combustible/aire en esta forma general.
La misión del invento se basa en poner a disposición un sistema para la transformación de combustible y aire a reformado, el cual presente propiedades ventajosas con respecto a la introducción de la mezcla combustible/aire en un espacio de reacción de un reformador.
Esta misión se soluciona con las características de las reivindicaciones independientes.
Formas de realización ventajosas y perfeccionamientos del invento están expuestos en las reivindicaciones dependientes.
El invento se monta en el sistema del género expuesto, de modo que la tobera presente una cámara de turbulencia, en la que afluye un conducto de abastecimiento, para la alimentación de combustible, sustancialmente centrado de forma axial, y en la que al menos un canal de entrada afluye sustancialmente tangencial y de la que sale una salida de tobera, y que la cámara de turbulencia comprenda un canal espiral que se estrecha, en el que afluye el canal de entrada para el medio en forma de gas, y un espacio de hendidura que conecta allí axialmente en dirección a la salida de tobera, en el que afluye el conducto de abastecimiento para la alimentación del combustible y del que sale la salida de tobera. La disposición según el invento prevé de este modo que en el espacio anular afluya el canal de entrada para el aire o en general el medio en forma de gas, mientras el abastecimiento para el combustible, es decir en general para el medio líquido, afluya en el espacio de hendidura. Éste sale por su parte a la salida de tobera y va por su borde periférico al espacio anular, o está en comunicación con éste. El espacio anular satisface de este modo la función de una cámara de turbulencia, en la que se conduce el medio en forma de gas por medio de un taladro relativamente grande, al menos sustancialmente de forma tangencial, a una distancia relativamente grande del eje central longitudinal de la cámara de turbulencia. El medio en forma de gas se conduce desde la cámara de turbulencia o desde el canal espiral a una cámara con menor extensión axial. Esta cámara en cuestión se designa como espacio de hendidura. La pequeña extensión axial está elegida para poder garantizar una pérdida de presión lo más pequeña posible. Un aspecto sustancial del sistema según el invento, en el que está prevista una cámara de turbulencia compuesta de un canal espiral y un espacio de hendidura, se refiere al mantenimiento de la turbulencia con el fin de introducir el medio en forma de gas con poca velocidad en el espacio anular, acelerarlo en éste e introducirlo con alta velocidad en el espacio de hendidura. De este modo en su salida axial, que antes se designa también como salida de tobera, se prepara una depresión de forma tal, que se arremolina el medio líquido que atraviesa axialmente el espacio de hendidura. El diseño aerodinámico del canal espiral puede aquí efectuarse según puntos de vista usuales del diseño de aparatos de conducción para ventiladores radiales, que son bien conocidos en el estado de la técnica.
El sistema según el invento está configurado especialmente ventajoso, de modo que una pared frontal del canal espiral, es decir la pared interior o la pared exterior esté constituida cilíndrica circular , y la otra pared frontal del canal espiral esté constituida de forma espiral. De este modo el canal espiral puede fabricarse de dos partes, una parte fresada provista con un recorrido espiral y una parte cilíndrica colocada centrada en ésta.
Es especialmente preferido que el canal de entrada para el medio líquido esté dispuesto coaxial a la salida de la tobera.
De este modo el medio líquido se alimenta por medio de un pequeño taladro central en el espacio de hendidura, especialmente alineado con el eje central longitudinal de la cámara de turbulencia, y sobre el lado del espacio de hendidura directamente opuesto a este taladro se conduce por medio de un taladro mayor ulterior, éste forma la salida de tobera.
A este respecto debe preferirse especialmente que la salida de tobera esté fijada por un taladro de tobera en una placa de cierre del espacio de hendidura de la cámara de turbulencia.
El borde del taladro de salida puede estar redondeado en el lado del espacio de hendidura, para minimizar la presión necesaria para el transporte de la mezcla de medio líquido y la en forma de gas en la salida de tobera. En una ulterior forma ventajosa de realización es posible que este borde pueda estar formado con el mismo fin biselado o también de canto agudo.
El sistema según el invento está configurado especialmente ventajoso, de modo que la longitud axial de la salida de tobera valga de 0,05 mm a 1 mm, especialmente de 0,1 mm a 0,5 mm.
Preferiblemente debe preferirse que estén previstos medios, de modo que en el espacio de reacción pueda afluir aire secundario. El aire que penetra en la tobera en el espacio de reacción, es decir el aire existente en la mezcla combustible/aire puede a este respecto designarse como aire primario. El aire secundario se transporta de forma ventajosa por taladros secundarios para aire en la caja del espacio de reacción. La distribución del aire en aire primario y aire secundario puede ser provechosa para preparar una mezcla grasa y propicia al encendido en la salida de la tobera. Esto es provechoso especialmente en el proceso inicial del sistema, ya que aquí el reformador trabaja de forma ventajosa a la manera de un quemador.
El invento está perfeccionado ventajosamente de modo que la tobera presenta medios para el soporte de una espiga de encendido. El posicionamiento de la espiga de encendido respecto a la tobera es un parámetro importante en atención a un buen comportamiento inicial del reformador. En dispositivos del estado de la técnica se ha soportado la espiga la espiga de encendido en general por la caja del reformador, de modo que así podrían resultar oscilaciones de posición respecto a la tobera. Por la propiedad de la tobera según el invento de que la propia tobera presenta medios para el soporte de la espiga de encendido, pueden excluirse tales tolerancias.
La espiga de encendido tiene siempre la misma posición respecto a la tobera.
En una ulterior forma preferida de realización del invento presente está previsto que los medios para el soporte de la espiga de encendido estén realizados como taladro que discurre oblicuo al eje de la tobera. La espiga de encendido tan sólo debe entonces introducirse en el taladro para el posicionamiento adecuado. Un tope en la espiga de encendido y/o dentro del taladro cuidan de que la espiga de encendido se conduzca a su posición óptima respecto a la tobera.
La comprensión del invento se basa en que por una cámara de turbulencia, compuesta por una cámara espiral y un espacio de hendidura, puede producirse un mantenimiento especialmente ventajoso de la turbulencia. Esto tiene como consecuencia que el medio en forma de gas, es decir especialmente el aire, puede introducirse en el espacio anular con poca velocidad, acelerarse en éste y conducirse entonces desde éste con alta velocidad al espacio de hendidura. De este modo se prepara una depresión en la salida del espacio de hendidura, de modo que el medio líquido que atraviesa el espacio de hendidura, especialmente el combustible, se pulveriza o se arremolina.
El invento se explica a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos con la ayuda de formas de realización preferidas.
Se muestra:
la figura 1 una vista esquematizada en recuadros de un sistema, en el que puede emplearse en invento presente;
la figura 2 un corte longitudinal parcial de una forma de realización de una tobera para el empleo en un sistema según el invento y
la figura 3 una vista en corte transversal de la cámara de turbulencia según la figura 2.
En la siguiente descripción de los dibujos los símbolos de referencia iguales designan componentes iguales o comparables.
La figura 1 muestra una vista esquematizada en recuadros de un sistema, en el que se puede emplear el invento presente. Por medio de una bomba 240 se alimenta combustible 216 a un reformador 214. En el reformador 214 se alimenta además aire 218 por medio de un soplante 242. El reformado 220 producido en el reformador 214 llega al ánodo 224 de una célula 212 de combustible por medio de un dispositivo 222 de válvula. El cátodo 230 de la célula 212 de combustible se alimenta del aire 228 de cátodo por medio de un soplante 226. La célula 212 de combustible produce energía eléctrica 210. El gas 234 saliente del ánodo y el aire 236 saliente del cátodo son alimentados a un quemador 232. Del mismo modo puede alimentarse reformado al quemador 232 por medio del dispositivo 222 de válvula. Con la energía térmica producida en el quemador 232 puede alimentarse un intercambiador 238, de modo que éste se precalienta. Del intercambiador 238 sale gas 250 de escape.
El sistema representado en conexión con las figuras descritas en lo que sigue puede emplearse para alimentar el reformador 214 con una mezcla de combustible/aire.
El dispositivo de baja presión-pulverización, designado en general en la figura 2 con el símbolo 10 de referencia, comprende una tobera 11 de dos componentes, que puede colocarse en la pared 12 de un reformador. En detalle la tobera 11 de dos componentes consiste en un cuerpo 13 de base cilíndrico macizo, que está colocado enrasado por el lado superior en un taladro 27 de agujero ciego cilíndrico de la pared 12. La parte 12A de pared relativamente delgada de la pared 12 está perforada por un paso cilíndrico 28. Sobre el lado derecho de la figura 2, que corresponde a la salida de la tobera 11 de dos componentes en el reformador, el cuerpo 13 de base presenta una escotadura 16 que define el borde exterior de un canal espiral 19 que se estrecha.
Dentro del canal espiral 19 está prevista una escotadura 15 a la manera de un agujero ciego cilíndrico, coaxial respecto al cuerpo 13 de base, que presenta una extensión axial mayor que el canal espiral 19. En la escotadura 15 está colocada apretada con ajuste estrecho una pieza maciza 17 de cilindro, que sobresale de aquella en el canal espiral 19 alcanzando dentro axialmente y cuyo contorno interior define. El canal espiral 19 forma una parte de la cámara de turbulencia de la tobera 11 de dos componentes. En este canal desemboca tangencialmente un canal 18 de entrada para un medio en forma de gas. El canal 18 de entrada pasa de forma continua al canal espiral 19 en su zona más amplia. El canal espiral 19 termina con su zona más estrecha situada en el interior a unos 360 grados a la altura del canal 18 de entrada, estando separado de éste por un nervio 20 de separación. El taladro 27 de agujero ciego está cerrado casi completamente en el extremo delantero (extremo de salida de tobera) por una placa 21 de cierre, y está perforado tan sólo por un taladro central de tobera que forma la salida 23 de tobera. La extensión axial de la pieza maciza 17 de cilindro está elegida de modo, que entre el lado frontal delantero (el derecho en la figura 2) de la pieza 17 de cilindro y la placa 21 de cierre queda un espacio 22 de hendidura, que posee una forma de círculo debido al lado frontal de la pieza 17 de cilindro y pasa por toda su periferia al canal espiral 19. El canal espiral 19 y el espacio 22 de hendidura forman en común la cámara de turbulencia de la tobera 11 de dos componentes.
El taladro de tobera que forma la salida 23 de tobera está formado en la placa 21 de cierre alineado con el eje longitudinal central 14.
La tobera 11 de dos componentes comprende además una conducción 24 de abastecimiento para un medio líquido, especialmente combustible, en donde pasa un taladro 25 que discurre coaxial al eje longitudinal central 14 de la pieza maciza 17 de cilindro y está alojada enrasada en una prolongación del taladro 25. Ésta está montada partiendo del lado posterior de la pieza 17 de cilindro y se extiende aproximadamente por media longitud axial de la pieza 17 de cilindro. En este taladro en la pieza 17 de cilindro conecta un taladro 26 de diámetro menor, que se introduce en el espacio 22 hendidura. La extensión axial del espacio 22 de hendidura es comparativamente pequeña en atención a una pérdida de presión lo menor posible.
El cuerpo 13 de base de la tobera 11 de dos componentes puede presentar adicionalmente un taladro (no representado) que discurre oblicuo respecto al eje longitudinal central. Con este fin el cuerpo 13 de base puede presentar un diámetro mayor que el representado o el cuerpo espiral 19 puede disponerse con menor necesidad de espacio. Tal taladro (no representado) puede entonces alojar una espiga de encendido (no representada), de modo que entonces puede fijarse casi sin tolerancia la posición (no representada) de la espiga de encendido respecto al taladro 23 de tobera.
La forma de funcionamiento del dispositivo 10 de baja presión-pulverización es como sigue. Por medio del canal 18 de salida se alimenta un medio en forma de gas, especialmente aire, en el canal espiral de la cámara de turbulencia, por medio del cual este aire llega en condiciones homogéneas de presión al espacio 22 de hendidura de la cámara de turbulencia. En el espacio 22 de hendidura se alimenta medio líquido por el taladro 26, especialmente combustible, y este combustible se saca por la salida 23 opuesta de tobera por el medio en forma de gas que está bajo presión y aquí se despedaza en finas gotitas.
Si por ejemplo se desea que el combustible se introduzca con un rendimiento de 50 g/h, las dimensiones típicas de la tobera 11 de dos componentes son como sigue: La distancia del canal 18 de entrada al eje longitudinal central importa aproximadamente 8 mm, y la sección transversal libre importa aproximadamente 4 mm. La extensión axial del espacio 22 de hendidura importa aproximadamente 0,65 mm. El diámetro del taladro de tobera que forma la salida delgada 23 de tobera importa unos 2 mm y su longitud importa de 0,05 mm a 1 mm (longitud máxima de unos 0,5 mm a 1 mm). Con tal tobera 11 de dos componentes dimensionada la presión mínima requerida para la pulverización del medio líquido importa 30 mbar.
Lista de símbolos de referencia 
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 10 \+ dispositivo de baja presión-pulverización\cr 
11 \+ tobera de dos componentes\cr  12 \+ pared\cr 
12-A \+ parte de pared\cr  13 \+ cuerpo de base\cr 
14 \+ eje longitudinal central\cr  15 \+ escotadura\cr  16 \+
escotadura\cr  17 \+ pieza de cilindro\cr  18 \+ canal de entrada\cr
 19 \+ canal espiral\cr  20 \+ nervio de separación\cr  21 \+ placa
de cierre\cr  22 \+ espacio de hendidura\cr  23 \+ taladro de
tobera\cr  24 \+ conducto de abastecimiento\cr  25 \+ taladro\cr  26
\+ taladro\cr  27 \+ taladro de agujero ciego\cr  28 \+ paso (en
12)\cr  64 \+ espiga de encendido\cr  210 \+ potencia eléctrica\cr 
212 \+ célula de combustible\cr  214 \+ reformador\cr  216 \+
combustible\cr  218 \+ aire\cr  220 \+ reformado\cr  222 \+
dispositivo de válvula\cr  224 \+ ánodo\cr  226 \+ soplante\cr  228
\+ aire al cátodo\cr  230 \+ cátodo\cr  232 \+ quemador\cr  234 \+
gas de salida de ánodo\cr  236 \+ gas de salida de cátodo\cr  238 \+
intercambiador de calo\cr  240 \+ bomba\cr  242 \+ soplante\cr  250
\+ gas de
escape\cr}

Claims (10)

1. Sistema para la transformación de combustible (216) y aire (218) en reformado (220) con un reformador (214), que presenta un espacio de reacción, con una tobera (11) para la alimentación de una mezcla de combustible/aire al espacio de reacción, con al menos un conducto (24) de abastecimiento para la alimentación para la alimentación de combustible (216) a la tobera (11) y con al menos un canal de entrada (18) para la alimentación de aire (218) a la tobera (11), caracterizado porque la tobera (11) presenta una cámara (19, 22) de turbulencia, en la que afluye un conducto (24) de abastecimiento para la alimentación de combustible (216) sustancialmente centrado de forma axial y en la que al menos un canal (18) de entrada afluye sustancialmente tangencial y de la que sale una salida (23) de tobera, y porque la cámara (19, 22) de turbulencia comprende un canal espiral (19) que se estrecha, en el que afluye el canal (18) de entrada para el medio en forma de gas, y un espacio (22) de hendidura que conecta allí axialmente en dirección a la salida (23) de tobera, en el que afluye el conducto (24) de abastecimiento para la alimentación de combustible (216) y del que sale la salida (23) de tobera.
2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque una pared frontal (pared interior o pared exterior) del canal espiral (19) está formada cilíndrica circular y la otra de forma de espiral.
3. Sistema según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el canal (26) de entrada está dispuesto para el medio líquido de forma coaxial respecto a la salida (23) de tobera.
4. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el medio líquido es alimentado por medio de un taladro (25, 26) alineado con el eje central longitudinal (14) de la cámara (19. 22) de turbulencia y es conducido fuera sobre el lado del espacio (22) de hendidura directamente opuesto a este taladro (25, 26) por medio de un ulterior taladro mayor (25, 26), que forma la salida (23) de la tobera.
5. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la salida (23) de tobera está determinada por un taladro de tobera en una placa (21) de cierre del espacio (22) de hendidura de la cámara (19, 22) de turbulencia.
6. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado porque el borde de la salida (23) de tobera está formado redondeado, biselado o canteado agudo en los lados del espacio (22) de hendidura de la cámara (19, 22) de turbulencia.
7. Sistema según las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque la longitud axial de la salida (23) de tobera vale de 0,050 mm a 1 mm, especialmente de 0,1 mm a 0,5 mm.
8. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque están previstos los medios, de modo que pueda afluir aire secundario al espacio de reacción.
9. Sistema según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la tobera (11) presenta medios para el soporte de una espiga (64) de encendido.
10. Sistema según la reivindicación 9, caracterizado porque los medios para el soporte de la espiga (64) de encendido están realizados como taladro (25, 26) que discurre de forma oblicua respecto al eje de tobera.
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