ES2340933T3 - Unidad de endurecimiento de ciclo cerrado de hidrogeno. - Google Patents
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Abstract
Unidad de endurecimiento de hidrógeno de ciclo cerrado, compuesta por un horno de vacío con un sistema interno de templado y circulación, ajustado para funcionar bajo una presión de 2 MPa, equipado con los conductos y válvulas para la alimentación y descarga de una atmósfera de templado, caracterizada porque: el horno (1) está equipado con una línea de entrada de hidrógeno y/o nitrógeno (10) y con una línea de salida de gas de trabajo (11), y también - el horno (1) está conectado a través de un tubo de entrada (4) con un ventilador de baja capacidad (12) a un primer conducto (5), entre dos válvulas (16 y 17) y también, a través de este conducto (5) y una válvula (16), a este primer recipiente (2) y a través de este conducto (5) y otra válvula (17) a un segundo recipiente (3), y - el horno (1) está también conectado, a través de un tubo de salida (6), a un segundo conducto (7), entre dos válvulas (18 y 19) en el conducto (7), y también, a través de este conducto (7) y una válvula (18) a un primer recipiente (2) y a través de este conducto (7) y otra válvula (19) al segundo recipiente (3), y - ambos recipientes (2) y (3) están conectados adicionalmente mediante un tercer conducto (8) que contiene una válvula (20) y un medidor de flujo de gas (21), - el primer recipiente (2) está conectado con un cuarto conducto (9) a través de una válvula (13) y un medidor de flujo (22) a una fuente externa de hidrógeno, y - ambos recipientes (2) y (3) contienen unas aleaciones de metal que absorben hidrógeno en la forma de hidruros de metal, y - ambos recipientes (2) y (3) están equipados con unos sistemas independientes de calentamiento y refrigeración, además - el primer recipiente (2) contiene una aleación de metal que absorbe el hidrógeno en forma de hidruro de alta presión, y, para el cual, a una temperatura comprendida entre 298 y 533ºK la presión de equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación está comprendida entre 0,01 y 15 MPa, y - el segundo recipiente (3) contiene una aleación de metal que absorbe el hidrógeno en la forma de un hidruro de baja presión y, para el cual, a una temperatura comprendida entre 293 y 673ºK, la presión de equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación está comprendida entre 10-6 y 2 MPa.
Description
Unidad de endurecimiento de ciclo cerrado de
hidrógeno.
La presente invención se refiere a una unidad de
endurecimiento con un ciclo cerrado de hidrógeno, diseñada para
endurecer elementos de máquinas, dispositivos mecánicos y vehículos,
bajo una presión de hidrógeno o de una mezcla que contenga
hidrógeno, que es superior a la presión atmosférica.
Las memorias de patente US nº 4.867.808, nº
4.869.470, nº 5.630.322 dan a conocer construcciones de hornos al
vacío, en las cuales el templado de una carga se efectúa bajo una
presión de gas superior a la presión atmosférica, con una
circulación y refrigeración continua de la atmósfera de templado
formada en su mayoría por nitrógeno, helio, hidrógeno y una mezcla
de estos gases. Las solicitudes de patente nº EP 1 211 329 y DE 102
51 486 dan a conocer procesos y sistemas para el reciclaje de gas en
tratamientos termoquímicos con el uso de sistemas multietápicos de
bombas mecánicas rotativas y de membrana.
Son conocidos también procedimientos de
acumulación y almacenamiento de hidrógeno en formas combinadas como
hidruros metálicos, así como acumuladores para la acumulación y
liberación cíclicas de hidrógeno, en los que estos hidruros se
utilizan en su mayor parte en el sector de los motores, como
combustibles de motores de combustión y células de combustible.
Las memorias de patente US nº 4.225.320, nº
4.829.772 y nº 6.722.154 dan a conocer también los sistemas de un
ciclo cerrado de hidrógeno entre dos hidruros con diferentes
constantes de equilibro temperatura-presión que
utilizan el calor de la formación o disociación del hidruro en los
sistemas técnicos de calentamiento, refrigeración y secado por
gas.
A partir de la solicitud de patente US nº US
2002/0025461, es conocida también una unidad para la regeneración
de la carga de hidruro de metal, utilizándose dos hidruros metálicos
con diferentes constantes de equilibro
temperatura-presión.
La unidad de endurecimiento de ciclo cerrado de
hidrógeno, compuesta por un horno ajustado para funcionar bajo una
presión de hasta 2 MPa, equipado con un sistema interno de templado
y circulación y conductos con válvulas de entrada y de salida para
el medio de templado, según la presente invención, consiste en que
dicho horno tiene un conducto para alimentar el hidrógeno y un
conducto para descargar gases del proceso, estando conectados por
medio de unos conductos que salen del horno a través de dos
conductos independientes a dos recipientes con aleaciones metálicas
que absorben el hidrógeno en la forma de hidruros metálicos. Uno de
los conductos, que sale del horno, va equipado con un ventilador de
baja capacidad. Cada uno de los conductos que conectan los que
salen del horno hasta los recipientes que contienen aleaciones
metálicas que absorben el hidrógeno en la forma de hidruros
metálicos, tienen dos válvulas situadas cada una en cada lado de los
conductos que salen del horno. Uno de los recipientes, conectado
con un conducto equipado con un medidor de flujo, válvula y
manómetro a una fuente externa de hidrógeno, contiene una aleación
de metales que absorbe el hidrógeno en la forma de un hidruro
metálico de alta presión, para lo cual la presión de equilibrio de
la reacción reversible de formación/disociación está comprendida
entre 0,01 y 15 MPa, a una temperatura comprendida entre 298 y
533ºK.
El otro recipiente contiene una aleación de
metales que absorben hidrógeno en la forma de un hidruro metálico
de baja presión, para lo cual la presión de equilibro de la reacción
reversible de formación/disociación varía de 10^{-6} a 2 MPa.
Cada uno de los recipientes con las aleaciones de metal que absorben
hidrógeno en la forma de hidruros metálicos está equipado de un
sistema independiente de calentamiento-templado,
mientras que ambos recipientes están conectados entre sí con un
conducto equipado con una válvula y medidor de flujo de gas.
El hidrógeno se introduce en el recipiente con
la aleación de metal que absorbe hidrógeno en la forma de hidruro
de alta presión, previamente calentada, a través del conducto con
una válvula abierta desde una fuente externa hasta una presión de
15 MPa como máximo, continuándose acto seguido el calentamiento del
recipiente, después del cierre de la válvula de entrada del
hidrógeno. A continuación, se suministra hidrógeno al horno de
vacío, después de llenarlo con una carga y prepararlo para el
proceso de endurecimiento, desde el recipiente con el hidruro de
metal de alta presión, a través de la válvula de apertura en uno de
los conductos que conectan el recipiente a uno de los conductos que
salen del horno, cerrándose todas las válvulas restantes,
manteniéndose a su vez la temperatura del recipiente con el hidruro
de metal de alta presión, a fin de alcanzar en el horno las
condiciones adecuadas de endurecimiento, y cortándose después el
suministro de hidrógeno. Durante el endurecimiento, se refrigera el
recipiente con la aleación de metal que absorbe hidrógeno en forma
de hidruro de metal de alta presión de manera que, después de la
finalización del endurecimiento y después de la apertura de ambas
válvulas en los conductos que conectan los conductos que salen del
horno, se inicia una absorción secundaria del hidrógeno por la
aleación metálica en el recipiente, suministrado previamente al
horno. La absorción se efectúa hasta que la presión en el horno
disminuye a la presión de equilibro de la reacción reversible de
formación/disociación del hidruro de metal de alta presión,
cerrándose a continuación las válvulas que se encuentran en los
conductos del lado del recipiente con la aleación de metal que
absorbe hidrógeno en forma de hidruro de baja presión. Acto
seguido, con las válvulas abiertas en los conductos que conectan los
que salen del horno al recipiente con la aleación de metal que
absorbe hidrógeno en la forma de hidruro de metal de baja presión,
se inicia la absorción del hidrógeno que permanece aún en el horno.
Una vez que cesa la disminución de la presión del horno, se cierran
las válvulas en los conductos que conectan los que salen del horno a
los recipientes con la aleación de metal que absorbe hidrógeno, y
mediante el suministro de nitrógeno, el horno se llena hasta la
presión atmosférica y se descarga. Después de un posible
calentamiento del recipiente con el hidruro de metal de baja
presión hasta la temperatura que provoca que el hidrógeno se libere
de la aleación y templando simultáneamente el recipiente con la
aleación de metal que absorbe hidrógeno en la forma de alta presión
a la temperatura que permite una absorción adicional de hidrógeno,
se abre la válvula en el conducto que conecta ambos recipientes
para pasar hidrógeno hasta que el medidor de flujo muestra que
existe ahora una descarga adicional de hidrógeno del recipiente con
el hidruro de baja presión, y a continuación se cierra la válvula
del conducto que conecta ambos recipientes. Antes de introducir
hidrógeno en el horno en el siguiente ciclo de endurecimiento,
después del calentamiento previo del recipiente con la aleación de
metal que absorbe hidrógeno en la forma de hidruro de alta presión,
y después de revisar la presión dentro del recipiente, se completa
la pérdida de hidrógeno desde la fuente externa.
Las mediciones de pérdidas de hidrógeno en el
proceso de endurecimiento llevado a cabo en la unidad de hidrógeno
de ciclo cerrado según la invención, han demostrado que el uso de
sistemas conjugados de hidruros de baja presión e hidruros de alta
presión, siendo mayor el intervalo de temperatura de la presión de
equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación del
hidruro de baja presión para cada sistema de hidruro que para el
hidruro de metal de alta presión, hace que sea posible reducir las
pérdidas de hidrógeno al 5%, como mucho, de la cantidad total de
hidrógeno utilizado en el proceso. Al mismo tiempo, el uso de la
unidad de hidrógeno de ciclo cerrado elimina el peligro de
explosión o incendio durante la descarga del horno. Además, el uso
del sistema de hidruros metálicos mutuamente conjugados de baja y
alta presión hace que sea totalmente posible almacenar con
seguridad el hidrógeno en un estado combinado durante cualquier
período largo de tiempo entre los procesos posteriores de
endurecimiento.
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El objetivo de la invención se presenta en los
ejemplos dados a continuación, ilustrados con un dibujo esquemático
de la unidad. Las abreviaturas usadas en los ejemplos son símbolos
químicos de elementos: H-hidrógeno,
LA-lantano, Ni-níquel,
Sn-estaño, Mg-magnesio,
Al-aluminio; Nm denota una mezcla de metal con una
composición en peso del 58% de lantano, 28,6% de cerio, 5,8% de
praseodimio y el 7,5% de neodimio.
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Ejemplo
I
El horno de vacío 1, equipado con un sistema
interno de templado y circulación de gas, se llenó con una carga de
acero de aleación baja y se calentó en vacío hasta la temperatura de
austenitización y se mantuvo a esta temperatura durante 30 minutos
Al mismo tiempo, el primer recipiente 2 con un contenido de una
aleación LaNi_{4,8}Sn_{0,2} que absorbe hidrógeno en la forma de
un hidruro de metal de alta presión, se calentó a una temperatura
de 333ºK y se abrió la válvula 13 del conducto 9 a un recipiente de
presión con hidrógeno comprimido para pasar este gas hasta que
cesara el flujo de gas según indique el medidor de flujo 22 y a
continuación, después de cerrar la válvula 13, se elevó la
temperatura del recipiente 2 a 533ºK para generar una presión de
10,4 MPa. A continuación, se abrió la válvula 16 del conducto 5 que
conecta el primer recipiente 2 al horno 1 a través del tubo de
entrada 4 equipado con el ventilador 12 de baja capacidad,
comenzando el llenado del horno 1 con hidrógeno hasta que se
alcanzara una temperatura de 1 MPa, continuando al mismo tiempo el
calentamiento del primer recipiente 2 para mantener la temperatura
necesaria de la aleación, de la que se desorbe el hidrógeno, a
continuación se cerró la válvula 16 y se inició el proceso de
endurecimiento, templando al mismo tiempo el recipiente 2 a una
temperatura de 318ºK. Una vez finalizado el proceso de
endurecimiento, se abrió de nuevo la válvula 16 del conducto 5, así
como la válvula 18 del conducto 7 que conecta el primer recipiente
2 a través del tubo de salida 6 al horno 1, iniciando la absorción
secundaria de hidrógeno por LaNi_{4,8}Sn_{0,2} y manteniendo la
temperatura adecuada. Cuando la presión en el horno 1 disminuyó por
debajo de 0,15 MPa, se cerraron las válvulas 16 y 18 y se abrieron
las válvulas 17 y 19 de los conductos 5 y 7 al segundo recipiente
3. La temperatura de la aleación Mg_{2}Ni en el segundo recipiente
3 era 293ºK. A esta temperatura, se efectuó la absorción de
hidrógeno por la aleación en el segundo recipiente 3 hasta que la
presión dentro del horno 1 cayera por debajo de 0,01 Mpa, y a
continuación se cerraron las válvulas 17 y 19 de los conductos 5 y
7. La presión dentro del horno 1 se aumentó hasta la presión
atmosférica alimentándose nitrógeno a través de la línea de entrada
10 de hidrógeno y/o nitrógeno, y se descargó la carga. A fin de
continuar la absorción del hidrógeno por
LaNi_{4,8}Sn_{0,2}H_{x} en el primer recipiente 2, se calentó
la aleación Mg_{2}NiH_{x} en el segundo recipiente 3 y se
mantuvo a una temperatura de 673ºK, mientras que se refrigeró la
aleación LaNi_{4,8}Sn_{0,2}H_{x} del primer recipiente 2 y se
mantuvo a 313ºK. A continuación, se abrió la válvula 20 del
conducto 8, que conecta ambos recipientes 2 y 3, supervisándose el
flujo de hidrógeno con el medidor 21 de flujo de gas. Una vez cesó
el flujo de hidrógeno entre los recipientes 2 y 3, se cerró la
válvula 20, elevándose a su vez la temperatura en el primer
recipiente 2 hasta 333ºK y se completó la pérdida de hidrógeno
hasta la cantidad requerida en el ciclo de endurecimiento posterior.
La medición de la pérdida de hidrógeno mostró un 0,3% de la
cantidad total de hidrógeno utilizada en el ciclo previo de
endurecimiento.
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Ejemplo
II
Siguiendo el procedimiento del ejemplo I, se
calentó una aleación de MmNi_{4}Sn_{0,3} en el primer
recipiente 2 a una temperatura de 328ºK, saturándose con hidrógeno,
y después se calentó a 473ºK para alcanzar una presión de 10,9 MPa.
Bajo esta presión, se abrió la válvula 16 del conducto 5 a fin de
llenar el horno 1 con hidrógeno para alcanzar una presión de 1,6
MPa y después se cortó el flujo de hidrógeno al horno 1. Una vez
que terminó el proceso de endurecimiento, se abrió la válvula 16 del
conducto 5 y la válvula 18 del conducto 7, a fin de iniciar la
absorción secundaria de hidrógeno por la aleación en el primer
recipiente 2, previamente refrigerado y mantenido a una temperatura
de 313ºK. Se efectuó la absorción secundaria hasta que la presión
dentro del horno 1 disminuyó por debajo de 0,25 MPa y a
continuación, se cerraron las válvulas 16 y 18 y se abrieron las
válvulas 17 y 19 de los conductos 5 y 7 al segundo recipiente 3. La
aleación de LaNi_{4}Al en el segundo recipiente 3 se calentó
previamente a una temperatura de 313ºK. Se efectuó la absorción de
hidrógeno por la aleación LaNi_{4}Al en el segundo recipiente 3, a
313ºK, hasta que la presión dentro del horno 1 disminuyó a 0,01 MPa
y, a continuación, después de cerrar las válvulas 17 y 19,
continuando el procedimiento como en el ejemplo I, se descargó la
carga. A fin de iniciar la desorción de hidrógeno de la aleación
LaNi_{4}AlH_{x} y enviarla a la aleación
MmNi_{4}Sn_{0,3}H_{x} del primer recipiente 2, se calentó el
segundo recipiente 3 a una temperatura de 573ºK refrigerándose al
mismo tiempo el recipiente 2 a una temperatura de 298ºK y bajo
estas condiciones se abrió la válvula 20 del conducto 8. Cuando el
medidor de flujo de gas 21 indicó que había cesado el flujo de
hidrógeno entre los recipientes 2 y 3, se cerró la válvula 20,
elevándose a su vez la temperatura dentro del primer recipiente 2 a
328ºK, y se completó la pérdida de hidrógeno hasta la cantidad
necesaria en el ciclo posterior de endurecimiento. La medición de la
pérdida de hidrógeno mostró un 0,17% de la cantidad total de
hidrógeno utilizada en el proceso de endurecimiento.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
III
Siguiendo el procedimiento del ejemplo I, el
primer recipiente 2 con MmNi_{4}Sn_{0,3} del Ejemplo II se
calentó a una temperatura de 453ºK para generar una presión de 8,2
MPa y, mientras se mantuvo esta temperatura, se llenó el horno 1
con hidrógeno para alcanzar una presión de 0,7 MPa. A continuación,
se cerró el flujo de entrada de hidrógeno y se aumentó con nitrógeno
la atmósfera de templado del horno 1 a través de la línea de
entrada 10 de hidrógeno y/o nitrógeno con la válvula 14 abierta
hasta una presión total de 1 MPa. Una vez terminado el proceso de
endurecimiento, en el recipiente refrigerado 2, mantenido a 313ºK,
como en el ejemplo I, se inició la absorción secundaria de
hidrógeno, continuándose con el funcionamiento del ventilador 12
hasta que disminuyó la presión en el horno 1 a 0,55 MPa. A
continuación, tras cerrar las válvulas 16 y 18 de los conductos 5 y
7, y abrir las válvulas 17 y 19, con el ventilador 12 aún
funcionando, se inició la absorción de hidrógeno por LaNi_{4}Al
en el segundo recipiente 3, previamente calentado y mantenido a
313ºK y se continuó hasta que la presión en el horno 1 disminuyó a
0,32 MPa. Posteriormente, se cerraron las válvulas 17 y 19, se
apagó el ventilador 12, y se retiró el exceso de gas por encima de
la presión atmosférica, abriéndose la válvula 15 de la línea de
salida 11 del gas del proceso que descarga la atmósfera de templado
desde el horno 1. Continuando el procedimiento como el ejemplo II,
se envió el hidrógeno desde el primer recipiente 3 al segundo
recipiente 2, en el cual, siguiendo el procedimiento como en el
ejemplo I, se completó la pérdida de hidrógeno y se encontró por
debajo del 5% de la cantidad total de hidrógeno utilizada en el
proceso de endurecimiento.
Claims (1)
1. Unidad de endurecimiento de hidrógeno de
ciclo cerrado, compuesta por un horno de vacío con un sistema
interno de templado y circulación, ajustado para funcionar bajo una
presión de 2 MPa, equipado con los conductos y válvulas para la
alimentación y descarga de una atmósfera de templado,
caracterizada porque:
el horno (1) está equipado con una línea de
entrada de hidrógeno y/o nitrógeno (10) y con una línea de salida
de gas de trabajo (11), y también
- -
- el horno (1) está conectado a través de un tubo de entrada (4) con un ventilador de baja capacidad (12) a un primer conducto (5), entre dos válvulas (16 y 17) y también, a través de este conducto (5) y una válvula (16), a este primer recipiente (2) y a través de este conducto (5) y otra válvula (17) a un segundo recipiente (3), y
- -
- el horno (1) está también conectado, a través de un tubo de salida (6), a un segundo conducto (7), entre dos válvulas (18 y 19) en el conducto (7), y también, a través de este conducto (7) y una válvula (18) a un primer recipiente (2) y a través de este conducto (7) y otra válvula (19) al segundo recipiente (3), y
- -
- ambos recipientes (2) y (3) están conectados adicionalmente mediante un tercer conducto (8) que contiene una válvula (20) y un medidor de flujo de gas (21),
- -
- el primer recipiente (2) está conectado con un cuarto conducto (9) a través de una válvula (13) y un medidor de flujo (22) a una fuente externa de hidrógeno, y
- -
- ambos recipientes (2) y (3) contienen unas aleaciones de metal que absorben hidrógeno en la forma de hidruros de metal, y
- -
- ambos recipientes (2) y (3) están equipados con unos sistemas independientes de calentamiento y refrigeración, además
- -
- el primer recipiente (2) contiene una aleación de metal que absorbe el hidrógeno en forma de hidruro de alta presión, y, para el cual, a una temperatura comprendida entre 298 y 533ºK la presión de equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación está comprendida entre 0,01 y 15 MPa, y
- -
- el segundo recipiente (3) contiene una aleación de metal que absorbe el hidrógeno en la forma de un hidruro de baja presión y, para el cual, a una temperatura comprendida entre 293 y 673ºK, la presión de equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación está comprendida entre 10^{-6} y 2 MPa.
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