ES2627104T3 - Dispositivo de adsorción de agua y procedimiento de adsorción de agua de un gas - Google Patents

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ES2627104T3 ES14170800.8T ES14170800T ES2627104T3 ES 2627104 T3 ES2627104 T3 ES 2627104T3 ES 14170800 T ES14170800 T ES 14170800T ES 2627104 T3 ES2627104 T3 ES 2627104T3
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Fredrik EDSTRÖM
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Abstract

Un dispositivo de adsorción de agua que comprende: una carcasa que tiene una entrada que puede sellarse y una salida que puede sellarse; un recipiente en el interior de la carcasa, en el que el recipiente tiene una entrada y una salida y en el que la entrada del recipiente se comunica con la entrada que puede sellarse de la carcasa y la salida del recipiente se comunica con la salida que puede sellarse de la carcasa; un material adsorbente de agua confinado en el interior del recipiente; mediante lo cual un flujo de gas puede fluir desde la entrada que puede sellarse de la carcasa a través del recipiente en contacto con el material adsorbente de agua en el recipiente hasta la salida que puede sellarse de la carcasa; un dispositivo calentador dispuesto en contacto térmico con el material adsorbente de agua o con el recipiente; y en el que la carcasa tiene al menos una pared con una superficie interna y una superficie externa en la que la superficie interna está orientada al menos parcialmente hacia la entrada o hacia la salida del recipiente, en el que el recipiente y la superficie interna de la carcasa tienen un valor de emisividad en el espectro IR de no más de 0,5, y en el que la superficie externa de la carcasa tiene un valor de emisividad en el espectro de IR de al menos 0,6.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo de adsorcion de agua y procedimiento de adsorcion de agua de un gas Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un dispositivo para adsorber agua desde un gas y un procedimiento de adsorcion de agua desde un gas.
Antecedentes
Existen muchas maneras de extraer el agua del aire, pero muchas de ellas no tienen la eficacia esperada y requieren mucha energia.
Los documentos US2005/0044862 A1, WO2011/062554 A1 y WO99/66136 desvelan dispositivos para extraer agua del aire.
Sumario de la invencion
El objeto de la presente invencion es proporcionar un dispositivo que supere los inconvenientes de la tecnica anterior.
En un primer aspecto la presente invencion se refiere a un dispositivo de adsorcion de agua que comprende: una carcasa que tiene una entrada que puede sellarse y una salida que puede sellarse;
un recipiente en el interior de la carcasa, en el que el recipiente tiene una entrada y una salida y en el que la entrada del recipiente se comunica con la entrada que puede sellarse de la carcasa y la salida del recipiente se comunica con la salida que puede sellarse de la carcasa; un material adsorbente de agua confinado en el interior del recipiente;
mediante el que puede permitirse que un flujo de gas fluya desde la entrada que puede sellarse de la carcasa a traves del recipiente en contacto con el material adsorbente de agua en el recipiente hasta la salida que puede sellarse de la carcasa;
un dispositivo calentador dispuesto en contacto termico con el material adsorbente de agua o con el recipiente; y en el que la carcasa tiene al menos una pared con una superficie interna y una superficie externa en la que la superficie interna esta orientada al menos parcialmente hacia la entrada o hacia la salida del recipiente,
en el que el recipiente y la superficie interna de la pared tienen un valor de emisividad de no mas de 0,5, y en el que la superficie externa de la pared tiene un valor de emisividad de al menos 0,6. En un segundo aspecto, la presente invencion se refiere a un procedimiento para adsorber el agua desde un gas, que comprende:
a) proporcionar un dispositivo segun el primer aspecto de la invencion;
b) poner en contacto un flujo de gas con el material adsorbente de agua;
c) dejar que el material adsorbente de agua adsorba la humedad o el agua del gas;
d) sellar la carcasa;
e) calentar el material adsorbente de agua hasta que el espacio entre el recipiente y la superficie interna de la carcasa se sature de humedad;
f) continuar calentando el material adsorbente de agua;
g) recoger el agua condensada; y
h) quitar el sello de la carcasa.
Las realizaciones presentadas a continuacion son aplicables a ambos aspectos de la presente invencion.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es una figura esquematica de una seccion transversal del dispositivo segun la presente invencion.
La figura 2 desvela una figura esquematica de una seccion transversal del dispositivo segun la presente invencion.
La figura 3 desvela una figura esquematica de una seccion transversal del dispositivo segun la presente invencion que comprende un perturbador de conveccion.
La figura 4 son figuras esquematicas de una seccion transversal del recipiente con el material adsorbente de agua y el dispositivo calentador.
Descripcion detallada de la invencion
En la presente solicitud se utilizan indistintamente "material adsorbente de agua", "material de adsorcion de agua" y "material higroscopico".
El dispositivo segun la presente invencion esta disenado para adsorber el agua de un gas, por ejemplo, del aire. El dispositivo puede estar integrado en otro dispositivo o puede ser un dispositivo independiente.
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A continuacion se hace referenda a la figura 1. El dispositivo 10 de adsorcion de agua segun la presente invencion comprende una carcasa 20 con una entrada 22 que puede sellarse y una salida 24 que puede sellarse, y donde dicha entrada y salida pueden sellarse ambas utilizando cualquier medio adecuado para cerrar y sellar dicha entrada y salida. La carcasa comprende un recipiente 26 que tiene una entrada 28 y una salida 30 que estan ambas comunicadas respectivamente con la entrada 22 que puede sellarse y la salida 24 que puede sellarse de la carcasa. El recipiente comprende un material 32 de adsorcion de agua que puede ser cualquier material adecuado, por ejemplo, tamices moleculares, carbon activo, zeolita, gel de silice, LiCl, CaCl, NaNO3, madera, sulfatos o cualquier material adecuado conocido por los expertos en la materia o combinaciones de los mismos. Las entradas y salidas de la carcasa y del recipiente estan dispuestas de modo que el gas 33 puede fluir desde la entrada 22 que puede sellarse de la carcasa a traves de la entrada 28 del recipiente, de modo que el gas entra en contacto con el material 32 adsorbente de agua. El gas saldra entonces del recipiente 26 a traves de la salida 30 y a traves de la salida 24 que puede sellarse de la carcasa 20. Las flechas de puntos de la figura 1 representan el flujo de gas. Un dispositivo calentador 34 esta dispuesto en contacto termico con el material 32 adsorbente de agua y/o el recipiente 26. Una pared 36 de la carcasa esta dispuesta orientandose al menos parcialmente hacia la entrada y/o la salida del recipiente, formando un espacio 37 entre la pared 36 y el recipiente 26. Por ejemplo, la pared puede estar dispuesta de manera opuesta a la salida 30 del recipiente en la direccion del flujo de gas y/u opuesta a la entrada 28 del recipiente. La pared tiene una superficie interna 38 y externa 40, respectivamente. El recipiente puede tener forma de red, jaula o superficie perforada y puede estar hecho de, por ejemplo, un metal o aleacion metalica, por ejemplo, aluminio.
El dispositivo calentador puede manipularse utilizando electricidad, celdas de combustible, energia solar o de cualquier otra forma adecuada, y el calor puede suministrarse mediante electricidad, microondas (por ejemplo, mediante el principio del horno microondas) o a traves de energia solar.
El dispositivo calentador tambien puede conectarse a un mecanismo de control del sellado para optimizar el proceso por el que la entrada que puede sellarse y la salida que puede sellarse deban de abrirse y cerrarse y para cuando deba empezar el procedimiento de calentamiento del material de adsorcion de agua. Adicionalmente, la carcasa esta construida preferentemente de tal manera que el volumen de gas de dentro de una carcasa sellada permanezca sustancialmente constante durante el calentamiento del material adsorbente de agua. Esto puede lograrse asegurando o bloqueando el sellado tras cerrar o utilizar una valvula de retencion como sello. El dispositivo puede comprender ademas una bomba o un ventilador para aumentar el flujo de gas que va hacia la carcasa y a traves del recipiente con el material de adsorcion de agua. Una bomba tambien puede reducir la presion de la carcasa cuando esta sellada. La bomba puede ser un complemento del dispositivo calentador. Cuando la carcasa esta sellada, la bomba reduce la presion en la carcasa sellada para cambiar el equilibrio de presion de vapor entre el gas de la carcasa y el material higroscopico/material adsorbente de agua. El agua se condensa entonces y/o se expulsa del material adsorbente de agua y puede recogerse facilmente. La presion en la carcasa sellada puede reducirse utilizando una bomba o cualquier otro medio adecuado. Si el dispositivo tambien comprende un dispositivo calentador, la reduccion de la presion podria llevarse a cabo antes, durante o despues de calentar el material higroscopico.
La presente invencion se basa en el hecho de que un material de adsorcion de agua confinado en un recipiente adsorbe, y hasta cierto punto tambien adsorbe, el agua del gas circundante, preferentemente aire, y preferentemente hasta el punto de saturacion. Asi, tras haber permitido que el material de adsorcion de agua adsorba el agua, la carcasa se sella utilizando una tapa o cualquier recubrimiento adecuado, y entonces se calienta el material de adsorcion de agua. El sellado deberia realizarse de tal manera que el volumen de gas del recipiente sellado no se expandiera durante el calentamiento. El proceso de expulsion del agua desde el material adsorbente de agua esta motivado por la diferencia entre la presion del vapor del agua en el gas y el agua adsorbida en el material adsorbente de agua. La cantidad de agua expulsada desde el material de adsorcion de agua hacia el entorno puede describirse asi:
dm/dt = CAAP= CA(P1(T1) - P2(T2))
donde C es una constante material, A es la superficie de contacto entre el gas y el material de adsorcion de agua y P es la presion del vapor. Cuando el gas se ha saturado, es decir, hay un 100 % de humedad relativa, la presion del vapor del agua adsorbida en el material de adsorcion de agua podria ser incluso mayor. La mayor presion de vapor y la saturacion del gas hacen que el agua adsorbida se licue. La presente invencion disminuye la cantidad de energia necesaria ya que, en lugar de evaporar el agua adsorbida, la presente invencion solo requiere energia para romper la union entre el agua y el material de adsorcion de agua. Esto es resultado del hecho de que la evaporacion requiere, tanto energia para romper la union entre el agua adsorbida y el material de adsorcion de agua, como energia para evaporar el agua.
A diferencia de la tecnica anterior, la presente invencion no depende por lo tanto de una circulacion interna de aire o de sistemas de refrigeracion para funcionar. El uso de un material conductor del calor o no aislante en la presente invencion hace que no sea necesario utilizar un sistema de refrigeracion.
Durante el calentamiento del material de adsorcion de agua el agua adsorbida sobre o en el material, se evaporara.
Cuando el gas circundante se satura de humedad, el calentamiento adicional puede producir que cierta cantidad del agua adsorbida pase de adsorbida a agua liquida libre. Adicionalmente, disponiendo de paredes de material conductor de calor (o material no aislante) el agua evaporada puede condensarse en las paredes, cambiando el equilibrio, facilitando que se evapore mas agua del material de adsorcion de agua. Las paredes del recipiente y/o de 5 la carcasa pueden estar hechas de, pero no limitandose a, metales o aleaciones metalicas. Las paredes de la carcasa estan hechas preferentemente de un material que no es transparente.
A continuacion, se hace referencia a las figuras 2 y 3. Durante el calentamiento del material adsorbente de agua cuando la entrada y la salida de la carcasa estan selladas, puede producirse una transferencia de calor a traves de conveccion 42 en el espacio 37 entre el recipiente y la carcasa debido a la diferencia de temperatura entre el 10 recipiente y la superficie interna de la carcasa (vease la figura 2), el denominado efecto Nusselt. Para limitar dicha conveccion en el espacio 37, que puede producir una transferencia de calor desde el recipiente hasta la carcasa, puede disponerse un perturbador 44 de conveccion entre el recipiente y la superficie interna de la carcasa o sobre al menos una de las superficies internas de la carcasa en cada lado del recipiente (vease la figura 3). El perturbador 44 de conveccion tambien puede tener un efecto aislante, un efecto termo, en torno al recipiente y al material de 15 adsorcion de agua. En la figura 3a hay dispuesto un perturbador 44 de conveccion en cada lado de y a lo largo del recipiente, formando un espacio 46. El perturbador 44 de la figura 3a es una pared perforada que tiene preferentemente la longitud L y la altura H, de modo que el aire calentado en el espacio entre el perturbador 44 de conveccion y el recipiente permanece en el interior de dicho espacio. El perturbador 44 tambien puede tener forma de paredes o partes protuberantes desde al menos una de las superficies internas de la carcasa (veanse las figuras 20 3b y c). Las paredes o partes que sobresalen desde la(s) superficie/superficies interna(s) de la carcasa pueden extenderse desde la superficie interna, de modo que el flujo convectivo se obstaculiza o a menos se ve perturbado pero al mismo tiempo permite que el vapor entre en el espacio 37 y que el aire y el vapor puedan salir a traves de la salida que puede sellarse de la carcasa 20. El perturbador de conveccion puede estar hecho de cualquier material que presente un valor de emisividad bajo y un valor de conduccion del calor bajo, por ejemplo, el perturbador 44 25 puede estar hecho de plastico, aluminio, hojas de aluminio, acero inoxidable o plata.
La carcasa puede estar aislada termicamente del recipiente con el material adsorbente de agua y el dispositivo calentador, de modo que la carcasa no se calienta durante el calentamiento del material adsorbente de agua.
Los presentes inventores han hallado que las caracteristicas de emision de calor del material del recipiente o de la superficie del recipiente 26, de la superficie interna 38 de la carcasa y de la superficie externa 40 de la carcasa son 30 importantes para hacer que el sistema sea eficaz. La energia o el calor proporcionado al material de adsorcion de agua deberia preferentemente no irradiarse hacia el espacio 37 entre el recipiente y la pared de la carcasa, sin embargo, cualquier calor o energia absorbido por la pared de la carcasa deberia irradiarse hacia fuera de la superficie externa de la carcasa. De esta manera, los valores de emisividad (en el espectro IR) del recipiente o de la superficie del recipiente y de la superficie interna 38 y la superficie externa 40 de la carcasa son importantes. El 35 recipiente, el perturbador de conveccion y la superficie interna de la carcasa deberian preferentemente tener un valor de conduccion del calor bajo.
La perdida de radiacion hacia un entorno mas fresco cuando un cuerpo negro esta irradiando energia es, segun la ley Stefan Boltzmann:
P = £ctA(T4-T4c)
40 donde £ es el valor de emisividad del cuerpo negro, la constante de Stefan, A el area radiante, T la temperatura del radiador y Tc la temperatura del entorno.
En una realizacion, el valor de emisividad del recipiente o de la superficie del recipiente no es mas de 0,5, por ejemplo, 0,45 o menos, o 0,30 o menos, o 0,20 o menos, o 0,10 o menos, o 0,05 o menos. Los ejemplos de
intervalos pueden ser 0,5-0,01, o 0,30-0,01, o 0,30-0,05, o 0,20-0,01, o 0,20-0,05 o 0,10-0,05.
45 En una realizacion la superficie interna no es mas de 0,5, por ejemplo, 0,45 o menos, o 0,30 o menos, o 0,20 o menos, o 0,10 o menos, o 0,05 o menos. Los ejemplos de intervalos pueden ser 0,5-0,01, o 0,30-0,01, o 0,30-0,05, o 0,20-0,01, o 0,20-0,05 o 0,10-0,05.
El valor de emisividad del recipiente o de la superficie del recipiente y de la superficie interna es 0,5 o menos, por
ejemplo 0,45 o menos, o 0,30 o menos, o 0,20 o menos, o 0,10 o menos, o 0,05 o menos. Los ejemplos de
50 intervalos pueden ser 0,5-0,01, o 0,30-0,01, o 0,30-0,05, o 0,20-0,01, o 0,20-0,05 o 0,10-0,05.
En una realizacion, el recipiente y/o la superficie interna de la carcasa estan hechos de acero, acero inoxidable, aluminio, hojas de aluminio o plata. En una realizacion, el recipiente y/o la superficie interna de la carcasa estan pulidos, es decir, pulidos de modo que la radiacion en el espectro IR desciende.
El valor de emisividad de la superficie externa es al menos 0,6, por ejemplo 0,65 o mas, o 0,70 o mas, o 0,80 o mas, 55 o 0,90 o mas. Los ejemplos de intervalos pueden ser 0,60-0,90 o 0,70-0,90.
En una realizacion, la superficie externa puede estar pintada, anodizada o revestida para obtener un valor de emisividad de al menos 0,70. Pintando la superficie externa preferentemente con una pintura mate, por ejemplo negro o negro mate, el valor de emisividad puede ser 0,80 o mas o 0,90 o mas.
En una realizacion, el recipiente o la superficie del recipiente y la superficie interna tienen un valor de emisividad de 5 0,20 o menos, y la superficie externa tiene un valor de emisividad de 0,80 o mas.
En una realizacion, la carcasa de la presente invencion esta sustancialmente hecha de un material que no es transparente, tal como un metal o una aleacion de metal, por ejemplo, aluminio. El aluminio puede estar tratado ademas para mejorar el valor de emisividad.
A continuacion, se hace referencia a la figura 4. En una realizacion, el dispositivo calentador 34 comprende dos o 10 mas elementos calentadores 35 dispuestos en contacto directo con el material 32 de adsorcion de agua. Los dos o mas elementos calentadores 35 pueden estar dispuestos de cualquier forma adecuada en el material higroscopico o adsorbente de agua. El dispositivo calentador puede tener forma de Y o tenedor (vease la figura 4a) o una superficie rectangular sustancialmente plana (vease la figura 4b), o puede comprender varios elementos calentadores (vease la figura 4c). Disponiendo de varios elementos calentadores o de una gran superficie del elemento calentador, el 15 calentamiento sera mucho mas eficaz y se distribuira de manera mas uniforme. En la figura 4d se disponen pequenas particulas 42 de metal o conductoras del calor para mantener el calor y/o conducirlo.
Una ventaja de la presente invencion es que la presente invencion no necesita una superficie sobre la que se condense el agua evaporada, sino que el agua puede condensarse espontaneamente en el gas/aire y el agua adsorbida en el material adsorbente de agua puede expulsarse sin evaporarla primero. La expulsion de agua sin 20 evaporarla primero ahorra energia puesto que no se necesita la energia requerida para evaporarla. Sin estar restringido por la teoria, se cree que si el material adsorbente de agua se calienta muy rapido, por ejemplo, utilizando una alta potencia, se obtiene un valor energetico no lineal. Por ejemplo, el calentamiento puede realizarse utilizando una potencia de al menos 200 W/kg, o 300 W/kg o mas, o 350 W/kg o mas, o 400 W/kg o mas, o 450 W/kg o mas, o 500 W/kg o mas. Por ejemplo, aumentando la potencia desde 250 W/kg hasta 500 W/kg, el consumo de 25 energia descendio en torno al 40 %.
La presente invencion esta destinada a extraer agua del gas, preferentemente aire, ya sea para producir agua o eliminar el agua del gas. Esto ultimo podria utilizarse por ejemplo, pero no limitandose a, la deshumidificacion de ambientes cubiertos o en dispositivos de aire acondicionado.

Claims (12)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Un dispositivo de adsorcion de agua que comprende:
    una carcasa que tiene una entrada que puede sellarse y una salida que puede sellarse;
    un recipiente en el interior de la carcasa, en el que el recipiente tiene una entrada y una salida y en el que la entrada del recipiente se comunica con la entrada que puede sellarse de la carcasa y la salida del recipiente se comunica con la salida que puede sellarse de la carcasa; un material adsorbente de agua confinado en el interior del recipiente;
    mediante lo cual un flujo de gas puede fluir desde la entrada que puede sellarse de la carcasa a traves del recipiente en contacto con el material adsorbente de agua en el recipiente hasta la salida que puede sellarse de la carcasa;
    un dispositivo calentador dispuesto en contacto termico con el material adsorbente de agua o con el recipiente; y en el que la carcasa tiene al menos una pared con una superficie interna y una superficie externa en la que la superficie interna esta orientada al menos parcialmente hacia la entrada o hacia la salida del recipiente,
    en el que el recipiente y la superficie interna de la carcasa tienen un valor de emisividad en el espectro IR de no mas de 0,5, y
    en el que la superficie externa de la carcasa tiene un valor de emisividad en el espectro de IR de al menos 0,6.
  2. 2. El dispositivo segun la reivindicacion 1 en el que la superficie externa de la carcasa esta pintada, anodizada o revestida, para dar lugar a un valor de emisividad en el espectro IR de al menos 0,7.
  3. 3. El dispositivo segun la reivindicacion 2 en el que la superficie externa esta pintada de negro para dar lugar a un valor de emisividad en el espectro IR de al menos 0,8.
  4. 4. El dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que el recipiente tiene un valor de emisividad en el espectro IR de no mas de 0,3, preferentemente, de no mas del 0,1.
  5. 5. El dispositivo segun la reivindicacion 4 en el que el recipiente tiene un valor de emisividad en el espectro IR en el intervalo de 0,1-0,05.
  6. 6. El dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2 en el que la superficie interna tiene un valor de emisividad en el espectro IR de no mas de 0,3, preferentemente de no mas del 0,1.
  7. 7. El dispositivo segun la reivindicacion 6 en el que la superficie interna tiene un valor de emisividad en el espectro IR en el intervalo de 0,1-0,05.
  8. 8. El dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la carcasa esta sustancialmente fabricada de un material que no es transparente, tal como un metal, por ejemplo aluminio.
  9. 9. El dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el dispositivo calentador comprende dos o mas elementos calentadores dispuestos en contacto directo con el material de adsorcion de agua.
  10. 10. El dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que un perturbador de conveccion esta dispuesto en la carcasa entre el recipiente y la superficie interna de la carcasa o en al menos una de las superficies internas de la carcasa en cada lado del recipiente.
  11. 11. Un procedimiento para adsorber agua de un gas que comprende:
    a) proporcionar un dispositivo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10;
    b) poner en contacto un flujo de gas con el material adsorbente de agua;
    c) dejar que el material adsorbente de agua adsorba la humedad o el agua del gas;
    d) sellar la carcasa;
    e) calentar el material adsorbente de agua hasta que el espacio entre el recipiente y la superficie interna de la carcasa se sature de humedad;
    f) continuar calentando el material adsorbente de agua;
    g) recoger el agua condensada; y
    h) quitar el sello de la carcasa.
  12. 12. El procedimiento segun la reivindicacion 11 en el que el calentamiento se realiza utilizando una potencia de al menos 300 W/kg, o 350 W/kg o mas, o 400 W/kg o mas, o 450 W/kg o mas, o 500 W/kg o mas.
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