IT202100026399A1 - Camera di combustione a ossidrogeno per la generazione di energia termica - Google Patents
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Description
CAMERA DI COMBUSTIONE A OSSIDROGENO PER LA GENERAZIONE
DI ENERGIA TERMICA
La presente invenzione riguarda, in genere, un nuovo tipo di camera di combustione per la generazione di energia termica, grazie alla combustione di ossidrogeno (idrogeno e ossigeno prodotti dall?elettrolisi dell?acqua).
Pi? in particolare, il dispositivo oggetto dell?invenzione comprende una camera di combustione a ossidrogeno per la generazione di energia termica e ha come scopo principale quello di produrre in maniera pi? efficiente energia termica tramite combustione, senza la produzione di emissioni nocive.
Il sistema si presta ad essere utilizzato in tutti i casi in cui si richieda la generazione di un elevato livello di temperatura in uno spazio confinato/isolato.
Sono noti attualmente sistemi di generazione di energia elettrica, calore o entrambi (cogenerazione) attraverso motori a combustione interna (es. turbogas).
I motori a combustione interna utilizzati oggi nella grande maggioranza delle applicazioni, producono come effetto della combustione tra combustibile e comburente alte emissioni di anidride carbonica (CO2).
Tali tecnologie, che nella maggior parte dei casi fanno uso di combustibili fossili o comunque di derivazione organica (es. biomasse), soffrono di alcuni importanti inconvenienti, tra i quali:
- generazione di prodotti della combustione nocivi a causa delle reazioni tra combustibili e comburenti (quasi sempre aria) ad alte temperature, primi fra tutti ossidi di carbonio e di azoto, e composti policiclici e/o aromatici;
- basso rendimento derivante dall?alta dispersione nell?ambiente del calore generato dalla combustione.
Sono noti inoltre sistemi di co-generazione con tecnologie che utilizzano in alternativa motori tipo Stirling, o sistemi a reazione chimica es. celle combustibile.
? obiettivo della presente invenzione quello di realizzare un nuovo tipo di camera di combustione che possa mantenere isolata la combustione stessa dall?ambiente in cui questa avviene.
Allo stesso tempo, scopo dell?invenzione ? quello di fornire un dispositivo di generazione di energia ad elevato rendimento termodinamico, in grado di disperdere una quantit? ridotta di calore prodotto dalla combustione e di trasferirlo per la quasi totalit? al sistema di generazione termica ed elettrica.
Un altro obiettivo della presente invenzione ? quello di fornire un dispositivo di generazione di energia termica tramite la combustione di Ossidrogeno, che generi una quantit? ridottissima di prodotti inquinanti o nocivi in generale.
Un altro scopo dell?invenzione ? quello di realizzare un dispositivo di generazione di energia che sia facile ed economico da realizzare.
Questo ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo di generazione di energia termica secondo la rivendicazione 1 allegata.
Ulteriori caratteristiche tecniche e vantaggi dell?invenzione sono contenuti nelle rivendicazioni dipendenti.
La presente invenzione verr? ora descritta con riferimento ad una camera di combustione abbinata ad un generico cogeneratore con motore Stirling, solo a titolo esemplificativo e non limitativo e relativamente alla figura 1 allegata.
Con riferimento alla suddetta figura 1, il dispositivo secondo l?invenzione comprende una camera di combustione 200 semi-adiabatica, che pu? essere abbinata, a titolo esemplificativo e non limitativo, ad un cogeneratore 300 con motore tipo Stirling.
La camera di combustione 200, oggetto dell?invenzione, comprende una cavit? 2, una parete interna 20, una parete esterna 30, un ingresso 21 e un?uscita 22.
I gas reagenti per la combustione sono idrogeno e ossigeno (ottenuti, per esempio, tramite elettrolisi dell?acqua), vale a dire dei componenti dell?ossidrogeno, e vengono immessi tramite un ingresso 21, secondo il verso della freccia A.
Questi gas introdotti raggiungono degli ugelli e/o bruciatori 5 posti all?interno della cavit? 2 della camera di combustione 200 e un sistema di innesco elettrico, ad esempio tramite elettrodi E, attiva la loro combustione. Detti elettrodi E consentono di rilevare, per scopi di sicurezza, anche la presenza o assenza di fiamma.
L?ossidrogeno, avendo i due gas (combustibile e comburente) in perfetto rapporto stechiometrico, genera una combustione che produce calore e vapore acqueo come residuo; il vapore acqueo residuo pu? essere espulso, se necessario, tramite l?uscita 22.
Vantaggiosamente, tra la parete interna 20 e la parete esterna 30 della camera di combustione 200 ? presente un?intercapedine 3 con vuoto pneumatico (isolante ideale alla trasmissione termica, perch?, non essendoci molecole in movimento, non c'? n? conduzione n? convezione del calore), avente la funzione di minimizzare la dispersione del calore generato dalla combustione dei gas reagenti.
Il confinamento e l?alto isolamento raggiungibile ? reso possibile dal fatto che la combustione dell?ossidrogeno (idrogeno e ossigeno) non richiede aria ambiente per la sua corretta e completa combustione, quindi ? possibile avvicinarsi al limite teorico di un sistema adiabatico.
Infatti, la combustione dell?ossidrogeno avviene comunque anche in un sistema isolato completamente dall?ambiente.
L?isolamento della camera di combustione 200 verso l?ambiente esterno pu? essere quindi molto elevato, al punto di poter sigillare completamente, se necessario, la camera di combustione stessa, facendo il vuoto all?interno.
Ci? rende minima la quantit? di calore dispersa verso l?esterno che non potrebbe essere utilizzata dal cogeneratore 300.
Il cogeneratore 300, nell?esempio considerato, comprende un serbatoio 4, al cui interno ? alloggiato un opportuno fluido motore, il quale presenta una estremit? 41 posizionata all?interno o adiacente alla cavit? 2 della camera di combustione 200.
Vantaggiosamente, il cogeneratore 300 comprende un corpo principale 6, per l?alloggiamento di organi per la generazione di energia elettrica e riscaldamento dell?acqua.
Preferibilmente, gli ugelli e/o bruciatori 5 sono adiacenti e/o tangenti al serbatoio 4 cos? da produrre un flusso di calore circolare, in modo da facilitare il trasferimento di calore stesso al fluido motore in esso contenuto.
Quindi, la camera di combustione 200 ? adibita a contenere il calore prodotto dalla combustione dell?ossidrogeno immesso nella camera stessa e a renderlo disponibile quasi totalmente per il riscaldamento del fluido motore confinato nel serbatoio 4 abbinato al cogeneratore 300.
Preferibilmente, il cogeneratore 300 utilizza un motore di tipo Stirling in cui il fluido motore ? aria o un altro gas.
Il cogeneratore 300 include un motore a ciclo chiuso (esotermico) in cui un fluido assorbe calore dalla sorgente posta in corrispondenza dell?estremit? 41 del serbatoio 4 e viene raffreddata dal lato opposto. Questa variazione termica crea una espansione e una compressione del gas in esso contenuto, che mette in movimento un pistone, il quale, a suo volta, agisce su un generatore elettromagnetico in grado di trasformare il movimento meccanico (energia meccanica) del pistone, in energia elettrica.
Inoltre, possono essere compresi organi magnetici alternativi o rotanti posti all?interno di una bobina di rame e alloggiati nel corpo principale del cogeneratore 300 per la trasformazione del lavoro di espansione compiuto dal fluido motore in lavoro meccanico, e successivamente, il lavoro meccanico in energia elettrica.
In aggiunta, il cogeneratore 300 pu? essere predisposto per utilizzare la porzione di calore (estratta per mantenere nel motore Stirling il delta termico necessario al suo funzionamento) per il riscaldamento dell?acqua di riscaldamento o sanitaria.
In una forma preferita di realizzazione, la superficie del serbatoio 4 esposta all?interno della camera di combustione 200 presenta un convogliatore per la fiamma risultante dalla combustione.
Preferibilmente, come mostrato nella figura 1 allegata, il convogliatore ? disposto lungo la superficie del serbatoio 4 esposta nella cavit? 2 secondo un andamento elicoidale, ed ? realizzato in materiali resistenti al calore ma altamente conduttivi.
Tale accorgimento aumenta la diffusione e il tempo di contatto dei prodotti di combustione caldi con il serbatoio 4 e accresce ulteriormente la cessione di calore verso il fluido motore, aumentando l?efficienza e il rendimento del dispositivo.
Un esempio di percorso in cui convogliare i prodotti combusti ? rappresentato dalle linee F di figura 1.
Come detto, una forma preferita di realizzazione prevede che si utilizzi esclusivamente una miscela stechiometrica di ossigeno e idrogeno (ossidrogeno) come reagenti da adoperare per la reazione di combustione nella camera 200.
L?ossidrogeno viene immesso mediante l?ingresso 21 e fatto bruciare per generare come prodotti unicamente calore e acqua.
Come detto, ? presente preferibilmente un apparato per l?estrazione dell?acqua prodotta dalla reazione di combustione dell?ossidrogeno e la suddetta acqua ? prelevata dall?uscita 22.
Vantaggiosamente, il suddetto apparato di estrazione dell?acqua ha anche la funzione di produrre una depressione ed estrarre l?eventuale aria che pu? entrare all?interno della cavit? 2 della camera 200.
In tal modo, quando avviene la combustione dei gas reagenti ossigeno e idrogeno, questi saranno presenti secondo un adeguato rapporto stechiometrico, e si eviter? la formazione di altri prodotti, come ossidi di azoto o di carbonio provenienti dall?aria ambiente.
? evidente che l?utilizzo di ossidrogeno come reagente di combustione, in assenza di azoto e carbonio contenuti nell?aria ambiente, permetta, da un lato, di ottenere un alto rendimento termico, e, dall?altro lato, di non generare emissioni nocive, poich? la combustione avviene solo tra l?ossigeno e l?idrogeno, con una combustione completa e senza la necessit? di includere l?aria ambiente e quindi senza la presenza di azoto.
Il prodotto risultante sar? unicamente acqua, ed eventuali composti inquinanti saranno invece assenti.
In una ulteriore forma preferita, si pu? prevedere che l?ossidrogeno da utilizzare come reagente venga prodotto mediante elettrolisi dell?acqua.
In tal modo si avr? un duplice vantaggio: innanzitutto la miscela di idrogeno e ossigeno immessa nella camera 200 si trover? gi? in rapporto stechiometrico pronta per reagire e, in secondo luogo, l?energia prodotta dal cogeneratore 300, potr? essere utilizzata, almeno parzialmente, per alimentare lo stesso impianto di elettrolisi dell?acqua ad esso opportunamente collegato.
Come detto, quindi, il dispositivo secondo l?invenzione non richiede aria come comburente per la reazione di combustione ed elimina i problemi derivanti dalla produzione di composti nocivi nella reazione dell?aria alle alte temperature.
Dalla presente descrizione sono chiare le caratteristiche tecniche e i vantaggi del dispositivo per la produzione di energia secondo l?invenzione.
In particolare i principali vantaggi sono:
- l?abbattimento delle emissioni per via dell?assenza di aria combusta nei prodotti;
- la totale assenza di composti derivanti da idrocarburi nei prodotti;
- l?elevata efficienza di trasferimento energetico dovuta all?isolamento adiabatico, tramite vuoto, della camera di combustione;
- la possibilit? di sfruttare l?energia prodotta dal motore per la creazione dei reagenti ossigeno e idrogeno tramite elettrolisi dell?acqua;
- si evita lo spreco di ossigeno prodotto dall?elettrolisi dell?acqua che normalmente avviene in impianti gi? noti che utilizzano tale tecnologia solo per bruciare l?idrogeno scartando l?ossigeno;
- l?idrogeno prodotto tramite fonti rinnovabili, per via diretta o indiretta (elettrolisi dell?acqua) elimina il problema della produzione di anidride carbonica alla fonte;
- l?ossidrogeno pu? essere prodotto nella misura in cui ? necessario dall?elettrolisi, richiedendo solo un minimo accumulo o stoccaggio, al contrario del solo idrogeno, che, invece, richiede elevate pressioni e basse temperature per lo stoccaggio.
La presente invenzione ? stata descritta a titolo esemplificativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma ? da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dall?esperto del ramo, senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione delle rivendicazioni allegate.
Claims (9)
1. Dispositivo per la generazione di energia comprendente una camera di combustione (200) avente una cavit? (2) racchiusa da una parete interna (20) e da una parete esterna (30) e dotata di un ingresso (21) per l?immissione nella cavit? (2) di reagenti destinati alla combustione, in cui un?intercapedine (3), al cui interno ? fatto il vuoto pneumatico, ? realizzata tra la parete interna (20) e la parete esterna (30) ed in cui detti reagenti sono una miscela di ossigeno e idrogeno.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un cogeneratore (300) che include un serbatoio (4) contenente un fluido motore, detto cogeneratore (300) essendo posizionato adiacente a detta camera di combustione (200) e comprendendo altres? un corpo principale (6) per l?alloggiamento di organi per la generazione di energia elettrica e riscaldamento dell?acqua.
3. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un apparato per l?estrazione dell?acqua dall?uscita (22) prodotta dalla reazione di combustione dell?ossidrogeno.
4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto cogeneratore (300) utilizza un motore esotermico di tipo Stirling.
5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l?ossidrogeno per la combustione ? prodotto tramite elettrolisi dell?acqua.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l?elettrolisi dell?acqua ? alimentata almeno parzialmente dall?energia prodotta dal cogeneratore (300).
7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta miscela di idrogeno e ossigeno ? innescata in detta camera di combustione (200) tramite ugelli e/o bruciatori (5) posti all?interno di detta cavit? (2) della camera di combustione (200) e funzionanti con accensione elettrica attivata tramite elettrodi (E) attraverso i quali ? possibile rilevare anche la presenza o assenza di fiamma.
8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto cogeneratore (300) include un motore a ciclo chiuso in cui un fluido assorbe calore da una sorgente posta in corrispondenza di una estremit? (41) di detto serbatoio (4) ed ? raffreddata dal lato opposto.
9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto serbatoio (4) presenta una superficie con un convogliatore, che ? disposto secondo un andamento elicoidale e che ? realizzato in materiali resistenti al calore ed altamente conduttivi.
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