ITTO20110826A1

ITTO20110826A1 - Centrale domestica a piu' funzioni, dispositivo per la sua alimentazione con idrogeno e metodo di funzionamento della stessa

Info

Publication number: ITTO20110826A1
Application number: IT000826A
Authority: IT
Inventors: Guido Parisi
Original assignee: Guido Parisi
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-03-16
Also published as: EP2756230A2; US20140373539A1; WO2013038393A2; WO2013038393A3; CN103930720A

Description

CENTRALE DOMESTICA A PIÃ™ FUNZIONI, DISPOSITIVO PER LA SUA ALIMENTAZIONE CON IDROGENO E METODO DI FUNZIONAMENTO DELLA STESSA

Settore della tecnica

La presente invenzione riguarda una centrale domestica a piÃ¹ funzioni, un dispositivo per la sua alimentazione con idrogeno e un metodo di funzionamento della stessa.

In particolare, la presente invenzione riguarda una centrale domestica con funzioni di generatore elettrico, generatore di calore e dispositivo di smaltimento di rifiuti domestici.

Sfondo dell'invenzione

Con il crescere della sensibilitÃ ai problemi di protezione dell'ambiente, negli ultimi anni si Ã ̈ assistito ad uno sviluppo costante delle ricerche riguardanti procedimenti e sistemi di generazione di energia cosiddetta pulita, cioÃ ̈ che non facciano uso di combustibili fossili o altri combustibili che generano sostanze inquinanti e pericolose per la salute o difficili da smaltire.

Lo scopo dell'invenzione Ã ̈ di fornire una centrale domestica a piÃ¹ funzioni di questo tipo, un dispositivo per la sua alimentazione e un metodo di funzionamento della stessa, che presentino prestazioni elevate e siano realizzabili industrialmente a costo ridotto.

Descrizione dell'invenzione

Secondo un primo aspetto dell'invenzione, la centrale prevede una struttura in cui si sfrutta una reazione endotermica di un combustibile con acqua per generare energia termica ad elevate temperature.

In particolare, la centrale comprende una camera di reazione collegata ad una sorgente di una miscela in pressione di acqua e aria e ad almeno una sorgente di un primo combustibile atto a reagire endotermicamente con la miscela, organi di riscaldamento per riscaldare il primo combustibile ad una temperatura di combustione per innescare la reazione, e organi di utilizzazione dell'energia termica prodotta dalla reazione.

Secondo una prima realizzazione dell'invenzione, la sorgente del primo combustibile, che Ã ̈ un olio, vegetale o minerale, preferibilmente esausto, Ã ̈ collegata alla camera di reazione sia durante una fase di innesco sia durante una fase di mantenimento della reazione, cosicchÃ© in entrambe le fasi si ha una reazione tra l'olio esausto e la miscela di acqua e aria.

Secondo un'altra realizzazione dell'invenzione, la centrale comprende anche una sorgente di un secondo combustibile, comprendente idrogeno, che Ã ̈ collegabile alla camera di reazione, in alternativa o in aggiunta alla sorgente del primo combustibile, durante la fase di mantenimento della reazione.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, la centrale comprende un generatore di idrogeno utilizzabile come sorgente del secondo combustibile. Il generatore comprende una o piÃ¹ unitÃ costituite ognuna da:

una camera per la decomposizione elettrolitica di acqua, al cui interno Ã ̈ prevista una pluralitÃ di elementi di materiale conduttore collegati elettricamente in serie tra loro e in serie ad un generatore di una tensione impulsiva; e

- un serbatoio in pressione, collegato da un lato alla camera di decomposizione per riceverne acqua, idrogeno e altri prodotti della decomposizione elettrolitica e reintrodurre in tale camera acqua in pressione, e da un altro lato alla camera di reazione della centrale per inviare a questa l'idrogeno e gli altri prodotti della decomposizione elettrolitica.

Secondo una realizzazione preferita dell'invenzione, il generatore di tensione impulsiva comprende un generatore di tensione continua, quale una batteria o un accumulatore, collegato a un generatore di una tensione a dente di sega.

Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, un metodo di funzionamento della centrale prevede di portare una miscela di acqua e aria in pressione a contatto con un combustibile atto a reagire endotermicamente con la miscela, dopo aver scaldato il combustibile a una temperatura di combustione per innescarne la reazione con la miscela.

In una fase d'innesco della reazione il combustibile Ã ̈ un olio, vegetale o minerale, preferibilmente esausto, e in una fase di mantenimento il combustibile puÃ² essere l'olio oppure Ã ̈ idrogeno (o piÃ¹ precisamente, un combustibile a base di idrogeno) oppure una miscela di olio e idrogeno.

Breve Descrizione delle Figure

Altre caratteristiche dell'invenzione risulteranno chiare dalla descrizione che segue di forme preferite di realizzazione, date a titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la fig. 1 Ã ̈ uno schema di principio di una centrale secondo l'invenzione;

- la fig. 2 Ã ̈ uno schema di principio di una variante;

- la fig. 3 Ã ̈ uno schema di un generatore di idrogeno utilizzabile nell'invenzione.

Descrizione di Forme Preferite di Realizzazione

Con riferimento alla fig. 1, la centrale domestica multifunzione secondo l'invenzione, indicata nel suo complesso con 1, comprende una camera di reazione 11, dotata di un terminale di scarico 11a, nella quale avviene una reazione fortemente endotermica tra acqua e un combustibile preriscaldato. In questa forma di realizzazione, il combustibile Ã ̈ un olio (vegetale, per esempio olio di semi, olio d'oliva, ecc., oppure minerale, per esempio olio per motori od olio idraulico), vantaggiosamente esausto.

Tale combustibile Ã ̈ contenuto in un serbatoio 12, per esempio del tipo a caduta con un'elettrovalvola 12a, ed Ã ̈ preferibilmente inviato alla camera di reazione 11 mediante una pompa 13.

Il serbatoio 12 Ã ̈ inoltre associato in modo convenzionale a sensori di livello 22, atti a controllare il livello di riempimento del serbatoio 12 e a comandare una pompa esterna (non rappresentata) quando Ã ̈ necessario rifornire nuovamente il serbatoio con combustibile. Altri sensori di livello 23 sono vantaggiosamente associati alla camera di reazione 11 e sono atti ad agire sulla pompa 13 per mantenere il livello di combustibile nella camera 11 tra un minimo e un massimo che garantiscono il funzionamento ottimale della centrale. Tenuto conto che la reazione sviluppa temperature molto elevate, come si descriverÃ meglio in seguito, i sensori 23 possono per esempio comprendere un dispositivo a laser montato all'esterno della camera 11, oppure essere sensori immersi nel combustibile.

La camera di reazione 11 Ã ̈ inoltre associata a due bruciatori 14, 15. Il primo bruciatore 14 (bruciatore di innesco) Ã ̈ un bruciatore convenzionale, per esempio a gasolio o a gas, e ha il compito di provocare il preriscaldamento dell'olio ad una temperatura tale da provocarne la combustione. Il secondo bruciatore 15 (bruciatore di mantenimento della reazione) ha invece il compito di inviare nella camera di reazione 11, dopo l'accensione dell'olio, una miscela pressurizzata di acqua e aria, tipicamente ad una pressione dell'ordine di 0,5 - 1 bar. In alternativa, il bruciatore 15 puÃ² essere sostituito da un eiettore ad aria compressa, che opera ad una pressione di alcuni bar, per esempio 3 - 4 bar, ed Ã ̈ associato a un tubo di Venturi per aspirare acqua.

Si hanno quindi due fasi di funzionamento. Nella prima fase (fase di innesco) l'olio Ã ̈ portato a una temperatura di combustione che dipenderÃ dal particolare tipo di olio utilizzato e, in generale, sarÃ compresa fra 350°C e 450°C circa. Nella seconda fase (fase di mantenimento della reazione), si introduce la miscela di acqua e aria nella camera 11. Quando la miscela entra in contatto con l'olio in combustione, si verifica una reazione violenta ad altissima temperatura con dissociazione dell'acqua e conseguente sviluppo di idrogeno atomico e molecolare, ossigeno e ioni H<+>e OH-, come verificato sperimentalmente dall'inventore.

Una spiegazione di questo comportamento potrebbe essere quella di un effetto meccanico combinato con differenti livelli di reazioni ed espansioni sequenziali a livello atomico all'interno della camera 11, che crea una vera e propria spinta nel terminale di scarico 11a, con una temperatura misurata a cielo aperto di circa 1500°C - 1600°C e 110 - 120 db di rumore, come verificato sperimentalmente dall'inventore. Il rumore e la pressione di uscita dei prodotti della reazione dipenderanno ovviamente dalle dimensioni del terminale di scarico 11a.

Una conferma dell'ipotesi che si tratti di una reazione a livello atomico e non di una reazione chimica Ã ̈ data dall'emissione di raggi UV riscontrata durante le verifiche sperimentali.

Temperature cosÃ¬ elevate fanno sÃ¬ che nei gas prodotti dalla combustione e uscenti dallo scarico 11a non siano praticamente presenti sostanze inquinanti, o siano presenti in quantitÃ trascurabili: misure effettuate dall'inventore hanno in effetti mostrato che CO2e ossidi di azoto NOxsono presenti in quantitÃ di alcune parti per milione (2-3 ppm per CO2, 5 - 10 ppm per NOx).

Allo scarico 11a della camera di combustione 11 sono collegati dispositivi di utilizzazione dell'energia termica prodotta dalla reazione, indicati nel loro complesso con 16.

In particolare, i dispositivi 16 possono comprendere un dispositivo di produzione di vapore (boiler) 17, seguito da una turbina convenzionale 18 (in questo caso una turbina a vapore) messa in rotazione dal vapore prodotto nel boiler 17. La turbina 18 Ã ̈ poi collegata, per esempio, ad un alternatore 19 per la generazione di energia elettrica per uso domestico, ad esempio compresa fra 3 e 5 kW/h.

In alternativa o in aggiunta ai dispositivi collegati allo scarico 11a, i dispositivi 16 possono comprendere uno scambiatore di calore 20, per esempio una serpentina che circonda la camera di reazione 11, per il riscaldamento di acqua da utilizzare in un impianto di riscaldamento, come acqua calda sanitaria per uso domestico, ecc.

Preferibilmente, inoltre, tra la camera di reazione 11 e il boiler 17 puÃ² essere inserito un cassetto o altro contenitore 21 (ovviamente di un materiale resistente alle alte temperature indicate sopra) atto a contenere rifiuti domestici, in particolare rifiuti che non possono essere oggetto di raccolta differenziata e quindi riciclati. I rifiuti, esposti alle temperature elevate prodotte dalla reazione, bruceranno anch'essi sostanzialmente senza emissione di sostanze inquinanti e velenose, come diossina, e con emissione trascurabile dei giÃ menzionati CO2e NOx. La centrale puÃ² quindi essere utilizzata anche come termovalorizzatore domestico.

In fig. 2 si Ã ̈ rappresentata una seconda forma di realizzazione dell'invenzione, indicata con 1A. Gli elementi giÃ descritti con riferimento alla fig. 1 sono indicati con gli stessi riferimenti.

In questa seconda forma di realizzazione, nella fase di innesco della reazione si utilizza ancora come combustibile l'olio proveniente dal serbatoio 12, mentre nella fase di mantenimento della reazione si puÃ² utilizzare come combustibile l'olio, oppure una miscela di olio e idrogeno, ad esempio contenente il 70% di olio e il 30% di idrogeno, oppure ancora solo idrogeno. L'idrogeno Ã ̈ prodotto ad esempio da almeno un generatore di idrogeno 25.

Durante la fase di mantenimento, nel caso in cui si utilizzi come combustibile l'idrogeno, l'elettrovalvola 12a Ã ̈ chiusa isolando il serbatoio 12 dalla camera di reazione 11, la pompa 13 non Ã ̈ azionata e alla camera 11 si inviano idrogeno e la miscela aria/acqua in pressione.

Preferibilmente, Ã ̈ prevista almeno una coppia di generatori 25 identici, come rappresentato in figura. Supponendo per esempio che siano previsti due generatori, uno dei due puÃ² costituire un generatore di riserva, atto a intervenire in caso di guasto dell'altro; i due generatori possono perÃ² essere utilizzati in modo alternato, secondo una opportuna temporizzazione, oppure congiuntamente, per esempio per soddisfare a picchi di richiesta di energia.

In entrambe le forme di realizzazione, puÃ² essere preferibilmente prevista la presenza di dispositivi atti a rilevare il valore di temperatura della fiamma nella camera di reazione 11. Tali dispositivi possono essere collegati a mezzi automatici di blocco della centrale in caso di funzionamento anomalo.

Preferibilmente, la centrale prevede un pannello di controllo comprendente, per esempio, strumenti per la misurazione di valori di temperatura e pressione nei vari componenti della centrale.

Inoltre, per motivi di sicurezza, nei vari componenti della centrale puÃ² anche essere prevista la presenza di valvole di non ritorno, pressostati e altri dispositivi di sicurezza.

La struttura del generatore 25 Ã ̈ rappresentata con maggiori dettagli in fig. 3.

Il generatore consiste di una camera 30 di decomposizione elettrolitica di acqua demineralizzata, con un condotto 31 per l'immissione dell'acqua demineralizzata resa conduttrice preferibilmente con l'aggiunta di composti di metalli alcalini, preferibilmente idrossidi di tali metalli, in particolare idrossido di sodio o in alternativa idrossido di potassio. L'acqua puÃ² anche contenere perossido di idrogeno concentrato, aggiunto in una percentuale fino al 50%, ad esempio dal 10% al 50%. L'aggiunta di perossido di idrogeno permette di aumentare la quantitÃ di idrogeno prodotto a paritÃ di dimensioni della camera 30.

All'interno della camera 30 Ã ̈ disposta una serie di elementi 32 di materiale conduttore, per esempio acciaio inossidabile e/o titanio. Gli elementi 32, per esempio dischi o piastre ("dischi") sono montati coassialmente su una o piÃ¹ aste 33 (per esempio, un'asta centrale, come rappresentato in figura, o una pluralitÃ di aste distribuite lungo la periferia dei dischi 32) e sono separati da distanziali 34, dello spessore per esempio di alcuni millimetri (per esempio, 1 - 2 mm). I dischi 32 hanno dimensioni leggermente inferiori a quelle della camera 30 e definiscono con le pareti laterali di questa un percorso sostanzialmente a serpentina per l'acqua.

I dischi 32 sono disposti elettricamente in serie tra loro e a una sorgente di tensione continua, per esempio una batteria o un accumulatore 41 (tipicamente, una batteria a 12 V nominali per autovettura o a 24 V nominali per veicolo industriale), e una parete della camera 30, in particolare la volta 30a, funge da massa. La sorgente di tensione Ã ̈ tale da stabilire tra un primo disco 32 della pluralitÃ e la massa 30a, e tra dischi adiacenti, una stessa differenza di potenziale, in particolare di circa 2 V, preferibilmente compresa tra 2,1 e 2,35 V. Con questi valori della differenza di potenziale, vantaggiosamente sono previsti almeno sei dischi 32, in quanto una tensione nominale inferiore a 12 V non consente un buon funzionamento del generatore: il numero effettivo dei dischi dipenderÃ dalla tensione generata dalla batteria 41.

Tra la batteria 41 e la serie di dischi 32 sono disposti mezzi 42 per trasformare la tensione continua generata dalla batteria 41 in una tensione impulsiva, per esempio in una tensione a dente di sega avente un valore di picco corrispondente alla tensione nominale della batteria, mentre il valore minimo puÃ² essere vantaggiosamente compreso fra il 40% e il 50%, e preferibilmente Ã ̈ dell'ordine del 50%, di tale tensione nominale.

Tale tensione impulsiva fa sÃ¬ che sulla superficie dei dischi 32, per effetto della decomposizione dell'acqua, si formino bollicine di idrogeno le cui dimensioni crescono al crescere della tensione applicata ai singoli dischi (e quindi man mano che l'acqua avanza all'interno della camera 30), fino a raggiungere, in corrispondenza dell'ultimo disco, dimensioni tali da consentirne il distacco dalla superficie dei dischi stessi. Il valore di 2 V circa indicato sopra Ã ̈ il valore ottimale per la creazione di tali bollicine.

L'acqua e i prodotti della decomposizione elettrolitica (idrogeno, ossigeno e ioni H<+>e OH-) escono dalla camera 30 attraverso un condotto 35 e sono forniti ad un serbatoio in pressione (per esempio, 2 - 3 bar) 37, eventualmente attraverso un radiatore 38 atto a raffreddare i prodotti della decomposizione elettrolitica .

In alternativa, in particolare nel caso di piccoli impianti, il raffreddamento puÃ² essere ottenuto mediante ventole di raffreddamento alimentate in corrente continua, per esempio del tipo utilizzato nei calcolatori personali.

I prodotti gassosi e gli ioni, piÃ¹ volatili, escono dal serbatoio 37 attraverso un condotto superiore 39 che porta alla camera di reazione 11 (figure 1, 2), mentre l'acqua Ã ̈ reintrodotta in pressione nella camera di decomposizione elettrolitica 30 attraverso un condotto d'uscita inferiore 40 e una pompa 36.

In una vantaggiosa forma di realizzazione, Ã ̈ previsto che i gas uscenti attraverso il condotto 39 siano riscaldati prima dell'introduzione nella camera di reazione 11 (per esempio, utilizzando la serpentina 20 detta sopra), creando un aumento di pressione e volume e una maggior aspirazione degli stessi gas. In questo caso, il condotto 39 dovrÃ essere associato a una valvola di non ritorno (non rappresentata), per impedire il rientro nel serbatoio 37 dell'idrogeno e degli altri prodotti della decomposizione elettrolitica che hanno subito un aumento di pressione e volume a seguito del riscaldamento.

Il fatto di inviare alla camera di reazione 11 i prodotti della decomposizione elettrolitica facilita la reazione a temperatura elevata.

Alla luce della descrizione del generatore 25, si precisa che, quando nella descrizione della centrale si Ã ̈ fatto riferimento all'uso di idrogeno come combustibile, il termine "idrogeno" indica anche, piÃ¹ in generale, l'insieme dei prodotti della decomposizione elettrolitica di acqua.

Si noti che, a causa della presenza dei composti di metalli alcalini, i componenti del generatore 25 non devono contenere alluminio, che verrebbe attaccato dagli stessi.

I vantaggi dell'invenzione sono evidenti dalla descrizione che precede.

I reagenti di base sono poco costosi (sostanzialmente acqua, composti alcalini e oli esausti) e quindi l'intero processo e la centrale possono essere realizzati e gestiti in modo economico.

Le temperature molto elevate raggiunte consentono di ottenere prestazioni elevate. Inoltre, come detto, alle temperature indicate i fumi prodotti dalla reazione contengono quantitÃ trascurabili di sostanze inquinanti.

L'uso di oli esausti come combustibile almeno per la fase di innesco della reazione fornisce anche un contributo allo smaltimento di tali oli.

In piÃ¹, la possibilitÃ di utilizzare la centrale come termovalorizzatore aiuta ad eliminare rifiuti non riciclabili.

E' evidente che quanto descritto Ã ̈ dato unicamente a titolo di esempio non limitativo e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims

Rivendicazioni 1. Centrale domestica a piÃ¹ funzioni, caratterizzata dal fatto di comprendere: - una camera di reazione (11) collegata a una sorgente (15) di una miscela in pressione di acqua e aria e ad almeno una sorgente (12) di un primo combustibile atto a reagire endotermicamente con la miscela; - organi di riscaldamento (14) atti a portare il primo combustibile ad una temperatura di combustione dello stesso per innescarne la reazione con la miscela; e - dispositivi (16) di utilizzazione di energia termica prodotta dalla reazione.
2. Centrale secondo la riv. 1, in cui la sorgente (12) del primo combustibile Ã ̈ atta a fornire alla camera di reazione un olio, preferibilmente esausto, ed Ã ̈ collegata alla camera di reazione (11) almeno durante una fase di innesco della reazione.
3. Centrale secondo la riv. 1 o 2, comprendente inoltre una sorgente (25) di un secondo combustibile collegabile alla camera di reazione (11), in alternativa o in aggiunta alla sorgente (12) del primo combustibile, durante una fase di mantenimento della reazione, il secondo combustibile comprendendo idrogeno.
4. Centrale secondo la riv. 3, in cui i dispositivi (16) di utilizzazione dell'energia termica comprendono uno o piÃ¹ tra: - un generatore di vapore acqueo (17) collegato a uno scarico (11a) della camera di reazione (11); - una turbina (18) azionata dal vapore generato dal generatore di vapore acqueo (17) e atta ad azionare un generatore di energia elettrica (19); - uno scambiatore di calore (20) per la produzione di acqua calda e / o i l riscaldamento dell'idrogeno, quando utilizzato; - un contenitore (21) per rifiuti domestici che bruciano quando esposti all'energia termica prodotta dalla reazione, disposto tra la camera di reazione (11) e il generatore di vapore acqueo (17).
5. Generatore di idrogeno da utilizzare come combustibile in una centrale domestica a piÃ¹ funzioni (1A) di un tipo che sfrutta una reazione endotermica dell'idrogeno con una miscela di acqua e aria per generare calore ad elevate temperature, detta centrale comprendendo: - mezzi di innesco della reazione, atti a scaldare ad una temperatura di combustione un olio vegetale o minerale, preferibilmente esausto; e - mezzi di mantenimento della reazione alimentati da un combustibile a base di idrogeno; il generatore di idrogeno essendo caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un'unitÃ di generazione di idrogeno (25) comprendente a sua volta: - una camera (30) per la decomposizione elettrolitica di acqua demineralizzata, al cui interno Ã ̈ prevista una pluralitÃ di elementi (32) di materiale conduttore dell'elettricitÃ collegati elettricamente in serie tra loro e in serie ad un generatore di una tensione impulsiva (41, 42); e - un serbatoio in pressione (37), collegato da un lato alla camera di decomposizione elettrolitica (30) per riceverne acqua, idrogeno e altri prodotti della decomposizione elettrolitica e reintrodurre nella camera l'acqua in pressione, e collegato da un altro lato ad una camera di reazione (11) della centrale (1A) per alimentarla con l'idrogeno e gli altri prodotti della decomposizione elettrolitica .
6. Generatore secondo la riv. 5, in cui il generatore di tensione impulsiva (41, 42) comprende una sorgente di tensione continua (41) collegata a un generatore (42) di una tensione a dente di sega che presenta un valore massimo corrispondente a un valore nominale della tensione continua e un valore minimo corrispondente a una frazione di tale valore nominale, il generatore di tensione impulsiva (41, 42) essendo atto a stabilire una differenza di tensione identica tra un primo elemento della pluralitÃ di elementi di materiale conduttore (32) e una massa (30a) e tra elementi di materiale conduttore (32) adiacenti.
7. Generatore secondo la riv. 5 o 6, in cui su un condotto d'uscita (39) del serbatoio in pressione (37) che collega tale serbatoio alla camera di reazione (11) sono previsti mezzi per riscaldare l'idrogeno e gli altri prodotti della decomposizione elettrolitica prima dell'introduzione nella camera di reazione (11), e mezzi per impedire il rientro nel serbatoio dell'idrogeno e degli altri prodotti della decomposizione elettrolitica che hanno subito un aumento di pressione a seguito del riscaldamento.
8. Metodo di funzionamento di una centrale domestica a piÃ¹ funzioni, caratterizzato dal fatto che si porta una miscela in pressione di acqua e aria a contatto con un combustibile atto a reagire endotermicamente con la miscela, dopo aver scaldato il combustibile a una temperatura di combustione per innescare la reazione tra la miscela e il combustibile.
9. Metodo secondo la riv. 8, in cui Ã ̈ prevista: - una fase di innesco della reazione, in cui si scalda alla temperatura di combustione un primo combustibile costituito da un olio vegetale o minerale, preferibilmente esausto; - una fase di mantenimento della reazione, in cui si fa reagire con la miscela il primo combustibile, oppure un secondo combustibile comprendente idrogeno, oppure una miscela del primo e del secondo combustibile.
10. Metodo secondo la riv. 9, in cui si utilizza energia termica sviluppata per effetto della reazione per: - la generazione di energia elettrica; e/o - la generazione di acqua calda; e/o - il preriscaldamento dell'idrogeno, quando utilizzato; e/o - la combustione di rifiuti domestici.