RO130406A2 - Instalaţie pentru fracturare moleculară multiplă în curent pulsatoriu de joasă tensiune - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o instalaţie pentru fracturare moleculară multiplă, în curent pulsatoriu de joasă tensiune, ce permite ruperea legăturilor din diferite tipuri de molecule ce se află în diluţie în apă, cu diferite tipuri de legături între atomii componenţi, dar şi ruperea legăturii covalente a moleculei de apă, printr-un procedeu ce presupune traversarea soluţiei respective de un curent pulsatoriu de joasă tensiune, în interiorul unei celule de fracturare, şi obţinerea de gaz combustibil. Instalaţia conform invenţiei este alcătuită dintr-un generator (1.1) de semnal dreptunghiular modulat, dintr-un modul (1.3) de celule de fracturare optimizate, şi dintr-un bloc (1.2) de comandă a celulelor, în care blocul (1.2) de comandă a celulelor este construit pe baza unui circuit LC serie acordat, comandat de o grupare de tranzistoare (T1...T3) MosFet cu canal N, iar modulul (1.3) de celule de fracturare este realizat din celule construite din tuburi (1 şi 2) de oţel inox, prelungite cu aproximativ un sfert din lungimea lor cu elemente (5 şi 13) din material plastic dielectric, elementul (5) exterior de prelungire fiind prevăzut cu o parte exterioară conică, pentru scurgerea lentă a spumei din instalaţie.

Description

Invenția se referă la o instalație pentru fracturare: moleculară multiplă, în curent pulsatoriu de joasă tensiune, ce permite ruperea legăturilor din diferite tipuri de molecule ce se află în diluție în apă, cu diferite tipuri de legături între atomii componenți,. dar și ruperea legăturii covalente a moleculei de apă, printr-un procedeu ce presupune traversarea soluției respective de un curent pulsatoriu de joasă tensiune, în interiorul unei celule de fracturare, și obținerea da gaz combustibil. Instalația conform invenției este alcătuită dintr-un generator (1.1) desemnai dreptunghiular modulat, dintr-un modul (1.3) de celule de fracturare optimizate, și dintr-un bloc (1.2) de comanda a celulelor, în care blocul (1.2) de comandă a celulelor este construit pe baza unui circuit LC serie acordat, comandat de o grupare: de tranzistoare (T1...T3) MosFet cu canal N, iar modulul (1.3) de celule de fracturare este realizat din celule construite: din tuburi (1 și 2) de oțel inox, prelungite cu aproximativ un sfert din lungimea lor cu elemente (5 și 13) din material plastic dielectric, elementul (5) exterior de prelungire fiind prevăzut cu o parte exterioară conică, pentru scurgerea lentă a spumei din instalație.

Revendicări: 4

Figuri: 7

220VC.8.

Alimentare

Fig. 1

Cu începere de la data publicării cererii de brevet, cererea asigură, în mod provizoriu, solicitantului, protecția conferită potrivit dispozițiilor arL32 din Legea nr. 64/1991, cu excepția cazurilor în care Cererea de brevet de invenție a fost respinsă, retrasă sau considerată Ca fiind retrasă. Întinderea protecției conferite de cererea de brevet de invenție este determinată de revendicările conținute în cererea publicată în conformitate cu art.23alin,(1)'-(3).

OriCiUL. DC RTAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCI j

Instalație pentru fracturare moleculara multipla in curent pulsatoriu de joasa tensiune

Invenția se refera la o instalație ce permite ruperea legaturilor din diferite tipuri de molecule ce se afla in dilutie in apa, cu diferite tipuri de legaturi intre atomii componenti, dar si ruperea legăturii covalente a moleculei de apa, printr-un procedeu ce presupune traversarea soluției respective de un curent pulsatoriu de joasa tensiune in interiorul unei celule de fracturare moleculara de tip condensator cilindric coaxial.

Scopul invenției este acela de a găsi o metoda ecologica si energetic convenabila pentru realizarea fracturării moleculare, fie pentru a produce combustibil pe baza hidrogenului din apa, fie pentru a extrage din apa anumite elemente chimice nedorite.

Aplicațiile practice se refera la obținerea de combustibil pe baza de hidrogen din apa, dar si desalinizarea apei de mare, tratarea dejecțiilor animale, purificarea apelor contaminate chimic si bacteriologic.

Pentru stadiul actual al tehnicii putem face referire la Brevetul Al 26129, in care fracturarea moleculara se realizează in câmp electrostatic de înalta tensiune, sau la U.S.Patent No. 4,936,961/26.06.1990 in care fracturarea moleculara se realizează prin rezonanta electrica parametrica in circuit L-C, in câmp de înalta tensiune, iar celula de rezonanta este complet imersata intr-un vas cu lichid.

Un anumit nivel de fracturare moleculara se realizează si prin electroliza clasica, dar acest procedeu presupune existenta atat a unui electrolit cat si a unei surse de curent continuu de amperaj ridicat.

Pentru construcția celulelor de fracturare, facem referire la Cererea de brevet A 201101109 cu data de depozit 03.11.2011, fata de care ne vom raporta in ceea ce privește construcția acestora.

Problema pe care o rezolva instalația este realizarea fracturării moleculare multiple si obținerea de gaz combustibil, fara a utiliza înalta tensiune si câmpurile electromagnetice generate de aceasta tensiune, precum si realizarea unor celule de fracturare de tip condensator cilindric coaxial, cu dielectric lichid, avand prelungire din material dielectric pentru a evita blocarea celulelor, prevăzută cu panta pentru separarea spumei, ceea ce permite obținerea de randamente superioare procedeelor cunoscute pana acum.

Instalație pentru fracturare moleculara multipla in curent pulsatoriu de joasa tensiune caracterizata prin aceea ca este compusa dintr-un Generator de semnal dreptunghiular modulat (11), un Bloc de comanda celule (1.2) si un Modul de celule de fracturare optimizate (1.3), ce funcționează pe baza străpungerii dielectricului pe baza de apa din interiorul celulei de fracturare ce se comporta ca si un condensator, străpungere realizata prin curent pulsatoriu dreptunghiular, modulat in frecventa (Fig. 2A) si la tensiuni de alimentare ce nu depasesc 220V c.c, fara a adauga electrolit in instalație.

α-2 Ο 13 Ο 1 Ο Ο ο - 1 6 -12- 2013

In comparație cu soluțiile tehnice cunoscute pana acum, instalația prezentata in acest brevet are următoarele avantaje:

• Instalația de joasa tensiune elimina toate inconvenientele legate de producerea înaltei tensiuni, respectiv consum energetic semnificativ, pierderi mari prin câmp electromagnetic, realizare tehnica complexa si materiale speciale;

• Utilizarea instalației de joasa tensiune permite realizarea de aplicații practice domestice, cu risc scăzut pentru utilizatori, astfel se pot obține aparate electrocasnice bazate pe aceasta tehnologie, respectiv purificatoare si desalinizatoare de apa, centrale termice pe baza de hidrogen rezultat din apa, etc • Schema electronica de comanda este mult mai simpla, mai stabila in funcționare si mai ieftina;

• Celulele de fracturare sunt optimizate, cu arhitectura schimbata fata de cele cunoscute pana acum, permit obținerea de debite sporite de gaz cu consum energetic redus.

In descrierea invenției s-au folosit următoarele desene si scheme explicative:

Fig. 1 Schema de principiu a instalației;

Fig. 2 Schema generatorului de semnal de comanda;

Fig. 3 Schema electronica a unui modul de joasa tensiune;

Fig. 4 Schema celulei de fracționare moleculara, optimizata;

Fig. 5 Studiul dispersiei sarcinii electrice in celula de fracturare;

Fig. 6 Desen de execuție pentru țevile celulei de fracturare moleculara, reperele (1) si (2); Fig. 7 Desen de execuție pentru prelungirea țevii exterioare, reperul (5).

Conform Fig. 1, instalația are următoarea alcătuire, pe blocuri funcționale:

• Generatorul de semnal dreptunghiular modulat, (1.1);

• Bloc de comanda celule (1.2);

• Modul de celule de fracturare moleculara (1.3);

• Sursa de alimentare cu tensiune variabila 0-220Vc.c (1.4);

• Alimentarea cu apa (soluție pe baza de apa) a instalației (1.5);

• Evacuare gaze rezultate din fracturare moleculara (1.6);

• Evacuare si colectare depuneri solide (1.7).

Instalația conform invenției este alcatuita din blocurile funcționale prezentate in Fig. 1.

Generatorul de semnal (1.1) modulat, dreptunghiular, este alcătuit din doua generatoare independente (Fig.2), ambele generând semnal dreptunghiular, primul generator cu frecventa reglabila in gama 0,8-5kHz, cu factor de umplere de 60-80%, ce va genera frecventa de modulare si al doilea generator, cu factor de umplere in aceeași gama de variație ca si precedentul, dar cu gama de frecventa reglabila intre lOHz-lkHz, acest generator oferind frecventa purtătoare.

In practica s-a constatat ca sunt favorabile doua perechi de frecvente, respectiv 1,295 KHz / 590 Hz si 6,67 KHz/1,4 KHz. Dintre cele doua perechi de frecvente prima da rezultate cu aproximativ 20% superioare celei de-a doua perechi de frecvente.

Α~ 2 Ο 13 Ο 1023 ί ⁶ -12- 2013

Cele doua semnale dreptunghiulare sunt introduse prin doua porti SI-NU, dintr-un circuit integrat de uz general de tip CD4093, la ieșirea ultimei porti rezultând semnalul din Fig. 2.A, la un nivel de tensiune de 8-8,5V.

Blocul de comanda celule (1.2) este prezentat in detaliu in Fig. 3.

Acest bloc primește semnalul de la generatorul de semnal (1.1), prin intermediul Rl, semnalul fiind preluat de un circuit integrat (C.I.l) de tipul TC 427, care este un circuit de comanda specializat pentru tranzistori de tip MosFet, canal N. Cei trei tranzistori, (T1...T3) de tipul IRFP 260N, sunt montati in paralel, primind semnal pe grila simultan. S-a ales aceasta conexiune pentru tranzistori, atat pentru a maximiza curentul suportat cat si pentru a reduce disipatia termica, implicit pierderile inutile de energie.

Ca sarcina pe grupul de tranzistori este un circuit L-C serie, format din bobinajul de excitație Ll, inseriat cu gruparea de celule de fracturare moleculara Gl...Gn, acestea comportandu-se in circuit ca si o baterie de condensatori.

Pe cealalta armatura a condensatorilor (Gl..Gn), este conectata o grupare de diode de comutație de putere (Dl, D2), conectate in paralel, tot pentru a maximiza curentul si a reduce disipatia termica, de tipul RHRG 75176, diode ce au rolul de supapa ce permite trecera curentului doar spre condensatori (Gl..Gn) si nu invers.

Câmpul indus de bobina de excitație Ll este preluat de bobina L2, care este alimentata direct dintr-o sursa de alimentare variabila 0-220V curent continuu, practic tensiunea de rețea redresata. Prin câmpul realizat de bobina Ll este excitata si modulata sincron tensiunea de alimentare prin cuplajul magnetic realizat cu L2, astfel rezultând o pompa de curent si tensiune pe puls pozitiv, care practic injectează energie simultan pe cele doua armaturi ale condensatorilor Gl..Gn, sincron cu frecventa de modulație a semnalului de comanda, pana când se ajunge la străpungerea dielectricului lichid, apoi fenomenul se repeta in ritmul frecventei purtatoaredin semnalul de comanda.

Bobinele Ll si L2 s-au realizat bobinând simultan, pe diametre cuprinse intre 30150mm, cu doi conductori de CuEm 2-3L, cu diametru 0,7-3mm, un număr de spire ce variaza intre 75 - 300 spire, funcție de tensiunea de alimentare maxima aplicata dar si de numărul de celule de fracturare sunt conectate. O limitare a curentului, deci si a disipatiei termice inutile, se obține printr-un miez de ferita ce are poziție reglabila in interiorul bobinelor.

Acești condensatori avand dielectric apa, rezultatul este obținerea unei sarcini polare pozitive de nivel suficient de ridicat, pana la 1 KV varf-la-varf, ce actioneaza direct asupra atomilor de oxigen din apa, sau generalizând, asupra elementelor electronegative aflate in soluție, cum ar fi oxigenul, clorurile si florurile din apa de mare, etc., care cauta combinații energetice stabile dar care sunt atrase in capcana de armaturile puternic încărcate pozitiv.

Din aceasta acțiune, se rup din legaturile covalente originale elementele din grupele VI, VII ale Sistemului periodic al elementelor, iar atomii cu care au fost combinate aceste elemente, fie se degaja, ca si hidrogenul din apa, fie se depun la baza instalației.

In funcție de aplicația dorita, tensiunea de alimentare se poate limita, astfel pentru desalinizarea apei de mare o tensiune de aproximativ 100-120V este suficienta, la niveluri mai mari rezultând si ruperea legăturii covalente din apa.

Fenomenul de fracturare moleculara nu are un prag critic la care se produce, ci acesta se obține gradual începând de la o alimentare de la sursa de aprox. 8V c.c. si se amplifica treptat, pe măsură ce tensiunea de alimentare creste. Acest fenomen permite si un dozaj al puterii consumate dar si o programare in timp a efectelor dorite. Totuși, se poate observa o zona de eficienta pe curba consumului specific de energie raportata la debitul de gaz ^- 2 0 1 3 0 ț O 0 ii 1 B -12- 2013

rezultat din descompunerea apei, respectiv a randamentului, o zona favorabila pentru care consumul de energie ajunge la valori sub 18W/Litru gaz/h.

Din determinări experimentale s-a stabilit ca pentru țevi construite din inox 316L, rezultate prin tregere pe dom, conform desenelor de execuție din Fig. 6, puterea maxima ce poate fi disipată, prin transfer de energie către moleculele de apa, cu efect Joule minim, este de 0,1536W/ora/cm2 de țeava.

In aceste condiții se obțin aprox. 8,5 Litri gaz/h/teava rezultat din descompunerea apei potabile din rețeaua de consum curent, fara nici un adaus de electrolit sau orice alta substanța care ar putea mari conductibilitatea electrica a apei.

De o importanta deosebita este alegerea țevilor si a tipului de fabricație prin care au rezultat. Astfel, țevile trase pe dom au trei mari dezavantaje: de regula sunt conice atat la interior cat si la exterior, sunt ovale, nu perfect rotunde si in plus si cel mai grav, au zona de contact cu domul de tradere ecruisata, structura cristalina fiind deformata. In aceste condiții se impun ca si obligatorii doua tratamente, respectiv recoacerea de detensionare pe curba recomandata pentru inox 316L dar si demagnetizarea in urma prelucrărilor prin aschiere. Cele doua procedee menționate sunt de o importanta majora in randamentul celulelor de fracturare. Al doi-lea tip de țevi sunt cele sudate, aici fiind de făcut următoarele considerații: exista țevi sudate cu laser, care sunt preferabile si țevi sudate cu diverse alte aliaje cu duritate sporita. Probleme grave apar la țevile sudate cu diferite aliaje precun XC90, care au pana la 60 unitati HRC de-a lungul cordonului de sudura, ceea ce nu permite realizarea de filete si prelucrări prin aschiere. In acest sens este obligatoriu sa se faca teste de aschiere pe țevile sudate, înainte de a se comanda loturi de material. Pentru acest tip de țevi este recomandabil sa se faca atat recoacere de detensionare cat si demagnetizare, dar daca procedeele nu sunt disponibile pierderile nu depasesc 5% din randamentul final.

Construcția celulelelor de fracturare moleculara Gl-Gn, este optimizata pentru a se înlătură neajunsurile constatate in funcționare cu celule prezentate si realizate conform cereri de brevet A 201101109, cu data de depozit 03.11.2011. Astfel s-a constatat ca pe măsură ce celulele încep sa debiteze gaz, acesta se ridica de-a lungul spațiului dintre cele doua țevi, acumulandu-se in partea superioara a țevilor, ceea ce duce la schimbară stării de agregare a dielectricului dintre țevi, care trece din starea lichida in starea gazoasa, practic condensatorul funcționând din ce in ce mai puțin pe măsură ce coloana de gaz se mărește, doar in zona in care mai este plin cu apa.

Cu cat nivelul de apa din bazinul situat la căpătui superior al țevilor este mai mare cu atat, in fiecare țeava din instalație, dopul de gaz de la partea superioara a țevilor se va mari, pana va învinge presiunea coloanei de apa de deasupra si se va putea degaja, barbotand apa din bazinul superior ceea ce favorizează recombinarea gaselor in masa de apa, rezultând pierderi din debitul de gaz.

De asemenea, din cauza impurităților din apa, sau a compoziției soluțiilor folosite, s-a constatat ca in timpul funcționarii, apare o spuma cu tensiune superficiala ridicata si foarte aderenta atat la inox cat si la majoritatea materialelor plestice, care si ea obstructioneaza trecerea gazului pe la partea superioara a țevilor, aceasta spuma trebuind eliminata pentru a nu se acumula in interstitiul dintre țevi.

Din aceste considerente s-au operat următoarele modificări, rezultând instalația din Fig. 4 si anume:

• S-a renunțat la bazinul cu apa de la partea superioara a țevilor, pentru a elimina definitiv presiunea coloanei de apa ce încetinea degajarea gazului si permitea recombinări;

Ο 1 3 Ο 1 Ο C· “ 1 6 -12- ΕΟ13

• S-au prelungit țevile (1,2) cu aproximativ un sfert din lungimea lor, cu segmente realizate din PomC (5, 13), pentru ca dopul de stagnare a gazelor (8) sa nu afecteze lungimea de lucru a condensatorului, ci stagnarea gazului sa se faca pe o zona dielectrica, in acest fel condensatorul functionanad permanent cu capacitate maxima si constanta.

• Țevile exterioare (1) s-au prelungit cu elementul (5) care are spre exterior o zona conica înclinată la 45 grade, pe care spuma rezultata din procedeu se scurge treptat, astfel incat se facilitează eliberarea gazelor, dar si eliminarea spumei. Panta trebuie sa fie de aproximativ 45-60 grade pentru ca spuma sa se scurgă încet dar ferm, unghiul optim se alege in funcție de tensiunea superficiala a lichidului dielectric.

• Pentru ca instalația sa funcționeze optim, s-a prevăzut ca nivelul de apa dintre țevi sa fie stabilit imediat sub nivelul maxim posibil in țevile cu prelungirea din PomC cu tot, cu aprox. 2mm sub căpătui lor superior, printr-un sistem de vase comunicante cu un bazin de alimentare (12), ce are același nivel static ca si nivelul dintre țevi (NA).

Astfel, pe măsură ce se degajeaza gaz (GAZ) si se elimina spuma (SP), acestea sunt împinse pe direcția de ieșire dintre țevi de către nivelul hidrostatic stabilit in vasul de alimentare (12).

Deoarece țevile (1,2) din care este construit condensatorul sunt fabricate din otel inox 316L, ce are in compoziție Ni si Cr, acestea nu se comporta satisfăcător in transferul de sarcina electrica către apa, fiind rezistive electric. Astfel, la curenti mari, peste 10A, se constata o încălzire a țevilor prin efect Joule. La acest aspect contribuie si grosimea relativ mica a pereților țevilor, dar si neomogenitatea materialului, in special la țevile trase pe dom si ecruisate la interior.

In acest context apare ca foarte important cum si unde se face conexiunea electrica la cele doua țevi, aspect analizat in Fig. 5.

In cererea de brevet menționata mai sus, fata de care ne raportam, dispersia sarcinii electrice de la țevi către apa este realizata ca si in Fig. 5A, situație care este defavorabila. Se constata ca partea superioara a țevilor daca este prelungita mult devine inutila pentru ca sarcina electrica ce ajunge in zona respectiva este doar pierduta in apa, nefiind suficienta pentru fracturare moleculara.

Din aceste considerente situația optima este in Fig. 5D, in care țeava exterioara (1) este imbracata la exterior cu un manșon de bronz, alama sau cupru (4), iar țeava interioara (2) este astupata pe interior, pe toata lungimea ei cu un miez din același material (3). In acest context este utila plasarea conexiunilor electrice (9, 10), pe cat posibil la mijlocul țevilor si nu către capete.

Toate aceste masuri au permis obținerea unei distribuții de sarcina liniara si uniforma (S1,S2) pe toata lungimea țevilor, in consecința optimizarea funcționarii celulei de fracturare.

In Fig.6 sunt prezentate desenele de execuție pentru țeava exterioara (1) si țeava interioara (2). Ambele țevi sunt confecționate din otel inox 316L. Este recomandabil ca distanta pe raza intre țevi sa fie cuprinsa intre 1,3-1,6 mm. Pentru distante mai mari potențialul necesar străpungerii dielectricului si realizării fracturării moleculare este foarte mare si atunci se pierde posibilitatea utilizării joasei tensiuni. Pentru distante mai mici de lmm/raza, bulele de gaz se acumulează si apoi adera simultan la ambii pereți ai țevilor ceea ce duce rapid a formarea de dopuri de gaz care se desprind cu mare greutate pentru a se degaja, avand consecința blocarea funcționarii celulelor de fracturare.

Λ-2013 OiuC*-^ν î 6 -12- 2013

Fig.7 reprezintă desenul de execuție pentru prelungirea țevii exterioare, poz. 5, realizata din material plastic dielectric, PomC. Pe desen se pot observa patru găuri M4, dispuse la 90 grade, pe circumferința reperului. In aceste orificii se vor introduce patru stifturi filetate confecționate tot din PomC, rolul lor fiind acela de a păstră prelungirea țevii interioare (13) centrata in interiorul prelungirii țevii exterioare (5).

β-2013 οιoe- f 5 -12- 2013

Claims (4)

1. Revendicări

   1. Instalație pentru fracturare moleculara multipla in curent pulsatoriu de joasa tensiune caracterizata prin aceea ca este compusa dintr-un Generator de semnal dreptunghiular modulat (1.1), un Bloc de comanda celule (1.2) si un Modul de celule de fracturare optimizate (1.3), ce funcționează pe baza străpungerii dielectricului pe baza de apa din interiorul celulei de fracturare ce se comporta ca si un condensator, străpungere realizata prin curent pulsatoriu dreptunghiular, modulat in frecventa (Fig. 2A) si la tensiuni de alimentare ce nu depasesc 220V c.c, fara a adauga electrolit in instalație.
2. 2. Instalație realizata conform Revendicării 1 caracterizata prin aceea ca Blocul de comanda celule (1.2) este construit doar pe baza unui circuit L-C serie acordat, comandat de o grupare de tranzistori MosFet canal N (T1...T3), fara a se utiliza transformatoare de înalta tensiune, ci funcționând ca o pompa de energie pozitiva de joasa tensiune, către armaturile condensatorului de fracturare (Gl...Gn), avand drept supapa de sens o grupare de diode (D1,D2).
3. 3. Instalație realizata conform Revendicării 1 caracterizata prin aceea ca Modulul de celule de fracturare (1.3) este realizat din celule de fracturare coaxiale, construite din tuburi de otel inox 316L (1, 2), prelungite cu aproximativ un sfert din lungimea lor cu elemente din material plastic dielectric PomC (5, 13), elementul exterior de prelungire (5), fiind prevăzut cu o parte exterioara conica la 45-60 grade, pentru scurgerea lenta a spumei din instalație.
4. 4. Instalație realizata conform Revendicării 1 caracterizata prin aceea ca Modulul de celule de fracturare (1.3) este realizat din celule de fracturare coaxiale, construite din tuburi de otel inox 316L (1,2) care, din necesitatea ca sarcina electrica transmisa dielectricului apa sa fie uniform distribuita de-a lungul tuburilor din otel inox, sunt imbracate intr-un tub exterior din alama, bronz, cupru la exterior (4)- țeava exterioara (1), si la interior (3)- țeava interioara (2), iar conexiunile electrice sunt realizate la mijlocul lungimii țevilor prin bare de alama de 4mm diametru.