WO2017103657A1 - Sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de masa - Google Patents

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WO2017103657A1
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Rubén Ramos de la Fuente
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MIZRAHI AKSIYOTE, Aldo Adolfo
MARTÍNEZ LÓPEZ, Belén
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Definitions

  • the present invention relates to a system, method and apparatus for the transfer of vapor molecules from a liquid into a gas stream.
  • it refers to a system and apparatus for increasing the humidification and filtering of air and water pollutants; and solutes dissolved in the water.
  • a system and apparatus for transferring aqueous mass to a specific air stream with solid surfaces and / or aqueous membranes is described.
  • the present invention will be described as a system to potentiate mass transfer, where liquid molecules (water) are transferred by mass transfer phenomena into a gas (air) stream, in contact with liquid and surfaces. solid in question.
  • Liquids have a physical-chemical property called vapor pressure. That property determines the equilibrium between the liquid-vapor phases of a liquid. Under such property, a liquid will always tend to establish a balance between the liquid and vapor phase.
  • the evaporation phenomenon occurs when steam is generated as a result of the equilibrium between the liquid-vapor phases. If a gas stream absorbs the vapor in equilibrium with the liquid phase, a new vapor will be generated to restore the liquid-vapor balance.
  • Mass transfer is a physical phenomenon that has many applications, such as desalini zadoras plants or environmental control systems, to name just two examples.
  • seawater has dissolved mineral salts, which is not potable for humans. Even ingesting seawater in large quantities can lead to death. 97.5% of the planet's water is salty and only an amount less than 1% is suitable for human consumption, so getting seawater purification is one of the possible solutions to the shortage of drinking water.
  • water desalination plants For some years now and particularly in countries of the Middle East they have used water desalination plants to produce drinking, however, the process is expensive and relatively underutilized. There is currently a production of more than 24 million cubic meters per day of desalinated water worldwide.
  • the main disadvantages of the current desalination plants are that during the process of extracting salt from water, saline residues and harmful pollutants are generated to the flora and fauna.
  • the main problem of the desalination process is the high cost of energy consumption, whether in reverse osmosis, distillation, freezing, lightning evaporation, hydrate formation or electrodialysis processes. It is known that the most efficient average desalination costs per cubic meter of drinking water are around $ 5 to $ 15.
  • the Chinese patent application describes an electrodialysis seawater desalination equipment by an electromagnetic separation component that has upper and lower electrodes connected with a magnetic pole and a vertical outlet connection tube to allow water to flow Through the pipe. For its part.
  • the utility model of China CN203922783U describes an electromagnetic salt removal device that has an evaporation tank provided with a reservoir body which is provided with steam outlet port, and a controller connected to the tank body, where steam outlet port ends are connected with two pipe bodies.
  • the disadvantage of these documents is that during the evaporation process, they do not take advantage of the potential that the mass transfer applied to that purpose may have.
  • Said mass transfer process is applied in some evaporation humidifiers.
  • US Patent No. US 5,945,038 describes an evaporator evaporator comprising an absorbent material in which a portion of the humidification material is submerged and the upper portion is exposed to air, in said patent. also I know describes the use of a float to control the water supply.
  • Boiling humidifiers mix a stream of air with a stream of water vapor, obtained from the boiling of water.
  • evaporators have the advantage of eliminating all types of microorganisms, however they generate a "white powder" consisting of insoluble salts and minerals in the water that are carried in the steam streams.
  • evaporation humidifiers have the disadvantage of consuming a large amount of energy for boiling water.
  • said humidifiers do not provide means to remove contaminants contained in the air stream.
  • Hot dew humidifiers operate with steam near the dew temperature.
  • the water vapor is cooled shortly before contacting the air stream, so that a gaseous mixture of water vapor and small drops of water with air is obtained. Therefore, such equipment has the disadvantage of maintaining air pollutants.
  • Dew Humidifiers also do not provide means to remove contaminants contained in the air stream.
  • Such humidifiers also do not provide means to remove contaminants contained in the air stream.
  • Ultrasonic humidifiers use high frequency vibrations to atomize and evaporate water. However, they have the disadvantage of requiring expensive maintenance. In addition, these humidifiers also do not provide means to remove contaminants contained in the air stream.
  • boiling humidifiers, hot spray, cold spray and ultrasonic do not remove contaminants contained in air currents, so that in such humidifiers, contaminants are carried away with the humidified air stream.
  • Mexican patent 264635 developed by this applicant, describes a system and apparatus for the transfer of liquid phase to gaseous phase with removal of contaminants characterized in that it comprises a plurality of liquid membrane generation cells, where the liquid membranes collapse by Contact with a gaseous stream, the collapsed liquid material coats the suspended particles and removes them by decantation, and where the membrane cells also increase the velocity of the gaseous stream and make it impact 45 ° on the surface of the liquid.
  • said evaporator has certain disadvantages in terms of an upper limit in mass transfer.
  • the present invention seeks to provide a system and apparatus of high efficiency in the transfer of vapor molecules from a liquid into a gas stream, for use in the removal of particles such as dust and contaminants from a moistened air stream and additionally the removal of metals, particles and salts in the liquid (water), which substantially overcomes the problems of the systems and devices mentioned above.
  • the increase in efficiency is achieved from the inhibition of the phenomenon of "wet bulb" in the mirror of the liquid (water)
  • the system, method and apparatus of the present invention is based on one or more elements that allow to raise the temperature of the liquid by means of contact surfaces, increase the humidification up to 1000%.
  • the characteristics of the aqueous membrane cells (bubbles) generated by the use of a disk were studied where the effect of the temperature on the disk and the liquid was experienced and verified, as well as the characteristics of the membranes aqueous (bubbles) generated by the use of a disk, considering the speed of air flow and particularly the shape and size of the perforations of the disk (membrane cells).
  • the results showed that the efficiency in the transfer of molecules of the liquid (water) in a gas (air) flow increases according to the increase in temperature of the membrane cell in the disk and the liquid. Where the column of air bubbles reaches a higher performance than that of a conventional humidifier.
  • the main objective thereof is to provide a system and apparatus of high efficiency in the transfer of vapor molecules from a liquid into a gas stream.
  • a second object of the invention is a system and apparatus of high efficiency in mass transfer that allows the temperature to be controlled by means of solid surfaces that are wetted and subjected to an air flow, which avoids the wet bulb phenomenon.
  • a third objective of the invention is a high efficiency mass transfer system and apparatus that removes dust and contaminants from a stream of humidified air without generating fungi, algae and aerobic germs.
  • a fourth objective of the invention is a high efficiency mass transfer system and apparatus that eliminates dissolved solutes in water such as salts, metals or any other particle in the water.
  • Fig. 1 illustrates the means for generating membranes of the system and apparatus of high efficiency in mass transfer of the present invention.
  • Fig. 2A and 2B show in detail the elements comprising each disk of the system and apparatus of high efficiency in mass transfer of the present invention.
  • Fig. 3 shows a membrane disk assembly plate of the system and high efficiency mass transfer apparatus of the present invention.
  • Fig. 4 corresponds to a view of the means for generating membranes of the system and apparatus for transferring vapor molecules of a liquid of the present invention.
  • Fig. 5 shows an exploded view of the high efficiency mass transfer system and apparatus of the present invention.
  • Figure 6 corresponds to a sectional side view of the mass transfer system with induction of solids by electromagnetic field induction of the present invention.
  • the present invention presents a method, apparatus and system that allows to control the temperature of the liquid by means of solid surfaces that are wetted and subjected to an air flow, which acquires a humidity by being in contact with a liquid source; said liquid source, as well as the surfaces in question, tend to heat up and, in doing so, their efficiency is increased because a change in the temperature of the contact surfaces is inhibited, as well as also of the liquid involved in the humidification process.
  • the high efficiency mass transfer system of the present invention comprises a means for generating liquid membranes (100) consisting of a plurality of discs (110) arranged on assembly plates (120) ) assembled on an axis (130) for rotation, wherein said disks (110) are arranged parallel to an equidistant distance forming a cylindrical arrangement of discs (110) generating aqueous membranes.
  • a disk (110) of the plurality of discs that make up the means for the generation of membranes (100) is illustrated in detail in Figure 2.
  • Each disk (110) has a hollow center (114) which comprises a plurality of grooves (111) arranged in its perimeter, a solid surface (115) which has in its area, a plurality of perforations (112) arranged at a distance equidistant from one another.
  • each perforation (112) has a perimeter (113) by which aqueous membranes are generated, said perimeter will be referred to herein as membrane cells.
  • the perforations (112) have an oval shape and the perimeter of each oval has a wavy shape, in order to provide a larger contact surface that favors the formation of liquid membranes where the shape of each perforation (112) and the shape of the perimeter of said perforations (112) are suitable for the formation of a liquid membrane
  • the disks (110) of the means for generating membranes (100) form liquid membranes in the perforations (112) and between the separation of the disks (110), so there is also the presence of liquid membranes in the separation of the disks (110) which favors the mass transfer process.
  • the liquid diffuses through the membranes with the gas stream (mass transfer) and causes the output air to be modified, where the diffusion of the liquid depends on the diameter of the membrane in the perforations (112), the velocity of the aqueous membrane (membrane-liquid ratio of air volume), the water temperature, the temperature of the disk (110) which leads to an increase in the mass transfer coefficient.
  • each disk (110) comprises heat generating means (116) consisting of at least one conductive element that is located between the perforations (112) on the solid surface (115) of each disk (110), where the shape of the heat generating means (116) is waved or undulated without being limited to said shape, forming a plurality of electrical resistors connected in series or parallel on the solid surface
  • the configuration, shape and connection of the heat generating means (116) as contemplated in Figure 2 is not limited to said configuration, so that it is within the scope of the present invention arrangements can be used alternatives between the perforations (112) and heat generating means (116) and the discs (110) with different patterns, regular or irregular.
  • the heat generating means (116) are electrically energized by a control element that controls the flow of current through the conductive element.
  • a control element that controls the flow of current through the conductive element.
  • the assembly plate illustrated in Fig. 3 consists of a rectangular assembly plate (120) having grooves (301), wherein said assembly plate (300) has a comb-like shape.
  • the grooves (121) of the disks (110) not shown are coupled in the grooves (301) of the assembly plate (120) to form the means for generating membranes, which has a cylinder-like structure.
  • the disks (110) can have any shape, such as a polygonal shape.
  • the hollow center (114) of the discs (110) defines a chamber (117) inside the plurality of membrane cells (118) in a cylindrical arrangement.
  • a pair of covers (170) cover the hollow centers (114) of the lateral discs (110) of the cylindrical arrangement of the means for generating membranes (100) and prevents the entry of gas flow into the center of the medium for the generation of membranes (100).
  • the membrane cells (118) are formed in the spaces between the solid surfaces (115) of the discs (110) and the assembly plate (120). These cells are shaped like an irregularly widened cube on one of their faces.
  • the plurality of discs (110) is made of any metallic material that facilitates the transmission of heat and which in turn allows the formation of an aqueous membrane.
  • the heat generating means (116) heat the disk (110) to a certain temperature by evaporating the liquid impregnated on the solid surface (115) and facilitating the rupture of the aqueous membranes between the disks (110) and the membrane cells (112) ) that are formed between the disks (110) through an injected gaseous flow.
  • the high efficiency apparatus for transferring vapor molecules from a liquid into a gas stream comprises a base (401) and a first cover (402) that constitute the housing of the apparatus, which can be made of any material, for example, metal or plastic, where the base (401) houses the liquid to be treated in the system.
  • the base (401) may comprise an arrangement of at least one electrical resistor for efficient heating of the liquid to be treated;
  • a second cover (403) has gas or air supply slots (404) and gas ejection slots (405) from the apparatus.
  • Air convection means (404) comprise any means to force the convection of air or gas into the system.
  • said means is an axial fan mounted on an inner baffle (405), however, any system that generates an air flow can be used, for example, plunger, turbine, radial fan, blower, compressor , etc.
  • an external air stream can be used, for example a pipe stream.
  • a motor (406) mounted on a base (407), which generates rotation movement and transmits it to the medium for the generation of membranes (100) by mechanical coupling with a cogwheel or gear (408).
  • the air injected by the air convection means (404) is forced to pass through the means for the generation of membranes (100) comprising a plurality of discs (110) where each disk has Heat generating means (116) are illustrated in detail in Figures 1 to 3. Additionally, the heat generating means (116) heat the liquid (500) contained in the base (401) of the High efficiency apparatus in the transfer of vapor molecules from a liquid into a gas stream (501).
  • the disks (110) rotate continuously or intermittently, so that the means for the generation of membranes (100) is immersed and emerges in the liquid (500), forming liquid membranes in the perforations (112) of each disc (110) that integrates the means for the generation of membranes (100); additionally liquid membranes are formed between the separation distance of each disk (110).
  • the injected air forms a plurality of vectors in the direction that where the air moves directly to the disks (110) and the assembly plates (300) by the help of an installed baffle additionally (not shown in the figure). Therefore, the criterion of higher pressure exerted on the disks (110) will be met since the rupture of the membranes is guaranteed.
  • the disks (110) are heated to a predetermined temperature through the heat generating means (126), which are partially immersed in the base (401) containing a liquid (500) to a certain liquid level.
  • the disks (110) of the medium for the generation of membranes (100) transfer part of the heat generated to the liquid (500)
  • the disks (110) are submerged to a position A, where the liquid in the base (401) is heated to a certain temperature by means of heat generating means (126), because the liquid wets part of the disks (110 ).
  • At least one aqueous membrane of the liquid is formed in the medium for the generation of membranes (100) and is influenced by the flow of air injected by the means of air convection (404).
  • the membrane collapses atomizing into thousands of particles. Airborne particles are trapped by membrane atomization and decant.
  • the arrangement of disks (110) of the means for generating membranes (100), provides the system and apparatus of the invention with channeling means, space and time for the particles that have been humidified still dispersed in the gas to precipitate and agglutinate.
  • the air flow (501) directly affects the aqueous membranes of the medium for the generation of membranes (100), which upon receiving the air flow collapse, atomizing into thousands of small particles of the liquid that formed each membrane.
  • the liquid membranes described in the present description collapse upon contact with small particles of material, such as dust, and the collapsed membrane portions are capable of moistening particles of the size of a mill. In this way, air particles are collected and agglutinated. Simultaneously, the liquid particles of the collapsed membrane are transferred to the air stream by humidifying it. Flavors that can be alternately added, are also transferred to the air stream by aromatizing it. The air flow resulting from the process is completely clean, moisturizing the environment and flavoring it.
  • Membrane generating means (100) in the preferred embodiment of the invention has been illustrated as a plurality of discs (110) forming membrane cells in a cylindrical arrangement. However, it is not limited to such form or number of cells, as will be apparent to a person skilled in the art, the arrangement may change. For example, a block of cells can be arranged through which the air circulates, with the provision that the liquid supply means flood or bathe said cell block. A block of membrane generation cells is considered included in the scope of the present invention.

Abstract

Se describe la un método, aparato y sistema mediante el cual se permite controlar la temperatura del líquido, por medio de superficies sólidas que se humectan y son sometidas a un flujo aéreo, mismo que adquiere una humedad por estar en contacto con una fuente de agua; dicha fuente de agua, así como las superficies en cuestión, tienden a enfriarse y, al hacerlo, este y cualquier equipo sometidos a las mismas leyes y/o fenómenos, perderá eficiencia debido al cambio en la temperatura de los líquidos involucrados en el proceso de humidificación.

Description

S ISTEMA Y APARATO DE ALTA EFICIENCIA EN LA TRANSFERENCIA
DE MASA
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema, método y aparato para la transferencia de moléculas de vapor de un liquido hacia una corriente de gas. En particular se refiere a un sistema y aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua; y solutos disueltos en el agua. Específicamente, se describe un sistema y un aparato para transferir masa acuosa a una corriente de aire en específico, con superficies sólidas y/o membranas acuosas.
La presente invención se describirá como un sistema para potenciali zar la transferencia de masa, en donde las moléculas de líquido (agua) se transfieren por fenómenos de transferencia de masa hacia una corriente de gas (aire), en contacto con el líquido y las superficies sólidas en cuestión .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los líquidos poseen una propiedad físico-química denominada presión de vapor. Dicha propiedad determina el equilibrio entre las fases liquido-vapor de un liquido. En virtud de tal propiedad, un liquido siempre tenderá a establecer un equilibrio entre la fase liquida y vapor.
El fenómeno de evaporación tiene lugar cuando se genera vapor como resultado del equilibrio entre las fases liquido-vapor. Si una corriente de gas absorbe el vapor en equilibrio con la fase liquida, un nuevo vapor será generado para restablecer el equilibrio liquido-vapor.
La transferencia de masa es un fenómeno físico que tiene muchas aplicaciones, como en las plantas desalini zadoras o los sistemas de control ambiental, por mencionar tan solo dos ejemplos.
En el caso de plantas desalini zadoras , se busca separar y eliminar la sal del agua de mar, para obtener agua potable. El agua de mar tiene sales minerales disueltas, lo cual no es potable para el ser humano. Inclusive, la ingestión de agua de mar en grandes cantidades puede llegar a provocar la muerte. El 97.5% del agua del planeta es salada y sólo una cantidad inferior al 1% es apta para el consumo humano, por lo que conseguir la potabilización del agua de mar es una de las posibles soluciones a la escasez de agua potable. Desde hace algunos años y particularmente en países de medio oriente se han valido de plantas desalinizadoras de agua para producir potable, sin embargo, el proceso es costoso y relativamente poco utilizado. Actualmente existe una producción de más de 24 millones de metros cúbicos diarios de agua desalinizada en todo el mundo. Las principales desventajas de las actuales plantas desalinizadoras es que durante el proceso de extracción de la sal en el agua, se generan residuos salinos y sustancias contaminantes per udiciales a la flora y la fauna. No obstante, el principal problema del proceso de desalini zación es el gasto elevado de consumo energético, ya sea en procesos de osmosis inversa, destilación, congelación, evaporación relámpago, formación de hidratos o electrodiálisis . Se sabe que los costos promedio de desalinización más eficientes por metro cúbico de agua potable son de alrededor de 5 a 15 dólares.
Al respecto, existe una pluralidad de patentes relacionadas a procesos y plantas desalinizadoras. En ejemplo, la solicitud de patente china describe un equipo de desalinización de agua de mar de electrodiálisis mediante un componente por separación electromagnética que tiene electrodos superior e inferior conectados con un polo magnético y un tubo de conexión de salida vertical para permitir que el agua fluya a través de la tubería. Por su parte .
El modelo de utilidad de China CN203922783U describe un dispositivo electromagnético de eliminación de sal que tiene tanque de evaporación provisto de cuerpo de depósito que se proporciona con puerto de salida de vapor, y un controlador conectado al cuerpo del depósito, en donde extremos de puerto de salida de vapor están conectados con dos cuerpos de tuberías. La desventaja de estos documentos es que durante el proceso de evaporación, no aprovechan el potencial que puede tener la transferencia de masa aplicado a dicho fin.
En el proceso de transferencia de masa, una corriente de aire toma el vapor en equilibrio con la fase líquida, el equilibrio se rompe, y se genera nuevo vapor para restablecer el equilibrio, en donde el aire que se genera es un aire húmedo.
Dicho proceso de transferencia de masa es aplicado en algunos humidificadores de evaporación.
Sin embargo alguno humificadores emplean otros procesos que utilizan un material humedecido, lo cual que tienen la desventaja de que dicho material puede ser un foco para la creación de hongos, algas y gérmenes aeróbicos .
La patente de los Estados Unidos No. US 5, 945, 038 se describe un evaporador de evaporación que comprende un material absorbente en donde una porción del material de humidi ficación se encuentra sumergido y la porción superior se encuentra expuesta al aire, en dicha patente además se describe el uso de un flotador para controlar el suministro de agua .
Los humidi ficadores de ebullición mezclan una corriente de aire con una corriente de vapor de agua, obtenida a partir de la ebullición del agua.
Dichos evaporadores tienen la ventaja de eliminar todo tipo de microorganismos, sin embargo generan un "polvo blanco" que consiste en las sales insolubles y minerales del agua que son arrastrados en las corrientes de vapor. Por otra parte, los humidificadores de evaporación tienen la desventaja de consumir gran cantidad de energía para la ebullición del agua. Por otra parte, dichos humidificadores no proveen medios para eliminar los contaminantes contenidos en la corriente de aire.
Los humidi ficadores de rocío cálido operan con vapor de agua cerca de la temperatura de rocío. El vapor de agua es enfriado poco antes de ponerse en contacto con la corriente de aire, de tal suerte que se obtiene una mezcla gaseosa de vapor de agua y pequeñas gotas de agua con aire. Por lo que dichos equipos tienen la desventaja de mantener los contaminantes del aire. Además, Los humidificadores de rocío tampoco proveen medios para eliminar los contaminantes contenidos en la corriente de aire.
En los humidificadores de rocío frío, el agua o un líquido acuoso son atomizados y entonces mezclados con el aire. Dichos equipos tienen la desventaja de mantener los contaminantes y microorganismos en la corriente de aire húmedo .
Dichos humidificadores tampoco proveen medios para eliminar los contaminantes contenidos en la corriente de aire .
Los humidificadores ultrasónicos, usan vibraciones de alta frecuencia para atomizar y evaporar el agua. No obstante, tienen la desventaja de requerir un mantenimiento costoso. Además, estos humidificadores tampoco proveen medios para eliminar los contaminantes contenidos en la corriente de aire.
Como se ha indicado arriba, los humidi ficadores de ebullición, roció cálido, roció frió y ultrasónico no eliminan los contaminantes contenidos en las corrientes de aire, de modo que en dichos humidificadores , los contaminantes son arrastrados con la corriente de aire humedecido .
Por otra parte, en el caso de los vaporizadores de evaporación, aun cuando el polvo es eliminado por filtración en el material humedecido, dicho polvo en contacto con el material humedecido resulta en la aparición de hongos, algas y gérmenes aeróbicos. Además, con el tiempo, el polvo acumulado en el material humedecido tiende a obstruir la circulación del aire a través del material humedecido y afectar la transferencia de agua a la corriente de vapor.
Para la eliminación de polvo se conocen diferentes tipos de filtros. También se conoce el empleo de espuma para controlar el polvo en ambientes de minas, por ejemplo en minas de carbón. La espuma se genera por medio de eyectores en donde se mezcla una corriente de aire con una corriente de agua a gran velocidad.
Las patentes de los Estados Unidos Nos. US 4,000,992 y US 4, 400, 220, del 4 de enero de 1977 y 23 de agosto de 1983, describen un sistema para la eliminación de polvo por medio de burbujas en un ciclón.
Finalmente, la patente Mexicana 264635, desarrollada por este solicitante describe un sistema y aparato para la transferencia de masa fase liquida a gaseosa con eliminación de contaminantes caracterizado porque comprende una pluralidad de celdas de generación de membranas liquida, en donde las membranas liquidas se colapsan por contacto con una corriente gaseosa, el material liquido colapsado recubre las partículas suspendidas y las elimina por decantación, y en donde las celdas de membrana además incrementan la velocidad de la corriente gaseosa y la hacen incidir a 45° sobre la superficie del líquido. No obstante, dicho evaporador presenta ciertas desventajas en cuanto a un límite superior en la transferencia de masa. Sin embargo, dichos sistemas sufren de un enfriamiento en las superficies de contacto, asi como en el espejo de agua (tanque, almacén, contenedor del liquido) que alimenta a las superficies sólidas que están en contacto con el flujo de aire que absorbe la humedad a través de dichos sistemas; esto debido al fenómeno denominado de "bulbo húmedo" en donde al enfriarse el liquido, las moléculas acuosas que lo forman tienden a compactarse por un fenómeno natural de temperatura (como extremo una formación de hielo en el cual se hace totalmente sólido) ; este enfriamiento de las moléculas acuosas disminuye dramáticamente la capacidad de evaporación de todos los sistemas conocidos de evaporación en frió por medio de superficies de contacto.
La presente invención busca proporcionar un sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de moléculas de vapor de un liquido hacia una corriente de gas, para su uso en la eliminación de partículas como polvo y contaminantes de una corriente de aire humedecida y adicionalmente la eliminación de metales, partículas y sales en el líquido (agua) , lo cual supera sustancialmente los problemas de los sistemas y aparatos citados anteriormente. En donde el aumento en la eficiencia se logra a partir de inhibición del fenómeno de "bulbo húmedo" en el espejo del líquido (agua), siendo así que el sistema, método y aparato de la presente invención está basado en uno o varios elementos que permiten elevar la temperatura del liquido por medio de superficies de contacto, incrementar la humidi ficación hasta en un 1000%.
Para la presente invención se estudiaron las características de las celdas membranas acuosas (burbujas) generadas mediante el uso de un disco en donde se experimentó y constato el efecto de la temperatura en el disco y en el líquido, así como también las características de las membranas acuosas (burbujas) generadas mediante el uso de un disco, considerando la velocidad de flujo de aire y particularmente la forma y tamaño de los perforaciones del disco (celdas membranas) . Los resultados mostraron que la eficiencia en la transferencia de moléculas del líquido (agua) en un flujo de gas (aire) aumenta de acuerdo al aumento de temperatura de la celda membrana en el disco y el líquido. En donde la columna de burbujas de aire alcanza un rendimiento más alto que el de un humidi ficador convencional .
OBJETO DE LA INVENCIÓN
De conformidad con la presente invención, el principal objetivo de la misma es proporcionar un sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de moléculas de vapor de un líquido hacia una corriente de gas. Un segundo objeto de la invención un sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de masa que permite controlar la temperatura por medio de las superficies sólidas que se humectan y son sometidas a un flujo aéreo, lo cual evita el fenómeno de bulbo húmedo.
Un tercer objetivo de la invención es un sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de masa que elimina el polvo y contaminantes de una corriente de aire humedecida sin que genere hongos, algas y gérmenes aeróbicos .
Un cuarto objetivo de la invención es un sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de masa que elimina solutos disueltos en el agua como son sales, metales o cualquier otra partícula en el agua.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para una descripción detallada de la invención, a continuación se hará referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:
La Fig. 1 ilustra el medio para la generación de membranas del sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de masa de la presente invención. Las Fig. 2A Y 2B muestran a detalle los elementos que comprenden cada disco del sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de masa de la presente invención .
La Fig. 3 muestra una placa de ensamble de discos de membrana del sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de masa de la presente invención.
La Fig. 4 corresponde a una vista del medio para generación de membranas del sistema y aparato para transferencia de moléculas de vapor de un liquido de presente invención.
La Fig. 5 muestra una vista en explosión del sistema y aparato de alta eficiencia en la transferencia de masa de la presente invención.
La figura 6 corresponde a una vista lateral en corte del sistema de transferencia de masa con captación de sólidos por inducción de campo electromagnético de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como es bien sabido, los equipos de evaporación en frió por superficies de contacto hacen pasar agua (liquido evaporativo) a través de superficies sólidas o semi- sólidas, las cuales son sometidas a un flujo de aire con capacidad de absorción de humedad, es decir, que su contenido de humedad relativa es menor al 100% y que al intercambiar humedad en las superficies húmedas, absorbe parte de ésta, generando una evaporación (incremento en la humedad relativa del aire seco que pasa por el sistema)
En sistemas ya conocidos, las superficies de contacto y el liquido al ser sometidos a un flujo de aire, se enfrian por el fenómeno de "bulbo húmedo" y al enfriarse por este fenómeno pierden eficiencia, debido a que las moléculas se conglomeran por causa de disminución de la temperatura .
Particularmente, la presente invención presenta un método, aparato y sistema que permite controlar la temperatura del liquido por medio de superficies sólidas que se humectan y son sometidas a un flujo aéreo, mismo que adquiere una humedad por estar en contacto con una fuente liquida; dicha fuente liquida, asi como las superficies en cuestión, tienden a calentarse y, al hacerlo, se incrementa su eficiencia debido a que se inhibe un cambio en la temperatura de las superficies de contacto, asi como también del líquido involucrado en el proceso de humidi ficación .
De conformidad con las figura 1, el sistema de alta eficiencia en la transferencia de masa de la presente invención comprende un medio para la generación de membranas (100) liquidas que consiste de una pluralidad de discos (110) dispuestos sobre placas de ensamble (120) ensambladas sobre un eje (130) para su rotación, en donde dichos discos (110) se disponen paralelamente a una distancia equidistante formando un arreglo cilindrico de discos (110) generadores de membranas acuosas.
En la figura 2 se ilustra a detalle un disco (110) de la pluralidad de discos que conforman el medio para la generación de membranas (100) .
Cada disco (110) posee un centro hueco (114) el cual comprende una pluralidad de ranuras (111) dispuestas en su perímetro, una superficie solida (115) la cual posee en su área, una pluralidad de perforaciones (112) dispuestas a una distancia equidistante una de las otras. Particularmente, cada perforación (112) posee un perímetro (113) mediante el cual se generan membranas acuosas, a dicho perímetro se llamará en la presente descripción como celdas membrana.
Como se ilustra en la Fig. 2, las perforaciones (112) tienen una forma ovalada y el perímetro de cada ovalo tiene una forma ondulada, con la finalidad de proveer una mayor superficie de contacto que favorece la formación de membranas liquidas en donde la forma de cada perforación (112) y la forma del perímetro de dichas perforaciones (112) son los adecuados para la formación de una membrana líquida .
Haciendo referencia con las figuras 1 y 2, los discos (110) del medio para la generación de membranas (100), forman membranas líquidas en las perforaciones (112) y entre la separación de los discos (110), por lo que también existe la presencia de membranas líquidas en la separación de los discos (110) lo cual favorece el proceso de transferencia de masa.
El líquido se difunde a través de las membranas con la corriente gaseosa (transferencia de masa) y provoca que el aire de salida sea modificado, en donde la difusión del líquido depende del diámetro de la membrana en las perforaciones (112), la velocidad de la membrana acuosa (relación de membrana-liquido de aire de volumen), la temperatura del agua, la temperatura del disco (110) lo que conlleva al aumento del coeficiente de transferencia de masa .
Regresando a la figura 2, cada disco (110) comprende medios generadores de calor (116) que consiste de al menos un elemento conductor que se sitúa entre las perforaciones (112) sobre la superficie solida (115) de cada disco (110), en donde la forma de los medios generadores de calor (116) es ondeada u ondulada sin que se limite a dicha forma, formando una pluralidad de resistencias eléctricas conectadas en serie o paralelo sobre la superficie solida
(115) del disco (110) . Sin embargo, la configuración, forma y conexión de los medios generadores de calor (116) como se contempla en la figura 2, no se encuentra limitada a dicha configuración, por lo que queda comprendido dentro del alcance de la presente invención se pueden utilizar arreglos alternativos entre las perforaciones (112) y medios generadores de calor (116) y los discos (110) con diferentes patrones, regulares o irregulares.
Los medios generadores de calor (116) son energizados eléctricamente mediante un elemento de control que controla el flujo de corriente a través del elemento conductor. Mediante un medio de control y sensores de temperatura se controla la temperatura de la resistencia eléctrica que forma dicho elemento conductor que tiene como objetivo el incremento de temperatura puntual, en la zona de transferencia de masa para incrementar el rendimiento del dispositivo .
Por lo que al controlar la temperatura de los discos (110), por medio de los medios generadores de calor (116) en sus superficies sólidas (115) que se humectan y son sometidas a un flujo de aire, mismo que adquiere una humedad por estar en contacto con una fuente liquida; en donde los discos (110) trasmitirán calor a la fuente liquida. De tal forma se mantiene y se controla la temperatura en el sistema, por lo que se inhibe el fenómeno de "bulbo húmedo" en el espejo liquido, lo que conlleva a incrementar la eficiencia de transferencia de masa y el desempeño hasta en un 1000%.
La placa de ensamble ilustrada en la Fig. 3, consiste de una placa de ensamble (120) rectangular que posee ranuras (301), en donde dicha placa de ensamble (300) tiene la forma semejante a un peine. Las ranuras (121) de los discos (110) no mostradas, se acoplan en las ranuras (301) de la placa de ensamble (120) para formar el medio para la generación de membranas, el cual tiene una estructura semejante a un cilindro.
Como será evidente a un técnico en la materia, los discos (110) pueden tener cualquier forma, como por ejemplo, una forma poligonal.
Con referencia a las figuras 2 y 4, el centro hueco (114) de los discos (110) define una cámara (117) en el interior de la pluralidad de celdas de membrana (118) en un arreglo cilindrico. Un par de tapas (170) cubren los centros huecos (114) de los discos (110) laterales del arreglo cilindrico del medio para la generación de membranas (100) y evita la entrada del flujo gaseoso en el centro del medio para la generación de membranas (100) .
Las celdas de membrana (118) se forman en los espacios entre las superficies solidas (115) de los discos (110) y la placa de ensamble (120) . Dichas celdas tienen la forma de un cubo irregular ensanchado en una de sus caras. La pluralidad de discos (110) se fabrica de cualquier material metálico que facilite la transmisión de calor y que permita a su vez la formación de una membrana acuosa.
Los medios generadores de calor (116) calientan el disco (110) a una temperatura determinada evaporando el liquido impregnado en la superficie solida (115) y facilitando la ruptura de las membranas acuosas entre los discos (110) y las celdas de membrana (112) que se forman entre los discos (110) a través de un flujo gaseoso inyectado .
De acuerdo con la figura 5, el aparato de alta eficiencia en la transferencia de moléculas de vapor de un liquido hacia una corriente de gas comprende una base (401) y una primer cubierta (402) que constituyen la carcasa del aparato, las cuales pueden ser fabricadas de cualquier material, por ejemplo, metal o plástico, en donde la base (401) aloja el liquido que se va a tratar en el sistema. La base (401) puede comprender un arreglo de al menos una resistencia eléctrica para eficientar el calentamiento del líquido a tratar; una segunda cubierta (403) posee ranuras de suministro (404) de un gas o aire y ranuras de expulsión (405) de gas del aparato.
Medios de convección de aire (404) comprenden cualquier medio para forzar la convección de aire o gas en el interior del sistema. De acuerdo a las figuras 5 y 6 dicho medio es un ventilador axial montado sobre un deflector interior (405), sin embargo, puede utilizarse cualquier sistema que genere un flujo de aire, por ejemplo, embolo, turbina, ventilador radial, soplador, compresor, etc. Alternativamente puede emplearse una corriente de aire externa, por ejemplo una corriente de una tubería. El flujo de aire o gas que puede ser intermitente o continuo.
Un motor (406) montado sobre una base (407), el cual genera movimiento de rotación y lo transmite al medio para la generación de membranas (100) mediante el acoplamiento mecánico con una rueda dentada o engrane (408) .
De acuerdo a la figura 6, el aire inyectado por el medio de convección de aire (404) es forzado a pasar a través del medio para la generación de membranas (100) que comprende una pluralidad de discos (110) en donde cada disco posee medios generadores de calor (116), se encuentran ilustrados a detalle en las figuras 1 a 3. Adicionalmente , los medios generadores de calor (116) calientan el líquido (500) contenido en la base (401) del aparato de alta eficiencia en la transferencia de moléculas de vapor de un liquido hacia una corriente de gas (501) .
Los discos (110) rotan continuamente o intermitentemente, de modo que el medio para la generación de membranas (100) se inmersa y emerge en el liquido (500), formando membranas liquidas en las perforaciones (112) de cada disco (110) que integra el medio para la generación de membranas (100); adicionalmente se forman membranas liquidas entre la distancia de separación de cada disco (110) .
Por lo que una vez que el aire inyectado por el medios de convección de aire (404) pasa a través de los discos (110), sino que una parte del mismo es desviado por la geometría del medio para la generación de membranas (100) y la posición de las placas de ensamble (120) en forma de peines, provocando una desviación de aire. Las presiones de aire en el interior del aparato en la zona del medio para la generación de membranas (100) son homogéneas.
Los vórtices generados en la zona de las placas de ensamble (120), provocan que el aire se encuentre recirculando en estos puntos, esto puede resultar benéfico ya que se requiere que el fluido que pase por los discos (110) sea de régimen turbulento; y esto es lo que representan los valores de vorticidad, un flujo turbulento en rotación espiral. El aire inyectado forma una pluralidad de vectores en dirección que donde el aire se desplaza directamente hacia los discos (110) y las placas de ensamble (300) por la ayuda de un deflector instalado adicionalmente (no mostrado en la figura) . Por lo anterior, se cumplirá el criterio de a mayor presión ejercida sobre los discos (110) ya se garantiza la ruptura de las membranas .
Los discos (110) se calientan a una temperatura predeterminada a través de los medios generadores de calor (126), los cuales se encuentran parcialmente inmersos en la base (401) que contiene un liquido (500) hasta un nivel de liquido determinado. Los discos (110) del medio para la generación de membranas (100) transfieren parte del calor generado al liquido (500) Como se ilustra en la Fig. 6, en virtud de la rotación del medio para la generación de membranas (100), los discos (110) se sumergen a una posición A, en donde el liquido de la base (401) se calienta a una cierta temperatura mediante los medios generadores de calor (126), debido a que el liquido moja parte de los discos (110) .
Posteriormente, el disco (110) rota a la posición B, en donde la mitad de las perforaciones (112) de membrana que se encontraban sumergidas emergen y parte del liquido (500) escurre hacia el contenedor (401) . Sin embargo, en virtud de la tensión superficial del liquido, se generan membranas acuosas en cada perforación (112) que emerge de la superficie del liquido de la base (401) .
Se forma una al menos una membrana acuosa del liquido en el medio para la generación de membranas (100) y se hace incidir con el flujo de aire inyectado por los medios de convección de aire (404) . La membrana se colapsa atomizándose en miles de partículas. Las partículas suspendidas del aire son atrapadas por la atomización de la membrana y se decantan.
El arreglo de discos (110) del medio para la generación de membranas (100), proporciona al sistema y aparato de la invención, medios de canalización, espacio y tiempo para que las partículas que han sido humidificadas aún dispersas en el gas se precipiten y aglutinen.
El flujo de aire (501) incide directamente sobre las membranas acuosas del medio para la generación de membranas (100), que al recibir el flujo de aire se colapsan, atomizándose en miles de pequeñas partículas del líquido que formaba cada membrana.
Las partículas sólidas y contaminantes que acompañan la corriente gaseosa, se decantan como resultado de la saturación a la que fueron sometidas en el momento de la ruptura de las membranas. Este efecto atrapa las partículas suspendidas cambiando su peso y precipitándolas.
Las membranas líquidas descritas en la presente descripción, se colapsan por contacto con pequeñas partículas de material, tal como polvo, y las porciones de la membrana colapsada son capaces de humedecer partículas del tamaño de una miera. De este modo, las partículas del aire son colectadas y aglutinadas. Simultáneamente, las partículas de líquido de la membrana colapsada se transfieren a la corriente de aire humidi ficándolo . Los aromatizantes que pueden ser alternativamente agregados, también se transfieren a la corriente del aire aromatizándola. El flujo de aire resultante del proceso sale completamente limpio humectando el medio ambiente y aromatizándolo.
La atomización del líquido en virtud de la ruptura de las membranas, favorece la transferencia de líquido hacia la corriente gaseosa, adicionalmente el control de la temperatura del líquido (500) inhibe el fenómeno de "bulbo húmedo" en el líquido e incrementa la eficiencia de transferencia de masa. Debido a que al enfriarse el líquido, las moléculas acuosas que lo forman tienden a compactarse por un fenómeno natural de temperatura (como extremo una formación de hielo en el cual se hace totalmente sólido) ; este enfriamiento de las moléculas acuosas disminuye dramáticamente la capacidad de evaporación .
El medio de generación de membranas (100), en la modalidad preferida de la invención se ha ilustrado como una pluralidad de discos (110) que forman celdas de membrana en un arreglo cilindrico. Sin embargo, no está limitado a dicha forma o al número de celdas, como será evidente a un técnico en la materia, el arreglo puede cambiar. Por ejemplo puede disponerse un bloque de celdas a través de las cuales circula el aire, con la provisión de que los medios de suministro de liquido inunden o bañen dicho bloque de celdas. Un bloque de celdas de generación de membranas, se considera incluido en el alcance de la presente invención.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Un aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua, que comprende: una base y una primer cubierta que constituyen la carcasa del aparato, medios de convección de aire que forzan la convección de aire o gas en el interior del aparato; un motor montado sobre una base, el cual genera movimiento de rotación y lo transmite a un medio para la generación de membranas, caracterizado porque el medio para la generación de membranas comprende un arreglo de al menos un disco que posee un centro hueco el cual comprende una pluralidad de ranuras dispuestas en su perímetro, una superficie solida la cual posee en su área, una pluralidad de perforaciones dispuestas a una distancia equidistante una de las otras y medios generadores de calor se disponen entre las perforaciones y sobre la superficie sólida .
2. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde el aparato además posee una cubierta superior.
3. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde el aparato además comprende al menos un deflector de aire.
4. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde los medios generadores de calor (116) son energizados eléctricamente mediante un elemento de control que controla el flujo de corriente a través del elemento conducto, controlando la temperatura de la resistencia eléctrica que forma dicho elemento conductor.
5. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende una segunda cubierta posee ranuras de suministro de gas/aire y ranuras de expulsión (405) de gas/aire filtrado del aparato.
6. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde los medios de convección de aire comprenden cualquier medio para forzar la convección de aire o gas en el interior del sistema .
7. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde los medios de convección de aire se pueden seleccionar entre un ventilador axial, embolo, turbina, ventilador radial, soplador, compresor, una corriente de aire externa, una corriente de aire de una tubería; de manera intermitente o continua .
8. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde las perforaciones de cada disco tienen una forma ovalada.
9. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 8, en donde el perímetro de cada perforación de cada disco tiene forma dentada .
10. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde el ensamble de medios de generación de membrana es un arreglo cilindrico .
11. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde los medios de generación de calor son cables de material conductor.
12. El aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y agua de conformidad con la reivindicación 1, en donde la forma o disposición de los medios de generación de calor es ondulada sobre la superficie solida de cada disco.
13.- Un método para el incremento de transferencia de masa en un aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y el agua, caracterizado porque comprende de los pasos de:
calentar la superficie solida de al menos un disco que comprende el medio para la generación de membranas, a través de al menos un medio generador de calor dispuesto en el disco;
sumergir al menos una de dicha pluralidad de discos que poseen ranuras ovaladas que forman celdas de membrana en el liquido;
transferir al liquido parte del calor generado por al menos un medio generador de calor dispuesto en el disco; controlar la temperatura de la fase liquida en el aparato a través de un medio de control, para inhibir el fenómeno de bulbo húmedo en el liquido, incrementando la eficiencia de transferencia de masa;
formar una membrana liquida por al menos ranura ovalada cuando dicha al menos una ranura ovalada pasa a través del liquido:
colapsar la membrana liquida el poner en contacto la membrana liquida con una corriente gaseosa que se inyecta ; expulsar la corriente gaseosa, removiendo las partículas del agua que se evapora y los sólidos y contaminantes del gas que se inyecta.
14. -Un sistema para el incremento de transferencia de masa en un aparato para el incremento de la humidi ficación y filtrado de contaminantes del aire y el agua, caracterizado porque comprende: medio para la generación de membranas liquidas que comprende un arreglo de al menos un disco que posee un centro hueco el cual comprende una pluralidad de ranuras dispuestas en su perímetro, una superficie solida la cual posee en su área, una pluralidad de perforaciones dispuestas a una distancia equidistante una de las otras y medios generadores de calor se disponen entre las perforaciones y sobre la superficie sólida .
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