Unidad de endurecimiento de hidrógeno de ciclo cerrado, compuesta por un horno de vacío con un sistema interno de templado y circulación,

ajustado para funcionar bajo una presión de 2 MPa, equipado con los conductos y válvulas para la alimentación y descarga de una atmósfera de templado, caracterizada porque:

el horno (1) está equipado con una línea de entrada de hidrógeno y/o nitrógeno (10) y con una línea de salida de gas de trabajo (11), y también

- el horno (1) está conectado a través de un tubo de entrada (4) con un ventilador de baja capacidad (12) a un primer conducto (5), entre dos válvulas (16 y 17) y también, a través de este conducto (5) y una válvula (16), a este primer recipiente (2) y a través de este conducto (5) y otra válvula (17) a un segundo recipiente (3), y

- el horno (1) está también conectado, a través de un tubo de salida (6), a un segundo conducto (7), entre dos válvulas (18 y 19) en el conducto (7), y también, a través de este conducto (7) y una válvula (18) a un primer recipiente (2) y a través de este conducto (7) y otra válvula (19) al segundo recipiente (3), y

- ambos recipientes (2) y (3) están conectados adicionalmente mediante un tercer conducto (8) que contiene una válvula (20) y un medidor de flujo de gas (21),

- el primer recipiente (2) está conectado con un cuarto conducto (9) a través de una válvula (13) y un medidor de flujo (22) a una fuente externa de hidrógeno, y

- ambos recipientes (2) y (3) contienen unas aleaciones de metal que absorben hidrógeno en la forma de hidruros de metal, y

- ambos recipientes (2) y (3) están equipados con unos sistemas independientes de calentamiento y refrigeración, además

- el primer recipiente (2) contiene una aleación de metal que absorbe el hidrógeno en forma de hidruro de alta presión, y, para el cual, a una temperatura comprendida entre 298 y 533ºK la presión de equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación está comprendida entre 0,01 y 15 MPa, y

- el segundo recipiente (3) contiene una aleación de metal que absorbe el hidrógeno en la forma de un hidruro de baja presión y, para el cual, a una temperatura comprendida entre 293 y 673ºK, la presión de equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación está comprendida entre 10-6 y 2 MPa

Unidad de endurecimiento de ciclo cerrado de hidrógeno.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a una unidad de endurecimiento con un ciclo cerrado de hidrógeno, diseñada para endurecer elementos de máquinas, dispositivos mecánicos y vehículos, bajo una presión de hidrógeno o de una mezcla que contenga hidrógeno, que es superior a la presión atmosférica.

Estado de la técnica

Las memorias de patente US nº 4.867.808, nº 4.869.470, nº 5.630.322 dan a conocer construcciones de hornos al vacío, en las cuales el templado de una carga se efectúa bajo una presión de gas superior a la presión atmosférica, con una circulación y refrigeración continua de la atmósfera de templado formada en su mayoría por nitrógeno, helio, hidrógeno y una mezcla de estos gases. Las solicitudes de patente nº EP 1 211 329 y DE 102 51 486 dan a conocer procesos y sistemas para el reciclaje de gas en tratamientos termoquímicos con el uso de sistemas multietápicos de bombas mecánicas rotativas y de membrana.

Son conocidos también procedimientos de acumulación y almacenamiento de hidrógeno en formas combinadas como hidruros metálicos, así como acumuladores para la acumulación y liberación cíclicas de hidrógeno, en los que estos hidruros se utilizan en su mayor parte en el sector de los motores, como combustibles de motores de combustión y células de combustible.

Las memorias de patente US nº 4.225.320, nº 4.829.772 y nº 6.722.154 dan a conocer también los sistemas de un ciclo cerrado de hidrógeno entre dos hidruros con diferentes constantes de equilibro temperatura-presión que utilizan el calor de la formación o disociación del hidruro en los sistemas técnicos de calentamiento, refrigeración y secado por gas.

A partir de la solicitud de patente US nº US 2002/0025461, es conocida también una unidad para la regeneración de la carga de hidruro de metal, utilizándose dos hidruros metálicos con diferentes constantes de equilibro temperatura-presión.

Naturaleza de la invención

La unidad de endurecimiento de ciclo cerrado de hidrógeno, compuesta por un horno ajustado para funcionar bajo una presión de hasta 2 MPa, equipado con un sistema interno de templado y circulación y conductos con válvulas de entrada y de salida para el medio de templado, según la presente invención, consiste en que dicho horno tiene un conducto para alimentar el hidrógeno y un conducto para descargar gases del proceso, estando conectados por medio de unos conductos que salen del horno a través de dos conductos independientes a dos recipientes con aleaciones metálicas que absorben el hidrógeno en la forma de hidruros metálicos. Uno de los conductos, que sale del horno, va equipado con un ventilador de baja capacidad. Cada uno de los conductos que conectan los que salen del horno hasta los recipientes que contienen aleaciones metálicas que absorben el hidrógeno en la forma de hidruros metálicos, tienen dos válvulas situadas cada una en cada lado de los conductos que salen del horno. Uno de los recipientes, conectado con un conducto equipado con un medidor de flujo, válvula y manómetro a una fuente externa de hidrógeno, contiene una aleación de metales que absorbe el hidrógeno en la forma de un hidruro metálico de alta presión, para lo cual la presión de equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación está comprendida entre 0,01 y 15 MPa, a una temperatura comprendida entre 298 y 533ºK.

El otro recipiente contiene una aleación de metales que absorben hidrógeno en la forma de un hidruro metálico de baja presión, para lo cual la presión de equilibro de la reacción reversible de formación/disociación varía de 10^-6 a 2 MPa. Cada uno de los recipientes con las aleaciones de metal que absorben hidrógeno en la forma de hidruros metálicos está equipado de un sistema independiente de calentamiento-templado, mientras que ambos recipientes están conectados entre sí con un conducto equipado con una válvula y medidor de flujo de gas.

El hidrógeno se introduce en el recipiente con la aleación de metal que absorbe hidrógeno en la forma de hidruro de alta presión, previamente calentada, a través del conducto con una válvula abierta desde una fuente externa hasta una presión de 15 MPa como máximo, continuándose acto seguido el calentamiento del recipiente, después del cierre de la válvula de entrada del hidrógeno. A continuación, se suministra hidrógeno al horno de vacío, después de llenarlo con una carga y prepararlo para el proceso de endurecimiento, desde el recipiente con el hidruro de metal de alta presión, a través de la válvula de apertura en uno de los conductos que conectan el recipiente a uno de los conductos que salen del horno, cerrándose todas las válvulas restantes, manteniéndose a su vez la temperatura del recipiente con el hidruro de metal de alta presión, a fin de alcanzar en el horno las condiciones adecuadas de endurecimiento, y cortándose después el suministro de hidrógeno. Durante el endurecimiento, se refrigera el recipiente con la aleación de metal que absorbe hidrógeno en forma de hidruro de metal de alta presión de manera que, después de la finalización del endurecimiento y después de la apertura de ambas válvulas en los conductos que conectan los conductos que salen del horno, se inicia una absorción secundaria del hidrógeno por la aleación metálica en el recipiente, suministrado previamente al horno. La absorción se efectúa hasta que la presión en el horno disminuye a la presión de equilibro de la reacción reversible de formación/disociación del hidruro de metal de alta presión, cerrándose a continuación las válvulas que se encuentran en los conductos del lado del recipiente con la aleación de metal que absorbe hidrógeno en forma de hidruro de baja presión. Acto seguido, con las válvulas abiertas en los conductos que conectan los que salen del horno al recipiente con la aleación de metal que absorbe hidrógeno en la forma de hidruro de metal de baja presión, se inicia la absorción del hidrógeno que permanece aún en el horno. Una vez que cesa la disminución de la presión del horno, se cierran las válvulas en los conductos que conectan los que salen del horno a los recipientes con la aleación de metal que absorbe hidrógeno, y mediante el suministro de nitrógeno, el horno se llena hasta la presión atmosférica y se descarga. Después de un posible calentamiento del recipiente con el hidruro de metal de baja presión hasta la temperatura que provoca que el hidrógeno se libere de la aleación y templando simultáneamente el recipiente con la aleación de metal que absorbe hidrógeno en la forma de alta presión a la temperatura que permite una absorción adicional de hidrógeno, se abre la válvula en el conducto que conecta ambos recipientes para pasar hidrógeno hasta que el medidor de flujo muestra que existe ahora una descarga adicional de hidrógeno del recipiente con el hidruro de baja presión, y a continuación se cierra la válvula del conducto que conecta ambos recipientes. Antes de introducir hidrógeno en el horno en el siguiente ciclo de endurecimiento, después del calentamiento previo del recipiente con la aleación de metal que absorbe hidrógeno en la forma de hidruro de alta presión, y después de revisar la presión dentro del recipiente, se completa la pérdida de hidrógeno desde la fuente externa.

Las mediciones de pérdidas de hidrógeno en el proceso de endurecimiento llevado a cabo en la unidad de hidrógeno de ciclo cerrado según la invención, han demostrado que el uso de sistemas conjugados de hidruros de baja presión e hidruros de alta presión, siendo mayor el intervalo de temperatura de la presión de equilibrio de la reacción reversible de formación/disociación del hidruro de baja presión para cada sistema de hidruro que para el hidruro de metal de alta presión, hace que sea posible reducir las pérdidas de hidrógeno al 5%, como mucho, de la cantidad total de hidrógeno utilizado en el proceso. Al mismo tiempo, el uso de la unidad de hidrógeno de ciclo cerrado elimina el peligro de explosión o incendio durante la descarga del horno. Además, el uso del sistema de hidruros metálicos mutuamente conjugados de baja y alta presión hace que sea totalmente posible almacenar con seguridad el hidrógeno en un estado combinado durante cualquier período largo de tiempo entre los procesos posteriores de endurecimiento.

Ejemplos de realización

El objetivo de la invención se presenta en los ejemplos dados a continuación, ilustrados con un dibujo esquemático de la unidad. Las abreviaturas usadas en los ejemplos son símbolos químicos de elementos:...

1. Unidad de endurecimiento de hidrógeno de ciclo cerrado, compuesta por un horno de vacío con un sistema interno de templado y circulación, ajustado para funcionar bajo una presión de 2 MPa, equipado con los conductos y válvulas para la alimentación y descarga de una atmósfera de templado, caracterizada porque:

el horno (1) está equipado con una línea de entrada de hidrógeno y/o nitrógeno (10) y con una línea de salida de gas de trabajo (11), y también