Calentador catalítico con membrana.

Un dispositivo generador de calor que tiene una fuente de combustible líquido (10),

un suministro de combustible(2) conectado a la fuente de combustible (10),

un catalizador (6) dispersado sobre un sustrato poroso (3), donde el catalizador está en contacto difusivo con un gasoxidante (12), y caracterizado por una membrana selectivamente permeable (8) para suministrar selectivamentevapores de combustible (11) al gas oxidante en contacto difusivo con el catalizador.

Calentador catalítico con membrana Antecedentes de la invención Se conocen los calentadores de combustión sin llama. Típicamente funcionan sobre el principio de que un combustible hidrocarbonado, cuando entra en contacto con un catalizador adecuado en presencia de aire (u oxígeno) , se somete a combustión y libera calor. Este calor puede luego distribuirse y utilizarse para una diversidad de propósitos.

Una diversidad de patentes describe la incorporación de dicho dispositivo en una prenda tal como una chaqueta o un cinturón para proporcionar calor al cuerpo. Típicamente describen medios para bombear el combustible, precalentando la mezcla de combustible y aire (a menudo por ignición) y controlando la alimentación de la mezcla a un área catalítica y la distribución de calor resultante de la reacción. Estos sistemas tienden a añadir mucha complejidad y coste a los productos a los que se incorporan.

Asimismo, estas patentes describen calentadores que por lo general se basan en combustibles de alcano, preferiblemente propano o butano. Estos combustibles son gases, y como tales, no se prestan a ser transportados fácilmente en aplicaciones portátiles como prendas de vestir. Si se usan alcoholes líquidos como combustibles, la mezcla de combustible y aire se precalienta y enciende antes de que ocurra la combustión catalítica. Los combustibles de esta categoría incluyen metanol, nafta y etanol. Es ventajoso hacerlos reaccionar en la fase gaseosa con aire en presencia de un catalizador. Ya que los alcoholes son líquidos bajo condiciones operativas, una forma de lograr este objetivo se describe en la patente de Estados Unidos 6.062.210, que indica medios para alimentar combustible de metanol a través de poros dispuestos en un tubo de alimentación próximo al catalizador. No obstante, este método no es selectivo, en el sentido que los poros también permiten el pasaje de otras sustancias, que pueden estar presentes con el metanol combustible. Este método puede también permitir el pasaje de combustible líquido e inundar el catalizador.

Éstas y otras desventajas se superan en la invención descrita en este documento.

Compendio de la invención La invención descrita en el presente documento se refiere a un calentador catalítico portátil en el que se suministran vapor y aire de combustible (u otro medio de suministro de oxígeno) a un catalizador. El catalizador promueve la combustión sin llama del combustible que libera calor. El combustible líquido se suministra a través del uso de una membrana selectivamente permeable, de forma tal que solamente los vapores de combustible se propagan a través de la membrana y se alimentan al catalizador. El catalizador se dispone sobre un soporte que permite la difusión y el mezclado de los reaccionantes, tal como un fieltro de fibra poroso recubierto con catalizadores. Alternativamente, la membrana selectivamente permeable puede soportar el catalizador. El suministro de combustible a la membrana selectivamente permeable y la identidad exacta de la membrana sirven como una manera de regular el grado de calentamiento provisto por el calentador catalítico. La filtración molecular selectiva del combustible a través de la membrana evita que el calentador catalítico se contamine con impurezas en el combustible, como sales. La permeabilidad selectiva de la membrana a los combustibles (p. ej., metanol) , en el producto (es decir, agua) , evita que el reservorio de combustible líquido se contamine con el producto y mantiene la concentración de combustible y un índice estable de administración del combustible. Al contener el combustible detrás de la membrana selectiva y al usar difusión para suministrar el combustible, el índice depende de la concentración de líquido en contacto con la membrana de combustible más que de la presión de vapor del combustible. Esto hace que la administración de combustible y aire al catalizador sea menos sensible a la temperatura.

Otra característica de la invención es un recubrimiento adicional que protege el catalizador de combustión contra contaminación y puede potenciar los efectos catalíticos. Si el recubrimiento tiene la capacidad de conducir iones (es decir, protones) , se puede usar para aumentar o reducir el índice de combustión catalítica a través de procesos electromecánicos en los catalizadores (eliminación/adición de intermedios de hidrógeno/protones a la superficie catalítica) . Esto se puede lograr insertando dos electrodos en alguno de los lados del recubrimiento y aplicando un voltaje en dicho recubrimiento. El recubrimiento también tiene cierta permeabilidad al combustible y a los productos de la reacción de combustión. Cumple el propósito de adherir los polvos del catalizador al sustrato en el que se soportan y puede limitar el índice de combustión catalítica cumpliendo incluso la función de un mecanismo más de regulación en nuestra invención. El recubrimiento puede además tener afinidad hacia el combustible, el oxidante y productos que aumentan la eficacia del combustible. El calentador catalítico puede incorporarse a un sistema para diversas aplicaciones. Una de las características exclusivas de usar un combustible líquido con la membrana selectivamente permeable próxima al calentador catalítico es que cuando el combustible alcanza su punto de ebullición, elimina el calor del sitio de la reacción catalítica y subsiguientemente limita la temperatura máxima. El combustible vaporizado puede condensarse en un intercambiador de calor y suministrar la energía térmica del calentador eficientemente. Se pueden elegir distintas mezclas de combustibles o una presión máxima del reservorio de combustible para determinar el punto de ebullición del combustible y en consecuencia la temperatura máxima del calentador. Este mecanismo de ebullición del combustible con la retrodifusión de dióxido de carbono y nitrógeno

puede también emplearse para mantener el combustible homogéneo y autopurgante. Al mantener el combustible homogéneo y no en contacto directo con los catalizadores, el calentador puede purgarse fácilmente de contaminación de combustible drenando el combustible.

Otra característica de la presente invención es que la membrana a través de la cual se alimenta el combustible no es propensa a fallas. A diferencia de la patente de Estados Unidos 6.138.665 en la que el combustible fluye por tubos porosos, nuestra invención describe el uso de una membrana que trabaja por difusión. Una forma práctica en la que es importante esta característica es la capacidad de operar un calentador catalítico con combustible de metanol puro, y sin agregado de agua.

Incluso otra característica de la presente invención, debido al mecanismo de aprovisionar combustible usando la membrana selectivamente permeable, es que el calentador catalítico es insensible a la orientación. Se necesita un suministro estable de combustible líquido o combustible gaseoso para mantener contacto con la membrana selectivamente permeable. Las burbujas y los sacos de gas en el combustible no afectarán de manera significativa la difusión del combustible a través de la membrana selectivamente permeable, siempre y cuando la superficie de la membrana se humedezca con combustible. Se podría usar un recubrimiento húmedo de material de mecha para propagar el combustible líquido uniformemente sobre la superficie de las membranas selectivamente permeables. Aumentar la presión hidráulica no aumentará significativamente la concentración de un combustible líquido contra una membrana selectivamente permeable. Por lo tanto, el índice de difusión de combustible no se modificará si el sistema se invierte causando una presión hidráulica baja o alta en la membrana selectivamente permeable. La presente invención tampoco depende del uso de bombas que añaden complejidad y coste al calentador, para crear una mezcla oxidante de combustible.

Otras características de la presente invención son la presurización del combustible detrás de la membrana selectivamente permeable y su flexibilidad, que permiten controles pasivos únicos de la difusión de combustible y aire. La difusión selectiva de temperatura a través de la membrana puede también utilizarse para limitar o acelerar el suministro de combustible. A su vez, la flexibilidad de los polímeros y materiales de caucho utilizados en esta invención permite flexibilidad en el embalaje en una amplia variedad de aplicaciones tales como prendas de vestir, frazadas, máquinas, viviendas, contenedores de embarque, contenedores de almacenamiento, productos químicos para atraer insectos, humidificadores y generadores de perfume.

Técnica anterior

Weiss US 2.764.969 "Heating Device". Esta patente describe un sistema de calentamiento catalítico que comprende una pluralidad... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo generador de calor que tiene una fuente de combustible líquido (10) , un suministro de combustible (2) conectado a la fuente de combustible (10) ,

un catalizador (6) dispersado sobre un sustrato poroso (3) , donde el catalizador está en contacto difusivo con un gas oxidante (12) , y caracterizado por una membrana selectivamente permeable (8) para suministrar selectivamente vapores de combustible (11) al gas oxidante en contacto difusivo con el catalizador.

2. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que además el catalizador (6) comprende un recubrimiento (7) de un material, en donde el material permite que el combustible (11) y el oxidante (12) alcancen al catalizador (6) y permite que los productos salgan.

3. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que además el catalizador (6) comprende un recubrimiento de un material selectivamente permeable.

4. El dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por que además el material selectivamente permeable (7) es selectivamente permeable al combustible y al gas oxidante.

5. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que además el catalizador (6) comprende un recubrimiento (7) de un material selectivamente permeable seleccionado del grupo que consiste en cauchos, cauchos de silicona, polímeros, polímeros iónicos, Nafion, caucho de butilo sulfonado, poliestireno y sus combinaciones.

6. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que además el sustrato poroso (5) se selecciona del grupo de materiales que consiste en polibenzoxazoles (PBO) , polibencimidazoles (PBI) , para-aramidas, poliimidas, carburo de silicio, alúmina, carbono, fibra de vidrio, circonio, cuarzo y sus combinaciones.

7. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que además los catalizadores (6) permiten la combustión catalítica de los combustibles (11) .

8. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que además los catalizadores (6) se seleccionan del grupo que consiste en platino altamente dispersado, paladio, níquel, rutenio, hierro, molibdeno tungsteno, estaño y sus combinaciones.

9. Uso de un dispositivo según la reivindicación 1, en donde el combustible (11) es un compuesto que comprende hidrógeno.

10. Uso de un dispositivo según la reivindicación 1, en donde el combustible se selecciona del grupo que consiste en metanol, formaldehído, ácido fórmico, 1, 3, 5-trioxano, di-metil-éter y sus combinaciones.

11. El dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado además por el avance del desempeño del catalizador (6) con el recubrimiento del catalizador (7) .

12. El dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado por que además el avance del desempeño comprende propiedades mejoradoras seleccionadas del grupo que consiste en protección superficial, adhesión, filtración de contaminantes externos, afinidad variable hacia el combustible, afinidad variable hacia gas oxidante, límites de velocidad de difusión de los reaccionantes hacia la superficie del catalizador, dependencia de temperatura, regulación de las velocidades de difusión de los reaccionantes hacia la superficie del catalizador, acidificación de la superficie, alcalinización de la superficie y sus combinaciones.

13. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que el combustible es un combustible líquido y que además comprende una configuración del límite de temperatura superior en una energía térmica causada por ebullición del combustible (11) , en donde el calor se elimina de un área de reacción catalítica haciendo bullir dicho combustible.

14. El dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado además por válvulas (100, 110) , restricciones de flujo o válvulas de seguridad de presión para regular una temperatura de ebullición del combustible.

15. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por la regulación del índice de suministro del combustible con auto-presurización del combustible.

16. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por dispositivos eléctricos sensibles a temperatura para controlar el flujo de combustible.

17. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por intercambiadores de calor (36) para transferir calor desde el dispositivo hacia el combustible.

18. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por intercambiadores de calor (116) para calentar el aire que va hacia el catalizador (6) .

19. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por caños de calor para transferir calor desde el dispositivo, regular las temperaturas en el dispositivo y transferir calor a fluidos y sólidos.

20. Uso de un dispositivo según la reivindicación 1, en donde el combustible comprende aditivos para regular temperaturas e índices de producción de calor.

21. Uso de un dispositivo según la reivindicación 1, en donde el combustible comprende mezclas de combustibles para regular temperaturas e índices de producción de calor.

22. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por dispositivos termoeléctricos (119) para extraer energía eléctrica.

23. El dispositivo según la reivindicación 22, caracterizado además por un sistema de suministro (119) para suministrar energía eléctrica a baterías (122) , motores (121) y dispositivos eléctricos.

24. El dispositivo según la reivindicación 1, en donde el dispositivo se adapta para condensación del agua y comprende un escape (101) para recoger el agua después de la condensación.

25. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que además la membrana selectivamente permeable

(14) regula el suministro de oxidante al catalizador.

26. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por una mecha (33) para distribuir combustible líquido sobre una superficie de la membrana selectivamente permeable.

27. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que además la membrana selectivamente permeable

(8) es selectivamente permeable a gases y combustible que bullen en el dispositivo y en donde la membrana (8) usa la permeabilidad selectiva para aspirar, circular o prevenir el movimiento del combustible (11) .

28. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que las membranas selectivamente permeables (8) son capaces de cambiar los índices de difusión con cambios de temperatura.

29. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que las membranas selectivamente permeables (8) cambian los índices de difusión con cambios de temperatura para regular la temperatura del dispositivo.

30. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que las membranas selectivamente permeables (8) cambian los índices de difusión con cambios de temperatura para regular la energía térmica.

31. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que la membrana selectivamente permeable (8) se usa para formar una válvula sensible a presión para limitar el suministro de combustible u oxidante a los sitios de reacción catalítica

(6) en el dispositivo.

32. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por ventiladores (89) o bombas (220) para regular el suministro de combustible u oxidante a un área del catalizador.

33. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por ventiladores (89) o bombas (220) para regular el intercambio de calor en un área del catalizador.

34. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por un calentador eléctrico (123) para iniciar condiciones óptimas para operar el dispositivo.

35. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por un sistema de ignición para encender combustibles y aire, y para calentar el catalizador.

36. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por un material de protones para soportar el catalizador, por lo menos dos electrodos en uno de los lados del material conductor de protones y una fuente de energía conectada a los electrodos para proporcionar un voltaje.

37. El dispositivo según la reivindicación 36, caracterizado además por influir en los índices de combustión catalítica aplicando el voltaje en el material conductor de protones.

38. Receptor para recibir el dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, 11 a 19, 22 a 37.

39. Receptor según la reivindicación 38, en el que el receptor se selecciona del grupo que consiste en prendas de vestir, frazadas, máquinas, viviendas, contenedores de embarque, contenedores de almacenamiento, aromatizantes, humidificadores, productos químicos para atraer insectos y sus combinaciones.

40. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por medios (220) para bombear combustible (11) hacia un área del catalizador (6) .

41. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además por una ampolla de combustible que tiene paredes permeables al combustible para sostener y liberar el combustible.

42. El dispositivo según la reivindicación 41, caracterizado además por un material impermeable para sostener la ampolla a fin de prevenir la fuga del combustible antes del uso.

43. Un aparato que genera calor que tiene un dispositivo generador de calor según la reivindicación 1 y un medio para suministrar un oxidante (12) o aire.

44. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado por que además el dispositivo es un calentador de combustión catalítico portátil.

45. El aparato según la reivindicación 44, caracterizado además por un suministro de combustible y aire para suministrar el combustible y el oxidante, o el aire al catalizador para combustión sin llama del combustible a fin de liberar calor.

46. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado por que el combustible es un combustible líquido (11) que pasa a través de la membrana selectivamente permeable (8) de modo tal que el vapor del combustible sale de la membrana y se alimenta al catalizador (6) .

47. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por soportes porosos (5) para soportar la membrana (8) .

48. El aparato según la reivindicación 47, caracterizado además por medios (89, 100) para aumentar o reducir el índice catalítico de combustión y para controlar la energía térmica.

49. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por un receptor para recibir el dispositivo.

50. El aparato según la reivindicación 49, caracterizado por que además el receptor se selecciona del grupo que consiste en prendas térmicas, frazadas, alimentos, viviendas, contenedores, máquinas, productos químicos para atraer insectos, humidificadores, generadores de perfume y sus combinaciones.

51. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado por que además el combustible se suministra a través de la membrana selectivamente permeable (8) .

52. El aparato según la reivindicación 51, caracterizado por que además la membrana selectivamente permeable (8) permite que el combustible se suministre a través de la misma y previene la retro-dilución con productos secundarios de la combustión.

53. El aparato según la reivindicación 52, caracterizado por que además los productos secundarios comprenden agua.

54. El aparato según la reivindicación 51, caracterizado por que además la membrana selectivamente permeable (7) permite el oxígeno a través de ella y comprende permeabilidad reducida para retener el combustible.

55. El aparato según la reivindicación 51, caracterizado por que además dióxido de carbono y otros gases se propagan hacia la membrana selectivamente permeable (8) y ventilan y circulan a través del combustible (11) , donde el combustible bulle en el dispositivo.

56. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado por que además la membrana selectivamente permeable es un recubrimiento protector permeable a combustible y oxidante (7) sobre el catalizador (6) .

57. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado por que además la membrana selectivamente permeable es un recubrimiento selectivamente permeable (7) sobre el catalizador.

58. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por un recubrimiento que retiene el combustible (7) sobre el catalizador (16) .

59. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por un recubrimiento (7) sobre el catalizador (6) para mejorar el desempeño del catalizador.

60. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por un recubrimiento (7) sobre el catalizador (6) , en donde el recubrimiento (7) se selecciona del grupo que consiste en sustancias electrolíticas, ácidas, básicas y sus combinaciones.

61. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado por que además los vapores del combustible parten de la membrana selectivamente permeable (8) hacia áreas de reacción del catalizador (6) y forman un termostato que provee un límite de temperatura superior para reacciones catalíticas.

62. El aparato según la reivindicación 61, caracterizado además por válvulas o restricciones de flujo (70) para regular la ebullición del combustible y llenar el combustible, y para regular la temperatura y/o los índices de calentamiento.

63. Uso del aparato según la reivindicación 43, en donde el combustible comprende aditivos de combustible para ajustar las temperaturas de combustión catalítica.

64. Uso del aparato según la reivindicación 43, en donde el combustible comprende aditivos de combustible.

65. Uso del aparato según la reivindicación 64, en donde los aditivos de combustible incluyen hidrocarburos con distintos puntos de ebullición.

66. Uso del aparato según la reivindicación 64, en donde los aditivos de combustible incluyen agua.

67. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por un intercambiador de calor (60) formado por vaporización y condensación del combustible.

68. El aparato según la reivindicación 67, caracterizado por que además el intercambiador de calor (60) es un caño de calor (60) .

69. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por termopilas (54) para extraer energía eléctrica del dispositivo de calentamiento y para transferir calor en el dispositivo de calentamiento.

70. El aparato según la reivindicación 67, caracterizado por que además los intercambiadores de calor (72) calientan el aire que va hacia el dispositivo de calentamiento e intercambian calor en el dispositivo de calentamiento.

71. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por un escape y un extractor para extraer agua formada a partir de la condensación del escape del dispositivo de calentamiento.

72. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado por que además la membrana selectivamente permeable (7) regula el flujo de aire u oxidante hacia un área de reacción catalítica.

73. El aparato según la reivindicación 72, caracterizado además por un estoma para regular térmicamente el aire o el oxidante hacia el área de reacción.

74. El aparato según la reivindicación 73, caracterizado además por ventiladores (89) o bombas para regular el suministro del combustible y/o aire u oxidante al área de reacción.

75. El aparato según la reivindicación 73, caracterizado además por ventiladores (89) o bombas (218) para regular el intercambio de calor en el área de reacción.

76. El aparato según la reivindicación 73, caracterizado por que además el catalizador (6) causa una catálisis electroquímica para mejorar el desempeño del catalizador.

77. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por una fuente de energía (122) para que el calentamiento eléctrico (1) encienda el dispositivo de calentamiento.

78. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por controles (217, 221) para presurización del combustible a fin de controlar la energía térmica.

79. El aparato según la reivindicación 78, caracterizado por que además los controles son controles mecánicos pasivos.

80. El aparato según la reivindicación 43, caracterizado además por una mecha para distribuir combustible en una membrana selectivamente permeable.

81. El aparato según la reivindicación 80, caracterizado además por un receptor para sostener el dispositivo de calentamiento.

82. El aparato según la reivindicación 81, caracterizado por que además el receptor se selecciona del grupo que consiste en prendas de vestir, frazadas, máquina, viviendas, contenedores de embarque, contenedores de almacenamiento, productos químicos para atraer insectos, humidificadores, generadores de perfume y sus combinaciones.

abajo