Proceso de alto cizallamiento para la mezcla de aire/combustible.

Un método para producir combustibles aireados, que comprende:

proporcionar un dispositivo de alto cizallamiento (40,

200) que tiene al menos un conjunto de rotor/estator dentado (220, 230, 240) configurado para producir una velocidad periférica de al menos 5 m/s;

introducir un gas y un combustible líquido en dicho dispositivo de alto cizallamiento (40, 200); y formar una emulsión de gas y combustible líquido, donde dicho gas comprende burbujas con un diámetro medio inferior a aproximadamente 5 μm para formar combustible aireado.

Proceso de alto cizallamiento para la mezcla de alre/combustlble ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo técnico

[1] La presente exposición hace referencia generalmente a motores de combustión interna. Más específicamente, la exposición hace referencia al funcionamiento de un motor de combustión interna.

Antecedentes de la invención

[2] El mercado volátil del petróleo y destilados del petróleo afecta al coste de los combustibles para los consumidores. El aumento de costes puede manifestarse como un coste aumentado del queroseno, la gasolina y el diésel. A medida que aumentan la demanda y los precios, los consumidores buscan una eficiencia mejorada de los motores de combustión interna. La eficiencia del motor, puesto que está relacionada con el consumo de combustible, Implica normalmente una comparación de la energía química total en los combustibles y la energía útil extraída de los combustibles en forma de energía cinética. El concepto más fundamental de la eficiencia del motor es el límite termodlnámlco para extraer energía del combustible definido por un ciclo termodinámico. El concepto más completo e Importante económicamente es el consumo de combustible empírico del motor, por ejemplo, millas por galón en aplicaciones automovilísticas.

[3] Los motores de combustión interna, como aquellos que se encuentran en los automóviles, son motores en los que el combustible y un oxidante se mezclan y son quemados en una cámara de combustión. Normalmente, estos motores son motores de cuatro tiempos. El ciclo de cuatro tiempos comprende tiempos de admisión, compresión, combustión y escape. La reacción de combustión produce calor y gases presurizados a los que se permite que se expandan. La expansión de los gases de producto actúa sobre las partes mecánicas del motor para producir trabajo útil. Los gases de producto presentan más energía disponible que la mezcla de combustlble/oxldante comprimida. Una vez se ha extraído la energía disponible, el calor no convertido en trabajo se elimina mediante un sistema de enfriamiento como calor residual.

[4] El combustible no quemado es retirado del motor durante el tiempo de escape. Para lograr una combustión casi completa, es necesario operar el motor cerca de la relación estequiométrica de combustible a oxidante. Aunque esto reduce la cantidad de combustible no quemado, también aumenta las emisiones de determinados contaminantes regulados. Estos contaminantes pueden estar relacionados con la mezcla pobre del combustible y oxidante antes de su introducción en la cámara de combustión. Además, el funcionamiento cerca de la relación estequiométrica aumenta el riesgo de detonación. La detonación es una condición peligrosa en la que el combustible entra en ignición en el motor antes de completarse el tiempo de combustión. La detonación puede dar lugar a un fallo del motor catastrófico. Para evitar estas situaciones, el motor es operado con un exceso de combustible.

[5] Por consiguiente, existe una necesidad en la industria de métodos mejorados de mezcla de combustible y oxidante antes de la Inyección en los motores de combustión interna.

[6] Se conocen mezcladores de la técnica precedente a partir de US 6 383 237 B1, DE 297 13519 U1 y US 22/8974 A1.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

[7] Se presenta un sistema de alto cizallamiento y proceso para la producción de combustible aireado. El método para formar la emulsión comprende: obtener un dispositivo de alto cizallamiento que tenga al menos un conjunto rotor/estator dentado configurado para producir una velocidad periférica de al menos 5 m/s, introducir gas y un combustible líquido en dicho dispositivo de alto cizallamiento, y formar una emulsión de gas y combustible líquido, donde dicho gas comprende burbujas con un diámetro medio inferior a aproximadamente 5 pm.

[8] En un modo de realización descrito en la presente exposición, un proceso emplea un dispositivo mecánico de alto cizallamiento para proporcionar unas condiciones de presión, temperatura y tiempo mejoradas resultando en una dispersión mejorada de compuestos multifase.

[9] Estos y otros modos de realización, características y ventajas serán evidentes en la siguiente descripción detallada y dibujos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[1] Para una descripción más detallada del modo de realización preferido de la presente invención, se hará referencia ahora a los dibujos que acompañan, donde:

La Figura 1 es un esquema de un Sistema de combustible de alto cizallamiento según un modo de realización de la exposición.

La Figura 2 es un diagrama de sección transversal de un dispositivo de alto cizallamiento para la producción de combustibles aireados.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS MODOS DE REALIZACIÓN PREFERIDOS

Resumen

[11] La presente exposición proporciona un sistema y método para la producción de combustible aireado que comprende mezclar combustibles líquidos y gas oxidante con un dispositivo de alto cizallamiento. El sistema y método emplea un dispositivo mecánico de alto cizallamiento para proporcionar un contacto rápido y mezcla de reactantes en un entorno controlado en el dispositivo mezclador/reactor, antes de la introducción a un motor de combustión interna. El dispositivo de alto cizallamiento distribuye minuciosamente los gases oxidantes por el combustible líquido para mejorar la combustión. En determinados ejemplos, el sistema se configura de manera que se pueda transportar.

[12] Las mezclas y reacciones químicas en las que intervienen líquidos, gases y sólidos se basan en las leyes de la cinética que Incluyen el tiempo, la temperatura y la presión para definir el índice de reacciones y la exhaustividad de la mezcla. Cuando sea deseable combinar dos o más materias primas de diferentes fases, por ejemplo, sólido y líquido; líquido y gas; sólido, líquido y gas, en una emulsión, uno de los factores limitativos que controla el índice de reacción y la exhaustividad de la mezcla es el tiempo de contacto de los reactantes. Sin intención de quedar limitados por una teoría específica, se conoce en la química de la emulsión que las burbujas, glóbulos o partículas submlcrónlcas dispersas en un líquido experimentan movimiento principalmente a través de los efectos del movimiento brownlano en la difusión.

[13] Mezclar oxidantes y combustibles antes de la combustión comprende el riesgo adicional de explosión. El límite de explosividad en aire se mide por porcentaje de volumen a temperatura ambiente. El parámetro del Límite Superior de Explosividad, de aquí en adelante LSE, representa la concentración máxima de gas o vapor por encima de la cual la sustancia no se quemará o explotará porque por encima de esta concentración no hay suficiente oxidante para prender el combustible. El parámetro del Límite Inferior de Explosividad, de aquí en adelante LIE, representa la concentración mínima de gas o vapor en el aire por debajo de la cual la sustancia no se quemará o explotará porque por debajo de este umbral no hay suficiente combustible para prender. Las mezclas de combustible y oxidante entre estos límites presentan un riesgo aumentado de explosión. Para que se produzca la combustión, o una explosión, hay tres elementos combinados en una relación adecuada: un combustible, un oxidante y una fuente de ignición. En determinadas circunstancias, la fuente de ignición puede comprender una chispa, una llama, alta presión u otras fuentes sin limitación. La regulación de la mezcla oxidante/combustible, las condiciones y el recipiente comprenden posibles medios para mitigar el riesgo de explosión.

[14] Para la gasolina, el LIE es aproximadamente 1,4% en volumen y el LSE es aproximadamente 7,6% en volumen. Con el diésel, se reduce el riesgo de explosión en comparación con la gasolina. Esto se debe al punto de inflamación más alto del diésel, que evita que se evapore fácilmente y produzca un aerosol inflamable. El LIE para el combustible diésel es aproximadamente 3,5% en volumen y el LSE es aproximadamente 6,9% en volumen. Mantener las mezclas de combustible, como gasolina o diésel, por debajo del LIE y por encima del LSE es importante para reducir el riesgo de explosión.

Sistema de combustible de alto cizallamiento

[15] Como se ilustra en la Figura 1, el sistema de combustible de alto cizallamiento (HSFS, por sus siglas en inglés) 1 comprende un depósito 5, una bomba 5, un dispositivo de alto cizallamiento 4 y un motor 1. El HSFS 1 es dispuesto con un vehículo 3. El vehículo 3 comprende un coche, camión, tractor, tren u otro vehículo de transporte sin restricción. De manera alternativa, un vehículo 3 puede comprender un motor transportable, portátil o móvil, por ejemplo... [Seguir leyendo]

1. Un método para producir combustibles aireados, que comprende:

proporcionar un dispositivo de alto cizallamiento (4, 2) que tiene al menos un conjunto de rotor/estator dentado (22, 23, 24) configurado para producir una velocidad periférica de al menos 5 5 m/s;

introducir un gas y un combustible líquido en dicho dispositivo de alto cizallamiento (4, 2); y formar una emulsión de gas y combustible líquido, donde dicho gas comprende burbujas con un diámetro medio inferior a aproximadamente 5 pm para formar combustible aireado.

2. El método de la reivindicación 1, donde formar una emulsión comprende además formar burbujas de gas que

tengan un diámetro medio de menos de aproximadamente 1,5 pm en el dispositivo de alto cizallamiento (4, 2).

3. El método de la reivindicación 1, donde el dispositivo de alto cizallamiento está configurado para tener una 15 velocidad periférica de más de aproximadamente 23 m/s.

4. El método de la reivindicación 1 donde dicho dispositivo de alto cizallamiento (4, 2) está configurado para producir una presión localizada de al menos aproximadamente 1 MPa en la punta.

5. El método de la reivindicación 1, que incluye someter dicho combustible líquido y burbujas de gas a un índice de cizallamiento superior a aproximadamente 2.s_1.

6. El método de la reivindicación 1, donde dicho dispositivo de alto cizallamiento (4, 2) está configurado

para un gasto de energía de al menos 1 W/m^.

7. El método de la reivindicación 1, donde dicha emulsión comprende una mezcla de combustible líquido y gas superior a aproximadamente el Límite Superior de Explosividad (LSE) del combustible líquido.

8. El método de la reivindicación 1, donde la emulsión comprende una microespuma de combustible aireado.

9. El método de la reivindicación 1, donde la introducción de un gas y un combustible líquido comprende

presurizar el combustible líquido, opcionalmente dicha presurización del combustible líquido comprende una presión de al menos aproximadamente 23 kPa (2 atm).

1. El método de la reivindicación 1, que comprende además

la inyección del combustible aireado en una cámara de combustión; y 3 la combustión del combustible aireado para producir fuerza mecánica,

opcionalmente donde la inyección del combustible aireado comprende además incluir un gas oxidante a una relación estequiométrica, y puede comprender además introducir la emulsión en la cámara de combustión en exceso estequiométrico.

11. Un sistema para la producción de combustibles aireados, que comprende:

una bomba (5) situada aguas arriba de un dispositivo de alto cizallamiento (4, 2), la bomba (5) en conexión de fluido con una entrada del dispositivo de alto cizallamiento;

el dispositivo de alto cizallamiento (4, 2) presentando al menos un conjunto de rotor/estator dentado 4 (22, 23, 24), configurado para producir una velocidad periférica de al menos 5 m/s, que produce una

emulsión de gas en el combustible, la emulsión presentando un diámetro de burbuja medio de menos de aproximadamente 1,5 pm; y

un motor (1) configurado para la combustión de la emulsión.

12. El sistema de la reivindicación 11, donde el dispositivo de alto cizallamiento (4, 2) presenta una velocidad

periférica superior a 23 m/s, opcionalmente dicho dispositivo de alto cizallamiento (4, 2) estando configurado para producir un índice de cizallamiento superior a aproximadamente 2.s`1.

13. El sistema de la reivindicación 11, donde dicho dispositivo de alto cizallamiento (4, 2) está configurado para producir una presión localizada de al menos aproximadamente 1 MPa en la punta.

14. El sistema de la reivindicación 11, donde dicha emulsión comprende una mezcla de combustible líquido y

gas superior a aproximadamente el Límite Superior de Explosividad (LSE) del combustible líquido.

15. El método de la reivindicación 1 o el sistema de la reivindicación 11, donde el gas comprende al menos uno elegido entre el grupo constituido por aire, metanol, óxido nitroso, propano, nitrometano, oxalato, nitratos orgánicos, acetona, queroseno, tolueno o tricarbonilo metilciclopentadienil de manganeso.