ES2262917T3 - Sistema para la produccion de agua a bordo de una aeronave. - Google Patents
Sistema para la produccion de agua a bordo de una aeronave.Info
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Abstract
Motor turborreactor diseñado para la generación de agua a bordo de una aeronave con utilización de una o varias cabinas de combustible; donde el motor turborreactor comprende: una turbina (33, 34) un medio de separación (7) una unidad de producción de agua en forma de una o varias cabinas de combustible de alta temperatura (1); donde se ha previsto una integración parcial o completa de la unidad de producción de agua en el motor turborreactor de manera que las cámaras de combustión del motor turborreactor se sustituyen en su totalidad o parcialmente por cabinas de combustible de alta temperatura (1) y así se completa o sustituye por completo el proceso que se desarrolla en las cámaras de combustión de tipo tradicional; donde una cabina de combustible de alta temperatura (1) para la sustitución completa o parcial de una cámara de combustión está construida de forma que el aire que fluye a través del grupo motopropulsor del avión puede conducirse al interior de la cabina de combustible de alta temperatura (1), se puede calentar por un proceso de oxidación en la cabina de combustible de alta temperatura (1) y donde la energía almacenada en el aire caliente puede convertirse entonces en la turbina (33, 34) en energía de rotación, y donde la cabina de combustible de alta temperatura (1) tiene posconectados los medios de separación (7) con los cuales se separa por condensación el agua de los gases de escape de la cabina de combustible de alta temperatura (1).
Description
Sistema para la producción de agua a bordo de
una aeronave.
La invención se refiere a un motor turborreactor
con un sistema para producir agua a bordo de una aeronave mediante
la utilización de una o varias cabinas de combustible.
Especialmente en aeronaves pero también a bordo
de vehículos acuáticos y terrestres así como en dispositivos
estacionarios autonómicos, se puede producir agua por ejemplo por la
utilización de cabinas de combustible o por otro proceso adecuado.
Para garantizar aquí las redundancias que sirven para la seguridad
del vuelo y la seguridad operativa así como para el confort de una
aeronave, los distintos sistemas han de estar interconectados de
forma correspondiente. La separación hasta ahora usual entre
sistemas de agua o bien aguas residuales, por un lado, sistemas de
climatización o bien del aire de cabina, sistemas de generación de
energía así como sistemas hidráulicos o bien neumáticos, por otro
lado, no es eficaz ni ventajoso con la utilización de cabinas de
combustible.
La EP-A-0 967
676 describe un motor turborreactor con cabinas de combustible.
Aquí, las cabinas de combustible están dispuestas al lado de las
cámaras de combustión. Con el motopropulsor revelado en la
EP-A-0 967 676 se aprovecha el
proceso del motopropulsor para el funcionamiento de las cabinas de
combustible.
La US-B-6 296
957, describe un sistema de alimentación de energía a bordo de
aviones, que comprende una cabina de combustible para la conversión
de energía para la generación de energía eléctrica para el
funcionamiento a bordo.
El objetivo de la invención consiste en
proporcionar una disposición del tipo arriba indicado que garantiza
un aprovechamiento óptimo de la tecnología de cabinas de combustible
y las correspondientes redundancias para el avión, al mismo tiempo
que tiene en cuenta los aspectos exigidos de seguridad.
El objetivo se alcanza según la invención con
las características de la reivindicación 1.
En las subreivindicaciones 2 a 31 se describen
desarrollos del sistema según la invención.
La ventaja principal de la invención consiste,
además de las ventajas conocidas de la producción de agua propia a
bordo en cuanto al peso, flexibilidad, calidad del agua y cantidad
de agua así como la reducción de la cantidad de aguas residuales,
especialmente en una expulsión claramente menor de elementos
contaminantes del motopropulsor debido a la mayor eficacia del
proceso de cabinas de combustible de alta temperatura relacionado
con un proceso de turbinas de combustión así como por la
correspondiente reducción del consumo de combustible y el
aprovechamiento de los gases de escape de las cabinas de combustible
para la generación de agua. En el caso ideal, se expulsa como gas de
escape únicamente CO_{2} y vapor de agua.
Otra ventaja consiste en que por el
aprovechamiento parcial del agua contenida en el gas de escape de
las cabinas de combustible, se reduce la formación de estelas de gas
condensado y, por lo tanto, la correspondiente formación de típicas
nubes de gas en capas altas de la atmósfera. Referido al número
total de los desplazamientos diarios de aviones y por la reducción
adicional de la expulsión de gérmenes de condensación debido a un
proceso incompleto de combustión, se produce una reducción
considerable de la formación de condensado en la atmósfera por los
gases de escape del avión.
En el dibujo se ha representado un ejemplo de
ejecución según la invención. La única figura muestra un sistema
para la producción de agua por una cabina de combustible de alta
temperatura integrada en un motopropulsor. Este sistema se opera
según un proceso conocido de grupos motopropulsores usuales de
avión. Se aspira aire, se comprime a través de etapas de compresor,
se calienta en las cámaras de combustión (tradicionalmente mezclado
y encendido con combustible) y se expulsa pasando por grados de
expansión que a su vez están acoplados con las etapas de compresor.
La energía de rotación aquí generada del conjunto de
compresor-turbina se transmite a un, así llamado,
soplante, que suministra la parte principal de empuje de un
motopropulsor.
Según la invención, el proceso que se desarrolla
en las cámaras de combustión de tipo tradicional se completa o bien
sustituye en su totalidad por la utilización de una o varias cabinas
de combustible de alta temperatura.
El principio de cabinas de combustible de alta
temperatura ha sido descrito para las así llamadas SOFCs (Solid
Oxide Fuel Cells - Oxikeramik-Brennstoffzellen
[cabinas de combustible oxicerámicas]) y MCFCs (Molten Carbonate
Fuel Cells -
Schmelzcarbonat Brennstoffzellen [cabinas de combustible de carbonato fundido]). También se pueden aplicar en principio otros procedimientos disponibles en el futuro.
Schmelzcarbonat Brennstoffzellen [cabinas de combustible de carbonato fundido]). También se pueden aplicar en principio otros procedimientos disponibles en el futuro.
En el procedimiento presente, debido al
principio se han separado el lado del aire, es decir el suministro
de oxígeno de la cabina de combustible y el lado del combustible, es
decir el suministro de hidrógeno de la cabina de combustible.
El aire fluye a través del motopropulsor en
dirección del empuje, se comprime y se conduce a la cabina de
combustible de alta temperatura. Aquí se calienta mediante el
proceso de oxidación, se extrae el contenido de oxígeno en la medida
que se necesita para la cabina de combustible. Finalmente se
distensa de nuevo el aire así calentado en la turbina del
motopropulsor. La energía generada se convierte en energía de
rotación en los diferentes grados de expansión y se transmite a las
etapas de compresor y el soplante del motopropulsor para aspirar
aire nuevo o bien realizar el trabajo de empuje.
El combustible, normalmente keroseno, se
emulsiona con un porcentaje de agua usada no contaminada y es
conducido entonces a través de un evaporador hasta la cabina de
combustible. El proceso interno de reforma separa del combustible el
hidrógeno necesario para el funcionamiento de la cabina de
combustible y lo oxida produciendo agua que existe entonces en la
cabina de combustible en forma de vapor de agua. Las partes de
carbono contenidas en el combustible se oxidan formando CO_{2}
que se extrae del gas de escape en un punto adecuado es decir
después de la primera y/o segunda etapa de condensación.
El vapor de agua así producido se desvía
parcialmente a la parte de turbina para convertir la parte de
energía contenida en energía de rotación y en una parte menor se
condensa en un intercambiador de calor para producir agua.
Para segregar contaminantes eventualmente
existentes en el agua, ésta se destila de nuevo, en primer lugar,
mediante un proceso de evaporador/condensador y se somete a
postratamiento a través de un filtro de carbón activo.
El evaporador funciona con el calor del proceso
de la cabina de combustible. De la misma forma, funcionan los
filtros de carbón activo con el calor del proceso de la cabina de
combustible en un nivel de temperaturas que excluye la formación de
gérmenes en los filtros. Para la regeneración del carbón activo se
regeneran los filtros, alternativamente, con calor de proceso de las
cabinas de combustible. Después del filtrado por carbón activo sigue
una nueva condensación y reducción del grado de temperatura del
agua.
Claims (31)
1. Motor turborreactor diseñado para la
generación de agua a bordo de una aeronave con utilización de una o
varias cabinas de combustible; donde el motor turborreactor
comprende:
una turbina (33, 34)
un medio de separación (7)
una unidad de producción de agua en forma de una
o varias cabinas de combustible de alta temperatura (1);
donde se ha previsto una integración parcial o
completa de la unidad de producción de agua en el motor
turborreactor de manera que las cámaras de combustión del motor
turborreactor se sustituyen en su totalidad o parcialmente por
cabinas de combustible de alta temperatura (1) y así se completa o
sustituye por completo el proceso que se desarrolla en las cámaras
de combustión de tipo tradicional;
donde una cabina de combustible de alta
temperatura (1) para la sustitución completa o parcial de una cámara
de combustión está construida de forma que el aire que fluye a
través del grupo motopropulsor del avión puede conducirse al
interior de la cabina de combustible de alta temperatura (1), se
puede calentar por un proceso de oxidación en la cabina de
combustible de alta temperatura (1) y donde la energía almacenada en
el aire caliente puede convertirse entonces en la turbina (33, 34)
en energía de rotación, y
donde la cabina de combustible de alta
temperatura (1) tiene posconectados los medios de separación (7) con
los cuales se separa por condensación el agua de los gases de escape
de la cabina de combustible de alta temperatura (1).
2. Motor turborreactor según la reivindicación
1, caracterizado porque las cabinas de combustible de alta
temperatura son del tipo de cabinas de combustible oxicerámicas o
cabinas de combustible de carbonato fundido.
3. Motor turborreactor según la reivindicación 1
ó 2, caracterizado porque la cabina de combustible de alta
temperatura (1) tiene posconectados una turbina de gas de escape (6)
y un intercambiador de calor (7) mediante los cuales se puede
condensar agua de los gases de escape de la cabina de
combustible.
4. Motor turborreactor según la reivindicación
1, caracterizado porque se han previsto compresores (8, 32) a
través de los cuales se puede aplicar presión a las cabinas de
combustible por ambos lados, del lado de aire o bien oxígeno por un
lado y del lado del combustible o bien hidrógeno por el otro
lado.
5. Motor turborreactor según la reivindicación
1, caracterizado porque se ha previsto un sistema mediante el
cual se puede suministrar a la cabina de combustible una mezcla o
una emulsión de combustible y agua usada no contaminante.
6. Motor turborreactor según la reivindicación 1
ó 5, caracterizado porque para la evaporación de la mezcla de
combustible (3) se ha previsto un evaporador (3 a) al que se ha
posconectado un reformador (2) para un proceso interno de reformador
de la cabina de combustible (1).
7. Motor turborreactor según la reivindicación 1
ó 6, caracterizado porque el evaporador (3 a) está conectado
térmicamente con la cabina de combustible (1) de manera que puede
operarse con un calor de proceso de la cabina de combustible
(1).
8. Motor turborreactor según la reivindicación 6
ó 7, caracterizado porque el evaporador (3 a) está dispuesto
en forma de anillo alrededor de la cabina de combustible (1).
9. Motor turborreactor según la reivindicación
6, 7, u 8, caracterizado porque el evaporador (3 a) tiene
posconectado un compresor (8).
10. Motor turborreactor según la reivindicación
4 ó 9, caracterizado porque el compresor (8) está ejecutado
de manera que es accionable a través de una turbina de gas de escape
(6).
11. Motor turborreactor según la reivindicación
3 ó 10, caracterizado porque la turbina de gas de escape (6)
puede accionarse con el gas de escape (5) de la cabina de
combustible (1).
12. Motor turborreactor según la reivindicación
3, 10 u 11, caracterizado porque la turbina de gas de escape
(6) forma una etapa del proceso de condensación.
13. Motor turborreactor según la reivindicación
9, 10 u 11, caracterizado porque la turbina de gas de escape
(6) y el compresor (8) existen una sola vez o varias veces.
14. Motor turborreactor según la reivindicación
13, caracterizado porque en caso de una disposición múltiple
de los compresores (8), al lado de los compresores de combustible
también se han previsto compresores para aire comprimido y el
sistema hidráulico.
15. Motor turborreactor según la reivindicación
3, caracterizado porque una etapa del proceso de condensación
está realizada en forma de un intercambiador de calor (7).
16. Motor turborreactor según la reivindicación
3 ó 15, caracterizado porque el intercambiador de calor está
dispuesto en la corriente de aire del motor propulsor y/o en la
corriente de aire en la envoltura externa del motor propulsor.
17. Motor turborreactor según la reivindicación
3 ó 15, caracterizado porque la turbina de gas de escape (6)
y el intercambiador de calor (7) tienen posconectado un evaporador
(14 a) o un condensador (14 b) para la purificación del agua.
18. Motor turborreactor según la reivindicación
17, caracterizado porque el evaporador (14 a) está conectado
térmicamente con la cabina de combustible (1) de manera que se puede
operar con el calor de proceso de la cabina de combustible (1).
19. Motor turborreactor según la reivindicación
17 ó 18, caracterizado porque el evaporador (14) está
dispuesto en forma de anillo alrededor de la cabina de combustible
(1).
20. Motor turborreactor según la reivindicación
17, caracterizado porque el condensador (14 b) funciona en la
corriente de aire del motor propulsor y/o en la corriente de aire en
la envoltura externa del motor propulsor.
21. Motor turborreactor según la reivindicación
17, caracterizado porque por detrás del intercambiador de
calor (7) y/o del condensador (14 b) se ha previsto un separador de
CO_{2} mediante el cual se extrae el CO_{2} del gas de escape
(5) después de los procesos de condensación del intercambiador de
calor (7) y/o del condensador (14 b).
22. Motor turborreactor según la reivindicación
17, caracterizado porque el evaporador/condensador (14 a, 14
b) tiene posconectados filtros de carbón activo (15 a, 15 b) para el
filtrado a través del carbón activo.
23. Motor turborreactor según la reivindicación
22, caracterizado porque los filtros de carbón activo (15 a,
15 b) están dispuestos cerca de la cabina de combustible (1) de
forma que se pueden regenerar con el calor de proceso de la cabina
de combustible.
24. Motor turborreactor según la reivindicación
23, caracterizado porque después del filtrado por carbón
activo (15 a, 15 b) se ha previsto un sistema de extracción (16)
mediante el cual se puede extraer desde los filtros de carbón activo
(15 a, 15 b) agua en calidad destilada.
25. Motor turborreactor según la reivindicación
24, caracterizado porque el sistema de extracción (16) está
diseñado de forma que una parte del agua producida puede conducirse
hasta la corriente de aire caliente por delante de los grados de
expansión del motor propulsor (33, 34).
26. Motor turborreactor según la reivindicación
1, caracterizado porque los grados de expansión del motor
propulsor accionan las etapas de compresor (31, 32) y del soplante
(30) del motor propulsor, donde las etapas de compresor (31, 32)
aplican una presión del lado aire o bien del lado de oxígeno a la
cabina de combustible y donde el soplante (30) genera esencialmente
el empuje.
27. Motor turborreactor según la reivindicación
1, caracterizado porque el compresor del motor propulsor (32)
y la turbina del motor propulsor (33) giran al mismo tiempo con
revoluciones reducidas para la alimentación del aire y refrigeración
de la cabina de combustible (1) mientras que el soplante (30), la
etapa previa del compresor del motor propulsor y la etapa de baja
presión de las turbinas del motor propulsor (34) quedan
frenados.
28. Motor turborreactor según una de las
reivindicaciones 1 a 27, donde el motor turborreactor es un motor
propulsor que se arranca por medio de aire comprimido.
29. Motor turborreactor según la reivindicación
29, caracterizado porque las cabinas de combustible de alta
temperatura son del tipo de cabinas de combustible oxicerámicas o
cabinas de combustible de carbonado fundido.
30. Motor turborreactor según la reivindicación
29 ó 30, caracterizado porque la cabina de combustible de
alta temperatura (1) tiene posconectados una turbina de gas de
escape (6) y un intercambiador de calor (7) mediante los cuales se
puede extraer por condensación agua de los gases de escape de la
cabina de combustible.
31. Motor turborreactor según la reivindicación
29, caracterizado porque se han previsto compresores (8, 32)
mediante los cuales se puede aplicar presión a las cabinas de
combustible por ambos lados, por el lado del aire o bien oxígeno,
por un lado, y por el lado del combustible o bien hidrógeno, por
otro lado.
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