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MXPA99011816A - Intercambiador de calor activo con microcanales. - Google Patents

Intercambiador de calor activo con microcanales.

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Publication number
MXPA99011816A
MXPA99011816A MXPA99011816A MX9911816A MXPA99011816A MX PA99011816 A MXPA99011816 A MX PA99011816A MX PA99011816 A MXPA99011816 A MX PA99011816A MX 9911816 A MX9911816 A MX 9911816A MX PA99011816 A MXPA99011816 A MX PA99011816A
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MX
Mexico
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exhaust
chamber
heat exchanger
microchannels
shell
Prior art date
Application number
MXPA99011816A
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English (en)
Inventor
Anna Lee Tonkovich
Original Assignee
Battelle Memorial Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Battelle Memorial Institute filed Critical Battelle Memorial Institute
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Abstract

La presente invencion es en un intercambiador de calor activo, con microcanales, con una fuente de calor, activa, y con una arquitectura de microcanales. El intercambiador de calor activo, con microcanales tiene (a) una camara de reaccion exotermica; (b) una camara de escape; y (c) una camara de intercambio de calor que se encuentra en contacto termico con la camara de escape, en donde (d) el calor de la camara de reaccion exotermica es transportado por conveccion, por un escape de la reaccion exotermica, a traves de la camara de escape, y por conduccion a traves de una pared de contencion, hacia el fluido de trabajo que se encuentra en la camara de intercambio de calor, incrementando con ello una temperatura del fluido de trabajo. La invencion es particularmente util como un vaporizador de combustible liquido y/o como un generador de vapor para sistemas para la produccion de energia a base de celdas de combustible, y como una fuente de calor para mantener reacciones quimicas endotermicas y para iniciar reacciones exotermicas. La figura mas representativa de la invencion es la numero 1a.

Description

INTERCAMBIADOR DE CALOR ACTIVO CON MICROCANALES CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere, en general, a un intercambiador de calor activo con microcanales. Como se usa en la presente, el término "activo" significa que existe una cámara de reacción exotérmica, como una fuente de calor. Además, como se usa en la presente, el término "microcanal" se refiere a una ranura con una profundidad máxima de 10 mm y un ancho máximo de 1 mm, y cualquier longitud.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El calentamiento de proceso es necesario en muchas industrias, desde la producción de energía eléctrica hasta el envasado de alimentos. Debido a que el calentamiento a menudo es auxiliar, la recuperación del calor residual es a menudo benéfica y económica. Sin embargo, el calor residual tiene a menudo baja temperatura, por lo cual es difícil de recuperar y usar. Durante años se ha realizado investigación en el campo de las celdas de combustible como una prometedora alternativa a los motores de combustión interna, para el transporte automotriz. Una de las limitaciones prácticas de las celdas de combustible es la necesidad de proporcionar hidrógeno a las celdas de combustible. Se ha propuesto que el combustible de hidrocarburos líquidos sea procesado a bordo para producir hidrógeno y evitar la necesidad de almacenar este último. El hidrógeno se obtiene a partir del combustible líquido de hidrocarburos mediante la reformación y/o mediante oxidación parcial. Debido a que ambas reacciones son reacciones en fase gaseosa, es necesario vaporizar el combustible líquido antes de convertirlo en hidrógeno. Debido a que las celdas de combustible tienen gases de escape que incluyen hidrógeno no quemado, los gases de escape proporcionan una oportunidad para proporcionar calor para la vaporización del combustible. En ciertos sistemas de celdas de combustible se puede necesitar vapor para llevar a cabo la reformación con vapor y/o la reacción con sustitución de agua. Por consiguiente, existe la necesidad de un intercambiador de calor activo, con microcanales, pequeño, de poco peso y eficiente, especialmente para el uso en un sistema para la producción de energía a base de celdas de combustible, tal como un vaporizador de combustible y/o un generador de vapor. Además, en los procesos químicos, muchas reacciones son endotérmicas y requieren de una fuente de calor que mantenga las reacciones endotérmicas. También el los procesos químicos, las reacciones exotérmicas requieren a menudo de un calentamiento inicial para iniciar la(s) reacción(es) exotérmica (s) . Por consiguiente, existe la necesidad de un intercambiador de calor activo, con microcanales, pequeño, de poco peso y eficiente, especialmente para el uso en procesos químicos.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención consiste en un intercambiador de calor activo, con microcanales, con una fuente de calor activa y con una arquitectura de microcanales. El intercambiador de calor activo, con microcanales, tiene: (a) una cámara para reacción exotérmica que tiene una primera coraza que define una trayectoria de flujo para los reactivos de la reacción exotérmica, y una trayectoria de flujo para el escape, la primera coraza está penetrada al menos por una entrada, y por una salida para el escape; (b) una cámara de escape que tiene una segunda coraza con una pared de contención que define una trayectoria de flujo para el escape, conectada a la salida para el escape, la segunda coraza está penetrada por una salida de la cámara de escape, la cámara de escape tiene microcanales a través de los cuales fluye un escape; y (c) una cámara de intercambio de calor que se encuentra en contacto térmico con la cámara de escape, la cámara de intercambio de calor tiene una tercera coraza que define la trayectoria de flujo del fluido de trabajo y que tiene una tercera superficie exterior penetrada por la entrada de un fluido de trabajo y por la salida de un fluido de trabajo, a través de la cual fluye un fluido de trabajo; en donde (d) el calor de la cámara de reacción exotérmica es transportado por convección, por el escape de la reacción exotérmica, a través de la cámara de escape, y por conducción, a través de la pared de contención, hacia el fluido de trabajo que se encuentra en la cámara de intercambio de calor, elevando por ello la temperatura del fluido de trabajo. La invención es particularmente útil como un vaporizador de combustible líquido y/o como un generador de vapor para sistemas para la producción de energía a base de celdas de combustible, y como una fuente de calor para mantener las reacciones químicas endotérmicas y para iniciar reacciones exotérmicas. Un objeto de la presente invención es proporcionar un intercambiador de calor activo, con microcanales, para calentar un fluido de trabajo. Un objeto de la presente invención es proporcionar un vaporizador de fluido de trabajo.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un vaporizador de combustible para un sistema para la producción de energía a base de celdas de combustible . Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un generador de vapor para un sistema para la producción de energía a base de celdas de combustible. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un metanizador. Aún otro objeto de la presente invención es proporcionar una fuente de calor para las reacciones de procesos químicos. El tema de la presente invención se indica particularmente y se reivindica claramente en la porción concluyente de esta especificación. Sin embargo, tanto la organización como el método de funcionamiento, junto con ventajas y objetos adicionales de la misma, se pueden comprender de la mejor manera con referencia a la siguiente descripción, tomada con relación a los dibujos adjuntos en los que los caracteres de referencia similares se refieren a elementos similares.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura la es una sección transversal de un intercambiador de calor activo, con microcanales, de un solo paso, con una cámara de escape entre una cámara de reacción exotérmica y una cámara para el fluido de trabajo. La figura Ib es una sección transversal de un intercambiador de calor activo, con microcanales, de doble paso, con una cámara de escape entre una cámara de reacción exotérmica y una cámara para el fluido de trabajo. La figura 2a es una sección transversal de un intercambiador de calor activo, con microcanales, de un solo paso, con la cámara de escape en contacto térmico con la cámara de intercambio de calor. La figura 2b es una sección transversal de un intercambiador de calor activo, con microcanales, de doble paso, con la cámara de escape en contacto térmico con la cámara de intercambio de calor. La figura 2c es una sección transversal de un intercambiador de calor activo, con microcanales, de doble paso, en donde la cámara 114 es una segunda cámara de reacción que está en contacto térmico con una segunda cámara 220 de intercambio de calor. La figura 2d es una sección transversal de un intercambiador de calor activo, con microcanales, que tiene una primera y segunda cámara de reacción y una primera y segunda cámara de intercambio de calor. La figura 3a es similar a la figura Ib pero con un material poroso en la cámara de reacción exotérmica. La figura 3b es similar a la figura 2b pero con un material poroso en la cámara de reacción exotérmica. La figura 4 es un diagrama de bloques de un sistema para la producción de energía a base de celdas de combustible, conectado a un vaporizador de combustible, activo, con microcanales. La figura 5a es una vista con separación de partes, de un intercambiador de calor activo, con microcanales, en escala aumentada. La figura 5b es un intercambiador de calor activo, con microcanales, con placas de control.
DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS De conformidad con la presente invención, los fluidos de trabajo que pueden recibir calor pueden ser gases o líquidos. Además, el líquido puede sufrir un cambio de fase. Además, un líquido o un gas puede sufrir un cambio químico. Los fluidos preferidos que se van a vaporizar incluyen, aunque no están limitados a, combustibles líquidos y agua. Los combustibles líquidos incluyen, aunque no están limitados a, alcoholes (metanol (CH30H) , etanol (C2H5OH) ) , gasolina, diesel, y combinaciones de los mismos. Los fluidos preferidos a convertirse químicamente, incluyen aunque no están limitados a, el dióxido de carbono, el monóxido de carbono y el hidrógeno. Haciendo referencia a las figuras la, Ib, 2a y 2b, el intercambiador de calor activo, con microcanales, de la presente invención, tiene (a) una cámara 100 de reacción exotérmica, que tiene una primera coraza 102 que define una trayectoria de flujo para los reactivos exotérmicos y una trayectoria de flujo para el escape, la primera coraza 102 es penetrada por al menos una entrada 104, y una salida 106 de escape; (b) una cámara de escape 108 que tiene una segunda coraza 110 con una pared de contención 111 que define una trayectoria de flujo para el escape, conectada a la salida para el escape 106, la segunda coraza 110 está penetrada por una salida 112 de la cámara de escape, la cámara de escape 108 tiene además microcanales a través de los cuales fluye el escape; y (c) una cámara 114 de intercambio de calor, en contacto térmico con la cámara de escape, la cámara 114 de intercambio de calor tiene una tercera coraza 116 que define una trayectoria de flujo del fluido de trabajo y que tiene una tercera superficie exterior 118 penetrada por una entrada 120 para el fluido de trabajo y una salida 122 para el fluido de trabajo, a través de las cuales fluye un fluido de trabajo; en donde (d) el calor proveniente de la cámara de reacción exotérmica 100 es transportado por convección por un escape de la reacción exotérmica, a través de la cámara de escape 108 y por conducción a través de la pared de contención 111 hacia el fluido de trabajo en la cámara 114 de intercambio de calor, elevando por ello la temperatura del fluido de trabajo. Si el fluido de trabajo fluye a través de la cámara 114 de intercambio de calor, el intercambiador de calor activo, con microcanales, puede funcionar como un metanizador (proceso de Sebatier) como se muestra en la figura la u otro proceso químico, o como un vaporizador de combustible con el paso de combustible a través de la cámara 114 de intercambio de calor, o como un generador de vapor en donde el agua pasa a través de la cámara 114 del intercambio de calor, como en la figura Ib. Para lograr una transferencia de calor mejorada, se prefiere que la cámara 114 de intercambio de calor contenga microcanales. El intercambiador de calor activo, con microcanales, en la figura la, es un intercambiador de calor activo, con microcanales, de un solo paso, en donde el fluido de trabajo es también el reactivo exotérmico y la salida 122 del fluido de trabajo es una conexión para la comunicación por fluido, entre la cámara 114 de intercambio de calor y la cámara 100 de reacción exotérmica. El intercambiador de calor activo, con microcanales, en la figura Ib, es un intercambiador de calor activo, con microcanales, de doble paso, en donde el fluido de trabajo está separado del reactivo exotérmico. Entradas y salidas pueden penetrar la parte superior y el fondo tal como se muestra, o pueden penetrar los lados, según lo necesite un montaje. Un arreglo alternativo de la cámara 100 de reacción exotérmica y de la cámara de escape 108 se muestra en las figuras 2a y 2b en donde la cámara de reacción exotérmica 100 y la cámara de escape 108 y la cámara 114 del intercambiador de calor se forman en una sola coraza, combinando la primera coraza 102 con la segunda coraza 110. En las figuras 2a y 2b, la cámara 100 de reacción exotérmica es una cavidad, mientras que la cámara de escape 108 tiene microcanales que inician en el borde 200 de un microcanal. En la figura 2a se muestra además la cámara 114 de intercambio de calor definida por la tercera coraza 116. Se prefiere que la cámara 114 de intercambio de calor contenga microcanales como los descritos anteriormente. Un segundo borde 202 del microcanal define el término de los microcanales en la cámara 114 de intercambio de calor. Para la presente invención es crítico que la remoción de calor de la cámara de reacción exotérmica 100 sea controlada. La remoción de calor, en exceso, enfría súbitamente la reacción exotérmica. Por consiguiente, para el calentamiento o vaporización simple de un fluido de trabajo, se prefiere que la reacción exotérmica sea adiabática o cercanamente adiabática. Para reacciones químicas, incluyendo la metanización, se prefiere que la reacción exotérmica sea isotérmica o cercanamente isotérmica. En la figura la, la cámara de escape 108 está colocada entre la cámara de reacción exotérmica 100 y la cámara 114 de intercambio de calor. Alternativamente (no mostrado) , la cámara 114 de intercambio de calor puede estar colocada entre la cámara de reacción exotérmica 100 y la cámara de escape 108. En la figura 2a, la cámara de reacción exotérmica 100 puede mantenerse adiabática si los microcanales terminan en el segundo borde 202 del microcanal. Las reacciones exotérmicas útiles en la cámara de reacción exotérmica 100 de conformidad con la presente invención incluyen, aunque no están limitadas a, la combustión y la metanización. Para reacciones endotérmicas o para el inicio de reacciones exotérmicas, la cámara 114 de intercambio de calor carece preferentemente de microcanales, de manera tal que la tercera coraza 116 es el límite de la cámara de intercambio de calor, de manera que la cámara 114 de intercambio de calor es ahora una cámara 114 de reacción de proceso. Reconociendo que una vez que una reacción exotérmica de proceso se inicia dentro de la cámara 114 de reacción de proceso, el calor proporcionado desde la cámara de reacción exotérmica 100, no es más necesario. Además, puede ser necesario remover calor de la reacción exotérmica de proceso. Alternativamente, la reacción del proceso puede ser endotérmica y requerir por lo tanto del suministro de calor. En casos en donde la transferencia de calor de la reacción del proceso es "ligera", puede ser posible proporcionar suficiente transferencia de calor usando un gas inerte que se haga pasar a través de la cámara de reacción exotérmica 100 y de la cámara de escape 108. Se prefiere el uso de un gas inerte para evitar alguna degradación de cualquier material adicional, por ejemplo un material catalizador, que pueda estar presente en la cámara de reacción exotérmica 100. Puede ser necesario adicionar una segunda cámara de transferencia de calor 210 con una segunda entrada 212 y salida 214 para la cámara de transferencia de calor, como se muestra en la figura 2c. La salida 122 puede introducirse a una segunda cámara de reacción (no mostrada) para su procesado adicional. En un sistema de un solo paso, por ejemplo el metanizador, la termodinámica de la reacción puede dictar la necesidad de una segunda cámara de reacción, quizá un enfriador. La figura 2d muestra un sistema de un solo paso con la segunda cámara de reacción 230 que puede estar conectada a la salida 112 del escape, externamente, como se muestra, o internamente a la entrada 232 de una segunda cámara de reacción, y de allí a la salida 234 de una segunda cámara de reacción. En un metanizador la segunda cámara de « reacción 230 se hace funcionar a una temperatura más baja, más favorable para la cinética de la reacción, para completar la reacción de metanización. Se puede emplear una segunda cámara de transferencia de calor 220 para el control de la temperatura o para la transferencia de calor. En aplicaciones en donde sea ventajoso se puede colocar un material poroso 300 en la cámara de reacción exotérmica 100 como se muestra en las figuras 3a y 3b. Los poros pueden ser de cualquier tamaño, y en aplicaciones en donde el tamaño de poro pueda usarse para sacar ventaja en evitar las llamas para una combustión, se prefiere que los poros sean de un tamaño menor que una trayectoria libre promedio de una molécula en fase gaseosa, del combustible usado para la combustión. A 600 grados K, la trayectoria libre promedio de una molécula de gas típico es de aproximadamente 10 micrómetros. En una modalidad preferida, la distribución de tamaños de los poros es de aproximadamente 0.001 a 10 micrómetros, en donde la distribución específica de tamaños de los poros se determina en base al transporte, área superficial por unidad de volumen, y velocidad de reacción, óptimos. El material poroso se selecciona del grupo que consiste de cerámica, por ejemplo alúmina, bióxido de zirconio, óxido de titanio, sílice, y óxido de magnesio y metal poroso, y puede ser complementado con un recubrimiento de catalizador. El metal poroso y/o el metal para las paredes estructurales se puede seleccionar del aluminio, acero inoxidable, cobre, níquel y aleaciones en base a níquel. En donde el material poroso sea no catalítico para la reacción exotérmica, el material poroso actúa como un soporte para un catalizador seleccionado del grupo del paladio, oro, plata, platino, rutenio, rodio, renio, indio, níquel, estaño, cobre, zirconio y combinaciones de los mismos. El material poroso puede en sí estar hecho de un material catalizador y no requerir de catalizador adicional. El catalizador puede estar en la forma de un recubrimiento. Al mantener el tamaño de los poros menor que la trayectoria libre promedio de una molécula en fase gaseosa, no existe con llamas. La modalidad de doble paso, de la presente invención, es particularmente útil en combinación con un combustible para combustión, preferentemente hidrógeno diluido en una corriente de efluente, por ejemplo de un efluente anódico 400 de una celda de combustible 402 (Figura 4) o una corriente de proceso petroquímico. La cantidad de hidrógeno en una corriente diluida varía desde aproximadamente 3 % en mol, de la manera más típica desde aproximadamente 6 % en mol hasta aproximadamente 8 % en mol. El hidrógeno diluido se introduce al vaporizador de combustible de la presente invención 404 a través de la entrada 104. El oxidante, que incluye el oxígeno aunque no se limita al mismo, puede incluirse con el hidrógeno diluido, o puede introducirse a través de una entrada (no mostrada) para el oxidante. El combustible vaporizado se puede regresar directamente a la celda de combustible 402 si la celda de combustible 402 funciona con hidrocarburos a través de la línea de retorno 406, o a través de la línea de retorno 408 de combustible reformado, proveniente de un reformador de combustible 410 si la celda de combustible 402 funciona con hidrógeno. El reformador de combustible 410 puede contener un reactor de oxidación parcial, un reactor de substitución de gas de agua, un reactor de oxidación preferencial y combinaciones de los mismos. La modalidad de un solo paso, de la presente invención, es particularmente útil en un proceso de Sebatier (metanizador) que convierte dióxido de carbono e hidrógeno en metano y agua. En todas las modalidades, se prefiere que todo el intercambiador de calor activo, con microcanales, sea compacto. Una relación entre dimensiones externa de la cámara puede ser definida como la relación de una dimensión característica (longitud, ancho, diagonal o diámetro) de la primera parte superior 302 (Figura 3a, 3b) y/o el primer fondo 304 a una dimensión característica (distancia de la primera parte superior 302 al primer fondo 304) de los primeros lados 306, la cual sea mayor que aproximadamente dos, preferentemente mayor que aproximadamente 5. Se prefiere que la relación entre dimensiones del aspecto de altura externa de la cámara sea de aproximadamente 8 a aproximadamente 40. Además, como se muestra en la figura 3a, 3b, la segunda coraza 110 es preferentemente rectangular y tiene una relación entre dimensiones de altura, que tiene una segunda parte superior que es, ya sea igual que el primer fondo 304, o está separada del primer fondo 304 pero en contacto con una fracción substancial del primer fondo 304. La segunda coraza 110 tiene además un segundo fondo (pared de contención) 111 de área superficial larga y segundos lados 308 de área superficial pequeña y penetrada por la salida 112 de escape. En una modalidad preferida el segundo fondo 111 tiene ranuras longitudinales o microcanales (no mostrados) para mejorar la transferencia de calor del escape hacia la pared de contención 111. Lo más preferido es que las ranuras longitudinales estén definidas por las paredes de los microcanales, que se extienden desde el segundo fondo 111 hasta el primer fondo 304 (también la segunda parte superior) . Finalmente, en la figura 3a, 3b, la tercera coraza 116 es rectangular y tiene una relación entre dimensiones de altura, definida por una tercera parte superior (segundo fondo o pared de contención) 111 y un tercer fondo 310 de área superficial grande y terceros lados de área superficial pequeña, y además tiene paredes de segundos microcanales. Nuevamente, se prefiere que los segundos microcanales estén definidos por las paredes de los segundos microcanales, que se extienden desde la tercera parte superior 111 hasta el tercer fondo 310. En todas las modalidades mostradas y descritas, (figuras la, Ib, 2a, 2b, 3a, 3b) , en la cámara de escape 108, se prefiere que los microcanales estén definidos por las paredes de los microcanales, que se extienden desde el primer fondo 304 hasta la tercera parte superior 111. De manera similar para los microcanales en la cámara 114 de intercambio de calor. Para el escalamiento a unidades más grandes, se prefiere tener capacidad en exceso, de manera tal que el catalizador gastado y/o los microcanales obstruidos puedan regenerarse sin desactivar todo el proceso. La figura 5 es una modalidad preferida de un intercambiador de calor activo, con microcanales, que tiene una capacidad en exceso. Una placa de reacción exotérmica 500 tiene una pluralidad de cámaras de reacción exotérmica 100. Una placa 502 del intercambiador de calor tiene una pluralidad de cámaras de escape 108 sobre un lado superior, tal como se muestra, y una pluralidad de cámaras 114 de intercambio de calor sobre un lado del fondo (no mostrado) por debajo de las cámaras de escape 108. Simplemente la combinación de la placa de reacción exotérmica 500 con la placa 502 del intercambiador de calor proporciona una capacidad incrementada comparada con una sola cámara de intercambio de calor, pero no permite la regeneración sin desactivar todo el proceso. Por consiguiente, se adicionan las placas de control 506 con las válvulas 508 y distribuidor asociado, que permitan excluir de la línea un solo montaje/unidad de cámara de reacción exotérmica 100/cámara de escape 108/cámara 114 de intercambio de calor, mientras los montajes/unidades restantes continúan en funcionamiento. Las válvulas 508 pueden ser microválvulas. Específicamente, cuando un vaporizador de combustible está fuera de línea, el material poroso 300 en la cámara de reacción exotérmica 100 es regenerado por el efluente anódico (hidrógeno diluido) para reducir una capa superficial de óxido, con el calor de la combustión de compuestos orgánicos, proveniente de la cámara 114 de intercambio de calor. El lado de la cámara 114 de intercambio de calor, de la placa 502 del intercambiador de calor, se puede limpiar o regenerar mediante el uso de una alimentación de oxígeno para quemar compuestos orgánicos acumulados, seguido del flujo del fluido de trabajo sin vaporización, para volver a solvatar el residuo inorgánico.
Ejemplo 1 Se construyó un intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la modalidad de la figura 3a. La cámara de escape 108 con un ancho de 430 micrómetros y una profundidad de 2000 micrómetros. La cámara 114 de intercambio de calor contenía microcanales con un ancho de 430 micrómetros y una profundidad de 1500 micrómetros. Las paredes de los microcanales, entre microcanales, tenían un ancho de 430 micrómetros. La cámara de escape 108 y la cámara 114 de intercambio de calor tenían longitudes globales de 2 cm y anchos de 2 cm. Se mezcló hidrógeno diluido, aproximadamente a 8 % en mol, con aire, para que la composición del combustible diera por resultado un flujo de la composición del combustible de hidrógeno diluido a una concentración de 6.7% en mol con oxígeno estequiométrico (2:1), de aproximadamente 89.3 1/minuto. Esto fue suficiente para calentar agua con un flujo de 455 ml/minuto, de 22 grados C a 60 grados C. La eficiencia del sistema fue de 97%.
Ejemplo 2 El intercambiador de calor activo, con microcanales, se usó en el Ejemplo 1 para vaporizar agua líquida. El flujo de la composición de combustible de hidrógeno diluido, a una concentración de 6.7% mol, con oxígeno estequiométrico (2:1) fue de 95.3 1/minuto. Esto fue suficiente para vaporizar 17.5 ml/minuto. La eficiencia del sistema fue de 73%.
Ejemplo 3 Se construyó, de conformidad con la modalidad de la figura 3a, un vaporizador para soportar un sistema para la producción de energía a base de celdas de combustible. La cámara de escape 108 y la cámara 114 de intercambio de calor contenían microcanales con un ancho de 254 micrómetros y una profundidad de 4572 micrómetros. Las paredes de los microcanales, entre microcanales, tenían un ancho de 305 micrómetros. La cámara de escape 108 y la cámara 114 de intercambio de calor tenían longitudes globales de 2 cm y anchos de 5 cm. El volumen total del vaporizador fue de 61 cm3. El flujo de la composición de combustible de hidrógeno diluido, a una concentración de 6.7% en mol, con oxígeno estequiométrico (2:1) fue de aproximadamente 130 1/minuto. Esto fue suficiente para vaporizar 70 ml/minuto de metanol.
La eficiencia del sistema fue de 85%.
Conclusión Aunque se ha presentado y descrito una modalidad preferida de la presente invención, será evidente para los experimentados en la técnica, que se pueden realizar muchos cambios y modificaciones sin apartarse de la invención en sus aspectos más amplios. Por lo tanto, se pretende que las reivindicaciones anexas cubran todos esos cambios y modificaciones que se encuentren dentro del verdadero espíritu y alcance de la invención.

Claims (25)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la invención que antecede, se considera como una novedad, y por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES
1. Un intercambiador de calor activo, con microcanales, para calentar un fluido de trabajo, que comprende: (a) una cámara de reacción exotérmica que tiene una primera coraza que define una trayectoria de flujo para el reactivo exotérmico y una trayectoria de flujo del escape, la primera coraza está penetrada por al menos una entrada, y una salida para el escape; (b) una cámara de escape que tiene una segunda coraza con una pared de contención que define una trayectoria de flujo del escape conectada a la salida para el escape, la segunda coraza está penetrada por una salida de la cámara de escape, la cámara de escape tiene microcanales a través de los cuales fluye un escape; y (c) una cámara de intercambio de calor en contacto térmico con la cámara de escape, la cámara de intercambio de calor tiene una tercera coraza que define una trayectoria de flujo del fluido de trabajo, la tercera coraza está penetrada por una entrada para el fluido de trabajo y por una salida para el fluido de trabajo, a través de las cuales fluye un fluido de trabajo; y, (d) un material poroso monolítico, dentro de la cámara de reacción exotérmica; en donde el calor proveniente de la cámara de reacción exotérmica es transportado por convección por un escape de reacción exotérmica, a través de la cámara de escape, y por conducción, a través de la pared de contención y hacia el fluido de trabajo, en la cámara de intercambio de calor, incrementando con ello una temperatura del fluido de trabajo.
2. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de intercambio de calor tiene microcanales a través de los cuales fluye el fluido de trabajo.
3. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material poroso monolítico es un catalizador.
4. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el catalizador es un metal seleccionado del grupo que consiste de paladio, oro, plata, platino, rutenio, rodio, renio, indio, níquel, estaño, cobre, zirconio y combinaciones de los mismos.
5. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera coraza es rectangular que tiene una relación entre dimensiones alta que tiene una parte superior y un fondo, de área superficial grande, y lados de área superficial pequeña, en donde los lados están penetrados por al menos una entrada.
6. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la segunda coraza es rectangular y tiene una segunda relación entre dimensiones alta que tiene una segunda parte superior y un segundo fondo, de área superficial grande, y segundos lados de área superficial pequeña, y penetrados por la salida para el escape, en donde la segunda parte superior está en contacto con una fracción de una primera superficie exterior.
7. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la tercera coraza es rectangular y tiene una tercera relación entre dimensiones alta, que tiene una tercera parte superior y un tercer fondo de área superficial grande y terceros lados de área superficial pequeña, y además tiene segundas paredes con microcanales, en donde una tercera superficie exterior es también el segundo fondo.
8. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de reacción exotérmica y la cámara de escape están formadas en: (a) una sola coraza.
9. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material poroso monolítico es un material cerámico poroso.
10. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el material cerámico poroso monolítico, se selecciona del grupo que consiste de alúmina, bióxido de zirconio, óxido de titanio, sílice, y óxido de magnesio.
11. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material poroso monolítico, es un soporte para un catalizador.
12. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el material poroso monolítico, es un metal seleccionado del grupo que consiste del aluminio, acero inoxidable, cobre, níquel y aleaciones en base a níquel.
13. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la cuando menos una entrada comprende una entrada para el combustible de calentamiento y una entrada para el oxidante.
14. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la salida para el fluido de trabajo está conectada a un sistema para la producción de energía a base de celdas de combustible.
15. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque tiene una pluralidad de cámaras de reacción exotérmica sobre una placa de reacción exotérmica.
16. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque además tiene una pluralidad de las cámaras de escape sobre un primer lado de una placa del intercambiador de calor, y una pluralidad de las cámaras de intercambio de calor sobre un segundo lado de la placa del intercambiador de calor.
17. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende una placa de control con una pluralidad de válvulas en comunicación por fluido con la pluralidad de las cámaras de reacción exotérmica.
18. Un intercambiador de calor activo, con microcanales, para calentar un fluido de trabajo, caracterizado porque comprende: (a) una cámara para reacción exotérmica que tiene una primera coraza que define una trayectoria de flujo para los reactivos exotérmicos, y una trayectoria de flujo del escape, la primera coraza está penetrada al menos por una entrada, y por una salida para el escape; (b) una cámara de escape que tiene una segunda coraza con una pared de contención que define una trayectoria de flujo del escape, conectada a la salida para el escape, la segunda coraza está penetrada por una salida de la cámara de escape, la cámara de escape tiene microcanales a través de los cuales fluye un escape; y, (c) una cámara de intercambio de calor que se encuentra en contacto térmico con la cámara de escape, la cámara de intercambio de calor tiene una tercera coraza que define la trayectoria de flujo del fluido de trabajo, la tercera coraza está penetrada por la entrada de un fluido de trabajo y por la salida de un fluido de trabajo, a través de las cuales fluye un fluido de trabajo; en donde (d) la salida del intercambiador de calor está conectada al menos a una entrada y proporciona una comunicación por fluido entre la cámara de intercambio de calor y la cámara de reacción exotérmica.
19. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque además comprende una segunda cámara de intercambio de calor, en contacto con la cámara de intercambio de calor.
20. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque además comprende una segunda cámara de reacción en contacto térmico con la segunda cámara de intercambio de calor y conectada a la cámara de reacción exotérmica para recibir el escape de la misma.
21. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de intercambio de calor es una segunda cámara de reacción sin microcanales.
22. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque además comprende una segunda cámara de intercambio de calor, en contacto térmico con la segunda cámara de reacción.
23. El intercambiador de calor activo, con microcanales, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el intercambiador de calor activo, con microcanales, es un vaporizador, un reactor de oxidación parcial, un reactor de substitución de gas de agua, un reactor de oxidación preferencial y combinaciones de los mismos.
24. Un vaporizador de líquidos para vaporizar un líquido, caracterizado porque comprende: (a) una cámara de reacción exotérmica que tiene una primera coraza que define una trayectoria de flujo para el combustible de calentamiento y una trayectoria de flujo para el escape, la primera coraza tiene una primera superficie exterior penetrada por al menos una entrada, y una salida para el escape; (b) un material poroso colocado dentro de la cámara de reacción exotérmica; (c) una cámara de escape que tiene una segunda coraza con una pared de contención que define una trayectoria de flujo para el escape, conectada a la salida para el escape, la segunda coraza está penetrada por una salida de la cámara de escape a través de la cual fluye un escape; y (d) una cámara de intercambio de calor, que tiene una tercera coraza que define una trayectoria de flujo del líquido y que tiene una tercera superficie exterior penetrada por una entrada para líquido y una salida para líquido vaporizado, a través de las cuales fluye el líquido; en donde, (e) la cuando menos una entrada está conectada a un escape de una celda de combustible, para recibir una corriente de hidrógeno diluido, y la salida para el líquido vaporizado está conectada a la entrada para combustible, de un sistema para la producción de energía a base de celdas de combustible, para proporcionar combustible vaporizado al sistema para la producción de energía a base de celdas de combustible.
25. El vaporizador de líquidos de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque tiene una pluralidad de cámaras de reacción exotérmica sobre una placa de reacción exotérmica, porque tiene una pluralidad de cámaras de escape sobre un primer lado de una placa del intercambiador de calor, porque tiene una pluralidad de cámaras de intercambio de calor sobre un segundo lado de la placa del intercambiador de calor, y porque tiene una placa de control con válvulas que se encuentran en comunicación por fluido con la pluralidad de ias cámaras de reacción exotérmica.
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