Устройство для электролитического получения водорода и кислорода

Устройство для электролитического получения водорода и кислорода

Реферат

Предлагаемое техническое решение относится к области электрохимии, а именно к конструкциям электролизеров для получения водорода и кислорода путем электролиза воды.

Известна установка для электролиза воды в центробежном поле (Патент РФ №2253700, опубл. 10.06.2005), содержащая технологические линии подачи воды и исходного электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, состоящий из токопроводящего корпуса, верхней и нижней крышек и электродов, один из которых установлен на соединенном с приводом вращения вертикальном валу, в котором выполнены каналы подвода раствора электролита в корпус электролизера и отвода продуктов электролиза, а другой образован внутренней поверхностью корпуса электролизера. Установка снабжена устройством преобразования и распределения электроэнергии с внешней электрической цепью, электрически соединенным с приводом вращения вала. Электролизер снабжен устройством для распределения потока раствора циркулирующего электролита, выполненным из электроизоляционного материала и расположенным над электродом, установленным на валу, токоподводом и двумя неподвижными скользящими контактами, соединенными с устройством преобразования и распределения электроэнергии. Недостатком известной установки является интенсивный износ щеток при больших скоростях вращения электролизера. При этом щеточные контакты вносят добавочное сопротивление в электрический контур электролизера, что затрудняет процесс электролиза. Кроме того ограничена величина тока, проходящего через щеточные контакты.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является «Установка для разложения воды электролизом» (патент РФ №2224051, опубл. 20.02.2004), содержащая технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, включающий корпус, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, канал отвода раствора электролита, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, и теплообменник, а также верхний и нижний подшипниковые узлы, в которых вертикально расположен вал. Внешний контур циркуляции раствора электролита содержит кольцевую камеру раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки, установленную на верхнем подшипниковом узле неподвижно, датчик наличия раствора электролита и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи электролита и воды и каналом подвода раствора электролита, корпус электролизера выполнен из токопроводящего материала и снабжен нижней и верхней крышками, выполненными из токопроводящего материала, канал отвода раствора электролита выполнен в верхней крышке и снабжен регулируемым клапаном, сообщающимся с кольцевой камерой раствора электролита, внутренняя поверхность корпуса снабжена, по меньшей мере, одной направляющей канавкой, линия подачи воды снабжена устройством регулирования расхода воды, линия отвода продуктов электролиза снабжена устройством для откачивания продуктов электролиза, теплообменник расположен во внешнем контуре циркуляции раствора электролита, а датчик наличия раствора электролита соединен с устройством регулирования расхода воды и приводом вращения вала. К недостаткам известной установки относится необходимость в больших рабочих скоростях вращения электролизера, что делает устройство малопригодным для промышленного применения. Сюда же можно отнести сложность конструкции, малую производительность.

Технической задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является упрощение конструкции, снижение рабочей скорости вращения электролизера и увеличение производительности.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство для электролитического получения водорода и кислорода, содержащее технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, включающий корпус с верхней и нижней крышками, выполненными из электропроводящего материала, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, при этом линия отвода продуктов электролиза содержит последовательно соединенные устройство откачивания продуктов электролиза и сепаратор, а линия подачи воды и электролита содержит емкости для воды и электролита, устройство регулирования расхода воды, вентили, смеситель и теплообменник, снабжено электромагнитной системой, включающей неподвижные магниты в виде дисков, установленные параллельно над верхней и под нижней крышками корпуса, механически соединенный с ними магнитопровод с обмоткой возбуждения, электрически соединенной с генератором импульсов и преобразователем напряжения, на линии отвода продуктов электролиза установлен газовый анализатор, вход которого соединен с выходом устройства откачивания продуктов электролиза, а выход соединен с устройством регулирования расхода воды, при этом короткозамкнутый электрод, расположенный на валу, выполнен в виде цилиндра с радиальными каналами.

Предлагаемое устройство схематично представлено на чертеже.

Установка содержит электролизер 1, включающий цилиндрический корпус 2, выполненный из электропроводящего немагнитного материала с верхней 3 и нижней 4 крышками, выполненными из электропроводящего магнитного материала, установленный на вертикальном валу 5, выполненном из токопроводящего немагнитного материала, в верхнем 6 и в нижнем 7 подшипниковых узлах. Вал 5 соединен с приводом вращения 8 и внутри имеет каналы подвода раствора электролита или воды 9 и отвода продуктов электролиза 10. На валу 5 внутри электролизера расположен короткозамкнутый электрод 11 с радиально расположенными в нем каналами 12 (например, анод), выполненный из электропроводящего немагнитного материала. Внутренняя поверхность корпуса 2 образует другой электрод (например, катод). Канал подачи раствора электролита или воды 9 соединен с линией подачи воды и электролита 13, с теплообменником 14, смесителем 15, с вентилем 16, с емкостью для электролита 17, с вентилем 18, с устройством регулирования расхода воды 19 и с емкостью для воды 20. Теплообменник 14 соединен также со сливным вентилем 21. Канал отвода продуктов электролиза 10 соединен посредством технологической линии отвода продуктов электролиза 22 с устройством откачивания продуктов электролиза 23, соединенным с газовым анализатором 24, электрически соединенным с устройством регулирования расхода воды 19 и с сепаратором 25 для разделения кислородно-водородной смеси на кислород и водород. Электролизер снабжен электромагнитной системой, включающей верхний 26 и нижний 27 неподвижные магниты в виде дисков, механически соединенный с ними магнитопровод 28, обмотку возбуждения 29, электрически соединенную с управляемым генератором импульсов 30 и с управляемым преобразователем напряжения 31. На поверхности электролизера, контактирующие с электролитом, нанесены специальные покрытия, улучшающие электрические свойства электропроводящих частей и защищающие материалы от коррозии.

Устройство работает следующим образом. Электролит из емкости для электролита 17, по технологической линии подачи электролита 13 через открытый вентиль 16 попадает в смеситель 15, затем в теплообменник 14, откуда через канал подачи раствора электролита 9, расположенный на валу 5, в электролизер 1. Вентиль 18 на линии подачи воды закрыт. После наполнения электролизера 1 раствором электролита, вентиль 16 закрывают и включают привод вращения 8 вала 5, который приводит электролизер 1 во вращение, разгоняя его до начала процесса электролиза. При достаточно высокой производительности установки газовый анализатор 24 вырабатывает запирающий сигнал для устройства регулирования расхода воды 19 и технологическая линия подачи воды 13 в электролизер 1 перекрывается. Открывают вентиль 18. Установка переходит в режим автоматического регулирования подачи воды из емкости для воды 20 через устройство регулирования расхода воды 19, открытый вентиль 18, смеситель раствора электролита 15, теплообменник 14 и канал подачи раствора электролита 9 в электролизер 1. Во вращающемся электролизере 1 в процессе выработки водорода и кислорода объем раствора электролита и, соответственно, его концентрация постоянно изменяются: концентрация раствора электролита повышается, а объем уменьшается. Граница раздела раствора электролита и газовой среды смещается к периферии электролизера 1. Электрод 11, расположенный на валу 5, оказывается в газовой среде и электролиз прекращается. Газовый анализатор 24 подает сигнал на открытие устройства регулирования расхода воды 19. Из емкости для воды 20 по технологической линии подачи воды 13 в электролизер 1 поступает подогретая в теплообменнике 14 вода. Далее процесс повторяется. Каждый из электродов в электролизере 1 может выполнять функцию анода или катода в зависимости от химического состава используемого электролита.

В процессе вращения под действием центробежной силы в электролизере 1 создается поле искусственной силы тяжести, под воздействием которого катионы и анионы в виде гидратов, имеющих существенно отличающуюся собственную массу, разделяются. Более тяжелые ионы, например катионы, образуют около внутренней поверхности корпуса 2 (катода) отрицательный пространственный электрический заряд, который индуцирует в корпусе 2, выполненном из токопроводящего материала, адекватный заряд из электронов проводимости. Легкие ионы сконцентрируются в области между катодом и анодом 11, образуя свой пространственный положительный заряд, при этом, если величина его потенциала окажется достаточной для создания электрического поля, способного деформировать гидратные оболочки легких ионов, возникшее равновесие будет нарушено на аноде 11. Легкие ионы приблизятся к поверхности анода 11 и разрядятся. Тяжелые ионы также отдадут свой заряд катоду и между электродами через верхнюю 3 и нижнюю 4 крышки и вал 5, выполненные из токопроводящих материалов, как по короткозамкнутому контуру, потечет постоянный электрический ток. Ионы электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят с водой во вторичные реакции. Восстановленные водород и кислород вытесняются к центру электролизера 1 и в виде кислородно-водородной смеси через канал отвода продуктов электролизера 10, устройство откачивания продуктов электролиза 23 и газовый анализатор 24 отводят потребителю.

Для разделения кислородно-водородной смеси на кислород и водород в установке может быть предусмотрен сепаратор 25, из которого разделенные газы направляют к потребителям кислорода и водорода.

В подобных известных устройствах процесс электролиза происходит под действием только центробежного поля, что предполагает большие угловые частоты вращения электролизера (3000-5000 радиан в секунду). Технически это труднореализуемо. В предлагаемой установке применена электромагнитная система, позволившая снизить рабочие угловые частоты вращения электролизера до (500-1500 радиан в секунду) и в несколько раз повысить производительность электролизера.

Питание электромагнитной обмотки 29 от управляемого преобразователя постоянного напряжения 31 позволяет воздействовать на движущуюся в постоянном магнитном поле электрически заряженную частицу с силой:

F=B·V·q, где

В - магнитная индукция, Тл;

V - линейная скорость, м/с;

q - величина электрического заряда, К.

Векторы сил, действующих на отрицательные и положительные частицы, направлены противоположно и перпендикулярно к вектору линейной скорости так, что тяжелые ионы стремятся к периферии электролизера, а легкие к центру.

Подключение электромагнитной обмотки 29 к управляемому генератору импульсов 30 позволяет дополнительно воздействовать на заряженные частицы на резонансной частоте, что способствует их разделению. В зависимости от химического состава раствора электролита подбирается частота и скважность импульсов генератора так, чтобы попасть в резонанс, соответствующий данному электролиту. Использование эффекта резонанса позволяет дополнительно снизить рабочие угловые частоты вращения электролизера и повысить его производительность.

Процесс разложения воды на водород и кислород за счет восстановления их ионов сопровождается уменьшением энтальпии раствора электролита, в результате чего температура раствора постоянно снижается, и, если не восполнять теплопотери, то раствор замерзнет и процесс прекратится. По этой причине раствор необходимо подогревать. С этой целью в технологической линии подвода воды установлен теплообменник 14. Тепловую энергию к теплообменнику 14 могут подводить в виде выхлопных газов или антифриза от двигателя внутреннего сгорания или в ином виде. Для обеспечения техники безопасности установка может быть снабжена защитным кожухом. В предлагаемом устройстве происходит преобразование механической, электрической и тепловой энергий в химическую энергию.

Газовый анализатор 24 может быть использован типа АВП-02, или АКПН-02, выполняющий и функцию датчика. В качестве устройства отвода продуктов электролиза 24 можно задействовать электровакуумный насос, а управляемого преобразователя напряжения 31 - преобразователь напряжения ТП-3Р, устройства регулирования расхода воды 19 - электромагнитный клапан.

Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность установки, снизить рабочие угловые частоты вращения электролизера и упростить конструкцию. Устройство может быть изготовлено с использованием традиционных конструкционных материалов, комплектующих и известных электролитов и может быть использовано в агрегатах двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, повышая их топливную экономичность, с паровыми турбинами тепловых и атомных электростанций, для утилизации промышленного тепла в металлургии и др.

Устройство для электролитического получения водорода и кислорода, содержащее технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, включающий корпус с верхней и нижней крышками, выполненными из электропроводящего материала, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, при этом линия отвода продуктов электролиза содержит последовательно соединенные устройство откачивания продуктов электролиза и сепаратор, а линия подачи воды и электролита содержит емкости для воды и электролита, устройство регулирования расхода воды, вентили, смеситель и теплообменник, отличающееся тем, что оно снабжено электромагнитной системой, включающей неподвижные магниты в виде дисков, установленные параллельно над верхней и под нижней крышками корпуса, механически соединенный с ними магнитопровод с обмоткой возбуждения, электрически соединенной с генератором импульсов и преобразователем напряжения, на линии отвода продуктов электролиза установлен газовый анализатор, вход которого соединен с выходом устройства откачивания продуктов электролиза, а выход соединен с устройством регулирования расхода воды, при этом короткозамкнутый электрод, расположенный на валу, выполнен в виде цилиндра с радиальными каналами.