BG4679U1 - Система за производство на водород и кислород - Google Patents

Description

Област на техниката

Полезният модел се отнася до водородната енергетика и топлотехника, по-специално до производство на водород и кислород, които намират приложение в енергетиката, топлотехниката, транспорта, промишлеността и други отрасли.

Предшестващо състояние на техниката

От нивото на техниката е известна система за производство на водород и кислород, състояща се от електролизна клетка, в която са разположени електроди, към които е приложено електрическо напрежение от източник на електрическа енергия, като към едната страна на електролизната клетка се подава водата за разлагане от последователно свързаните източник на вода и устройство за подготовка на водата, а от другата страна електролизната клетка има два изхода, като на първия изход се получава водород, който е свързан към пречиствателен възел, в който е монтиран разпръсквач за водород, а вторият изход е свързан към пречиствателен възел, в който е монтиран разпръсквач за кислород. Първият изход се нарича още катод и към него е свързан минуса на токоизправител, а вторият изход се нарича анод и към него е свързан плюса на токоизправител. Корпусът на електролизната клетка обикновено е правоъгълен, в редки случаи цилиндричен и е изграден от електроизолационен материал, в който са поместени успоредни тоководещи плочи, условно разпределени на два полюса, свързани към токоизправител. Характерно за токоизточника е, че е с ниско напрежение, от порядъка на 2V на клетка, което зависи от конструкцията на електролизната клетка, състава на електролита и други параметри. Между плочите на електролизната клетка се подава омекотена вода, с разтворена в нея калиева основа /КОН/, която обикновено се нарича електролит. При пропускане на ток между плочите на електролизната клетка във водата се отделя газ, който представлява смес от водород и кислород. Тази смес се разделя през монтирани мембрани на водород и кислород, като водорода се отделя на катода, а кислорода се отделя на анода.

Характерно за тези познати устройства е, че получаването на водород и кислород се основава на метода на електролиза на водата с голям по стойност електрически ток при ниски напрежения и нормална температура.

Основният недостатък на устройствата, изпълнени по този метод, е употребата на голямо количество електроенергия, която води до високата цена на получения водород и кислород.

Друг съществен недостатък на познатите устройства е ниската им производителност на единица площ и това, че увеличаването на обемите на производство на водород и кислород е съпроводено с увеличаване на площта на устройствата, което е свързано и с увеличаването на габаритите, теглото и вложените материали.

Друг недостатък на познатите устройства е, че електролизата се извършва с големи електрически токове, при ниски напрежения, а електродите са изпълнени от скъпи метали, като платина, сребро или други ценни метали, което води до използване на големи количества мед, платина, сребро и други ценни метали.

Друг недостатък на познатите устройства е, че те са пълни с електролит, който увеличава съществено теглото на устройствата, а оттам и увеличените разходи за използваните материали за конструкцията на електролизните клетки.

Техническа същност на полезния модел

Задачата на настоящия полезен модел е да се създаде система за производство на водород и кислород, която да потребява малко количество електроенергия, да има висока производителност на единица площ, да има малки габарити и тегло, да работи с високи напрежения и малки токове.

Тази задача се решава като се създава система за производство на водород и кислород, в която се извършва електролиза на водата при газообразно състояние, под въздействието на високоволтово поле. По-конкретно, електролизата се извършва чрез пропускането на прегрята водна пара /това е пара с температура по-висока от температурата на насищане на парата, с температура между 500°C и 560°C/, през високоволтово електрическо поле, в което прегрятата пара се разлага на водород и кислород. Предложената система се обосновава на следните принципи:

1. Електронната връзка между атомите на водорода и кислорода отслабва пропорционално на повишението на температурата на водните пари.

2. Електронната връзка между атомите на водорода и кислорода при температура на парата 500°C 560°C, за предпочитане 550°C, все още поддържа молекулите на водата, но орбитите на електроните вече са изкривени и връзката между атомите на водорода и кислорода е вече отслабена.

3. Водната пара не трябва да се нагрява повече от 580°C, тъй като възникват условия за самовъзпламеняване на водорода.

4. За да се отделят електроните от своята орбита е нужно добавянето на още енергия, но не топлинна, а енергията на външно електрическо поле. Тогава енергията на външното електрическо поле се преобразува в кинетична енергия на електрона, като скоростта на електрона нараства пропорционално на квадратния корен на напрежението, приложено към електродите.

5. Разлагането на прегрятата пара в електрическо поле се извършва при малки скорости на парата в електрическото поле, при скорости под 2 м/с.

6. За получаването на големи количества водород и кислород може да се използват много на брой електролизни клетки, разположени в общ корпус.

Системата за производство на водород и кислород се състои от електролизна клетка, която има външно цилиндрично тяло, в което е поместено вътрешно цилиндрично тяло с отвори за преминаване на водород. Вътрешното цилиндрично тяло е разположено коаксиално, точно по централната ос на външното цилиндрично тяло на електролизната клетка, така че разстоянията между външното цилиндрично тяло на електролизната клетка и вътрешното цилиндрично тяло са фиксирани и еднакви от всички страни. От долната страна, външното цилиндрично тяло на електролизната клетка е затворено с дъно, на което е разположен вход за подаване на прегрята водна пара с температура от 500°C до 560°C през тръба от паропрегревател. От горната страна, външното цилиндрично тяло на електролизната клетка е затворено с капак от изолационен материал, към който е закрепено чрез крепежни елементи вътрешното цилиндрично 3 тяло. Изолационният материал може да е направен от керамика или порцелан. Към външното цилиндрично тяло на електролизната клетка е свързан положителният полюс на високоволтово захранване и по този начин външното цилиндрично тяло на електролизната клетка изпълнява ролята на анод, а към вътрешното цилиндрично тяло е свързан отрицателният полюс на високоволтовото захранване, и по този начин то изпълнява ролята на катод. Тъй като разстоянията от всички страни между вътрешната стена на външното цилиндрично тяло на електролизната клетка и външната стена на вътрешното цилиндрично тяло са еднакви, има еднакво разпределено високоволтовото напрежение между катода и анода. На горната част на външното цилиндрично тяло на електролизната клетка има два изхода, съответно за водород и за кислород. Изходът за водород на външното цилиндрично тяло на електролизната клетка е свързан през изолационна тръба към първи вход на втори икономайзер. Първи изход за водород на втория икономайзер е свързан към разпръсквач на водород, монтиран в пречиствателен възел за водород. Изходът за кислород на външното цилиндрично тяло на електролизната клетка е свързан към първи вход на първи икономайзер, а първият изход на първи икономайзер е свързан към разпръсквач на кислород, монтиран в пречиствателен възел за кислород.

Паропрегревателят представлява цилиндричен съд, в който е монтиран нагревател, който се захранва от източник на електрическа енергия, за предпочитане възобновяем източник, например фотоволтаичен панел, вятърна турбина или алтернативен източник. Нагревателят е приспособен да загрява водна пара до 500-560°C. На долната част на паропрегревателя има вход за пара, свързан с втори изход на първия икономайзер, а дъното на паропрегревателя представлява фланец, на който са монтирани изходящи клеми на нагревателя.

Първият икономайзер представлява кожухотръбен топлообменник, в корпуса на който циркулира пара, която се прегрява, като в първия икономайзер е разположен сноп от U-образни тръби, събрани в тръбна дъска, с отделен /разделени/ вход и изход. Тръбите на тръбната дъска са двуходови и в тях циркулира изходящия кислород. На първия вход на първи икономайзер се подава изходящия кислород от електролизната клетка. Първият изход на първия икономайзер, откъдето се получава охладен кислород, е свързан към вход на разпръсквач на кислород, монтиран в долната част на пречиствателен възел за кислород. Вторият вход на първия икономайзер е свързан за приемане на пара от втория изход на втория икономайзер, а вторият изход на първия икономайзер е свързан за подаване на пара към входа на паропрегревателя.

Вторият икономайзер представлява кожухотръбен топлообменник, в корпуса на който циркулира гореща вода и се преобразува в пара, като във втория икономайзер е разположен сноп от U-образни тръби, събрани в тръбна дъска, с отделен вход и изход. Тръбите на тръбната дъска са двуходови и в тях циркулира изходящия водород от електролизната клетка. На първия вход на втория икономайзер се подава изходящия водород от електролизната клетка, а първият изход на втория икономайзер, където се получава охладен водород е свързан към вход на разпръсквач на водород, монтиран в долната част на пречиствателен възел за водород. Вторият вход на втори икономайзер е свързан за приемане на гореща вода от хидрофорен съд, а вторият изход на втория икономайзер е свързан с втория вход на първия икономайзер.

Пречиствателният възел за кислород представлява цилиндричен съд с монтиран в него разпръсквач на кислород, чийто вход е свързан с първия изход на първия икономайзер. Горната част на пречиствателния възел за кислород е оформена като цилиндричен капак със странични стени и дъно, който е първи изход на пречиствателния възел за кислород и служи за изход на кислорода. Вторият изход на пречиствателния възел за кислород е монтиран в горната част на пречиствателния възел за кислород и е свързан за подаване на вода към вход на съда за гореща вода.

Пречиствателният възел за водород представлява цилиндричен съд, с монтиран разпръсквач на водород, който е свързан с първия изход на втори икономайзер. Горната част на пречиствателния възел за водород е оформена като цилиндричен капак, оформен със странични стени и дъно, който е първи изход на пречиствателния възел за водород и служи за изход на водорода. Вторият изход на пречиствателния възел за водород е монтиран в горната част на пречиствателния възел за водород и е свързан за подаване на вода към съда за гореща вода.

Хидрофорният съд представлява цилиндричен съд, горната част на който има вход, свързан с хидрофорна помпа, а в долната му част има изход, свързан през регулируем вентил към втория вход на втория икономайзер.

Съдът за гореща вода е цилиндричен съд, който в горната си част има вход, свързан с изходите на пречиствателните възли, а в долната му част има изход, свързан с входа на хидрофорна помпа. Хидрофорната помпа е центробежна помпа, чийто изход й е свързан към входа на хидрофорния съд.

Полезният модел осигурява оптимизирано производство на водород и кислород, с ниски разходи за електроенергия, с висока производителност на единица площ, с малки габарити и тегло, с високи напрежения и малки токове и електролизата на водата се извършва при газообразно състояние на водата.

В системата, съгласно полезния модел, се извършва двуетапно противотоково едновременно охлаждане на търсения продукт - водород и кислород за сметка на нагряване и изпаряване на подаваната вода. На първия етап водородът и кислородът се охлаждат в икономайзери, като едновременно изпаряват входящата вода в икономайзерите. На втория етап водородът и кислородът се охлаждат при преминаването си през водата в пречиствателните възли, като нагряват входящата вода и я подготвят за бъдещото й изпаряване в икономайзерите. По този начин се постига много добра ефективност и рекуперация на енергия, тъй като е известно, че за изпарението на водата се изразходва значително количество енергия. В случая чрез промяна на агрегатното състояние на водата се постига икономия на енергия над 75% и се налага да се добавя енергия само за прегряване на парата, което значително намалява консумацията на енергия и способства за намаляване на себестойността на получената продукция.

Съгласно полезния модел, температурата на прегрятата пара е 500-560°C, което позволява разлагането на водата да се извърши с подаването на допълнителна електрическа енергия във вид на високоволтово електрическо поле. По-ниска температура изисква повече енергия при електролизата, а по висока температура създава опасност от запалване на водорода.

Предимство на полезния модел е, че в пречиствателния възел за кислород и пречиствателен възел за водород се извършва допълнителна рекуперация на вложената топлинна енергия.

Друго предимство на полезния модел е, че топлината на изходящите водород и кислород се рекуперира в първи икономайзер, втори икономайзер и се връща към устройствата за подготвяне на водата.

Така създадената система за производство на водород и кислород осигурява:

- ниска енергия за производството на водород и кислород;

- висока производителност на водород и кислород;

- малки габарити и тегло на системата;

- производството на водород и кислород се извършва с високо напрежение и малки токове;

- електролизата на водата се извършва при газообразно състояние на водата;

- в системата се извършва рекуперация на отпадната топлина на получените газове.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 представлява технологичната схема на предпочитан вариант на системата за производство на водород и кислород, съгласно полезния модел.

Фигура 2 представлява технологичната схема на известна от нивото на техниката система за производство на водород и кислород.

Пример за изпълнение и действие на полезния модел

Системата за производство на водород и кислород може да се използва в енергетиката за производство и съхранение на електроенергия, в транспорта за осигуряване на гориво, в машиностроенето за обработка на метали, в агрегати за получаване на топлина за отопление или други промишлени цели. При окислението си водорода отделя само водни пари или вода, което е предпоставка за екологичните му качества.

В предпочитан вариант на изпълнение на полезния модел, системата за производство на водород и кислород се използва в горивни клетки за получаване и съхранение на електроенергия.

В друг вариант водородът и кислородът може да се добавят към известните вече горива за подобряване на КПД и за подобряване на изгарянето и намаляване на емисиите.

В друг вариант водородът и кислородът може да се използват в транспортните средства като гориво за намаляване на отделяните вредни емисии.

В друг предпочитан вариант системата за производство на водород и кислород може да се използва за обработка на метали, тъй като водородът изгаря, а кислородът подпомага това изгаряне, и се получава висока температура, от порядъка на над 2000°C, което се ползва за обработка на жароустойчиви материали.

Системата за производство на водород и кислород, както е показана на фигура 1, включва външен корпус на електролизната клетка 1, който представлява цилиндър, в който е монтирано вътрешно цилиндрично тяло, представляващо тръба с отвори. Към долния край на цилиндъра е свързан паропрегревател 3, а от една страна на горния край, има първи изход за водород, който е свързан към първи вход на втори икономайзер 7 през електроизолационна тръба, а от друга страна, на горния край има втори изход за кислород, който е свързан към първи вход на първи икономайзер 5. Към корпуса на електролизната клетка е свързан плюса на високоволтово захранване 17 и изпълнява ролята на анод, а към 6 вътрешното цилиндрично тяло 2 е свързан минуса на високоволтово захранване 17 и изпълнява ролята на катод.

От своя страна, паропрегревателят 3 представлява цилиндър, с монтиран в него нагревател 4, който обикновено е захранен с електроенергия или топлина от възобновяем източник. Нагревателят 4 може да нагрява парата до 500°C - 560°C, за предпочитане 550°C. Горната част на тялото на паропрегревателя 3 е свързана с долния край на електролизната клетка 1, а долната част на паропрегревателя е свързана с втория изход на първи икономайзер 5.

Първият икономайзер 5 представлява двуходов кожухотръбен топлообменник, в тръбите на който се намира полученият кислород от електролизната клетка, а в междутръбното пространство се намира водна пара, от която се произвежда водород и кислород. Тръбите са сноп от двуходови U-образни тръби за циркулация на изходящ кислород, събрани в тръбна дъска 6, с отделен вход и изход. Първият вход на първия икономайзер 5 е свързан към изхода за кислород на електролизната клетка 1, а първият изход на първия икономайзер 5 е свързан към пречиствателния възел за кислород 9. Също така вторият вход на първия икономайзер 5 е свързан към втория изход на втори икономайзер 7, а вторият изход на първия икономайзер 5 е свързан към долния вход на паропрегревателя 3.

Вторият икономайзер 7 представлява двуходов кожухотръбен топлообменник, в тръбите на който се намира полученият водород от електролизната клетка, а в междутръбното пространство се намира гореща вода, от която се произвежда водород и кислород. Тръбите са сноп от двуходови U -образни тръби за циркулация на изходящ кислород, събрани в тръбна дъска 6, с един и същи вход и изход. Първият вход на втория икономайзер 7 е свързан към изхода за водород на електролизната клетка 1, а първият изход на втория икономайзер 7 е свързан към пречиствателния възел за водород 11. Също така вторият вход на втория икономайзер 7 е свързан към изхода в долната част на хидрофорния съд 13, а вторият изход на 7 е свързан към втория вход на първи икономайзер 5.

Пречиствателният възел за кислород 9 представлява цилиндричен вертикален съд, в дъното на който е разположен разпръсквач за кислород 10, като в долната част на пречиствателния възел за кислород 9 се монтира вход за омекотена вода, който е свързан към източника на омекотена вода 16, а в горния край са монтирани два изхода, като първият изход е в най-горната част и е предназначен за изход на готовия кислород, а вторият изход е на по-ниско ниво и е предназначен за изход на гореща вода и е свързан към съда за гореща вода 14.

Пречиствателният възел за водород 11 представлява цилиндричен вертикален съд 11, в дъното на който е разположен разпръсквач за водород 12, като в долната част на пречиствателния възел за водород 11 се монтира вход за омекотена вода, който е свързан към източника на омекотена вода 16, а в горния край са монтирани два изхода, като първият изход е в най-горната част и е предназначен за изход на готовия водород, а вторият изход е на по-ниско ниво и е предназначен за изход на гореща вода и е свързан към съда за гореща вода 14.

Хидрофорният съд 13 е цилиндричен вертикален съд, в долната част на който е разположен изход за гореща вода, който е свързан с втория вход на втори икономайзер 7, а в горната част е разположен вход за гореща вода, свързан с хидрофорна помпа 15. Хидрофорната помпа 15 е центробежна помпа, входът на 7 която е свързан с долната част на съда за гореща вода 14, а изходът на помпата е свързан към хидрофорния съд 13. Съдът за гореща вода 14 е цилиндричен вертикален съд, на който горната част е свързана едновременно с вторите изходи на пречиствателните възли 9 и 11, а долната му част е свързана с помпа 15.

В системата за производство на водород и кислород, съгласно полезния модел, електролизата на водата се извършва по следния начин:

- подаване на вода, за предпочитане омекотена, от източника 16 към пречиствателните възли 9 и 11;

- нагряване на водата в пречиствателните възли 9 и 11 за сметка на охлаждането и пречистването на кислорода в пречиствателен възел за кислород 9 и на водорода в пречиствателен възел за водород 11;

- събиране на горещата вода от пречиствателните възли 9 и 11 в съда за гореща вода 14;

- подаване на горещата вода от съда 14 посредством хидрофорна помпа 15 към хидрофорния съд 13;

- дозиране на горещата вода от хидрофорен съд 13 при подаването й към втория икономайзер 7;

- нагряване на водата и превръщането й в пара, за сметка на охлаждането на водорода, генериран в електролизната клетка 1, след което парата се подава към първи икономайзер 5;

- прегряване на парата в първия икономайзер 5, където остатъците от вода се изпаряват и водната пара се нагрява допълнително, след което парата се подава към паропрегревател 3;

- допълнително прегряване на парата в паропрегревател 3 до температура 500°C - 560°C, след което парата се подава към електролизна клетка 1;

- подаване на електрическа енергия във вид на високоволтово електрическо поле от захранване 17 към електролизната клетка 1;

- разлагане на прегрятата пара на водород и кислород под въздействието на високоволтово поле в електролизната клетка 1;

- подаване на кислорода с температура около 500°C към първи икономайзер 5, където се охлажда до температура около 240°C за сметка на нагряване и изпарение на входящата гореща вода;

- подаване на водорода с температура около 500°C към втори икономайзер 7, където се охлажда температура около 240°С за сметка на нагряване и изпарение на входящата гореща вода;

- подаване на кислорода с температура около 240°С към пречиствателен възел за кислород 9, в който има вода с температура около 20°С, и посредством която кислородът се охлажда вторично до около 120°C, а водата се загрява до около 95°C от него;

- подаване на водорода с температура около 240°С към пречиствателен възел за водород 11, в който има вода с температура около 20°С, и посредством която водородът се охлажда вторично до около 120°C, а водата се загрява до около 95°C от него;

- отвеждане на загрятата от кислорода и водорода вода до около 95°C в съд за гореща вода 14, където двата потока от пречиствателните възли 9 и 11 се смесват;

- подаване на горещата вода към хидрофорна помпа 15, където горещата вода се компресира и отива в хидрофорен съд 13;

- подаване на гореща вода към втори икономайзер 7 и повтаряне на цикъла;

- отвеждане на водорода и кислорода от пречиствателните възли 9 и 11 към приемните устройства.

Възможни са много варианти на системата за производство на водород и кислород, например производителност на генератора 10 kg/h вода, може да се постигне при следните параметри:

- консумация на електрическа енергия - 3 kW/h

- консумация на вода - 10 kg/h

- електролизната клетка 1 е с размери Ф 108X1000 mm

- катодната тръба 4 е с размери Ф 60Х1000 mm

- първия икономайзер 5 е с размери Ф 180X1000 mm

- втория икономайзер 7 е с размери Ф 108X1000 mm

- пречиствателните възли 9 и 11 са с размери Ф 108X500 mm

- съда за гореща вода 14 и хидрофорния съд 13 са с размери Ф 108X500 mm

- температура на прегрятата пара - 550°C

- високоволтовият източник е с напрежение - 2 kV.

В друго изпълнение, производителност от 100 kg/h вода, може да се постигне при следните параметри:

- консумация на електрическа енергия - 25 kW/h

- консумация на вода - 100 kg/h

- електролизната клетка 1 е с размери Ф 277Х1000 mm

- катодната тръба 4 е с размери Ф 110X1000 mm

- първи икономайзер 5 е с размери Ф 320Х1000 mm

- втори икономайзер 7 е с размери Ф 277X1000 mm

- пречиствателните възли 9 и 11 са с размери Ф 277Х1000 mm

- съда за гореща вода 14 и хидрофорния съд 13 са с размери Ф 277Х1000 mm

- температура на прегрятата пара - 550°C

- високоволтовият източник е с напрежение - 8 kV

В електролизните клетки 1 важен параметър е разстоянието между външното цилиндрично тяло, което изпълнява ролята на анод и вътрешното цилиндрично тяло 2, което изпълнява ролята на катод. Това разстояние се определя от напрегнатостта на електрическото поле, като целта е напрегнатостта да е 100 kV/m, като в случая на производителност 10 kg/h, разстоянието е 20 mm, напрежението е 2 kV и напрегнатостта на полето е 100 kV/m. За производителност 100 kg/h, разстоянието е 80 mm, което съответства на напрежение 8 kV на електрическото поле.

Електроенергията, необходима за захранване на системата за предпочитане се получава от възобновяем източник или алтернативно от невъзобновяем. Използването на възобновяеми източници, като например слънчева енергия или изгаряне на биогорива има ниски нива на отделяните емисии.

Принципът на работа на системата за производство на водород и кислород е следният.

Първоначално студената омекотена вода от източника 16 се подава в долната част на пречиствателните възли 9 и 11, като нивото на тази вода се поддържа с помощта на монтирана ниворегулираща тръба, разположена в горната част на пречиствателните възли 9 и 11. През водата, с която са запълнени пречиствателните възли се пропускат горещ кислород през пречиствателен възел за кислород 9 и горещ водород през 11 с температура около 250°C. Тези газове са горещи и при преминаването през студената вода в пречиствателните възли се охлаждат, а същевременно водата се нагрява до около 95°C. Кислородът, водородът и водата в тези възли преминават еднопосочно, в посока отдолу нагоре и осъществяват контактен обмен на температурата си, в случая кислородът и водородът се охлаждат, а водата се нагрява. Освен това, ако в кислорода и водорода са останали части от неразложени водни пари или други примеси, то те се разтварят или остават във водата, затова този възел се нарича пречиствателен.

Горещата вода от горната част на пречиствателните възли 9 и 11 преминава в съда за гореща вода 14, откъдето с помощта на хидрофорна помпа 15 се компресира в хидрофорен съд 13. Посредством налягането в съда 13, горещата вода се дозира и подава на втория вход на втория икономайзер 7, разположен в долната му част. Тялото на втори икономайзер 7 се запълва частично, обикновено над половината с гореща вода, а във водата е разположен тръбен сноп от U-образни тръби, през които преминава полученият вече водород от електролизната клетка. U -образните тръби са изведени в горната част на втори икономайзер 7, като първият вход на 7 е вход за горещ водород, а първият изход на 7 е за частично охладен водород. Входът и изходът за водород са разположени в горната му част и са изолирани един от друг и от водата в горната част на втори икономайзер 7. Преминаващият водород през тръбите няма директен контакт с горещата вода, а я нагрява индиректно, през стената на тръбите, като пътят на водорода е комбиниран - противотоков в първата си половина и правотоков във втората си част спрямо посоката на движение на водата и водните пари. Тази смяна на посоката на водорода се прави за по -добър контакт на водата с газа при смяна на посоката на газа. Входящият водород е с висока температура, около 500°C и при преминаването си през тръбите се охлажда и предава своята топлина към водата в междутръбното пространство, като я нагрява и изпарява. Получената водна пара и част от неизпарената вода от междутръбното пространство от горната част на втория икономайзер 7 преминава от втория изход на икономайзера към втория вход на първи икономайзер 5.

Първи икономайзер 5 е кожухотръбен топлообменник, в междутръбното пространство на който се подава парата от горещата вода от втори икономайзер 7. Тръбното пространство е изпълнено от тръбен сноп от U-образни тръби, през които преминава полученият вече кислород от електролизната клетка. Тръбите са изведени в горната част на първи икономайзер 5, като първият вход на 5 е вход за горещ кислород, а първият изход на 5 е за частично охладен кислород. Входът и изходът за водород са разположени в горната му част и са изолирани един от друг и от водата в горната част на първи икономайзер 5. Преминаващият кислород през тръбите няма директен контакт с парата, а я нагрява индиректно, през стената на тръбите, като пътя на кислорода е противотоков в първата си половина и правотоков във втората си част спрямо посоката на движение на водните пари. Тази смяна на посоката на водорода прави по-добър контакт на парата с кислорода при смяна на посоката на газа. Входящият кислород е с висока температура, около 500°C и при преминаването си през тръбите се охлажда и предава своята топлина към парата в междутръбното пространство, като я нагрява. Получената гореща водна пара в междутръбното пространство се нагрява в горната част на икономайзера до 300°C и преминава от втория изход на икономайзера към паропрегревателя 3.

Постъпващата в долната част на паропрегревателя пара с температура около 300°C се нагрява допълнително с електрически или друг алтернативен нагревател, например газов или концентриран слънчев нагревател до температура 550°C. При тази висока температура при нормално налягане, парата е прегрята пара и от горния край на паропрегревателя, парата постъпва към долния вход на електролизната клетка. При тази висока температура електроните увеличават своята орбита и се отдалечават от ядрото на атома, като отслабват връзките между атомите на водорода и кислорода.

В електролизната клетка 1 парата попада в силно напрегнато електрическо поле, създадено от високоволтово захранване 17. В примерно изпълнение на полезния модел напрежението е 2 kV, което създава напрегнатост 100 kV/m. Под въздействието на това високоволтово поле, електроните получават допълнителна кинетична енергия и се отделят от ядрото на атомите, като така се разпада силната връзка между атомите на водорода и кислорода и водородът се отделя на катода (вътрешното цилиндрично тяло 2) на електролизната клетка, а кислородът се отделя по корпуса на електролизната клетка. Отделените водород и кислород се насочват към изходите под действието на високоволтовия потенциал.

В друго приложение на системата за производство на водород и кислород, постоянното високоволтово напрежение може да бъде заменено от импулсно високоволтово напрежение, за допълнително намаляване на консумираната електроенергия. В друго приложение на системата импулсното високоволтово поле може да бъде с честота, кратна на честотата на резонанс на водните пари.

На изхода на електролизната клетка се получават два потока газове - водород и кислород. Тези газове са с висока температура, около 500°C и за да се охладят преминават идентични пътища за охлаждане и пречистване. Водородът преминава охлаждане през тръбите на втори икономайзер 7 и охлаждане и пречистване през пречиствателен възел за водород 11, а кислородът преминава охлаждане през тръбите на първи икономайзер 5 и охлаждане и пречистване през пречиствателен възел за кислород 9. При преминаването си през втори икономайзер 7, водородът нагрява и изпарява водата в междутръбното пространство, а кислородът при преминаването си през 5 нагрява последователно парата в междутръбното пространство на 5 и по този начин рекуперира вложената топлина при прегряване на парата. Допълнителна рекуперация се получава при пречистването на водорода и кислорода през пречиствателните възли 11 и 9, където газовете директно нагряват входящата вода.

Получените водород и кислород може да се използват веднага при получаването си или да се компресират отделно и да се съхраняват за последващо приложение.

Референтните номера на техническите признаци са включени в претенциите единствено с цел да се увеличи разбираемостта на претенциите и, следователно, тези референтни номера нямат никакъв ограничаващ ефект по отношение на интерпретацията на елементите, означени с тези референтни номера.

Claims (1)

1. Система за производство на водород и кислород, включваща свързани електролизна клетка (1), източник за вода (16), устройство за подготовка, пречиствателен възел за кислород (9) и пречиствателен възел за водород (11), като електролизната клетка е свързана с източник на електрическо напрежение, характеризиращо се с това, че електролизната клетка (1) има външно цилиндрично тяло, в което е поместено вътрешно цилиндрично тяло (2) с отвори за преминаване на водород, което вътрешно цилиндрично тяло (2) е разположено коаксиално по централната ос на външното цилиндрично тяло на електролизната клетка (1), при което от долната страна, външното цилиндрично тяло на електролизната клетка (1) е затворено с дъно, на което е разположен вход за подаване на прегрята водна пара с температура от 500°C до 560°C през тръба от устройството за подготовка, което представлява паропрегревател (3), а от горната страна, външното цилиндрично тяло на електролизната клетка (1) е затворено с капак от изолационен материал, към който е закрепено чрез крепежни елементи вътрешното цилиндрично тяло (2), при което към външното цилиндрично тяло на електролизната клетка (1) е свързан положителния полюс на източника на електрическо напрежение, който представлява високоволтово захранване (17) за генериране на високоволтово електрическо поле, а към вътрешното цилиндрично тяло (2) е свързан отрицателният полюс на високоволтовото захранване (17), при което на горната част на външното цилиндрично тяло на електролизната клетка (1) има два изхода, съответно за кислород, и за водород, като изходът за кислород е свързан към първи икономайзер (5), а изходът за водород е свързан през изолационна тръба с втори икономайзер (7), при което в паропрегревателя (3) е монтиран нагревател (4), захранван от източник на електрическа енергия, който нагревател (4) е приспособен да загрява водна пара до 500-560°C, а в долната част на паропрегревателя (3) има вход за пара, свързан с втори изход на първия икономайзер (5), а като дъно на паропрегревателя (3) е монтиран фланец, на който са монтирани изходящи клеми на нагревателя (4), при което първият икономайзер (5) представлява кожухотръбен топлообменник с корпус за циркулация на пара, като в първия икономайзер (5) е разположен сноп от двуходови U-образни тръби за циркулация на изходящ кислород, събрани в тръбна дъска (6), с отделен вход и изход, при което първи вход на първия икономайзер (5) е свързан за приемане на изходящия кислород от електролизната клетка (1), а първи изход на първия икономайзер (5) е свързан за подаване на охладен кислород към вход на разпръсквач на кислород (10), монтиран в долната част на пречиствателен възел за кислород (9), при което втори вход на първия икономайзер (5) е свързан за приемане на пара от втори изход на втория икономайзер (7), а втори изход на първия икономайзер (5) е свързан за подаване на пара към входа на паропрегревателя (3), при което вторият икономайзер (7) представлява кожухотръбен топлообменник, с корпус за циркулация на гореща вода и преобразуване в пара, като във втория икономайзер (7) е разположен сноп от двуходови U-образни тръби за циркулация на изходящ водород от електролизната клетка (1), които тръби са събрани в тръбна дъска (8), с отделен вход и изход, при което първи вход на втория икономайзер (7) е свързан за приемане на изходящ водород от изхода за водород на електролизната клетка (1), а първи изход на втория икономайзер (7) е свързан за подаване на охладен водород към вход на разпръсквач на водород (12), монтиран в долната част на пречиствателен възел за водород (11), при което втори вход на втория икономайзер (7) е свързан за приемане на гореща вода от хидрофорен съд (13), а втори изход на втория икономайзер (7) е свързан с пречиствателния възел (9), а втори изход е монтиран в горната част на пречиствателния възел (9) и е свързан за подаване на гореща вода към вход на съд за гореща вода (14), като пречиствателният възел (9) в долната си част има вход за вода, свързан с източника на вода (16), при което пречиствателният възел за водород (11) представлява цилиндричен съд, с монтиран разпръсквач на водород (12), като горната част на пречиствателния възел за водород (11) е оформена като цилиндричен капак, на който е разположен първи изход за водород на пречиствателния възел за водород (11), а втори изход е монтиран в горната част на пречиствателния възел за водород (11) и е свързан за подаване на гореща вода към съда за гореща вода (14), като пречиствателният възел за водород (11) в долната си част има вход за вода, свързан с източника на вода (16), при което хидрофорният съд (13) представлява цилиндричен съд, в горната част на който има вход, свързан с хидрофорна помпа (15), а в долната част на хидрофорния съд (13) има изход, свързан през регулируем вентил към втория вход на втория икономайзер (7), при което съдът за гореща вода (14) е цилиндричен съд, който в горната си част има вход, който е свързан с вторите изходи на пречиствателните възли (9 и 11), а в долната част на съда за гореща вода (14) има изход, свързан към вход на хидрофорната помпа (15), чийто изход е свързан към входа на хидрофорния съд (13).