BG4679U1 - HYDROGEN AND OXYGEN PRODUCTION SYSTEM - Google Patents
HYDROGEN AND OXYGEN PRODUCTION SYSTEM Download PDFInfo
- Publication number
- BG4679U1 BG4679U1 BG5961 BG4679U1 BG 4679 U1 BG4679 U1 BG 4679U1 BG 5961 BG5961 BG 5961 BG 4679 U1 BG4679 U1 BG 4679U1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- hydrogen
- economizer
- outlet
- inlet
- oxygen
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims description 126
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims description 126
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical class [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 118
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 104
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims description 104
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims description 104
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 116
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims description 102
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 63
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 60
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 11
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 4
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 6
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 5
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Description
Област на техникатаField of technique
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.The utility model refers to hydrogen energy and heat engineering, in particular to the production of hydrogen and oxygen, which are used in energy, heat engineering, transport, industry and other industries.
Предшестващо състояние на техникатаPrior art
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.A system for the production of hydrogen and oxygen is known from the prior art, consisting of an electrolysis cell, in which electrodes are located, to which an electric voltage is applied from a source of electrical energy, and the water for decomposition is supplied to one side of the electrolysis cell from the series-connected water source and water preparation device, and on the other side, the electrolysis cell has two outlets, the first outlet produces hydrogen, which is connected to a purification unit in which a hydrogen spreader is installed, and the second outlet is connected to a treatment unit in which an oxygen sparger is installed. The first output is also called the cathode and the minus of the rectifier is connected to it, and the second output is called the anode and the plus of the rectifier is connected to it. The body of the electrolysis cell is usually rectangular, in rare cases cylindrical, and is made of an electrically insulating material, in which parallel current-conducting plates are placed, conditionally divided into two poles, connected to a rectifier. It is characteristic of the current source that it has a low voltage, of the order of 2V per cell, which depends on the construction of the electrolysis cell, the composition of the electrolyte and other parameters. Softened water is fed between the plates of the electrolysis cell, with potassium base (KOH) dissolved in it, which is usually called the electrolyte. When a current is passed between the plates of the electrolysis cell, gas is released into the water, which is a mixture of hydrogen and oxygen. This mixture is separated through fitted hydrogen and oxygen membranes, with hydrogen separated at the cathode and oxygen separated at the anode.
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.It is characteristic of these known devices that the production of hydrogen and oxygen is based on the method of electrolysis of water with a large electric current at low voltages and normal temperature.
Основният недостатък на устройствата, изпълнени по този метод, е употребата на голямо количество електроенергия, която води до високата цена на получения водород и кислород.The main disadvantage of devices made by this method is the use of a large amount of electricity, which leads to the high cost of the hydrogen and oxygen obtained.
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.Another significant disadvantage of the known devices is their low productivity per unit area and the fact that the increase in hydrogen and oxygen production volumes is accompanied by an increase in the area of the devices, which is also related to an increase in dimensions, weight and input materials.
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.Another disadvantage of the known devices is that the electrolysis is carried out with large electric currents, at low voltages, and the electrodes are made of expensive metals, such as platinum, silver or other precious metals, which leads to the use of large amounts of copper, platinum, silver and other precious metals.
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.Another disadvantage of the known devices is that they are filled with electrolyte, which significantly increases the weight of the devices, and hence the increased costs of the materials used for the construction of the electrolysis cells.
Техническа същност на полезния моделTechnical nature of the utility model
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.The task of the current utility model is to create a system for the production of hydrogen and oxygen that consumes a small amount of electricity, has a high productivity per unit area, has small dimensions and weight, and works with high voltages and small currents.
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:This task is solved by creating a system for the production of hydrogen and oxygen, in which electrolysis of water is carried out in a gaseous state, under the influence of a high-voltage field. More specifically, electrolysis is carried out by passing superheated water vapor (that is, steam with a temperature higher than the saturation temperature of steam, with a temperature between 500°C and 560°C) through a high-voltage electric field in which the superheated vapor decomposes into hydrogen and oxygen. The proposed system is based on the following principles:
1. Електронната връзка между атомите на водорода и кислорода отслабва пропорционално на повишението на температурата на водните пари.1. The electronic bond between the hydrogen and oxygen atoms weakens in proportion to the increase in the temperature of the water vapor.
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.2. The electronic bond between the hydrogen and oxygen atoms at a steam temperature of 500°C 560°C, preferably 550°C, still supports the water molecules, but the electron orbits are already distorted and the bond between the hydrogen and oxygen atoms is already weakened.
3. Водната пара не трябва да се нагрява повече от 580°C, тъй като възникват условия за самовъзпламеняване на водорода.3. Water vapor should not be heated above 580°C, as conditions for self-ignition of hydrogen occur.
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.4. In order to separate the electrons from their orbit, it is necessary to add more energy, but not thermal energy, but the energy of an external electric field. The energy of the external electric field is then converted into kinetic energy of the electron, the speed of the electron increasing in proportion to the square root of the voltage applied to the electrodes.
5. Разлагането на прегрятата пара в електрическо поле се извършва при малки скорости на парата в електрическото поле, при скорости под 2 м/с.5. Decomposition of the superheated steam in an electric field takes place at low velocities of the steam in the electric field, at velocities below 2 m/s.
6. За получаването на големи количества водород и кислород може да се използват много на брой електролизни клетки, разположени в общ корпус.6. For the production of large quantities of hydrogen and oxygen, a large number of electrolysis cells located in a common housing can be used.
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.The hydrogen and oxygen production system consists of an electrolysis cell that has an outer cylindrical body, which houses an inner cylindrical body with holes for the passage of hydrogen. The inner cylindrical body is located coaxially, exactly along the central axis of the outer cylindrical body of the electrolysis cell, so that the distances between the outer cylindrical body of the electrolysis cell and the inner cylindrical body are fixed and the same on all sides. On the lower side, the outer cylindrical body of the electrolysis cell is closed with a bottom, on which is located an inlet for supplying superheated steam with a temperature of 500°C to 560°C through a tube from a superheater. On the upper side, the outer cylindrical body of the electrolysis cell is closed with a cover made of insulating material, to which the inner cylindrical body 3 is attached by fasteners. The insulating material may be made of ceramic or porcelain. The positive pole of the high-voltage power supply is connected to the outer cylindrical body of the electrolysis cell, and thus the outer cylindrical body of the electrolysis cell acts as the anode, and the negative pole of the high-voltage power supply is connected to the inner cylindrical body, and thus it acts as the cathode. Since the distances on all sides between the inner wall of the outer cylindrical body of the electrolysis cell and the outer wall of the inner cylindrical body are the same, there is an equal distribution of the high voltage between the cathode and the anode. On the upper part of the external cylindrical body of the electrolysis cell there are two outlets, respectively for hydrogen and for oxygen. The hydrogen outlet of the outer cylindrical body of the electrolysis cell is connected through an insulating tube to a first inlet of a second economizer. A first hydrogen outlet of the second economizer is connected to a hydrogen sparger mounted in a hydrogen purification assembly. The oxygen outlet of the outer cylindrical body of the electrolysis cell is connected to a first inlet of a first economizer, and the first outlet of a first economizer is connected to an oxygen sparger mounted in an oxygen purification unit.
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.The superheater is a cylindrical vessel in which a heater is mounted, which is powered by a source of electrical energy, preferably a renewable source, for example a photovoltaic panel, a wind turbine or an alternative source. The heater is adapted to heat water vapor to 500-560°C. At the bottom of the superheater there is a steam inlet connected to a second outlet of the first economizer, and the bottom of the superheater is a flange on which the outlet terminals of the heater are mounted.
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.The first economizer is a shell-and-tube heat exchanger, in the housing of which circulates steam that is overheated, and in the first economizer there is a bundle of U-shaped tubes, assembled in a tube board, with a separate /separated/ inlet and outlet. The tubes of the tube board are two-way and circulate the outgoing oxygen in them. The outgoing oxygen from the electrolysis cell is supplied to the first inlet of the first economizer. The first outlet of the first economizer, from which cooled oxygen is obtained, is connected to the inlet of an oxygen sparger mounted at the bottom of an oxygen purification unit. The second inlet of the first economizer is connected to receive steam from the second outlet of the second economizer, and the second outlet of the first economizer is connected to supply steam to the superheater inlet.
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.The second economizer is a shell-and-tube heat exchanger in the housing of which hot water circulates and is converted to steam, and in the second economizer there is a bundle of U-shaped tubes assembled in a tube board, with a separate inlet and outlet. The tubes of the tube board are two-way, and in them the outgoing hydrogen from the electrolysis cell circulates. The first inlet of the second economizer is supplied with the exiting hydrogen from the electrolysis cell, and the first outlet of the second economizer, where cooled hydrogen is obtained, is connected to the inlet of a hydrogen spreader mounted in the lower part of a hydrogen purification unit. The second inlet of the second economizer is connected to receive hot water from a hydrophoretic vessel, and the second outlet of the second economizer is connected to the second inlet of the first economizer.
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.The oxygen purification unit is a cylindrical vessel with an oxygen spreader installed in it, the inlet of which is connected to the first outlet of the first economizer. The upper part of the oxygen purification unit is shaped as a cylindrical cover with side walls and a bottom, which is the first outlet of the oxygen purification unit and serves as the oxygen outlet. The second outlet of the oxygen purification unit is mounted at the top of the oxygen purification unit and is connected to supply water to the inlet of the hot water vessel.
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.The hydrogen purification unit is a cylindrical vessel, with a hydrogen spreader installed, which is connected to the first outlet of a second economizer. The upper part of the hydrogen purification unit is shaped as a cylindrical cover formed with side walls and a bottom, which is the first outlet of the hydrogen purification unit and serves as an outlet for hydrogen. The second outlet of the hydrogen purification unit is mounted at the top of the hydrogen purification unit and is connected to supply water to the hot water vessel.
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.The hydrophoric vessel is a cylindrical vessel, the upper part of which has an inlet connected to a hydrophoric pump, and in its lower part there is an outlet connected through an adjustable valve to the second inlet of the second economizer.
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.The hot water vessel is a cylindrical vessel, which in its upper part has an inlet connected to the outlets of the purification units, and in its lower part has an outlet connected to the inlet of a hydrophoric pump. The hydrophoric pump is a centrifugal pump whose outlet is connected to the inlet of the hydrophoric vessel.
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.The utility model provides optimized production of hydrogen and oxygen, with low electricity costs, with high productivity per unit area, with small dimensions and weight, with high voltages and small currents, and water electrolysis is carried out in the gaseous state of water.
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.In the system, according to the useful model, a two-stage countercurrent simultaneous cooling of the desired product - hydrogen and oxygen is carried out at the expense of heating and evaporation of the supplied water. In the first stage, the hydrogen and oxygen are cooled in economizers, simultaneously evaporating the incoming water in the economizers. In the second stage, the hydrogen and oxygen are cooled as they pass through the water in the treatment units, heating the incoming water and preparing it for its future evaporation in the economizers. In this way, a very good efficiency and energy recovery is achieved, since it is known that a significant amount of energy is spent on the evaporation of water. In this case, by changing the aggregate state of the water, an energy saving of over 75% is achieved, and it is necessary to add energy only to superheat the steam, which significantly reduces energy consumption and contributes to reducing the cost of the resulting product.
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.According to the useful model, the temperature of the superheated steam is 500-560°C, which allows the decomposition of water to take place with the supply of additional electrical energy in the form of a high-voltage electric field. A lower temperature requires more energy in the electrolysis, and a higher temperature creates a danger of igniting the hydrogen.
Предимство на полезния модел е, че в пречиствателния възел за кислород и пречиствателен възел за водород се извършва допълнителна рекуперация на вложената топлинна енергия.An advantage of the utility model is that additional recovery of the input heat energy is performed in the oxygen purification unit and the hydrogen purification unit.
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.Another advantage of the utility model is that the heat of the exiting hydrogen and oxygen is recovered in the first economizer, second economizer and returned to the water preparation units.
Така създадената система за производство на водород и кислород осигурява:The thus created hydrogen and oxygen production system provides:
- ниска енергия за производството на водород и кислород;- low energy for the production of hydrogen and oxygen;
- висока производителност на водород и кислород;- high productivity of hydrogen and oxygen;
- малки габарити и тегло на системата;- small dimensions and weight of the system;
- производството на водород и кислород се извършва с високо напрежение и малки токове;- the production of hydrogen and oxygen is carried out with high voltage and small currents;
- електролизата на водата се извършва при газообразно състояние на водата;- electrolysis of water is carried out in the gaseous state of water;
- в системата се извършва рекуперация на отпадната топлина на получените газове.- the system recovers the waste heat of the produced gases.
Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures
Фигура 1 представлява технологичната схема на предпочитан вариант на системата за производство на водород и кислород, съгласно полезния модел.Figure 1 represents the flow chart of a preferred embodiment of the hydrogen and oxygen production system according to the utility model.
Фигура 2 представлява технологичната схема на известна от нивото на техниката система за производство на водород и кислород.Figure 2 represents the technological scheme of a system known from the state of the art for the production of hydrogen and oxygen.
Пример за изпълнение и действие на полезния моделAn example of the implementation and operation of the utility model
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.The hydrogen and oxygen production system can be used in the energy industry to produce and store electricity, in transportation to provide fuel, in machine building to process metals, in units to obtain heat for heating or other industrial purposes. During its oxidation, hydrogen emits only water vapor or water, which is a prerequisite for its ecological qualities.
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.In a preferred embodiment of the utility model, the hydrogen and oxygen production system is used in fuel cells to obtain and store electricity.
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.In another embodiment, hydrogen and oxygen can be added to already known fuels to improve efficiency and to improve combustion and reduce emissions.
В друг вариант водородът и кислородът може да се използват в транспортните средства като гориво за намаляване на отделяните вредни емисии.Alternatively, hydrogen and oxygen can be used in vehicles as fuel to reduce emissions.
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.In another preferred embodiment, the hydrogen and oxygen production system can be used for metal processing, as the hydrogen burns, and the oxygen assists this burning, and a high temperature, on the order of over 2000°C, is produced, which is used for processing of refractory materials.
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.The hydrogen and oxygen production system, as shown in figure 1, includes an outer body of the electrolysis cell 1, which is a cylinder, in which an inner cylindrical body, which is a pipe with holes, is mounted. A superheater 3 is connected to the lower end of the cylinder, and on one side of the upper end, there is a first outlet for hydrogen, which is connected to the first inlet of a second economizer 7 through an electrical insulating tube, and on the other hand, on the upper end there is a second outlet for oxygen, which is connected to the first input of the first economizer 5. The plus of the high-voltage power supply 17 is connected to the body of the electrolysis cell and acts as an anode, and the minus of the high-voltage power supply 17 is connected to the inner cylindrical body 6 and acts as the cathode .
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.In turn, the superheater 3 is a cylinder, with a heater 4 installed in it, which is usually supplied with electricity or heat from a renewable source. The heater 4 can heat the steam to 500°C - 560°C, preferably 550°C. The upper part of the superheater body 3 is connected to the lower end of the electrolysis cell 1, and the lower part of the superheater is connected to the second outlet of the first economizer 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.The first economizer 5 is a two-pass shell-and-tube heat exchanger, in the tubes of which the oxygen obtained from the electrolysis cell is located, and in the space between the tubes there is water vapor from which hydrogen and oxygen are produced. The tubes are a bundle of two-way U-tubes for the circulation of outgoing oxygen, collected in a tube board 6, with a separate inlet and outlet. The first inlet of the first economizer 5 is connected to the oxygen outlet of the electrolysis cell 1, and the first outlet of the first economizer 5 is connected to the oxygen purification unit 9. Also, the second inlet of the first economizer 5 is connected to the second outlet of the second economizer 7 , and the second outlet of the first economizer 5 is connected to the lower inlet of the superheater 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.The second economizer 7 is a two-pass shell-and-tube heat exchanger, in the tubes of which the hydrogen obtained from the electrolysis cell is located, and in the space between the tubes there is hot water from which hydrogen and oxygen are produced. The tubes are a bundle of two-way U-tubes for the circulation of outgoing oxygen, collected in a tube board 6, with the same inlet and outlet. The first inlet of the second economizer 7 is connected to the hydrogen outlet of the electrolysis cell 1, and the first outlet of the second economizer 7 is connected to the hydrogen purification unit 11. Also, the second inlet of the second economizer 7 is connected to the outlet at the bottom of the hydrophoric vessel 13, and the second output of 7 is connected to the second input of the first economizer 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.The oxygen purification unit 9 is a cylindrical vertical vessel, at the bottom of which an oxygen dispenser 10 is located, and in the lower part of the oxygen purification unit 9 an inlet for softened water is installed, which is connected to the source of softened water 16, and in two outlets are installed at the upper end, the first outlet is in the uppermost part and is intended for the outlet of ready oxygen, and the second outlet is at a lower level and is intended for the outlet of hot water and is connected to the hot water vessel 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.The hydrogen purification unit 11 is a cylindrical vertical vessel 11, at the bottom of which a hydrogen spreader 12 is located, and in the lower part of the hydrogen purification unit 11 an inlet for softened water is installed, which is connected to the source of softened water 16, and two outlets are installed at the upper end, the first outlet is in the uppermost part and is intended for the outlet of the finished hydrogen, and the second outlet is at a lower level and is intended for the outlet of hot water and is connected to the vessel for hot water 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.The hydrophoric vessel 13 is a cylindrical vertical vessel, in the lower part of which a hot water outlet is located, which is connected to the second inlet of the second economizer 7, and in the upper part there is a hot water inlet connected to a hydrophoric pump 15. The hydrophoric pump 15 is a centrifugal pump, the inlet 7 of which is connected to the lower part of the hot water vessel 14, and the outlet of the pump is connected to the hydrophoric vessel 13. The hot water vessel 14 is a cylindrical vertical vessel, the upper part of which is simultaneously connected to the second outlets of the purification units 9 and 11, and its lower part is connected to pump 15.
В системата за производство на водород и кислород, съгласно полезния модел, електролизата на водата се извършва по следния начин:In the hydrogen and oxygen production system, according to the utility model, the electrolysis of water is carried out as follows:
- подаване на вода, за предпочитане омекотена, от източника 16 към пречиствателните възли 9 и 11;- supply of water, preferably softened, from the source 16 to the purification units 9 and 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;- heating the water in purification units 9 and 11 at the expense of cooling and purifying oxygen in oxygen purification unit 9 and hydrogen in hydrogen purification unit 11;
- събиране на горещата вода от пречиствателните възли 9 и 11 в съда за гореща вода 14;- collecting the hot water from the purification units 9 and 11 in the hot water vessel 14;
- подаване на горещата вода от съда 14 посредством хидрофорна помпа 15 към хидрофорния съд 13;- supplying the hot water from the vessel 14 by means of a hydrophoric pump 15 to the hydrophoric vessel 13;
- дозиране на горещата вода от хидрофорен съд 13 при подаването й към втория икономайзер 7;- dosing of the hot water from the hydrophoric vessel 13 when it is supplied to the second economizer 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;- heating the water and turning it into steam, at the expense of cooling the hydrogen generated in the electrolysis cell 1, after which the steam is fed to the first economizer 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;- overheating of the steam in the first economizer 5, where the water residues are evaporated and the water vapor is heated additionally, after which the steam is fed to the superheater 3;
- допълнително прегряване на парата в паропрегревател 3 до температура 500°C - 560°C, след което парата се подава към електролизна клетка 1;- additional reheating of the steam in the superheater 3 to a temperature of 500°C - 560°C, after which the steam is fed to the electrolysis cell 1;
- подаване на електрическа енергия във вид на високоволтово електрическо поле от захранване 17 към електролизната клетка 1;- supply of electrical energy in the form of a high-voltage electric field from power supply 17 to the electrolysis cell 1;
- разлагане на прегрятата пара на водород и кислород под въздействието на високоволтово поле в електролизната клетка 1;- decomposition of the superheated steam into hydrogen and oxygen under the influence of a high-voltage field in the electrolysis cell 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;- supplying the oxygen with a temperature of about 500°C to the first economizer 5, where it is cooled to a temperature of about 240°C due to heating and evaporation of the incoming hot water;
- 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;- supplying the hydrogen with a temperature of about 500°C to the second economizer 7, where the temperature is cooled to about 240°C due to heating and evaporation of the incoming hot water;
- 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;- supplying the oxygen with a temperature of about 240°C to an oxygen purification unit 9, in which there is water with a temperature of about 20°C, and by means of which the oxygen is cooled secondarily to about 120°C and the water is heated to about 95°C from him;
- 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;- supplying the hydrogen with a temperature of about 240°C to a hydrogen purification unit 11, in which there is water with a temperature of about 20°C, and by means of which the hydrogen is cooled secondarily to about 120°C, and the water is heated to about 95°C from him;
- 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;- conveying the water heated by the oxygen and hydrogen to about 95°C in a hot water vessel 14, where the two streams from the purification units 9 and 11 are mixed;
- подаване на горещата вода към хидрофорна помпа 15, където горещата вода се компресира и отива в хидрофорен съд 13;- supplying the hot water to the hydrophoric pump 15, where the hot water is compressed and goes into the hydrophoric vessel 13;
- подаване на гореща вода към втори икономайзер 7 и повтаряне на цикъла;- supplying hot water to the second economizer 7 and repeating the cycle;
- отвеждане на водорода и кислорода от пречиствателните възли 9 и 11 към приемните устройства.- removal of hydrogen and oxygen from purification units 9 and 11 to the receiving devices.
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:Many variations of the hydrogen and oxygen production system are possible, for example a generator output of 10 kg/h of water can be achieved under the following parameters:
- консумация на електрическа енергия - 3 kW/h- electricity consumption - 3 kW/h
- консумация на вода - 10 kg/h- water consumption - 10 kg/h
- електролизната клетка 1 е с размери Ф 108X1000 mm- electrolysis cell 1 has dimensions Ф 108X1000 mm
- катодната тръба 4 е с размери Ф 60Х1000 mm- the cathode tube 4 has dimensions Ф 60X1000 mm
- първия икономайзер 5 е с размери Ф 180X1000 mm- the first economizer 5 has dimensions Ф 180X1000 mm
- втория икономайзер 7 е с размери Ф 108X1000 mm- the second economizer 7 has dimensions Ф 108X1000 mm
- пречиствателните възли 9 и 11 са с размери Ф 108X500 mm- purification units 9 and 11 have dimensions Ф 108X500 mm
- съда за гореща вода 14 и хидрофорния съд 13 са с размери Ф 108X500 mm- the hot water vessel 14 and the hydrophoric vessel 13 have dimensions Ф 108X500 mm
- температура на прегрятата пара - 550°C- temperature of superheated steam - 550°C
- високоволтовият източник е с напрежение - 2 kV.- the high-voltage source has a voltage of - 2 kV.
В друго изпълнение, производителност от 100 kg/h вода, може да се постигне при следните параметри:In another embodiment, a productivity of 100 kg/h of water can be achieved with the following parameters:
- консумация на електрическа енергия - 25 kW/h- electricity consumption - 25 kW/h
- консумация на вода - 100 kg/h- water consumption - 100 kg/h
- електролизната клетка 1 е с размери Ф 277Х1000 mm- electrolysis cell 1 has dimensions Ф 277X1000 mm
- катодната тръба 4 е с размери Ф 110X1000 mm- the cathode tube 4 has dimensions Ф 110X1000 mm
- първи икономайзер 5 е с размери Ф 320Х1000 mm- first economizer 5 has dimensions Ф 320X1000 mm
- втори икономайзер 7 е с размери Ф 277X1000 mm- second economizer 7 has dimensions Ф 277X1000 mm
- пречиствателните възли 9 и 11 са с размери Ф 277Х1000 mm- the purification units 9 and 11 have dimensions Ф 277X1000 mm
- съда за гореща вода 14 и хидрофорния съд 13 са с размери Ф 277Х1000 mm- the hot water vessel 14 and the hydrophoric vessel 13 have dimensions Ф 277X1000 mm
- температура на прегрятата пара - 550°C- temperature of superheated steam - 550°C
- високоволтовият източник е с напрежение - 8 kV- the high-voltage source has a voltage of - 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.In electrolysis cells 1, an important parameter is the distance between the outer cylindrical body, which acts as an anode, and the inner cylindrical body 2, which acts as a cathode. This distance is determined by the strength of the electric field, aiming for a strength of 100 kV/m, in the case of a throughput of 10 kg/h, the distance is 20 mm, the voltage is 2 kV and the field strength is 100 kV/m. For a productivity of 100 kg/h, the distance is 80 mm, which corresponds to an electric field strength of 8 kV.
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.The electricity required to power the system is preferably obtained from a renewable source or alternatively from a non-renewable source. The use of renewable sources such as solar energy or the burning of biofuels has low levels of emissions.
Принципът на работа на системата за производство на водород и кислород е следният.The principle of operation of the hydrogen and oxygen production system is as follows.
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.Initially, the cold softened water from the source 16 is fed to the lower part of the treatment units 9 and 11, and the level of this water is maintained by means of an installed level-regulating pipe located in the upper part of the treatment units 9 and 11. Through the water with which they are filled purification units, hot oxygen is passed through oxygen purification unit 9 and hot hydrogen through 11 with a temperature of about 250°C. These gases are hot and when they pass through the cold water in the purification units they are cooled, while the water is heated to about 95°C. Oxygen, hydrogen and water in these nodes pass unidirectionally, in the direction from bottom to top and carry out a contact exchange of their temperature, in this case oxygen and hydrogen are cooled and water is heated. In addition, if parts of undissolved water vapor or other impurities remain in the oxygen and hydrogen, then they dissolve or remain in the water, therefore this node is called purifying.
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.The hot water from the upper part of the purification units 9 and 11 passes into the hot water vessel 14, from where, with the help of a hydrophoric pump 15, it is compressed into a hydrophoric vessel 13. By means of the pressure in the vessel 13, the hot water is dosed and supplied to the second inlet of the second economizer 7 located in its lower part. The body of the second economizer 7 is partially filled, usually more than half, with hot water, and a tube bundle of U-shaped tubes is located in the water, through which the already obtained hydrogen from the electrolysis cell passes. The U-tubes are led to the top of a second economizer 7, the first inlet of 7 being the hot hydrogen inlet and the first outlet of 7 being for partially cooled hydrogen. The hydrogen inlet and outlet are located in its upper part and are isolated from each other and from the water in the upper part of the second economizer 7. The hydrogen passing through the tubes does not have direct contact with the hot water, but heats it indirectly, through the wall of the tubes, as the path of hydrogen is combined - countercurrent in its first half and direct current in its second part relative to the direction of movement of water and water vapor. This change in the direction of the hydrogen is done for better contact of the water with the gas when changing the direction of the gas. The incoming hydrogen is at a high temperature, around 500°C, and as it passes through the tubes, it cools and transfers its heat to the water in the intertube space, heating and vaporizing it. The resulting water vapor and part of the unvaporized water from the inter-pipe space from the upper part of the second economizer 7 passes from the second outlet of the economizer to the second inlet of the first economizer 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.The first economizer 5 is a shell-and-tube heat exchanger, in the inter-tube space of which the steam from the hot water from the second economizer 7 is supplied. The tube space is filled by a tube bundle of U-shaped tubes through which the already obtained oxygen from the electrolysis cell passes. The pipes are led to the top of a first economizer 5, the first inlet of 5 being a hot oxygen inlet and the first outlet of 5 being for partially cooled oxygen. The hydrogen inlet and outlet are located in its upper part and are isolated from each other and from the water in the upper part of the first economizer 5. The oxygen passing through the tubes does not have direct contact with the steam, but heats it indirectly, through the wall of the tubes, as the path of oxygen is countercurrent in its first half and direct current in its second part relative to the direction of movement of water vapor. This change in direction of the hydrogen makes better contact of the vapor with the oxygen when the direction of the gas is changed. The incoming oxygen is at a high temperature, around 500°C, and as it passes through the tubes it cools and transfers its heat to the steam in the intertube space, heating it. The resulting hot water vapor in the intertube space is heated in the upper part of the economizer to 300°C and passes from the second outlet of the economizer to the superheater 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.The steam entering the bottom of the superheater at a temperature of about 300°C is further heated by an electric or other alternative heater, for example a gas or concentrated solar heater to a temperature of 550°C. At this high temperature at normal pressure, the steam is superheated steam and from the upper end of the superheater, the steam enters the lower inlet of the electrolysis cell. At this high temperature, the electrons increase their orbit and move away from the atom's nucleus, weakening the bonds between the hydrogen and oxygen atoms.
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.In the electrolysis cell 1, the vapor enters a high voltage electric field created by a high voltage power supply 17. In an exemplary embodiment of the utility model, the voltage is 2 kV, which creates a voltage of 100 kV/m. Under the influence of this high-voltage field, the electrons receive additional kinetic energy and are separated from the nucleus of the atoms, thus breaking the strong bond between the hydrogen and oxygen atoms, and the hydrogen is released at the cathode (inner cylindrical body 2) of the electrolysis cell, and the oxygen is released along the body of the electrolysis cell. The separated hydrogen and oxygen are directed to the outlets under the action of the high voltage potential.
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.In another application of the hydrogen and oxygen production system, the constant high voltage can be replaced by a pulsed high voltage to further reduce the electricity consumed. In another application of the system, the pulsed high voltage field may be at a frequency that is a multiple of the resonance frequency of the water vapor.
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.At the output of the electrolysis cell, two streams of gases are obtained - hydrogen and oxygen. These gases have a high temperature, around 500°C, and in order to cool down, they go through identical cooling and purification paths. The hydrogen undergoes cooling through the pipes of the second economizer 7 and cooling and purification through the hydrogen purification unit 11, and the oxygen undergoes cooling through the pipes of the first economizer 5 and cooling and purification through the oxygen purification unit 9. When passing through the second economizer 7, the hydrogen heats and vaporizes the water in the intertube space, and the oxygen, in passing through 5, successively heats the steam in the intertube space of 5 and thus recovers the input heat when the steam is superheated. Additional recovery occurs in the purification of hydrogen and oxygen through purification units 11 and 9, where the gases directly heat the incoming water.
Получените водород и кислород може да се използват веднага при получаването си или да се компресират отделно и да се съхраняват за последващо приложение.The resulting hydrogen and oxygen can be used immediately upon receipt or compressed separately and stored for later use.
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.The reference numbers of the technical features are included in the claims solely for the purpose of increasing the comprehensibility of the claims and, therefore, these reference numbers do not have any limiting effect on the interpretation of the elements indicated by these reference numbers.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG4679U1 true BG4679U1 (en) | 2024-01-31 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101346494B (en) | Electrolysis | |
| CA2692746C (en) | Carbon free dissociation of water and production of hydrogen related_power | |
| Quandt et al. | Concept and design of a 3.5 MW pilot plant for high temperature electrolysis of water vapor | |
| CN101326310A (en) | An electrolysis apparatus | |
| US4080791A (en) | Fuel cell power generating stations | |
| JP2831319B2 (en) | Electrolysis method and equipment of fluid electrolyte | |
| CN111945182B (en) | Hydrogen production system utilizing waste heat of boiler flue gas of thermal power plant | |
| El Soly et al. | Comparative experimental investigation of oxyhydrogen (HHO) production rate using dry and wet cells | |
| NL2022045B1 (en) | Method for generating heat from water electrolysis | |
| CN114623608A (en) | Concentrating photovoltaic thermal system for poly-generation | |
| CN114149043A (en) | Method and device for preparing ammonium bicarbonate by solar beam splitting thermoelectric conversion | |
| BG4679U1 (en) | HYDROGEN AND OXYGEN PRODUCTION SYSTEM | |
| CN107792329A (en) | Power and water joint supply method | |
| WO2020046118A1 (en) | System for generating energy in a working fluid from hydrogen and oxygen and method of operating this system | |
| EA009651B1 (en) | Method and apparatus for converting mixture of water and ethanol into fuel | |
| Miri et al. | Electrolyte process of hydrogen production by solar energy | |
| RU2142905C1 (en) | Method of producing hydrogen and oxygen from water | |
| KR20070104697A (en) | System for generating combined energy | |
| US20080274039A1 (en) | Integrated electrochemical and thermochemical renewable energy production, storage, distribution and recycling system | |
| CN107725191A (en) | Power and water joint supply device | |
| RU2812904C1 (en) | Installation for producing hydrogen by thermoelectric decomposition of water | |
| WO2023276415A1 (en) | Hydrogen production system and hydrogen production method | |
| US20180282157A1 (en) | High energy method and apparatus for carbon free dissociation of water for production of hydrogen and hydrogen related power | |
| WO2023053546A1 (en) | Hydrogen production system and hydrogen production method | |
| WO2002013577A1 (en) | Cumulative heat generating system including an electrolysis device |