RU220982U1 - Электролитическая установка для получения газообразной смеси водорода и кислорода - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электрохимии и предназначена для получения смеси газообразного водорода и кислорода, которая может найти применение в области медицины. Электролитическая установка для получения газообразной смеси водорода и кислорода содержит емкость с электролитом, выполненную замкнутой и герметичной с входом для заполнения электролитом с образованием над уровнем электролита воздушной полости. Емкость соединена с реактором каналом подачи электролита и каналом отвода смеси газа и электролита, а также имеет канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода для подачи потребителю. Вход канала подачи электролита расположен в нижней части реактора, а выход канала отвода смеси газа и электролита расположен в верхней части противоположной стороны реактора. Реактор содержит электроды, выполненные в виде набора рядно расположенных металлических пластин с отверстиями для циркуляции электролита и отведения газов. Реактор электрически соединен с блоком питания, контроля и управления, при этом канал подачи электролита дополнительно снабжен насосом и радиатором. Технический результат заключается в повышении производительности электролитической установки. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области электрохимии и предназначена для получения смеси газообразного водорода и кислорода, которая может найти применение в области медицины, например для проведения ингаляций с использованием канюли назальной, маски кислородной, и других средств доставки газовой смеси водорода и кислорода к органам человека, в том числе при реабилитации перенесших COVID-19.

Уровень техники

Метод применения водорода для ингаляций описан в статье «Ингаляционный водород в реабилитационной программе медицинских работников, перенесших COVID-19» автор Шогенова Л.В. и коллектив (журнал «Кардиоваскулярная терапия и профилактика» 2021;20(6):2986, doi:10.15829/1728-8800-2021-2986, ISSN 1728-8800).

Известен электролизер для получения смеси водорода и кислорода (RU 2 466 213 С1, опубл. 10.11.2012, Бюл. № 31, ОАО НПО "ЦНИИТМАШ"). Электролизер содержит систему жидкостного циркуляционного охлаждения, включающую рубашку охлаждения электролизера, циркуляционный насос, радиатор, осевой вентилятор с электроприводом, расширительный бачок. Также электролизер содержит датчик температуры электролита, аварийное реле температуры электролита и соединительные рукава.

Основной недостаток этой системы охлаждения - малая площадь поверхности реактора, ввиду чего снимать требуемое количество тепла затруднительно. Помимо этого, имеется вероятность электрического замыкания электродов/пластин электролизера между собой, так как электролизер полностью опущен в емкость с водой.

Известна электролитическая установка для получения газообразной смеси водорода и кислорода (RU 142285 U1, опубл. 27.06.2014, Бюл. №18, Кузнецов А. Ю. и др.), содержащая электролизер, представляющий собой корпус с размещенными внутри электродами в виде пластин, электрически связанными с источником питания, и полость которого сообщена с емкостью, заполненной раствором электролита и с каналом отвода смеси газа и воды в канал сбора газообразной смеси водорода и кислорода, в качестве электролита использован неконцентрированный раствор воды с гидроксидом натрия, емкость для электролита выполнена замкнутой и герметичной, выполнена с входом для заполнения ее полости электролитом с образованием над уровнем электролита незаполненной электролитом полости и сообщена с канал отвода смеси газа и воды из электролизера, а канал сбора газообразной смеси водорода и кислорода, в котором установлен водный затвор, сообщен с незаполненной электролитом полостью емкости для электролита, электроды выполнены в виде набора рядно расположенных пластин из нержавеющей стали с отверстиями для циркуляции электролита и отведения газов, которые в каждой пластине выполнены несоосно отверстиям в смежно расположенных пластинах, а полость корпуса электролизера сообщена двумя каналами с емкостью для электролита, при этом выходы этих каналов расположены на противоположных стенках корпуса электролизера и напротив рядно расположенных пластин.

Недостаток данной установки заключается в отсутствии насоса для прокачки электролита, системы охлаждения электролита и невозможности длительной беспрерывной работы, что приводит к снижению в целом её производительности. Также в данной установке отсутствует пост распределения газовой смеси на нескольких потребителей.

Сущность полезной модели

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении производительности электролитической установки за счет поддержания задаваемой рабочей температуры электролита в реакторе при длительной непрерывной работе установки для получения газообразной смеси водорода и кислорода, и создания давления в потоке электролита перед его подачей в реактор.

Указанный технический результат достигается тем, что электролитическая установка для получения газообразной смеси водорода и кислорода содержит ёмкость с электролитом, выполненную замкнутой и герметичной с входом для заполнения электролитом с образованием над уровнем электролита воздушной полости. Емкость соединена с реактором каналом подачи электролита и каналом отвода смеси газа и электролита, а также имеет канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода для подачи потребителю. Вход канала подачи электролита расположен в нижней части реактора, а выход канала отвода смеси газа и электролита расположен в верхней части противоположной стороны реактора. Реактор содержит электроды, выполненные в виде набора рядно расположенных металлических пластин с отверстиями для циркуляции электролита и отведения газов. Реактор электрически соединен с блоком питания, контроля и управления, при этом канал подачи электролита дополнительно снабжен насосом и радиатором.

В частном случае реализации заявленного технического решения радиатор дополнительно снабжен вентилятором.

В частном случае реализации заявленного технического решения канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода дополнительно снабжен постом распределения газовой смеси для нескольких потребителей одновременно.

В частном случае реализации заявленного технического решения канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода дополнительно снабжен водным затвором и влагоотделителем.

В частном случае реализации заявленного технического решения канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода дополнительно снабжен электроклапаном для сообщения с атмосферой.

В частном случае реализации заявленного технического решения емкость дополнительно снабжена датчиком температуры и датчиком уровня электролита.

В частном случае реализации заявленного технического решения реактор дополнительно снабжен вентилем для слива электролита.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели поясняются нижеследующим описанием вариантов реализации заявленного технического решения с использованием конкретного примера исполнения, изображенного на Фиг.1, который, однако, не является единственно возможным, но демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата. В рамках настоящей полезной модели рассматривается конструкция устройства для электролитического получения газообразной смеси водорода и кислорода путем разложения водосодержащего раствора гидроксида натрия (в качестве электролита использован неконцентрированный раствор воды с гидроксидом натрия).

На Фиг. 1 изображена блок-схема устройства для получения газообразной смеси водорода и кислорода.

На Фиг. 1 цифрами обозначены следующие позиции: 1 - датчик уровня электролита; 2 -заливной штуцер; 3 - предохранительный клапан давления; 4 - канал подачи электролита в реактор; 5 - канал отвода смеси газа и электролита; 6 - канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода; 7 - электроклапан; 8 - водный затвор; 9 - влагоотделитель; 10 - температурный датчик; 11 - реактор; 12 - электролит (дистиллированная вода с добавлением гидроксида натрия (NaOH); 13 - блок питания, контроля и управления устройством, включая устройство широко импульсной модуляции для регулирования подаваемого напряжения; 14 - емкость для электролита; 15 - вентилятор; 16 - радиатор; 17 - вентиль слива электролита; 18 - насос; 19 - пост распределения потока газовой смеси; 20 - вентили.

Раскрытие полезной модели

В корпусе реактора 11 расположены металлические пластины-электроды (на чертежах не показано), число и качественный состав которых определяется необходимой производительностью реактора 11. Пластины-электроды соединены между собой электрически последовательно. С целью уменьшения сопротивления движению электролита и газоводной смеси в реакторе 11, а также создания одинакового давления в каждой ячейке реактора 11, отверстия для циркуляции электролита и отведения газов в смежных пластинах выполнены по оси, образую своеобразный канал (на чертежах не показано).

Полость корпуса реактора 11 сообщена с емкостью 14, заполненной раствором электролита 12 на основе дистиллированной воды (неконцентрированный раствор воды с гидроксидом натрия) посредством двух каналов 4 и 5, при этом выходы этих каналов расположены на противоположных стенках корпуса реактора 11 и напротив отверстий в рядно расположенных пластин-электродов.

Емкость 14 для электролита выполнена замкнутой и герметичной, выполнена с входом 2 для заполнения ее полости электролитом с образованием над уровнем электролита 12 незаполненной электролитом полости и сообщена с каналом 4 отвода смеси газа и электролита из реактора, а канал 6 сбора газообразной смеси водорода и кислорода, в котором установлен электроклапан 7, водный затвор 8 и влагоотделитель 9, сообщен с незаполненной электролитом воздушной полостью емкости 14 для электролита 12.

Поддержание рабочей температуры электролизера за счет наличия насоса 18, радиатора 16, через который постоянно проходит электролит, и вентилятора 15 является также отличительной чертой, позволяющей работать установке в круглосуточном режиме.

Функционирует устройство для электролитического получения газообразной смеси водорода и кислорода следующим образом.

Осуществляют заполнение емкости 14 через заливной штуцер 2 электролитом 12 в виде смеси дистиллированной воды с гидроксидом натрия (NaOH) до заданного уровня, определяемого датчиком 1 уровня воды. Уровень заполнения емкости 14 задают так, чтобы над уровнем электролита 12 была сформировано воздушная полость. Это полость сообщается с каналом 6 сбора газообразной смеси водорода и кислорода, сообщенным с потребителем газовой смеси через пост распределения 19. По каналу 4 электролит 12 из емкости 14 подается насосом 18 через радиатор 16 в нижнюю часть реактора 11, а именно в нижние отверстия пластин-электродов для циркуляции электролита. Таким образом, электролит 12 подается в реактор 11 потоком, что приводит к постоянному барботажу электролита между пластинами реактора 11, которые находятся в контакте с однородным перемешанным по структуре электролитом. В ходе электролитического процесса выделяется газообразный водород и газообразный кислород, в виде пузырьков на электродах. Потоком электролита под давлением, создаваемого насосом 18, пузырьки газов отрываются от поверхности пластин-электродов, образуя водогазовую смесь, которая потоком поднимается по каналу 5 отвода смеси газа и электролита из верхней части реактора 11, а именно из верхних отверстий пластин-электродов и попадает в емкость 14. Благодаря принудительному отрыву пузырьков газов от поверхности пластин, происходит «очищение» рабочей поверхности электродов реактора 11, тем самым ускоряя электрохимический процесс разложения электролита, что повышает производительность установки и снижает уровень потребления электроэнергии. В емкости 14 газовая компонента поднимается вверх и направляется в канал 6 сбора газообразной смеси водорода и кислорода, а водная компонента остается в среде электролита. Газообразная водородокислородная смесь проходит через водный затвор 8, влагоотделитель 9 и к потребителю газовой смеси, через пост распределения потоков 19. В зависимости от применения и производительности устройства пост распределения потока газовой смеси 19 может содержать несколько выходов, снабженных вентилями 20, например, два или более. В случае одного потребителя, открыт один вентиль, а остальные закрыты. Если - два потребителя - два вентиля открыты и т.д. При работе установки происходит постоянный нагрев электролита 12 в реакторе 11, контроль температуры осуществляется датчиком 10. В блоке 13 питания, контроля и управления задаются параметры рабочих точек (верхней 40°С и нижней 30°С) и критической температуры 60°С. Параметры температуры заданы исходя из комфортных условий воздействия газа на органы дыхания. При достижении верней точки температуры включается вентилятор 15 на радиаторе 16, охлаждая электролит, проходящий через него, поддерживая заданную температуру, где при достижении нижней точки, вентилятор выключается. В случае достижения критической температуры происходит отключение реактора 11, а вентилятор 15 продолжает работать. При нагреве электролит увеличивается в объеме. При отключении установки происходит остывание электролита 12 в емкости 14, что приводит к созданию пониженного давления в незаполненной полости емкости 14 и выкачивание воды из водяного затвора 8. Поэтому при отключении установки происходит открытие электроклапана 7 для соединения емкости 14 с атмосферой. Для смены электролита в электролизере предусмотрен вентиль 17.

Настоящая полезная модель допускает множество различных вариантов применения, модификаций или изменений без выхода за пределы объема охраны, как определено независимым пунктом 1 формулы полезной модели.

Кроме того, материалы и оборудование, применяемые для реализации настоящей полезной модели, а также формы и размеры отдельных компонентов могут быть выбраны так, чтобы быть наиболее пригодными для удовлетворения конкретных поставленных требований.

Claims (7)

1. Электролитическая установка для получения газообразной смеси водорода и кислорода, содержащая емкость с электролитом, выполненную замкнутой и герметичной с входом для заполнения электролитом с образованием над уровнем электролита воздушной полости, при этом емкость соединена с реактором каналом подачи электролита и каналом отвода смеси газа и электролита, а также имеет канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода для подачи потребителю, при этом вход канала подачи электролита расположен в нижней части реактора, а выход канала отвода смеси газа и электролита расположен в верхней части противоположной стороны реактора, где реактор содержит электроды, выполненные в виде набора рядно расположенных металлических пластин с отверстиями для циркуляции электролита и отведения газов, и электрически соединен с блоком питания, контроля и управления, при этом канал подачи электролита дополнительно снабжен насосом и радиатором.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что радиатор дополнительно снабжен вентилятором.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода дополнительно снабжен постом распределения газовой смеси для нескольких потребителей одновременно.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода дополнительно снабжен водным затвором и влагоотделителем.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что канал отвода газообразной смеси водорода и кислорода дополнительно снабжен электроклапаном для сообщения с атмосферой.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что емкость дополнительно снабжена датчиком температуры и датчиком уровня электролита.

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что реактор дополнительно снабжен вентилем для слива электролита.