RU2816471C1

RU2816471C1 - Устройство для получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулированием мощности

Info

Publication number: RU2816471C1
Application number: RU2023116109A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Бебко; Татьяна Анатольевна Щербатова; Игорь Викторович Щербатов
Filing date: 2023-06-16
Publication date: 2024-03-29

Abstract

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения тепловой энергии из водорода и кислорода при электролизе воды. Крышка имеет цилиндроконический прилив со сквозным отверстием, образующий совместно с корпусом анодную и катодную полости, анод выполнен плоским и расположен в анодной полости, и соединен с положительным полюсом источника питания, катод - в виде стержня из тугоплавкого материала, вставлен в диэлектрический стержень с наружной резьбой, посредством которой он введен в межэлектродную камеру через резьбовое отверстие в корпусе и центрирован в сквозном отверстии крышки, и соединен с отрицательным полюсом источника питания. Диэлектрический держатель катода выполнен с возможностью регулирования межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм, при этом анод и катод подсоединены к источнику импульсного питания частотой 500 Гц. Изобретение позволяет получить тепловую энергию из водорода и кислорода за счет регулирования межэлектродного расстояния с возможностью контроля интенсивности плазмо–электролитического процесса и возможностью регулирования тепловой мощности установки. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения тепловой энергии из водорода и кислорода при электролизе воды.

Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №103807 U1, где используется система для получения тепловой энергии содержит электрохимический активатор, выполненный в виде емкости, заполненный водой и снабженный регулятором уровня, электрокинетический испаритель, параметрический молекулярный резонатор, соединенные между собой посредством соединительных элементов (трубная система). Система также содержит накопительную емкость и котел (теплообменник) с термокатом, блоки управления, гидравлического вентиля, высоковольтный блок, выполненный по схеме умножителя напряжения. Параметры электрохимического активатора: мощность 220 Вт и ток 0,99 А, площадь электродов S=18⋅10^-3m². Технический результат - получения топливного газа из водных растворов с последующим его беспламенным сжиганием для получения горячей воды для системы горячего водоснабжения (ГВС).

К недостаткам данного изобретения можно отнести следующее: в данном физико-химическом процессе не предусмотрено регулирование тепловой мощности установки и неясно, какая плотность щелочного раствора применялась.

Известно техническое решение, описанное в патенте России №2157861 (прототип), для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащее корпус, выполненный из диэлектрического материала, крышку, также выполненную из диэлектрического материала, которая имеет цилиндроконический прилив со сквозным отверстием, образующий совместно с корпусом анодную и катодную полости, анод выполнен плоским, кольцевым с отверстиями, расположен в анодной полости и соединен с положительным полюсом источника питания, катод - в виде стержня из тугоплавкого материала, вставлен в диэлектрический стержень с наружной резьбой, посредством которой он введен в межэлектродную камеру через резьбовое отверстие в корпусе и центрирован в сквозном отверстии крышки и соединен с отрицательным полюсом источника питания, патрубок для ввода рабочего раствора расположен в средней части анодной полости.

Недостатками описанного выше изобретения является: Не предусмотрено регулирование выделения тепла при электролизе воды, в зависимости от технологических нужд, что ведет к нерегулируемым энергозатратам.

Техническим результатом является разработка устройства для получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулированием мощности и повышением производительности.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулированием мощности, содержащее корпус из диэлектрического материала, анод, выполненный плоским, кольцевым и соединенный с положительным полюсом источника питания через анодные крепления, катод, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, входной и выходной патрубки для протекания щелочного раствора, отводные каналы для отвода водорода и кислорода, отличается наличием диэлектрического держателя катода, выполненного с возможностью регулирования межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм, причем катод состоит из металлического стержня и сменного наконечника, регулируемого по вертикали за счет резьбового соединения с диэлектрическим держателем катода, который вместе с катодом введен в межэлектродную камеру через резьбовое отверстие сверху корпуса, при этом анод и катод подсоединены к источнику импульсного питания частотой 500 Гц.

Наличие диэлектрического держателя катода, позволяет регулировать межэлектродное расстояние от 20 до 40 мм тем, с возможностью регулирования интенсивности плазмоэлектролитического процесса, сочетающегося с интенсивностью получения водорода и кислорода, и соответственно возможностью регулирования тепловой мощности установки. Кроме того, возможно изменение мощности в зависимости от плотности используемого раствора щелочи. При этом процесс электролиза протекает с использованием водного раствора щелочи NaOH заданной плотности от 1010 до 1050 кг/м³, при величине импульсного напряжения 220 В и импульсного тока величиной 0,98 А. Регулирование мощности тепловой энергии данной установки имеет важное значение для локального отопления помещений и получения водорода и кислорода для технологических нужд с меньшими энергетическими затратами.

По данным патентно-технической литературы не обнаружена аналогичная совокупность признаков, позволяющих регулировать тепловую мощность установки, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена установка для получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулируемой мощностью.

Устройство состоит из корпуса из диэлектрического материала (1), катода (2) состоящего из металлического стержня и сменного металлического наконечника регулируемого по вертикали за счет резьбового соединения с диэлектрическим держателем (7), который позволяет регулировать расстояние между катодом и анодом (3) анодными креплениями (4). Устройство снабжено входным (5) и выходным патрубками (6) для протекания щелочного раствора, отводными каналами предназначенными для отвода водорода и кислорода (8).

Устройство получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулированием мощности работает следующим образом. Подготовленный раствор щелочи NaOH с плотностью 1010-1050 кг/м³ поступает в корпус устройства 1, в это же время подается импульсное напряжение на катод и анод, начинается плазмоэлектролитический процесс с возникновением плазмы, в течение которого на катоде выделяется водород на аноде кислород, в результате данного процесса происходит выделение тепла за счет частичного сгорания газов при взаимодействии водорода с кислородом образующихся на электродах. Стабилизация процесса горения водорода достигается путем изменения расстояния между электродами в диапазоне от 20 до 40 мм при помощи диэлектрический держатель катода (7), посредством которого можно регулировать и мощность установки в зависимости от плотности используемого раствора щелочи. Экспериментальным путем установлено, что оптимальными режимами плазмоэлектролитического процесса, позволяющими получить максимальный выход тепловой энергии и снизить энергозатраты являются: раствор щелочи плотностью 1030 кг/м³, импульсное напряжение питания 220 В, электрическим ток величиной 0,98 А и частотой 500 Гц, межэлектродное расстояние 30 мм.

При уменьшении межэлектродного расстояния до 20 мм наблюдается минимальный выход газов водорода и кислорода и соответственно, выделения тепла. При межэлектродном расстоянии 30 мм наблюдается резонансный режим, при котором происходит оптимальное получение водорода и кислорода с выделением максимального тепловой энергии. Межэлектродное расстояние в 40 мм приводит к интенсивному выделению кислорода и водорода, которое ведет к увеличению удельного сопротивления установки и уменьшению энергетической эффективности, то есть уменьшению тепловой энергии. При уменьшении плотности раствора щелочи до 1010 кг/м³ или 1020 кг/м³ плазмоэлектролитический процесс протекает с меньшей интенсивностью выделения тепловой энергии, при увеличении плотности до 1040 кг/м³или 1050 кг/м³ происходит увеличение концентрации выделяемых газов, которые образуют газовое пространство, приводящее к увеличению удельного сопротивления раствора, что снижает тепловую мощность установки.

Импульсное напряжение 220 В и частота 500 Гц позволяют осуществить резонансный режим, при котором происходит максимальное выделение водорода на катоде площадью s=2,6⋅10^-3m² и кислорода на аноде площадью s=2,9⋅10^-4m² с последующим сгоранием и синтезом тепла, при оптимальном энергосбережении. Если рассмотреть ближайшие частоты 400 и 600 Гц, то на таких частотах резонанс не наблюдается и соответственно не происходит максимального выделения водорода и кислорода с последующим синтезом тепла. Для расчета тепловой мощности используется стандартная формула расчета

Q_н=с⋅Δt⋅m

где с - теплоемкость раствора, 4,19 кДж/кг; Δt - разница температур на выходе и на входе устройства, °С; m - масса проходящего раствора.

Пример конкретного осуществления заявляемого устройства. Раствор щелочи плотностью 1030 кг/м³ подается в устройство показанное на фиг 1. Происходит разложение воды на кислород и водород с последующим их сгоранием и выделением тепла 233,80 кДж. Длительность опыта 5 мин.

Для доказательства эффективности устройства были проведены производственные опыты с расстоянием межэлектродного пространства 20, 30 и 40 мм и частотой импульсного тока 500 Гц (табл.1).

Проведенные исследования показали, что при варьировании межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм наиболее эффективная плотность раствора составила 1030 кг/м³, при которой выход тепловой энергии составил (в кДж) 150,84, 233,8 и 147,07 соответственно, при расстоянии между катодом и анодом 30 мм, что подтверждает эффективность работы установки по заявленному способу.

Claims

Устройство для получения тепловой энергии водорода и кислорода с регулированием мощности, содержащее корпус из диэлектрического материала, анод, выполненный плоским, кольцевым и соединенный с положительным полюсом источника питания через анодные крепления, катод, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, входной и выходной патрубки для протекания щелочного раствора, отводные каналы для отвода водорода и кислорода, отличающееся тем, что оно содержит диэлектрический держатель катода, выполненный с возможностью регулирования межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм, причем катод состоит из металлического стержня и сменного наконечника, регулируемого по вертикали за счет резьбового соединения с диэлектрическим держателем катода, который вместе с катодом введен в межэлектродную камеру через резьбовое отверстие сверху корпуса, при этом анод и катод подсоединены к источнику импульсного питания частотой 500 Гц.