Способ получения тепловой энергии, водорода и кислорода Российский патент 2024 года по МПК C25B1/02 C25B9/30 

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

Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №103807 U1, где получают тепловую энергию, используя электрохимический активатор в виде емкости, заполненной водой. Параметры электрохимического активатора: мощность 220 Вт и ток 0,99 А, площадь электродов S=18⋅10^-3 м². Технический результат - получение топливного газа из водных растворов с последующим его беспламенным сжиганием для получения горячей воды для системы горячего водоснабжения (ГВС).

Недостатком известного изобретения является отсутствие регулирования тепловой мощности установки.

Известен способ преобразования энергии горения водорода в тепловую энергию воды водяного котла, который заключается в том, что давление водорода и кислорода на входе устройства устанавливается одновременным регулированием согласно требуемым пропорциям и давлению, после чего газы поступают в две герметичные изменяющегося объема несвязанные между собой камеры, где смешиваются, поочередно сжимаются и воспламеняются, а полученная в результате горения тепловая энергия в виде пара непрерывно поступает в воду котла (патент РФ №2511795, кл. F24H 1/00, 2014 г.).

Известно изобретение, в котором получают водорода из воды путем разложения воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, при этом разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-ой гармоники которого приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды (патент РФ №2456377, кл. С25В 1/04, 2012 г.).

Известен способ получения тепловой энергии (патент РФ №2261942), включающий преобразование электрической энергии в плазмоэлектролитическом процессе, проводимом между анодом и катодом в воде, с удалением из нее газообразных водорода из прикатодной области и кислорода из прианодной области, воду подвергают гидродинамической кавитации в вихревом потоке, в котором массивные ионы кислорода центробежной силой перемещают на периферию потока, ионы водорода с малой массой концентрируют в его центре, а электрическое напряжение прикладывают в центре потока к катоду и на периферии потока - к аноду и плазмоэлектролитический процесс проводят в ионизированной среде.

Также известно получение тепловой энергии водорода и кислорода с помощью слабого водного раствора щелочи, которым заполняют межэлектродное пространство и подают постепенно повышающееся напряжение выпрямленного тока до появления устойчивой плазмы в зоне электродов (патент РФ №2157862, кл. C02F 1/04, 2000 г., прототип.).

Недостатками прототипа и известных технических решений являются:

1. Отсутствие возможности регулирования расстояния между анодом и катодом, для обеспечения использования жидкостей с разной плотностью.

2. Отсутствует регулирование диапазона производства тепла из водорода и кислорода и регулирование снижения затрат энергии в зависимости от технологических нужд.

Техническим результатом является повышение производительности по тепловой мощности водородного генератора.

Технический результат достигается тем, что в способе получения тепловой энергии водорода и кислорода, включающем использование слабого водного раствора щелочи, которым заполняют межэлектродное пространство, подачу постепенно повышающегося напряжения выпрямленного тока до появления устойчивого плазмоэлектролитического процесса между анодом и катодом в водном растворе щелочи с последующим удалением нагретой газообразной фазы - водорода из прикатодной области и кислорода из прианодной области, согласно изобретению в качестве щелочи используют гидроокись калия, которую добавляют в очищенную воду в соотношении 1:10, при этом катод изготавливают из нержавеющей стали и анод из латуни, устанавливают их соосно друг другу с возможностью изменения между ними расстояния от 10 до 30 мм, а площади поверхностей катода и анода, соприкасающиеся с водным раствором щелочи имеют соотношение 2:1, соответственно.

Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что за счет конструктивных особенностей катода и анода, проходящий через них водный раствор щелочи, в качестве которой используют гидроокись калия КОН прогревается по всей площади взаимодействия этого раствора и электродов, то есть происходит эффективное прогревание раствора по всему объему устройства, кроме того, за счет регулирования межэлектродного пространства между анодом и катодом можно регулировать интенсивность плазмоэлектролитического процесса, сопровождающийся интенсивностью получения водорода и кислорода с последующим регулированием тепловой мощности установки и возможностью подбирать мощность в зависимости от плотности раствора.

По данным научно-технической и патентной литературы, авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как возможно использование заявляемого способа для локального отопления помещений и получение водорода и кислорода для технологических нужд с меньшими энергетическими затратами.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ получения тепловой энергии водорода и кислорода.

Устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ, состоит из цилиндрического, диэлектрического корпуса 1, диэлектрического держателя 2 для катода 3, анода 4, который также имеет диэлектрический держатель 5 и межэлектродную камеру 6 для протекания водного раствора щелочи в качестве корой использована гидроокись калия КОН. Электроды: анод 4 и катод 3 выполняют функцию впускного и выпускного патрубков. Анод 4 выполнен полым, с диаметром равным диаметру катода 3 и установлен соосно ему с возможностью осевого перемещения. Площади соприкосновения анода 4 и катода 3 с водным раствором щелочи с плотностью 1030 кг/м³ выполнены в соотношении 1:2 соответственно. Анод выполнен 4 из нержавеющей стали, а катод 3 - из латуни. Для регулирования расстояния между электродами используют диэлектрические держатели 5 и 2. Для подключения импульсного источника питания (на рисунке не показано) использованы катодный 7 и анодный контакты 8. Корпус 1 имеет выходные патрубки для водорода 9 и кислорода 10. Патрубки 9 и 10 установлены в верхней и нижней части корпуса, в местах скопления водорода и кислорода.

Способ получения тепловой энергии водорода и кислорода реализуется следующим образом

Подготовленная вода (после дистиллятора) с добавление щелочи гидроокиси калия (КОН) в соотношении 10:1 с плотностью от 1030 кг/м³ подается в корпус устройства 1 в межэлектродную камеру 6 через полый катод 3 и устанавливают необходимый расход раствора. Использование КОН позволяет повысить ионизацию воды и способствует более эффективному выделению водорода и кислорода и тепла в установке за счет более активной химической составляющей самого калия и его активности в процессе ионизации в плазмоэлектролитическом процессе, если использовать щелочь СаОН, то процесс будет менее интенсивный по ионизации, так как кальций менее активный в процессе ионизации и плазмоэлектролитическом процессе, чем калий. Затем устройство подключают к импульсному источнику питания и постепенно повышают напряжение до появления устойчивой плазмы. В межэлектродной камере 6 происходит нагрев раствора до температуры кипения при частичном разложении воды на водород и кислород. Кислород, выделившийся у анода 4, удаляется из анодной полости через выходной патрубок 10.

Газообразный молекулярный водород, формирующийся на границе плазма-жидкость, собирается в верхней части катодной полости и выходит вместе с водяным паром через выходной патрубок 9.

Под действием электрического поля между площадью катода 3 увеличенной в два раза по отношению к площади анода 4 формируется сфокусированный на катод поток ионов щелочного металла. Имея запас кинетической энергии при движении к катоду, ионы щелочного металла отделяют от молекул воды протоны атомов водорода и атомы водорода. В результате в при катодной полости формируется плазма атомарного водорода. Источником энергии являются процессы синтеза атомов и молекул водорода.

Таким образом, водородная плазма у катода является источником тепловой энергии, передаваемой водному раствору, и источником атомарного и молекулярного водорода и кислорода одновременно.

Для того чтобы сбалансировать процесс стабильного горения водорода осуществляют регулировку межэлектродного расстояния от 10-30 мм с помощью диэлектрических держателей 2 и 5, посредством этих держателей можно производить замену катода и анода, а также можно регулировать мощность установки в зависимости от плотности раствора.

Для доказательства эффективности заявляемого технического решения были проведены экспериментальные исследования заявляемого способа при разных режимах следующих параметров: плотность водного раствора щелочи КОН 1010-1050 кг/м³; межэлектродное расстояние 10-30 мм и частота 400-600 Гц.

По результатам экспериментальных опытов выявлено, что наиболее оптимальный и энергосберегающий плазмоэлектролитический процесс происходит в водном растворе щелочи КОН плотностью 1030 кг/м³, с импульсным напряжение питания 220 В, электрическим током величиной 1,68А, частотой 500 Гц и с расстоянием межэлектродного пространства 30 мм.

При межэлектродных расстояниях 10 или 20 мм, увеличивается концентрации газовых пузырьков на поверхностях катода и анода, которые ведут к увеличению удельного сопротивления установки и уменьшению энергетической эффективности, то есть уменьшения тепловой мощности.

При уменьшении плотности раствора от 1010 кг/м³ или до 1020 кг/м³ плазмоэлектролитический процесс проходит с меньшей интенсивностью выделения тепловой энергии, если увеличить плотность от 1040 кг/м³ или до 1050 кг/м³ происходит увеличение концентрации выделяемых газов, которые по интенсивности образуют газовое пространство, приводящее к увеличению удельного сопротивления раствора и соответственно самой установки, в результате снижается выход тепловой мощности.

Что касается импульсного напряжения 220 В и частоты 500 Гц, то при таких параметрах осуществляется резонансный режим, при котором происходит максимальной выделение водорода на катоде из латуни. Поскольку латунь имеет повышенный электрохимический эквивалент по выходу водорода по сравнению с нержавеющей сталью из которой выполнен анод, то площадь соприкосновения катода с водным раствором должна быть больше чем у анода, а именно - в соотношении 2:1 или площадь катода s=4,35⋅10^-4 м² и площадь анода s=2,05⋅10^-4 м², для того чтобы обеспечить оптимальный выход кислорода для протекания стабильного физико-химического процесса синтеза водорода, кислорода и последующего выделения тепла с последующим сгоранием и синтезом тепла.

Что касается частоты, то при 400 и 600 Гц 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, кг.

Пример конкретного применения заявляемого устройства

Водный раствор щелочи подается в устройство (фиг 1.). Происходит разложение воды на кислород и водород с выделением тепла 233,80 кДж, длительность опыта 5 мин, частота импульсного тока - 500 Гц.

Опыты проводились с водными растворами щелочи с разной плотностью от 1010-1050 кг/м³ и с разным межэлектродным расстоянием. Результаты представлены в таблицах 1, 2 и 3.

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность водного раствора щелочи КОН составляет ρ=1030 кг/м³, тепловая энергия составила 490,23кДж, что подтверждает эффективность работы установки на расстоянии между катодом и анодом 30 мм (таблица 1).

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность раствора составляет ρ=1030 кг7 м³, тепловая энергия составила 452,52 кДж, что подтверждает эффективность работы установки на расстоянии между катодом и анодом 20 мм (таблица 2).

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность раствора составляет ρ=1030 кг/м³, тепловая энергия составила 505,31 кДж, что подтверждает эффективность работы установки на расстоянии между катодом и анодом 10 мм (таблица 3) по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения тепловой энергии, водорода и кислорода при электролизе воды. В способе межэлектродное пространство заполняют слабым водным раствором щелочи и подают напряжение до появления устойчивого плазмоэлектролитического процесса с последующим удалением нагретой газообразной фазы - водорода из прикатодной области и кислорода из прианодной области. В качестве щелочи используют гидроокись калия, которую добавляют в очищенную воду в соотношении 1:10 с получением водного раствора щелочи с плотностью 1030 кг/м³. Катод из латуни и анод из нержавеющей стали с одинаковыми диаметрами устанавливают соосно друг другу с возможностью изменения между ними расстояния от 10 до 30 мм. Площади соприкосновения анода и катода с водным раствором щелочи имеют соотношение 1:2 соответственно. На электроды подают напряжение 220 В и импульсный ток 1,68 А. Обеспечивается повышение производительности по тепловой мощности водородного генератора. 1 ил., 3 табл.

Способ получения тепловой энергии, водорода и кислорода, включающий использование слабого водного раствора щелочи, которым заполняют межэлектродное пространство, подачу постепенно повышающегося напряжения выпрямленного тока до появления устойчивого плазмоэлектролитического процесса между анодом и катодом в водном растворе щелочи с последующим удалением нагретой газообразной фазы - водорода из прикатодной области и кислорода из прианодной области, отличающийся тем, что в качестве щелочи используют гидроокись калия, которую добавляют в очищенную воду в соотношении 1:10, при этом катод изготавливают из латуни и анод - из нержавеющей стали и с одинаковыми диаметрами, устанавливают их соосно друг другу с возможностью изменения между ними расстояния от 10 до 30 мм, причем площади поверхностей катода и анода, соприкасающиеся с водным раствором щелочи, имеют соотношение 2:1 соответственно, а на электроды подают напряжение 220 В и импульсный ток 1,68 А при плотности водного раствора щелочи 1030 кг/м³.