Устройство проточного типа для получения тепловой энергии, водорода и кислорода Российский патент 2024 года по МПК C25B1/02 C25B9/15 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 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^-3м². Технический результат - получения топливного газа из водных растворов с последующим его беспламенным сжиганием для получения горячей воды для системы горячего водоснабжения (ГВС).

Недостатком известного изобретения является то, что не предусмотрено регулирование тепловой мощности установки, и она предназначена только для воды.

Известно техническое решение (патент РФ №2157862, кл. C02F 1/04, 2000 г. - прототип), для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащее корпус, выполненный из диэлектрического материала, крышку, также выполненную из диэлектрического материала, которая имеет цилинд-роконический 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 являются:

1. Отсутствие возможности регулирования расстояния в 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 за счет повышения скорости прохождения раствора.

Технический результат достигается тем, что в устройстве проточного типа для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащем цилиндрический, диэлектрический корпус, электроды один из которых цилиндрический анод, а другой - полый катод с осевым перемещением, выполняющего функцию впускного патрубка для водного раствора щелочи, выпускной патрубок и межэлектродную камеру, согласно изобретению в качестве выпускного патрубка использован анод, который выполнен полым, с диаметром равным диаметру катода и установлен соосно ему с возможностью осевого перемещения, а в качестве щелочи использована гидроокись калия (КОН), при этом площади соприкосновения анода и катода с водным раствором щелочи с плотностью 1030 кг/м³ выполнены в соотношении 1:2 соответственно, причем анод выполнен из нержавеющей стали, а катод - из латуни, и для регулирования расстояния между этими электродами, они снабжены диэлектрическими держателями расположенные на внешних частях электродов, выступающие из корпуса, который имеет выходные патрубки для водорода и кислорода, установленные в местах их скопления.

Новизна технического решения заключается в том, что за счет конструкции проходных электродов: катода и анода, проходящий через них водный раствор щелочи 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 устройства 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 проточного типа для получения тепловой энергии водорода и кислорода.

Устройство 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.

Устройство проточного типа для получения тепловой энергии водорода и кислорода работает 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. 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 работы устройства 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 1,68 А, 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/м³или 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_H=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.

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность раствора составляет ρ=1030 кг/м³, тепловая энергия составила 452,52кДж, что подтверждает эффективность работы установки на расстоянии между катодом и анодом 20 мм, по заявленному способу, по сравнению с прототипом.

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 по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения тепловой энергии, водорода и кислорода при электролизе воды. Устройство проточного типа для получения тепловой энергии, водорода и кислорода содержит цилиндрический диэлектрический корпус, электроды, один из которых цилиндрический полый анод, выполняющий функцию выпускного патрубка для водного раствора щелочи, а другой - полый катод с осевым перемещением, выполняющий функцию впускного патрубка для водного раствора щелочи, и межэлектродную камеру. Площади соприкосновения анода и катода с водным раствором щелочи выполнены в соотношении 1:2 соответственно. Анод выполнен из нержавеющей стали, а катод - из латуни. Электроды для регулирования между ними расстояния снабжены диэлектрическими держателями, расположенными на внешних частях электродов, выступающих из корпуса, который имеет выходные патрубки для водорода и кислорода, установленные в местах их скопления. Обеспечивается повышение производительности по тепловой мощности водородного генератора. 1 ил., 3 табл.

Устройство проточного типа для получения тепловой энергии, водорода и кислорода, содержащее цилиндрический диэлектрический корпус, электроды, один из которых цилиндрический анод, а другой - полый катод с осевым перемещением, выполняющий функцию впускного патрубка для водного раствора щелочи, выпускной патрубок и межэлектродную камеру, отличающееся тем, что в качестве выпускного патрубка использован анод, который выполнен полым с диаметром, равным диаметру катода, и установлен соосно ему с возможностью осевого перемещения, в качестве щелочи использована гидроокись калия (КОН), при этом площади соприкосновения анода и катода с водным раствором щелочи с плотностью 1030 кг/м³ выполнены в соотношении 1:2 соответственно, причем анод выполнен из нержавеющей стали, а катод - из латуни, при этом для регулирования расстояния между электродами последние снабжены диэлектрическими держателями, расположенными на внешних частях электродов, выступающих из корпуса, который имеет выходные патрубки для водорода и кислорода, установленные в местах их скопления.