УСТРОЙСТВО МНОГОЭЛЕКТРОДНОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА Российский патент 2025 года по МПК C25B1/02 C25B1/04 C25B9/15 C25B11/04 C25B9/60 

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

Известно техническое решение описанное в патенте РФ №103807U, где описывается система для получения тепловой энергии, содержащая 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^-3 м². Технический результат - получения топливного газа из водных растворов с последующим его беспламенным сжиганием для получения горячей воды для системы горячего водоснабжения (ГВС).

Недостатком данного изобретения является то, что в данном физико-химическом процессе не предусмотрено регулирование тепловой мощности установки.

Известно техническое решение, описанное в патенте России №2816078, устройство для получения водорода, содержащее корпус из диэлектрического материала, анод, соединенный с положительным полюсом импульсного источника питания, и катод, соединенный с отрицательным полюсом импульсного источника питания, патрубки для ввода и вывода щелочного раствора, канал для отвода водорода и канал для отвода кислорода, отличающееся тем, что оно содержит кольцевой плоский анод без отверстий площадью s=2,0×10^-3 м² и катод s=16,8×10^-4 м², состоящий из металлического стержня со сменным металлическим наконечником, на котором расположены металлические кольца под углом 45° относительно оси катода, и регулируемого по вертикали диэлектрического держателя, при этом оно выполнено с возможностью подачи на анод и катод импульсного напряжения питания 220 В, электрического тока силой 0,98 А и частотой 500 Гц.

Недостатками описанного выше изобретения являются то, что производительность известного устройства не позволяет получать тепловую мощность выше одно 1 кВт, что обусловлено невозможностью регулирования расстояния между анодом и катодом и наличием одной парой электродов.

Известно техническое решение, описанное в патенте России №2157862 (прототип), для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащее корпус, выполненный из диэлектрического материала, крышку, также выполненную из диэлектрического материала, которая имеет цилиндрокони-ческий 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. Невозможность регулирования расстояния между анодом и катодом, что затрудняет использование раствора электролита с различной плотностью. 2. Не учитывается соотношение площадей катода и анода, что существенно влияет на затраты электрической энергии.

Техническим результатом является повышение устойчивости технологического процесса и энергетических показателей устройства, а также возможность настройки устройства по регулировке мощности, изменением межэлектродного пространства и количества электродов. Технической результат достигается за счет того, что устройство многоэлектродного типа для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащее корпус, изготовленный из диэлектрического материала, межэлектродную камеру, входной и выходной патрубки для протекания щелочного раствора, анод, соединенный с положительным полюсом источника питания, и катод, снабженный диэлектрическим держателем катода, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, отличается тем, что корпус цилиндрической формы снабжен съемными катодной и анодной боковыми крышками, в каждую из которых вмонтировано по 8 полых цилиндрических электродов, снабженных цилиндрическими диэлектрическими держателями, с возможностью регулирования межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм и изменения числа пар электродов от 2 до 8, аноды и катоды расположены симметрично друг относительно друга, при этом катоды выполнены из бронзы, аноды выполнены из нержавеющей стали.

Новизна технического решения заключается в том, что благодаря особенной конструкции электродов катода и анода и изменению их количества в установке, в процессе взаимодействия электродов с проходящим раствором электролита происходит равномерное его прогревание по всему объему устройства. Возможность регулирования межэлектродного пространства и плотности раствора электролита обеспечивает изменение интенсивности протекания плазмоэлектролитического процесса и скорости образования водорода и кислорода, и тем самым осуществляется регуляция тепловой мощности установки. Что может использоваться для локального отопления помещений, получения водорода и кислорода для технологических нужд с меньшими энергетическими затратами.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1. Изображено устройство многоэлектродного типа для получения тепловой энергии водорода и кислорода.

Устройство состоит из диэлектрического корпуса цилиндрической формы 1, имеющего съемные катодную 8 и анодную 9 крышки. В боковые крышки вмонтированы электроды, с одной стороны восемь катодов 2, с другой восемь анодов 3. Катоды 2 полые цилиндрические, снабжены цилиндрическими диэлектрическими держателями 4, регулируемыми по горизонтали, позволяющими изменять расстояние между электродами. Аноды 3 полые цилиндрические снабжены анодными цилиндрическими диэлектрическими держателями 5, устройство имеет межэлектродное пространство 12, для протекания щелочного раствора, предусмотрены входной катодный 6 и выходной анодный патрубки 7, для подключения импульсного источника питания используются катодный 11 и анодный 10 контакты. Для смены электродов в устройстве предусмотрены катодная 8 и анодная 9 крышки, имеющие форму круга. Вид анодной и катодной крышек, имеющих осевые электродные отверстия 13-14, в которые посредством резьбы вмонтированы катодные и анодные цилиндрические диэлектрические держатели, а также входной и выходной патрубки 6-7 для протекания щелочного раствора показан на фиг. 2.

Устройство многоэлектродного типа для получения тепловой энергии водорода и кислорода работает следующим образом. Подготовленная вода (после дистиллятора) смешивается с щелочью Ca(OH) в соотношении 11:1, полученный раствор, плотностью 1010-1050 кг/м³ подается в корпус устройства 1, в это же время подается импульсное напряжение на катоды и аноды и начинает протекать плазмоэлектролитический процесс с возникновением плазмы, который заключается в следующем. На катодах начинается выделяться водород на анодах кислород, в течение данного процесса происходит выделение тепла за счет частичного сгорания водорода в области катода в результате взаимодействия с кислородом, который образуется на анодах, при этом для того чтобы происходило равномерное протекание плазмоэлектроли-тического процесса электроды (катоды и аноды) расположены симметрично в цилиндрической конструкции в установки, что позволяет добиться одинаковой плотности тока и напряжения и с балансировать процесс стабильного горения водорода. При помощи диэлектрических держателей 4 и 5 производится замена электродов и регулируется расстояние между электродами от 20-40 мм, что изменяет производительность установки. Регулировать мощность установки возможно изменением плотности раствора электролита.

Опытным путем было установлено, что наиболее оптимальным и энергосберегающим режимом плазмоэлектролитического процесса является использование раствора электролита плотностью 1030 кг/м³, при расстоянии межэлектродного пространства 40 мм, импульсное напряжение питания 220 В и электрический ток величиной 4,58 А и частотой 500 Гц. При уменьшении межэлектродного расстояния до 20, 30 мм, увеличивается количество в прикатодных и прианодных областях газовых пузырьков, что ведет к увеличению удельного сопротивления установки и уменьшению энергетической эффективности, то есть уменьшению тепловой мощности. При уменьшении плотности раствора электролита до 1010 кг/м³, 1020 кг/м³ протекание плазмоэлектролитического процесса проходит с меньшей интенсивностью выделения тепловой энергии, если увеличить плотность до 1040 кг/м³, 1050 кг/м³, то происходит увеличение концентрации выделяемых газов которые по интенсивности образуют газовое пространство. которое приводит увеличению удельного сопротивления раствора и соответственно самой установки, что снижает выход тепловой мощности.

Что касается импульсного напряжения 220 в и частоты 500 Гц данные параметры позволяют осуществить резонансный режим и произвести энергосбережения, при котором происходит максимальное выделение водорода на катодах из бронзы, так как у бронзы повышенный электрохимический эквивалент по выходу водорода, площадью s=34,8×10^-4 м² и кислорода на анодах из нержавеющей стали площадью s=16,4×10^-4 м². Если рассмотреть ближайшие частоты 400 и 600 Гц 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

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 плотностью ρ=1030 кг/м³ подается в устройство, показанное на фиг 1. Происходит разложение воды на кислород и водород с выделением тепла 3340,69 кДж. Длительность опыта 5 мин.

Для доказательства эффективности устройства были проведены производственные опыты. Расстоянием межэлектродного пространства 40 мм и частотой импульсного тока 500 Гц (табл. 1).

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность раствора составляет ρ=1030 кг/м³, тепловая энергия составила 490,23 кДж, что подтверждает эффективность работы установки при расстоянии между катодом и анодом 40 мм.

Для доказательства эффективности устройства были проведены производственные опыты при расстоянии межэлектродного пространства 30 мм и частотой импульсного тока 500 Гц (табл. 2)

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность раствора составляет ρ=1030 кг/м³, тепловая энергия составила 2991,66 кДж, что подтверждает эффективность работы установки на расстоянии между катодом и анодом 30 мм.

Для доказательства эффективности устройства были проведены производственные опыты при расстоянии межэлектродного пространства 20 мм и частотой импульсного тока 500 Гц (Табл. 3).

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективная плотность раствора составляет ρ=1030 кг/м³, при этом тепловая энергия составила 3141,24 кДж, что подтверждает эффективность работы установки на расстоянии между катодом и анодом 20 мм. Энергетическая эффективность устройства составляет 3,31. Объясняется это симметричным расположением электродов в пространстве установки, и возможностью регулирования количества пар электродов.

Изобретение относится к физико-химическим процессам получения тепловой энергии, водорода и кислорода при электролизе воды. Устройство многоэлектродного типа для получения тепловой энергии водорода и кислорода содержит корпус, изготовленный из диэлектрического материала, межэлектродную камеру, входной и выходной патрубки для протекания щелочного раствора, анод, соединенный с положительным полюсом источника питания, и катод, снабженный диэлектрическим держателем катода, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, корпус цилиндрической формы снабжен съемными катодной и анодной боковыми крышками, в каждую из которых вмонтировано по 8 полых цилиндрических электродов, снабженных цилиндрическими диэлектрическими держателями, с возможностью регулирования межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм и изменения числа пар электродов от 2 до 8, аноды и катоды расположены симметрично друг относительно друга, при этом катоды выполнены из бронзы, аноды выполнены из нержавеющей стали. Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости технологического процесса и энергетических показателей устройства, а также возможность настройки устройства по регулировке мощности изменением межэлектродного пространства и количества электродов. 2 ил.

Устройство многоэлектродного типа для получения тепловой энергии водорода и кислорода, содержащее корпус, изготовленный из диэлектрического материала, межэлектродную камеру, входной и выходной патрубки для протекания щелочного раствора, анод, соединенный с положительным полюсом источника питания, и катод, снабженный диэлектрическим держателем катода, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, отличающееся тем, что корпус цилиндрической формы снабжен съемными катодной и анодной боковыми крышками, в каждую из которых вмонтировано по 8 полых цилиндрических электродов, снабженных цилиндрическими диэлектрическими держателями, с возможностью регулирования межэлектродного расстояния от 20 до 40 мм и изменения числа пар электродов от 2 до 8, аноды и катоды расположены симметрично друг относительно друга, при этом катоды выполнены из бронзы, аноды выполнены из нержавеющей стали.