ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2215824
УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ
Имя изобретателя: Нетеса Ю.Д.; Деникин Э.И.; Коробов М.Л.
Имя патентообладателя: Деникин Эрнст Иванович; Нетеса Юрий Дмитриевич
Адрес для переписки: 194354, Санкт-Петербург, пр. Энгельса, 115, корп.1, кв.256, Ю.Д.Нетесе
Дата начала действия патента: 2001.10.18
Изобретение относится к электрохимии, а точнее к техническим средствам для
электролитического получения водорода и кислорода. В электролизере электроды
выполнены из набора пластин, при этом пластины катода чередуются с пластинами анода.
Один из электродов установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения и
включает поршень, в то время как другой электрод неподвижен и его крайняя пластина
совмещена с днищем корпуса электролизера. Последний размещен коаксиально с зазором в
емкости и связан с его полостью системой впускных и выпускных клапанов. Устройство
сбора газовой смеси соединено с полостью емкости. Технический эффект - упрощение
конструкции, повышение надежности ее работы, универсальность применения независимо от
типа электрода.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области электрохимии и наиболее эффективно может быть
использовано в установках получения водородно-кислородной смеси, используемой в
газопламенной технологии в ряде отраслей промышленности.
В промышленности водород получают главным образом из природного газа. Этот газ,
состоящий в основном из метана, смешивают с водяным паром и кислородом и в реакторе в
присутствии катализатора подвергают нагреву до 800-900oС. В результате выделяется
смесь углекислого газа и водорода, которую затем разделяют и транспортируют к
потребителям в стальных баллонах под давлением [1].
Недостатком промышленного метода получения водорода является технологическая
сложность и большая энергоемкость и материалоемкость технических средств.
Для удовлетворения нужд в водородном топливе в ограниченном количестве на мелких и
средних предприятиях существуют автономные источники получения водорода -
электролизеры, которые под действием электрического тока разлагают воду на водород и
кислород. Принятая технология по своей сути проста и не требует особо сложного
оборудования.
Известна установка для электролиза воды, которая включает собственно электролизер, в
корпусе которого размещены электроды, связанные с источником постоянного
электрического тока. В установке смонтированы и устройства инфраструктуры, включающие
средства заливки-слива и циркуляции электролита, сбора газовой смеси и перемешивания.
Последнее выполнено в виде мембранного регулятора с пружиной, соединенного с
патрубком сбора одного из газов, снабженного дополнительной пружиной, связанной одной
стороной шарниром со штоком, а другой - с корпусом регулятора. Для поддержания давления
электролита ниже атмосферного предусмотрена специальная мембранная емкость,
содержащая регулируемую пружину [2].
При проведении электролиза начинается разложение воды на водород и кислород. Давление
газа в электролизере, перекрытого мембранным регулятором, начинает возрастать, что
приводит при определенных значениях давления к открытию клапана регулятора и сбросу
газа из установки. Сброс давления снова приведет к перекрытию прорези клапаном
регулятора и цикл возрастания и падения давления повторится. Пульсация давления газа
вызывает миграцию электролита в порах анода и катода, улучшая условия перемешивания.
Недостатком установки является сложность и малая надежность устройства регулирования
перепада давления. В последнем применены несколько упругих элементов, жесткости
которых находятся в строгой зависимости друг от друга. Это обстоятельство и
способствует стабильной работе устройства, т.е. обеспечению требуемых величин
перепада давления в одном из газов. Усталостные явления, являющиеся следствием
длительной работы, как правило, меняют номинал установленных величин жесткости пружин,
что приведет к разбалансировке всего механизма регулирования давления. Снижает
надежность работы установки и наличие в ней мембранной емкости, которая поддерживает
заданную величину давления в электролит. Описанная конструкция установки имеет
ограниченное применение, т.к. распространяется только на электролизеры с пористыми
электродами и не может быть использована в случае сплошных электродов.
Таким образом, целью изобретения является упрощение конструкции и повышение
надежности ее работы и универсальность применения независимо от типа электродов.
Цель согласно изобретению достигается за счет того, что в установке для электролиза
воды, содержащей электролизер, выполненный в виде корпуса, в котором смонтированы
анодные и катодные электроды, связанные с источником электрического тока, и устройства
циркуляции и перемешивания электролита, а также сбора газовой смеси, каждый из
электродов выполнен из набора пластин, чередующихся с аналогичными пластинами другого
электрода, при этом крайняя пластина одного из электродов образует днище корпуса, а
другого - поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения
в корпусе и связанный с приводом. Кроме того, достижению поставленной цели
способствует и то, что корпус электролизера коаксиально размещен в емкости, которая
сообщается с полостью через радиальные отверстия в стенке последнего и отверстия в
неподвижном электроде, образующем днище корпуса, при этом все отверстия снабжены
клапанами: радиальные - выпускными, а отверстия в днище корпуса - впускными. Для решения
поставленной задачи пластины электродов выполнены со сквозной перфорацией, которые на
пластинах разных электродов не совпадают друг с другом. При этом пластины электродов
выполнены в виде дисков, а внутренняя полость корпуса - в виде цилиндра.
Сущность изобретения состоит в том, что при возвратно-поступательном движении поршня в
электролите возникают пульсации давления в виде циклических растягивающих напряжений,
которые создают условия для значительного увеличения производительности
электролизера по газу. Система клапанов в стенке корпуса и его днище в условиях
возвратно-поступательного движения поршня обеспечивает циркуляцию электролита по
всему объему и представляет собой насос, совмещенный конструктивно с элементами
электролизера, что упрощает конструкцию установки в целом. Надежность работы
последней находится на уровне обычно высокой надежности работы поршневого насоса.
На прилагаемом к описанию чертеже дано схематическое изображение предлагаемой
установки для электролиза воды.
|
Установка для электролиза воды состоит из электролизера, основу которого составляет
цилиндрический корпус 1, внутри которого размещены электроды: 2 - анод, 3 - катод. Каждый
из электродов выполнен из набора дисковых пластин, чередующихся с аналогичными
пластинами другого электрода. При этом крайняя пластина анода 2 выполнена в виде поршня
4, который, как и все связанные с ним пластины, установлен с возможностью возвратно-поступательного
перемещения благодаря связи с приводом 5. Катод 3 совмещен с днищем 6 корпуса 1 и все
отнесенные к катоду пластины неподвижно закреплены на этом днище в чередующемся
порядке с пластинами анода 2. Корпус 1 электролизера помещен коаксиально в емкости 7 с
образованием кольцевой полости 8 и пространства 9 под днищем 6. Полости корпуса 1 и
емкости 7 связаны между собой посредством выпускных клапанов 10, радиально
смонтированных в боковой стенке корпуса 1, и впускных клапанов 11, смонтированных в
днище 6. Полость 8 в верхней части герметизирована и сообщена с устройством 12 сбора
газовой смеси. Все дисковые пластины электродов выполнены со сквозной перфорацией (не
показана), при этом перфорации соседних пластин, т.е. принадлежащих разным электродам,
не совпадают друг с другом.
|
РАБОТАЕТ УСТАНОВКА СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ
Включение в работу привода 5, который может быть выполнен в виде электромагнитного
двигателя, приводит поршень 4 в возвратно-поступательное перемещение, а вместе и
связанные с ним дисковые пластины анода 2. При движении поршня 4 вверх открываются
впускные клапаны 11 и электролит засасывается в рабочую полость электролизера, т.е.
внутрь корпуса 1. При движении поршня 4 вниз клапаны 11 закрываются, но открываются
выпускные клапаны 10 и часть электролита выдавливается в кольцевое пространство 8
емкости 7. Таким образом осуществляется циркуляция электролита в объеме электролизера.
Следует отметить, что при засасывании электролита в полость корпуса 1 через клапаны 11
последние имеют проходное сечение создающее некоторое сопротивление всасываемому
электролиту, причем это сопротивление согласовано с величиной хода поршня 4, а точнее -
освобождаемого им объема. В результате в рабочем объеме электролита в пределах корпуса
1 создается пониженное давление, величина которого не превышает предел прочности
электролита на растяжение, т.е. не вызывается кавитация в электролите. Так как поршень 4
совершает колебательные движения, то растяжение электролита будет носить циклический
отнулевой характер. При подаче электрического постоянного тока на электроды на
пластинах начнется процесс газовыделения: на аноде - кислорода, а на катоде - водорода.
Постоянная циркуляция электролита будет способствовать удалению газовой смеси,
которая, попадая в пространство 8, будет выводиться из него посредством устройства 12.
Особенности электролиза в условиях пульсирующего давления в электролите состоят в
следующем. Циклическая растягивающая электролит пульсация приводит к консолидации и
укрупнению пузырьков газа, собравшихся у электродов, и соответствующему увеличению
активной поверхности последних, способствуя повышению производительности. Процесс
консолидации и укрупнения пузырьков приводит к образованию микропотоков электролита
у поверхности электродов, стимулируя его перемешивание за счет турбулизации и
интенсифицируя отрыв образовавшихся укрупненных пузырьков, облегчая их отвод. Важным
преимуществом предлагаемой установки является снижение работы пересыщения
электролита растворенными газами, что происходит при растяжении жидкой фазы.
Уменьшение уровня пересыщения ведет к уменьшению омического сопротивления
электролита, что позволяет при прочих равных с прототипом технологических показателях
повысить коэффициент полезного действия электролизера. Этому же способствует и то, что
во время действия растягивающих напряжений облегчается диссоциация воды на ионы
водорода и гидроксильной группы за счет ослабления внутренних связей в молекуле воды.
При этом подвижность ионов возрастает, что эквивалентно уменьшению сопротивления
электролита.
Лабораторные исследования, проведенные в НПП "ВРТ" для проверки основных
технических положений, заложенных в предлагаемой установке, подтвердили их
эффективность и дают основания рассчитывать на увеличение коэффициента полезного
действия электролизера в несколько раз.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Якименко Л.Н. Получение водорода, кислорода, хлора и щелочей. - М.: Химия, 1981.
2. Патент РФ 2006527, кл. С 25 В 1/04, выдан 30.01.94 г. - прототип.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Установка для электролиза воды, содержащая электролизер, выполненный в виде корпуса,
в котором смонтированы анодные и катодные электроды, связанные с источником
электрического тока, и устройства циркуляции и перемешивания электролита, а также
сбора газовой смеси, отличающаяся тем, что каждый из электродов выполнен из набора
пластин, чередующихся с аналогичными пластинами другого электрода, при этом крайняя
пластина одного из электродов образует днище корпуса, а другого - поршень,
установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в корпусе и
кинематически связанный с приводом.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что пластины электродов выполнены со сквозной
перфорацией, при этом перфорации на пластинах разных электродов не совпадают друг с
другом.
3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус размещен коаксиально в емкости, которая
сообщается с полостью корпуса через радиальные отверстия в стенке последнего и
отверстия в неподвижном электроде, образующем днище корпуса, при этом все отверстия
снабжены клапанами.
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что радиальные отверстия снабжены выпускными
клапанами, а отверстия в днище корпуса - впускными клапанами.
5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что устройство сбора газовой смеси сообщено с
полостью емкости.
6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что пластины электродов выполнены в виде дисков, а
внутренняя полость корпуса - в виде цилиндра.
Версия для печати
Дата публикации 26.02.2007гг
вверх
|
