Електролізер для розкладання води та спосіб його збирання

Изобретение относится к устройствам для получения гремучего газа электролизом воды и предназначено для газопламенной обработки металлов водородно-кислородным пламенем, в частности, для использования в быту, в промышленности, при ремонте автомобилей, в тех случаях когда требуется пламя газовой горелки с высокой температурой (более 2000°С, например, для закалки и отпуска металлов, сварки, газовой резки, напыления и т.п.). В зависимости от конструкции электролизной камеры все электролизеры можно разделить на два типа. В устройствах одного типа электроды расположены в герметичном корпусе, заполненном электролитом. В устройствах другого типа электролит находится в каналах, образованных в пакетах. Как тот, так и другой тип обладают достоинствами и недостатками. Наиболее близким к заявленному решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является электролизер для разложения воды, включающий соединенные стяжными элементами стяжные фланцы, между которыми установлены биполярные электроды, выполненные из основного листа, прокладки, в основных листах выполнены отверстия, образующие при сборке каналы для подвода реагентов и отвода продуктов, стяжные фланцы с внешней стороны снабжены компенсаторами [1]. В устройстве имеются выносные анод и катод, диафрагмы, основные листы биполярных электродов выполнены из алюминия и выступающими за пределы электролизера, отверстия снабжены кольцевыми уплотнительными прокладками и выступающими за пакет ячеек электролизера, при этом прокладки ячеек в средней части внутренней стороны имеют пазы для установки диафрагм, индивидуальные каналы для отвода газов из ячеек и подвода к ним электролита выполнены в теле соседних основных листов в виде пазов, в которых установлены прокладки. Кольца-компенсаторы выполнены из материала прокладок с толщиной больше толщины прокладок и поверхностью в 1,5-2 раза больше уплотняющей поверхности прокладок ячеек. Предполагается, что выполнение уплотнительных прокладок с внутренним пазом для диафрагм исключает возможность ее смещения при сборке, а введение упругих колец-компенсаторов из материала прокладок обеспечит уплотнение электродов по всему пакету и исключит нарушение герметичности при термораскачках в процессе работы электролизера. Однако, как показывает практика, кольцо-компенсатор, выполненное из материала изолирующей прокладки, при затяжке деформируется практически так же, как и изолирующие прокладки. В дальнейшем при работе электролизера имеют место термораскачки, и неравномерный нагрев отдельных частей электролизера, что приводит к появлению новых остаточных деформаций, которые сдеформированное ранее кольцо-компенсатор компенсировать уже не может. Нескомпенсированность остаточных деформаций приводит в конечном счете к разгерметизации электролизера. Проблему обеспечения герметизации пакета плоских элементов электролизера пытаются решить не только путем совершенствования конструкции электролизера, но и путем совершенствования сборки электролизера. Наиболее близким к заявляемому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ герметичной укладки плоских элементов, установку направляющих технологических шпилек и пружинных элементов, а также установку плоских элементов при помощи направляющих шпилек [2]. Плоские элементы соединяют вместе с возможностью аксиального перемещения при помощи направляющих шпилек. На время монтажа в жестком корпусе элементы временно нейтрализуют при помощи сжимающих приспособлений. После укладки в корпус приспособления и упоры удаляют, освобождая плоские элементы. Предлагаемый способ направлен на совершенствование способа сборки путем фиксации плоских элементов на направляющих шпильках, однако использованные в способе пружинные элементы не обеспечат герметизацию во время работы электролизера. Пружинные элементы в данном случае использованы только для удержания пакета во время сборки и для того, чтобы не происходило смешивание газов. В основном же герметичность обеспечивается за счет размещения пакета плоских элементов в корпусе электролизера. Данный способ не контролирует смещение изолирующих прокладок друг относительно друга по наружной окружности, а именно такое смещение изолирующих пластин приводит к концентрации напряжений, к деформации пакета при стягивании, или к разгерметизации при работе электролизера в условиях термораскачек. Поэтому главной целью предлагаемого технического решения является обеспечение надежной герметизации электролизера, работающего в условиях термораскачек, также упрощение конструкции и способа сборки, уменьшение габаритов и веса электролизера. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электролизера для разложения воды, в котором, вследствие выполнения компенсатора в виде пружинных элементов, установленных на стяжных шпильках, при условии, что стяжные элементы и изолирующие прокладки выполнены из материалов, упругая деформация которых лежит в пределах упругой деформации пружинных элементов, обеспечивается компенсация деформаций, которые возникают при термораскачках, сопровождающих работу электролизера, обеспечивается возможность работы в более широком интервале температур, а также ввиду отсутствия ползучести обеспечивается возможность осуществления практически неограниченного числа циклов термораскачек. В основу изобретения поставлена также задача усовершенствования способа сборки электролизера, в котором вследствие укладки изолирующих прокладок между технологическими направляющими шпильками так, что последние являются касательными к внешней окружности изолирующих прокладок, и стягивания пакета плоских элементов до упругой деформации изолирующих прокладок до 0,5-1,0% их первоначальной толщины, обеспечивается точное позиционирование изолирующих прокладок по их внешней окружности, и за счет этого повышается надежность герметизации электролизера, так как возникающие дополнительные напряжения вследствие термораскачек или неравномерного нагрева отдельных частей электролизера будут скомпенсированы соответствующими пружинными элементами. Вероятность разгерметизации уменьшается вследствие точного позиционирования изолирующих прокладок по наружному диаметру, что исключает концентрацию напряжений β одних местах, ослабление в других, и, как следствие, перекосы и разгерметизацию. Предварительная деформация пружинных элементов до 0,5-1,0% первоначальной их толщины практически находится в пределах упругости материала изолирующих прокладок, и призвана учесть все микронеровности материала, а также скомпенсировать любое понижение температуры при работе на улице в холодные времена года. Упругость пружинного элемента должна обеспечивать заданный уровень деформации. Следует отметить, что заданный уровень деформации определяется достаточно узким интервалом значений. Он выбран из условий, что при меньших значениях существует вероятность того, что не все неровности будут скомпенсированы, и даже незначительный перекос приведет к разгерметизации. Верхнее значение выбрано из условия, что понижение температуры до (-1)-(-15)°С также должно быть скомпенсировано. Поставленная задача решается тем, что в известном электролизере для разложения воды, содержащем соединенные стяжными элементами стяжные фланцы, между которыми установлены биполярные электроды, выступающие за пределы электролизера, выполненные из основного листа, прокладки из изолирующего материала, в основных листах выполнены отверстия, образующие при сборке каналы для подвода реагентов и отвода продуктов, и компенсаторы, установленные с внешней стороны стяжных фланцев, согласно изобретению, компенсаторы выполнены в виде пружинных элементов, при этом стяжные элементы и изолирующие прокладки выполнены из материалов, упругая деформация которых лежит в пределах упругой деформации пружинных элементов. Поставленная задача решается также тем, что согласно изобретению пружинные элементы выполнены в виде пакета тарельчатых пружин. Поставленная задача решается и тем, что согласно изобретению, количество стяжных элементов равно 2(n+1), где n = 1,2... Поставленная задача решается и тем, что в известном способе сборки электролизера для разложения воды, включающем предварительную установку направляющихтехнологических шпилек, укладку пакета, состоящего из чередующихся электродов и прокладок из изолирующего материала, а также установку пружинных элементов, согласно изобретению, направляющие технологические шпильки устанавливают касательно к внешней окружности изолирующих прокладок, пакет стягивают до деформации изолирующих прокладок на 0,5-1,0% их первоначальной толщины, фиксируют и удаляют технологические направляющие шпильки. Выполнение компенсаторов в виде нескольких пружинных элементов позволяет учитывать неравномерный нагрев отдельных частей электролизера, который ведет к неравномерным напряжениям по окружности изолирующих прокладок. Количество стяжных шпилек и соответственно пружинных элементов должно быть четным и не менее четырех для того, чтобы при затяжке, действуя динамометрическим ключом, создавать одинаковое усилие затяжки симметрично относительно центра 55 изолирующей прокладки. Выполнение пружинного компенсатора в виде пакета тарельчатых пружин является оптимальным вариантом, так как тарельчатые пружины не допускают перекосов и сохраняют упругость в заданных пределах. Установка технологических направляющих шпилек касательно к внешней окружности изолирующих прокладок исключает вероятность деформации пакета вследствие смещения прокладок друг относительно Друга. Все указанные выше обстоятельства уменьшают вероятность разгерметизации электролизера, повышают его надежность. Кроме того, устройство, выполненное на основе предлагаемого решения, оказывается более простым в сравнении с известными, имеет меньшие габариты и вес. Следует отметить, что известно использование для равномерности затяжки и компенсации температурных напряжений под гайками стяжных болтов компенсационных тарельчатых пружин Бьельвиля. На каждой стороне стяжного болта установлено .по две пары таких пружин, которые при нагрузке должны сжиматься до остаточной деформации не более 1 % (Л.М.Якименко, И.Д.Моды-левская, З.А.Ткачек, Электролиз воды. М.: "Химия", 1970 г.). В предлагаемом техническом решении все элементы устройства такие как пружины, стяжные элементы и изолирующие прокладки должны работать в пределах упругости. Выполнение этого условия обеспечит возможность работы в широком температурном интервале, а также надежность при значительно большем количестве циклов термораскачек. Известно использование пружинных элементов для фиксации деталей друг относительно друга [2]. Однако в известном решении речь идет только о двух пружинах, которые не создают упругой деформации изолирующих прокладок. В известных решениях не выделяется необходимость наличия четного количества стягивающих шпилек, так как не рассматривается необходимость учитывать неравномерности нагрева. Предлагаемое решение направлено на устранение любых перекосов, которые могут привести к разгерметизации. Способ сборки не только устраняет любые перекосы, связанные с положением изолирующих прокладок, но также позволяет вести эту сборку быстро и качественно, обеспечивает возможность осуществлять контроль изолирующих прокладок по их внешней окружности. На чертеже показана конструкция предлагаемого электролизера. Электролизер состоит из стяжных фланцев 1 и 2, между которыми расположены биполярные электроды 3, выступающие за пределы электролизера и изолирующие прокладки 4. В электродах 3 выполнены отверстий, образующие каналы для подвода реагентов и отвода продуктов. Непосредственно к стяжным фланцам примыкают текстолитовые пластины 5. К текстолитовым пластинам 5 примыкают электроды 6, не имеющие отверстий. Пакет основных электродов 3 и изолирующих прокладок 4 разделен на две части газоотделителем 7. Стяжные элементы 8 имеют на одном конце пакеты тарельчатых пружин 9. С помощью гаек 10 и 11 осуществляют стяжку пакета в пределах упругости паронитовых прокладок, стяжных шпилек и пружинных элементов. Для электролизера серии ТЕРе-1,5Т использованы стандартные тарельчатые пружины, которые установлены на четырех стяжных шпильках. Устройство работает следующим образом. При подаче постоянного электрического напряжения сразу же происходит разложение воды на кислород и водород. Газы через отверстия в пластинах 3 поступают в газоотделитель 7. Тепло, образующееся в зоне электролиза, отводится к периферии пластин 3, выступающей за изолирующие прокладки 4. С периферии пластин 3 тепло снимается либо конвективной теплоотдачей, либо с помощью вентилятора. В процессе эксплуатации электролизера, как правило, вследствие неравномерного нагрева в некоторых местах возможно снижение усилия поджатая изолирующих прокладок 4 к основным пластинам 3. Тарельчатые пружины 9 обеспечивают постоянное усилие поджатая. Сборку электролизера осуществляют следующим образом. Направляющие технологические шпильки (на рис. показаны) вставляют в стяжной фланец 2 так, что они должны служить касательными к изолирующим прокладкам 4. Затем на стяжной фланец 2 укладывают текстолитовую изолирующую прокладку 5 и электрод без отверстий для прохода электролита и овода продуктов 6. На электрод 6 между технологическими направляющими шпильками укладывают первую изолирующую прокладку 4, а затем и весь блок чередующихся изолирующих прокладок и электродов. После набора первой половины электролизера устанавливают газоотделитель 7, а затем набирают вторую половину электролизера, которую закрывают электродом без отверстий для прохода электролита и продуктов электролиза и текстолитовой изолирующей прокладкой. На вторую текстолитовую прокладку 5 укладывают стяжной фланец 1, устанавливают стяжные шпильки 8, На один конец стяжных шпилек 8 устанавливают гайки 10, а на второй конец устанавливают пакеты тарельчатых пружин 9 и гайки 11. После этого осуществляют стяжку пакета пластин и изолирующих прокладок до деформации прокладок на 0,5-1,0% их первоначальной толщины. После стяжки технологические шпильки удаляют. Использование предлагаемой конструкции электролизера и способа его сборки гарантирует надежную его работу, так как исключает разгерметизацию в течение длительного периода эксплуатации.