Установка для розкладу води електролізом

1. Установка для розкладу води електролізом, яка містить технологічні лінії подачі води й електроліту і відводу продуктів електролізу, електролізер, який включає корпус, установлений на з'єднаному з приводом обертання валу з каналами підведення розчину електроліту і відводу продуктів електролізу, канал відводу розчину електроліту та містить короткозамкнені електроди, один із яких розташований на валу, а інший утворений внутрішньою поверхнею корпуса, і теплообмінник, яка відрізняє ться тим, що установка оснащена верхнім і нижнім підшипниковими вузлами, у яких вертикально розташовано вал, і зовнішнім контуром циркуляції розчину електроліту, який містить кільцеву камеру розчину електроліту з внутрішньою поверхнею у формі равлика, установлену на верхньому підшипниковому вузлі нерухомо, датчик наявності розчину електроліту і змішувач розчину електроліту, з'єднаний з лініями подачі електроліту і води і каналом підведення розчину електроліту, корпус електролізера виконаний зі струмопровідного матеріалу і оснащений нижньою і верхньою кришками, виконаними зі струмопровідного мате 2 (19) 1 3 80024 Винахід відноситься до області електрохімії, а саме до конструкцій електролізерів для одержання киснево-водневої суміші - гримучого газу, водню і кисню шляхом електролізу води, і може бути використаним як джерело гримучого газу, наприклад, для газоплазмової технології в ряді галузей промисловості, водневого палива, зокрема, для живлення двигунів внутрішнього згорання чи інших енергетичних і теплових установок, а також кисню для технологічних потреб у різних галузях промисловості. Відомий електролізер для одержання кисневоводневої суміші - гримучого газу, який при горінні використовують для газоплазмової технології в ряді галузей промисловості. Корпус електролізера встановлений на валу з можливістю обертання і оснащений дисковими електродами з кільцевими проточками-канавками. Пристрій забезпечує можливість регулювання потужності електролізера [Патент РФ №2006526, С25В 1/04, 1994p.]. Недоліками цього пристрою є його обмежені функціональні можливості, а також значна енергоємність, зумовлена тим, що електроліз проводять за рахунок споживання електричної енергії від зовнішнього джерела. Відомий відцентровий електролізер для одержання водню і кисню шляхом електролізу води, який містить ємність з корпусом циліндричної форми з порожнім валом, який встановлений в опорах з можливістю обертання. Вал кінематично зв'язаний із приводом обертання і генератором електричного струму. Ємність оснащена електродами, включеними в електричний ланцюг генератора, і каналами для підведення вихідних і відводу кінцевих продуктів електролізу і заповнена розчином електроліту. При обертанні ємності відбувається послідовне перетворення механічної енергії приводу спочатку в електричну, а потім у хімічну енергію отриманих з води водню і кисню [Патент РФ №2015395, F02М 21/00, 1990p.]. Недоліком роботи пристрою є його низька продуктивність, зумовлена обов'язковою послідовністю перетворення енергії, оскільки компенсація ендотермічного ефекту реакції розкладу води відбувається за рахунок використання виробленої електроенергії без утилізації зовнішньої теплової енергії. Найбільш близьким за технічною сутністю і отримуваним результатом до запропонованої установки є пристрій для перетворення енергії шляхом розкладу води електролізом, який містить технологічні лінії подачі води й електроліту і відводу продуктів електролізу, заповнену розчином електроліту обертову ємність з валом, зв'язаним із приводом обертання, електроди, які можуть бути короткозамкненими між собою, один із яких встановлений на валу, а інший утворений внутрішньою поверхнею обертової ємності, канали підведення і відводу розчину електроліту і відводу продуктів електролізу, виконані у валу, а також теплообмінник і сепаратор, розташовані всередині ємності. У пристрої відбувається рівнобіжне перетворення механічної і теплової енергії в електричну і хімічну енергії. У результаті утилізації тепла будь-якого природного чи техногенного походження підвищу 4 ється ефективність електролізу [Патент РФ №2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, 2001р.]. Недоліками відомого пристрою є його низька продуктивність і нестабільність роботи, обумовлені відсутністю контролю за положенням границі поділу розчину електроліту і газового середовища в обертовій ємності, у результаті чого активні поверхні дисків електрода, встановленого на валу, виявляються або в газовому середовищі або в області розчину електроліту з низьким електричним потенціалом, що еквівалентно скороченню активної поверхні електрода й утруднює процес електролізу; а також складність конструктивного виконання, оскільки подача і відвід теплоносія для теплообмінника, розташованого усередині обертової ємності, через канали обертового вала технічно важко здійснити, крім того, струмопровідні поверхні теплообмінника перешкоджають виникненню різниці потенціалів у розчині електроліту. Технічний результат полягає в підвищенні продуктивності та спрощенні конструкції установки при одночасному розширенні її функціональних можливостей. Технічний результат досягається за рахунок того, що установка для розкладу води електролізом, яка містить технологічні лінії подачі води й електроліту і відводу продуктів електролізу, електролізер, який включає корпус, установлений на з'єднаному з приводом обертання валу з каналами підведення розчину електроліту і відводу продуктів електролізу, канал відводу розчину електроліту, короткозамкнені електроди, один із яких розташований на валу, а інший утворений внутрішньою поверхнею корпуса, і теплообмінник, оснащена верхнім і нижнім підшипниковими вузлами, в яких вертикально розташовано вал, і зовнішнім контуром циркуляції розчину електроліту, який містить кільцеву камеру розчину електроліту з внутрішньою поверхнею у формі равлика, установлену на верхньому підшипниковому вузлі нерухомо, датчик наявності розчину електроліту і змішувач розчину електроліту, з'єднаний з лініями подачі електроліту і води і каналом підведення розчину електроліту, корпус електролізера виконаний зі струмопровідного матеріалу і оснащений нижньою і верхньою кришками, виконаними зі струмопровідного матеріалу, канал відводу розчину електроліту виконаний у верхній кришці і оснащений регульованим клапаном, який сполучається з кільцевою камерою розчину електроліту, лінія подачі води оснащена пристроєм регулювання витрати води, лінія відводу продуктів електролізу оснащена пристроєм для відкачування продуктів електролізу, теплообмінник розташований у зовнішньому контурі циркуляції розчину електроліту, а датчик наявності розчину електроліту з'єднаний із пристроєм регулювання витрати води і приводом обертання вала. Установку може бути оснащено сепаратором, установленим на лінії відводу продуктів електролізу і захисним кожухом. Корпус електролізера може бути виконаний циліндричним, а його внутрішня поверхня може бути оснащена, щонайменше, однією, а краще двома направляючими канавками, принаймні, одна з яких виконана гвинтовою, електрод, установлений на 5 80024 валу, може бути виконаний у вигляді конуса з прорізами, рівнобіжними валу, і закріпленим на конусі циліндром з радіальними отворами, як пристрій регулювання витрати води може бути використаний електромагнітний клапан, а як пристрій для відкачування продуктів електролізу може бути використаний електровакуумний насос. Схематичне зображення установки для розкладу води електролізом приведено на кресленні. Для більшої наочності співвідношення розмірів між окремими вузлами й елементами на кресленні змінено. Установка містить електролізер 1, який включає циліндричний корпус 2, виконаний зі струмопровідного матеріалу, з верхньою 3 і нижньою 4 кришками, виконаними зі струмопровідного матеріалу, установлений на вертикальному валу 5 у нижньому 6 і верхньому 7 підшипникових вузлах, вал 5 з'єднаний із приводом обертання 8 і всередині має канали підведення розчину електроліту 9 і відводу продуктів електролізу 10. На валу 5 всередині електролізера 1 розташовано електрод 11 (наприклад, катод), який складається з конуса 12 із прорізами, рівнобіжними валу, і закріпленого на конусі 12 циліндра 13 з радіальними отворами. Внутрішня поверхня 14 корпуса 2 утворює інший електрод (наприклад, анод) і оснащена однією чи більше, бажано двома, канавками 15, які можуть бути виконані гвинтовими. Електролізер 1 оснащений зовнішнім контуром циркуляції розчину електроліту 16, який містить нерухому кільцеву камеру розчину електроліту з вн утрішньою поверхнею у формі равлика 17, розташовану на верхньому підшипниковому вузлі 7, датчик наявності розчину електроліту 18, теплообмінник 19 і змішувач розчину електроліту 20, з'єднаний з каналом подачі розчину електроліту 9, розташованим у валі 5, з технологічною лінією подачі води 21 із пристроєм регулювання витрати води 23, вентилем 24 і ємністю для води 22 і технологічною лінією подачі електроліту 25 із ємності для електроліту 26. У верхній кришці 3 електролізера 1 виконаний канал відводу розчину електроліту 27, оснащений регульованим клапаном 28, який сполучається з кільцевою камерою розчину електроліту з внутрішньою поверхнею у формі равлика 17. Канал відводу продуктів електролізу 10, з'єднаний з технологічною лінією відводу продуктів електролізу 29 із пристроєм для відкачування продуктів електролізу 30, наприклад, електровакуумним насосом, і сепаратором 31 для розкладу киснево-водневої суміші на кисень і водень. Канал подачі розчину електроліту 9 оснащений каналом відводу витоків розчину електроліту 32 і ємністю збору витоків розчину електроліту 33. Датчик наявності розчину електроліту 18 з'єднаний із пристроєм регулювання витрати води 23 і приводом обертання 8 вала 5. Установка оснащена захисним кожухом 34. Відомості, що підтверджують можливість здійснення винаходу. Установка працює в такий спосіб. Електроліт з ємності для електроліту 26 по технологічній лінії подачі електроліту 25 подають у змішувач розчину електроліту 20, звідкіля крізь канал подачі розчину електроліту 9, розташований 6 у валу 5-у електролізер 1. Вентиль 24 на лінії подачі води 21 - закритий. Включають привід обертання 8 вала 5, встановленого вертикально в нижньому 6 і верхньому 7 підшипникових вузлах, який приводить електролізер 1, заповнений розчином електроліту, в обертання, розганяючи його до початку процесу електролізу. У процесі розгону електролізера починається циркуляція розчину електроліту в зовнішньому контурі циркуляції 16. Датчик наявності розчину електроліту 18 спрацьовує і подає сигнал на електромагнітний клапан 23 (чи будь-який інший пристрій регулювання витрати води), який перекриває подачу води, після чого відкривають вентиль 24. Пристрій переходить у режим автоматичного регулювання подачі води із ємності для води 22 по лінії подачі води 21 крізь електромагнітний клапан 23, змішувач розчину електроліту 20 і канал подачі розчину електроліту 9 у електролізер 1. В обертовому електролізері 1 в процесі вироблення водню і кисню об'єм розчину електроліту і відповідно його концентрація постійно змінюються: концентрація розчину електроліту підвищується, а об'єм - зменшується. Границя поділу розчину електроліту і газового середовища зміщується, канал відводу електроліту опиняється в зоні газового середовища і відвід розчину електроліту з електролізера припиняється, а відповідно припиняється циркуляція розчину електроліту в зовнішньому контурі. Датчик наявності розчину електроліту 18 подає команди на пристрій регулювання витрати розчину води - електромагнітний клапан 23 і одночасно на привід обертання 8. Починається подача води в змішувач 20 і далі, розведеного електроліту, крізь канал підведення розчину електроліту 9, в обертовий електролізер 1. Привід обертання 8 починає гальмування обертового електролізера 1. Під дією сил інерції і гвинтови х канавок 15 розчин електроліту перемішується. При поновленні циркуляції електроліту в зовнішньому контурі 16 і відповідних командах датчика 18 електромагнітний клапан 23 перекриває подачу води по лінії 21 з ємності для води 22, а привід обертання 8 знову розганяє електролізер 1. Усередині електролізера 1 на вертикальному валу 5 розташований один з електродів (наприклад, катод) 11, який складається з конуса 12 із прорізами, рівнобіжними валу, і закріпленого на конусі 12 циліндра 13 з радіальними отворами, функцію іншого електрода (наприклад, анода) виконує внутрішня поверхня 14 корпуса 2, оснащена однією чи більше, бажано двома, направляючими канавками 15, які можуть бути виконані гвинтовими. Канавки можуть бути виконані також спіральними, кільцевими чи прямолінійними, а також у вигляді поєднання перерахованих форм. Кожний з електродів у електролізері 1 може виконувати функцію катода чи анода залежно від хімічного складу використовуваного електроліту. Прорізи в конусі 12 і радіальні отвори в циліндрі 13 електрода 11, і направляючі гвинтові канавки 15 на внутрішній поверхні 14 корпуса 2 електролізера 1 виконані для поліпшення подачі і перемішування розчину електроліту. 7 80024 Для цієї ж мети в роботі приводу обертання 8 вала 5 передбачені короткочасні режими гальмування і наступного розгону, здійснювані по команді від датчика наявності розчину електроліту 18, установленого в зовнішньому контурі циркуляції розчину електроліту 16. У процесі обертання під дією відцентрової сили в електролізері 1 створюється поле штучної сили ваги, під дією якої катіони й аніони, у вигляді гідратів, які мають істотно різну власну масу, розділяються. Більшважкі іони, наприклад аніони, утворюють біля внутрішньої поверхні 14 корпуса 2 (аноду) негативний просторовий електричний заряд, який індукує у корпусі 2, виконаному зі струмопровідного матеріалу, адекватний заряд з електриків провідності. Легкі іони сконцентровуються в області між анодом і катодом 11, утворюючи свій просторовий позитивний заряд, при цьому, якщо величина його потенціалу виявиться достатньою для створення електричного поля, здатного деформувати гідратні оболонки легких іонів, виникаючу рівновагу буде порушено на катоді 11. Легкі іони наблизяться до поверхонь 12 і 13 катода 11 і розрядяться. Важкі іони також віддадуть свій заряд аноду, і між електродами крізь нижню 3 і верхню 4 кришки, виконані зі струмопровідного матеріалу, як по короткозамкнутому провіднику, потече постійний електричний струм. Іони електроліту відновляться, утворюючи водень і кисень, а проміжні продукти електролізу вступлять з водою у вторинні реакції. Відновлені водень і кисень спливають до центра електролізера 1 і у вигляді кисневоводневої суміші крізь канал відводу продуктів електролізу 10 пристроєм для відкачування продуктів електролізу 30, наприклад, вакуумним насосом, і лінію відводу продуктів електролізу 29 відводять споживачу. Для поділу киснево-водневої суміші на кисень і водень в установці може бути передбачений сепаратор 31, з якого розділені гази направляють до споживачів водневого палива і кисню. Пристрій для відкачування продуктів електролізу (киснево-водневої суміші - гримучого газу) 30 необхідний для запобігання витоків водню і кисню з установки в зовнішнє середовище. Розчин електроліту крізь канал відводу розчину електроліту 27 з регульованим клапаном 28, який сполучається з нерухомою кільцевою камерою розчину електроліту з внутрішньою поверхнею у формі равлика 17, надходить у зовнішній контур циркуляції розчину електроліту 16, звідкіля через теплообмінник 19 надходить у змішувач розчину електроліту 20, а потім через канал підведення розчину електроліту 9 вала 5 назад в обер 8 товий електролізер 1. У такий спосіб здійснюється циркуляція розчину електроліту в зовнішньому контурі 16. Дренаж можливих витоків розчину електроліту з каналу 9 здійснюють через канал витоків розчину електроліту 32 у дренажну ємність 33, звідкіля розчин електроліту повертають у ємність для електроліту 26. Внутрішня поверхня нерухомої кільцевої камери розчину електроліту 17 зовнішнього контуру циркуляції розчину електроліту 16 виконана у формі равлика для того, щоб гасити закручений потік розчину електроліту, що відводиться з обертового електролізера 1. Процес розкладу води на водень і кисень за рахунок відновлення їх іонів супроводжується зменшенням ентальпії розчину електроліту, у результаті чого температура розчину постійно знижується, і, якщо не компенсувати тепловтрати, то розчин змерзне і процес припиниться. З цієї причини розчин необхідно підігрівати. З цією метою в зовнішньому контурі циркуляції розчину електроліту 16 установлений теплообмінник 19. Як теплоносій використовують розчин електроліту. Теплову енергію до теплообмінника 19 можуть підводити у вигляді вихлопних газів чи антифризу від двигуна внутрішнього згорання або в іншому вигляді. В обертовому електролізері 1 у процесі вироблення водню і кисню об'єм розчину електроліту і відповідно його концентрація постійно змінюються: концентрація розчину електроліту підвищується, а об'єм - зменшується. Для забезпечення достатньої площі контакту розчину електроліту з електродом 11 у зоні високого електричного потенціалу за умов постійної зміни об'єму розчину електроліту, а також для того, щоб сформувати простір з газовим середовищем, електрод 11, встановлений на вертикальному валу 5, виконано у вигляді конуса 12 із закріпленим на ньому циліндром 13. Корпус 2 електролізера 1 переважно виконують циліндричним, що спрощує конструкцію. Для забезпечення техніки безпеки установка може бути оснащена захисним кожухом 34. Промислова застосовність У запропонованій установці відбувається перетворення механічної і теплової енергії в електричну і хімічну. Винахід дозволяє підвищити продуктивність установки. Установка досить проста, виготовляється з використанням традиційних конструкційних матеріалів і відомих електролітів і може бути використана в агрегатах ДВЗ транспортних засобів, підвищуючи їх паливну економічність, з паровими турбінами теплових і атомних електростанцій, для утилізації промислового тепла в металургії й ін. 9 Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 80024 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601