Спосіб одержання суміші водню й кисню із води

Реферат: Спосіб одержання суміші водню та кисню із води включає одержання паротуманної суміші із води шляхом нагрівання та пропускання її через електричне поле. Паротуманну суміш одержують шляхом пропускання води через конусоподібні насадки, які розміщують радіально відносно осі обертання, при цьому водень та кисень одержують із паротуманної суміші на виході із конусоподібних насадок, пропускаючи її через імпульсне електричне поле постійного струму. UA 105053 U (12) UA 105053 U UA 105053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетики і може бути використана для одержання дешевих та економічних джерел енергії зокрема в хімічній, нафтохімічній, нафтовидобувній, автомобільній, харчовій промисловості, медицині, сільському господарстві та інше. Відомі способи одержання водню й кисню з перегрітої водяної пари з температурою 18002500 °C [1, 2]. Недоліками наведених способів є неможливість одержання водню у великих кількостях, енергоємність цих способів, а також складність пристрою для їх реалізації та використання дорогих матеріалів. Зазначені способи не можуть бути реалізовані при використанні технічної води, так як при температурі насиченої пари на стінках пристрою та на каталізаторі будуть утворюватись відкладення та накип, що призведе до швидкого виходу із ладу пристрою. Для збору одержаних водню й кисню використовують спеціальні збірні ємності, що робить пристрій вибухонебезпечним. Відомий спосіб для розкладання води і виробництва з неї водню методом гравітаційного (інерційного) електролізу розчину електроліту, що має назву "Електроводневий генератор" (ЕВГ) [3]. Він приводиться в дію механічним приводом і працює при звичайній температурі в режимі теплового насоса, поглинаючи через свій теплообмінник необхідне при цьому тепло з довкілля або утилізувавши тепловтрати промислових або транспортних енергоустановок. Концентрований розчин дисоційованого електроліту, що має значну різницю мас аніонів і катіонів, поміщають в сильне гравітаційне поле, обертаючи його в ємкості ЕВГ з частотою 150040000 об/хв.), при цьому відбувається сепарація іонів водню. Недоліками наведеного способу є його складність, а також застосування небезпечних хімічних реагентів електролітів. Процес одержання водню протікає з поглинанням розчином через теплообмінник теплоти і вимагає постійного розведення його водою до початкової концентрації необхідної для проведення хімічної реакції. Найбільш близьким способом, який застосовують за тим же призначенням, що і заявлений, є спосіб одержання водню й кисню з перегрітої водяної пари з температурою 500-550 °C на каталізаторі при пропусканні пари через електричне поле постійного струму з напругою 6000 В. Приготування перегрітої пари води відбувається в пристрої, який містить сталеву трубу з жароміцної сталі (стартер). Перед запуском пристрою стартер розігрівають до температури 8001000 °C. У камері розкладання перегрітий пар води розкладають на водень і кисень електричним полем. Одним електродом служить сам корпус камери (труба), а іншим - труба з тонкостінної сталі, що знаходиться в центрі корпуса [4]. Зазначений спосіб вибраний як прототип. До недоліків цього способу належить значна енергоємність, що пов'язана з приготуванням перегрітої пари води, а також неможливість здійснення цього способу при використанні технічної води, оскільки при температурі насиченої пари на стінках пристрою і на каталізаторі утворюються відкладення і накип, що призводить до швидкого виходу пристрою з ладу. До причин, що перешкоджають досягненню очікуваного технічного результату при використанні відомого способу відноситься те, що відомий спосіб має значну енергоємність, тривалий час на розігрів води при перетворенні її в пару високої температури, відкладеннями накипі на каталізаторі. Водень при з'єднанні з киснем (окисленим), займає перше місце по калорійності на 1 кг палива серед всіх палив, які використовують для одержання електроенергії та тепла. Водень, що одержують з води, - один з найбільш енергонасичених носіїв енергії, теплота згоряння 1 кг водню становить 120 МДж/кг, у той час як теплота згоряння бензину або кращого вуглеводного авіаційного палива становить 46-50 МДж/кг, тобто в 2,5 рази менше. Це одна із причин, чому рідкий водень використовують як паливо для енергетики ракет та космічних кораблів, для якого мала молекулярна маса і висока питома енергоємність водню має першорядне значення. Перешкодою для використання водню в енергетиці є дорогий спосіб його одержання, який економічно не виправданий. Водень не може конкурувати з вуглеводневим паливом, для його одержання застосовують електролізні установки термічні нагрівачі, які малопродуктивні і енергія, витрачена на одержання водню, дорівнює енергії, одержання від спалювання цього водню. Витрати електроенергії на вироблення одного кубометра водню з врахуванням перенапруження при традиційному електролізі в промислових умовах складають 18-21,6 МДж, а загальні витрати енергії (з врахуванням виробництва самої електроенергії) перевищує 50 МДж, що робить водень недопустимо дорогим. Запаси водню, зв'язаного в органічній речовині у воді, практично невичерпні. Розроблені численні способи з розкладання води на складові елементи, розрив міжмолекулярних зв'язків дозволяє виробляти водень, а потім використовувати його як паливо. Міжмолекулярні зв'язки водяної пари слабкіші, ніж у води у вигляді рідини, і тим більше води у вигляді льоду. Газоподібний стан води ще більш полегшує роботу електричного поля по 1 UA 105053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 подальшому розщепленню самих молекул води на Н2 і О2. Тому метод ефективного переведення агрегатного стану води у водяний газ (пар, туман) - це перспективний напрям розвитку електроводневої енергетики. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення існуючого способу шляхом переведення рідкої фази води в газоподібну фазу, яка проходить без підвода значної енергії, а за рахунок вихрових турбулентних процесів, відцентрових сил, кавітаційних процесів, сил ежекції, які виникають на великих швидкостях при переміщенні, обертанні води в комбінованих відцентрових прискорювачах з соплами Лаваля і вихрових відцентрових прямоточних спіралевидних туманоутворюючих форсунках. Рідина у форсунках перетворюється в паротуманну суміш і частково у водень і кисень з послідуючим її проходженням через електроди, на які подається змінний високовольтний високочастотний постійний струм (регулюючи та змінюючи напругу, частоту та період, величину і довжину імпульсів і конфігурацію високочастотного магнітного поля) в накопичувальній камері, викликаючи тим самим дисоціацію повного розкладу паро-туманної суміші на водень і кисень. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб одержання суміші водню та кисню із води, включає одержання паро-туманної суміші із води шляхом нагрівання та пропускання її через електричне поле, а паро-туманну суміш одержують шляхом пропускання води через конусоподібні насадки, які розміщують радіально відносно вісі обертання, при цьому водень та кисень одержують із паро-туманної суміші на виході із конусоподібних насадок пропускаючи її через імпульсне електричне поле постійного струму. Саме поєднання наведених відомих ознак і сукупність суттєвих ознак способу, що заявляються, забезпечує зниження енергетичних затрат електричної та теплової енергії на утворення паро-туманної суміші, процес вироблення газової суміші безперервний і швидкий, а кількість вироблення водню і кисню при однакових енергозатратах на порядок більше, ніж в прототипі. Суть корисної моделі пояснюють креслення. На кресленні - Структурна схема пристрою для одержання суміші водню й кисню. Пристрій для одержання суміші водню й кисню із води (креслення) складається з розбірного герметичного циліндричного корпусу виконаного з нержавіючої сталі, (кераміки, фторопласту або стеклотекстоліту), який має корпус 1, кришку 2. Всередині розбірного герметичного циліндричного корпуса на валу електродвигуна 4, розміщений (з можливістю обертання) ротор 3 виготовлений із легкого металу, наприклад титанового або дюралевого сплавів і виконаний у вигляді диска, з одного боку ротора 3 розміщена камера подачі води з якої ротор 3, має радіальні канали, принаймні не менше шести, в яких установлені вихрові комбіновані прискорювачі рідини 5 у вигляді конусоподібних насадок (сопел Лаваля) з'єднаних між собою, на кінцях яких закріплені прямоточні, спіралевидні, вихрові, відцентрові та туманоутворюючі форсунки 19. В корпусі 1, розміщені вихідні патрубки 8, а на кришці 2 - вхідний патрубок 7. В герметичному циліндричному корпусі міститься камера розщеплення води А, (креслення), в межах якої розміщені на ізоляторах різнополярні високовольтні електроди 6, які приєднані до блока управління високовольтним імпульсним генератором. Пластини різнополярних високовольтних електродів 6 розміщені на корпусі 1, у вигляді концентричних кілець, з можливістю зміни відстані між ними, і знаходяться одна від одної на відстані, достатній для запобіганняелектричного пробою. Для надійної електроізоляції високовольтні електроди 6 захищені від пробою прохідними електроізоляторами, через які подається напруга. Змінюючи відстань між електродами 6, регулюють якість роботи і продуктивність пристрою. Вихровий комбінований прискорювач рідини 5, (креслення), у вигляді конусоподібних насадок, з'єднаних між собою, складається із розміщених співвісно принаймні трьох герметично з'єднаних між собою сопел Лаваля 9, 10, 11. Вихровий комбінований прискорювач рідини 5 має вхідний канал 12 і вихідний канал 18, що закінчується прямоточною, спіралевидною, вихровою, відцентровою та туманоутворюючою форсункою 19, має принаймні дві герметичні камери 14 і 16, а також критичні звужуючі канали 13, 15 і 17. Критичний звужуючий канал 13, сопла Лаваля 9, менший за звужуючий критичний канал 15, сопла Лаваля 10, який може закінчуватись соплом Лаваля 10, (перетворюючись просто в сопло 10), а звужуючий критичний канал 15, сопла Лаваля 10, менший за звужуючий критичний канал 17, сопла Лаваля 11, яке теж може закінчуватись соплом 11, (перетворюючись просто в сопло Лаваля 11). На кінці сопла Лаваля 11 установлена прямоточна, спіралевидна, вихрова, відцентрова та туманоутворююча форсунка 19, яка має прямоточний спіралевидний завихрювач для утворення вихора паро-туманної суміші і виходу його в камеру розщеплення води А. Сопла Лаваля (9, 10, 11) мають класичний профіль, що дає можливість змінювати кут розкриття камери розширення, який знаходиться в межах 12-30°. Сопла Лаваля з таким кутом розширення забезпечують найбільшу швидкість руху 2 UA 105053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 рідини і ефективне пароутворення паро-капельної та паро-туманної суміші на всіх ділянках вихрового комбінованого прискорювача рідини 5. Спосіб, що заявляється, може бути реалізований наступним чином. Через вхідний патрубок 7, за допомогою циркуляційного насоса з тиском приблизно 2-3 атм. здійснюють подачу води в приймальну камеру ротора 3 (креслення), що розміщений в герметичному циліндричному корпусі. Ротор 3, в герметичному циліндричному корпусі обертається зі швидкістю 6-18 тис. об/хв. Вода з приймальної камери ротора 3, під дією вихрових відцентрових сил з великою кутовою кільцевою швидкістю попадає на вхід вихрового комбінованого прискорювача рідини 5, в переріз 12 до звужуючого критичного каналу 13, сопла Лаваля 9. Збільшуються відцентрові сили, різко росте тиск води і в напірній частині критичного каналу 13, сопла Лаваля 9, який досягає приблизно до 30 атм. Потік води (рідкої фази) попадає у розширювану частину сопла Лаваля 9, при проходженні води у розширюваній частині миттєво падає тиск, при цьому росте швидкість води, проходять вихрові турбулентні кавітаційні процеси, виділяється велика кількість енергії і бульбашок, які розриваються виділяючи пару, росте температура води. Рідина закипає і просто кипить (таким чином рідка фаза води переходить в паро-капельну фазу) і з великою швидкістю приблизно 150-200 метрів на секунду проходить в сопло Лаваля 10, де потік парокапельної суміші у зоні (Б) відривається від стінок сопла Лаваля 9, і у вигляді циліндричного потоку рухається до стінок сопла Лаваля 10, який спрофільовано таким чином, що швидкість потоку не падає, за звужуючим критичним каналом 15, паро-капельна суміш спочатку сповільнюється об стінки сопла Лаваля 10, а потім знову розганяється ще до більших швидкостей. Так як звужуючий критичний канал 15, не на багато більший за звужуючий критичний канал 13, запирання паро-капельної суміші потоку не виникає, а за рахунок ефекту ежекції, який виникає із-за великої швидкості руху паро-капельної суміші, герметична камера 14, практично миттєво вакумірується, тим самим утворюється вакуумна зона. У цьому випадку герметична камера 14, являється першим прирощенням швидкості потоку і енергії. Парокапельна суміш з великою швидкістю направляється до критичного каналу 15, сопла Лаваля 10. Перед критичним каналом 15 росте тиск, падає швидкість. Паро-капельна суміш попадає у розширюваній частину сопла Лаваля 10, де різко падає тиск, зростає температура і швидкість потоку, під дією раніше описаних процесів паро-капельна фаза суміші перетворюється у паротуманну фазу суміші і з великою швидкістю направляється до критичного каналу 17 сопла Лаваля 11, де спочатку сповільнюється об стінки сопла Лаваля 11), а далі з великою швидкістю проходить в сопло Лаваля 11. Із-за великої швидкості руху потік паро-туманної суміші у зоні (В) відривається від стінок сопла Лаваля 10, і у вигляді циліндричного потоку рухається до стінок сопла Лаваля 11, який спрофільовано таким чином, що швидкість потоку не падає, за звужуючим критичним каналом 17, паро-туманна суміш спочатку сповільнюється об стінки сопла Лаваля 11, а потім знову розганяється ще до більших швидкостей. Так як звужуючий критичний канал 17 не на багато більший за звужуючий критичний канал 15, запирання потоку паро-туманної суміші не виникає, а за рахунок ефекту ежекції, який виникає із-за великої швидкості руху паро-туманної суміші герметична камера 16, практично миттєво вакуумірується, тим самим утворюється вакуумна зона. У цьому випадку герметична камера 16, являється другим прирощенням швидкості потоку і енергії. Перед критичним каналом 17, швидко росте тиск, частково падає швидкість, а далі паро-туманна суміш попадає в зону розширення сопла Лаваля 11, де падає тиск і миттєво росте швидкість і температура. В результаті таких процесів паро-туманна суміш під дією турбулентних і окружних швидкостей розганяється до звукових швидкостей, проходячи прямоточний спіралевидний канал туманоутворюючої форсунки, закручений потік частково розбиває і подрібнює молекули паро-туманної суміші на атоми водню та кисню. За рахунок великих відцентрових швидкостей, вихрових кавітаційних процесів, які проходять в герметичних камерах в результаті відцентрового турбулентного руху і обертання води, паро-капельної і паро-туманної суміші в каналах сопел Лаваля (9, 10, 11), де в процесі її адіабатичного розширення проходять перетворення потенційної енергії рідини, що нагрівається, в кінетичну енергію паро-туманної суміші. Струмінь рідини, паро-капельної і паро-туманної суміші за рахунок вихрових турбулентних процесів, відцентрових сил обертання і руху розривається при утворенні вихорів, а всередині самого вихору знижений тиск, який заставляє рідину і утворенні суміші інтенсивно кипіти. Відбувається безперервний процес створення кавітаційних бульбашок по всій внутрішній поверхні зіткнення вихору з рідиною і з утвореними сумішами. Нагрівання рідини і суміші в каналах сопел Лаваля (9, 10, 11), протікання і кипіння в герметичних камерах сопел Лаваля і перетворення її в паро-капельну, паро-туманну суміш з параметрами двофазного потоку досягається за рахунок її розгону в вихровому комбінованому прискорювачі рідини 5 з соплами Лаваля (9, 10, 11) до дуже великих швидкостей. При проходженні через сопла Лаваля (9, 10, 11) паро-капельна і паро-туманна суміш попадає в 3 UA 105053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 камеру прямоточної, спіралевидної, вихрової, відцентрової та туманоутворюючої форсунки 19, яка має спеціальний спіралевидний прямоточний отвір, де паро-туманна суміш із-за великої окружної швидкості формується у вихор, в якому суміш постійно кипить і піддержує процес туманоутворення. Таким чином в камері А герметичного циліндричного корпуса (креслення) одержують паро-туманну суміш у вигляді туману. Подаючи через регулюючі різнополярні пластини високовольтних електродів 6, постійний струм високої напруги, який може досягати до 30 кВ, при цьому утворюють електричне поле, через яке проходить паро-туманна суміш. Змінюючи і підбираючи параметри високовольтного високочастотного електричного поля постійного струму на блоці, (регулюючи та змінюючи напругу, частоту та період, величину і довжину імпульсів і конфігурацію високочастотного електричного поля) в камері розщеплення води А герметичного циліндричного корпуса, на електродах 6, викликають тим самим дисоціацію повного розкладу паро-туманної суміші на водень і кисень. Аналогічні процеси протікають в інших вихрових комбінованих прискорювачах рідини 5. З камери розщеплення води А герметичного циліндричного корпуса, суміш газів водню і кисню направляють через вихідні патрубки 8, по трубопроводу до триходового крану, на схемі не показаний, який має три виходи: - один вихід трубопроводу зв'язаний з водяним затвором водяної ванни і використовується при запуску пристрою, - другий вихід трубопроводу аварійний зв'язаний з атмосферою, - третій вихід трубопроводу проходить через фільтри, сепаратор і направляється до споживачів. Для демонстрації і реалізації способу, що заявляється, була створена дослідна модель для безперервного одержання суміші водню і кисню, сумарна споживана потужність якої складає 1100 Ват. На дослідній моделі установлений циркуляційний насос Grundfos UPS 25-40 з 3 напругої мережі 220 В, потужністю 45 Вт і напором 4 м з продуктивністю 3,5 м /год. для подачі води в пристрій. Електричний двигун, який забезпечує обертання ротора пристрою, має потужність 900 Вт, з обертами до 24000 об/хв. і напругою в мережі 220 В. Перевагами способу, що заявляється, в порівнянні з прототипом є зниження енергетичних затрат електричної та теплової енергій на утворення паро-туманної суміші, що досягається завдяки використанню вихрових відцентрових сил, кавітаційних процесів, сил ежекції, які виникають при обертанні та русі рідини на великих окружних швидкостях в комбінованих відцентрових прискорювачах з соплами Лаваля та прямоточних, спіралевидних, вихрових, відцентрових та туманоутворюючих форсунках та за рахунок зміни параметрів високовольтного високочастотного електричного поля постійного струму (регулюючи та змінюючи напругу, частоту та період, величину і довжину імпульсів і конфігурацію високочастотного електричного поля) в накопичувальній камері, викликаючи тим самим дисоціацію повного розкладу паротуманної суміші на водень і кисень. Процес вироблення газової суміші способом, що заявляється, безперервний і швидкий, а кількість вироблення водню і кисню при однакових енергозатратах на порядок більше, ніж в прототипі. Джерела інформації: 1. Заявка Великобританії № 1489054 (кл. С01В 1/03, 1977). 2. Заявка Великобританії № 1585527 (кл. С01В 3/04, 1981). 3. Патент Російської Федерації № 2174162 від 27.09.2001 p. 4. Патент Російської Федерації № 2142905 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Спосіб одержання суміші водню та кисню із води, що включає одержання паротуманної суміші із води шляхом нагрівання та пропускання її через електричне поле, який відрізняється тим, що паротуманну суміш одержують шляхом пропускання води через конусоподібні насадки, які розміщують радіально відносно осі обертання, при цьому водень та кисень одержують із паротуманної суміші на виході із конусоподібних насадок, пропускаючи її через імпульсне електричне поле постійного струму. 4 UA 105053 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5