XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Водородная горелка на основе низкопотенциального электролизёра
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Многие привыкли считать, что самым доступным и экономичным видом топлива является природный газ. Объективные реалии нашей жизни показывают, что действительно, в современное время, альтернативе этому виду топлива пока не существует. Природный газ нашёл широкое применение во всех сферах современного производства, начиная от энергетики и заканчивая элементарным бытовым применением. В том числе, природный газ широко используется в машиностроительных технологиях, в качестве одного из способов сварки металлов в газовом пламени. Однако в последнее десятилетие стала совершенно очевидной ситуация, при которой дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. В частности, их взоры обращаются к водороду, запасы которого в водах мирового океана неисчерпаемы. К тому же, неоспоримым достоинством этого топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его массового промышленного производства. Есть целый ряд известных способов разложения воды: химический, термохимический, электролиз и другие, но все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получения водорода используется дорогостоящая высокопотенциальная энергия, на получение которой, в свою очередь, затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Поэтому в современное время актуальным является вопрос о концентрации низкопотенциальной энергии до необходимых термодинамических параметров при синтезе водорода. В прошлые годы, экспериментально на базе школьной лаборатории, нами была доказана возможность получения водородной топливной смеси с использованием низкопотенциальной энергии. В основу этого способа легли разработки, так называемой, «топливной ячейки» американца Стэнли Мейера. Нами был разработан генератор и произведены расчеты резонатора для низкопотенциального электролиза. По расчетам была изготовлена экспериментальная установка, с помощью которой была доказана высокая эффективность процесса электролиза. Ячейка, которая использовалась в наших экспериментах, имеет достаточно сложную конструкцию, требующую точной токарной обработки. В результате этого возникла рабочая гипотеза о возможности проведения резонансного электролиза на обычных пластинчатых электродах и применение этой методики в одном из технологических процессов неразъёмного соединения металлов, водородной сварке. Актуальность этой идеи является очень высокой, поскольку очевидна простота конструкции электролизёра, получение высокотемпературного пламени, пригодного для соединения практически любых металлов и сплавов.
Объект исследования в проекте – низкопотенциальный резонансный метод электролиза воды.
Предмет исследования в проекте - газосварочная установка на основе водородного пламени.
Рабочая гипотеза – возможность получения водорода резонансным методом с использованием низкопотенциальной энергии для дальнейшего применения в газосварочном оборудовании.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является, исследование возможных способов использования низко-потенциальной энергии для получения водородно-кислородной топливной смеси из воды и дальнейшего использования её в газосварочном оборудовании. При работе над темой был поставлен широкий круг сложных технических задач, от решения которых зависел успех экспериментальной работы:
- используя доступные литературные и интернет источники по проектированию низкопотенциальных электролизных устройств, разработать собственную концепцию электролизной ячейки;
- разработать и изготовить импульсный энергетический блок питания водородной ячейки;
- по проделанным ранее расчетам и с учётом, ранее полученных, экспериментальных данных изготовить новую пластинчатую водородную ячейку, работающую с использованием импульсного источника питания;
- разработать и изготовить, на основе водородной ячейки с использованием импульсного источника питания, водородную газосварочную установку;
- на основании изготовленной модели, провести экспериментальные исследования по выяснению эффективности работы газосварочного устройства.
Практическое применение технологии резонансного низкопотенциального электролиза в изготовлении высокопроизводительной водородной горелки
Принцип работы обычного водородного генератора основывается на том, что при прохождении постоянного электрического тока через воду между пластинами происходит разложение её на составляющие: кислород и водород. Основу водородной горелки составляет водородный генератор, который представляет собою своеобразную ёмкость с водой и пластинами из нержавеющей стали. Пластины собираются в две электрически изолированные друг от друга батареи, на одну из которых будет поступать плюс, на другую минус (анод и катод) (Приложение лист VII, рис. 18). При работе на постоянном токе, между пластинами заливается щелочной или кислотный электролит. Для питания электролизёра применяют достаточно мощные блоки питания (400 – 800 Вт) рассчитанные на постоянное напряжение 10 – 15 В (лучше регулируемое). В нашей модели есть несколько отличий от обычной схемы. Во – первых критичен подбор пластин электролизёра. Они должны соответствовать расчётным характеристикам волновода импульсного электролизёра (кратная длине волны). Не критичным является форма пластин. Они могут быть прямоугольные и круглые (соответствующей площади). Нами опробованы оба варианта и существенной разницы не замечено (Приложение лист VII, рис. 19). В рабочей модели собрано по 5 круглых пластин (сталь - 12Х18Н10Т) (Приложение лист VII, рис. 20). В качестве изолирующих и герметизирующих колец применены силиконовые кольца круглого сечения (D – 1,2 мм – зазор расчётный для резонансного электролиза). Во – вторых блок питания ячейки выдаёт импульсное напряжение (пачками импульсов). Основой блока питания, в экспериментальной установке, является импульсный блок питания HP 460W hstns-PR28 (643931-001 643954 (высококачественный для серверных систем). Он обеспечивает стабильную работу оборудования и безопасность пользователя. Принципиально, можно было применить менее мощный блок питания, использовали то, что имелось в наличие. Блок питания задействован для организации питания резонансного генератора и согласующего устройства (бифилярная катушка, намотанная на ферритовой основе). Соединение бифиляра с рабочей ячейкой осуществляется медным волноводом (медная трубка). Применённый блок питания и блок – схема организации питания рабочей ячейки представлены в приложении (Лист VIII, рис. 21 - 23). Отвод рабочей смеси газов осуществляется через водяной затвор, выполненный в виде ёмкости заполненной водой. Подвод газовой смеси осуществляется в нижней части водяного затвора. Вывод смеси в верхней части затвора. В нижней части затвора, на подаче газовой смеси встроен предохранительный обратный клапан (Приложение лист IX, рис. 24). В качестве подводящих и отводящих шлангов можно использовать виниловые или силиконовые трубки. При запуске горелки необходимо соблюдать строгие меры безопасности и определённые технологические приёмы. Электролизёр необходимо заполнять водою ровно наполовину для соблюдения техники безопасности и следить за уровнем жидкости, так как с его снижением меняются электрические параметры и интенсивность выделения водорода. В нашей модели электролизёра, в качестве рабочей жидкости, используется чистая дистиллированная вода. В самодельной водородной горелке обязательно должно быть согласованно давление водорода, и защита от обратного взрыва, хорошая герметичность и изоляция. Поджигать пламя нужно не сразу. Необходимо дать возможность газовой смеси вытеснить остатки воздуха из электролизёра и водяного затвора. При работе с горелкой можно применять обогатитель пламени (устроен по принципу водяного затвора). Само по себе водород-кислородное пламя довольно «жёсткое» и не очень удобно для прогрева больших деталей, к тому же является сильно окислительным. Для улучшения характеристик пламени можно пропустить топливную смесь через слой спирта или бензина. Обогащённое пламя имеет характерную кинжальную форму, большую мощность и размер, и характерный углеводородный сине-белый цвет (Приложение лист IX, рис. 25 – 26). При использовании самодельной горелки, внутренний объём её, лучше заполнить медным тонким проводом, что дополнительно гарантирует от проскока пламени в водяной затвор. В качестве сопла можно использовать металлические иглы от многоразовых шприцев. Но лучшим вариантом является промышленная водородная горелка.
Выводы
В результате проделанной работы и проведённых исследований можно сделать следующие выводы:
- изучен и проанализирован значительный объём доступных литературных и интернет - источников по проектированию низкопотенциальных электролизных устройств на основе чего разработана собственная концепция электролизной ячейки;
- решение поставленных задач позволило доказать возможность синтеза топливной смеси из воды при гораздо меньших затратах энергии, чем при обычном электролизе с гораздо более высокой эффективностью выхода газа;
- метод резонансного электролиза воды является действительно достаточно эффективным для получения топливного газа и использования его в дальнейшем в перспективных энергетических установках;
- изготовление подобных устройств сопряжено с точными расчётами и высокоточным изготовлением деталей резонансной системы, что доступно далеко не всем и соответственно снижает уровень повторяемости устройства;
- в результате проделанной работы, изготовлена рабочая модель водородной установки на основе резонансного электролиза и проверены режимы её работы. Экспериментами доказана эффективность метода резонансного электролиза. Несмотря на все сложности в изготовлении и необходимость дальнейших исследований, мы считаем метод резонансного электролиза очень перспективным для развития энергетики будущего.
Список литературы и интернет - источников
1.Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику, 1984.
2.Канареев Ф.М., Вода - новый источник энергии, Краснодар, Кубанский государственный Аграрный университет, 2000.
3.Полинг Л. Общая химия. М.: Мир. 1974.
4.Зацепин Г.Н. Свойства и структура воды, 1974.
5.Краснов К.С., Воробьев Н.К, Годнев И.Н. и др. Физическая химия. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ, М., «Высшая школа», 1974.
6.Кузнецов В.И., Развитие учения о валентности, М., «Химия», 1977.
7.Канареев Ф.М., Электролиз воды http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev
8.http://www.new-physics.com/
9.http://Kanarev.innoplaza.net
10.Мэйер, Патенты: (до сентября 1991 г.) 4.936.961 - Метод для производства топливного газа4.798.661 - Схема управления потенциалом газогенератора4.613.304 - Электрический генератор водорода
11.Весенгиреев М.,опубликовано в журнале «Изобретатель и рационализатор», 7-2005.
12.RU 2003104497, Установка для разложения воды электролизом (Водородный генератор Студенникова.)
13.http://www.treat.narod.ru/t22.html
14.PatentCorporationTreaty 4.344.831; 4.184.931; 4.023.545; 3.980.053 N PCT/US80/1362, опубликовано 30 апреля 1981
15.http://www.meanders.ru/meiers.shtml
16.http://www.skif.biz/index.php
17.http://alternativnost.com/
18.http://prometheus.al.ru/
19.http://radiokot.ru/
20.http://ikar.udm.ru/sb18
21.Panacea-BOCAF онлайн Университет, Документы по репликации Водно - Топливной Ячейки.