УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОГО ТОПЛИВА ИЗ ВОДЫ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE AND METHOD TO PRODUCE GAS HYDROGEN-OXYGEN FUEL FROM WATER (VERSIONS)

Изобретение относится к области химической технологии, а более конкретно к способам и устройствам для получения газового водородно-кислородного топлива электролизом воды.
Известен способ и устройство получения водорода электролизом воды, где электролитом служит водный раствор КОН (350-400 г/л), давление в элекролизерах от атмосферного до 4 МПа (Химическая энциклопедия в 5 томах под редакцией Н.П.Кнунянца. -М.: Сов. энциклопедия, 1988 г., т.1, с.401).
3
Производительность электролизеров в известном классическом способе составляет 4-500 кубических метра в час, а расход электроэнергии для получения 1 м водорода равен 4,0-5,6 кВт/ч.
Недостатком известного способа является большой расход электроэнергии.
Известен способ и устройство для получения водорода электролизом воды, где используют дистиллированную воду в качестве диэлектрической жидкости между обкладками конденсатора, включенного в последовательную резонансную схему с дросселем, к конденсатору прикладывают пульсирующее однополярное напряжение, подбирают частоту импульсов, поступающих на конденсатор, соответствующую собственной частоте резонанса молекулы воды, продолжительное действие импульсов в режиме резонанса приводит к росту колебательной энергии молекул, а комбинация пульсирующего и постоянного электрического поля к ослаблению сил электрической связи в молекуле воды, сила внешнего электрического поля превосходит энергию связи и атомы кислорода и водорода освобождаются как самостоятельные газы, происходит сбор смеси кислорода, водорода, готовой к употреблению в качестве топлива. Зазор между пластинами конденсатора составлял 1,5 мм, потенциал в импульсе - 20 кВ и более, затраты энергии на электролиз снижались в 17 раз по сравнению с классической схемой электролиза (Stanley Meyer. Пат. США №5.149.407 от 22.09.1992).
Аналогичные результаты получены Генри Пухаревичем, который нашел резонансные частоты расщепления воды 600 Гц, 12 кГц, 42,8 кГц. Напряжение в его электролизере составляло 40 кВ при зазоре между пластинами конденсатора 5 мм. Затраты энергии на электролиз снижались в 20 раз по сравнению с классической схемой электролиза (Henry K.Puharich. Пат. США №4394230 от 19.07.1983 г.).
Недостатком известных способов электролиза воды является высокие затраты энергии на получение смеси водорода и кислорода.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат на получение смеси водорода и кислорода в 30 и боле раз по сравнению с классическим методом электролиза воды.
3
Технический результат заключается в создании устройства, позволяющего получать газовое топливо из воды в виде водородно-кислородной смеси при затратах энергии менее 0,13 кВт∙ч на 1 м газового топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве получения газового водородно-кислородного топлива из воды методом электролиза, содержащем электролизер с двумя электродами и источник питания, электроды выполнены в виде двух, внешнего и внутреннего цилиндров с общей осью симметрии, внешний цилиндр совмещен с рубашкой водяного охлаждения электролизера и заземлен, а внутренний цилиндр выполнен в виде стакана с боковыми стенками и сплошным дном, закреплен на изоляторе внутри корпуса электролизера и имеет входное отверстие, совмещенное с отверстием в корпусе электролизера для подвода дистиллированной воды, выходной патрубок электролизера расположен осесимметрично относительно цилиндрических электродов за сплошным дном внутреннего цилиндрического электрода и снабжен рубашкой водяного охлаждения, а высокочастотный источник питания соединен через первый высокочастотный конденсатор с резонансным высокочастотным трансформатором Тесла с выходным напряжением 1-500 кВ, частотой 0,5-100 кГц, высоковольтный вывод которого через высоковольтный диод соединен с внутренним цилиндрическим электродом и с одной обкладкой второго высокочастотного конденсатора, другая обкладка конденсатора соединена с внешним цилиндрическим электродом.
В варианте устройства получения газового водородно-кислородного топлива из воды методом электролиза внутренний цилиндрический электрод выполнен в виде стакана с перфорированными боковыми стенками.
В варианте устройства получения газового водородно-кислородного топлива из воды методом электролиза, содержащем электролизер с электродами и источник питания, электроды выполнены в виде трех, внешнего, среднего и внутреннего цилиндров с общей осью симметрии, средний цилиндрический электрод изолирован от корпуса электролизера и выполнен в виде стакана с боковыми стенками и сплошным дном и закреплен на изоляторе между внутренним и внешним цилиндрическими электродами, внутренний цилиндрический электрод имеет входное отверстие, совмещенное с отверстием в корпусе электролизера для подвода дистиллированной воды, выходной патрубок электролизера расположен осесимметрично относительно цилиндрических электродов за сплошным дном внутреннего цилиндрического электрода и имеет водяное охлаждение, а высокочастотный источник питания соединен через первый высокочастотный конденсатор с резонансным высокочастотным трансформатором Тесла с напряжением на высоковольтном электроде 1-500 кВ, частотой 0,5-100 кГц, высоковольтный вывод трансформатора Тесла соединен через высоковольтный диод со средним цилиндрическим электродом и с одной обкладкой второго высокочастотного конденсатора, другая обкладка конденсатора соединена с внешним и внутренним цилиндрическими электродами.
В варианте устройства получения газового водородно-кислородного топлива из воды методом электролиза средний цилиндрический электрод выполнен в виде стакана с перфорированными стенками.
1
2
В варианте устройства получения газового водородно-кислородного топлива из воды методом электролиза, содержащем электролизер с двумя электродами и источник питания, электроды выполнены в виде двух, внешнего и внутреннего цилиндров с общей осью симметрии, изолированных от корпуса электролизера, внутренний цилиндр выполнен в виде стакана с боковыми стенками и сплошным дном и закреплен на изоляторе внутри корпуса и имеет входное отверстие, совмещенное с отверстием в корпусе электролизера, выходной патрубок электролизера расположен осесимметрично относительно цилиндрических электродов за сплошным дном внутреннего цилиндрического электрода, а высокочастотный источник питания соединен с низковольтной обмоткой резонансного высокочастотного трансформатора Тесла через первый конденсатор с емкостью C, высоковольтный вывод трансформатора Тесла напряжением 1-500 кВ, частотой 0,5-100 кГц соединен через высокочастотный высоковольтный диод с обкладкой второго конденсатора с электрической емкостью С и одним из электродов электролизера, другой электрод электролизера соединен с низкопотенциальным выводом трансформатора Тесла и с другой обкладкой второго конденсатора.
В варианте устройства получения газового водородно-кислородного топлива из воды методом электролиза внутренний цилиндрический электрод выполнен в виде стакана с перфорированными боковыми стенками.
В способе получения газового водородно-кислородного топлива электролизом воды при подаче электрической энергии от источника питания на электроды внутри реактора электролиза, на электроды подают от высокочастотного источника питания через высоковольтный резонансный высокочастотный трансформатор Тесла и высовольтный диод электростатические пакеты высоковольтных высокочастотных импульсов одной полярности с выходным напряжением 1-500 кВ, частотой 0,5-100 кГц, амплитуда которых постоянно возрастает для постепенного ослабления межмолекулярных связей водорода с группой ОН и кислородом в дистиллированной воде, а при появлении ионного тока между электродами амплитуду высоковольтных высокочастотных импульсов уменьшают до прекращения ионного тока между электродами и процесс увеличения амплитуды высоковольтных высокочастотных импульсов повторяют, а скважность подачи пакета высоковольтных высокочастотных импульсов выбирают из условия ограничения и блокирования ионного тока между электродами электролизера.
В варианте способа получения газового водородно-кислородного топлива электролизом воды при подаче электрической энергии от источника питания на электроды внутри реактора электролиза высокочастотный источник питания соединяют с резонансным высокочастотным трансформатором Тесла с выходным напряжением 1-500 кВ, частотой 0,5-100 кГц, высоковольтный вывод трансформатора Тесла соединяют через высокочастотный высоковольтный диод с высокочастотным электрическим конденсатором и с изолированным электродом электролизера, электролизер и второй электрод заземляют и подбирают путем регулирования частоты, напряжения и величины электрической емкости конденсатора скважность пакетов высоковольтных импульсов через дистиллированную воду и электроды реактора электролиза и блокируют появление и увеличение ионного тока между электродами электролизера.
1
2
1
2
В другом варианте способа получения газового водородно-кислородного топлива электролизом воды при подаче электрической энергии от источника питания на изолированные электроды внутри реактора электролиза высокочастотный источник питания соединяют с резонансным высокочастотным трансформатором Тесла с выходным напряжением 1-500 кВ, частотой 0,5-100 кГц, цепь которого образует последовательный резонансный контур с электрической емкостью C первого конденсатора и низковольтной обмоткой трансформатора Тесла, высоковольтный высокочастотный вывод трансформатора Тесла соединяют через высокочастотный высоковольтный диод с выводом второго конденсатора электрической емкостью С и с одним изолированным электродом электролизера, низкопотенциальный вывод трансформатора Тесла соединяют с другим изолированным электродом электролизера и с другой обкладкой второго конденсатора и путем регулирования величины емкости С частоты срабатывания разрядного устройства, частоты и напряжения на выходе высоковольтного вывода трансформатора Тесла и величины электрической емкости С подбирают скорость увеличения напряжения в пакетах высоковольтных импульсов и их скважность на электродах в дистиллированной воде реактора электролиза и блокируют появление и увеличение ионного тока между электродами электролизера.
Изобретение иллюстрируется фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, где на фиг.1 показана блок-схема способа и устройства для получения газового водородно-кислородного топлива в электролизере с одним изолированным перфорированным электродом. На фиг.2 - блок-схема способа и устройства для получения газового водородно-кислородного топлива в электролизере с одним изолированным сплошным электродом. На фиг.3 - блок-схема способа и устройства получения газового водородно-кислородного топлива в электролизере с одним изолированным и двумя заземленными электродами. На фиг.4 - блок-схема способа и устройства для получения газового водородно-кислородного топлива с двумя изолированными электродами.
1
1
1
2
Устройство на фиг.1 содержит электролизер 1 с системой водяного охлаждения 2 и фланцем 3, на котором установлены штуцер 4 для подачи дистиллированной воды, кольцевой изолятор 5 и высоковольтный изолированный токовывод 6. На кольцевом изоляторе 5 закреплен первый цилиндрический электрод 7, выполненный в виде стакана с перфорированными боковыми стенками 8 и сплошным дном 9. Цилиндрический электрод 7 удален от фланца 3 на расстояние δ=10-20 мм. Второй цилиндрический электрод 10 выполнен соосно с первым цилиндрическим электродом 7 с кольцевым зазором Δ=1-10 мм между электродами 7 и 10. Второй цилиндрический электрод 10 совмещен с внутренней цилиндрической оболочкой 11 системы охлаждения 2 электролизера 1. Выходной патрубок 12 электролизера 1 расположен соосно с электродами 7 и 10 за сплошным дном 9 первого цилиндрического электрода 7. Высокочастотный источник энергии 13 через конденсатор 14 с регулируемой величиной емкости C соединен с низковольтной обмоткой 15 трансформатора Тесла 16. Высоковольтный вывод 17 высоковольтной обмотки 18 трансформатора Тесла 16 присоединен через диод 19 и высоковольтный токовывод 6 к первому цилиндрическому электроду 7 электролизера 1. Низкопотенциальный вывод 20 высоковольтной обмотки 18 соединен с низковольтной обмоткой 15 трансформатора Тесла 16. Второй цилиндрический электрод 10 соединен с системой охлаждения 2, которая имеет патрубки 21 для подвода и отвода воды, электролизер 1 имеет заземление 22. Конденсатор 23 с регулируемой емкостью С соединен с цилиндрическими электродами 7 и 10.
2
2
Устройство для получения газового водородно-кислородного топлива на фиг.2 содержит первый цилиндрический электрод 24, который выполнен в виде стакана со сплошными стенками 25 и сплошным дном 26. Первый цилиндрический электрод 24 установлен на изоляторах 27 соосно со вторым цилиндрическим электродом 10 с зазором между электродами 10 и 24 Δ = 1-10 мм и с зазором между фланцем 3 и первым цилиндрическим электродом 24 δ=10-20 мм.
3
3
3
Устройство для получения газового водородно-кислородного топлива на фиг.3 содержит внутренний цилиндрический электрод 28, который закреплен на фланце 3 электролизера 1 и соединен с входным штуцером 4 для подачи воды. Средний цилиндрический электрод 29 выполнен в виде стакана со сплошными стенками 30 и сплошным дном 9 и установлен на изоляторах 31 соосно между внутренним цилиндрическим электродом 28 и внешним цилиндрическим электродом 32 с зазором между электродами 29 и 30 и 29 и 32 Δ=1-10 мм и между фланцем 3 и средним цилиндрическим электродом 29 δ=10-20 мм. Внешний цилиндрический электрод 32 совмещен с внутренней цилиндрической оболочкой 11 системы охлаждения 2 электролизера 1. Внутренний 28 и внешний 32 электроды соединены с корпусом электролизера 1 и имеют заземление 22. Средний цилиндрический электрод 29 через высоковольтный изолированный токовывод 6 во фланце 3 и высоковольтный диод 19 соединен с высоковольтным выводом 17 высоковольтной обмотки 18 трансформатора Тесла 16. Высокочастотный конденсатор 23 с регулируемой емкостью С соединен через токовывод 6 со средним цилиндрическим электродом 29, а второй вывод конденсатора 23 через корпус электролизера соединен с внутренним 28 и внешним 32 цилиндрическими электродами.
4
4
На фиг.4 внутренний цилиндрический электрод 33 изолирован от фланца 3 с помощью кольцевого изолятора 34 и соединен со вторым высоковольтным токовыводом 35, который установлен на фланце 3 электролизера 1 и соединен с низкопотенциальным выводом 20 высоковольтной обмотки 18 трансформатора Тесла 16. Конденсатор 36 с регулируемой емкостью С4 соединен через токовыводы 17 и 35 с внутренним 33 и средним 29 цилиндрическими электродами электролизера. Внутренний 33 и средний 29 цилиндрические электроды удалены от фланца 3 на расстояние δ=10-20 мм. Расстояние между внутренним 33 и средним 29 электродом составляет Δ=1-10 мм.
Устройство работает следующим образом. В электролизере используют дистиллированную воду с целью стабилизации параметров процесса, увеличения ресурса и предупреждения образования накипи.
В предлагаемом способе и устройстве в отличие от известных способов и устройств для электролиза воды используют одноэлектродный электролизер с одним изолированным активным электродом 7 (фиг.1), 24 (фиг.2), 29 (фиг.3), 33 (фиг.4), на который подают через высоковольтный диод 19 потенциал от трансформатора Тесла 16. Остальные электроды являются пассивными электродами, которые заземлены или соединены с низкопотенциальным выводом трансформатора Тесла.
Другим отличием является использование холодноплазменного высокочастотного разряда в дистиллированной воде между активным электродом 7 (фиг.1), 24 (фиг.2), 29 (фиг.3), 33 (фиг.4) и электродами с нулевым потенциалом 10 (фиг1, 2), 32 (фиг.3), 35 (фиг.4). Холодноплазменный разряд возникает при подаче высоковольтного потенциала на активные электроды от трансформатора Тесла 16 через высоковольтный диод 19. Высоковольтный потенциал содержит постоянную составляющую и пакет высокочастотных импульсов отрицательной полярности.
0
1
max
2
max
0
На электрод 7 подают высокочастотные импульсы напряжения и тока отрицательной полярности. Путем регулирования частоты высокочастотного источника энергии 13 (фиг.1) и величины емкости Q конденсатора 14 устанавливают резонансную частоту f, соответствующую максимальному выделению газовой водородно-кислородной смеси в электролизере 1 при фиксированном зазоре Δ между цилиндрическими электродами 7 и 10. Затем путем регулирования напряжения на высоковольтном выводе 17 высоковольтной обмотки 18 трансформатора Тесла 16 определяют напряжение пробоя V между электродами 7 и 10 электролизера 1. С помощью емкости С конденсатора 23 регулируют время возрастания напряжения пакета высокочастотных импульсов на электроде 7 до величины V. На выходе высоковольтного диода 19 мы имеем пакеты высокочастотных импульсов отрицательной полярности V, которая описывается уравнением:
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>x</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr></mtable><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mrow><mn>0</mn><mo>≤</mo><mi>x</mi><mo>≤</mo><mi>π</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>π</mi><mo><</mo><mi>x</mi><mo><</mo><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow>
.
Разложение этой функции в ряде Фурье имеет вид:
<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>π</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>π</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>cos</mi><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>cos</mi><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>x</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mn>5</mn></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>...</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, волну пульсирующего напряжения отрицательной полярности можно представить как отрицательную сумму постоянного напряжения и основной гармоники, к которой прибавляются косинусы высших четных гармоник. Аналогично можно разложить в ряд Фурье отрицательную полуволну тока.
0
0
0
0
0
Резонансный режим работы трансформатора Тесла с частотой основной гармоники f позволяет выделить эту гармонику и использовать для получения газового водородно-кислородного топлива. При зарядке конденсатора 23 напряжение между электродами 7 и 10 состоит из постоянной возрастающей по абсолютной величине -V и напряжения высокочастотных импульсов с резонансной частотой f. Постоянная составляющая V обеспечивает ослабление электрических связей ионов в молекуле воды, а высокочастотные импульсы с частотой резонанса f обеспечивают подачу энергии и перевод молекул воды в возбужденное состояние.
3
3
2
2
2
2
Связи атомов водорода и кислорода в молекуле воды обусловлены электрическим взаимодействием и поэтому достаточно энергии 4 кВт-ч на получение 1 м водорода в процессе электролиза, который широко используется при производстве водорода. Расходы электрической энергии на электролиз воды снижаются в 30 раз до величины 0,13 кВт·ч/м, если вместо смеси Н+О получать на выходе смесь Н-О-О-Н. Если сразу после получения смесь Н-О-О-Н воспламенить, она горит с теплотворной способностью более 4 кВт·ч/кг воды, что меньше теплоты сгорания водорода 43,6 МДж/кг, но совпадает теплотворной способностью торфа 15 МДж/кг. Смесь Н-О-О-Н является нестабильной и при хранении восстанавливается в структуру воды, что существенно увеличивает безопасность процесса ее хранения и использования. Поскольку полного разрыва связей Н и О и образования молекулярного водорода и кислорода не происходит, затраты электрической энергии снижаются в 30 и более раз.
Примеры выполнения устройства и способа получения газового водородно-кислородного топлива.
2
3
3
1
0
Пример 1. Электролизер 1 выполнен из нержавеющей стали, имеет первый цилиндрический электрод 7 (фиг.1) толщиной 0,5 мм, наружным диаметром 25 мм, длиной 120 мм с перфорированными стенками цилиндра. Размеры отверстий составляют 1 мм при плотности перфорации 10 отверстий на 1 см поверхности электрода. Электрод 7 изолирован от фланца 3 электролизера 1 с помощью кольцевого изолятора 5, выполненного из керамики или стекла. Внутренний диаметр второго цилиндрического электрода 10 30 мм, длина 150 мм, зазор между электродами Δ = 2,5 мм. На первый электрод 7 подают отрицательный потенциал 30-40 кВ от высоковольтного вывода 17 трансформатора Тесла 16 через высоковольтный диод 19. Резонансная частота f = 42 кГц, затраты электрической энергии на получение 1 м газового водородно-кислородного топлива 0,12 кВт·ч, производительность по газовому топливу 10 м/час.
3
0
3
3
Пример 2. Электролизер 1 (фиг.3) выполнен из нержавеющей стали и содержит внутренний электрод 28 наружным диаметром 25 мм, длиной 150 мм, средний электрод 29 внутренним диаметром 30 мм и внешний электрод 32 с внутренним диаметром 37 мм. Толщина стенок электродов 1 мм, зазор между электродами Δ = 2,5 мм. Средний электрод 29 закреплен на изоляторах 31 и соединен через высоковольтный токовывод 6 на фланце 3 и через-высоковольтный диод 19 с высоковольтным выводом 17 трансформатора Тесла 16. На средний электрод подают отрицательный потенциал 30-50 кВ. Резонансная частота f = 12 кГц, производительность по газовому топливу 20 м/час, затраты электрической энергии 0,1 кВт·ч на 1 м газового водородно-кислородного топлива.
Технология получения смеси Н-О-О-Н относится к процессам неполного электролиза (полуэлектролиза) и позволяет использовать воду в качестве эффективного и экономичного аккумулятора энергии с плотностью энергии 14,4 МДж/л и коэффициентом преобразования
<mrow><mi>к</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Е</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Е</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>30</mn></mrow>
вх
вых
, где Е - энергия, затрачиваемая на получение газового водородно-кислородного топлива, Е - энергия, полученная при сжигании этого газового топлива.
Отличие процесса неполного электролиза от процесса полного электролиза состоит в том, что используют электростатические пакеты высоковольтных высокочастотных импульсов, постоянно возрастающей амплитудой для постепенного ослабления внутримолекулярных связей водорода и группы ОН в воде до образования возбужденных кластеров со структурой Н-О-О-Н. При дальнейшем увеличении амплитуды и длительности высоковольтных высокочастотных импульсов на электродах электролизера начинается выделение молекул водорода и кислорода с образованием ионного тока между электродами, соответствующего стандартному процессу электролиза. При появлении ионного тока происходит разряд конденсатора 23 (фиг.1, 2, 3) и 36 (фиг.4), напряжение на электродах уменьшается и процесс повторяют Скважность потока импульсов напряжения подбирают с учетом блокирования образования ионных токов между электродами. Поэтому электролизер остается холодным, а затраты энергии снижаются в 30 и более раз. При этом эффективного полного разложения воды и выделения водорода и кислорода не происходит, смесь Н-О-О-Н является нестабильной, и если она не сгорает, то в процессе хранения восстанавливается в структуру воды.
Смесь Н-О-О-Н является разновидностью гремучего газа, поэтому на выходе электролизера 1 необходимо устанавливать обратный клапан, пропускать смесь через затворы со специальной жидкостью и использовать стандартные пламегасители, препятствующие распространению фронта горения в электролизер 1.