ГИДРОЭЛЕКТРОВОДОРОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР (ГЭВГ)
HYDROELECTROHYDROGEN GENERATOR (HEHG)

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании генератора для получения в промышленных масштабах электроэнергии и водорода за счет преобразования потенциальной энергии реки в электрическую и химическую энергии путем электролиза.
Из существующего уровня техники известно устройство для преобразования механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии путем разложения воды электролизом водного раствора электролита и получения при этом водорода, кислорода, электроэнергии и холода (1). Устройство снабжено теплообменником, подведенным внутрь емкости, электроды или коротко замкнуты между собой, или соединены в контур через потребитель электроэнергии. Емкость установлена на горизонтальном валу с возможностью обеспечения расчетной угловой скорости ее вращения. Устройство также имеет каналы для подвода начальных и отвода конечных продуктов электролиза.
Недостатком известного устройства является сложная конструкция электродов, наличие множества уплотнений и узлов креплений внутри емкости, а также малый теплообмен с окружающей средой и нахождение теплообменника внутри вращающейся емкости.
Получению требуемого технического результата в данном устройстве препятствует низкая теплообменная способность известного устройства с окружающей средой.
Известно также устройство для преобразования энергии (2).
Устройство для преобразования энергии путем электролиза содержит емкость с возможностью вращения, заполненную водным раствором электролита, которая установлена на вертикальном валу и связана с приводом вращения, электроды, а также каналы подвода водного раствора электролита и отвода продуктов электролиза, с возможностью подачи в основание емкости умягченной и нагретой до 90°С воды, при этом наружная поверхность емкости выполнена ребристой для отбора тепла из окружающей среды, а внутренняя поверхность - в виде усеченного конуса для обеспечения циркуляции электролита в процессе вращения электролита.
Недостатком известного устройства является то, что для постоянной подачи воды в емкость в ее основании необходимо иметь дополнительный и дорогостоящий узел подготовки воды, при этом отбор тепла из окружающей среды в зимнее время будет недостаточным для разложения электролита, а также привод вращения работает от электродвигателя с большим расходом электроэнергии.
Целью изобретения является повышение КПД гидроэлектроводородного генератора (ГЭВГ) за счет исключения расхода электроэнергии для вращения вала, получение водорода и электроэнергии в промышленных масштабах, упрощение процесса электролиза, повышение эффективности электролиза путем подачи постоянного количества тепловой энергии независимо от времени года на наружную поверхность вращающейся емкости.
Поставленная цель достигается тем, что емкость с электролитом гидроэлектроводородного генератора снаружи имеет неподвижный чехол, на внутренней стороне которого установлены электрические нагреватели, питающиеся частью электрической энергии, вырабатываемой гидроэлектроводородным генератором после достижения пороговой частоты вращения его емкости с водным раствором электролита, то есть при которой можно получать от ГЭВГ электроэнергию для внешней нагрузки, а также тем, что емкость с водным раствором электролита вращается от вала гидротурбины без расхода электроэнергии, соединенного с ГЭВГ через двухступенчатый цилиндрический редуктор с эвольвентным зацеплением, в котором передаточное число одной ступени передачи И 1=10 и второй ступени - И 2=11,2, позволяющим вращать емкость с водным раствором электролита более 20000 об/мин.
К техническим результатам, получаемым от реализации данного изобретения, можно отнести повышение КПД устройства за счет использования для вращения вала емкости ГЭВГ не электрическую энергию, а механическую энергию вращающегося вала гидротурбины и постоянный подвод тепловой энергии к наружной поверхности емкости.
Существенным отличием является то, что емкость ГЭВГ, установленная на вертикальном валу, соединена валом гидротурбины через редуктор с заданным передаточным числом, позволяющем вращать ее с водным раствором электролита более 20000 об/мин и получать водород, кислород и электроэнергию в промышленных масштабах, а также создание между емкостью ГЭВГ и наружным чехлом в зимнее время необходимого количества тепла за счет электрических нагревателей, питающихся частью выработанной в ГЭВГ электрической энергии, а в летнее время они отключаются, и на наружную поверхность емкости подается тепло из окружающей среды.
Устройство имеет следующий вид (см. чертеж).
Гидроэлектроводородный генератор (ГЭВГ) для преобразования энергии путем электролиза, содержащий емкость, заполненную водным раствором электролита, выполненную с возможностью вращения, внутренняя поверхность которой имеет вид усеченного конуса, наружная поверхность выполнена ребристой, установленную на вертикальном валу и связанную с приводом вращения, с возможностью подачи в основание нагретой до 90°С воды, одним электродом является корпус емкости, а второй электрод закреплен на неподвижной раме с возможностью вертикального перемещения так, чтобы постоянно находился в контакте с электролитом, а также каналы подачи воды и водного раствора электролита, отвода продуктов электролиза и емкость изолированы друг от друга и от окружающей среды с помощью воздушного затвора. Снаружи емкости с водным расвором электролита дополнительно установлен неподвижный чехол, внутри которого для создания между емкостью и чехлом необходимого количества тепла имеются электрические нагреватели, питающиеся частью выработанной гидроэлектроводородным генератором электрической энергией, а вертикальный вал емкости с водным раствором электролита соединен с валом гидротурбины через двухступенчатый цилиндрический редуктор с эвельвентным зацеплением (редуктор не показан), в котором передаточное число одной ступени передачи И 1=10 и второй ступени -  И 2=11,2, позволяющим вращать емкость с водным раствором электролита более 20000 об/мин. Наружный неподвижный чехол 12 закреплен к раме 8.
Различные конструктивные решения данного устройства предполагают различные выполнения его теплообменника. Функции теплообменника в устройстве выполняет ребристая наружная поверхность 9 корпуса емкости 2, которая отбирает тепло, создаваемое электронагревателями 11 в пространстве между чехлом 12 и ребристой наружной поверхностью 9 емкости 2, а также подаваемая в основание емкости нагретая до 90°С вода. Внутренняя часть емкости выполнена таким образом, чтобы водный раствор электролита частично циркулировал и выполнял функцию внутреннего теплообменника, за счет конусной части. Конструктивно электроды 2 и 4 выполнены так, чтобы их можно было подключить к выпрямителю и тем самым водород и кислород получать при малых скоростях вращения.
3
Следует отметить, что емкость с водным раствором электролита, например в 1 м для стационарного варианта выполнения ГЭВГ, будет иметь массу до 1200-1400 кг, что может быть легко реализовано при соединении вала емкости ГЭВГ через двухступенчатый цилиндрический редуктор. Поэтому новизна ГЭВГ и заключается в использовании механической энергии вала вращающегося гидротурбины ГЭС.
3
3
Одна емкость ГЭВГ с объемом водного раствора электролита в количестве 1 м при достижении пороговой скорости вращения позволяет получать в одну секунду 3,5-4 м водорода, 2,2-2,5 МДж электроэнергии.
Количество водорода, электроэнергии и кислорода можно увеличить, одновременно используя несколько емкостей ГЭВГ.
ГЭВГ функционирует следующим образом.
В емкость 2 ГЭВГ, установленную на вертикальном валу 1, которая соединена с валом гидротурбины ГЭС (не показан), выполненную с возможностью вращения, через канал 5 подают заранее подготовленный водный раствор электролита необходимого объема, а расход водного раствора электролита в процессе работы восполняется нагретой до 90°С водой через канал 5. При этом количество водного раствора электролита перекрывает на 1/3 часть длины усеченного конуса 10, а конец вертикально перемещающегося электрода 4 и второй электрод 2 (корпус емкости) всегда находятся в контакте с водным раствором электролита.
ГЭВГ работает следующим образом.
Сначала разгоняют емкость 2 до достижения пороговой частоты вращения, при которой начинается выход водорода и кислорода, т.е. по достижении пороговой скорости вращения емкости, необходимой для разрушения гидратных оболочек. Электрическая энергия вырабатывается внутри емкости устройства за счет разделения отрицательных тяжелых и положительных легких частиц. При поддержке тока наружным источником величину пороговой скорости вращения емкости можно существенно уменьшить. Разложение воды на водород и кислород в устройстве восполняет дозированное поступление воды по каналу ввода 5 и удаление водорода и кислорода через каналы выхода 6 и 7.
В процессе работы ГЭВГ под действием центробежной силы в емкости 2, в которой катионы и анионы в виде гидратов, имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Тяжелые ионы с отрицательным зарядом собираются на внутренней поверхности емкости 2, образуя зону с повышенной концентрацией одноименных ионов, например анионов, то есть образуя зону с отрицательным пространственным электрическим зарядом, который индуцирует на внешней поверхности емкости адекватный заряд из электронов проводимости. Легкие же ионы сконцентрируются в области между указанным пространственным зарядом и электродом 4, образуя свой пространственный положительный заряд. По мере возрастания напряженности электрического поля между катионами и поверхностью катода, достаточного для создания электрического поля, способного разрушить гидратные оболочки легких ионов, они приблизятся к поверхности электрода 4 и разрядятся. Тяжелые ионы, прижатые центробежной силой к поверхности другого электрода 2, тоже отдадут свой заряд электроду, и между ними по короткозамкнутому проводнику или через потребитель электрической энергии потечет постоянный электрический ток. Ионы водного раствора электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят во вторичные реакции с доливаемой водой.
Восстановленный водород и кислород из емкости удаляются через каналы для отвода 6 и 7.
Производительность заявленного устройства по водороду, электроэнергии и кислороду достигается за счет создания заданного количества теплоты в замкнутом пространстве между наружной поверхностью вращающейся емкости и неподвижным чехлом 12 над емкостью 2. Замкнутость вышеуказанного пространства достигается за счет наличия воздушного затвора 3 между вращающейся емкостью 2 и неподвижным чехлом 12. В этом отношении ГЭВГ существенно отличается от известных преобразователей, так как процесс разложения воды на кислород и водород за счет восстановления их ионов сопровождается уменьшением энтальпии водного раствора электролита, в результате чего температура водного раствора электролита постоянно снижается, и, если постоянно не восполнять теплопотери, то водный раствор электролита замерзнет и процесс прекратится. Электрод 4 ГЭВГ закреплен на отдельной раме 8, и его можно переместить вертикально, чтобы нижний конец постоянно находился в контакте с водным раствором электролита. К раме закреплен неподвижный наружный чехол 12, который связан с вращающей емкостью через воздушный затвор 3, что позволяет отдельно собирать кислород и использовать получаемую электроэнергию на внешней нагрузке. Общий КПД предлагаемого устройства больше, чем КПД прототипа, за счет большего поглощения тепла из окружающей среды и в среднем составляет 0,92.
ГЭВГ можно использовать только в стационарном режиме.
Таким образом, разработано новое энергетическое устройство для получения в промышленных масштабах водорода, электроэнергии и кислорода, названное гидроэлектроводородным генератором (ГЭВГ), работающее от механической энергии гидротурбины в стационаре, с использованием даровой тепловой энергии из окружающей среды в летнее время и части вырабатываемой собственной электроэнергии в зимнее время, с большим КПД для преобразования механической и тепловой энергией в электрическую и химическую энергии.
Получение водорода, кислорода и электрической энергии с использованием ГЭВГ в новых гидроэлектроводородных станциях (ГЭВС) будет играть такую же роль в водородной энергетике, какую играло в свое время электричество, и будет способствовать развитию гидроэнергетики для всей цивилизации в мире.
Литература
1. Патент РФ №2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, 1998 г. (аналог).
2. Устройство для преобразования энергии. Батырмурзаев Ш.Д., Османов С.Г., Беламерзаев Н.М., Власов B.C. Заявка RU №2006145262/15. Дата подачи заявки 19.12.2006 (прототип).