ИНДУКЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к электрохимии, и может быть использована для проведения электролиза, особенно в тех электрохимических процессах, где происходит интенсивное разрушение электродов под действием агрессивной среды, например: при получении кислот, каустической соды и в других электрохимических технологиях.
В большинстве случаев в электролизерах для изготовления электродов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину, оксиды железа, смесь оксидов рутения и титана и другие материалы, например, для производства каустической соды с помощью электролизеров применяют ртутный катод. Для изготовления катодов применяют также сталь, в том числе с различными защитными покрытиями с учетом агрессивности электролита. Длительный срок службы электродов является основным условием промышленного успеха при их электрохимическом применении и обеспечивает эффективность и экономичность электрохимической технологии, а также ее экологичность. Это связано с уменьшением затрат рабочего времени, требуемого для замены электродов, уменьшением расходных материалов и исключением из технологического процесса опасных материалов (например, ртутного катода при производстве каустической соды).
Известно устройство для проведения электролиза [1. патент РФ на изобретение №2134733, 6МПК С25В 25/00, опубликовано 1999.08.20], которое используется для проведения электролиза в жидких агрессивных средах. Устройство содержит корпус, в котором параллельно установлены электроды, помещенные между двумя перегородками, расположенными вдоль ряда электродов. Перегородки делят корпус на три камеры: первичную, электролиза и сбора готового продукта. При этом перегородки и твердые электроды
установлены наклонно относительно горизонта, что позволяет повысить эффективность электролиза и снизить влияние агрессивной среды на электроды. Однако такая конструкция не предотвращает процесс разрушения электродов при проведении электролиза водных растворов солей, кислот и оснований.
Известен индукционный электродиализатор [2. патент РФ на изобретение №2233800 7МПК C02F 1/48, опубликован 2004.08.10], как наиболее близкий по назначению и технической сути к заявляемой полезной модели. Этот электродиализатор содержит диэлектрический корпус в виде контура, огибающего ферромагнитный замкнутый магнитопровод. Этот диэлектрический корпус по существу является электрохимической ячейкой, поскольку он содержит электроды и камеры. Диэлектрический корпус (электрохимическая ячейка) имеет входной патрубок для подачи под давлением электролита в центральную камеру. Внутри электрохимической ячейки размещены электроды (в [2] названы металлическими заглушками) и проницаемые диафрагмы, которые делят корпус на три камеры. Заглушки связаны между собой полупроводниковым электронным вентилем (например, диодом). Одна из камер предназначена для концентрирования анионов (получения анолита), другая - для концентрирования катионов (получения католита). Центральная камера (между проницаемыми диафрагмами) предназначена для накопления деионизированного раствора (для получения обессоленного раствора). Все камеры имеют соответственно выходные патрубки, для отвода католита, анолита и деионизированного раствора. Эта конструкция электродиализатора позволяет индуцировать переменную составляющую напряжения в электролит. Диод, соединяющий между собой заглушки (электроды), позволяет ввести в электролит постоянную составляющую напряжения за счет своих вентильных (выпрямительных) свойств. То есть, этот электродиализатор содержит два устройства одно - для индицирования переменной составляющей напряжения, а второе - для индицирования постоянной составляющей напряжения. Устройство для индицирования переменной составляющей напряжения
выполнено в виде трансформатора. В этом трансформаторе первичная обмотка намотана на ферромагнитный замкнутый магнитопровод и подключена к источнику переменного напряжения. Заполненный электролитом диэлектрический корпус (электрохимическая ячейка) выполнен в виде контура, огибающего ферромагнитный замкнутый магнитопровод и играет роль вторичной обмотки трансформатора. Диод, соединенный с заглушками, выполняет роль устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения. Следует отметить, что из-за наличия металлических заглушек (электродов) в цепи вторичной обмотки трансформатора присутствуют как проводники первого рода: заглушки, диод и соединительные провода, так и проводники второго рода - электролит.
В этом электродиализаторе [2] электроды: катод и анод (заглушки) выполнены металлическими и подвержены разрушению под воздействием агрессивной среды и протекающего электрического тока, что снижает время непрерывный работы всего устройства, за счет времени, затрачиваемого на замену электродов; а также загрязняет электролит продуктами разрушения электродов. Кроме того, устройство для индуцирования переменной составляющей напряжения (трансформатор) в этом диализаторе используется не эффективно, так как он (трансформатор) нагружен током только в один полупериод, что приводит к завышению его габаритной мощности. Эти недостатки в целом снижают как эффективность электрохимической технологии, описанной в прототипе [2], так и любой другой электрохимической технологии.
Задачей полезной модели является повышение эффективности электрохимической технологии за счет увеличения времени непрерывной работы электрохимической установки и улучшение качества продуктов электролиза, при одновременном снижении габаритной мощности трансформатора.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в исключении разрушения электродов под воздействием агрессивной среды и электрического тока, путем замены проводников первого
рода (электродов) на проводники второго рода (электролит и мембраны) и обеспечении работы установки в двухполупериодном режиме.
Технический результат достигается следующим образом, заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит электрохимическую ячейку (диэлектрический корпус диализатора), разделенную проницаемыми диафрагмами на камеры: для получения католита, для получения деионизированного (обессоленного) раствора и для получения анолита. Установка содержит также устройство для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока), выполненное в виде трансформатора, первичная обмотка которого подключена к сети переменного тока; и - устройство для индуцирования постоянной составляющей электрического напряжения (тока) в электролите. Все камеры электрохимической ячейки имеют выводные патрубки для отвода продуктов электролиза, а камера для накопления обессоленного раствора имеет входной патрубок для подачи исходного раствора.
В отличие от прототипа заявляемая полезная модель дополнительно содержит смеситель с тремя входными и тремя выходными патрубками, три насоса с входным и выходным патрубками. Трансформатор устройства для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока) имеет четыре вторичных обмотки, выполненных в виде диэлектрических трубок, намотанных попарно бифилярно. Конец первой вторичной обмотки трансформатора соединен с первым входным патрубком смесителя, конец второй вторичной обмотки трансформатора соединен с первым выходным патрубком смесителя. Начало третьей вторичной обмотки соединено с вторым входным патрубком смесителя, начало четвертой вторичной обмотки соединено с вторым выходным патрубком.
Устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) имеет два входных и два выходных патрубка соответственно для подачи и отвода электролита. Первый выходной патрубок устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) соединен с третьим входным патрубком смесителя, третий выходной патрубок которого соединен
с вторым входным патрубком устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока).
Электрохимическая ячейка дополнительно содержит шесть диафрагм, образующих дополнительно шесть камер. При этом первая, пятая и девятая камеры предназначены для прокачки электролита, каждая из которых имеет входной и выходной патрубки. Вторая и восьмая камеры предназначены для получения католита, каждая из которых имеет выходной патрубок для отвода католита. Третья и седьмая камеры предназначены для получения деионизированного раствора (обессоленной воды), каждая из них имеет входной патрубок для подачи исходного раствора и отвода деионизированного раствора (обессоленной воды). Четвертая и шестая камеры предназначены для получения анолита, каждая из них имеет выходной патрубок для отвода анолита. При этом диафрагмы между первой и второй камерами, между четвертой, пятой и шестой камерами и между восьмой и девятой камерами выполнены в виде биполярных мембран. Диафрагмы между второй, третьей и четвертой камерами и между шестой, седьмой и восьмой камерами выполнены в виде ионообменных мембран.
Начало второй вторичной обмотки трансформатора соединено с входным патрубком первой камеры электрохимической ячейки, выходной патрубок которой соединен через первый насос с началом первой вторичной обмотки трансформатора и образует первый (катодный) гидравлический контур. Конец четвертой вторичной обмотки соединен с входным патрубком девятой камеры, выходной патрубок которой соединен через второй насос с концом третьей вторичной обмотки трансформатора и образует второй (катодный) гидравлический контур. Второй выходной патрубок устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) соединен с входным патрубком пятой камеры, выходной патрубок которой через третий насос соединен с первым входным патрубком устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) и образует третий (анодный) гидравлический контур. Все соединения в гидравлических контурах выполнены
в виде диэлектрических трубок, соединенных с соответствующими патрубками.
Устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) выполнено в виде двух униполярных генераторов, соединенных с приводным устройством, и источника постоянного напряжения. Выходные клеммы источника постоянного напряжения подключены к входным клеммам униполярных генераторов. При этом выходы каждого из униполярных генераторов являются входными и выходными патрубками для подачи и отвода электролита и снятия электрической мощности постоянного напряжения (тока) устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока).
Каждый из униполярных генераторов состоит из корпуса в виде полого цилиндра, выполненного из магнитомягкого материала. На боковой поверхности корпуса имеются отверстия для выхода входного и выходного патрубков и выводов обмоток, образующих входные клеммы униполярного генератора. Внутри корпуса расположен ротор, на вал которого насажены два круговых магнитопровода с кольцевыми обмотками; две камеры в виде полых цилиндров из диэлектрического материала. При этом первая камера, диаметр которой соответствует внутреннему диаметру корпуса, расположена в зазоре между двумя круговыми магнитопроводами, а вторая камера, диаметр которой также соответствует внутреннему диаметру корпуса, размещена после второго кругового магнитопровода и закрыта торцевой заглушкой. Магнитопроводы установлены зеркально, обмотками, обращенными друг к другу.. Вторая камера имеет радиальное отверстие для соединения с входным патрубком генератора и одно осевое отверстие для прохождения вала ротора. Первая камера также имеет радиальное отверстие для соединения с выходным патрубком генератора и два осевых отверстия для прохождения вала ротора.
Третья камера размещена внутри первой камеры и выполнена в виде полого цилиндра из диэлектрического материала. Третья камера жестко связана
с валом ротора, выполненным также из диэлектрического материала. Часть вала ротора между первой и второй камерами выполнена полой. Внешний диаметр третьей камеры соответствует внутреннему диаметру круговых магнитопроводов. Третья камера имеет внутренние и внешние радиальные отверстия. Внутренние радиальные отверстия соединяют полость третьей камеры с полостью вала ротора, а внешние радиальные отверстия - с полостью первой камеры.
В частном случае внутри третьей камеры имеются лопасти, расположенные на верхнем и нижнем основаниях третьей камеры. Осевые отверстия первой и второй камер имеют уплотнители.
В частном случае смеситель представляет собой корпус, крышку и три перегородки, размещенные внутри корпуса, выполненные из диэлектрического материала. Нижняя часть корпуса разделена двумя диэлектрическими перегородками на три не сообщающиеся между собой камеры. Третья перегородка, расположена между двумя первыми и делит верхнюю часть корпуса на две не сообщающиеся между собой камеры. Перегородки имеют высоту, большую, чем половина высоты корпуса. Крышка имеет два клапана для выхода газов, расположенные по обе стороны третьей перегородки. В верхней части первой камеры расположены первый и второй входные патрубки. В нижней части первой камеры расположены первый и второй выходные патрубки. В верхней части третьей камеры расположен третий входной патрубок, а в ее нижней части - третий выходной патрубок.
В частном случае электролит, заполняющий гидравлические контуры, представляет собой насыщенный раствор NaCl.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна заявителям из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» полезной модели.
Отличительные признаки заявляемой полезной модели в совокупности с известными признаками обеспечивают указанный выше технический результат. В установке предложены жидкостные электроды, роль которых выполняют
соответствующие камеры электрохимической ячейки с биполярными мембранами. При этом вторичные обмотки трансформатора, выполненные из диэлектрических трубок, и элементы гидравлических контуров I, II, III, заполненные электролитом играют роль индукционных токоподводов к камерам (электродам). Это позволяет исключить обычные электроды, используемые в электрохимических технологиях, и тем самым предотвратить разрушение этих электродов, а значит повысить эффективность, экологичность электрохимического процесса. Использование трансформатора, имеющего четыре вторичные обмотки в виде трубок, и его указанные связи обеспечивает двухполупериодный режим работы установки и снижает габаритную мощность трансформатора.
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения и чертежами. На фиг.1 изображена функциональная схема индукционной электрохимической установки. На фиг.2 показана блок - схема устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока). На фиг.3 показано возможное выполнение униполярного генератора, входящего в устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока). На фиг.4 показано возможное выполнение смесителя. На фиг.5 представлена эквивалентная электрическая схема индукционной электрохимической установки. На фиг.6 представлены временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие принцип работы индукционной электрохимической установки.
1
21
22
23
24
21
22
23
24
Индукционная электрохимическая установка фиг.1 содержит устройство 1 для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока), выполненное в виде трансформатора, первичная обмотка 2 с числом витков W которого подключена к сети переменного тока и выполнена из меди или алюминия. Трансформатор устройства 1 имеет четыре вторичных обмотки соответственно первая, вторая, третья и четвертая с числом витков W, W, W, W. Вторичные обмотки трансформатора выполнены из диэлектрических трубок (например силиконовых), заполненных электролитом и намотаных попарно бифилярно: W с W и W с W. Смеситель 3 имеет первый,
21
23
22
24
второй и третий входные патрубки соответственно: 4, 5, 6 и первый, второй и третий выходные патрубки соответственно: 7, 8, 9. Конец первой вторичной обмотки W соединен с первым входным патрубком 4. Начало третьей вторичной обмотки W соединено с вторым входным патрубком 5. Конец второй вторичной обмотки W соединен с первым выходным патрубком 7. Начало четвертой вторичной обмотки W соединено с вторым выходным патрубком 8 смесителя 3. Устройство 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) имеет первый 11 и второй 12 входные патрубки и - первый 13 и второй 14 выходные патрубки. Первый выходной патрубок 13 соединен с третьим входным патрубком 6 смесителя 3. Третий выходной патрубок 9 смесителя 3 соединен с вторым входным патрубком 12 устройства 10 для индуцирования постоянного напряжения (тока). Электрохимическая ячейка 15 имеет диэлектрический корпус 16, разделенный диафрагмами 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 на девять камер: первую 25,. вторую 26, третью 27, четвертую 28, пятую 29, шестую 30, седьмую 31, восьмую 32 и девятую 33. Первая камера 25, пятая камера 29 и девятая камера 33 имеют соответственно входные патрубки 34, 35, 36 и выходные патрубки соответственно 37, 38 и 39 для прокачки электролита. Вторая 26 и восьмая 32 камеры предназначены для получения католита и имеют соответственно выходные патрубки 40 и 41 для отвода католита. Третья 27 и седьмая 31 камеры предназначены для получения деионизированного (обессоленного) раствора и имеют соответственно входные патрубки 42, 43 для подачи исходного раствора и выходные патрубки соответственно 44, 45 для отвода деионизиованного (обессоленного) раствора. Четвертая 28 и шестая 30 камеры предназначены для получения анолита и имеют соответственно выходные патрубки 46, 47 для отвода анолита.
22
21
Начало второй вторичной обмотки W соединено с входным патрубком 34 первой камеры 25, выходной патрубок 37 которой через насос 48 подключен к началу первой вторичной обмотки W, образуя первый катодный гидравлический контур I. Второй катодный гидравлический контур II образован
24
23
0
соединением конца четвертой вторичной обмотки W с входным патрубком 36 девятой камеры 33, выходной патрубок 39 которой через насос 49 соединен с концом третьей вторичной обмотки W. Третий анодный гидравлический контур III образован соединением второго выходного патрубка 14 устройства 10 для индуцирования постоянного напряжения (тока) с входным патрубком 35 пятой камеры 29, выходной патрубок 38 которой через насос 50 соединен с первым входным патрубком 11 устройства 10 для индуцирования постоянного напряжения (тока). U на фиг.1 обозначена величина напряжения постоянной составляющей, индуцированной устройством 10.
Устройство 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) фиг.2 выполнено в виде двух униполярных генераторов 51, 52, валы которых соединены с приводным устройством 53, в качестве которого может быть взят электродвигатель, подключенный к сети. Входные клеммы 54, 55 и 56, 57 каждого из генераторов 51, 52 подключены к источнику питания 58 постоянного напряжения. Знаками (+) и (-) на фиг.2 обозначены полярности напряжений, индуцируемых на входных 11, 12 и выходных 13, 14 патрубках устройства 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока). На фиг.2 стрелками около патрубков 11, 12, 13, 14 показано направление движения электролита; точки около клемм 54 и 56 обозначают начала обмоток возбуждения генераторов 51, 52.
Униполярные генераторы 51, 52, представленные на фиг.2, выполнены одинаково. Униполярный генератор, например 51, фиг.2 содержит на фиг.3 цилиндрический корпус 59 из магнитомягкого материала с отверстиями для входного 11 и выходного 13 патрубков и входных клемм 54, 55. Внутри корпуса 59 соосно поочередно размещены первый магнитопровод 60 с обмоткой 61, первая неподвижная камера 62, диаметр которой соответствует внутреннему диаметру корпуса 59, второй магнитопровод 63 с обмоткой 64, вторая неподвижная камера 65, диаметр которой соответствует внутреннему диаметру корпуса 59, и заглушка 66. Внутри первой неподвижной камеры 62 соосно расположена подвижная камера 67, жестко связанная с валом 68. Вал 68
проходит через осевые отверстия первого и второго магнитопроводов 60, 63, через осевые отверстия первой неподвижной камеры 62, и входит в осевое отверстие второй неподвижной камеры 65. Все осевые отверстия в неподвижных камерах имеют уплотнители (на фиг.3 не показано). Обмотки 61, 64 соединены между собой и подключены к входным клеммам 54, 55. Каждая из неподвижных камер 62 и 65 имеет внешние радиальные отверстия, соединенные соответственно с выходным 13 и входным 11 патрубками. Подвижная камера 67 жестко связана с валом 68 и имеет внутренние 69 и внешние 70 радиальные отверстия. Внутренние радиальные отверстия 69 соединяют подвижную камеру 67 с полостью 71 вала 68. Внешние радиальные отверстия 70 соединяют камеру 67 с полостью первой неподвижной камеры 62. Для лучшего захвата электролита при вращении вала 68 подвижная камера 67 может быть снабжена лопастями.
На фиг.4 показан возможный вариант выполнения смесителя 3 фиг.1. Смеситель 3 на фиг.1, 4 имеет корпус 72, крышку 73, три перегородки 74, 75, 76, размещенные внутри корпуса и выполненные из диэлектрического материала. Нижняя часть корпуса 72 разделена двумя диэлектрическими перегородками 74, 75 на три не сообщающиеся между собой камеры 77, 78, 79. Третья перегородка 76, расположена между двумя перегородками 74, 75 и делит верхнюю часть корпуса 72 на две не сообщающиеся между собой камеры 80, 81. Высота перегородок 74 и 75 составляет примерно две третьих от высоты корпуса 72 смесителя 3 и задает уровень электролита 82, показанный на фиг.4 пунктиром. Высота верхней перегородки 76 для данного примера составляет величину, большую, чем одна треть от высоты корпуса 72 смесителя 3 при этом верхняя 76 и нижние перегородки 74, 75 перекрывают друг друга по высоте. Крышка 73 имеет два клапана 83 и 84 для выхода газов, расположенные по обе стороны от верхней перегородки 76. В нижней части камеры 77 расположены первый и второй выходные патрубки 7, 8. В нижней части камеры 79 расположен третий выходной патрубок 9. В верхней части корпуса 72 в камере 80 расположены первый и второй входные патрубки
21
21
22
2
21
22
2
22
23
24
2
23
24
2
0
K1A1
K2A2
A1K1
A2К2
K1A1
К2А2
4, 5. В На фиг.5 представлена эквивалентная электрическая схема индукционной электрохимической установки, на которой использованы обозначения: ток i - суммарный ток вторичных обмоток W и W, обозначенных одной обмоткой W, на которой индуцируется напряжение U=U=U; ток i - суммарный ток вторичных обмоток W и W, также обозначенных одной обмоткой W, на которой индуцируется напряжение U=U=U. Ток i - постоянная составляющая тока, индуцируемая устройством 10. МК - мембрана катионообменная; МА - мембрана анионообменная. К1 и К2 соответственно первый и второй катоды электрохимической ячейки. А1 и А2 соответственно объединенные аноды электрохимической ячейки. R и R - соответственно эквивалентное электрическое сопротивление между катодом К1 и анодом А1 и между катодом К2 и анодом А2. Напряжения U и U - соответственно напряжения на аноде А1 и аноде А2 относительно катода К1 и катода К2 (напряжения на эквивалентных сопротивлениях R и R).
1
2
0
22
21
K1A2
K2A2
1
0
На фиг.6 показаны: а) - напряжение U на первичной обмотке трансформатора; б) - напряжения U на вторичных обмотках трансформатора; в) - постоянная составляющая напряжения U; г), д) - токи i и i в эквивалентных сопротивлениях R и R, е) - ток i - в первичной обмотке трансформатора; ж) - постоянная составляющая тока i; t - координата времени.
21
22
Работа заявляемой полезной модели показана на примере электрохимической технологии по обессоливанию водного раствора. Индукционная электрохимическая установка работает следующим образом. В смеситель 3 заливается электролит - насыщенный раствор NaCl, после чего включаются насосы 48, 49, 50. Электролит насосами 48, 49, 50 соответственно прокачивается по гидравлическим контурам I, II, III. В первом гидравлическом контуре I электролит проходит через выходной патрубок насоса 48 (по направлению стрелки), первая вторичная обмотка W, первый входной патрубок 4 смесителя 3, первый выходной патрубок 7 смесителя 3, вторая вторичная обмотка W, входной патрубок 34 первой камеры 25 электрохимической ячейки
23
24
15, выходной патрубок 37 этой же камеры и входной патрубок насоса 48. Аналогично по второму гидравлическому контуру II электролит проходит через выходной патрубок насоса 49, третью вторичную обмотку W, второй входной патрубок 5 смесителя 3, второй выходной патрубок 8 смесителя 3, четвертую вторичную обмотку W, входной патрубок 36 девятой камеры 33, ее выходной патрубок 39 и входной патрубок насоса 49. По третьему гидравлическому контуру III электролит прокачивается в последовательности: выходной патрубок насоса 50, первый входной патрубок 11 устройства 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока), его первый выходной патрубок 13, третий входной патрубок 6 смесителя 3, третий выходной патрубок 9 смесителя 3, второй входной патрубок 12 устройства 10, второй выходной патрубок 14 устройства 10, входной патрубок 35 пятой камеры 29 электрохимической ячейки 15, выходной патрубок 38 этой же камеры и входной патрубок насоса 50. Из указанных гидравлических контуров I, II, III вытесняется и выходит воздух и газы через клапаны 83 и 84 смесителя 3. Переменное напряжение сети подается на первичную обмотку W1 трансформатора устройства 1 для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока). На всех вторичных обмотках наводится (индуцируется) напряжение, причем величина этого напряжения будет равна:
2
21
22
23
24
21
22
23
24
21
22
где W=W=W=W=W - число витков в каждой из вторичных обмоток. При этом в первом I и втором II гидравлических контурах оказываются включенными последовательно и встречно по две вторичные обмотки, соответственно в первом контуре I - обмотки W и W, а во втором контуре II - обмотки W и W. Поскольку эти обмотки включены встречно фиг.1, то их напряжения вычитаются, и напряжение в каждом из контуров будет равно нулю, и электрический ток в них протекать не будет. Однако электрический потенциал электролита в первой камере 25 электрохимической ячейки 15 будет равен потенциалу начала вторичных обмоток W, W. Аналогично во
23
24
23
24
0
0
0
21
22
23
24
0
21
22
2
2
21
22
23
24
2
2
23
24
2
0
втором гидравлическом контуре II, напряжение по контуру II из-за встречного включения напряжений вторичных обмоток W и W будет равно нулю, и ток в контуре II протекать не будет. Но электрический потенциал электролита в девятой камере 33 будет равен потенциалу концов вторичных обмоток W и W. После этого включается устройство 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) и на его патрубках 11, 13, 12, 14 появляются два постоянных напряжения U с полярностью (+) на 11, 14 и с полярностью (-) на 12, 13 патрубках. При этом в третьем гидравлическом контуре III оказываются встречно включенными также два источника U постоянного напряжения. Суммарное напряжение по третьему гидравлическому контуру также равно нулю, а значит, электрический ток в нем не протекает. Но электрический потенциал электролита в пятой камере 29 электрохимической ячейки 15 находится под положительным потенциалом источников U постоянного напряжения (патрубки 11 и 14 соответственно), фиг.1. Поскольку электролит из всех контуров I, II, III, попадает в смеситель 3 и там смешивается, то электрический потенциал электролита в смесителе 3 можно считать общим потенциалом концов вторичных обмоток W, W, начал вторичных обмоток W, W и отрицательных потенциалов источников U (патрубки 12, 13) устройства 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока). В таком случае эквивалентную электрическую схему индукционной электрической установки можно представить так, как она представлена на фиг.5. Здесь две вторичные обмотки W и W заменены одной верхней полуобмоткой W с напряжением U=U=U. Две вторичные обмотки W и W заменены одной нижней полуобмоткой Wс напряжением U=U=U. Вторичная обмотка, образованная двумя полу обмотками W имеет среднюю точку, к которой подключен источник U своим отрицательным выводом (-). В этой схеме фиг.1 движение электролита под действием насосов можно не учитывать, так как в данном случае электролит служит лишь проводником электрического тока (проводником второго рода, потому что носителями электричества в нем являются ионы). Первая камера
0
21
25 и девятая камера 33 электрохимической ячейки 15 с диафрагмами 17 и 24 соответственно играют роль отрицательных электродов (катодов К1 и К2). Диафрагмы выполнены в виде биполярных мембран. Причем биполярные мембраны 17 и 24 обращены внутрь камер 25, 33 катионообменными мембранами МК. Пятая камера 29 электрохимической ячейки 15 с диафрагмами 20, 21 играет роль объединенных анодов A1, A2. Роль диафрагм здесь также играют биполярные мембраны, обращенные внутрь камеры 29 анионообменными мембранами. Напряжение между анодом A1 и катодом К1 фиг.5 будет равно разности постоянной U и переменной U составляющих напряжений.
A1K1
0
21
0
2m
U=U-U=U-U sinωt.
0
23
Напряжение между анодом A2 и катодом К2 фиг.5 будет равно сумме постоянной U и переменной U составляющих напряжений.
A2K2
0
23
0
2m
U=U+U=U +U sinωt,
2m
2m
0
A1K1
A2К2
2m
0
A1K1
A2K2
где: U - амплитуда переменной составляющей напряжения, ω - круговая частота переменной составляющей напряжения. Если амплитуда U>U, то напряжение U и напряжение U будут разнополярными. При U≤U эти напряжения будут однополярными. После заполнения камер 26, 27, 28 и 30, 31, 32 фиг.1 исходным раствором к раствору приложится напряжение U фиг.5 в камерах 26, 27, 28 и напряжение U фиг.5 - в камерах 30, 31, 32. В этих камерах возникнет постоянное электрическое поле с переменной составляющей. Под действием этого поля катионы из камер 27 и 31 через диафрагмы 18 и 23, которые выполнены из катионообменных мембран МК, будут перемещаться в камеры 26 и 32. В этих камерах 26 и 32 будет увеличиваться концентрация катионов и в них будет получаться и накапливаться католит. Одновременно анионы из камер 27 и 31 будут перемещаться под действием того же электрического поля через диафрагмы 19 и 22, в качестве которых использованы анионообменные мембраны МА, в камеры 28 и 30. В этих камерах будет увеличиваться концентрация анионов, то есть в них будет получаться и накапливаться анолит. В камерах 27 и 31 концентрация катионов и анионов будет уменьшаться за счет их перехода под действием
электрического поля в камеры 26, 32 и 28, 30 соответственно, как описано выше. Поэтому в камерах 27 и 31 будет производиться и накапливаться обессоленный раствор. Через выходные патрубки 40, 41; 44, 45; и 46, 47 католит, обессоленный раствор и анолит соответственно могут быть использованы по назначению. При разделении электрических зарядов (катионов, анионов) в камерах 25, 26, 27, 28, 29 возникнет ток
21
0
2m
i=I-Isinωt,
форма которого показана на фиг.6, д), а в камерах 29, 30, 31, 32, 33 возникает ток
22
0
2m
i=I+Isinωt
22
21
0
2m
K1A1
K2A2
21
22
21
22
23
24
2
2
форма которого показана на фиг.6. г). Токи i и i имеют постоянную составляющую I и переменную составляющую с амплитудой I. На эквивалентной электрической схеме фиг.5 камеры 26, 27, 28 и камеры 30, 31, 32 фиг.1 заменены эквивалентными активными сопротивлениями R и R соответственно, через которые протекают токи i и i. Эти сопротивления играют роль нагрузок, а напряжения на них будут повторять форму этих токов. Под действием постоянной составляющей в камерах 26, 27, 28 и 30, 31, 32 осуществляется массоперенос катионов и анионов. В камерах 25, 29, 33 и в обмотках W, W, W, W массопереноса нет из-за прокачки электролита и его смешения в смесителе 3. Нет массопереноса и через биполярные мембраны, в которых осуществляется только перенос заряда, по их принципу действия. При переносе заряда в камерах 25 и 33 образуются ионы водорода, а в камере 29 - ионы кислорода, которые соединяясь попарно, образуют газ водород Н и кислород O. Конструкция смесителя 3, представленная на фиг.4, позволяет разделить эти газы следующим образом. Насыщенный водородом электролит из камер 25 и 33 поступает под действием насосов 48 и 49 в верхнюю часть смесителя 3 через входные патрубки 4, 5. При этом водород выделяется из электролита и собирается в верхней камере 80 смесителя 3, откуда через клапан 83 водород может быть использован по назначению. Насыщенный кислородом электролит из камеры 29 под действием насоса 50
1
поступает в верхнюю часть смесителя 3 через третий входной патрубок 6. При этом кислород выделяется из электролита и собирается в верхней камере 81, которая отделена от верхней камеры 80 верхней перегородкой 78, которая предотвращает бесконтрольное смешивание водорода и кислорода. Кислород может быть использован по назначению или выведен в атмосферу через клапан 84. Уровень электролита 82 в смесителе 3, показанный пунктиром на фиг.4, выбран выше верхних точек нижних перегородок 74, 75 и выше нижней точки верхней перегородки 78. Такая конструкция смесителя 3 позволяет смешать электролит из камер 25, 29 и 33 без смешения кислорода, и водорода. Перемешанный электролит без растворенных газов через выходные патрубки 7, 8 и 9, расположенные в нижней части смесителя 3, опять поступает под действием насосов 48, 49, 50 в камеры 25, 33 и 29 соответственно. При этом камеры 25, 33 с биполярными мембранами 17, 24 играют роль катодов, а камера 29 с биполярными мембранами 20, 21 играет роль анодов. Эти электроды не разрушаются, а значит продукты их деструкции не попадают в обрабатываемый раствор и не загрязняют его. При этом не требуется также времени на замену электродов. Такие жидкостные электроды с индукционным токоподводом можно использовать и во всех других электрохимических процессах вместо обычных электродов. Роль индукционных токоподводов к электродам играют здесь элементы, входящие в первый, второй и третий гидравлические контуры. Ток i первичной обмотки трансформатора найдем из соотношения
1
1
21
2
22
2
iw+iw-iw=0 откуда
0
Этот ток, показанный на фиг.6 е) не содержит постоянной составляющей, синусоидален по форме, что говорит о том, что первичная обмотка трансформатора эффективно используется и не завышена по габаритной мощности. Ток i устройства 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) найдем из выражения
0
21
22
0
i=i+i=2I
0
2
Этот ток постоянен по форме фиг.6 ж) и равен удвоенной величине постоянной составляющей тока в каждой из полу обмоток WHa фиг.5. Поскольку постоянные составляющие во вторичных полуобмотках W относительно начал полуобмоток, отмеченных точками, направлены встречно, то не происходит подмагничивания сердечника трансформатора, что указывает на высокую эффективность его использования.
0
0
Включение устройства 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения U (тока I) приводит к тому, что трехфазное напряжение сети фиг.2 подается на приводное устройство 53, в качестве которого может быть использован, например, асинхронный или любой другой электродвигатель. Этот двигатель вращает валы униполярных генераторов 51, 52. На входные клеммы 54, 55 и 56, 57 подается от источника 58 постоянное напряжение, которое через эти клеммы поступает на обмотки возбуждения 61, 64 фиг.3. Ток, протекающий по обмоткам 61, 64, создает магнитный поток, который проходит по магнитопроводу 60 через магнитный зазор, в котором расположена первая неподвижная камера 62, внутри которой на валу 68 расположена подвижная камера 67, вращающаяся вместе с валом 68. Далее магнитный поток проходит через второй магнитопровод 63 и замыкается через корпус 69. Электролит, прокачиваемый насосом 50 фиг.1, попадает в первый входной патрубок 11 униполярного генератора 51 фиг.2. Далее электролит поступает через патрубок 11 фиг.3 во вторую неподвижную камеру 65 и через ее полость поступает в полость 71 вала 68, из которой через внутренние радиальные отверстия 69 поступает в полость подвижной камеры 67 и через внешние радиальные отверстия 70 поступает в выходной патрубок 13. Лопасти, расположенные внутри подвижной камеры 67, захватывают электролит и вращают его вместе с валом 68 и подвижной камерой 67. Электролит, прокачиваемый через подвижную камеру, обладает электропроводностью, обусловленной его ионной проводимостью. Известно, что при вращении дискового проводника в магнитном поле индуктируется напряжение:
0
2
U=B·r· Ω,
величина которого пропорциональна индукции В в магнитном зазоре, квадрату радиуса г вращающегося диска и частоте вращения  Ω этого диска. Полярность этого напряжения определяется по правилу правой руки и зависит соответственно от направления магнитного поля и от направления вращения. Индуктируемое напряжение будет действовать между центром диска и его внешней окружностью. Для снятия этого напряжения в случае металлического диска служат неподвижные скользящие контакты. (См., например, С.Г. Калашников. Электричество. Издание третье стереотипное, издательство Наука, Главная редакция физико-математической литературы.- Москва. -1979 г. стр.216, пример 6). Контакты установлены на оси вращения диска и на его внешней окружности. В нашем случае вращающийся диск заменен на электролит, вращающийся вместе с подвижной камерой, внутренние лопасти которой захватывают электролит. Роль неподвижных скользящих контактов в данном случае играет неподвижный электролит в первой неподвижной камере, контактирующей с вращающимся электролитом через внешние радиальные отверстия 70 и неподвижный электролит в полости второй неподвижной камеры 65, контактирующий с вращающимся электролитом в подвижной камере 67 через полость 71 вала 68 и внутренние радиальные отверстия 69. Таким образом, на электролите в патрубках 11, 13 появятся напряжение, знак которого зависит, как уже упоминалось, от направления вращения вала 68 и полярности напряжения на входных клеммах 54, 55 обмоток возбуждения 61, 64 фиг.3. В данном примере униполярные генераторы 51, 52 выполнены идентично друг другу, вращаются в одну сторону, а напряжение источника питания 58 фиг.2 подается по - разному относительно начала обмотки возбуждения (показано точкой около клемм 54, 56). Поэтому напряжение на входных и выходных патрубках генераторов 51, 52 фиг.2 будет иметь разные знаки. У униполярного генератора 51 на выходном патрубке 13 индуктируется знак минус, а на входном парубке 11 - знак плюс. У генератора 52 знак минус индуктируется на входном патрубке 12, а знак плюс - на
0
выходном патрубке 14. Такая полярность выходных напряжений U в устройстве 10 для индуцирования постоянной составляющей напряжения фиг.1 позволяет включить эти напряжения встречно и не допустить циркуляции тока по третьему III гидравлическому контуру, как упоминалось выше.
Приведенный пример выполнения заявляемой полезной модели не ограничивает другие возможные примеры реализации данного устройства. Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована с использованием устройств, приборов, элементов и материалов, выпускаемых промышленным способом, имеющих стабильные характеристики.