Устройство для разложения воды

Предлагаемое техническое решение относится к области электрохимической техники и может быть использовано при создании устройств для производства водорода и кислорода в качестве топлива, в том числе на энергоемких промышленных объектах.
Известно устройство для преобразования воды в водород (патент Канады № 2067735, С01B 3/04, п.10, опубликован 18.11.1992), содержащее резонансную электрическую цепь, включающую электрически связанные трансформатор, диод, катушку индуктивности, электрическую емкость, противоположные обкладки которой образованы электропроводящими поверхностями, между которыми предусмотрена зона реакции, снабженная устройством для впрыска воды и пара, катушку переменной индуктивности. Предлагаемое устройство под действием электрического поля в зоне между обкладками электрической емкости осуществляет разложение впрыскиваемых в указанную зону (зону реакции) паров воды на водород и кислород. К недостаткам устройства относится недостаточно полное разложение паров воды на водород и кислород, и сложность схемы.
Известно устройство для получения водорода и энергии при разложении молекул воды (патент РФ № 2235057, С01В3/02, опубликован 27.08.2004), включающее источник излучения, реактор с трубопроводом в верхней части для отвода газообразных продуктов разложения, окно, выполненное из материала, пропускающего излучение с минимальными потерями, рабочую камеру, в стенке которой установлено указанное окно, причем рабочая камера сообщена с реактором посредством подводящего и отводящего каналов, снабженных насосом для прокачивания воды, а реактор выполнен с двойными стенками для отвода тепла от реактора с помощью хладагента и дополнительно снабжен трубопроводами с вентилями, один из которых предназначен для залива свежей воды, а второй, размещенный в нижней части реактора, предназначен для слива части воды с высокой концентрацией солей и осадка, источник высокочастотного электромагнитного излучения, причем рабочая камера выполнена из диэлектрического материала. К недостаткам устройства относится недостаточно полное разложение паров воды на водород и кислород, и сложность схемы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для разложения воды (патент России № 165752, С25В 1/04, опубликован 10.11.2016 Бюл. № 31), содержащее электрическую цепь, включающую электрически связанные электрическую емкость, противоположные обкладки которой образованы электропроводящими поверхностями, между которыми расположена зона реакции, дифференцирующую RС–цепочку, состоящую из конденсатора и активного сопротивления, причем конденсатор подключен последовательно с электрической емкостью, а сопротивление подключено параллельно этой емкости, узел для впрыска воды и пара в зону реакции, генератор высоковольтных импульсов, подключенный последовательно с конденсатором и параллельно активному сопротивлению.
Данное устройство под действием электрического поля в зоне реакции между обкладками электрической емкости осуществляет разложение впрыскиваемых в указанную зону паров воды на водород и кислород. Питание устройства осуществляется постоянным напряжением промышленной сети.  Недостатки устройства - недостаточно полное разложение паров воды на водород и кислород.
Техническая проблема предлагаемого технического решения заключается в разработке простого устройства, позволяющего повысить степень разложения паров воды на водород и кислород.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу устройство для разложения воды содержит генератор высоковольтных импульсов и электрическую цепь, включающую электрически связанные электрическую емкость, противоположные обкладки которой образованы электропроводящими поверхностями, между которыми расположена зона реакции, дифференцирующую RC-цепочку (R - активное сопротивление, С – конденсатор), в которой конденсатор С включен последовательно с электрической емкостью, а активное сопротивление R подключено параллельно электрической емкости, и узел для впрыска воды и пара в зону реакции. В отличие от прототипа электрическая емкость снабжена как минимум одним источником электромагнитного излучения с длиной волны (частотой), соответствующей одному из потенциалов возбуждения молекулы воды, установленным с возможностью регулировки положения его оси относительно электропроводящих поверхностей, которые выполнены полированными.
В частном случае реализации устройство может содержать как минимум два источника электромагнитного излучения, длина волны которых одинакова, либо длины волн которых соответствуют разным потенциалам возбуждения молекулы воды.
Источники электромагнитного излучения могут быть установлены под углом друг к другу.
Электрическая емкость может быть помещена в диэлектрический корпус, к которому прикреплен как минимум один держатель источника электромагнитного излучения.
Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков, устройство для разложения воды обеспечивает высокий уровень разложения паров воды на водород и кислород за счет возбуждения молекул воды энергией электромагнитного излучения. Известно, что электромагнитное излучение, длина волны (частота) которого соответствует потенциалу возбуждения молекулы воды, делает молекулу воды менее устойчивой, и молекула воды легче диссоциирует на кислород и водород. Причиной облегчения диссоциации является энергия электромагнитного излучения, которая порождает дополнительные колебательные процессы в молекуле, ослабляющие межатомные связи водорода и кислорода в молекуле воды. Происходит ослабление сил притяжения между атомами водорода и кислорода, вода интенсивно разлагается на водород и кислород.  При расположении оси источника электромагнитного излучения под минимально возможным углом к электропроводящим поверхностям излучение, проходя зону реакции, многократно отражается от противоположных обкладок электрической емкости, увеличивая пространство взаимодействия излучения с водой, что увеличивает число возбужденных молекул воды. Наличие полированных электропроводящих поверхностей повышает коэффициент отражения электромагнитного излучения, а значит и его интенсивность, что дополнительно увеличивает число возбужденных молекул воды.
Сущность предлагаемого решения иллюстрируется фиг.1, на которой изображена электрическая схема устройства для разложения воды, где 1 – генератор высоковольтных импульсов, 2 – конденсатор С, 3 - активное сопротивление R, 4 - электрическая емкость, 5 и 6 – электропроводящие поверхности, 7 - зона реакции, 8 – источник электромагнитного излучения. Расположение источников и ход лучей представлены на фиг.2 и фиг. 3, где 9 –держатель источника 8 электромагнитного излучения; 10 – корпус электрической емкости 4, 11–механизм фиксации и углового позиционирования источника 8, в частности, выполненный в виде шарнира.
Конденсатор
Устройство для разложения воды содержит (фиг.1) электрическую цепь, включающую генератор 1 высоковольтных импульсов, конденсатор 2, активное сопротивление 3, электрическую емкость 4 и узел для впрыска воды и пара. Генератор 1, конденсатор 2 и электрическая емкость 4 соединены последовательно, а активное сопротивление 3 включено параллельно генератору 1 и емкости 4.  2 и активное сопротивление 3 составляют дифференцирующую RC–цепочку. Противоположные обкладки электрической емкости 4 образованы электропроводящими поверхностями 5 и 6, между которыми расположена зона 7 реакции, соединенная с узлом для впрыска воды и пара. Источник 8 (фиг.2, 3) с помощью держателя 9 прикреплен с возможностью регулировки положения его оси относительно электропроводящих поверхностей 5, 6 к диэлектрическому корпусу 10, в котором установлена емкость 4 (фиг.2). Возможность регулировки положения оси источника 8 может быть обеспечена механизмами 11 фиксации источников электромагнитного излучения (например, в виде стопоров, подпружиненных рычагов) и углового позиционирования (например, в виде сферических шарниров). Регулировка положения оси источника 8 может быть также выполнена другими механизмами 11, являющимися устройствами управления пространственным положением оси излучателя источника 8, например, содержащими оптические элементы, такие как зеркало или призму, их привод и блок управления. Все перечисленные механизмы 11 могут применяться для каждого источника 8 (при наличии нескольких источников излучения) по отдельности или иметь общее устройство управления для максимального заполнения зоны 7 реакции  излучением.
В качестве источника 8 электромагнитного излучения может быть применен такой излучатель как лазер, в частности лазерный диод, длина волны (частота) излучения которого соответствует одному из потенциалов возбуждения молекулы воды, преимущественно с длиной волны 1,39 мкм. Источник 8 излучения может включать группу лазеров, в частности, лазерных диодов, каждый из которых работает на своей длине волны, соответствующей одному из потенциалов возбуждения молекул воды, и лежащей в диапазоне от 1 мкм до 200 мкм. В указанном диапазоне лежит большое число потенциалов возбуждения молекул воды (см., например, Зацепина Г.Н. “Физические свойства и структура воды” Московский университет, 1998 г. и Патент России № 2235057, С01В3/02, опубликован 27.08.2004). Угол падения излучения на электропроводящие поверхности 5, 6 должен быть минимально возможным для увеличения числа отражений, что регулируют положением оси источника 8, а определяется расходимостью излучения каждого источника 8 (излучателя, лазера, входящего в состав источника 8), и преимущественно лежит в диапазоне от 1 до 5 градусов. Установка угла падения излучения источника 8 осуществляется поворотом источника 8, например, с помощью механизма 11 фиксации и углового позиционирования источника 8, выполненного в виде шарнира.
Устройство для разложения воды работает следующим образом. Высоковольтные электрические импульсы от генератора 1 поступают на конденсатор 2 дифференцирующей RС–цепочки, в результате дифференцирования число импульсов удваивается, а длительность заметно уменьшается (каждый импульс генератора 1 превращается при дифференцировании в два коротких импульса). Указанные преобразованные импульсы с сопротивления 3 поступают на электрическую емкость 4. В результате в зоне 7 реакции оказываются высоковольтные электрические импульсы удвоенной частоты с высокой крутизной фронта. В зону 7 реакции с помощью узла для впрыска воды и пара подают воду преимущественно в виде пара.  При воздействии высоковольтных импульсов, имеющих высокочастотные составляющие, на пары воды, как только скорость нарастания напряжения в зоне 7 становится больше скорости поляризации воды, связи между ионами водорода и кислорода разрушаются, молекулы воды распадаются на водород и кислород. Одновременно с подачей в цепь высоковольтных электрических импульсов от генератора 1 в зону 7 реакции  подают электромагнитное излучение от источника 8 под углом, заданным с помощью механизма 11 так, чтобы обеспечить максимально возможное отражение от поверхностей 5 и 6. Поскольку электромагнитное излучение от источника 8 проходит зону 7 реакции, многократно отражаясь от электропроводящих поверхностей 5 и 6, происходит возбуждение молекул воды во всем объеме зоны 7 реакции, создавая дополнительные условия для разложения воды (фиг.2). За счет выполнения поверхностей 5 и 6 полированными достигается подача излучения с максимальным коэффициентом отражения, благодаря чему растет число возбужденных молекул воды. Это обеспечивает рост разложения паров воды на водород и кислород. При использовании нескольких источников 8 (фиг. 3) с разными длинами волн, соответствующими разным потенциалам возбуждения молекулы воды, возбуждается ещё большее число молекул воды, что увеличивает степень разложения паров воды на водород и кислород.
Степень разложения паров воды на водород и кислород повышается по сравнению с прототипом, т.к. источники 8 своим излучением делают молекулы воды менее устойчивыми и они легче разлагаются на водород и кислород. Описанная конструкция способствует росту числа молекул воды, распавшихся на водород и кислород.
Проверка работоспособности предлагаемой модели проводилась опытным путем. Был изготовлен и испытан образец устройства для разложения воды, содержащий генератор 1 высоковольтных импульсов напряжением 3 кВ, конденсатор 2 на 15 пкФ, сопротивление 3 на 1 кОм, емкость 4, образованная полированными электропроводящими  поверхностями 5 и 6, площадью по 3 кв. см каждая, помещенная в диэлектрический корпус 10, к которому прикреплен держатель 9 с установленным источником 8 с возможностью регулировки положения его оси с помощью механизма 11 углового позиционирования в виде сферического шарнира, соединяющего держатель 9 с источником 8. Узел для впрыска воды и пара выполнен в виде пульверизатора. В качестве источника 8 использовался лазерный диод с излучением длиной волны 1,39 мкм, совпадающей с одним из потенциалов возбуждения молекул воды. Положение оси источника 8 отрегулировано относительно электропроводящих поверхностей 5, 6 так, что угол падения излучения на эти поверхности составил 2 градуса. Газ на выходе из зоны 7 реакции поджигался, оценивалась мощность свечения выходящего газа с помощью измерительного прибора ИМО 2, которая составила 2,5 мВт. Мощность свечения выходящего газа из схемы - прототипа составляла 2 мВт. Следовательно, при включении в состав установки источника 8 степень разложения воды на водород и кислород увеличилась примерно на 25%.
Был изготовлен и испытан образец устройства для разложения воды, элементы 1 – 7 которого аналогичны описанным выше. В качестве источника 8 использовались два лазерных диода, установленные на одном держателе 9 один над другим  с излучением длиной волны 1,39 мкм и с излучением длиной волны 2,27 мкм, совпадающими с двумя из потенциалов возбуждения молекул воды. Угол падения излучения на полированные электропроводящие поверхности 5 и 6 выставлен с помощью механизма 11 углового позиционирования на 3 градуса. Газ на выходе из зоны реакции 7 поджигался, оценивалась мощность свечения выходящего газа с помощью измерительного прибора ИМО 2, которая составила 2,7 мВт. Мощность свечения выходящего газа из схемы - прототипа составляла 2 мВт. Следовательно, при включении в состав установки источника 8 с двумя лазерными диодами степень разложения воды на водород и кислород увеличилась примерно на 33%.
Был изготовлен и испытан образец устройства для разложения воды, содержащий элементы 1 – 7, аналогичные описанным выше. В качестве источника 8 использовалась группа  из трех лазерных диодов, установленных на одном держателе 9 друг над другом, с длинами волн 1,39, 2,27 и 3,41 мкм, совпадающими с тремя из потенциалов возбуждения молекул воды. Угол падения излучения на полированные электропроводящие поверхности 5 и 6 определен из расходимости пучка излучения каждого диода в 5 градусов. Газ на выходе из зоны 7 реакции поджигался, оценивалась мощность свечения выходящего газа с помощью измерительного прибора ИМО 2, которая составила 3,0 мВт. Мощность свечения выходящего газа из схемы - прототипа составляла 2 мВт. Следовательно, при включении в состав установки источника 8 с указанной группой лазерных диодов степень разложения воды на водород и кислород увеличилась примерно на 50%.
0
Был изготовлен и испытан образец устройства для разложения воды, содержащий элементы 1 – 7, аналогичные описанным выше. К диэлектрическому корпусу 10 были прикреплены три держателя 9 под углом в 120, на каждом из которых был установлен источник 8 в виде лазерных диодов с излучением длиной волны 1,39 мкм (фиг. 3). Угол падения излучения на полированные электропроводящие поверхности 5 и 6 был установлен – 2 градуса. Газ на выходе из зоны 7 реакции поджигался, оценивалась мощность свечения выходящего газа с помощью измерительного прибора ИМО 2, которая составила 2,8 мВт. Следовательно, при включении в состав установки трех одинаковых источников 8 под углом друг к другу степень разложения воды на водород и кислород увеличилась примерно на 40%.
Проведенные испытания подтверждают, что чем больше число источников излучения (больше их суммарная мощность излучения) и больше число отражений от поверхностей 5 и 6 (больше взаимодействие излучения с парами воды), тем выше степень разложения воды.
Многократное отражение излучения от поверхностей 5 и 6, достигаемое установкой излучателя под углом, отличным от нормального, ещё увеличивают степень разложения воды за счёт увеличения числа актов взаимодействия излучения с парами воды.
Таким образом, предлагаемое устройство для разложения воды позволяет эффективно разлагать пары воды на водород и кислород за счет введения в устройство как минимум одного источника электромагнитного излучения, длина волны (частота) которых совпадает с потенциалом или нескольким потенциалами возбуждения молекулы воды.