ВИХРЕВОЙ (ИНДУКЦИОННЫЙ) ЭЛЕКТРОЛИЗЁР

Полезная модель может быть использована для прямого электролиза расплавов или растворов электролитов, для электрохимического выделения веществ, очистки сточных вод, выделения водорода и кислорода из воды и в т.п. процессах.
Электролиз широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, меди, водорода, диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекается из руд и подвергается переработке с помощью электролиза (электроэкстракция, электрорафинирование). Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации). Применяется для получения многих веществ (металлов, водорода, хлора и др.), при нанесении металлических покрытий (гальваностегия), воспроизведении формы предметов (гальванопластика).
3
В большинстве случаев электролиз как технология является безальтернативным способом преобразования и выделения веществ из растворов и расплавов. В металлургии и электрохимии (гальваника) экономически адекватной замены этой технологии нет, и не предвидится, однако, она же имеет и серьёзный недостаток, заключающийся в высокой энергозатратности. Вместе с тем, в области водоподготовки за последние десятилетия наметились существенные изменения. Например, в проблеме опреснения морской воды и глубокой очистке пресной были разработаны технологии, существенным образом опережающие электролиз по энергосбережению, например, технология обратного осмоса. С другой стороны, ряд специалистов отмечает, что альтернативные методы опреснения или очистки промышленных стоков не способны справиться с поставленной задачей в довольно широком диапазоне случаев. В частности, упомянутая технология обратного осмоса требует применения нано-мембран и высоких технологий в области материаловедения, больших начальных затрат, а также высокой начальной предочистки воды. Другими словами, применение подобного метода в медицине и фармацевтике оправдано экономически, но для производства питьевой воды и, тем более, пресной технической, а также для опреснения, практически, непригодно. Таким образом, классический прямой электролиз и в данной области остаётся едва ли не единственным достаточно эффективным в материальном и экономическом плане методом. В частности, такая технология хорошо себя показала на практике при очистке проточной природной пресной воды при поставке в систему ЖКХ (Краснодарский Край, prp-servis.ru) с энергоэффективностью 0,2 кВт-ч/м.
Основной проблемой электролизных аппаратов является необходимость обеспечения высокой силы тока. Сила тока определяет производительность таких аппаратов, но она же определяет и тепловые потери активного сопротивления. На практике указанное приводит к тому, что площадь контактной поверхности электрода с электролитом стремятся увеличить, а зазор между анодом и катодом или электродами в каскаде сократить до приемлемого минимума. Например, для электролиза воды с целью выработки водорода (газа Брауна) указанный зазор составляет не менее 2-4 мм, иначе активная кавитация при выделении газа сокращает рабочую поверхность и увеличивает сопротивление и потерю мощности. Принимая также во внимание влияние удельного сопротивления материала электрода (пластины) и электролита, очевидным образом приходим к тому, что основные омические потери в электролизных аппаратах приходятся на рассеяние энергии в электродах, к чему также добавляется и довольно высокая теплопроводность электродов и электроарматуры.
С учетом сказанного, задача, решаемая при создании заявленной полезной модели, состоит в дальнейшем совершенствовании электролизных аппаратов, при этом технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в существенном повышении эффективности и производительности таких аппаратов.
Для достижения поставленного результата предлагается электролизер, выполненный в виде цилиндрической камеры из диэлектрического материала, с возможностью заполнения внутреннего объема камеры обрабатываемой токопроводящей текучей средой, в частности, с возможностью протекания через такой внутренний объем указанной среды, при этом в камере радиально расположены токопроводящие пластины, а также коаксиально в камере расположен изолированный канал, содержащий безобмоточный участок замкнутого магнитопровода.
Внутри цилиндрической камеры могут быть дополнительно коаксиально расположены цилиндрические стенки с образованием сообщающихся друг с другом межстеночных объемов и, в этом случае, радиально расположенные пластины проходят через такие цилиндрические стенки, при этом сами пластины могут быть выполнены комбинированными из разных материалов. Кроме того, материал поверхностей пластин и токопроводящая текучая среда могут быть выбраны из условия обратимости электрохимических реакций по принципу аккумулятора электроэнергии.
Возможность достижения поставленного результата в заявленном устройстве обусловлена практическим отказом от электродов в классическом понимании, как следствие – в исключении необходимости подвода к ним тока и обеспечения соответствующей электроарматуры, что очевидным образом исключает активные и реактивные потери мощности в проводке. В свою очередь, ток в обмотки возбуждения магнитопроводов может подаваться как переменным, так и одного направления инвертировано с питанием от переменной промышленной или бытовой сети, при этом величина напряжения и силы индукционного тока в импульсах будут соответствовать постоянному коэффициенту трансформации n (с учётом гистерезисных потерь в магнитопроводе). Таким образом, плотность индукционного тока, проходящего в представленной конструкции через пластины, будет такой же, как и через обрабатываемую токопроводящую текучую среду (для простоты понимания в данном случае можно также использовать более привычный термин «электролит»), т.е. ток будет проходить через плоскость пластин по пути наименьшего их сопротивления, а не через узкую кромку по толщине как в классической конструкции с электродами.
Конструкция заявленного решения поясняется условной схемой заявленного электролизера, а именно общим видом (фиг.1), видами сверху (фиг.2) и в разрезе сбоку (фиг.3).
Со ссылкой на фиг.1, 2 заявленная конструкция состоит из цилиндрической камеры (ёмкости) 1, которая может быть заполнена токопроводящей текучей средой («электролитом»), или иметь вход и выход для протекания через объем камеры такой среды. В последнем случае, для повышения эффективности обработки (см. фиг.2), внутренний объем камеры может быть посредством стенок 2 разделен на кольцевые коаксиальные сообщающиеся сосуды-камеры с образованием многокамерного объема. Во внутреннем объеме камеры выполнен коаксиальный изолированный канал 3, через который проходит безобмоточный участок замкнутого магнитопровода (или магнитороводов) 4, создающий ЭДС в камере с токопроводящей жидкой средой, аналогично трансформатору, с, по меньшей мере, одной возбуждающей обмоткой 5, работающей в постоянном или, вариативно, в импульсном или переменном режимах, где роль вторичной обмотки отводится камере с электропроводящей жидкостью. При нахождении или подаче в камеру «электролита» и наличии напряжения (электрического тока) в обмотках возбуждения, магнитопроводы создают вихревое поле Е постоянного или переменного направления, сообразно возбуждающему току. В общем и целом, по радиусу камеры напряжённость поля Е [В/м] изменяется как 1/r, таким образом, чем больше число радиально расположенных магнитопроводов возбуждения, тем меньше неоднородность поля, а также увеличение числа возбуждающих обмоток определяется инженерным расчетом и позволяет увеличить удельную мощность аппарата, однако, принципиально, для работы конструкции достаточно и одного такого замкнутого магнитопровода с одной возбуждающей обмоткой.
Внутренний объем камеры 1 заполнен зарядообменными пластинами 6 (на фиг.2 не показаны) из токопроводящего материала, выполняющих роль катода и растворимого или нерастворимого анода и образующих секторную электролизную ячейку с постоянной разностью поверхностных потенциалов вихревого (индуцированного) поля по радиусу камеры. Пластины расположены с заданным угловым шагом β. Вариативно, одна боковая поверхность каждой пластины может быть металлической (железо, алюминий и т.п.), вторая - пористой (угольная). Пластины ориентированы вертикально и при вихревом токе в «электролите» в зависимости от направления поля одна из боковых сторон может выполнять функцию окисляемого анода, а вторая – восстанавливающего катода. В переменном поле обе поверхности пластины становятся то катодом-анодом, то анодом-катодом с частотой переменного тока возбуждения. Поверхности пластин могут быть, вариативно, как и одного материала, так и из разных. Для простоты понимания, на примере пластин с разнородными поверхностями, последовательно, между каждой парой пластин, протекает индукционный ток ионов на участках с полем Е. Внутри проводящих пластин суммарное поле равно нулю, что обусловлено разделением зарядов толщине пластин. При этом, например, одни ионы восстанавливаются и сорбируются на угольной поверхности, другие – окисляют анодное железо.
Практическим примером заявленного устройства может являться его использование в качестве установки получения газа Брауна, где пластины 6 могут быть исполнены как из одного материала (однослойными), так и из разных (двуслойными) материалов. В этом случае разность потенциалов между ними по направлению вихревого (индуцированного) поля Е составит Δφ = const = E(r)×β×r, где β – угол между соседними пластинами и β = 360˚/N, где N – число пластин («электродов»), r – радиус камеры. Перепад потенциалов между пластинами будет превышать величину порога электролиза воды (без учета необходимого перенапряжения), при этом в промежутках между импульсами или в периоды значимого роста/падения силы тока происходит восстановление равновесной концентрации между каждой парой пластин.
При заданной частоте импульсов (например, сетевой f = 50 Гц) и профиле Е(r) ~ 1/r, где r – радиус камеры при очистке многокомпонентных растворов по камере ёмкости, в зависимости от расстояния между пластинами, будет преимущественно сорбироваться легкая (более подвижная) компонента, а затем тяжелая. Тем самым, возможно условная дифференциация полезных компонент уже на этапе электролиза. Таким образом, данный электролизер может работать и как эффективный очиститель воды, так и для получения водорода и кислорода в качестве топлива и окислителя для нужд «зеленой» энергетики.
2
4
4
2
4
4
2-
+
-
2-
-
Обратимость некоторых электрохимических процессов позволяет использовать данное устройство и как мощный накопитель и высоковольтный источник электроэнергии. Это возможно при использовании двух- или трёхслойных пластин 6 в качестве псевдо-электродов и соответствующего электролита (как пример – обычный свинцово-кислотный аккумулятор с реакцией на катоде (разряд): PbO + SO +4H + 2e → PbSO + 2HO и реакцией на аноде (заряд); Pb + SO - 2e → PbSO). В данном случае пластины 6 двуслойные и изготавливаются с одной стороны из свинца, а с другой из его диоксида (покрыты диоксидом), а электролитом служит раствор серной кислоты. В такой конструкции пластин условный «катод» и «анод» замкнуты прямым контактом по поверхности. В трёхслойном варианте конструкции между «катодной» и «анодной» поверхностями расположен тонкий слой изолятора или мембрана. При подаче возбуждающего напряжения на обмотки такой аккумулятор быстро заряжается за счет инициации высокой силы тока высоким напряжением возбуждения. Если в момент максимальной зарядки оставить на катушках высокое напряжение (чтобы потенциал между пластинами 6 значительно превышал разность электрохимических потенциалов между поверхностями соседних пластин и был обратен по знаку), то запирающее поле будет препятствовать разряду такого аккумулятора. Это возможно реализовать с помощью постоянного относительно слабого (маломощного) внешнего источника или конденсатора, подключённого к обмоткам возбуждения, и формирующего запирающий потенциал. При снятии такого потенциала и замыкании цепи на нагрузку через обмотки возбуждения за счет собственного электрохимического потенциала между «катодом и анодом», а в данном случае, между соседними поверхностями пластин 6, начинает протекать электрический ток, который посредством возбуждения магнитного поля в магнитопроводе в данном случае становится током возбуждения высоковольтной ЭДС уже в первичных обмотках. Если пластины 6 исполнены трехслойными и между условно «катодной» и «анодной» сторонами есть тонкий слой изолятора (например, слюды), то запирающее напряжение, превышающее разность электрохимических потенциалов, устанавливается в электролите автоматически, аналогично механизму в классическом аккумуляторе. В этом случае управление разрядом (как и запуск самого процесса разряда) может осуществляться изменением сопротивления контакта, например, удалением изолятора, изменением его сопротивления или диффузией зарядов в одном направлении.
При этом внутри аппарата за счет большого сечения токового витка (около ½ площади продольного сечения камеры) плотность тока остаётся умеренной даже при общей высокой мощности, как и тепловые (омические) потери. А выходная мощность через первичные катушки возбуждения будет высоковольтной, что также позволит транспортировать энергию на значительные расстояния с минимальными потерями без дополнительной трансформации.
Таким образом, одной из сфер применения данной полезной модели может быть аккумулирование и трансформация электроэнергии, то есть «индукционный электролизёр-аккумулятор».