УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании установок для преобразования одного вида энергии в другой путем, например, электролиза, и для получения, например, водорода.
Из патентной литературы известен центробежный электролизер, содержащий вал, на котором установлена полая емкость, выполненная в виде тела вращения тороидальной формы, служащая инерционным маховиком накопителя энергии, который состоит из кольцеобразных пористых пластин, служащих анодами и катодами. Вал имеет канал для подачи воды и каналы для отвода продуктов электролиза и кинематически связан с приводом вращения, например с двигателем внутреннего сгорания и генератором электрического тока. Известное устройство, обеспечивающее питание водородным топливом двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, предназначено для электролиза воды. Известное устройство обеспечивает последовательное преобразование механической энергии привода в электрическую, а затем в химическую энергию полученных из воды водорода и кислорода. Такое преобразование энергии определяет низкий КПД устройства, т.к. компенсация эндотермического эффекта реакции разложения воды производится за счет использования выработанной энергии. При этом не обеспечивается возможность полезного использования энергии на внешней нагрузке без резкого снижения выхода водорода и кислорода (см. патент РФ №2015395, 1990).
Наиболее близким к настоящей полезной модели является устройство для преобразования энергии путем электролиза (прототип), содержащий технологические линии подачи воды, электролита и отвода продуктов электролиза, вращаемую емкость с валом, связанную с приводом вращения, один из которых установлен на валу, а другой является внутренней поверхностью вращаемой емкости, каналы подвода и отвода электролита, и отвода продуктов электролиза, выполненные в теле вала, а также теплообменник, который установлен внутри емкости и сепаратор. Электрод, установленный на валу, выполнен из набора дисков. Угловая скорость вращения емкости определяется из математической зависимости и обеспечивает необходимую эффективность осуществления электролиза. В известном устройстве так же, как и в описанных выше устройствах происходит параллельное преобразование механической и тепловой энергии в электрическую и химическую энергии. Исполнение устройства
горизонтальное (см. патент РФ №2174162, 1998). Недостатки известного устройства являются его низкая производительность, но более высокая чем в устройстве по патенту РФ №2015395 и нестабильность работы, обусловленные отсутствием контроля за положением границы раздела раствора электролита и газовой среды во вращаемой емкости, в результате чего активные поверхности дисков электрода, установленного на валу, оказываются или в газовой среде или в жидкой среде раствора электролита с низким электрическим потенциалом, что эквивалентно сокращению активной поверхности электрода и затрудняет процесс электролиза. К недостаткам описанного устройства также можно отнести сложное конструктивное выполнение, т.к. подача и отвод теплоносителя для расположенного внутри вращающейся емкости теплообменника через каналы во вращаемом валу технически трудно реализовать, что снижает возможность в объеме разложения воды на составляющие (на водород и кислород). Кроме того, токопроводящие поверхности теплообменника препятствуют возникновению разности потенциалов в растворе электролита, что снижает эффективность происходящих процессов разложения воды.
Известна установка для разложения воды электролизом (патент РФ №2224051, 2003), содержащая электролизер, аналогичный как в патенте РФ №2174162, включающий корпус, вертикально установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода электролита и отвода продуктов электролиза, канал отвода раствора электролита, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой является внутренней поверхностью корпуса, и теплообменник. Конструкция создана таким образом, что устранен главный недостаток: одновременная работа электродов в зоне электролита и газовой среде и одновременно контролируется подача воды и электролита, что увеличивает процесс электролиза, (этот недостаток в предложенной конструкции отсутствует за счет секторной структуры электродов).
Известен способ получения водорода гравитационным методом, включающий следующие этапы: вращение водного раствора электролита в роторе гравитационного электролизера при заданной частоте вращения, создавая тем самым центробежную силу, которая создает искусственное гравитационное поле, обеспечивающее отделение ионов согласно их весу, которые затем перемещаются к соответствующим электродам, и осуществление осаждения протонов на катоде для выделения водорода. Конструкции реализующие этот способ не отличаются от конструкций устройств предложенных в указанных выше патентах (заявка РСТ WO 00/49205, 2000).
№
№
№
№
Недостатками установок по патентам РФ 2174162, 2224051 и заявке РСТ WO 00/49205 по отношению к установке, описанной в патенте РФ 2015395, является: не использование пористого электрода, который обладает более активной поверхностью и позволяет получать чистый водород и кислород; на использование электрической энергии, которая увеличивает концентрацию энергии для электролиза исходного продукта.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание установки, которая позволила бы совершать параллельное преобразование механической энергии и тепловой энергии в электрическую и химическую энергии с целью получения водорода и кислорода или водородно-кислородной смеси для дальнейшего использования в двигателях внутреннего сгорания или в водородных топливных элементах для получения электроэнергии, для получения тепловой энергии, для обогащения водородом в процессе утилизации отходов, при получении синтетических веществ и т.д. Технический результат заключается в повышении эффективности электролиза по сравнению с имеющимися аналогами.
Установка состоит из тела вращения, внутри которого закрепляют электроды, в зону взаимодействия подают исходные продукты, вращают ротор со скоростью обеспечивающей процесс электролиза для преобразования механической и тепловой энергии На каждом электроде, который создают в форме сектора из электропроводящего магнитного материала, в материале электрода создают объемнопространственную структурированную поверхность различной конфигурации, которую формируют из множества открытых и сквозных каналов различной объемнопространственной конфигурации, которые связаны между собой, осуществляют взаимодействие исходных продуктов с объемнопространственной поверхностью для увеличения внутренней энергии поступающих продуктов и преобразование их в целевые продукты, а именно: в водород и кислород или водородно-кислородную смесь.
Благодаря тому, что в установке преобразование энергии происходит в зоне обработки, в которой электроды имеют развитую объемнопространственную структурированную поверхность, обеспечивающую образование вихревых потоков исходных продуктов, достигается максимальная эффективность в преобразовании не взаимосвязанных различных видов энергии в единице объема.
Поставленная задача решается тем, что установка по преобразованию энергии, например механической и тепловой энергии, содержит технологические линии подвода и отвода продуктов, полый статор с каналами для прохода продуктов, в котором на
соединенном с приводом вращения валу закреплен полый ротор, имеющий каналы для прохода продуктов и электроды, представляющие собой две группы колец, электрически связанных между собой и жестко закрепленных коаксиально относительно друг друга с поперечным межэлектродным зазором на валу ротора, образуя при этом электрически связанные электродные пары, каждая из которых выполнена в форме кольца, а каждое кольцо выполнено из электрически связанных и соединенных между собой в радиальном направлении секторов, на поверхностях каждого из которых выполнено множество открытых и сквозных каналов различной объемнопространственной конфигурации. Описанное выше конструктивное выполнение электродов в виде группы колец, имеющих развитую объемнопространственную поверхность с множеством открытых и сквозных каналов, которые сообщаются между собой, способствует созданию вихревых потоков, что в значительной степени позволяет более эффективно осуществлять преобразование энергии. Выполнение электродов в виде колец, электрически соединенных между собой и разделенных на радиальные секторы, не требует в случае проведения процесса электролиза контроля за положением раздела между газовой средой и раствором, что интесифицирует происходящие процессы. Функцию теплообменника в данной установке выполняет объемнопространственная поверхность.
Каждое кольцо первой и второй групп выполнено из четного количества секторов, по меньшей мере равного четырем, и каждый сектор выполнен из магнитного токопроводящего материала. Количество секторов, на которые поделены кольца, определяется скоростью вращения ротора. Целесообразно, чтобы на оппозитных поверхностях оппозитных секторов первой и второй групп колец выполнены канавки, в совокупности образующие в каждом кольце каждой группы поперечный кольцевой канал для обработки исходного продукта, а каждый поперечный кольцевой канал в поперечном сечении имеет круговую форму.
Кроме того, на поверхностях, образующих сквозные осевые каналы, выполнено множество открытых и сквозных каналов различной объемнопространственной конфигурации, по меньшей мере часть которых сообщена между собой. В полости статора на валу соосно первому валу был установлен полый вал, содержащий привод вращения в направлении, противоположном направлению вращения первого вала, и закрепленный снаружи первого полого ротора, при этом вторая группа колец жестко закреплена на втором валу посредством крепежных элементов, в которых выполнены сквозные каналы для прохода исходных и целевых продуктов.
В таком случае достигается более высокая эффективность в преобразовании не взаимосвязанных различных видов энергии, сокращается время для вывода установки на рабочий режим, например, режим электролиза, При этом заданные показатели (выход водорода и кислорода) могут быть получены при более низких скоростях оборота роторов. Для изменения числа оборотов приводы вращения первого и второго роторов имеют блоки управления скоростью вращения.
Множество открытых и сквозных каналов, выполненных на поверхностях и сами поверхности каждого сектора каждой группы колец, образовано стенками множества объемнорадиальных выступов и углублений, сформированных на этих поверхностях, а каждый объемнорадиальный выступ или углубление имеет форму, выбранную из группы: конус, полусфера, элипсоид, профилированное тело, взятую в отдельности или в комбинации.
Полезная модель поясняется чертежами, где на:
Фиг.1 - общий вид установки для получения водорода - вертикальное исполнение (вариант 1);
Фиг.2 - то же в разрезе (вариант 1);
Фиг.3 - общий вид установки для получения водорода в разрезе - вертикальное исполнение (вариант 2);
Фиг.4-19 примеры вариантов покрытия поверхностей канальных групп и внутренних поверхностей электродов;
Сущность полезной модели. Установка для получения водорода (вариант 1), содержит станину, электропривод, технологические линии подвода раствора электролита, воды, и отвода продуктов электролиза, насосы, сепараторы, статор и полый ротор, установленный на приводном валу 26 с электродами, выполненными в виде двух групп колец: первая группа колец-электродов 24 электрически связаны между собой и жестко закреплены на в полости статора 8 коаксиально снаружи, а электроды противоположной полярности - вторая группа колец - электродов 25 электрически связаны между собой и жестко закреплены на валу 26 с поперечным межэлектродным зазором 27 относительно колец - электродов 24 первой группы, при этом каждое кольцо -электрод выполнено из электрически связанных и соединенных между собой в радиальном направлении секторов из электропроводящего магнитного материала, в теле каждого из которых выполнено множество открытых и сквозных каналов различной объемно пространственной конфигурации поверхности и связанных между
собой, в свою очередь, на оппозитных поверхностях оппозитных секторов первой и второй группы колец - электродов выполнены сквозные и открытые каналы в совокупности образующие в каждом кольце - электроде каждой группы поперечный и кольцевой канал для обработки раствора электролита.
Установка отличается тем, что объемно пространственная поверхность сектора является сепаратором продуктов электролиза.
Установка отличается тем, что объемно-радиальные поверхности секторов выполнены конусными, и/или полусферическими, и/или эллипсоидным и/или профилированными для создания направленного вихревого потока электролита.
Установка для получения водорода (вариант 2) содержит станину, электропривод, технологические линии подвода раствора электролита, воды, и отвода продуктов электролиза, насосы, сепараторы, статор и полый ротор, снабжена вторым электроприводом 36 с валом 43 вращения в противоположном направлении вращению первого вала 26 электропривода 3 и установленным с ним соосно с помощью центрирующей цапфы 33, причем полый ротор установленный на приводном валу 43 с электродами выполненными в виде двух групп колец: первая группа колец -электродов 24 электрически связаны между собой и жестко закреплены в полости статора 8 коаксиально снаружи, а электроды противоположной полярности - вторая группа колец - электродов 25 электрически связаны между собой и жестко закреплены на валу 43 выполненным с каналами для отвода получаемого водорода, и с поперечным межэлектродным зазором 27 относительно колец - электродов 24 первой группы, при этом каждое кольцо - электрод выполнено из электрически связанных и соединенных между собой в радиальном направлении секторов из электропроводящего магнитного материала, в теле каждого из которых выполнено множество открытых и сквозных каналов различной объемно пространственной конфигурации поверхности и связанных между собой, в свою очередь, на оппозитных поверхностях оппозитных секторов первой и второй группы колец - электродов выполнены сквозные и открытые каналы в совокупности образующие в каждом кольце - электроде каждой группы поперечный и кольцевой канал для обработки раствора электролита.
Установка отличается тем, что объемно пространственная поверхность сектора является сепаратором продуктов электролиза.
Установка отличается тем, что объемно-радиальные поверхности секторов выполнены конусными и/или полусферическими, и/или эллипсоидным и/или профилированными для создания направленного вихревого потока электролита.
Установка для получения водорода содержит (см. Фиг.2 вариант 1):
1 - станину; 2 - хомут; электропривод; 4 - корпус; 5 - вал электропривода 3; 6 -муфту; 7 - патрубок; 8 - статор полый; 9 - ротор; 10 - съемный элемент корпуса 4; 11 -переходную муфту; 12 - канал для передачи водорода потребителю; 13 - опору с подшипниковыми узлами; 14 - корпусные диски ротора 9; 15 - объемно-радиальные поверхности статора; 16 - канал для кислорода; 17 - сквозные каналы корпусных дисков; 18 - патрубок; 19 - емкость; 20 - резервуар для воды; 21 - разъем для подсоединения электропитания к электроприводу; 22, 23 - соединительные муфты подачи и отвода воды для охлаждения электропривода; 24 - первая группа колец-электродов, выполненная из четного количества секторов, по меньшей мере, равного четырем; 25 - вторая группа колец-электродов; 26 - вал; 27 - поперечный межэлектродный зазор между кольцами-электродами 24 и 25; 28 - насос, например, вакуумный; 29, 30 - сепараторы; 31, 32 - насосы, например, вакуумные.
Вариант 2 (см. Фиг.3): 33 - центрирующая цапфа; 34 - станина; 35 - хомут; 36 -электропривод; 37 - корпус; 38 - вал электродвигателя 36; 39 - муфта; 40 - разъем для подсоединения электропитания к электроприводу; 41 и 42 - соединительный муфты; подачи и отвода воды для охлаждения электропривода; 43 - вал; 44 - канал вывода агрессивной среды из пространства между статором и ротором с помощью насоса 28 (например, вакуумного).
Установка работает следующим образом. Электролит из емкости 19 электролита по технологической линии подачи электролита подают в установку через патрубок 18. Включают электропривод 3, который приводит во вращение ротор 8 установки, разгоняя его до начала процесса электролиза. В процессе вращения под действием центробежной силы в роторе создается поле искусственной силы тяжести, под воздействием которого катионы и анионы в виде гидратов, имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Более тяжелые ионы, например анионы, образуют около внутренней поверхности в прианодной части ротора отрицательный пространственный электрический заряд, который индуцирует в аноде, выполненном из токопроводящего материала, адекватный заряд из электронов проводимости. Легкие ионы сконцентрируются в области между анодом и катодом(кольцевое пространство вала),образуя свой пространственный положительный заряд, при этом если величина его потенциала окажется достаточной для создания электрического поля, способного деформировать гидратные оболочки легких ионов, возникшее равновесие будет нарушено на катоде. Легкие ионы приблизятся к поверхности катода и разредятся.
Тяжелые ионы также отдадут свой заряд аноду, и между электродами потечет ток, так как они выполнены из токопроводящего материала и накоротко замкнуты между собой.
Ионы электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят с водой во вторичные реакции. Восстановленные водород и кислород всплывают к центру ротора и в виде кислородно-водородной смеси через канал отвода продуктов электролиза устройством для откачивания продуктов электролиза, например вакуумным насосом, и линию отвода продуктов электролиза отводят потребителю. Для разделения кислородно-водородной смеси на водород и кислород в установке может быть предусмотрен сепаратор, из которого разделенные газы направляют к потребителям водородного топлива и кислорода. Вода по технологической линии из резервуара 20 поступает в установку через патрубок 7. Установка состоит из станины 1, на котором крепится электропривод и все основные узлы установки. В установке предусмотрен хомут 2 для центровки вала электроприводе 5 с ротором.
Внутри полого статора (корпус установки), который закреплен с общим корпусом 4 установки, крепится ротор, вал которого соединен с валом электроприводом 3 с помощью муфты 6. Ротор включает в себя электроды противоположной полярности. Электроды представляют собой первую группу колец-электродов 24, жестко закрепленных в полом статоре 8 коаксильно снаружи, а электроды противоположной полярности предоставляют собой вторую группу колец-электродов 25, электрически связанных между собой и закрепленных жестко на валу 26 с поперечным межэлектродным зазором 27 относительно колец-электродов 24 первой группы. В совокупности кольца-электроды 24 и 25 образуют множество электродных пар, выполненных из электрически связанных между собой и соединенных между собой в радиальном направлении секторов, на поверхностях которых выполнено множество открытых и сквозных каналов, частично соединенных между собой, различной конфигурации. Каждый из секторов выполнен из магнитного токопроводящего материала. Между собой одноименные секторы жестко соединены, например с помощью клеевого соединения. Каждое кольцо-электрод 24, 25 выполнено из четного количества секторов, по меньшей мере равного четырем, и выбирается в зависимости от скорости вращения ротора. При этом каждая кольцевая полость в поперечном сечении имеет П-образную форму.
На оппозитных поверхностях оппозитных секторов первой и второй группы колец-электродов выполнены сквозные и открытые каналы, в совокупности
образующие в каждом кольце каждой группы поперечный и кольцевой канал для обработки исходного продукта, а каждый поперечный и кольцевой канал в поперечном сечении имеет круговую форму. Для получения чистого кислорода и водорода поверхностные канальные группы обеспечивают возможность проведения катализа по водороду и кислороду. Можно отдельно применять для очистки кислорода на выходном сквозном канале мембрану.
Установка имеет переходную муфту 11 и канал 12 для передачи продуктов электролиза потребителю. В установке имеется опора 13, в которую входят подшипниковые узлы и корпусные диски 14 ротора, в которых имеются сквозные каналы подачи исходного продукта и вывода продуктов электролиза.
Образовавшиеся пространственные заряды размещены в каналах электродной поверхности. За счет вращения ротора в его каналах происходит образование вихревых потоков и вихревых токов, энергия которых зависит от скорости вращения ротора, размеров канала, их количества и пространственной поверхности (см. Фиг.4-19).