Получение водорода из перегретого пара – Способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой

Содержание

Способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой

Область техники.

Уровень техники.

Известны способы разложения воды на водород и кислород методом низкоамперного электролиза с применением для его осуществления импульсно-резонансного тока высокого напряжения. Наиболее известный способ — это электрическая водородная ячейка Мейера (патент США №4936961, 1990 г.). Известен способ получения водорода и кислорода из пара воды, включающий пропускание этого пара через электрическое поле, отличающийся тем, что перегретый пар воды с температурой 500-550°C пропускают через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделения его на атомы водорода и кислорода. Патент РФ RU 2142905, автор Ермаков В.Г. Этот способ основан на следующем: электронная связь между атомами водорода и кислорода ослабевает пропорционально повышению температуры воды; температура воспламенения водорода от 580 до 590°C, разложение воды должно быть ниже порога зажигания водорода; электронная связь между атомами водорода и кислорода при температуре 550°C ослаблена, и орбиты электронов уже искажены, для того, чтобы электроны сошли со своих орбит, и атомная связь между ними распалась, нужно электронам добавить энергию электрического поля высокого напряжения. В камере разложения перегретого пара электрическое поле создается положительным и отрицательным электродами, на которые подается постоянный ток, с напряжением 6000 B. Положительным электродом служит корпус камеры /труба/, а отрицательным электродом служит стальная труба, смонтированная по центру корпуса. Наиболее близким из аналогов к предлагаемому изобретению является патент РФ RU 2142905 автора Ермакова В.Г., который и выбран как прототип.

Недостатки.

Электрические водородные ячейки Мейера малопроизводительны, потому что в них нет механизма эффективного отвода молекул газа с электродов. Недостатком прототипа (патент РФ RU 2142905) является громоздкость установки и в связи с тем, что диссоциация пара и разделение его на атомы водорода и кислорода осуществляется под воздействием только электрического поля постоянного тока высокого напряжения, низкая производительность.

Цель изобретения.

Целью изобретения являются повышение производительности установки и уменьшение ее габаритов для более широкого применения способа, а также получение более дешевого источника энергии и тепла. Это достигается благодаря тому, что в способе получения водорода и кислорода из пара воды, при пропускании перегретого пара с температурой 500-550°C через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения, согласно изобретению перегретый пар одновременно пропускают через электрическое поле и через гравитационное (инерционное) поле, создаваемое самим паром при его движении в электрической гравитационной водородной ячейке, вызывая тем самым более интенсивное разделение его на атомы водорода и кислорода и сепарирование смеси водорода с кислородом.

Для создания гравитационного (инерционного) поля электрическая гравитационная водородная ячейка выполнена в виде набора дисковых пластин с центральным отверстием, выполняющих функции электродов (катод и анод) и направляющих для движения пара воды по винтовой траектории, и собранных таким образом, что дисковые пластины образуют двойной шнек, при этом одноименные (четные, нечетные) дисковые пластины соединены между собой и электрически изолированы от разноименных. Пар, пропускаемый через электрическую гравитационную водородную ячейку, внутри ячейки движется между дисками (катодом и анодом) вихреобразно по винтовой траектории, создавая гравитационное (инерционное) поле.

Сущность изобретения и его отличительные (от прототипа) признаки.

На фигуре 1 изображена схема установки для получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой. На фигуре 2 изображен продольный разрез электрической гравитационной водородной ячейки.

На фигуре 3 изображен поперечный разрез пакета дисковых пластин электрической гравитационной водородной ячейки в районе зазора между пластинами.

Как показано на рисунках, заявляемый способ и схема содержит: электрическую гравитационную водородную ячейку 1; охладитель 2 водорода и охладитель 3 кислорода; компрессор 4 водорода и компрессор 5 кислорода; электродвигатель 6, являющийся приводом компрессоров 4 и 5; аккумулирующий баллон 7 водорода и аккумулирующий баллон 8 кислорода; парогенератор 9 с камерой сгорания, не указанной на схеме и горелкой 10; клапан 11, регулирующий подачу пара в электрическую гравитационную водородную ячейку 1; клапан 13, подающий пар на потребители. Электрическая гравитационная водородная ячейка 1 соединена трубопроводами 12, с одной стороны с камерой сгорания парогенератора 10 через клапан 11, а с другой стороны с охладителем 2 водорода и охладителем 3 кислорода, которые соединены соответственно с компрессором 4 водорода и компрессором 5 кислорода. Компрессор 4 соединен трубопроводом 12 с аккумулирующим баллоном 7 водорода, а компрессор 5 с аккумулирующим баллоном 8 кислорода. Аккумулирующие баллоны 7, 8 соединены трубопроводами 12 с горелкой 10 парогенератора 9. Электрическая гравитационная водородная ячейка 1 содержит: корпус ячейки 14 и дисковые пластины 15 с разрезом 18; трубу 16 с отверстиями по образующей для свободного входа вовнутрь водорода; изоляторы 17, изолирующие пакет дисковых пластин от корпуса; штоки 19, на которые монтируются отдельно четные и нечетные дисковые пластины; изоляторы 20, изолирующие друг от друга четные и нечетные дисковые пластины. Дисковые пластины 15, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали, имеют разрез 18, центральное отверстие для монтажа в нем трубы 16, шесть отверстий с диаметром 4-6 мм для монтажа пластин на шток 18 мм и шесть отверстий с диаметром 10 мм для прохождения в них штоков 19 с изолятором 20. Отверстия расположены по окружности и под углом 120°, по три отверстия каждого размера в районе внешнего диаметра диска и по три отверстия каждого размера в районе внутреннего диаметра. Пакет дисковых пластин, выполняющих функции электродов (катод и анод) и направляющих для движения пара воды по винтовой траектории, и собранных таким образом, что дисковые пластины образуют двойной шнек, при этом одноименные (четные, нечетные) дисковые пластины соединены между собой и электрически изолированы от разноименных. Шаг шнеков определяется по формуле S=δ+2×C, где S — шаг шнека, δ — толщина диска равная 0,8÷1,5 мм, С — зазор между дисковыми пластинами равный 1,0÷4,5 мм. Винтовая форма дисковой пластины 15, которую имеет шнек, достигается фиксацией дисковой пластины 15 в отверстиях меньшего размера в определенных по высоте местах на штоках 19, жестко фиксированных относительно корпуса 14. Штоки 19, соединяющие одноименные дисковые пластины (четные или нечетные), обеспечивают электрическую связь между ними. Штоки 19 первого шнека проходят через дисковые пластины 15 второго шнека через изолятор 20, установленный в отверстие большего диаметра дисковой пластины 15 второго шнека и обеспечивающий изоляцию четной дисковой пластины 15 и нечетной. Прохождение штоков 19 второго шнека через дисковые пластины 15 первого шнека аналогично. К штокам 19 подводится постоянный (или импульсный резонансный, или последовательно постоянный и импульсно-резонансный) ток высокого напряжения от известных типов генераторов. Схема установки работает следующим образом: водород и кислород, находящийся в аккумулирующем баллоне 7 и аккумулирующем баллоне 8, подается через горелку 10 в камеру сгорания парогенератора 9. Соответствующее количество газов регулируется горелкой 10 известными способами. В камере сгорания смесь газов сгорает при температуре 2500-3000°C и в соответствии с формулой 2H

2+O₂=2H₂O превращается в водяной пар. Вода, находящаяся в парогенераторе 9, отбирает тепло сгорания, охлаждает образовавшийся водяной пар и преобразуется сама в пар с определенными параметрами. Когда температура водяного пара в камере сгорания парогенератора 9 снизится до 600°C, клапан 11 открывает доступ пару в электрическую гравитационную водородную ячейку 1. Внутри ячейки пар движется между дисками (катодом и анодом) вихреобразно по винтовой траектории, создавая гравитационное (инерционное) поле. Центробежные силы гравитационного поля отбрасывают кислород на периферию электрической гравитационной водородной ячейки 1, а центростремительные силы гравитационного поля притягивают водород к ее центру. Компрессор 4 через охладитель 2 всасывает водород из электрической гравитационной водородной ячейки 1 и нагнетает его в аккумулирующий баллон 7. Компрессор 5 через охладитель 3 всасывает кислород из электрической гравитационной водородной ячейки 1 и нагнетает его в аккумулирующий баллон 7. Далее цикл повторяется. Пар, произведенный в парогенераторе 9, может быть отобран через клапан 13 и использован в потребителях различного назначения. В случае необходимости использовать водород и кислород для других целей, их отбор производится непосредственно из аккумулирующих баллонов 7 и 8. В этом случае через клапан 11, регулирующий подачу пара, поступает необходимое дополнительное количество его от парогенератора 9.

edrid.ru

ВОДОРОД ВМЕСТО УГЛЕВОДОРОДОВ | Наука и жизнь

Водород — самое экологически чистое топливо на Земле: при его сгорании образуется только вода. В качестве энергоносителя водород можно использовать для получения электричества и тепла в промышленности, в быту, на транспорте. В частности, с помощью водородных топливных элементов, в которых происходит прямое преобразование химической энергии в электричество, уже созданы опытные образцы электромобилей (см. «Наука и жизнь № 8, 2003 г.). Существует также много способов безопасного хранения и транспортировки водорода. А не нанесут ли вреда природе технологические процессы получения водорода?

В настоящее время водород в промышленных масштабах получают паровой конверсией метана (природного газа). При температуре 750-850^оС в присутствии водяного пара метан и вода расщепляются на водород и монооксид углерода, затем при 200-250°С происходит превращение монооксида углерода и воды в водород и диоксид углерода. Оба процесса эндотермические, и для их поддержания приходится сжигать около половины объема исходного газа, из-за чего экологический эффект оказывается очень низким.

Предлагается использовать для нагрева и подвода тепла высокотемпературные ядерные реакторы с гелиевым теплоносителем. Таким образом можно экономить углеводородное сырье и поставлять на рынки развивающихся стран водородное топливо вместо ядерных реакторов.

Дальнейшее развитие атомно-водородной энергетики пойдет по пути использования в качестве сырья не метана, а воды. Здесь могут быть использованы электролиз, а также термохимические и комбинированные методы получения водорода.

Известный способ термического разложения воды, которое происходит при температуре 2500°С, вряд ли применим, поскольку сложно предотвратить последующую рекомбинацию молекул воды. Однако возможен термохимический процесс разложения воды при температурах порядка 1000°С в присутствии соединений брома и йода. Правда, здесь требуется подведение тепла, и кпд составляет около 50%. На отдельных стадиях процесса наряду с термическим воздействием используется электролиз.

Электролитический водород получить проще всего, но экономически это невыгодно: на получение одного кубометра водорода требуется 4,8 киловатт-часа энергии. Если проводить электролиз перегретого пара, то эффективность процесса повышается, и на получение кубометра водорода уходит около 2,5 киловатт-часа.

В настоящее время «Курчатовский институт» и американская компания «GA» совместно разрабатывают очень перспективный проект газовой турбины-модульного гелиевого реактора. При генерации электричества с использованием прямого газотурбинного цикла можно достичь кпд, равного 50%.

www.nkj.ru

способ получения водорода из воды — патент РФ 2521632

Изобретение может быть использовано в химической промышленности и при изготовлении стационарных и транспортных источников топлива. Восстанавливают оксид железа путем его термолиза при нагреве инертным газом с получением кислорода при температуре выше 1200°C и давлении выше 0.1 МПа. Затем железо окисляют потоком водяного пара, нагреваемым инертным газом, в емкости, попеременно заполняемой нагретыми инертным газом и водяным паром. Адсорбцией, или мембранным, или электрохимическим разделением выделяют водород как конечный продукт из потока водяного пара, а также кислород из потока инертного газа. Цикл окисления и восстановления оксида железа ведут в параллельных переключаемых секциях, соединенных по инертному газу и водяному пару. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2521632

Изобретение относится к способу получения водорода из воды и может быть использовано в химической промышленности, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии и как источник топлива в транспортных и стационарных энергоустановках.

С начала 20-го века основная технология производства водорода из воды была основана на т.н. железо-паровом методе, по которому пар при 500-1000°С пропускают над железом: 3Fe+4Н₂О Fe₃O₄+4Н₂+160,67 кДж. Получаемый этим методом водород обычно используют для гидрогенизации жиров и масел. Состав оксида железа зависит от температуры процесса; при <560°С преобладает Fe₃O₄, выше 560°С возрастает доля FeO. Поскольку восстановление исходного железа из образовавшихся оксидов железа обычно проводили коксом, углем или водяным газом (смесь СО и H₂), то небольшую примесь СО в производимом водороде удаляли, пропуская нагретую смесь Н₂+СО над катализатором. При этом СО превращается в метан СН₄.

Известен способ получения водорода, включающий взаимодействие водяного пара с элементарным железом и/или с его низшим окислом в кипящем слое при 500-650°С, давлении 0.1-0.4МПа, регенерацию образующихся окислов железа контактированием их с твердым углеродосодержащим материалом при 800-1100°С с получением газов регенерации и восстановленных окислов железа и возврат последних на стадию взаимодействия, газы регенерации возвращают на стадию регенерации [патент РФ № 1125186, МПК С01В 3/10, опубл. 23.11.1984 г., БИ № 43, «Способ получения водорода», авторы Лебедев В.В. и др.]. Недостатками способа являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также расход твердого углеродосодержащего материала.

Известен также способ получения водорода, заключающийся в конверсии перегретого насыщенного водяного пара в реакторе с электродами, отличающийся тем, что в реактор периодически вводят железную проволоку, которую пропускают между электродами в среде перегретого насыщенного водяного пара, на электроды периодически подают электрический разряд напряжением 45 кВ и периодически производят взрыв проволоки на мельчайшие жидкие частицы металла, которые вступают в реакцию с парами воды, образуя окислы железа и газообразный водород [патент РФ № 2424973, МПК С01В 3/10, опубл. 27.07.2011, Бюл. № 21, «Способ получения водорода», авторы Носырев Д.Я., Плетнев А.И. — прототип]. Недостатками способа также являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также необходимость производства железной проволоки и электроэнергии высокого напряжения.

В патенте RU 2415072, опубл. 27.11.2010, изложен способ получения газообразного водорода из состава, предназначенного для получения газообразного водорода, включает в себя по весу 40-70% окиси кальция (СаО) в виде порошка, 2-20% хлорида кальция (CaCl₂), хлорида магния (MgCl₂) или бикарбоната натрия (NaHCO₃) в виде порошка, 6.7-30% алюминия или окиси алюминия (Al₂O₃ ) в виде порошка и 0.001-10% железа или магния в виде порошка, при котором 56 граммов окиси кальция (СаО) и 2 моля, то есть 36 граммов, воды (Н₂О) вступают в реакцию для получения 2 граммов газообразного водорода (Н₂). Объем 2 граммов газообразного водорода составляет 22,4 литра при температуре 0°С и 1 атмосфере (нормальное состояние), и, следовательно, 35,7 грамма (примерно 400 литров) газообразного водорода будет выработано из 1 кг окиси кальция. Недостатками способа также являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также расход твердого материала — окиси кальция (СаО). Для разложения (восстановления) оксидов металлов (кальций, цинк, марганец, железо, церий) предлагались различные солнечные печи, см., например, Thermodynamic Analysis of Cerium-based Oxides for Solar Thermochemical Fuel Production, Scheffe J., Steinfeld A. Energy & Fuels, Vol.26, pp.1928-1936, 2012, однако недостатком таких печей является крайне низкая объемная производительность, связанная с прохождением реакции разложения, в основном, на освещаемой солнцем поверхности, что ограничивает сферу применения такой технологии. Недостатком также является и необходимость поддержания крайне низкого давления в печи в связи с необходимостью применения кварцевого стекла для пропускания солнечной энергии внутрь печи.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать новый способ, позволяющий снизить тепловые затраты на процесс разложения воды, а также повысить производительность и экономичность технологии получения водорода.

Поставленная задача решается тем, что:

предложен способ получения водорода из воды, в котором проводят цикл окисления и восстановления оксида железа с получением водорода при окислении железа водяным паром, водород выделяют как конечный продукт из потока водяного пара, при этом восстановление оксида железа ведут путем его термолиза при нагреве инертным газом с получением кислорода, после чего железо окисляют потоком водяного пара, нагреваемым инертным газом, и его окисление водяным паром ведут в емкости, попеременно заполняемой нагретыми инертным газом и водяным паром.

Кроме того:

— нагрев инертного газа ведут в плазменной струе, или электронагревателями, или методом индукционного нагрева, или нагревом солнечной или ядерной энергией, или продуктами сгорания органического топлива,

— восстановление оксида железа ведут при температуре выше 1200°C и давлении выше 0.1 МПа, после чего выделение кислорода из потока инертного газа ведут адсорбцией, или мембранным или электрохимическим разделением,

— давление водяного пара выбирают в диапазоне от 0.1 до 1.0 МПа,

— часть тепла, необходимого для нагрева инертного газа, отводят от восстановленного оксида железа,

— отделение водорода от водяного пара после окисления железа ведут за счет адсорбции, или конденсации водяного пара, или мембранного разделения или электрохимическим процессом,

— путем регенеративного теплообмена изменяют температуры потоков инертного газа и водяного пара на входе и выходе из цикла окисления и восстановления оксида железа,

— цикл окисления и восстановления оксида железа ведут в параллельных переключаемых однородных по конструкции секциях, соединенных по инертному газу и водяному пару,

— в качестве инертного газа выбирают гелий, или аргон, или азот, или криптон или их смеси.

На чертеже дана одна из возможных схем реализации указанного способа, где 1 — нагретый гелий, 2 — термолизер, 3 — гелий-кислородная смесь, 4 — отделитель кислорода, 5 — кислород, 6 — охлажденный гелий, 7 — водяной пар, 8 — смесь водяного пара и водорода, 9 — регенеративный теплообменник нагрева водяного пара, 10 — отделитель водорода, 11 — водород, 12 — регенеративный теплообменник нагрева гелия, 13 — отбор тепла от оксида металла.

Примером реализации изобретения служит способ получения водорода из воды, описанный ниже.

В излагаемом примере осуществления изобретения предлагается, в качестве примера, использовать гелий 1 в качестве инертного газа и процесс термолиза оксидов железа: Fe₂O₃ 2FeO+1/2O₂ (термолиз свыше 1300-1400°C) для получения кислорода 5.

Как известно, для реакций типа FeO_x+H₂O Fe₂O₄ (или Fe₂O₃ )+H₂ (технология типа HyGas) окисление Fe (или FeO_x) идет по зависимости:

w²t^-1=2.4·10¹⁴ exp(-84300/RT), где

w — приращение веса металла вследствие его окисления (г/м²).

Такой параболический характер имеют гетерогенные реакции, лимитируемые диффузией в конденсированной фазе. Аналогичный характер имеет и зависимость разложения гематита, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам окисления вюстита до гематита в термолизере 2 с получением смеси водяного пара и водорода 8 из водяного пара 7, подаваемого в термолизер 2.

На первой стадии процесса гелий 1, нагретый до температуры 1500°C, поступает в термолизер 2, заполненный оксидом железа в основном в форме гематита, и, нагревая гематит до температуры 1300-1400°C, разлагает его до вюстита и кислорода, который смешивается с гелием и выводится из термолизера 2 в виде охлажденной до 1000-1100°C гелий-кислородной смеси 3, поступающей, например, в высокотемпературный электрохимический отделитель кислорода 4, в котором за счет кислородной диффузии через керамический электролит производят отделение кислорода 5 от потока гелия 6, поступающего на повторный нагрев (на чертеже не показано). В высокотемпературном электрохимическом отделителе кислорода 4 при подводе электрической энергии осуществляют подачу гелий-кислородной смеси 3 на вход катодного пространства высокотемпературного электрохимического процесса, в то время как кислород выделяют в анодном пространстве, отделенном от катодного электролитическим слоем, выполненном из кислородпроводящей керамики, например, SrFeCo_0.5O_3.25-, как она описана в Department of Chemistry, University of Houston, Houston, TX 77204-5641, USA, Solid State lonics DOI: 10.1016/S0167-2738(98)00106-4, т.е. такой материал, который имеет высокий уровень ионной проводимости и сравнимый (или больший) уровень электронной проводимости. Акцепторное допирование катионной подрешетки обеспечивает появление вакансий кислорода и, следовательно, обеспечивает высокие значения кислородно-ионной проводимости, а наличие в структуре элемента, способного к легкой смене степени окисления — высокую электронную проводимость. Можно предложить в качестве перспективных материалов также некоторые составы твердых растворов, например CaTi_0.8Fe_0.2O_3-. Выделение кислорода 5 из потока гелий-кислородной смеси 3 целесообразно также проводить адсорбцией, мембранным разделением, однако в этих вариантах исполнения температура гелий-кислородной смеси 3 должна быть понижена до 200-300°С, что может достигаться либо регенеративным нагревом гелия 1, поступающего в термолизер 2, либо нагревом водяного пара 7. Регенеративные теплообменники 12 и 9 нагрева входящих потоков гелия 1 и водяного пара 7 соответственно, ведут нагрев за счет выходящих потоков гелий-кислородной смеси 3 и смеси водорода и водяного пара 8 соответственно. Кроме того, частично поток входящего гелия 1 может нагреваться за счет отбора тепла 13 от секции термолизера 2, в которой проведено восстановление оксида металла.

На второй стадии прекращают подачу гелия 1 в термолизер 2, внутрь которого подают поток водяного пара 7, нагретый до температуры 400-800°С. Водяной пар 7 при взаимодействии с оксидом железа в основном в форме вюстита окисляет последний до гематита с образованием водорода, смешивающегося с потоком водяного пара, выводимого из термолизера 2 в виде смеси водорода с потоком водяного пара 8, поступающей на отделение водорода 11, например, в высокотемпературный электрохимический отделитель водорода 10, в котором при подводе электрической энергии осуществляют подачу смеси водорода с потоком водяного пара 8 на вход анодного пространства высокотемпературного электрохимического процесса, в то время как смеси водорода выделяют в катодном пространстве, отделенном от анодного электролитическим слоем, выполненном из протонпроводящей керамики, например, SrCeO₃, обладающей высокотемпературной протонной проводимостью, как доминирующей характеристикой электролита. Для SrCeO₃, допированного Y, Sc, In, РЗЭ получены высокие величины протонной проводимости при 600-1000°С [Uchida H., Maeda N., Iwahara H. Relation between proton and hole conduction in SrCeO₃ — based solid electrolytes under watercontaining atmospheres at hift temperatures // Solid State lonics. 1983. V.11. N2. P.117-124]. Электролиты были испытаны в ячейках, составляющих основу ряда высокотемпературных электрохимических устройств, и показали хорошие характеристики. Отделение водорода от водяного пара 7 возможно проводить также за счет адсорбции, конденсации водяного пара или мембранного разделения смеси водорода с потоком водяного пара 8 в аппарате выделения водорода 10 с получением продукционного водорода 11.

Нагрев гелия 1 ведут в плазменной струе, либо электронагревателями, либо методом индукционного нагрева, либо нагревом солнечной или ядерной энергией, либо продуктами сгорания органического топлива, на чертеже не показано. Помимо оксидов железа в термолизере 2 в качестве металла можно применять также сплавы на основе металлов, выбранных из группы олово, индий, галлий, марганец, хром, титан, медь, церий, цинк, алюминий, цирконий, свинец, ванадий, рутений, их смеси или соединения. Оксиды железа, гематит (FeO_1.5), магнетит (FeO_1.33) и вюстит (FeO_1.1) имеют особенности плотноупакованной структуры ионов кислорода, могут образовывать шпинели, в частности для вюстита различные Fe/O отношения могут дифференцироваться что, как правило, обозначается Fe_1-O (с 0.05< <0.17). Вюстит может содержать 23.1-25.6% масс. кислорода. Гидролиз вюстита (FeO) ограничен из-за образования магнетита Fe₃O₄, играющего роль диффузионного барьера Такие компоненты, как Mn, Cr, Ti, Cu, Pb, V и Al, могут быть добавлены для повышения производительности, а добавки Al, Cr, Zr, Ga и V оказывают положительное влияние на окислительно-восстановительное поведение оксидов железа, вероятно, потому что водород активируется добавками или повышает диффузию кислорода в железе (оксидах).

Нагрев водяного пара 7 с давлением в диапазоне от 0.1 до 1.0 МПа перед подачей на окисление металла в термолизер 2 ведут помимо регенеративного нагрева в теплообменнике 9 также и с помощью, например, нагретого инертного газа 6, выходящего из отделителя 4, до температур 400-800°С с помощью отдельного теплообменника (на чертеже не показан) через герметичные теплообменные поверхности.

Цикл окисления и восстановления оксида металла ведут в параллельных переключаемых однородных по конструкции секциях термолизера 2, соединенных по гелию 1 и водяному пару 7 таким образом, чтобы поток гелия 1 поочередно переключался на подачу в соседние секции термолизера 2, в которых уже завершилось окисление оксида металла, а именно в излагаемом примере исполнения — окисление вюстита до гематита. Помимо гелия 1 в качестве инертного газа выбирают также аргон, азот, криптон или их смеси.

Ниже представлен расчет теплового баланса реализации способа:

1. Q термолиза гематита (до вюстита: Fe₂ O₃ 2FeO+1/2О₂): 342.8 кДж/моль Fe₂O₃

2. Q нагрева/охлаждения гематита/вюстита (900 1500°С): С_р.гем^средн× Т=1 кДж/кг·К×600 К=0.6 МДж/кг Fe₂O₃/

С_р.вюст^средн× Т=0.73 кДж/кг·К×600 К=0.44 МДж/кг FeO

3. Q на испарение и нагрев водяного пара (1 МПа) до 1100°С: 2.26+2.17×(1100-180)=4.26 МДж/кг H₂O

4. Принимая расходную массу гематита и водяного пара на 1 кг производимого водорода, равными:

mFe₂ O₃=100 кг, что, соответственно, в 1.25 раза больше стехиометрического расхода (степень конверсии при термолизе-80%), масса вюстита: mFeO=72 кг и смеси вюстит/гематит (после термолиза): mFe_xO_y=92 кг, mH₂O=13.5 кг, что, в свою очередь, в 1.5 раза больше стехиометрического расхода, в соответствии с ожидаемой степенью конверсии пара (60-70% по данным Production of Synthesis Gas and hydrogen by the Steam-Iron Process: Pilot Plant Study of Fluidized and Free-Falling Beds, Gasior, S.J., Fomey, A.J., Field, J.H., Bienstock, Daniel, Benson, H.E.,U.S. DoI, Bureau of Mines, R.I. 5911,1961), получим общие затраты тепла (в приведении к 1 кг водорода):

— на проведение реакции термолиза: 171.2 МДж,

— на нагрев гематита: 0.6×100=60 МДж,

— на получение и нагрев водяного пара: 4.26×13.5=57.5 МДж.

Из них затраты на производство и нагрев водяного пара покрываются за счет охлаждения вюстита от температуры термолиза гематита (1500°С) до рабочей температуры генерации водорода (1100°С), что дает 0.76×600×92=41.7 МДж, а также за счет охлаждения потока водяного пара (4.5 кг) и водорода (1 кг) от 1100°С до 180°С, что дает 2×4.5+14.55×0.92=21.88 МДж и охлаждения потока кислорода (8 кг) от температуры термолиза (1500°С) до 180°С (в варианте термолизера с передачей тепла через стенку), что дает 1520×1×8=12.16 МДж, из которых 4.8 МДж может быть использовано для нагрева гематита перед термолизом, с соответствующим уменьшением затрат тепла, покрываемых нагретым гелием.

Таким образом, от энергоисточника с помощью гелиевого теплоносителя расход тепла составит 171.2+(60-4.8)=226.4 МДж.

Соответствующая общая эффективность процесса получения водорода из воды составит: 143/226.4=63%.

Такой показатель эффективности получения водорода из воды превышает все известные термохимические технологии.

При достигнутой объемной скорости водяного пара в реакционном объеме 300 1/ч и в расчете на мощность 1 МВт объем реактора-термолизера займет при плотности водяного пара 0.5 кг/м³:

1 МВт/226.4 МДж×3600×9/0.5/300=0.95 м^3.

Суммарный процесс разложения воды в предложенном изобретении описывается реакцией (H₂ O 1/2O₂+Н₂), в которой удается получить из воды водород и кислород высокой чистоты с необходимым для дальнейшего использования давлением. Таким образом, в предложенном изобретении удалось снизить тепловые затраты на процесс разложения воды, а также повысить производительность и экономичность технологии получения водорода, эффективно использовать энергетический потенциал высокотемпературных энергоисточников, в том числе ядерных, что позволяет рассчитывать на высокую экономическую эффективность. Полученные продукты разложения воды — газообразные водород и кислород могут затем использовать в химической промышленности и металлургии для переработки углеводородов, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии и как топливо в транспортных и стационарных энергоустановках.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения водорода из воды, в котором проводят цикл окисления и восстановления оксида железа с получением водорода при окислении железа водяным паром, водород выделяют как конечный продукт из потока водяного пара, отличающийся тем, что восстановление оксида железа ведут путем его термолиза при нагреве инертным газом с получением кислорода, после чего железо окисляют потоком водяного пара, нагреваемым инертным газом, и его окисление водяным паром ведут в емкости, попеременно заполняемой нагретыми инертным газом и водяным паром.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев инертного газа ведут в плазменной струе, или электронагревателями, или методом индукционного нагрева, или нагревом солнечной или ядерной энергией, или продуктами сгорания органического топлива.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление оксида железа ведут при температуре выше 1200°C и давлении выше 0.1 МПа, после чего выделение кислорода из потока инертного газа ведут адсорбцией, или мембранным или электрохимическим разделением.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление водяного пара выбирают в диапазоне от 0.1 до 1.0 МПа.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть тепла, необходимого для нагрева инертного газа, отводят от восстановленного оксида железа.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделение водорода от водяного пара после окисления железа ведут за счет адсорбции, или конденсации водяного пара, или мембранного разделения или электрохимическим процессом.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что путем регенеративного теплообмена изменяют температуры потоков инертного газа и водяного пара на входе и выходе из цикла окисления и восстановления оксида железа.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что цикл окисления и восстановления оксида железа ведут в параллельных переключаемых однородных по конструкции секциях, соединенных по инертному газу и водяному пару.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа выбирают гелий, или аргон, или азот, или криптон или их смеси.

www.freepatent.ru

Комаров С.Г. Паро-водородно-кислородный генератор с поршневым двигателем

Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/05/822 (дата обращения: 07.02.2019).

Комаров С. Г., независимый исследователь, электромеханик

Представлен анализ конструкции и работы паро-водородно-кислородного генератора, создающего из воды в требуемом количестве на текущий момент времени паро-водородно-кислородное топливо, работающего в совокупности с поршневым двигателем, который, в свою очередь, преобразует реакцию между водородом и кислородом в присутствии водяного пара в пределе мягкой взрываемости в быстрый подъём температуры, с расширением после взрыва (сгорания топлива) перегретого пара в рабочей камере цилиндра двигателя, обеспечивающего возвратно-поступательное движение поршня и механическую работу вращающегося коленчатого вала.

На рисунке представлена упрощённая блок-схема паро-водородно-кислородного генератора с поршневым двигателем.

Паро-водородно-кислородный генератор состоит из первичного образователя пара в составе ёмкости ПОП под воду В и пар П, соединённой токоизолирующими трубопроводами ИТ через управляемые вентили В2 и В3 с электропроводным трубчатым индуктором ТИ (соленоидом), который запитывается током повышенной частоты (порядка 10 кгц и более) от специального управляемого генератора Г, работающего от аккумуляторной батареи; вертикального перегревателя пара ВПП, нагревателя (догревателя) первичного пара НП, отделителя гремучего газа ОГГ от пара и смесителя гремучего газа с паром СМ.

В камере вертикального перегревателя пара ВПП наиболее эффективно применим индукционный электронагреватель (трубчатый индуктор ТИ), действующий путём возбуждения тока в платинированных по поверхности железных стержнях (с температурой плавления 1565 градусов Цельсия), помещённых в изолирующую специальную керамику (типа карборунда, с температурой плавления 2700 градусов) с отверстиями, как для размещения в них железных стержней, так и для прохождения и перегрева пара до температуры в пределе 1100 – 1450 градусов, и размещения в них мелкораздробленного палладия, насыщенного в промышленных условиях водородом (температура плавления платины 1769 градусов, палладия 1552 градуса).

Трубчатый индуктор ТИ (из металла) исходно заполнен водой из ёмкости ПОП первичного образователя пара через изолирующие трубопроводы ИТ и дистанционно управляемые вентили В2, В3. Одна часть ёмкости ПОП первичного образователя пара заполнена водой В, а другая её часть – образуемым первичным паром П.

Выход вертикального перегревателя пара ВПП образует трубчатый змеевик З в ёмкости нагревателя (догревателя) пара НП, в свою очередь соединённой входом через вентиль В4 с выходом ёмкости ПОП первичного образователя пара, а выходом – с входом вертикального перегревателя пара ВПП.

Выход змеевика З соединён через высокое колено (на рисунке не показано) с входом отделителя гремучего газа ОГГ от пара (чтобы вода отделителя гремучего газа ОГГ не попадала в змеевик З). В ёмкость отделителя гремучего газа ОГГ от пара через вентиль В1 принудительно подаётся вода в режиме периодической подпитки и обновления (обратная связь не показана). Образующийся в ёмкости отделителя гремучего газа ОГГ от пара гремучий газ поступает через первую форсунку в смеситель СМ, в который через вторую форсунку поступает через вентиль В5 также пар с выхода ёмкости ПОП первичного образователя пара. Выход смесителя СМ гремучего газа с паром соединён через предохранительный клапан ПК с вводом подачи горючей смеси в поршневой двигатель ПД.

Ёмкость ПОП первичного образователя пара в части заполнения водой соединена с плунжерной подачей ПП воды через свой клапан для обеспечения постоянного уровня воды в ёмкости ПОП.

Ёмкости отделителя гремучего газа ОГГ от пара и ПОП первичного образователя пара снабжены датчиками контроля должного в них количества воды, которые соединены с входами специализированного микропроцессора, обеспечивающего по заданной программе подпитку этих ёмкостей водой через управляемый вентиль В1 и клапан плунжерной подачи воды ПП. Теплоизоляция паро-водородно-кислородного генератора на рисунке не показана.

Работает паро-водородно-кислородный генератор следующим образом.

По правилу сообщающихся сосудов вода из ёмкости ПОП поступает в трубчатый индуктор ТИ. Включается генератор Г, который трубчатым индуктором ТИ превращает воду в пар, поступающий в паровую часть ёмкости ПОП первичного образователя пара, обеспечивая необходимое давление пара. Под давлением пар далее поступает через вентиль В4 в ёмкость догревателя пара НП и через вентиль В5 во вторую форсунку смесителя СМ. С ёмкости догревателя пара НП пар поступает на ввод вертикального перегревателя пара ВПП до температуры порядка 1100 – 1450 градусов Цельсия. Перегретый пар в вертикальном перегревателе пара ВПП с продуктами диссоциации пара поступает в змеевик З, обеспечивающий с одной стороны подогрев первичного пара в ёмкости НП, а с другой стороны охлаждение пара вертикального перегревателя пара ВПП до температуры ниже 1000 градусов Цельсия, при которой прекращается образование продуктов диссоциации пара. Далее пар с продуктами диссоциации проходит в ёмкость с водой отделителя гремучего газа ОГГ от пара, а отделённый гремучий газ поступает в первую форсунку смесителя См гремучего газа с первичным паром, поступающим во вторую форсунку смесителя СМ.

Стартёром раскручивается коленчатый вал поршневого двигателя ПД. При этом поршневой двигатель ПД работает как поршневой насос (без подачи напряжения зажигания), чем самым обеспечивается удаление из паро-водородно-кислородного генератора и поршневого двигателя ПД атмосферного воздуха. После чего в двигатель ПД начинает поступать от смесителя СМ через предохранительный клапан ПК паро-водородно-кислородное топливо и подаётся напряжение зажигания от высоковольтного импульсного генератора.

Основной частью двигателя ПД является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание паро-водородно-кислородного топлива – горючей смеси. Поскольку поджигание такой горючей смеси в цилиндре двигателя с применением обычно используемой свечи зажигания неэффективно (из-за присутствия пара), то каждый из цилиндров должен быть выполнен из специальной керамики, обладающей большой химической стойкостью, прочностью, износостойкостью, тугоплавкостью и отсутствием электропроводности.

Внутри цилиндра может передвигаться поршень, представляющий собой полый стальной (а лучше титановый), с одной стороны закрытый (днищем поршня) цилиндр, опоясанный пружинящими кольцами. Поршень в конечном счёте кинематически связан с коленчатым валом. Электропроводное днище поршня представляет собой как бы первую обкладку электрического конденсатора (пока цилиндр не заполнен горючей смесью).

Головка (верхняя часть) цилиндра, в котором помещается поршень, сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через первый канал – впускной – подаётся горючая смесь. Через второй – выпускной выбрасываются продукты сгорания (водяной пар) в рабочем режиме двигателя.

Клапаны первого и второго каналов открываются при помощи кулачков, установленных на кулачковом валу распределительного устройства, кинематически связанного с коленчатым валом.

Головка цилиндра в пространстве над поршнем снабжена электропроводной пластиной, образующей вторую обкладку электрического конденсатора.

Обкладки электрического конденсатора образуют приспособление для зажигания горючей смеси посредством высокотемпературных ионно-электронных струй, образуемых между обкладками конденсатора установленным на машине высоковольтным импульсным генератором, выполненным, например, с применением высокочастотного резонансного трансформатора с относительно небольшой потребляемой мощностью от аккумуляторной батареи.

По управлению этот импульсный генератор связан с положением поршня в верхней мёртвой точке и до некоторого другого его положения в цилиндре двигателя, и должен быть отключенным в начальный период запуска двигателя – пока двигатель работает как поршневой насос (до вытеснения воздуха и пара из системы и замены их горючей смесью).

Платина и палладий – высокоэффективные катализаторы, они замечательны своей способностью поглощать огромное количество водорода (платина до 100, а палладий до 900 объёмов на один объём металла). Этот поглощённый водород приближен к атомарному водороду и поэтому очень активен. Платина и палладий способны не только хранить водород в адсорбированном состоянии, но и многократно ускорять при заданной температуре более 1000 градусов процесс диссоциации водяного пара на водород и кислород при правильно подобранных исходных объёмах этих металлов.

Весовой состав воды: 11,11 % водорода и 88,89 % кислорода. Отсюда простейшая формула воды Н₂ 0.

Молекулы воды имеют большую устойчивость по отношению к нагреванию. Однако при температурах выше тысячи градусов Цельсия водяной пар начинает заметно диссоциировать (разлагаться) на водород и кислород:

2Н₂0 = 2Н₂ + 0₂ – 136,8 ккал.

Этот процесс проходит с поглощением тепла. Повышение температуры сдвигает равновесие вправо, т. е. к большему образованию двух объёмов водорода и одного объёма кислорода.

При поджигании смеси двух объёмов водорода и одного объёма кислорода соединение газов происходит практически мгновенно во всей массе смеси и сопровождается сильным взрывом. Поэтому такая смесь называется гремучим газом. Чтобы вызвать взрыв смеси, нужно нагреть её хотя бы в одном месте до 700 градусов.

Продуктом горения водорода является вода:

2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0 + 136,8 ккал.

Таким образом, от двух граммолекул водорода (4 г) и одной граммолекулы кислорода (32 г) возникает 136,8 ккал тепловой энергии. Для образования 4 г водорода и 32 г кислорода требуется 36 г воды.

Теплота сгорания 1 г водорода составит:

136800 / 4 = 34200 (кал / г) = 14,32 · 10 ⁷ дж / кг.

Для сравнения: теплота сгорания 1 г бензина равна 11000 кал или 4,6 · 10 ⁷ дж / кг. Поэтому удельная теплота сгорания водорода больше удельной теплоты сгорания бензина в

34200 / 11000 = 3,1 (раза).

Полезно также отметить, какой объём гремучего газа максимально может образоваться из 36 г воды. Поскольку граммолекула (моль) любого газа (при нормальных условиях) занимает объём 22,4 л, то две граммолекулы водорода и одна граммолекула кислорода занимают объём

3 · 22,4 = 67,2 (л).

Гремучий газ – это газовая смесь, содержащая по объёму 66,7 % водорода и 33,3 % кислорода.

Поскольку гремучий газ имеет очень высокую жёсткость сгорания, а на его образование без учёта тепловых потерь требуется затратить столько же тепловой энергии, сколько её получается при жёстком сгорании (взрыве), то в чистом виде гремучий газ не может быть использован в качестве топлива для поршневых двигателей и, в том числе, по соображениям безопасности.

Но если гремучий газ оказывается разбавленным водяным паром в пределах взрываемости, то тем самым обеспечивается более мягкое сгорание такой смеси, например, с теплотворностью 8000 – 11000 кал/г (вместо 34200 кал/г у водорода) и с теоретической температурой сгорания 1000 – 1200 градусов (вместо 2045 градусов у водорода), а также снижаются затраты тепловой энергии на образование взрывной смеси с ограниченным количеством гремучего газа на каждый момент времени.

Используя только термический метод разложения водяного пара на водород и кислород, возможно получать даже при температуре 2000 градусов степень диссоциации (число продиссоциировавших молекул пара) только 1,8 % (от общего числа молекул пара, участвующих в химическом равновесии), причём за довольно длительное время, и уже при охлаждении водяного пара и продуктов диссоциации вне сферы взаимодействия даже немногим ниже 1000 градусов равновесие практически полностью сдвигается в сторону образования водяного пара, а не образования смеси водорода, кислорода и пара.

Таким образом, как вывод, используя только термический метод разложения водяного пара на водород и кислород, реакция обратима, и с повышением температуры равновесие с поглощением тепла сдвигается вправо с образованием большей концентрации гремучего газа, а концентрация пара уменьшается. Но если при этом постепенно увеличивать (поддерживать) концентрацию водяного пара, то равновесие всё время смещается в сторону реакции, понижающей концентрацию пара и увеличивающей количество гремучего газа.

Введение платинового и палладие-водородного катализаторов в равновесную систему не изменяет состояния равновесия, т. к. катализаторы в одинаковой степени ускоряют и прямую, и обратную реакцию. Но применение катализаторов даёт возможность значительно ускорить наступление равновесия, т. е. в более короткий и необходимый в практическом отношении срок получить необходимое количество гремучего газа. Рассчётно реакция диссоциации водяного пара протекает с достаточной скоростью только при температурах не ниже 1300 градусов и в присутствии достаточных объёмов катализаторов.

Если при помощи пластинчатого конденсатора в цилиндре двигателя на пар с продуктами диссоциации произвести наложение слабоэнергетического высокочастотного поля высокого напряжения, создаваемого импульсным генератором, то в определённом пределе температур возможно приостановить смещение химической реакции в сторону образования водяного пара и ещё успеть произвести взрыв смеси продуктов диссоциации и водяного пара.

Характерная особенность обратимых реакций заключается в том, что они не доходят до конца, если продукты реакции не удалять из сферы взаимодействия. При неизменных условиях химическое равновесие может сохраняться как угодно долго. Но если образующиеся от суммы воздействующих факторов продукты реакции через трубопровод удалять из сферы взаимодействия (в вертикальном перегревателе пара ВПП), быстро охлаждать, пропуская их через змеевик З в нагревателе (догревателе) первичного пара НП и водяной отделитель гремучего газа ОГГ от пара, то отделённый водой от пара гремучий газ будет иметь температуру несколько больше 100 градусов Цельсия и его возможно смешивать с первичным паром той же температуры в смесителе СМ. При этом молекулы водорода, кислорода и водяного пара оказываются свободными. При температурах порядка до 200 градусов скорость реакции крайне мала.

В одном из примеров рассчётно объёмная концентрация гремучего газа 11,5 % и водяного пара 88,5 % с температурой до 200 градусов Цельсия соответствует рабочей смеси, образованной бензином и атмосферным воздухом (на один и тот же расходуемый объём в секунду рабочей смеси, хотя и для разного рода двигателей).

Работа двигателя (что возможно было бы показать на примере одноцилиндрового двигателя) состоит из следующих тактов: первый такт – всасывание. Открывается впускной клапан и поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр рабочую смесь с выхода камеры смесеобразования (смесителя СМ). При этом из-за создаваемого разрежения рабочая смесь дополнительно охлаждается. Молекулы пара, водорода и кислорода оказываются перемешанными и свободными.

Второй такт – сжатие. Впускной клапан закрывается и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжимании нагревается до температуры несколько меньшей 700 градусов (что задаётся степенью и скоростью сжатия смеси). Для того, чтобы температура в цилиндре двигателя не поднималась до 700 градусов, он охлаждается, например, водой из системы охлаждения.

Третий такт – сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения, на обкладки конденсатора в надпоршневом пространстве накладывается высокое высокочастотное напряжение от импульсного генератора, действующее определённый промежуток времени (пока поршень не займёт новое определённое положение), отчего из-за прохождения высокотемпературных ионно-электронных струй между обкладками конденсатора температура сразу в некоторых местах рабочей смеси возрастает до её поджигания. В результате мягкого сгорания смеси температура в цилиндре двигателя повышается до 1000-1200 градусов.

После сгорания смеси возникает дополнительно образуемый перегретый пар. Сила давления пара толкает поршень вниз. Движение поршня передаётся коленчатому валу и этим производится полезная работа, часть которой может быть израсходована на получение электрической энергии, подзаряжающей аккумуляторные батареи машины. Производя работу и расширяясь, пар охлаждается до температуры порядка 150 градусов, давление в цилиндре падает.

Четвёртый такт – выпуск пара. Открывается выпускной клапан и отработавший пар выбрасывается в атмосферу.

Регулирование скорости вращения коленчатого вала двигателя производится изменением соотношения концентраций водорода, кислорода и водяного пара в рабочей смеси, регулированием производительности паро-водородно-кислородного генератора. Нижний и верхний пределы взрываемости обозначенной смеси водорода и кислорода с водяным паром (в объёмных %) ограничивают довольно широкий диапазон.

Достоинства двигателя: экологическая безопасность – нет выхлопных газов, загрязняющих атмосферу, мягкое сгорание рабочей смеси (без детонации), широкий диапазон возможной мощности, малое потребление воды.

Недостатки двигателя: сложность конструкции паро-водородно-кислородного генератора – повышенная его габаритность, относительно низкий коэффициент полезного действия без применения экономически выгодных генераторов электрической энергии, и тихоходность двигателя, высокая стоимость установки в своей совокупности – с генератором и поршневым двигателем, в том числе, вызванная необходимостью применения в паро-водородно-кислородном генераторе дорогостоящих катализаторов.

В качестве конкретного примера возьмём 4-х цилиндровый двигатель и определим, какая будет (должна быть) мощность двигателя и производительность паро-водородно-кислородного генератора, если среднее давление в цилиндрах двигателя, например, 5 кг / см², ход поршня 30 см (0,3 м) и площадь поршня 120 см ². При этом двигатель должен совершать

300 об / мин = 5 об / с = 10 рабочих ходов поршня в секунду.

Рабочий объём каждого цилиндра: V = 30 · 120 = 3600 (см ³) = 3,6 л (литра). Полезную работу совершает один из цилиндров двигателя.

Итак, 5 об / с = 10 рабочих ходов поршня в секунду. Потребность рабочей смеси:

3,6 · 10 = 36 (л / с). Определим работу А, совершаемую двигателем, и его мощность Р.

Работа А = 10 раб. ходов поршня в сек. · 5 кг/см ² · 120 см ² · 0,3 м = 1800 кгм / с · 9,8 = 17640 (вт/с). Мощность Р = 17640/735 = 24 (л.с.).

Если бы двигатель был бензиновым (калорийность бензина 11000 ккал/кг = 11000 кал/г, а 1 ккал тепловой энергии соответствует 427 кгм), то расход бензина составил бы:

1800 кгм/с / 427 кгм = 4,21546 ккал/с = 4215,46 кал/с. 4215,46 / 11000 = 0,383 (г/с).

Так как калорийность водорода 34200 кал/г, то потребность водорода, используемого вместо бензина, уменьшится в 34200 / 11000 = 3,1 раза и составит: 0,383 / 3,1 = 0,1235 г/ с водорода – 2,075 л/с гремучего газа.

Производительность паро-водородно-кислородного генератора по выработке паро-водородно-кислородного топлива (горючей смеси) составит: 2,075 л/с гремучего газа и 33,92 л/с (36 – 2,075 = 33,92 (л/с ) водяного пара. Т. е. 5,76 % гремучего газа и 94,24 % водяного пара (в данном случае это нижний предел взрываемости горючей смеси).

Учитывая, что из 36 г воды может образоваться 67,2 л гремучего газа, а пар занимает в 1600 раз больший объём, чем вода, то на образование 2,075 л/с гремучего газа при мощности двигателя 24 л.с. требуется 1,11 г/с (или иначе – 1,78 л/с) водяного пара.

Поскольку известно, что при перегреве пара от 1000 до 2000 градусов число продиссоциировавших молекул пара возрастает от 0 до 1,8 % на одно равновесное состояние в химической реакции диссоциации, то при температуре 1350 градусов на одно равновесное состояние реакции приходится 0,63 % продиссоциировавших молекул пара. Поэтому необходимо: 100 / 0,63 = 159 установлений равновесных состояний в секунду. Что достижимо при равномерном и в достаточном количестве поступлении пара на ввод паро-водородно-кислородного генератора и выбором необходимой площади контактных поверхностей дорогих платинового и палладиевого катализаторов.

Для разбавления гремучего газа в пределах взрываемости в камере смешивания СМ может быть применён вместо пара и атмосферный воздух. При этом требования к конструкции поршневого двигателя снижаются. Это уже может быть обычно применяемый поршневой двигатель.

Необходимость соблюдения закона сохранения энергии указывает на то, что коэффициент полезного действия парогазового генератора с поршневым двигателем возможно увеличить за счёт применения экономически выгодных топливных элементов, обеспечивающих электропитание вертикального перегревателя пара ВПП. Но для этого будет необходимо, кроме того, дополнительное разделение гремучего газа на водород и кислород, или дополнительное применение высокотемпературного (порядка 600 – 900 градусов Цельсия) ядерного мини-реактора.

И, как вывод: паро-водородно-кислородные генерататоры, а также воздушно-водородно-кислородные генераторы с поршневыми двигателями вряд ли найдут широкое практическое применение, поскольку целесообразнее практическая реализация экономичных установок для производства водородно-кислородного топлива термическим методом в условиях гидроэлектростанций малой и большой мощности, которое наиболее эффективно можно использовать в двигателях транспортных и прочих средств обеспечения полезной механической работы.

Источники информации:

1. Last-portal.ucoz.ru/news Водородная энергетика.

2. cleandex.ru Страны-лидеры мировой водородной энергетики.

3. kripsait.ru Водородная энергетика. Прогресс: наука и технологии.

4. Н. Л. Глинка «Общая химия», Госхимиздат, М., 1956, с. 196 – 199, 219 – 220.

5. А. А. Кудрявцев «Составление химических уравнений», М., «Высшая школа», 1991, с. 220 – 222.

Все статьи автора «Комаров Станислав Григорьевич»

technology.snauka.ru

Способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для частичного или полного замещения углеводородного топлива на различных видах транспорта, в отопительных системах жилых и производственных помещений, в генераторах производства пара и для раздельного получения чистого кислорода и водорода для производственных, медицинских и других нужд. Способ получения водорода и кислорода из пара воды включает пропускание перегретого пара с температурой 500-550°C через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения, при этом перегретый пар одновременно проходит и через гравитационное (инерционное) поле, создаваемое самим паром при его движении в электрической гравитационной водородной ячейке, и сепарирование смеси водорода с кислородом. Для создания гравитационного (инерционного) поля электрическая гравитационная водородная ячейка выполнена в виде набора дисковых пластин с центральным отверстием, выполняющих функции электродов и направляющих для движения пара воды по винтовой траектории, и собранных таким образом, что дисковые пластины образуют двойной шнек, при этом одноименные — четные, нечетные дисковые пластины соединены между собой и электрически изолированы от разноименных. Изобретение позволяет значительно уменьшить габариты и повысить производительность установок. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники.

Уровень техники.

Недостатки.

Цель изобретения.

Сущность изобретения и его отличительные (от прототипа) признаки.

1. Способ получения водорода и кислорода из перегретого пара воды с температурой 500-550°C при пропускании этого пара через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения, отличающийся тем, что перегретый пар одновременно пропускают через электрическое поле и через гравитационное (инерционное) поле, создаваемое самим паром при его движении в электрической гравитационной водородной ячейке, вызывая тем самым более интенсивное разделение его на атомы водорода и кислорода и сепарирование смеси водорода с кислородом.

2. Устройство получения водорода и кислорода из перегретого пара воды, реализующее способ по п.1, отличающееся тем, что электрическая гравитационная водородная ячейка выполнена в виде набора дисковых пластин, выполняющих функции электродов — катод и анод, и направляющих для движения пара воды по винтовой траектории, и собранных таким образом, что дисковые пластины образуют двойной шнек, при этом одноименные — четные, нечетные дисковые пластины соединены между собой и электрически изолированы от разноименных.

findpatent.ru

Устройство для получения водорода и кислорода

Изобретение относится к физико-химическим технологиям получения водорода и кислорода. Устройство имеет цилиндрический корпус, изготовленный из диэлектрического материала, межэлектродную камеру, катод с конической наружной поверхностью с нижним патрубком и осевым отверстием для подачи раствора, анод с конической внутренней поверхностью с верхним патрубком и осевым отверстием для выхода газов. В корпус вставлены полые электроды конической формы с осевыми отверстиями, имеющими диаметр, постепенно увеличивающийся в направлении от катода к аноду. Электроды изолированы друг от друга уплотнительными диэлектрическими кольцами. Технический эффект — получение водорода и кислорода низкоамперным электролитическим разложением воды, уменьшение энергетических затрат. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к физико-химическим технологиям и технике для получения водорода и кислорода.Известны технические устройства (см. Гольштейн А.Б., Серебрянский Ф.З. Эксплуатация электролизных установок для получения водорода и кислорода. М.: Энергия, 1969) для получения водорода и кислорода.Известно техническое решение (см. Патент США №969214, С 25 В 1/02, 1976), содержащее корпус, патрубок ввода рабочего раствора, межэлектродную камеру, анод, соединенный с положительным полюсом источника питания, катод, соединенный с отрицательным источником питания.Также известно техническое решение (см. Патент Англии №1139614, кл. С 01 В 13/06, 08.01.1969), содержащее корпус, изготовленный из диэлектрического материала, со сквозным отверстием, межэлектродную камеру, патрубки для ввода и вывода рабочего раствора, анод, соединенный с положительным полюсом источника питания и катод, соединенный с отрицательным полюсом источника питания.Недостатком указанных и других аналогичных изобретений является то, что для получения водорода и кислорода используется неэкономный высокоамперный процесс электролитической диссоциации молекул воды.Известно устройство для получения тепловой энергии, водорода и кислорода (см. Патент России №2175027, C 02 F 1/46, 2001), содержащее корпус с нижним цилиндрическим приливом и нижнюю крышку, изготовленные из диэлектрического материала; камеру для конденсации пара; анод, соединенный с положительным источником питания, и катод, соединенный с отрицательным источником питания, а также патрубок для ввода раствора.Недостатком указанного изобретения является то, что для получения водорода и кислорода используется труднорегулируемая плазма как источник термической диссоциации молекул воды.Техническим решением задачи является получение водорода и кислорода путем экономного низкоамперного электролитического разложения воды.Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для получения водорода и кислорода, содержащем цилиндрический корпус, изготовленный из диэлектрического материала, межэлектродную камеру, патрубки для ввода рабочего раствора и вывода газов, анод и катод, соединенные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника питания, при этом в расположенный вертикально корпус вставлены полые электроды конической формы, имеющие осевые отверстия с диаметром, постепенно увеличивающимся в направлении от катода к аноду, при этом электроды изолированы друг от друга уплотнительными диэлектрическими кольцами, устройство снабжено также катодом с конической наружной поверхностью с нижним патрубком и осевым отверстием для подачи раствора, анодом с конической внутренней поверхностью с верхним патрубком и осевым отверстием для выхода газов, а также нижней и верхней шайбами, скрепленными болтами, регулирующими сжатие диэлектрических уплотнительных колец.Новизна заявляемого устройства обусловлена тем, что перекрытие осевых отверстий конических электродов пузырьками выходящих газов увеличивает общее сопротивление электродов, последовательно соединенных друг с другом посредством электролитического раствора. В результате величина тока оказывается зависимой от количества электродов и ее можно уменьшать до минимальной величины, при которой начинается электролиз воды.Таким образом, уменьшение затрат энергии на электролиз воды достигается двумя путями, уменьшением напряжения между парой электродов и общим уменьшением силы тока.По данным патентно-технической литературы, не обнаружена аналогичная совокупность признаков, при которых значительно уменьшаются затраты энергии на получение водорода и кислорода, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид устройства.Устройство для получения водорода и кислорода содержит корпус 1, изготовленный из диэлектрического материала, катод 2 с конической наружной поверхностью, патрубком 3 и осевым отверстием для подачи раствора, анод 4 с внутренней конической поверхностью, осевым отверстием и патрубком 5 для выхода газов, конические электроды 6 с осевыми отверстиями 7, уплотнительные диэлектрические кольца 8, торцевые шайбы 9 и болты 10 для регулирования герметичности устройства.Устройство работает следующим образом. Электролизер заполняется электролитическим раствором через нижний патрубок 3, так чтобы его верхний уровень перекрывал осевое отверстие анода 4 и чтобы этот уровень поддерживался постоянным. Далее включается электрическая сеть и постепенно повышается напряжение до момента начала выхода газов. Верхняя коническая поверхность всех электродов 6 работает как катод, а нижняя как анод. Выделяющиеся пузырьки газов поднимаются вверх и проходят через осевые отверстия 7 конических электродов 6, перекрывая вторичную электрическую цепь, замыкающуюся только через раствор, и уменьшая силу тока в цепи: катод 3 — анод 4. Чем больше электролизер имеет конических электродов, осевые отверстия которых периодически перекрываются пузырьками газов, тем меньше ток в цепи питания.В соответствии с электролитическим законом Фарадея электроны, выходящие с катода, образуют молекулы водорода и ионы ОН^—, которые переносят электроны, вышедшие с катода к аноду, где выделяется кислород.Поскольку между электродами нет вторичной цепи, которую прерывают пузырьки выходящих газов, то упомянутые электроны идут не через раствор, а через тело электрода и вновь выделяют водород и кислород в следующей паре электродов.Таким образом, чем равномернее пузырьки газов (водорода и кислорода) будут перекрывать осевые отверстия электродов, тем большее количество раз одни и те же электроны на пути от входного катода к выходному аноду, к которым присоединены провода сети, выделяют из воды водород и кислород. В результате затраты энергии на получение водорода и кислорода резко уменьшаются.Известно, что самым надежным способом определения количества газов, образующихся в результате электролиза воды, является метод, учитывающий количество диссоциированной воды. В таблице приводятся результаты экспериментов, в которых был применен этот метод.Известно, что из 1 мл H₂О можно получить 1,22 л Н₂+0,62 л О₂=1,84 л (Н₂+О₂).

Формула изобретения

Устройство для получения водорода и кислорода, содержащее цилиндрический корпус, изготовленный из диэлектрического материала, межэлектродную камеру, патрубки для ввода рабочего раствора и вывода газов, анод и катод, соединенные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника питания, отличающееся тем, что в расположенный вертикально корпус вставлены полые электроды конической формы, имеющие осевые отверстия диаметром, постепенно увеличивающимся в направлении от катода к аноду, при этом электроды изолированы друг от друга уплотнительными диэлектрическими кольцами, устройство снабжено также катодом с конической наружной поверхностью с нижним патрубком и осевым отверстием для подачи раствора, анодом с конической внутренней поверхностью с верхним патрубком и осевым отверстием для выхода газов, а также нижней и верхней шайбами, скрепленными болтами, регулирующими сжатие диэлектрических уплотнительных колец.

РИСУНКИ

Рисунок 1

findpatent.ru

способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой — патент РФ 2546149

Рисунки к патенту РФ 2546149

Область техники.

Уровень техники.

Известны способы разложения воды на водород и кислород методом низкоамперного электролиза с применением для его осуществления импульсно-резонансного тока высокого напряжения. Наиболее известный способ — это электрическая водородная ячейка Мейера (патент США № 4936961, 1990 г.). Известен способ получения водорода и кислорода из пара воды, включающий пропускание этого пара через электрическое поле, отличающийся тем, что перегретый пар воды с температурой 500-550°C пропускают через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделения его на атомы водорода и кислорода. Патент РФ RU 2142905, автор Ермаков В.Г. Этот способ основан на следующем: электронная связь между атомами водорода и кислорода ослабевает пропорционально повышению температуры воды; температура воспламенения водорода от 580 до 590°C, разложение воды должно быть ниже порога зажигания водорода; электронная связь между атомами водорода и кислорода при температуре 550°C ослаблена, и орбиты электронов уже искажены, для того, чтобы электроны сошли со своих орбит, и атомная связь между ними распалась, нужно электронам добавить энергию электрического поля высокого напряжения. В камере разложения перегретого пара электрическое поле создается положительным и отрицательным электродами, на которые подается постоянный ток, с напряжением 6000 B. Положительным электродом служит корпус камеры /труба/, а отрицательным электродом служит стальная труба, смонтированная по центру корпуса. Наиболее близким из аналогов к предлагаемому изобретению является патент РФ RU 2142905 автора Ермакова В.Г., который и выбран как прототип.

Недостатки.

Цель изобретения.

Сущность изобретения и его отличительные (от прототипа) признаки.

Как показано на рисунках, заявляемый способ и схема содержит: электрическую гравитационную водородную ячейку 1; охладитель 2 водорода и охладитель 3 кислорода; компрессор 4 водорода и компрессор 5 кислорода; электродвигатель 6, являющийся приводом компрессоров 4 и 5; аккумулирующий баллон 7 водорода и аккумулирующий баллон 8 кислорода; парогенератор 9 с камерой сгорания, не указанной на схеме и горелкой 10; клапан 11, регулирующий подачу пара в электрическую гравитационную водородную ячейку 1; клапан 13, подающий пар на потребители. Электрическая гравитационная водородная ячейка 1 соединена трубопроводами 12, с одной стороны с камерой сгорания парогенератора 10 через клапан 11, а с другой стороны с охладителем 2 водорода и охладителем 3 кислорода, которые соединены соответственно с компрессором 4 водорода и компрессором 5 кислорода. Компрессор 4 соединен трубопроводом 12 с аккумулирующим баллоном 7 водорода, а компрессор 5 с аккумулирующим баллоном 8 кислорода. Аккумулирующие баллоны 7, 8 соединены трубопроводами 12 с горелкой 10 парогенератора 9. Электрическая гравитационная водородная ячейка 1 содержит: корпус ячейки 14 и дисковые пластины 15 с разрезом 18; трубу 16 с отверстиями по образующей для свободного входа вовнутрь водорода; изоляторы 17, изолирующие пакет дисковых пластин от корпуса; штоки 19, на которые монтируются отдельно четные и нечетные дисковые пластины; изоляторы 20, изолирующие друг от друга четные и нечетные дисковые пластины. Дисковые пластины 15, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали, имеют разрез 18, центральное отверстие для монтажа в нем трубы 16, шесть отверстий с диаметром 4-6 мм для монтажа пластин на шток 18 мм и шесть отверстий с диаметром 10 мм для прохождения в них штоков 19 с изолятором 20. Отверстия расположены по окружности и под углом 120°, по три отверстия каждого размера в районе внешнего диаметра диска и по три отверстия каждого размера в районе внутреннего диаметра. Пакет дисковых пластин, выполняющих функции электродов (катод и анод) и направляющих для движения пара воды по винтовой траектории, и собранных таким образом, что дисковые пластины образуют двойной шнек, при этом одноименные (четные, нечетные) дисковые пластины соединены между собой и электрически изолированы от разноименных. Шаг шнеков определяется по формуле S= +2×C, где S — шаг шнека, — толщина диска равная 0,8÷1,5 мм, С — зазор между дисковыми пластинами равный 1,0÷4,5 мм. Винтовая форма дисковой пластины 15, которую имеет шнек, достигается фиксацией дисковой пластины 15 в отверстиях меньшего размера в определенных по высоте местах на штоках 19, жестко фиксированных относительно корпуса 14. Штоки 19, соединяющие одноименные дисковые пластины (четные или нечетные), обеспечивают электрическую связь между ними. Штоки 19 первого шнека проходят через дисковые пластины 15 второго шнека через изолятор 20, установленный в отверстие большего диаметра дисковой пластины 15 второго шнека и обеспечивающий изоляцию четной дисковой пластины 15 и нечетной. Прохождение штоков 19 второго шнека через дисковые пластины 15 первого шнека аналогично. К штокам 19 подводится постоянный (или импульсный резонансный, или последовательно постоянный и импульсно-резонансный) ток высокого напряжения от известных типов генераторов. Схема установки работает следующим образом: водород и кислород, находящийся в аккумулирующем баллоне 7 и аккумулирующем баллоне 8, подается через горелку 10 в камеру сгорания парогенератора 9. Соответствующее количество газов регулируется горелкой 10 известными способами. В камере сгорания смесь газов сгорает при температуре 2500-3000°C и в соответствии с формулой 2H₂+O₂=2H₂O превращается в водяной пар. Вода, находящаяся в парогенераторе 9, отбирает тепло сгорания, охлаждает образовавшийся водяной пар и преобразуется сама в пар с определенными параметрами. Когда температура водяного пара в камере сгорания парогенератора 9 снизится до 600°C, клапан 11 открывает доступ пару в электрическую гравитационную водородную ячейку 1. Внутри ячейки пар движется между дисками (катодом и анодом) вихреобразно по винтовой траектории, создавая гравитационное (инерционное) поле. Центробежные силы гравитационного поля отбрасывают кислород на периферию электрической гравитационной водородной ячейки 1, а центростремительные силы гравитационного поля притягивают водород к ее центру. Компрессор 4 через охладитель 2 всасывает водород из электрической гравитационной водородной ячейки 1 и нагнетает его в аккумулирующий баллон 7. Компрессор 5 через охладитель 3 всасывает кислород из электрической гравитационной водородной ячейки 1 и нагнетает его в аккумулирующий баллон 7. Далее цикл повторяется. Пар, произведенный в парогенераторе 9, может быть отобран через клапан 13 и использован в потребителях различного назначения. В случае необходимости использовать водород и кислород для других целей, их отбор производится непосредственно из аккумулирующих баллонов 7 и 8. В этом случае через клапан 11, регулирующий подачу пара, поступает необходимое дополнительное количество его от парогенератора 9.

Способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой

ВОДОРОД ВМЕСТО УГЛЕВОДОРОДОВ | Наука и жизнь

способ получения водорода из воды — патент РФ 2521632

Рисунки к патенту РФ 2521632

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Комаров С.Г. Паро-водородно-кислородный генератор с поршневым двигателем

Способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой

Устройство для получения водорода и кислорода

способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой — патент РФ 2546149

Рисунки к патенту РФ 2546149

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Добавить комментарий Отменить ответ