Изобретение относится к водородной энергетике. Техническим результатом изобретения является получение водорода за счет разложения воды. Согласно изобретению способ получения водорода из воды включает разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, при этом разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-ой гармоники которого приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды. Патентуется также устройство для реализации заявленного способа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к технике получения водорода из воды (водородной энергетике) электролизом и может быть использовано в качестве узла для преобразования тепловой энергии, при сжигании водорода, в механическую.
Известен двигатель Стенли Мейера, работающий на водороде, который получается из воды путем ее электролитического разложения (патент США № 5149507). Это устройство содержит две пары коаксиально расположенных электрода, размещенных в воде, причем у одной пары отсутствует контакт с водой. На изолированные электроды подается высокое напряжение не выше 10 кВ и частотой 15-260 кГц. На остальные электроды для нейтрализации атомов водорода и кислорода подается постоянное низковольтное напряжение.
Исходя из физического принципа обратимости энергии для получения из воды, например, кубометра водорода (при 0°С и 101,3 кПа), необходимо затратить 10,8 мДж/м 3 или 2580 ккал/м 3 энергии, т.е. столько же, сколько выделяется при сжигании водорода при тех же условиях. Это значит, что при сжигании кубометра водорода получим 2580 ккал/сек. В устройстве Мейлера выделяется за секунду не более 710 кал, т.е. в 3600 раз меньше.
Известно, что резонансная (собственная) частота воды (50,8 и 51,3) 10 ГГц, поэтому резонанс воды будет происходить, если возмущающее воздействие будет иметь указанную частоту, что никак не согласуется с представленной Меером электросхемой.
Кроме того, устройство Мейлера не обеспечивает условия поглощения тепла как из окружающей среды, так и от других источников тепла, например, из самой воды, на компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды.
Целью изобретения является повышение производительности, КПД, экономической целесообразности.
Для получения указанных целей необходимо увеличение энергетической мощности для совершения полезной работы при условии работы электросхемы в режиме резонанса или максимально к ней приближенной. Допустим, что мы имеем несинусоидальное напряжение питания, представляющее собой двухполупериодное выпрямленное синусоидальное напряжение. Тогда условие резонанса на к-ой гармонической составляющей запишется в виде
Х LK =K L=N 2 AKµa /L=X CK =1/K ·C=d/KAa .
В нашем случае (51)10 ГГц - резонансная частота воды, значит, для к-ой гармоники K =(51)10 ГГц, откуда =(51)10 ГГц/K.
Откуда частота питающего напряжения к-ой гармоники может быть снижена в к раз, однако она остается достаточно высокой. Для увеличения входной частоты можно использовать способ ее увеличения за счет сложения частот от нескольких питающих напряжений, соединенных параллельно резонансным контуром при условии не совпадения амплитуд входных напряжений, что достигается сдвигом их фаз на угол, удовлетворяющий первому условию. Следует отметить, что индуктивность, также как и емкость резонансного контура, с целью обеспечения наибольшего поверхностного контакта с водой может состоять из параллельного, последовательного или смешанного соединения элементов, что обеспечивает равномерность передачи удельной энергии по всему объему, и в свою очередь с увеличением объема устройства создаются условия для увеличения производительности выделения газов за счет увеличенной подачи тепловой и электрической энергий. Примем, что, например, при сжигании 1 литра водорода выделяется К калорий тепла за доли секунды. Количество образовавшейся воды составит примерно 0.001 литра. Эти параметры соответствуют границе перехода ГА3-ВОДА и ВОДА-ГАЗ, т.е. они обратимы. Это значит, чтобы разложить 0.001 литра воды без затрат электроэнергии, надо равномерно распылить ее в объеме 1 литр и сообщить К калорий тепла с плюсом на потери за то же время. Как видим, соотношение в затратах электрической и тепловой энергий для разложения воды зависит от многих параметров и требует экспериментального исследования. При стремлении к минимальному расходу электроэнергии требуется ужесточение энергетических тепловых параметров, например, невозможность создания высокого давления или требуемой тепловой мощности при той же предполагаемой производительности, требует эквивалентной компенсации недостающей тепловой энергии энергией электромагнитного поля. Известно, что уменьшение энергии электрического поля при резонансе сопровождается увеличением энергии магнитного поля и наоборот, т.е.: W=Wm+Wэ=L1/2=CU/2=CONST. Поэтому, чтобы не терять половину энергии, индуктивность размещаем внутри водяного конденсатора. Таким образом на молекулы воды действуют две резонансные направленные под углом 90 градусов силы от электрического и магнитного полей, которые, используя тепловую энергию, расщепляют молекулу воды на водород и кислород. При одновременном действии этих сил требуется смещение, например, фазы магнитного поля относительно электрического на 90 градусов, которое может быть достигнуто с помощью фазосдвигающих устройств.
Подвод тепловой энергии для компенсации эндотермического эффекта при разложении воды происходит за счет циркуляции воды (например, насосом) по замкнутому контуру, через устройство разложения воды, теплоприемником и устройством восполнения потерь воды при разложении. Теплоприемник - это устройство с развитой поверхностью, обогреваемой солнцем, или (и) обеспечивает впрыск в холодную воду продуктов сгорания, например, от водородного двигателя, тем самым замыкая процесс и значительно повышая КПД. Устройство предлагаемого контура повышает экономичность промышленного производства, позволяет использовать его как в устройствах промышленной энергетики, так и автомобильно-железнодорожном транспорте. При создании нескольких параллельных контуров создается возможность отбирать тепловую энергию от многих источников.
Способ получения водорода из воды включает разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля n-гармоники, которая приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды.
В устройстве для получения водорода из воды между обкладками конденсатора размещена индуктивность, обеспечивающая разделение и перемещение кислорода и водорода по выходным не сообщающимся друг с другом отверстиям, причем нейтрализация газов происходит с помощью токопроводящих сеток, установленных на выходе отверстий, которые связаны с источником постоянного напряжения, а подача тепловой энергии происходит по замкнутым параллельным контурам, каждый из которых связан с источником посторонней тепловой энергии, причем теплоносителем является вода, циркулирующая с помощью насоса с изменяющейся производительностью, при этом индуктивность и емкость резонансного контура состоит из параллельных, последовательных и смешанных электрических соединений элементов.
На фиг. представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Устройство содержит корпус 5, выполненный способом литья под давлением, например, из теплостойкого сополимера, диэлектрическая проницаемость которого доходит до 100000 единиц, имеет горизонтальные каналы, обеспечивающие вход-выход воды, которые соединяются с коаксиально расположенными каналами, в перегородках которых залиты обкладки конденсатора 1 и обмотки индуктивности 2. Коаксиальные каналы вертикальными отверстиями, по ходу магнитных силовых линий индуктивностей 2, связаны с выходными газовыми отверстиями, имеющими металлические сетки 4, на которые подается постоянное напряжение, обеспечивающее нейтрализацию ионов водорода и кислорода. Клапаны 3 обеспечивают выход газов при незначительном избыточном давлении.
Устройство работает следующим образом. При подаче высокочастотного высоковольтного напряжения на элементы 1, 2 последовательного резонансного контура и заполнения каналов циркуляционной нагретой водой, за счет электрической и тепловой энергий происходит разложение воды на ионы кислорода и водорода. Под действием магнитного поля индуктивности 2 ионы кислорода и водорода разделяются в пространстве магнитного поля и каждый газ раздельно по своим каналам проходит через металлические сетки 4, где нейтрализуется и через клапана 3 нейтральные газы поступают по своему назначению.
Преимущество устройства в сравнении с прототипом то, что вода одновременно является носителем тепловой энергии. Увеличение электрической энергии на единицу объема воды в результате развитой контактной поверхности емкостных пластин с водой приводит к увеличению производительности и эффективности работы устройства. Размещение индуктивности в устройстве приводит к увеличению производительности и КПД устройства. Устройство производит разделение газов (водорода и кислорода). При изменении скорости воды создается возможность изменять производительность.
Наша планета купается в потоке тепловой энергии, поступающей от Солнца, из земных недр и от хозяйственной деятельности человека. Человек в недостаточной степени осваивает эту энергию, поэтому данное изобретение направлено на освоение дармовой указанной выше энергии.
1. Способ получения водорода из воды, включающий разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, отличающийся тем, что разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-й гармоники которого приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды.
2. Устройство, отличающееся тем, что между обкладками конденсатора размещена индуктивность, обеспечивающая разделение и перемещение кислорода и водорода по выходным несообщающимся друг с другом отверстиям, причем нейтрализация газов происходит с помощью токопроводящих сеток, установленных на выходе отверстий, которые связаны с источником постоянного напряжения, а подача тепловой энергии происходит по замкнутым параллельным контурам, каждый из которых связан с источником посторонней тепловой энергии, причем теплоносителем является вода, циркулирующая с помощью насоса с изменяющейся производительностью.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что индуктивность и емкость резонансного контура состоит из параллельных, последовательных и смешанных электрических соединений элементов.
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 № ). 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 о С 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%.
Для этого нужен более сложный прибор - электролизер, который состоит из широкой загнутой трубки, наполненной раствором щелочи, в которую погружены два электрода из никеля.
Кислород будет выделяться в правом колене электролизера, куда подключен положительный полюс источника тока, а водород - в левом.
Это обычный тип электролизера, которым пользуются в лабораториях для получения небольших количеств чистого кислорода.
В больших количествах кислород получают в электролитических ваннах разнообразных типов.
Войдем в один из электрохимических заводов по производству кислорода и водорода. В огромных светлых залах-цехах строгими рядами стоят аппараты, к которым по медным шинам подводится постоянный ток. Это электролитические ванны. В них из воды можно получить кислород и водород.
Электролитическая ванна - сосуд, в котором параллельно друг другу расположены электроды. Сосуд наполняют раствором - электролитом. Число электродов в каждой ванне зависит от размера сосуда и от расстояния между электродами. По схеме включения электродов в электрическую цепь ванны делятся на однополярные (монополярные) и двухполярные (биполярные).
В монополярной ванне половина всех электродов подключается к положительному полюсу источника тока, а вторая половина - к отрицательному полюсу.
В такой ванне каждый электрод служит или анодом, или катодом, и на обеих сторонах его идет один и тот же процесс.
В биполярной ванне источник тока подключается только к крайним электродам, один из которых служит анодом, а другой - катодом. С анода ток поступает в электролит, через который он переносится ионами к близлежащему электроду и заряжает его отрицательно.
Проходя через электрод, ток снова входит в электролит, заряжая обратную сторону этого электрода положительно. Таким образом, проходя от одного электрода к другому, ток доходит до катода.
В биполярной ванне только анод и катод работают как монополярные электроды. Все же остальные электроды, расположенные между ними, являются с одной стороны катодами (-), а с другой стороны - анодами (+).
При прохождении электрического тока через ванну между электродами выделяются кислород и водород. Эти газы нужно отделить друг от друга и направить каждый по своему трубопроводу.
Существуют два способа отделения кислорода от водорода в электролитической ванне.
Первый из них заключается в том, что электроды отгораживаются друг от друга металлическими колоколами. Образующиеся на электродах газы поднимаются в виде пузырьков кверху и попадают каждый в свой колокол, откуда через верхний отвод направляются в трубопроводы.
Этим способом кислород легко отделить от водорода. Однако такое разделение приводит к излишним, непроизводительным затратам электроэнергии, так как электроды приходится ставить на большом расстоянии друг от друга.
Другой способ разделения кислорода и водорода при электролизе заключается в том, что между электродами ставится перегородка - диафрагма, которая является непроницаемой для пузырьков газа, но хорошо пропускает электрический ток. Диафрагма может быть сделана из плотно сотканной асбестовой ткани толщиной 1,5-2 миллиметра. Эту ткань натягивают между двумя стенками сосуда, создавая тем самым изолированные друг от друга катодные и анодные пространства.
Водород из всех катодных и кислород из всех анодных пространств поступают в сборные трубы. Оттуда по трубопроводам каждый газ направляется в отдельное помещение. В этих помещениях под давлением 150 атмосфер полученными газами наполняют стальные баллоны. Баллоны направляют во все уголки нашей страны. Кислород и водород находят широкое применение в различных областях народного хозяйства.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Предложенный способо основан на следующем:
Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами, осуществляемыми в трех вариантах установок .
Все три варианта установок изготавливаются из одинаковых, унифицированных изделий цилиндрической формы из стальных труб.
Первый вариант
Работа и устройство установки первого варианта (схема 1
)
Во всех трех вариантах работа установок начинается с приготовления перегретого пара в незамкнутом пространстве с температурой пара 550 o C. Незамкнутое пространство обеспечивает скорость по контуру разложения пара до 2 м/с .
Приготовление перегретого пара происходит в стальной трубе из жаропрочной стали /стартер/, диаметр и длина которого зависит от мощности установки. Мощность установки определяет количество разлагаемой воды, литров/с.
Один литр воды содержит 124 л водорода и 622 л кислорода , в пересчете на калории составляет 329 ккал .
Перед пуском установки стартер разогревается от 800 до 1000 o C /разогрев производится любым способом/.
Один конец стартера заглушен фланцем, через который поступает дозированная вода для разложения на рассчитанную мощность. Вода в стартере нагревается до 550 o C , свободно выходит из другого конца стартера и поступает в камеру разложения, с которой стартер соединен фланцами.
В камере разложения перегретый пар разлагается на водород и кислород электрическим полем, создаваемым положительным и отрицательным электродами, на которые подается постоянный ток с напряжением 6000 В . Положительным электродом служит сам корпус камеры /труба/, а отрицательным электродом служит труба из тонкостенной стали, смонтированная по центру корпуса, по всей поверхности которой имеются отверстия диаметром по 20 мм .
Труба — электрод представляет собой сетку, которая не должна создавать сопротивление для входа в электрод водорода. Электрод крепится к корпусу трубы на проходных изоляторах и по этому же креплению подается высокое напряжение. Конец трубы отрицательного электрода оканчивается электроизоляционной и термостойкой трубой для выхода водорода через фланец камеры. Выход кислорода из корпуса камеры разложения через стальной патрубок. Положительный электрод /корпус камеры/ должен быть заземлен и заземлен положительный полюс у источника питания постоянного тока.
Выход водорода по отношению к кислороду 1:5 .
Второй вариант
Работа и устройство установки по второму варианту (схема 2
)
Установка второго варианта предназначена для получения большого количества водорода и кислорода за счет параллельного разложения большого количества воды и, окисления газов в котлах для получения рабочего пара высокого давления для электростанций, работающих на водороде /в дальнейшем ВЭС /.
Работа установки, как и в первом варианте, начинается с приготовления перегретого пара в стартере. Но этот стартер отличается от стартера в 1-м варианте. Отличие заключается в том, что на конце стартера приварен отвод, в котором смонтирован переключатель пара, имеющий два положения — «пуск» и «работа».
Полученный в стартере пар поступает в теплообменник, который предназначен для корректировки температуры восстановленной воды после окисления в котле /К1 / до 550 o C . Теплообменник /То / — труба, как и все изделия с таким же диаметром. Между фланцами трубы вмонтированы трубки из жаропрочной стали, по которым проходит перегретый пар. Трубки обтекаются водой из замкнутой системы охлаждения.
Из теплообменника перегретый пар поступает в камеру разложения, точно такую же, как и в первом варианте установки.
Водород и кислород из камеры разложения поступают в горелку котла 1, в которой водород поджигается зажигалкой, — образуется факел. Факел, обтекая котел 1, создает в нем рабочий пар высокого давления. Хвост факела из котла 1 поступает в котел 2 и своим теплом в котле 2 подготавливает пар для котла 1. Начинается непрерывное окисление газов по всему контуру котлов по известной формуле:
2H 2 + O 2 = 2H 2 O + тепло
В результате окисления газов восстанавливается вода и выделяется тепло. Это тепло в установке собирают котлы 1 и котлы 2, превращая это тепло в рабочий пар высокого давления. А восстановленная вода с высокой температурой поступает в следующий теплообменник, из него в следующую камеру разложения. Такая последовательность перехода воды из одного состояния в другое продолжается столько раз, сколько требуется получить от этого собранного тепла энергии в виде рабочего пара для обеспечения проектной мощности ВЭС .
После того, как первая порция перегретого пара обойдет все изделия, даст контуру расчетную энергию и выйдет из последнего в контуре котла 2, перегретый пар по трубе направляется в переключатель пара, смонтированный на стартере. Переключатель пара из положения «пуск» переводится в положение «работа», после чего он попадает в стартер. Стартер отключается /вода, разогрев/. Из стартера перегретый пар поступает в первый теплообменник, а из него в камеру разложения. Начинается новый виток перегретого пара по контуру. С этого момента контур разложения и плазмы замкнут сам на себя.
Вода установкой расходуется только на образование рабочего пара высокого давления, которая берется из обратки контура отработанного пара после турбины.
Недостаток силовых установок для ВЭС — это их громоздкость. Например, для ВЭС на 250 МВт нужно разлагать одновременно 455 л воды в одну секунду, а для этого потребуется 227 камер разложения, 227 теплообменников, 227 котлов /К1 /, 227 котлов /К2 /. Но такая громоздкость стократ будет оправдана уже только тем, что топливом для ВЭС будет только вода, не говоря уже о экологической чистоте ВЭС , дешевой электрической энергии и тепле.
Третий вариант
3-й вариант силовой установки (схема 3
)
Это точно такая же силовая установка, как и вторая.
Разница между ними в том, что эта установка работает постоянно от стартера, контур разложения пара и сжигания водорода в кислороде не замкнут сам на себя. Конечным изделием в установке будет теплообменник с камерой разложения. Такая компоновка изделий позволит получать кроме электрической энергии и тепла, еще водород и кислород или водород и озон. Силовая установка на 250 МВт при работе от стартера будет расходовать энергию на разогрев стартера, воду 7,2 м 3 /ч и воду на образование рабочего пара 1620 м 3 /ч/вода используется из обратного контура отработанного пара/. В силовой установке для ВЭС температура воды 550 o C . Давление пара 250 ат . Расход энергии на создание электрического поля на одну камеру разложения ориентировочно составит 3600 кВт/ч .
Силовая установка на 250 МВт при размещении изделий на четырех этажах займет площадь 114 х 20 м и высоту 10 м . Не учитывая площадь под турбину, генератор и трансформатор на 250 кВА — 380 х 6000 В .
ИЗОБРЕТЕНИЕ ИМЕЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Изобретение может найти применение в промышленности путем замены углеводородного и ядерного топлива в силовых установках на дешевое, распространенное и экологически чистое — воду при сохранении мощности этих установок.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения водорода и кислорода из пара воды , включающий пропускание этого пара через электрическое поле, отличающийся тем, что используют перегретый пар воды с температурой 500 — 550 o C , пропускаемый через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделения его на атомы водорода и кислорода.
Разделение воды, с целью получения водорода, является "священным Граалем" многих ученых, ведущих работы в направлении разработки практически неисчерпаемого источника экологически чистой энергии. Теперь, благодаря исследования ученых университета Монаша (Monash University) в Австрии, этот процесс будет реализовать гораздо проще, чем считалось ранее. Согласно профессору Леоне Спиччиа (Leone Spiccia), ключом к водородной энергетике будущего может стать природный минерал бернессит (Birnessite), который в природе придает черную окраску некоторым горным породам.
"Камнем преткновения процесса получения водорода является собственно разложение воды на кислород и водород. Используя традиционные способы на разрушение химических связей требуется очень много энергии, что делает эти процессы экономически невыгодными. Наша команда разработала процесс расщепления молекулы воды, основанный на марганцесодержащем катализаторе и использующий для этого солнечный свет" - говорит профессор Спиччиа. - "Основой минерала бернессита является марганец, который, как и все элементы из середины периодической системы, может существовать в нескольких состояниях, которые химики называют степенями окисления. Это соответствует количеству атомов кислорода, с которыми связан атом вещества".
Изначально ученые пытались использовать весьма сложные катализаторы на основе того же марганца. После того, как им удалось получить достаточно эффективный каталитический процесс разложения воды на водород и кислород, используя электрический ток, они, используя совершенные спектроскопические методы анализа, обнаружили, что использованный ими сложный катализатор преобразовался в более простое соединение, аналогом которого является природный минерал бернессит. Работа этого катализатора полностью повторяет процессы, на которых основывается процесс расщепления воды под воздействием солнечных лучей в природе.
"Эти исследования позволили нам проникнуть глубже в тайны природы и выяснить как в действительности в природе работает естественный марганцевый катализатор" - рассказывает доктор Розали Хокинг (Dr Rosalie Hocking) из Австралийского центра изучения электроматериалов (Australian Centre for Electromaterials Science). - "Ученые приложили большие усилия к созданию сложных марганцесодержащих молекул для того что бы получить эффективный катализатор. Но все оказалось гораздо проще, самой большой эффективностью в области расщепления воды обладает естественный материал, который достаточно устойчив, что бы выдержать жесткие физические и химические нагрузки во время его использования".
