Принцип работы
Водород может использоваться для обогрева домов или в качестве топлива для автотранспорта. В первом случае можно добиться хорошего КПД благодаря высокому показателю теплопроводности вещества. Во время реакции окисления один атомами кислорода соединятся с двумя водородными, что приводит к образованию воды. Одновременно выделяется примерно в 3 раза больше тепла в сравнении со сжиганием природного газа.
Среди всех известных сегодня науке источников энергии, именно это вещество следует считать наиболее перспективным — мировой океан планеты дна две третьих состоит из этого вещества, а во Вселенной по распространению конкуренцию водороду может составить лишь гелий. таким образом, двигатель, работающий на этом топливе, можно считать лучшим.
Однако есть довольно серьезная проблема — для получения чистого водорода необходимо расщеплять воду, а это не самый простой процесс. Сегодня ученые считают, что проще всего для расщепления молекул воды использовать электролиз. Этот процесс известен каждому человеку со школьного курса физики: напряжение с высоким электрическим потенциалом буквально разрывает молекулы воды на составляющие элементы.
В результате образуется газ, имеющий формулу HHO с показателем теплотворной способности в 121 МДж/кг. Он был назван в честь физика Ю. Брауна и при горении не выделяет никаких вредных веществ. Особенность вещества заключается в том, что для его применения можно использовать те же емкости, которые сегодня применяются в качестве котлов для метана либо пропана. Однако необходимо предпринять дополнительные меры безопасности, так как газ Брауна является сильной гремучей смесью.
Водородный генератор для автомобиля состоит из двух основных элементов:
- электролизера.
- резеэвуара.
В герметичной емкости устройства располагаются пары электродных пластин, а сама она оснащается патрубком для выхода газа, клеммами, защитным клапаном, водяным затвором и горловиной для заливки воды. Такая конструкция позволяет устранить процесс распространения обратного горения газа Брауна и добиться горения водорода только на выходе из горелки.
Но использование классического гидролизера является нерентабельным, так как предполагает значительный расход электрической энергии. Однако выход из сложившейся ситуации был найден — токи определенной частоты. В результате молекулы воды входят в резонанс с электроимпульсами и расщепляются на составляющие. Собрав такое устройство можно получать топливо из воды своими руками.
Генератор промышленного изготовления
На уровне промышленного производства технологии изготовления водородных генераторов бытового назначения постепенно осваиваются и развиваются. Как правило, выпускаются энергетические станции домашнего применения, мощность которых не превышает 1 кВт.
Такой аппарат рассчитан на выработку водородного топлива в режиме постоянного функционирования не более чем в течение 8 часов. Главное их предназначение – энергоснабжение отопительных систем.
Также разрабатываются и производятся установки под эксплуатацию в составе кондоминиумов. Это уже более мощные конструкции (5-7 кВт), назначение которых не только энергетика отопительных систем, но также выработка электричества. Такой комбинированный вариант быстро набирает популярность в западных странах и в Японии.
Комбинированные водородные генераторы характеризуются как системы с высоким КПД и небольшим выбросом углекислого газа.
Пример реально действующей промышленно изготовленной станции мощностью до 5 кВт. Подобные установки в перспективе планируется делать под оснащение коттеджей и кондоминиумов
Российская промышленность тоже начала заниматься этим перспективным видом добычи топлива. В частности, «Норильский никель» осваивает технологии производства водородных установок, в том числе бытовых.
Планируется использовать самые разные типы топливных элементов в процессе разработки и производства:
протонно-обменные мембранные;
ортофосфорно-кислотные;
протонно-обменные метанольные;
щелочные;
твердотельные оксидные.
Между тем процесс электролиза является обратимым. Этот факт говорит о том, что есть возможность получать уже нагретую воду без сжигания водорода.
Кажется, это очередная идея, ухватившись за которую можно запускать новый виток страстей, связанных с бесплатной добычей топлива для домашнего котла.
Преимущества и недостатки водорода как топлива
Собственно, преимуществ у водорода много. Как уже отмечалось выше, это один из самых распространённых газов на планете (во Вселенной — самый распространённый), доступный и экологический чистый вид топлива.
В общем, среди достоинств можно выделить следующие:
- повсеместно распространён (обычно его помещают в баллоны — как и сжиженный газ);
- система отопления на водороде, по сути, образует собой замкнутый цикл, в который не требуется вмешательство человека;
- относительная дешевизна топлива;
- при использовании водорода среднестатистический прибор выделяет 121 МДж/кг энергии, а аналогичный показатель у того же популярного пропана — 40 МДж/кг.
Есть у водородного топлива и свои недостатки:
- вероятность взрыва котла при превышении нормированного давления в котле;
- если брать российские условия, то не всегда можно найти водородные баллоны в шаговой доступности (это не природный газ пропан всё-таки);
- иногда температура, выделяемая при каталитической реакции, может быть настолько велика, что для выхода пара и воды нужно делать отдельный дымоход (правда, это если речь идёт о старых установках — в современных пар и вода сразу попадают в трубопровод, являясь теплоносителем);
- высокий уровень шума;
- большое потребление воды.
Схема устройства блока управления водородным котлом
Немного истории
Принцип действия водородной энергии был отмечен еще в древние времена. Известный врачеватель Парацельс при проведении своих научных экспериментов заметил, что при соединении некоторых элементов образуются пузырьки, которые он в то время принял за воздух. Позже выяснилось, что это был водород, представляющий собой газ без цвета, при определенных условиях проявляющий взрывные свойства.
В настоящее время водород научились использовать в разных целях, в том числе – для отопления жилого дома или любых других сооружений. Эти технологии активно развивают и внедряют во множестве отраслей. Являясь новшеством на рынке научных разработок, обогрев водородом уже заинтересовал многих потребителей и продолжает набирать популярность среди широких масс.
Доказано, что водород считается не только довольно распространенным, но и легкодоступным веществом. Единственная сложность – его приходится добывать из химических соединений, чаще всего – воды.
Методы получения водорода
На уроках химии средней школы когда-то давались пояснения на тот счёт, как получить водород из обычной воды, вытекающей из под крана. Есть в химической сфере такое понятие – электролиз. Именно благодаря электролизу имеется возможность получать водород.
Простейшая водородная установка представляет собой некую ёмкость, заполненную водой. Под слоем воды размещаются два пластинчатых электрода. К ним подводится электрический ток. Так как вода является отличным проводником электрического тока, между пластинами устанавливается контакт с малым сопротивлением.
Проходящий сквозь малое водяное сопротивление ток способствует образованию химической реакции, в результате которой образуется водород.
Схема экспериментальной водородной установки, которая в прежние времена изучалась в программе средней школы на уроках химии. Как выясняется, для практики современных житейских потребностей уроки те не были лишними
Казалось бы, всё просто и остаётся совсем немного – собрать образовавшийся водород, чтобы применить его в качестве энергетика. Но в химии никогда не обходится без тонких деталей.
Так и здесь: если водород соединяется с кислородом, при определённой концентрации образуется взрывоопасная смесь. Этот момент является одним из критичных явлений, ограничивающих возможности построения достаточно мощных домашних станций.
Свойства водородной воды
Молекулярный водород считается антиоксидантом, давая фору по множеству показателей «коллегам». К примеру, молекулы токоферолов, С и коэнзимов велики, устроены тяжело. Размеры частиц их способность проникать через мембранной ткани клеток уменьшают. При этом в середине них появляются вредные оксиданты. А это означает, коэнзимы и витамины – антиоксиданты малоэффективные.
Их функция – поглощать свободные радикалы, заряженные благоприятно. В организме с их накоплением связаны появляющиеся процессы старения. Но обыкновенные антиоксиданты также съедают источник молодости – отрицательно заряженные частицы. Стало быть, действие веществ сходит на нет. Молекулы газа малы в размерах и просто устроены. Частицы очень легко попадают в клетки, работая прицельно.
Благодаря этому многие пытаются выполнить дома водородную воду. Ее можно тот час же выпить. Технологи смогли отыскать способ обогащать водопроводную жидкость антиоксидантом. Для этого выполнен специализированный генератор. Изобретая этот аппарат, ученые мужи также выдумали способ сохранения воды, созданной матушкой природой – так как молекулы газа могут проникать через мембранной ткани, тару делают плотнее стенок клеток.
Виды электролизеров
Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.
Сухие
Конструкция прибора данного типа была показана на рисунке 2, ее особенность заключается в том, что манипулируя количеством ячеек, можно запитать устройство от источника с напряжением, существенно превышающим минимальный электродный потенциал.
Проточные
С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 5. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».
Рис 5. Конструкция проточного электролизера
Принцип работы устройства следующий:
- входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
- в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
- электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».
Мембранные
Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 6.
Рис 6. Электролизер мембранного типа
Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.
Диафрагменные
В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке 7 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.
Конструкция диафрагменного электролизера
Пояснение:
- Выход для кислорода.
- U-образная колба.
- Выход для водорода.
- Анод.
- Катод.
- Диафрагма.
Щелочные
Электрохимический процесс невозможен в дистиллированной воде, в качестве катализатора применяется концентрированный раствор щелочи (использование соли нежелательно, так как при этом выделяется хлор). Исходя из этого, щелочными можно назвать большую часть электрохимических устройств для расщепления воды.
На тематических форумах советуют использовать гидроксид натрия (NaOH), который, в отличие от пищевой соды (NaHCO3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:
- Можно использовать железные электроды.
- Не выделяются вредные вещества.
Но, один существенный недостаток сводит на нет все преимущества пищевой соды, как катализатора. Ее концентрация в воде не более 80 грамм на литр. Это снижает морозостойкость электролита и его проводимость тока. Если с первым еще можно смириться в теплое время года, то второе требует увеличения площади пластин электродов, что в свою очередь, увеличивает размер конструкции.
Комплектация
Для создания полноценной системы отопления помимо водородного генератора необходимы другие комплектующие. Так как рассматриваемое устройство является лишь источником топлива – необходимо правильно подобрать остальное оборудование. Классическая схема водородного генератора для отопления предусматривает подключение к водопроводу, а также обязательное обеспечение воздухом. Поэтому в помещении, где будет установлен генератор, прежде всего необходимо организовать постоянный доступ этих компонентов.
Водородная горелка
Сначала необходимо правильно подобрать водородную горелку для отопления. Лучше всего приобрести или сделать самому модель, включающую в себя 4 форсунки. Для этого подойдут комплектующие, предназначенные для природного газа. Диаметра сопла каких форсунок будет достаточно для поддержания процесса горения.
Водородный котел
Нужно организовать процесс передачи тепловой энергии от пламени горелки воде в трубах. Для этого можно использовать любой твердотопливный котел. Так как топка его не будет использоваться по назначению – ее можно заполнить гранитными камнями, они будут выполнять сразу несколько функций.
- Равномерное распределение тепла от водородного котла отопления, изготовленного своими руками, теплоносителю;
- Даже после прекращения горения смеси накопленная тепловая энергия еще некоторое время будет передаваться от гранита воде в трубах;
- Защита теплообменника водородной установки, предназначены для отопления дома от прямого воздействия пламени. Это значительно увеличит срок службы.
Установив датчик пламени на горелке, можно повысить безопасность работы всей системы. В случае непредвиденного затухания датчик подаст сигнал генератору о прекращении поступления смеси в горелку.
Общее устройство электролитического генератора водорода ↑
С помощью электролиза (см. школьную программу по физике и химии) вода разлагается на водород и кислород.
Площадь поверхности электродов должна быть велика, поэтому их собирают в пакеты (ячейки). Кстати, электролизер нельзя перегревать свыше 65 ºС, иначе пластины придётся долго очищать либо вообще заменить
Сепарировать газы не нужно, горючую смесь направляют в теплогенератор, в котором происходит обратная реакция: водород и кислород воссоединяются, вновь образуя воду.
Простейший самодельный генератор водорода — герметичная ёмкость с погруженными в жидкость электродами, источник питания 12 Вольт.
Заряд есть, вода «булькает», Hydrogenium пошёл
На крышке ёмкости располагают штуцер для отведения к потребителю смеси водорода с кислородом (газ Брауна, «гремучая смесь»).
Помимо штуцера, на крышке желательно иметь развоздушиватели
Вот такая ёмкость является основой генератора водорода для автомобиля с карбюраторным двигателем. ДВС работает на смеси с бензином, нужен ещё дополнительный накопитель и аккумулятор. Корпус прочный, от водопроводного фильтра, нехитрая установка, созданная «народными академиками», называется «АкваКар», предлагалась на Украине за 1600 гривен в дореволюционных ценах
Генератор водорода для дома, тоже в корпусе водяного фильтра. Здесь применены более производительные цилиндрические электроды, есть датчик давления. На стенках сосуда видны пузырьки — вожделенный Н2 и кислород
Но ведь дело не просто в том, чтобы выделить из воды «гремучку», это сделать немудрено. Газ нужно получить из сырья в максимальном количестве, в сжатые сроки, при этом потратить минимум энергии. Для повышения эффективности используют не обычные электроды из меди или нержавейки, а изделия сложной формы из дорогих сплавов. Сила электрического тока должна изменяться в ходе реакции, соответственно, нужен электронный блок.
Вариант исполнения электронного блока чудо-генератора
Вода расходуется, её уровень следует поддерживать постоянно и если делать это не вручную, понадобится система автоматической подпитки. Наконец, чтобы электролиз проходил с достаточной интенсивностью, вода должна содержать достаточное количество растворённых солей, в мягкой воде реакция будет слабой, а в дистиллированной вовсе отсутствовать. Значит, наливать воду из крана нельзя: её придётся готовить (самый простой вариант — столовая ложка гидроксида натрия на 10 л воды), а это дополнительные резервуары, трубопроводы и т.д.
На рисунке показана схема генератора водорода для автомобиля, но разница с устройством для отопления лишь в том, что потребителем газа являются не форсунки двигателя, а горелка котла
Но и это не всё. Теплогенератор (котёл) потребляет топливо неравномерно, к тому же требует определённого его давления и влажности. Чтобы система реактор топлива + генератор тепла работали взаимосвязано и чётко, hydrogenium должен поступать сначала в осушитель, потом компрессор, который будет закачивать его в хранилище, где с помощью дополнительной автоматики должно поддерживаться требуемое давление.
Обслуживание генераторов водорода
Оборудование подлежит тщательному уходу. Специалисты советуют придерживаться следующих советов:
- не улучшать и не изменять самостоятельно генератор даже при наличии профессионального инженерного чертежа;
- рекомендовано установить на оборудование специальные датчики температуры внутри теплообменника, что даст возможность контролировать процесс перегрева воды;
- запорную арматуру можно установить в горелку и подключить ее к датчику температурных показателей. Это даст прибору возможность нормально охлаждаться.
Самодельный генератор позволяет получить водород, но применяется он в основном для экспериментов и газосварки. Чтобы обогреть немалое строение, КПД аппарата попросту не хватит. И при этом не стоит забывать о низком КПД устройства, а также хлопотах и затратах при его сборке.
Возможно ли сделать бестопливный генератор энергии своими руками?
Как сделать металлоискатель своими руками, помощь новичкам
Что такое электролиз и где он применяется?
Что такое магнитный двигатель и как его сделать своими руками?
Как изготовить электронную печатную плату в домашних условиях?
Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия
Водородное домашнее отопление
Собрать генератор водорода для хорошего домашнего отопления – задумка, может быть не мифическая, но откровенно очень нерентабельная. Для того чтобы получить нужный объём водорода под домашнюю теплогенерирующую установку, понадобится не только мощная электролизная установка, но еще существенный объём электроэнергии.
Компенсация затраченного электричества полученным дома водородом видится процессом нерациональным.
Все таки, попытки решить задачу, как выполнить водородный домашний генератор собственными руками, не останавливаются. И вот пример одного из пыточных вариантов:
- Готовится герметическая надёжная ёмкость.
- Выполняются трубчатые или пластинчатые электроды.
- Собирается схема управления рабочим напряжением и током.
- Выполняются добавочные модули для рабочей станции.
- Выбираются сопутствующие предметы (шланги, провода, крепёж).
Естественно, понадобится инструментальный комплект, включая необходимое оборудование, к примеру, осциллограф и частотомер. Укомплектовавшись всем нужным, приступаем конкретно к изготовлению водородной отопительной установки для дома.
Проектная реализация собственными руками
Изначально понадобится выполнить ячейку генерации водорода. Топливная ячейка имеет размеры и габариты немного поменьше внутренних размеров ширины и длины корпуса генератора. По высоте размер блока с электродами составляет 2/3 высоты ключевого корпуса.
Ячейку можно создать из текстолита или акрилового стекла (толщина стены 5-7 мм). Для этого режуться по размеру пять текстолитовых пластин. Из них склеивается (эпоксидным клеем) прямоугольник, часть находящаяся внизу которого остаётся открытой.
На верхней стороне прямоугольника сверлятся необходимое кол-во очень маленьких отверстий под хвостовики электродных пластин, одно небольшое отверстие для датчика уровня, плюс одно отверстие диаметром 10-15 мм для выхода водорода.
В середине прямоугольника размещаются платины электродов, контактные хвостовики которых выводят через отверстия верхней пластины за пределы ячейки. Ставится измеритель водного уровня на отметке 80% наполнения ячейки. Все переходы в текстолитовой пластине (не считая выхода водорода) заливают эпоксидным клеем.
Отверстие выхода водорода необходимо оборудовать соединительным эелементом с резьбой – зафиксировать его механически, используя уплотнение либо же вклеить. Собранная ячейка генерации водорода размещается в середине главного корпуса устройства и по периметру вверху тщательно герметизируется (снова же можно задействовать смолу на эпоксидной основе).
Но прежде чем заложить ячейку в середину, корпус генератора необходимо приготовить:
- выполнить подвод для воды в области днища;
- сделать крышку находящуюся сверху с крепежом;
- выбрать надёжный уплотнительный материал;
- расположить на крышке электрический клеммник;
- расположить на крышке водородный коллектор.
В результате должен выйдет отчасти готовый к действию водородный генератор после того, как:
- Топливная ячейка загружена в корпус.
- Электроды подключены на клеммнике крышки.
- Патрубок для соединения выхода водорода соединён с водородным коллектором.
- Крышка размещена на корпус через уплотнитель и закреплена.
Остается только присоединить воду и добавочные модули.
Дополнения к водородному генератору
Рукодельное устройство для получения водорода нужно дополнить вспомогательными модулями. К примеру, модулем водоподачи, который практично соединяется с датчиком уровня, установленным в середине генератора. В лаконичном виде такой модуль предоставлен насосом для воды и контроллером управления. Насос управляется контроллером по сигналу датчика, в зависимости от водного уровня в середине топливной ячейки.
По существу, лучше всего также иметь устройство, которое регулирует частоту электротока и уровень напряжения, подаваемых на клеммы рабочих электродов топливной ячейки. Как минимум, электрический модуль должен снабжаться стабилизатором электрического напряжения и защитой от перегрузки по току.
Водородный коллектор, в простейшем его виде, смотрится как трубка, где размещается вентиль, прибор для определения величины давления, клапан обратный. От коллектора забор водорода выполняется через клапан обратный и практически уже подается к потребителю.
Но В практических условиях все не так просто. Водород — взрывоопасный газ, имеющий большую температуру сгорания. Благодаря этому просто взять и закачать водород в систему котла отопления в качестве топлива – так выполнить не выйдет.
Простейший электролизер
Для того, чтобы изготовить простейший водородный генератор достаточно знаний по физике и химии в объеме средней школы.
Материалы и инструменты
Нержавеющая сталь 03Х16Н15М3 размером 500х500 мм
Возможно использование нержавеющей стали любой другой марки.
Важно: обычная сталь в воде будет подвержена коррозии. Кроме того, вместо воды возможно использование щелочного электролита, который достаточно агрессивен, особенно при прохождении по нему электрического тока
В этих условиях обычная сталь долго не выдержит.
Прозрачная полиэтиленовая трубка длиной не менее 1 м и диаметром 8 мм.
2 болта М6х150, шайбы и гайки.
3 штуцера “елочка” с наружным диаметром 8 мм.
Пластиковый контейнер с крышкой объемом не менее 1,5 л.
Фильтр для очистки проточной воды (можно использовать фильтр от стиральной машины).
Обратный водяной клапан.
Силиконовый герметик.
Болгарка или ножовка по металлу.
Гаечные ключи для болтов М6.
Нож.
Процесс изготовления
Осуществляем раскрой стального листа таким образом, чтобы получилось 16 пластин одинакового размера.
В одном из углов каждой пластины нужно просверлить отверстие для болта М6. С помощью этого отверстия пластины будут скрепляться между собой, поэтому центр отверстия во всех пластинах должен находиться на одной оси.
Для того, чтобы правильно соединить пластины, в каждой пластине необходимо спилить угол, который находится со стороны, противоположной отверстию для болта.
Поочередно установить пластины на болты согласно схеме, изолировав пластины “+” и “-” друг от друга с помощью полиэтиленовой трубки и шайб
При правильной установке пластин срезанные углы не позволят разнополюсным пластинам контактировать между собой.
После установки всех пластин конструкцию необходимо стянуть гайками.
Важно: закончив сборку, необходимо убедиться, что разнополюсные пластины не соединяются между собой (прозвонить конструкцию).
Крепим получившуюся конструкцию в пластиковый бокс с помощью шайб и гаек, предварительно просверлив 2 отверстия для болтов “+” и “-“. Для обеспечения герметичности отверстия обработать силиконовым герметиком.
Сверлим отверстия в крышке бокса и вставляем штуцера
Отверстия необходимо обработать силиконовым герметиком.
Остается проверить работоспособность получившегося электролизера. Для этого заполняем контейнер водой до крепежных болтов и закрываем его крышкой. Затем на один из штуцеров одеваем полиэтиленовый шланг и опускаем его в какую-нибудь емкость с водой. Подключив к болтам источник питания, наблюдаем за появлением пузырьков выделяемого газа. Для того, чтобы повысить количество выделяемого газа, нужно увеличить силу тока, проходящего через воду.
Проверив работоспособность устройства необходимо слить воду и заполнить пластиковый контейнер щелочным электролитом. Это позволит получить значительно большее количество выделяемого газа.
ВНИМАНИЕ: эксплуатируя электролизер необходимо помнить что процесс расщепления воды на кислород и водород взрывоопасен. Поэтому необходимо соблюдать определенные правила техники безопасности.
