RU2344201C2 - Устройство для преобразования энергии - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании устройства для преобразования одного вида энергии в другой путем электролиза. Устройство для преобразования энергии путем электролиза содержит емкость, выполненную с возможностью вращения, заполненную водным раствором электролита, установленную на валу и связанную с приводом вращения, электроды, а также каналы подвода водного раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза. Внутренняя поверхность емкости имеет вид усеченного конуса, наружная поверхность выполнена ребристой, емкость установлена на вертикальном валу с возможностью подачи в основание емкости умягченной, деаэрированной и нагретой до 90°С воды, одним электродом является корпус емкости, а второй электрод закреплен на неподвижной раме с возможностью вертикального перемещения так, чтобы постоянно находиться в контакте с водным раствором электролита, система подачи воды и водного раствора электролита, отвода продуктов электролиза и емкость изолированы друг от друга и от окружающей среды с помощью воздушного затвора. Технический результат заключается в повышении эффективности процесса электролиза с получением кислорода, водорода, электрической энергии и утилизацией тепла. 1 ил.

Description

Устройство для преобразования энергии относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой путем электролиза.

Из существующего уровня техники известно устройство для преобразования механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии путем разложения воды электролизом раствора электролита и получения при этом водорода, кислорода, электроэнергии и холода (см. Патент РФ№ 2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, 1998 г., прототип). Устройство снабжено теплообменником, подведенным внутрь емкости, электроды или коротко замкнуты между собой, или соединены в контур через потребитель электроэнергии. Емкость установлена на горизонтальном валу с возможностью обеспечения расчетной угловой скорости ее вращения. Устройство также имеет каналы для подвода начальных и отвода конечных продуктов электролиза.

Недостатком известного устройства является сложная конструкция электродов, наличие множества уплотнений и узлов креплений как на корпусе, так и внутри емкости, а также малый теплообмен с окружающей средой и нахождение теплообменника внутри вращающейся емкости.

Получению требуемого технического результата в данном устройстве препятствует сложность конструкции электродов и низкая теплообменная способность известного устройства с окружающей средой.

Кроме того, данное устройство не позволяет получать водород и кислород до достижения пороговой частоты вращения, а электроды и теплообменник при больших оборотах емкости выходят из строя. Получение тепловой энергии только через трубчатый теплообменник или через гладкую наружную поверхность емкости не достаточно для увеличения энтальпии раствора, компенсирования постоянного снижения температуры раствора, т.е. восполнения теплопотери (см. Патент РФ№ 2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, 1998 г., прототип).

Известен также центробежный электролизер, где анод и катод выполнены в виде пористых пластин с образованием камер накопления водорода и кислорода, сообщающихся между собой каналами.

Недостатком известного электролизера является значительная сложность конструкции электродов и корпуса емкости, не предусматривающая повышения мощности устройства за счет отбора дармового тепла с окружающей среды (Патент РФ №2015395 C1, F02M 2/00, 1994 г., аналог)

Целью изобретения является упрощение конструкции электродов, обеспечение возможности большего отбора тепла с окружающей среды, повышение КПД электролизера, эксплуатация устройства как в транспортных средствах, так и в стационаре.

К техническим результатам, получаемым от реализации данного изобретения, можно отнести повышение эффективности электролиза, получение наряду с водородом и кислородом электрической энергии и утилизацию тепла любого природного или техногенного происхождения.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для преобразования энергии путем электролиза, содержащее емкость, выполненную с возможностью вращения, установленную на валу и связанную с приводом вращения, электроды, а также каналы подвода водного раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза, согласно изобретению внутренняя часть емкости имеет вид усеченного конуса, наружная поверхность выполнена ребристой, емкость установлена на вертикальном валу с возможностью подачи в основание емкости умягченной, деаэрированной и нагретой до 90°С воды, одним электродом является корпус емкости, а второй электрод закреплен на неподвижной раме с возможностью вертикального перемещения так, чтобы постоянно находится в контакте с водным раствором электролита, система подачи воды и водного раствора электролита, отвода продуктов электролиза и емкость изолированы друг от друга и от окружающей среды с помощью воздушного затвора.

Устройство (см. чертеж) содержит вертикальный вал 1, на котором установлена емкость 2, выполненная с возможностью вращения, заполненная водным раствором электролита. Емкость связана через редуктор с приводом вращения (не показаны). Устройство имеет электроды 4 и 2, соединенные на выпрямитель, один из которых 4 закреплен на неподвижной раме 8 и вертикально перемещается для постоянного контакта с водным раствором электролита, а другим электродом является корпус емкости 2.

Различные конструктивные решения данного устройства предполагают различные выполнения его теплообменника. Функции теплообменника в устройстве выполняет постоянно пополняемая нагретая до 90°С умягченная вода, ребристая наружная поверхность 9 корпуса емкости 2 за счет отбора тепла из окружающей среды и внутренняя конусная часть 10 емкости 2.

Внутренняя часть емкости выполнена конусообразной, чтобы водный раствор электролита частично циркулировал и выполнял функцию внутреннего теплообменника за счет конусной части. Конструктивно электроды 2 и 4 выполнены так, чтобы их можно было подключить к выпрямителю и тем самым водород и кислород получать при малых скоростях вращения.

Следует отметить, что емкость с водным раствором электролита, например, в 1 кубический метр для стационарного варианта выполнения устройства будет иметь массу до 1300-1400 кг, что может затруднять практическую реализацию устройства из-за большой нагрузки на вал и редуктор.

Поэтому устройство предлагается изготовить с использованием известного узла вращения сепараторов с общей массой 200-250 кг.

Необходимое количество водорода и кислорода можно получать, используя несколько установок.

Устройство для преобразования энергии функционирует следующим образом.

В емкость 2, выполненную с возможностью вращения, через канал 5 подают заранее подготовленный водный раствор электролита необходимого объема, емкость выполнена с возможностью подачи через канал 5 в ее основание умягченной, деаэрированной нагретой до 90°С воды. При этом уровень водного раствора электролита перекрывает на 1/3 часть длины усеченного конуса 10 и конец вертикально перемещающегося электрода 4, а второй электрод 2 (корпус емкости) всегда находится в контакте с электролитом.

Разгоняют емкость 2 и до достижения пороговой частоты вращения электроды 4 и 2 подключаются к постоянному источнику тока, тогда выход водорода и кислорода в начальный момент не зависит от угловой скорости емкости 2, а по достижении (порогового) значения частоты вращения нагрузка выпрямителя уменьшается, т.е. необходимая электрическая энергия вырабатывается внутри емкости устройства за счет разделения отрицательных тяжелых и положительных легких частиц. При поддержке тока наружным источником величину пороговой скорости вращения емкости можно существенно уменьшить, разложение воды на водород и кислород в устройстве восполняет дозированное поступление умягченной горячей воды по каналу ввода 5 и удаление водорода и кислорода через каналы выхода 6 и 7.

В процессе работы данного устройства под действием центробежной силы в емкости 2 катионы и анионы в виде гидратов, имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Тяжелые ионы с отрицательным зарядом собираются на внутренней поверхности емкости 2, образуя зону с повышенной концентрацией одноименных ионов, например анионов, то есть, образуя зону с отрицательным пространственным электрическим зарядом, который индуцирует на внешней поверхности емкости адекватный заряд из электронов проводимости.

Легкие же ионы сконцентрируются в области между указанным пространственным зарядом и электродом 4, образуя свой пространственный положительный заряд. По мере возрастания напряженности электрического поля между катионами и поверхностью катода, достаточного для создания электрического поля, способного разрушить гидратные оболочки легких ионов, они приблизятся к поверхности электрода 4 и разрядятся. Тяжелые ионы, прижатые центробежной силой к поверхности другого электрода 2, тоже отдадут свой заряд электроду и между ними по короткозамкнутому проводнику потечет постоянный электрический ток. Ионы водного раствора электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят во вторичные реакции с доливаемой водой. Восстановленный водород и кислород из емкости удаляются через каналы для отвода 6 и 7.

Производительность заявленного устройства по водороду регулируется как изменением частоты вращения емкости 2 или величиной омического сопротивления внешней электрической нагрузки потребителя, так и конструктивным исполнением внутренней и наружной 9 частей емкости 2. Внутренняя часть емкости, выполненная в виде усеченного конуса 10, способствует получению большего отрицательного заряда, смешиванию электролита и тем самым усилению разрушения воды на водород и кислород, наружная часть имеет ребристую поверхность 9 для увеличения отбора тепла с окружающей среды. В этом отношении устройство существенно отличается от известных преобразователей, так как процесс разложения воды на кислород и водород за счет восстановления их ионов сопровождается уменьшением энтальпии водного раствора электролита, в результате чего температура водного раствора электролита постоянно снижается, и, если не восполнять теплопотери, то водный раствор электролита замерзнет и процесс прекратится. Электрод 4 устройства закреплен на отдельной раме 8 и его можно переместить вертикально, чтобы нижний конец постоянно находился в контакте с водным раствором электролита. Рама связана с вращающей емкостью через воздушный затвор 3, что позволяет отдельно собирать кислород.

Общий КПД предлагаемого устройства больше, чем КПД прототипа, за счет большего поглощения тепла из окружающей среды и в среднем составляет 0,85.

Устройство для преобразования энергии можно использовать как в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), так и в стационарном режиме. Полученный водород собирается в газгольдерах или сразу подается в накопители для дальнейшего использования, а кислород подается на станцию очистки и приготовления кислорода.

Литература

1. Устройство для преобразования энергии. Кудымов Г.И., Студенников В.В. Патент РФ №2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, 1998 г, прототип.

2. Центробежный электролизер. Ильин Г.В. Патент РФ №2015395, C1 F02M 2/00, 1994 г., аналог.

Claims (1)

1. Устройство для преобразования энергии путем электролиза, содержащее емкость, выполненную с возможностью вращения, заполненную водным раствором электролита, установленную на валу и связанную с приводом вращения, электроды, а также каналы подвода водного раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза, отличающееся тем, что внутренняя поверхность емкости имеет вид усеченного конуса, наружная поверхность выполнена ребристой, емкость установлена на вертикальном валу с возможностью подачи в основание емкости умягченной, деаэрированной и нагретой до 90°С воды, одним электродом является корпус емкости, а второй электрод закреплен на неподвижной раме с возможностью вертикального перемещения так, чтобы постоянно находиться в контакте с водным раствором электролита, система подачи воды и водного раствора электролита, отвода продуктов электролиза и емкость изолированы друг от друга и от окружающей среды с помощью воздушного затвора.