Способ получения водорода при разложении воды
Изобретение относится к энергетике, а именно к способу получения водорода при разложении воды. Способ включает подачу нагретой воды из водяного котла в устройство разложения воды на кислород и водород, содержащее катод и анод. При этом перфорированные катод и анод представляют собой цилиндрические коаксиально расположенные обкладки водяного конденсатора, причем анод содержит по меньшей мере два трансформатора с индуктивностями, образующие магнитный поток, проходящий через воду, при этом слагаемые магнитных потоков каждого трансформатора образуются за счет намотки изолированного провода. Направления векторов магнитных напряженностей, образованных одним трансформатором совместно с нагрузочной индуктивностью, совпадают, а направление суммарного вектора магнитной напряженности одного трансформатора, за счет переключения полярности питающего напряжения, отличается от направления суммарного вектора магнитной напряженности другого трансформатора. При этом на перфорированную изолированную со всех сторон обкладку меньшего диаметра, внутренний объем которой служит для накопления и транспортировки ионов кислорода, подается положительный потенциал, а на перфорированную обкладку большого диаметра, на которой происходит нейтрализация ионов водорода, который транспортируется через отверстия корпуса устройства разложения воды, подается отрицательный потенциал. Технический результат заключается в повышении КПД устройств разложения воды. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.
Изобретения относятся к энергетике, а именно к способам преобразования внутренней энергии водорода как в механическую с последующим преобразованием механической в электрическую, так и тепловую с последующим преобразованием ее во внутреннюю энергию водорода, замыкая тем самым за счет подачи тепловой энергии внешней среды энергетический цикл.
Известен способ получения водорода электролизом, в котором ионы водорода и кислорода нейтрализуются каждый у своих электродов. При этом за счет дополнительной входной электроэнергии происходит нагрев воды, который не участвует в процессе разложения ввиду того, что вода разлагается электрическим полем. Предлагается с целью повышения КПД один из электродов изолировать, а нейтрализацию ионов производить, например, с помощью подачи повышенного напряжения на нейтрализационную сетку, расположенную в газовой области.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является Российский патент №2596605 водородный электрогенератор, содержащий емкость с водой, связанный водяным каналом с устройством разложения воды на кислород и водород, гремучая смесь которого сжигается в камере, механическая энергия которого преобразуется преобразователем тепловой энергии в электрическую, причем выхлопной пар от ДВС по патрубку поступает на вход устройства разложения воды. Преобразователь воды в водород имеет сложное энергоемкое устройство.
Известно, что нагрев материальных тел сказывается на увеличении кинетической энергии их микроэлементов. Так увеличение тепловой энергии воды - это интенсификация броуновского движения молекул. При действии на воду энергии электрических и магнитных полей диполи воды стремятся ориентироваться вдоль суммарного вектора электрического и магнитного полей при условии одновременного их действия. В результате этого интенсификация теплового движения дипольных молекул снижается. Спрашивается, куда преобразовалась часть тепловой энергии воды. Очевидно, она преобразовалась в интенсифицированное движение атомов водорода и кислорода на другую траекторию движения или расслабления их связей, на которые влияет также энергия электрических и магнитных полей. На основании сказанного делается вывод, что разрушение молекулы воды происходит тогда, когда суммарная энергия тепловая, энергия электрического и магнитного полей превосходит энергию сцепления водорода и кислорода в молекуле воды. Так при нагревании воды до ее плазменного состояния (до температуры, которая образуется при сжигании водорода) происходит разрушение молекул воды без действия электроэнергии. И, наоборот, при действии электрической энергии, эквивалентной тепловой энергии разрушения молекулы воды на воду, имеющую, например, температуру около нуля, происходит также разложение воды. Способы существующих устройств разложения воды в основном включают электрическое поле образованное водяным конденсатором, где вода играет роль диэлектрика. Недостатком устройств является преобразование входной электроэнергии в тепловую энергию воды, которая совместно с энергией электрического поля разлагает воду, что значительно снижает КПД устройств из-за значительного потребления электроэнергии, расходуемой на единицу объема разлагаемой воды.Известен способ получения водорода и кислорода из воды, включающий получение в незамкнутом пространстве перегретого водяного пара с температурой 500-550°С, который пропускают через постоянное электрическое поле, образованное между расположенными на расстоянии друг от друга электродами высокого напряжения (6000 В) с получением водорода и кислорода (продуктов диссоциации) и их отвод [Описание изобретения к патенту РФ №2142905 от 27.04.1998, МПК С01В 3/00, С01В 13/02, опубл. 20.12.1999]. Продекларировано, что способ прост в аппаратурном оформлении, экономичен, пожаро- и взрывобезопасен и высокопроизводителен.
Однако в указанном изобретении не учитываются затраты на энергию, затрачиваемую на образование перегретого пара.
Целью изобретения является использование при разложении воды как тепловой энергии окружающей среды, так и выхлопной тепловой энергии при сгорании водорода, что приводит к значительному повышению КПД устройств разложения воды.
На фиг. 2 показана схема водородного электрогенератора, содержащая водяной котел 22, в который вода поступает от природных тепловых источников, например по каналу 39 от солнечного коллектора 38, по каналу 28 с помощью насоса 23 с рек, озеров, морей. Водяная емкость каналом 29 связана с устройством 24 разложения воды.
От устройства 24 не разложившаяся вода с заниженной по отношению к входной температурой, например 1 градус Цельсия, по каналу 31 выходит наружу. Образовавшиеся выходные газы от устройства 24 по фитилям 32 водородному и 33 кислородному, которые изолированы, например, термостойкой керамикой (см. Российский патент №2517721) попадают в камеру смешивания 25. Гремучий газ по каналу 34 подается в устройство 26 (ДВС), откуда выхлопной пар по каналу 36 подается на вход устройства 24. Выхлопной пар может подаваться на вход другого аналогичного устройства разложения воды. При этом расход механической энергии, преобразуемой электрогенератором, компенсируется тепловой энергией окружающей среды, поступающей в виде нагретой воды от, например, солнечных коллекторов в водяной котел.
Механическая энергия от ДВС по валу 35 подается электрогенератору 27. Вырабатываемая электроэнергия по каналам 37, 40 поставляется потребителям или используется, например, для зарядки аккумуляторных батарей.
Известно, что КПД ДВС при механической нагрузке не может быть выше 20-30% от энергии, получаемой от сгорания топлива. Поэтому при использовании тепловой энергии выхлопного пара значительно повышается КПД. Например, при работе электрогенератора на углеводородном топливе, учитывая теплотворную способность водорода и углеводородов и высокий КПД водородного электрогенератора, при одной и той же входной электрической мощности по каналу 30 источника 41 можно зарядить аккумуляторов от водородного электрогенератора примерно в 10 раз больше, чем от углеводородного электрогенератора. При этом работа водородного электрогенератора не сказывается на ухудшении экологической обстановки.
Согласно фиг. 1 устройство 24 разложения воды содержит корпус 1, представляющий цилиндрическую трубу, коаксиально которой расположены токопроводящие перфорированные отверстиями 5 катод 3 и отверстиями 7 анод 6, играющие роль цилиндрических коаксиально расположенных обкладок водяного конденсатора. Причем анод полностью изолирован диэлектриком 8. Анод 6 содержит по меньшей мере два намагничивающих устройства (трансформатора, излучающих магнитные поля с нагрузочными индуктивностями, которые также излучают магнитные поля, причем направление векторов магнитных напряженностей, образованных одним трансформатором, совпадают), расположенных вдоль оси 9 трубы на некотором расстоянии друг от друга, представляющей собой положительно заряженную нейтрализующую сетку, статический заряд которой превышает потенциал положительного электрода. Каждое устройство содержит трансформатор, магнитопровод которого образован обмоткой изолированного проводника, выполненного из электротехнической стали, имеющего, например, в сечении прямоугольную форму. Обмотка магнитопровода проводником вокруг анода 6 выполнена, например, поочередно витками 15 малого и витками 13 большого диаметра. Входная катушка 17, выходная катушка 16 и дополнительно катушка 14 обратной связи наматываются на магнитопровод, содержащий витки большого диаметра. Катушки 14, 16 и нагрузочная излучающая индуктивность 21, соединенные последовательно так же, как обмотки магнитопровода малого диаметра, имеют токовые контуры, токи которых согласно принципу суперпозиции образуют суммарное магнитное поле вместе с излучающим магнитным потоком. При соединении катушки 14 обратной связи параллельно вторичной катушки 16 получаем значительное увеличение тока индуктивности 21, соединенной так же параллельно с выходной вторичной катушкой 16, что приводит к значительному увеличению плотности излучающего индуктивностью магнитного поля за счет увеличения в индуктивностном контуре тока. Магнитный поток трансформатора, проходя по магнитопроводу, образованному витками малого диаметра, также дополнительно излучает магнитное поле, что значительно повышает эффективность разложения значительного объема воды за короткое время, а значит, позволяет повысить скорость разложения воды. На входную катушку 17 и на обмотку магнитопровода подается выпрямленное импульсное напряжение. Ток по катушке 17 протекает заданного направления через нормально замкнутые контакты промежуточного реле. При включении реле происходит смена полярности входного напряжения и, как следствие, изменение направления суммарного вектора напряженности магнитного потока трансформатора. Полярность входного напряжения трансформатора определяет направление суммарного магнитного потока излучаемого трансформатором и его катушкой индуктивности. При изменении полярности входного напряжения суммарный магнитный поток изменяет направление на 180 градусов, при этом переключение полярностей происходит с заданной частотой.
Вектора магнитных напряженностей, вырабатываемых двумя трансформаторами, могут иметь согласное встречное и противоположное направление. Магнитные потоки трансформаторов, при различных сочетаниях полярностей входных напряжений проходя через воду, оказывают на диполи воды одностороннее сжимающее растягивающее действие. Поэтому при смене полярности на диполи воды переменно и одновременно действуют силы, вызываемые двумя магнитными потоками, вектора напряженности которых изменяют направление с частотой переключения полярности входного напряжения каждого излучателя. При переключении полярностей питающих напряжений трансформаторов происходит увеличение эффективности разложения воды. С целью охлаждения обмоточных проводов они могут представлять полую перфорированную конструкцию, изолированную со всех сторон термостойкой изоляцией.
Работа устройства заключается в том, что горячая вода поступает через регулировочный давление клапан 12 в межэлектродную полость 20, а холодная, не разложившаяся вода через регулируемый давление клапан 4 выходит наружу. При разложении воды давление в полости 20 повышается, клапан 12 закрывается. Ионы водорода, имеющие положительную полярность, нейтрализуются на отрицательном электроде 3, и водород через отверстия 5 попадает в полость 19, расположенную между корпусом 1 и конденсаторной пластиной 3 и через отверстие 11 по фитилю 32 попадает в камеру 25. Ионы кислорода, имеющие отрицательную полярность, отталкиваясь от отрицательного электрода 3, попадают в положительное статическое поле полости 18, нейтрализуются сеткой 9, потенциал которой превышает потенциал положительного электрода и под действием созданного давления через отверстие 10 по фитилю 33 попадают в смесительную камеру 25. Клапан 4 может открываться при заданном давлении в межэлектродной полости 20 или в функции температурного режима в этой полости. При достижении в полости 20 заданной температуры клапан 4 открывается, давление в полости 20 падает, что приводит к открытию клапана 12. Цикличность работы устройства зависит от количества энергии, вводимой в устройство 24, разложения воды. Ввиду того что в водогазовой смеси происходит разделение газов от воды, создается возможность для усиления статических полей установить между отрицательным электродом 3 и корпусом 1, а также в полости 18 токопроводящие сетки одноименной с соседними электродами полярностью, потенциал которых по абсолютному значению превосходит потенциал соседних конденсаторных пластин. Потенциал на сетки подается после разделения газов от воды.
С большим экономическим эффектом изобретение может использоваться без значительных доработок на тепловых электростанциях, например Конаковской ТЭЦ, где отработанной водяной пар (вода) тоннами отводится по искусственному каналу. При использовании этой бросовой тепловой энергии можно получить значительную добавку электроэнергии или энергии в виде сжиженного кислородного и водородного газов.
1. Способ получения водорода при разложении воды, включающий подачу нагретой воды из водяного котла в устройство разложения воды на кислород и водород, содержащее катод и анод, отличающийся тем, что перфорированные катод и анод представляют собой цилиндрические коаксиально расположенные обкладки водяного конденсатора, причем анод содержит по меньшей мере два трансформатора с индуктивностями, образующие магнитный поток, проходящий через воду, при этом слагаемые магнитных потоков каждого трансформатора образуются за счет намотки изолированного провода, выполненного из электротехнической стали, с образованием витков большого и малого диаметра с последующей подачей выпрямленного импульсного напряжения на сопротивление этого провода и с последующей намоткой на витки большого диаметра магнитопровода первичной и вторичной катушек с подключением к вторичной нагрузочной катушке индуктивности, которая также при прохождении по ней тока образует направленное магнитное поле, причем направления векторов магнитных напряженностей, образованных одним трансформатором совместно с нагрузочной индуктивностью, совпадают, а направление суммарного вектора магнитной напряженности одного трансформатора, за счет переключения полярности питающего напряжения, отличается от направления суммарного вектора магнитной напряженности другого трансформатора, при этом на перфорированную изолированную со всех сторон обкладку меньшего диаметра, внутренний объем которой служит для накопления и транспортировки ионов кислорода, подается положительный потенциал, а на перфорированную обкладку большого диаметра, на которой происходит нейтрализация ионов водорода, который транспортируется через отверстия корпуса устройства разложения воды, подается отрицательный потенциал.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переключение полярностей питающих напряжений трансформаторов или одного трансформатора происходит с заданной частотой.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на витки большого диаметра магнитопровода дополнительно наматывается катушка обратной связи, подключаемая параллельно вторичной (выходной) катушке или последовательно ей, при этом катушки и индуктивность должны образовывать токовый контур.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обмоточный провод представляет полую перфорированную конструкцию, изолированную со всех сторон термостойкой изоляцией.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после отделения газов от воды на токопроводящие сетки, установленные между отрицательным электродом (катодом) и корпусом и во внутренней части положительного электрода (анода), подается потенциал, полярность которого совпадает с полярностью соседних электродов.
