тра. Данная методика обсуждалась выше в параграфе об очистке водорода монооксида углерода СО. Хотя на первый взгляд этот способ получения во рода может показаться привлекательным, однако его практическая реализа" достаточно сложна.

Представим себе такой эксперимент. В цилиндрическом сосуде под п шнем находится 1 кмоль чистого водяного пара. Вес поршня создает в cocj постоянное давление, равное 1 атм. Пар в сосуде нагревают до температ> 3000 К. Указанные значения давления и температуры были выбраны произвс. но в качестве примера.

Если в сосуде находятся только молекулы Н20, то количество свобол энергии системы можно определить с помошью соответствующих таблиц TeD динамических свойств воды и водяного пара Однако на самом деле по край мере часть молекул водяного пара подвергается разложению на составляг ее химические элементы, т. е. водород и кислород:

поэтому полученная смесь, содержащая молекулы Н20 , Н2 и 02, будет хар-«. теризоваться другим значением свободной энергии. Если бы все молекулы водяного пара диссоциировали, то в сосуде оказалась газовая смесь, содержащая 1 кмоль водорода и 0,5 кмоля кислорода. Количе^ свободной энергии этой газовой смеси при тех же значениях давления (1 а и температуры (3000 К) оказывается больше количества свободной энер чистого водяного пара. Отметим, что 1 кмоль водяного пара был преобразован 1 кмоль водорода и 0,5 кмоля кислорода, т. е. общее количество вещества те: составляет А"оГ)||(=1,5 кмоля. Таким образом, парциальное давление водорода б> равно 1/1,5 атм, а парциальное давление кислорода - 0.5/1,5 атм. При любом реалистичном значении температуры диссоциация водяного п будет неполной. Обозначим долю продиссоциировавших молекул перемен F. Тогда количество водяного пара (кмоль), который не подвергся разложен будет равно (1 - F) (считаем, что в сосуде находился 1 кмоль водяного пара). К личество образовавшегося водорода (кмоль) будет равно F, а кислорода - F Получившаяся смесь будет имеет состав (l-F)n20 + FH2 + ^F02. Общее количество газовой смеси (кмоль) Рис. 8.8. Зависимость свободной энергии смеси водяного пара, водорода и кислорода от мольной доли продиссоциировавшего водяного пара Свободная энергия компонента смеси зависит от давления в соответствии соотношением 8i = 8i +RTnp(, (41) гле g - - свободная энергия /-го компонента смеси в расчете на 1 киломоль ftp и давлении 1 атм (см. «Зависимость свободной энергии от температуры в гл. 7). Зависимость свободной энергии смеси от F, определяемая уравнением (42 показана на рис. 8.8. Как видно из рисунка, свободная энергия смеси водя - го пара, кислорода и водорода при температуре 3000 К и давлении 1 атм го: минимум, если доля продиссоциировавших молекул водяного пара состав 14,8 %. В этой точке скорость обратной реакции н, + - СУ, -> Н-,0 равна ско 1 2 сти прямой реакции Н20 -» Н2 + - 02 , т. е. устанавливается равновесие. Чтобы определить точку равновесия, необходимо найти значение F при тором СП11Х имеет минимум. d Gmjy -$ -$ 1 -$ -^ = - Ян2о + Яи2 + 2^о2 + Sh2o “ Sn2 ~ 2 go2 Константа равновесия Кр зависит от температуры и от стехиометрических коэффициентов в уравнении химической реакции. Значение Кр для реакции Н-0 -» Н2 + ^02 отличается от значения для реакции 2Н20 -» 2Н2 + 02 . При зтом константа равновесия не зависит от давления. Действительно, если обра­титься к формуле (48), то можно увидеть, что значения свободной энергии g* определены при давлении 1 атм и не зависят от давления в системе. Более того, г»ли водяной пар содержит примесь инертного газа, например аргона, то это тткже не изменит значения константы равновесия, так как значение g"Ar равно тлю1*. Соотношение между константой равновесия Кр и долей продиссоциировав - гго водяного пара /’может быть получено, если выразить парциальные давле­ния компонентов смеси в функции от F, как это было сделано в формулах (38), 39) и (40). Отметим, что эти формулы справедливы только для частного случая, гда полное давление равно 1 атм. В общем случае, когда газовая смесь нахо - іся при некотором произвольном давлении р, парциальные давления можно ссчитать по следующим соотношениям: Как следует из приведенной выше информации, прямое термическое ра жение воды возможно только при очень высокой температуре. Как показано рис. 8.9, при температуре плавления палладия (1825 К) при атмосферном. лении только незначительная доля водяного пара подвергается диссоциа Это означает, что парциальное давление водорода, полученного термичсс- разложением воды, будет слишком низким для использования в практичес задачах. Повышение давления водяного пара не исправит ситуацию, так как при резко уменьшается степень диссоциации (рис. 8.10). Определение константы равновесия можно распространить на случай более сложных реакций. Так, например, для реакции Величина -246 МДж/кмоль - это значение энергии образования воды, усре ненное в интервале температуры от нуля до 3000 К. Приведенное соотноше является еще одним примером уравнения Больцмана.

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 .

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.

Рисунки к патенту РФ 2456377

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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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%.

Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии - водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз - очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.

Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции - восстановления - в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100% , значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.

Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения - и выдают электроны.

В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О 2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H 2 , производя полезную форму водорода - газ H 2 ,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H 2 в секунду.

Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.

К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.

Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.