Электролизные аппараты для разложения воды и их использование

Инновационный проект

Электролизные аппараты для разложения воды и их использование

ГОУ ВПО Кубанский государственный университет

Научный руководитель

,

К. ф.-м. наук, доцент

Проект № 000

Аннотация

Предлагаются три группы электролизных аппаратов для водородной энергетики и получения технологических сред, производства стеклодувных и кварцедувных работ, пайки, резки и сварки металлов. Основу каждой группы аппаратов составляют электролизеры фильтр-прессного типа с проточной подпиткой. Для получения технологических сред электролизные ячейки разделены перфорированной мембраной, что позволяет получать раздельно кислород и водород. Водород можно собирать в емкости и использовать как источник энергии, аналогично использованию природного газа, или использовать в качестве восстановительной атмосферы для ряда технологических процессов.

Для производства кварцедувных и стеклодувных работ использован электролизер без разделительных мембран, но с насадкой на горелке, позволяющей добавлять воздух для стеклодувных работ или пропан-бутан при пайке и сварке, а без добавок производить кварцедувные работы.

Аппараты для газосварки содержат часть ячеек с разделительными мембранами. Получаемый кислород выводится в атмосферу, а водород добавляется к гремучему газу и поступает в горелку, что делает пламя восстановительным. В режиме резки часть водорода выводится в атмосферу, а обогащенная кислородом смесь газов при сгорании разогревает металл, окисляет его и выдувает образовавшиеся окислы, образуя разрез.

Электролизеры для водородной энергетики используют энергию ветра и солнца для получения энергетического водорода разложением воды с высоким кпд без повседневного ухода. Подсчитано, что использование ветро-агрегата или солнечной батареи на 5кВт позволят получить водород, полностью покрывающий энергетические потребности жилого дома со всеми удобствами и семьей из 4-5 человек. Водородная энергетика не нарушает экологического баланса энергии Земли, а использование энергии газа, нефти и атомной энергии ведет к нарушению экологического баланса. Пока эти нарушения не катастрофические, но будущее за водородной энергетикой. В настоящее время использовать водородную энергетику можно для уединенных объектов: дом лесника, путевого обходчика, пастуха на отгонных пастбищах и т. д.

Использование предлагаемых устройств для производства газопламенных работ обеспечивает экономию электроэнергии за счет высокого кпд, экологическую чистоту и удобство эксплуатации. Стоимость устройства окупается за 3-4 месяца эксплуатации при производстве ремонтных работ и будет в 5-6 раз дешевле, чем при использовании традиционной кислородно-ацетиленовой сварки.

Предполагается установить связь с предприятиями, производящими ветро-агрегаты и аккумуляторы водорода, которые позволяют использовать водород и на автотранспорте. Установление таких связей позволит создать опытные образцы в комплексе, испытать их и довести до потребителя. Такого рынка пока нет.

Внедрение устройств для производства газопламенных работ предполагается путем изготовления опытных образцов устройств различных модификаций и проведение производственных испытаний: для производства стеклодувных и кварцедувных работ на предприятиях по изготовлению газосветных вывесок и рекламы; для газосварки на предприятиях кузовного авторемонта, жилищно-коммунального хозяйства, монтажно-строительных организаций, предприятий ремонта бытовой техники и др. Доработка разработанных конструкций с учетом замечаний потребителей и всесторонней оценкой эффективности использования предложенных устройств. Завершение формирования комплекта конструкторско-технологической документации на все модификации устройств и приспособлений для изготовления некоторых деталей.

Дальнейшие действия могут быть различными: продажа лицензии заинтересованным предприятиям машиностроительного профиля, организация совместного предприятия, организация самостоятельного предприятия, преимущественно сборочного.

Организация-заявитель - ГОУ ВПО Кубанский государственный университет. 350040, Краснодар, . Электронная почта *****@***ru. Страница в Интернете http://www. kubsu. ru/.

Руководитель организации . Телефон [phone]. Факс [phone].

Руководитель проекта , место работы кафедра общей физики и информационных систем Физико-технического факультета Кубанского государственного университета, должность доцент. Проживает по адресу 350080, Краснодар, кв. 184, , 8-918 1546834. Рабочего телефона нет. Электронная почта *****@***kubsu. ru. Ученая степень к. ф.-м. н.

Основные работы, относящиеся к теме проекта следующие:

1. Авт. свид. 1815503 СССР, МКИ F23D 14/48. Горелка.// КубГУ. Авт. Гамазов 4788304 от 05.02.90.

2. Патент 2053314 РФ, МКИ С25В 13/02,1/04. Диафрагма электролизера.// Авт., патентообладатель Гамазов 4932039 от 30.04.91.

3. Патент 2010039 РФ, МКИ С25В 1/04. Электролизер для получения смеси кислорода и водорода.//КубГУ. Авт. , мл. Патентообладатель Гамазов 4938744 от 24.05.91.

4. Патент 2219291 РФ, МКИ С25В 1/04. Устройство для выравнивания давления газов в электролизерах.// Патентообладатель КубГУ. Авт. Гамазов 2002131734 от 01.01.2001.

5. Патент 51410 РФ, МПК F16K 31/126, B5/00. Клапан электролизера.//Патентообладатель КубГУ. Авт. Гамазов 2005122851/22 от 01.01.2001.

6. Заявка № 000/15(008891) от 01.01.2001, МПК(7) В 23 К 5/00. Устройство для газопламенных работ (варианты).// Заявитель КубГУ. Авт.

Современное состояние разработок характеризуется следующими примерами.

Портативный аппарат для сварки, пайки и резки включающий электролизную камеру для получения гремучего газа, питаемую электроэнергией от силовой сети через трансформатор и выпрямитель. Получаемый гремучий газ поступает к горелке, имеющей пламягаситель в виде пористой пластинки. (Заявка № 000 Франция, 1975 г. МПК С25В 1/02, 9/00,15/00).

Недостаток устройства состоит в том, что потери электроэнергии составляют не менее 60%. Второй недостаток состоит в том, что при горении водород потребляет часть кислорода из воздуха и пламя становится окислительным, пригодным для кварцедувных работ, но не для сварки.

Другое устройство для газопламенной сварки и пайки, содержит электролизер с раздельным получением кислорода и водорода из одной ячейки. Полученные газы подают через стандартные шланги в стандартную газосварочную горелку (Заявка Российской Федерации № 000, МПК(6) В23К 5/00).

Недостаток устройства - большие потери электроэнергии (60%) и сложность настройки горелки. Кислородно-водородное пламя не изменяет своего внешнего вида с изменением состава смеси кислорода с водородом.

Большинство предлагаемых устройств для газосварочных работ используют электролизеры фильтр-прессного типа для получения гремучего газа с последующим добавлением к нему паров углеводородов для получения восстановительного пламени. Сравнительные характеристики приведены ниже.

Аппарат «Энергия 5», производимый АО Ливам, Белгород, Россия, в сравнении с предлагаемым выглядит следующим образом.

Энергия 5 Предлагаемый

аппарат

1. Цена 19600 руб. не более 14000 руб.

2. Масса 60 кг. 28 кг.

3. КПД 70% 87%

4. Мощность 3,7 кВт. 4 кВт.

5. Количество вентиляторов 2 шт. 0

6. Расход бензина 0,12 л/час. 0

Сравнительный анализ

электролизных газосварочных аппаратов

«Лига 02» и предлагаемого

Технические данные.

№	Комплектация	№02	Предлаг.
2	Максимальная потребляемая мощность (кВт)	1,8	1,8
3	Максимальное действующее значение тока (А)	9	9
4	Производительность газовой смеси (л/мин)	до 5	до 8,77 + О2 - до 1,0
5	Максимальная толщина свариваемой стали (мм)	2...2,5	3…3,5
6	Давление газа (атм)	до 0,4	до 0,9
7	Средний расход топлива (дистиллированной воды) (см3/час)	150	470
8	Время непрерывной работы при полной заправке (час) /без дозаправки водой/	3	2
9	Габариты (мм)	240х	220х
	280х	460х
	395	460
10	Масса (кг)	21	23
11	Число ячеек Без разделения газов С разделением газов	53 нет	56 48
12	Состав горючей смеси	Н2 - 66% О2-33% + Пары углеводородов	Н2- 78% О2-22%
14	Состав электролита	10% КОН	29% КОН
15	Температура электролита	До 100 С без отключ.	До 55 С с автом. отключ.
16	Мощность тепловых потерь	До 0,92 кВт	До 0,25 кВт
17	КПД	49%	86%
18	Количество электролита, л.	1,5	2,9
19	Охлаждение	Принудительное	Естественное
20	Гашение горелки	Резкий сдув пламени	Автом. при выключении питания
21	Подпитка электролита водой	Отсутствует	Непрерывная (проточная система)
22	Заправка водой, л.	0,3-0,4	0,9
23	Температура пламени	2600 ? (не более 2400)	2660
24	Измеритель давления	Есть	Есть 2: в гидрозатворе и подпитывающем сосуде.
25	Уровнемер	В электролизере	Совмещены с измерителями давления.
26	Предохранители	Электрический. Давления (Эл.).	Электрический. Давления (мембранный).

В приведенных устройствах вынуждены использовать низкую концентрацию электролита (10% КОН), что существенно снижает кпд и за счет принудительного обдува вентиляторами из-за высокой температуры электролита. Использование проточной подпитки в предложенных устройствах обеспечивает неизменное количество и оптимальный состав электролита (29% КОН) и низкую температуру (<55оС) в электролизере, что дополнительно повышает кпд и не требует принудительной вентиляции. Суммарные потери на замыкание по наружной и внутренней частям электрической цепи не превышают 20 Вт. Снижен вес, что делает устройства портативными. Повышена безопасность использования за счет автоматического гашения горелки (обратные удары исключены) и снижена пожароопасность в связи с тем, что углеводороды не используются и это дополнительно повышает температуру пламени.

Основные узлы устройств защищены патентами, приведенными выше. Заявка на патентование вариантов устройства прошла этап согласования текста формулы и описания, т. е. фактически признана изобретением.

Рассмотренные выше устройства вряд ли смогут составить конкуренцию предлагаемым устройствам. Кислородно-ацетиленовая сварка в стационарных условиях может составить конкуренцию, как более производительная (на 20%) и традиционно привычная. Вне стационарных условий, громоздкость оборудования (кислородный баллон, газогенератор и 50-60м шлангов), затраты на кислород и карбид кальция делают такую сварку мало способной к конкуренции ввиду высокой стоимости расходных материалов. Электросварка также требует затрат на электроды, которые дороже дистиллированной воды, потребляемой предложенными устройствами. Для производства необходим только сертификат соответствия на электробезопасность. Схема устройства показана ниже.

Рынок сбыта не насыщен. Рекламы много (в Интернете), а в продаже ничего нет. Пробный опрос руководителей организаций, обслуживающих жилищно-коммунальное хозяйство показал высокую заинтересованность в приобретении предлагаемых аппаратов. Основными потребителями будут малые предприятия и население. Другими сведениями не располагаем.

В периоды, когда осуществлялось финансирование, в объеме 500000 руб было занято 4-5 человек. В настоящее время финансирования нет, и проектом занимается 2 человека высокой квалификации. Имеются эскизы всех деталей и сборочных чертежей. Изготовлена часть чертежей деталей и приспособлений для выполнения отдельных операций, которые изготовлены и опробованы. Собирался и испытывался ряд моделей. Детали использовались повторно. Экспериментальная производственная база имеется. Имеется станочное оборудование. Все работы проводились и проводятся на этой базе по собственной инициативе в дополнение к учебной нагрузке. Дальнейшие действия не определены, а варианты изложены выше. В случае отсутствия инвестиций предполагаетя изготовление и реализация опытных образцов.

Годы	Предполагаемая себестоимость	Цена за единицу готового изделия	Объем реализации	Прибыль
В штуках	В стоимостном выражении
2006- 2008	4000 8000	8000 16000	2 4	16000 64000	8000 32000

Источников финансирования по проекту в настоящее время нет.

Предстоящие полные затраты на реализацию проекта могут составить не менее 270000 руб.