Электролизер для получения гремучего газа в домашней мастерской, описание, расчет



Электролизер в домашней мастерской – установка весьма полезная. Сжигая полученную в нем кислородно-водородную смесь, «гремучий газ», в горелке, можно плавить, резать и сваривать металлы, в том числе и тугоплавкие вплоть до железа. Полученный гремучий газ, можно использовать для пайки мягкими и твердыми припоями, нагрева мелочей до высоких температур, для обработки стекла и кварца, для повышения температуры пламени бензо-воздушных и газо-воздушных горелок. Последнее, к слову сказать, позволяет заменить кислород в баллонах, что устраняет специфические проблемы с их, баллонами, транспортировкой и перемещением без грузоподъемной техники. Электролизёр всегда готов к работе, включается и выключается быстро, позволяет получить факел пламени разного размера, вплоть до самого малого, мощностью в десятки ватт.

Микрогорелка на гремучем газе, в комплекте с бензовоздушной (газовоздушной) горелкой или электрической печкой (для общего обогрева стеклянных деталей), позволяет даже неопытному стеклодуву проваривать сложные узкие стыки и полезна, в том числе и при работе с легкоплавкими стёклами.

Электролизёр даже небольшой мощности пригоден для мелких кузнечных работ. Двух с половиной киловатт достаточно, чтобы из обоймы шарикоподшипника сделать и закалить кухонный нож среднего размера, стамеску или зубило. Отковать и напаять рабочую часть резца для точения цветных металлов. Об отвёртках из старых вил или пружин, угловой гибки прутков тоже следует не забывать!

Самый совершеный лабораторный электролизер, конструкция которого описана в литературе [2] – Ю.Н.Бондаренко, ученого, стеклодува, астронома, изображен на рисунке. 





Общее описание, прототип

Электролизер работает по принципу разложения воды на кислород-водород постоянным электрическим током. После разложения смесь кислорода и водорода (гремучий газ) пропускается через ряд аппаратов для доведения его до «товарного вида» (осушение, обогащение нужными парами), предотвращение аварийных состояний (водяной барботер) и обеспечение удобной и безопасной работы прибора с высоким КПД (реле давления).

Обратная связь – самодельное реле давления, отключает выпрямитель БП при достижении в газовой магистрали 0,4 атм. Такой способ регулирования имеет несколько преимуществ – электролизер всегда работает в расчетном режиме, поддержание избыточного давления снижает вероятность обратных ударов, уменьшается газонаполнение электролита, нагрев электролизёра, растёт его КПД.

В качестве аварийного предохранительного клапана, работает специально подобранная резиновая трубка, которая при повышении давления, срывается с выходного штуцера электролизёра. Давление при этом сбрасывается. Работа электролизёра такой мощности «на помещение» в течении нескольких часов даже при полном отсутствии вентиляции безопасна, пока не будет выработана вся вода из электролита.

Мощности электролизера вполне достаточно для работы со стеклом «Пирекс» диаметром до 40 мм и (условно) с кварцем диаметром до 20 мм. К электролизёру можно подключить ресивер из одного или нескольких кислородных баллонов (рассчитанных на давление 150 атмосфер!). Это позволит на короткое время резко повысить мощность горелки, хотя для заполнения газом баллонов и вытеснением из них воздуха может понадобиться значительное время.

Описанный электролизер, лет двадцать работает в лаборатории Юрия Николаевича и со времени постройки был подвергнут ряду совершенствований. Учтем их, вместе с рекомендациями автора. Блок схема нашего прибора будет выглядеть так.




Итак, по порядку.

Блок питания

Авторский блок питания – однофазный, трансформаторный, с мостовым управляемым выпрямителем. Параметры его таковы – 70 В х 30 А, хотя пропускать через описанный электролизер можно до 50 А.



Схема принципиальная блока питания электролизера, где: VD1,2, VS1,2 – низкочастотные диоды и тиристоры, подходящие по току. VD3,4 – маломощные защитные диоды, лучше применить высоковольтные на 800…1000 В. R2,3 – 50 Ом. R1,2 -560 Ом, SA1,2 – контакты реле давления.


Мощность резисторов - удобнее резисторы на 2 (МЛТ) или 3 (импортные металлопленочные) ватт, из-за размеров и толщины проволочных выводов – среди массивных элементов, навесным монтажом, их будет удобнее монтировать, меньше шансов разбить или сломать.

Юрий Николаевич свой блок питания снабжал соответствующим дросселем и балластом из трёх миллиметровой железной проволоки, намотанной на асбоцементную трубу, сопротивлением около 0,2 Ом и использовал блок питания, в том числе и как сварочный аппарат. Мощный дроссель обеспечивает хорошую стабилизацию дуги. Сейчас число ячеек увеличено и балласт не используется.


БП - несколько важных моментов.

При большом числе ячеек электролизера, ток протекает только на пиках напряжения, поэтому, например, трехфазный выпрямитель, пульсирующий в шесть периодов, при тех же выходных параметрах, производительней однофазного, с пульсацией в два периода. Из-за повышения скважности, значительная часть энергии расходуется на нагрев. Поэтому, сглаживающий фильтр выпрямителя, должен повышать КПД, уменьшать нагрев пластин и электролита.

Сглаживающий фильтр может быть C, L, LC или даже CLC типа. Это зависит от возможностей – емкости и дроссель на такой ток – велики, дороги, тяжелы. Рассчитывается сглаживающий фильтр по обычной методике. Взамен его, можно просто увеличить размеры ячеек и при этом можно будет несколько увеличить и их число из-за меньшего падения напряжения на ячейке.

Да, из-за повышения скважности нежелательно ставить и фазовый тиристорный регулятор.

Следует помнить, что рабочий ток VD1,2, VS1,2 в мостовом выпрямителе, выше тока нагрузки.

Не повредит индикация состояния блока питания, повышающая удобство при настройке и грубую диагностику возможных неисправностей при работе устройства. Неоновая лампочка (она удобнее светодиодов при высоких напряжениях) – индикатор подачи сетевого напряжения, маломощная лампочка – во вторичной обмотке трансформатора и лампочка или светодиод с токоограничительным резистором – на выходе выпрямителя. При применении промежуточного реле (см. Реле давления, ниже), одну из его контактных групп, можно задействовать для индикации, включая ею светодиод с пометкой «ДАВЛЕНИЕ».

Электролизер

Устроен следующим образом - ряд пластин из железа или лучше никеля толщиной 1-1,5мм с небольшими (6-7мм) отверстиями для протока электролита и газа с проложенными между ними резиновыми кольцами, стянуты шестью шпильками диаметром 10 мм из железа. Шпильки изолированы с помощью гетинаксовых шайб от крайних пластин. Для изоляции от средних пластин шпильки обмотаны слоем пропитанной эпоксидной смолой стеклоткани. При сборке пакета, такая изоляция не протирается о края пластин, в то же время, при необходимости, ее можно удалить леркой. Никель, наверное, более стоек к электролизу в щёлочи, но он дорог, малодоступен и обрабатывается хуже, чем железо. Нержавейка не показала преимуществ перед железом. Поэтому оптимальным следует считать железные пластины.

Торцовые (крайние) пластины сделаны из железа толщиной 6 мм, на одной из них вварены два угловых патрубка, на который одевается хлорвиниловый шланг (видно уровень электролита, на эскизе не показаны), на второй приварена трубка для заливки электролита и выхода газа. Сверху к ней привинчена на резьбе 20х1,5 через прокладку ёмкость для отстоя пены и щёлочного тумана.

Практика эксплуатации показала достаточную безопасность такой конструкции. Даже подрыв самого электролизёра привёл лишь к смещению резиновых колец. Однако, электролизёр лучше ставить в отдельном помещении или прикрыть большим металлическим ящиком, наконец, поставить за перегородкой - щелочной раствор крайне опасен при попадании в глаза.

Размер пластин первого варианта электролизера Юрия Николаевича, был 200х200 мм, модернизированный - имеет пластины большего размера – 300х300 мм. Это позволило ощутимо увеличить выход газа, при том же блоке питания за счет роста КПД. При увеличении площади пластин, уменьшается плотность тока и снижается «газонаполнение», а с ним и сопротивление электролита, все это снижает падение напряжения на ячейках и заметно увеличивает КПД процесса. Кроме того, снижение плотности тока, продляет жизнь стальных пластин, снижает температуру и агрессивность электролита к резине.

Давление в самом электролизёре (настройка реле давления), вообще говоря, следует делать возможно большим (повышается КПД), но нужно помнить, что при возможном подрыве это давление возрастёт раз в десять. Электролизёр следует делать с возможно большим количеством шпилек для фиксации снаружи резиновых колец и рассчитывать на давление не меньшее, чем двадцатикратное рабочее.

Уплотнительные резиновые кольца – тем, что удается добыть, часто и определяется размер пластин. Конечно, хорошо бы использовать специальную резину, стойкую к щелочи, марки ТМКЩ (тепломорозокислотощелочестойкая), но с успехом применяют и обычные сорта. При применении готовых доступных колец, расстояние между пластинами, определяется конструкцией резинок. Юрий Николаевич рекомендует толщину резинок не менее 10 мм. В качестве прокладок, в первом варианте электролизера, с пластинами 200х200 мм применялись транспортные предохранительные кольца, от кислородных баллонов, во втором варианте, 300х300 мм – от пропановых баллонов. Удобнее резинки плоские, например, от больших молочных фляг.

Электролит. Электролизёр на половину своей ёмкости заполнен раствором едкого натрия концентрацией 15%. Все детали, на которые попадает электролит или его брызги, следует делать из чёрного металла, стойкого к растворам щёлочей. (Медь и алюминий щёлочами быстро разрушаются). С течением времени, в электролите постепенно накапливаются примеси вносимые питающей водой, поэтому, он готовится из чистой щёлочи (ХЧ, ЧДА) на хорошем дистилляте, который добавляется в электролизёр по мере разложения воды. Щёлочь при работе не расходуется, но весь электролит заменяется раз в два года из-за загрязнения органикой из резины и продуктами разрушения пластин. Их стойкость составляет около десяти лет.

Часто, для приготовления электролита применяют едкий калий. При этом следует помнить о различной, с NaOH концентрации (раствор едкого калия лучше проводит ток), кроме того, едкий калий менее удобен в работе – при вероятных протечках, он дает расплывающийся на воздухе поташ, а NaOH – соду, иметь дело с которой, удобнее и проще.

Отстойник пены, барботеры

Отстойник пены в авторском варианте сделан из кардана ЗИСа с вваренными вогнутыми донышками, но можно сделать и из «чёрной» водопроводной трубы, ø~70мм.

Барботеры, для безопасности, сделаны из 5л баллонов высокого давления (150 атм.) от углекислотных огнетушителей. Возможные проскоки пламени в барботеры полностью безопасны и не приводят к авариям.

Барботер с водой – водяной затвор предотвращающий попадание пламени в электролизер, с бензином – для обогащения пламени углеводородами при сварке металлов, пайке латунью и другими твёрдыми припоями. Кроме того, примеси углеводородов делают факел ярче и это весьма удобно для некоторых работ. Большое количество паров бензина снижает температуру пламени, что иногда полезно при обработке стекла [1], стр.12.

После длительной работы электролизера (нагрев), через некоторое время, после выключения (остывание), образующееся разрежение может затянуть рабочие жидкости в соседние емкости. Классические барботеры с тонкими трубками здесь заменены на более удобные – с перегородкой, на манер «склянки Тищенко». Их работа показана на картинке ниже.



В практической конструкции, перегородка выполнена из водопроводной трубы, вставляемой в цилиндрический сосуд (баллон). Зубцы на торце трубы, позволяют заранее, удобно, установить отступ от дна баллона и разбить пузырьки газа на более мелкие.



Диаметр внутренней трубы подбирается, исходя из диаметра сосуда, и составляет примерно 0,7 внутреннего диаметра баллона, монтаж делался так – горлышко баллона отрезается в нужном месте на токарном станке или УШМ, вставляется труба и обрезается лишнее, вровень с поверхностью баллона. Крышка баллона протачивается до плотной посадки в трубу, детали складываются, шов тщательно проваривается, проверяется его герметичность, при необходимости, дефектные места разделываются и завариваются.

Объем рабочих жидкостей в 5л баллоне – около 2л.

Существует также, более простая, хотя и более материалоемкая и громоздкая конструкция из двух сосудов [3]. Необходимо только позаботиться о достаточной прочности соединительной трубки.


Поскольку электролизер универсального применения - барботер с бензином, отключаемый (для резки металлов и работ с кварцевым стеклом, он не нужен). При работе же с обычным стеклом, яркий факел (с примесью углеводородов) очень полезен. Также примеси углеводородов не приемлемы, если паять открытым пламенем железо, медные сплавы, никель с флюсом из расплавленного едкого калия или натрия (углекислый газ из пламени, быстро превращает их в соду или поташ).

Концентрация паров бензина, в авторской конструкции регулируется его испаряемостью – при необходимости добавляется небольшое количество свежего или отработанного (из бензинового карбюратора) бензина. Вероятно, удобнее будет регулирование концентрации подмешиванием чистого газа через байпас. Пропорции газов, плавно регулируются игольчатым краником в байпасе, как это сделано в помянутом бензиновом карбюраторе. При необходимости, бензиновый барботер полностью отключается двумя шаровыми кранами, гремучий газ идет через байпас. Игольчатый кран в этом случае, должен быть полностью открыт.



Бензин для этого барботера, Юрий Николаевич использует частично отработанный – из карбюратора для стеклодувной горелки, с пониженным содержанием летучих фракций. После отработки в электролизере, оставшуюся тяжелую фракцию бензина можно использовать для растопки печи, как растворитель, для пропитки дерева от древоточцев. По свойствам она похожа на керосин.

Реле давления

Оно самодельное, представляет собой небольшую емкость с мембраной, нажимающей на кнопки микропереключателей. У Юрия Николаевича, это точёная из алюминия «баночка» с полостью ø40…50 мм и глубиной несколько миллиметров, с фланцем. С таким же фланцем и крышка. Между ними эластичная мембрана из медицинского «эластичного бинта» с наклеенной жесткой площадкой из стеклотекстолита. «Баночка» подключается к газовой магистрали до промывалок, а в крышку вставлены микропереключатели серии МП, с удаленными перекидными пружинками (иначе, перепад давлений слишком велик). Фланцы стянуты шестью мелкими болтиками. Следует добиться четкого одновременного срабатывания контактов. Можно одним микропереключателем коммутировать небольшое реле с двумя контактными группами. Применив промежуточное реле с тремя или более, контактными группами, свободные контакты, стоит задействовать для индикации (см. Блок питания, выше).

Кроме самодельного, применимы авиационные реле давления (близкий диапазон), контактные манометры. Можно попробовать применить реле давления – запасные части от бытовой техники.

Осушитель

Осушитель представляет собой железную емкость с силикагелем. Крышка емкости должна быть съемной. Юрий Николаевич использует случайно найденный железный бачок – масляный фильтр от стационарного дизеля. Диаметр его ~120 мм, высота такая же. Толстая крышка крепится на шпильке, проходящей по оси цилиндрической емкости. Для герметизации - под крышку и под гайку подкладываются плоские резинки. Гайка используется заглушенная с одной стороны. Можно также применить конструкцию с фланцем. Объем пустого пространства, занимаемого газом, лучше минимизировать, это уменьшит хлопок при возможном обратном ударе. Силикагель такого объема, в электролизере Юрия Николаевича, приходится сушить (прокаливать при температуре примерно 200°С) раз в год.

Уловитель щелочного тумана

Как это не странно, но мельчайшие частички щелочи, в виде тумана, изловчаются пробираться через два барботера и добираются до горелки. С электролизером работает набор простых горелок с разными диаметрами сопел-капилляров. Концентрированный раствор щелочи выпаривается внутри горячего капилляра и тот закупоривается. Признаком наличия такого тумана служит жёлтый «натриевый» цвет пламени. Сильнее всего, этот эффект проявляется в горелке с самым тонким капилляром.

От щелочного тумана, удалось избавиться, установив перед горелкой простой фильтр – дюймовую железную трубку набитую стеклотканью (хлопковая может воспламениться). Внутренний диаметр фильтра – 40…50 мм, ø 20…25 мм.

Горелки

Стабильное давление газа позволяет использовать набор сменных горелок примитивной конструкции без кранов, в которых величина пламени регулируется диаметром сопел-капилляров из меди или нержавеющей стали. Эти диаметры могут быть от 0,9 до 0,1 мм. Непременным условием работы с такими горелками является режим работы, при котором ее можно легко задуть. Горелки большого диаметра гасятся быстрым прижатием к резине. При гашении погружением в воду возможны неприятные проскоки пламени.



Сопла в горелках сделаны из меди. Идеальным материалом является трамвайный контактный провод. Там медь твёрдая и её легко точить. Диаметр самого большого - 0,8 мм, в меньшей горелке - 0,5 мм - из капилляра от манометрического термометра и самый тонкий - 0,3 мм из хроматографического капилляра. Если сопла горелок делать из иглы от медицинского шприца, то ее стоит обмотать сверху медной проволокой и пропаять латунью или серебром, чтобы был теплоотвод, и плохо проводящая тепло нержавейка не перегревалась. Для прочистки капилляров, используется стальная проволочка либо то сверло, которым было просверлено сопло.


Под готовый электролизёр нужно подложить два деревянных бруска 50х50 миллиметров. Пол лучше застелить хлорвиниловым линолеумом, который не горит и легко чистится. Электролизер не стоит ни чем плотно накрывать - он требует охлаждения при работе. Практика показала, что такая конструкция работоспособна даже при слабом морозе, который не замораживает воду в промывалке и конденсат в трубках. Но из-за ухудшения проводимости холодного электролита, мощность при включении будет несколько ниже.


Расчет количества пластин электролизера исходя из параметров имеющегося БП

Исходим из предпосылки – одна пара пластин способна работать с высоким КПД, при рассеиваемой мощности 22Вт. Падение напряжения на ней, (с учетом потерь) при этом, должно быть 1,8…2,4 В [1]. Для получения 1 л гремучего газа в минуту, потребуется 150…200 Вт мощности блока питания.

Ток через секцию (см.ниже) пластин – I=P/U = 22 Вт / 2,2 (1,8…2,4) В = 10А (9…12А)


Расчет начинам с определения (измерения под соответствующей нагрузкой) рабочих параметров блока питания. Определяем его рабочий ток и напряжение. Uбп, (вольт). Iбп, (ампер). Выводы делаем исходя из габаритной мощности трансформатора, сечения проводов его обмоток, измерений наконец.

Рассчитываем рабочую мощность БП - Uбп* Iбп=Рбп Вт.

Определяем примерный выход гремучего газа – Рбп / 200 = V литров/мин.

Определяем количество пластин исходя из напряжения БП – Uбп / 2.4 = n пластин (в секции). На самом деле, это диапазон, от Uбп / 2,4 до Uбп / 1,8. Округляем значение в большую сторону (лишние пластины, при необходимости, можно замкнуть при настройке электролизера).

Рассчитываем количество секций исходя из силы тока БП - Iбп / 10А = N секций.

Коммутируем секции, соединяя их параллельно, например:


Одна секция из 6 пластин.






Четыре секции по шесть пластин.



Эквивалентная схема.




Более привычный вид эквивалентной схемы.



Например.


Имеется БП 50 В, 20 А.

Рбп = 50 * 20 = 1000 Вт. Мощность БП

V = 1000 / 200 = 5 литров/мин. Объем получаемого гремучего газа.

n пл.= 50 / 2 = 25 пластин в секции.

N = 20 / 10 = 2 секции.




Точный расчет площади пластин для переносного прибора, можно сделать по методике [1] стр.28, но для стационарного электролизера, где вопрос транспортировки имеет второстепенное значение, размер пластин лучше принять избыточным, см. выше.


Литература


1. Корж В.Н., Дыхно С.Л. – Обработка металлов водородно-кислородным пламенем. Киев,           «Техника», 1985 г.

2. Бондаренко Ю.Н. Лабораторная технология. Изготовление газоразрядных источников света для лабораторных целей и многое другое.

3. В.Радьков - Аппарат для газовой резки и сварки своими руками. МК №03 1997 г.




                                                                                Романов Сергей Алексеевич (Babay Mazay),
                                                                                Бондаренко Юрий Николаевич,
                                                                                ноябрь, 2018 г.

Поделиться в соцсетях

Facebook Twitter Google+ Vkontakte

Комментариев нет:

Отправить комментарий