Vodík je téměř ideálním typem paliva, ale problém je v tom, že se na naší planetě vyskytuje pouze ve formě sloučenin s jinými chemickými prvky. Podíl „čisté“ hmoty v atmosféře není větší než 0,00005 %. Vzhledem k těmto skutečnostem se otázka generátoru vodíku stává aktuální. Zvažte princip fungování takového zařízení, jeho konstrukční vlastnosti, rozsah a možnost vlastní výroby.

Popis a princip činnosti generátoru vodíku

Existuje několik metod pro extrakci vodíku z jiných látek, uvádíme nejběžnější:

  1. Elektrolýza, tato technika je nejjednodušší a lze ji realizovat doma. Vodným roztokem obsahujícím sůl prochází konstantní elektrický proud, pod jeho vlivem dochází k reakci, kterou lze popsat rovnicí: 2NaCl + 2H2O->2NaOH + Cl2 + H2↑. V tomto případě je příklad uveden pro roztok běžné kuchyňské soli, což není nejlepší varianta, protože uvolněný chlor je toxická látka. Všimněte si, že vodík získaný touto metodou je nejčistší (asi 99,9 %).
  2. Průchodem vodní páry přes uhelný koks zahřátý na teplotu 1000 °C probíhá za těchto podmínek následující reakce: H2O + C ⇔ CO ↑ + H2↑.
  3. Extrakce z metanu parním reformováním (předpokladem pro reakci je teplota 1000°C): CH4 + N2O ⇔ CO + 3H2. Druhou možností je oxidace metanu: 2CH4 + Oh2 ⇔ 2CO + 4H2.
  4. Při procesu krakování (rafinace ropy) se jako vedlejší produkt uvolňuje vodík. Všimněte si, že u nás se spalování této látky v některých rafinériích stále provozuje z důvodu nedostatku potřebného vybavení nebo dostatečné poptávky.

Z těchto možností je poslední nejlevnější a první je nejdostupnější, je to on, kdo je základem většiny generátorů vodíku, včetně těch pro domácnost. Jejich princip činnosti spočívá ve skutečnosti, že v procesu průchodu proudu roztokem kladná elektroda přitahuje záporné ionty a elektroda s opačným nábojem kladné, v důsledku toho se látka rozděluje.

Příklad elektrolýzy na roztoku chloridu sodného

Příklad elektrolýzy na roztoku chloridu sodného

Konstrukční vlastnosti a uspořádání generátoru vodíku

Pokud nejsou prakticky žádné problémy se získáváním vodíku, pak je jeho přeprava a skladování stále naléhavým úkolem. Molekuly této látky jsou tak malé, že mohou proniknout i kovem, což představuje určité bezpečnostní riziko. Skladování v absorbované formě zatím není vysoce nákladově efektivní. Nejoptimálnější možností je proto výroba vodíku bezprostředně před jeho použitím ve výrobním cyklu.

Za tímto účelem se vyrábí průmyslová zařízení na výrobu vodíku. Zpravidla se jedná o elektrolyzéry membránového typu. Níže je uveden zjednodušený návrh takového zařízení a princip činnosti.

Zjednodušené schéma membránového generátoru vodíku

Zjednodušené schéma membránového generátoru vodíku

Označení:

  • A – trubice pro odstranění chlóru (tř2).
  • B – odstranění vodíku (Н2).
  • C je anoda, na které probíhá následující reakce: 2CL – →CL2 + 2e – .
  • D je katoda, reakci na ní lze popsat následující rovnicí: 2Н2O + 2e – →H2 + ON – .
  • E – roztok vody a chloridu sodného (H2O & NaCl).
  • F – membrána;
  • G – nasycený roztok chloridu sodného a tvorba louhu sodného (NaOH).
  • H – odstranění solanky a zředěného louhu sodného.
  • I – vstup nasycené solanky.
  • J – kryt.

Konstrukce domácích generátorů je mnohem jednodušší, protože většina z nich neprodukuje čistý vodík, ale Brownův plyn. Tak se nazývá směs kyslíku a vodíku. Tato možnost je nejpraktičtější, protože není nutné oddělovat vodík a kyslík, je možné výrazně zjednodušit konstrukci, a proto ji zlevnit. Výsledný plyn se navíc při jeho vzniku spaluje. Uchovávat a hromadit ho doma je nejen problematické, ale také nebezpečné.

Konstrukce vodíkového článku elektrolyzéru pro domácnost

Konstrukce vodíkového článku elektrolyzéru pro domácnost

READ
Jak se obejít bez vyrovnání stěn?

Označení:

  • a – Brownova výstupní trubice plynu;
  • b – rozdělovač přívodu vstupní vody;
  • c – utěsněné pouzdro;
  • d – blok elektrodových desek (anody a katody), mezi nimiž jsou instalovány izolátory;
  • e – voda;
  • f – snímač hladiny vody (připojený k řídicí jednotce);
  • g – filtr na separaci vody;
  • h je napájení dodávané elektrodám;
  • i – snímač tlaku (při dosažení prahové úrovně vyšle signál řídící jednotce);
  • j – pojistný ventil;
  • k – výstup plynu z pojistného ventilu.

Charakteristickým znakem takových zařízení je použití elektrodových bloků, protože není vyžadována separace vodíku a kyslíku. Díky tomu jsou generátory poměrně kompaktní.

Elektrodové bloky pro závod, který vyrábí Brownův plyn

Elektrodové bloky pro závod, který vyrábí Brownův plyn

Aplikace vodíkového generátoru

Kvůli problémům spojeným s přepravou a skladováním vodíku jsou taková zařízení žádaná v průmyslových odvětvích, kde přítomnost tohoto plynu vyžaduje technologický cyklus. Uvádíme hlavní směry:

  1. Výroba související se syntézou chlorovodíku.
  2. Výroba paliva pro raketové motory.
  3. Tvorba hnojiv.
  4. Výroba nitridu vodíku (amoniak).
  5. Syntéza kyseliny dusičné.
  6. V potravinářském průmyslu (k získávání pevných tuků z rostlinných olejů).
  7. Zpracování kovů (svařování a řezání).
  8. Restaurování kovů.
  9. Syntéza metylalkoholu
  10. Výroba kyseliny chlorovodíkové.

Navzdory tomu, že výroba vodíku v procesu rafinace ropy je levnější než jeho výroba elektrolýzou, jak již bylo zmíněno výše, existují potíže s přepravou plynu. Situace v oblasti životního prostředí ne vždy umožňuje výstavbu nebezpečných chemických výrobních zařízení přímo u ropných rafinérií. Vodík vyrobený elektrolýzou je navíc mnohem čistší než krakování ropy. V tomto ohledu jsou průmyslové generátory vodíku vždy velmi žádané.

domácí použití

Existuje také využití vodíku v každodenním životě. Především se jedná o autonomní topné systémy. Ale tady jsou některé funkce. Elektrárny na čistý vodík jsou podstatně dražší než Brownovy plynové generátory a ty si dokonce můžete postavit sami. Při organizaci vytápění domu je však třeba mít na paměti, že teplota spalování Brownova plynu je mnohem vyšší než teplota metanu, takže je zapotřebí speciální kotel, který je o něco dražší než obvykle.

Palivový kotel musí být odpovídajícím způsobem označen.

Palivový kotel musí být odpovídajícím způsobem označen.

Na internetu lze najít mnoho článků, které říkají, že běžné kotle lze použít na výbušný plyn, ale to je absolutně nemožné. V lepším případě rychle selžou a v horším mohou způsobit smutné až tragické následky. Pro Brown’s mix jsou k dispozici speciální konstrukce s tepelně odolnější tryskou.

Je třeba poznamenat, že ziskovost topných systémů založených na vodíkových generátorech je velmi sporná kvůli nízké účinnosti. V takových systémech dochází k dvojnásobným ztrátám, za prvé v procesu tvorby plynu a za druhé, když se voda ohřívá v kotli. Levnější je hned ohřát vodu v elektrokotli na vytápění.

Neméně kontroverzní implementace pro domácí použití, ve které se Brownův plyn obohacuje o benzín v palivovém systému motoru automobilu, aby se ušetřily peníze.

Použití generátoru HNO v automobilu

Použití generátoru HNO v automobilu

Označení:

  • a – generátor HHO (přijaté označení pro Brownův plyn);
  • b – výstup plynu do sušící komory;
  • c – oddělení pro odvod vodní páry;
  • d – návrat kondenzátu do generátoru;
  • e – přívod vysušeného plynu do vzduchového filtru palivového systému;
  • f – motor automobilu;
  • g – připojení k baterii a elektrocentrále.

Je třeba poznamenat, že v některých případech takový systém dokonce funguje (pokud je správně sestaven). Nenajdete ale přesné parametry, výkonový zisk, procento úspory. Tato data jsou velmi rozmazaná a jejich spolehlivost je sporná. Opět není jasné, jak moc se sníží zdroje motoru.

READ
Co mohu udělat pro odstranění zápachu ze septiku v soukromém domě?

Poptávka však generuje nabídky, na internetu najdete podrobné výkresy takových zařízení a pokyny pro jejich připojení. Nechybí ani hotové modely vyrobené v zemi vycházejícího slunce.

Krok za krokem vyrábíme nejjednodušší vodíkový generátor vlastníma rukama

Pojďme si říct, jak si můžete vyrobit domácí generátor na výrobu směsi vodíku a kyslíku (HNO). Jeho kapacita pro vytápění domu nestačí, ale pro plynový hořák pro řezání kovu bude množství přijatého plynu dostatečné.

Schéma plynového hořáku

Rýže. 8. Schéma plynového hořáku

Označení:

  • a – tryska hořáku;
  • b – trubky;
  • c – vodní zámky;
  • d – voda;
  • e – elektrody;
  • f – uzavřené pouzdro.

Nejprve si vyrobíme elektrolyzér, k tomu potřebujeme utěsněnou nádobu a elektrody. Jako posledně jmenované používáme ocelové desky (jejich velikost volíme libovolně v závislosti na požadovaném výkonu), připevněné k dielektrické základně. Spojíme dohromady všechny desky každé z elektrod.

Když jsou elektrody připraveny, musí být upevněny v nádrži tak, aby připojovací body silových vodičů byly nad očekávanou hladinou vody. Dráty z elektrod jdou do 12voltového zdroje nebo do autobaterie.

Ve víku nádoby vytvoříme otvor pro trubici pro výstup plynu. Jako vodní zámky můžete použít běžné skleněné dózy o objemu 1 litr. Naplníme je ze 2/3 vodou a připojíme k elektrolyzéru a hořáku, jak je znázorněno na obrázku 8.

Je lepší vzít hotový hořák, protože ne každý materiál vydrží spalovací teplotu Brownova plynu. Připojíme na výstup posledního vodního zámku.

Systém chlazení generátoru vodíku, princip, těsnění generátoru

Generátor je zásobován vodíkem z vodíkové instalace sestávající z elektrolýzy a přijímačů. Pokud je v blízkosti stanice elektrolýza, pak je na stanici vybudována místnost pro vykládání, skladování a vypouštění vodíkových lahví. Lahve jsou dodávány v kontejnerech a poté jsou připojeny k výtlačnému potrubí. Tlak je zde asi 15 MPa. Převodovka komunikuje s přijímacím potrubím. Normálně jsou 1-2 přijímače připojeny k rozdělovači přijímače a souvisejícímu vodíkovému vedení G. Zbytek je určen k uložení nouzových zásob vodíku. Tlak v přijímačích je 0,3-0,5 MPa (řízeno manometry). Bezpečnostní ventily chrání přijímače před zvýšeným tlakem plynu. Protipožární pojistky slouží k zabránění pronikání požáru do přijímače při zapálení vodíku unikajícího z ventilu, a to jak od náhodné jiskry, tak od samovznícení, které je možné při vysoké rychlosti výtoku vodíku.

Schéma vodíkové elektrárny

Požární pojistky jsou vyrobeny ve formě válce 0,4-0,5 m vysokého, 0,1 m v průměru, naplněného jemným štěrkem. Na dně válce je síťka, která zabraňuje padání štěrku do potrubí.

Obr. 1. Schéma vodíkové elektrárny
1 – válce v nádobách; 2 – sběrač výtlaku; 3 – převodovka; 4 – sběrné potrubí přijímače; 5 – přijímače; 6 – tlakoměry; 7 – pojistné ventily; 8 – požární pojistky.

Podle PTE: Celková kapacita přijímačů musí být taková, aby se zásoba vodíku v nich rovnala desetidenní provozní spotřebě plus množství potřebné k naplnění generátoru největším objemem plynu.

Olej vstupuje do drážky a je rozdělen do dvou proudů: 1) směrem ke vzduchu (vytváří olejový film mezi vložkou a kotoučem a také maže třecí plochy a ochlazuje je); 2) druhý – směrem k vodíku (v tomto případě je tlak oleje o 0,035-0,09 MPa větší než tlak vodíku). Spotřeba oleje je nízká: 3-5 l/min. Pružina vytváří dodatečnou sílu. Pracovní plocha mechanické ucpávky je vyrobena z babbittu. Pokud dojde k přerušení dodávky oleje, roztaví se a zabrání vážnějším porušením.

READ
Jak skrýt vady na linoleu?

Podívejme se na schéma přívodu oleje pro těsnění generátoru (obr. 3)

Přenos generátoru ze vzduchu a naopak se provádí s předběžným vytěsněním těchto plynů oxidem uhličitým nebo dusíkem, aby se zabránilo vzniku výbušné směsi.
Uspořádání zařízení na oxid uhličitý je podobné jako u vodíkového.

Systém chlazení generátoru vodíku, princip, těsnění generátoru

Jsou zde láhve 1 na oxid uhličitý a zásobníky 5, vypouštěcí rozdělovač 2 a jímací rozdělovač 4, z nichž vede vedení do G. Pro urychlení procesu vyprazdňování lahví je na lince instalován parní nebo vodní výparník 3. Aby se zabránilo zamrznutí výtlačného potrubí a ventilů, doporučuje se udržovat teplotu za ventily 10 – 20°С. V lahvích je oxid uhličitý v kapalném stavu, za výparníkem je plyn, který jde do přijímačů. Výtlačné potrubí je uzavřeno v potrubí velkého průměru, kterým cirkuluje voda, která doplňuje výparník a urychluje vypouštění válců.

PTE: celková kapacita přijímačů by měla být taková, aby zásoba oxidu uhličitého v přijímačích zajistila trojnásobné naplnění generátoru s největším objemem.
Vzduch je do G přiváděn přes odvlhčovač. V mnoha elektrárnách se odebírá z celostaničních kompresorů a rozvodů, ve kterých se často hromadí velké množství vlhkosti a někdy i oleje a rzi. Je vhodné mít speciální kompresory nebo použít kompresory vzduchového jističe.
Plynový okruh generátoru se skládá z horního rozdělovače připojeného k vodíkové řadě, spodního rozdělovače připojeného k řadě oxidu uhličitého, sušičky a ovládacího panelu plynového systému, který má analyzátor plynu a ovládací panel. Indikátor kapaliny v G (UZHI) je připojen k rampě.
Vodík (vzduch) je přiváděn a vytlačován z generátoru přes horní kolektor generátoru a oxid uhličitý přes spodní. Pro odstranění vodíku a oxidu uhličitého z G je k dispozici jedna trubka do atmosféry.
Výměna jednoho plynu za jiný v normálním režimu by se měla provádět se stacionárním rotorem nebo při pohybu z otáčecího zařízení. V případě havárie je možné se zbavit například vodíku při doběhu generátoru. Spotřeba plynu potřebná pro přemístění je větší, když se rotor otáčí, protože dochází k intenzivnímu promíchávání plynů a náhradní plyn se uvolňuje s náhradním plynem. Příklad: TGV-200, objem plynu – 70 m3. Spotřeba oxidu uhličitého na výměnu vodíku u stacionárního rotoru je 115-140 m3, u rotačního 160-190 m3. Spotřeba vodíku se stacionárním rotorem je 310 m3, s rotujícím rotorem 385 m3.
Složení plynu se zjišťuje pomocí speciálního diferenčního tlakoměru. Při vytěsňování vzduchu proces končí, pokud je obsah oxidu uhličitého v generátoru alespoň 85 %.
Čistota vodíku je řízena automatickým analyzátorem plynu. Minimální obsah vodíku 95-98 %. Při nahrazení vodíku oxidem uhličitým by měl být obsah oxidu uhličitého 85%, když se rotor otáčí, 95%, když rotor stojí.
Vodík používaný k chlazení generátoru se chladí v chladičích plynu. Když jsou trubky chladiče plynu velmi chladné, může na povrchu docházet ke kondenzaci. Pocení může způsobit rozstřikování izolace vinutí, což může vést ke korozi trubek. Kromě toho může být personál bezradný, pokud jde o důvod výskytu vlhkosti na povrchu UZH – možná je poškozen chladič plynu. Nelze připustit mlžení, proto by teplota vody v chladičích plynu neměla být nižší než 5-15°C. Pro zvýšení teploty vody můžete přivádět část vody z výstupu chladičů plynu do jejího vstupu.
V provozu vzniká problém čištění chladičů plynu. Potrubí se ucpe dřevěnou třískou, listím a nečistotami. Dříve byly chladiče plynu jeden po druhém vypínány a čištěny kartáči a čisticími tyčemi, což mohlo vést k prasknutí trubice. Čištění bylo obecně nebezpečné, protože. byl vyroben bez vytěsňování vodíku. Standardní pokyny v současné době vyžadují chladiče proplachovacích plynů s reverzním proudem vody. Pomocí této technologie je voda spolu s odpadky vypouštěna do drenážních kanálů. Proplach se provádí při vypnutém generátoru na žádné zastávce, o provozu se pořizuje záznam do provozního deníku.
Při provozu vodíkového chladicího systému je monitorován tlak, vlhkost a čistota plynu. Při poklesu tlaku se provede doplnění a pro snížení vlhkosti se provede proplach. Vysoká vlhkost snižuje životnost izolace a zvyšuje ztráty větráním. Kvalita vodíkového chladicího systému závisí na spolehlivosti těsnění generátoru.

READ
Jak vypočítat kubaturu bednění?

Těsnění generátoru
U generátorů se systémem přímého chlazení se používají mechanické ucpávky. Mohou mít různé vzory, ale myšlenka mnoha je podobná. Uvažujme o principu fungování těsnění (obr. 2).
1-koncový přítlačný kotouč na hřídeli generátoru, 2-těsnící vložka, 3-těsnící pouzdro, 4-pružina, 5-drážka, kterou prochází těsnící olej, 6-babbittova vložka.
Obr

Systém chlazení generátoru vodíku, princip, těsnění generátoru

Hlavním zdrojem přívodu oleje k těsněním je vstřikovač, jehož tryska je zásobována olejem z řídicího systému. Vlivem vyhazovacího efektu paprsku je teplota oleje na výstupu o 4-6 nižší než v řídicím systému.

Obr.3. Schéma dodávky oleje pro těsnění generátoru
1 – generátor; 2 – vstřikovač; 3,4 – olejová čerpadla; AC a DC; 5 – regulátor tlaku; 6 – impulsní trubice; 7 – odpadní potrubí; 8 – chladič oleje; 9 – olejové filtry; 10 – expanzní nádoba; 11 – nádrž na čištění oleje; 12 – nádrž olejové jednotky; 13 – nádrž turbínového oleje; 14 – ventilátor; 15 – lapač oleje.
Olejová čerpadla AC a DC jsou záložní a nefungují normálně. Startují při poklesu tlaku oleje, nejprve jeden, pak druhý. Když je generátor zastaven, pracuje pouze olejové čerpadlo AC. DC olejové čerpadlo je v pohotovostním režimu.
Po vstřikovači vstupuje olej z tlakového potrubí do regulátoru tlaku (PR), který udržuje daný rozdíl mezi olejem a vodíkem. K tomu je vodík přiváděn z generátoru přes pulzní trubici do horní části RD. RD vypouští přebytečný olej do vypouštěcího potrubí. Olej lze přivádět i přes jiný ventil než RD (v případě jeho poruchy). Dále olej prochází chladičem oleje (možná navíc k němu), olejovými filtry 9, vstupuje do expanzní nádrže a odtud k těsnění G.
Olej odváděný z těsnění směrem k vodíku vstupuje do proplachovací nádrže a poté do nádrže olejové jednotky a nádrže turbínového oleje.
Oleje RD používané v okruzích dodávky těsnicího oleje musí fungovat mimořádně spolehlivě. Pokud je tlak oleje vyšší než normálně, tak se olej dostane do G a v těsnění, kde olej přitlačí vložku ke kotouči, se vložka roztaví. Pokud RD podcení tlak, vodík prorazí těsnění, dostane se do komor ložisek a začne být vyhazován spolu s olejem mezerou mezi hřídelí a lapačem oleje v ložisku, což vytváří nebezpečí vznícení vodíku. od jiskření na zařízení rotorového kartáče. Když tlak klesne, vložky se roztaví.
I v normálním režimu olej zachytí část vodíku, který se částečně oddělí od oleje v proplachovací nádrži a vrátí se do G a částečně se dostane do vypouštěcího potrubí oleje a do nádrže turbínového oleje. Vodík se bude postupně hromadit v horních částech olejového potrubí a olejové nádrže turbíny. Jeho směs se vzduchem se stane výbušnou. K odstranění této směsi se používá ventilátor, který zachycuje olejové páry v lapači oleje.
Takže za normálních podmínek v RD p = 0,03-0,09 MPa, teplota oleje na výstupu směrem k vzduchovému toutu = 65°C, rozdíl mezi vstupním a výstupním olejem není větší než 30°C, babbittova teplota je 80 °C. Obsah vodíku v potrubí pro vypouštění oleje z těsnění není vyšší než 1% a v objemu plynu v olejové nádrži by měl zcela chybět. Čistota vodíku je standardizovaná, vlhkost by neměla překročit 85 % při provozním tlaku.
Jedním z ukazatelů běžného provozu je množství úniku vodíku. Pouzdro G je zkontrolováno na plynotěsnost. Po opravě nebo instalaci se skříň G naplní vzduchem, jehož tlak je o 0,1 MPa větší než pracovní tlak (tento proces se nazývá tlaková zkouška), čímž se identifikuje a odstraní netěsnost. Poté se tlak sníží na pracovní tlak a ponechá se jeden den. Za normální se považuje netěsnost maximálně 1,5 % objemu G. Při běžném provozu se netěsnost také sleduje a při poklesu tlaku se provádí doplňování. Velký únik se zpravidla neobjeví okamžitě, takže neustálé sledování vám umožňuje včas odhalit únik. Spotřeba na doplňování a proplachování by neměla překročit 10 % množství vodíku při provozním tlaku. K nalezení netěsností se používá mýdlový roztok, detektor netěsností a přenosný analyzátor plynů. Když plyn běží, používá se mýdlový roztok nebo analyzátor plynu, při zastavení se do vzduchu přidává freon a detekuje se detektorem netěsností.

READ
Jak udělat z úklidu zábavu?

Odstranění abnormalit v provozu systému plyn-olej
Plynový panel generátoru je vybaven řadou světelných displejů a zvukových signálů:
“Čistota vodíku v generátoru se snížila.” Nejčastěji odtéká více oleje směrem k vodíku. Je nutné propláchnout čerstvým vodíkem a zkontrolovat odtok.
“Tlak vodíku v generátoru se snížil.” Krmte a kontrolujte. Důvodem může být pokles teploty při snižování zátěže, pokud není automatika. RD může být vadný nebo může být prasklá trubka v chladiči plynu. Úniky jsou nejprve malé, pak se zvětšují. Pokud nelze příčinu odstranit, pak se G vypne a vodík se nahradí oxidem uhličitým.
“Teplota oleje na odtoku těsnění se zvýšila.” Je třeba zkontrolovat teplotu babbittu a vstupního oleje. Příčinou mohou být vadné chladiče oleje nebo vadná těsnění.
“V krytu generátoru se objevila voda nebo olej.” Je nutné vypustit vodu nebo olej z UZH a zkontrolovat, jak rychle se kapalina opět hromadí. Důvody: netěsnost v chladiči plynu, přetlak vody nad vodíkem. Plynové chladiče se jeden po druhém vypnou na 1-2 hodiny a zapojí se. Je povoleno ucpat ne více než 5-10% z celkového počtu trubek. Dalším důvodem může být pocení plynových chladičů, zvýšená vlhkost vodíku. Je potřeba zvýšit teplotu vody a snížit vlhkost foukáním. Důvodem výskytu oleje může být zvýšení toku směrem k vodíku.
“Babitt roztál.” Důvodem je pokles tlaku nebo zastavení průtoku oleje. Následky jsou vážné. Objevuje se kouř a vytéká olej z ložisek a tlak vodíku klesá. Generátor musí být v případě nouze zastaven.
Přečtěte si také strukturu přenosu elektřiny na našem webu.