Многие привыкли считать, что самым доступным и экономичным видом топлива является природный газ. Но оказалось, что у этого продукта существует хороший альтернативный вариант – водород. Его получают посредством расщепления воды. Исходный компонент для получения такого топлива получается бесплатно. Водородная горелка для котла отопления, сделанная своими руками, поможет значительно сэкономить и не думать о походе в магазин. Существуют специальные правила и методы создания технической установки, предназначенной для выработки водорода.
Как получается водород?
Информацию о получении водорода часто дают учителя химии детям, обучающимся в средней школе. Метод его добычи из простой воды в химии называется электролизом. Именно с помощью такой химической реакции есть возможность получать водород.
Простое по конструкции устройство выглядит как отдельная емкость, наполненная жидкостью. Под слоем воды находятся два пластичных электрода. К ним подводят электрический ток. Из-за того, что вода обладает свойством электропроводимости, между пластинками выстраивается контакт с минимальным сопротивлением.
Проходящий по созданному водяному сопротивлению ток приводит к формированию химической реакции, в результате которой вырабатывается требуемый водород.
На этом этапе все кажется очень простым – остается лишь собрать полученный водород, чтобы использовать его как источник энергии. Но химия не может существовать без мелких деталей. Важно помнить, что если водород вступает в соединение с кислородом, то при определенной концентрации возникает взрывоопасная смесь. Такое состояние веществ считается критичным, что ограничивает человека в создании мощнейших станций домашнего типа.
Виды электролизеров
Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.
Сухие
Конструкция прибора данного типа была показана на рисунке 2, ее особенность заключается в том, что манипулируя количеством ячеек, можно запитать устройство от источника с напряжением, существенно превышающим минимальный электродный потенциал.
Проточные
С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 5. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».
Рис 5. Конструкция проточного электролизера
Принцип работы устройства следующий:
- входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
- в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
- электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».
Мембранные
Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 6.
Рис 6. Электролизер мембранного типа
Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.
Диафрагменные
В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке 7 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.
Конструкция диафрагменного электролизера
Пояснение:
- Выход для кислорода.
- U-образная колба.
- Выход для водорода.
- Анод.
- Катод.
- Диафрагма.
Щелочные
Электрохимический процесс невозможен в дистиллированной воде, в качестве катализатора применяется концентрированный раствор щелочи (использование соли нежелательно, так как при этом выделяется хлор). Исходя из этого, щелочными можно назвать большую часть электрохимических устройств для расщепления воды.
На тематических форумах советуют использовать гидроксид натрия (NaOH), который, в отличие от пищевой соды (NaHCO3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:
- Можно использовать железные электроды.
- Не выделяются вредные вещества.
Но, один существенный недостаток сводит на нет все преимущества пищевой соды, как катализатора. Ее концентрация в воде не более 80 грамм на литр. Это снижает морозостойкость электролита и его проводимость тока. Если с первым еще можно смириться в теплое время года, то второе требует увеличения площади пластин электродов, что в свою очередь, увеличивает размер конструкции.
Как устроена водородная горелка?
Для создания своими руками генераторов, работающих на водороде, чаще всего в качестве основы используется классическая схема установки Брауна. Электролизер такого типа обладает средней мощностью и включает в себя несколько групп ячеек, каждая из которых, в свою очередь, обладает группой пластичных электродов. Мощность созданной установки будет зависеть от общей площади поверхности пластичных электродов.
Ячейки устанавливаются в емкость, которая качественно защищена от внешних факторов. На корпусе устройства фиксируются специальные патрубки для подключения водяной магистрали, вывода водорода, а также контактная панель, осуществляющую роль подводки электрического тока.
Созданная своими руками водородная горелка по схеме Брауна, помимо всего перечисленного, включает в себя отдельный водяной затвор и обратный клапан. С помощью таких деталей достигается полная защита устройства от выхода водорода. Именно эту схему используют многие мастера при создании водородной установки для отопления домашнего участка.
Несколько дельных советов
Далее поговорим о других составляющих водородной горелки – фильтре для стиралки и клапане. Оба предназначаются для защиты. Клапан не позволит загоревшемуся водороду проникнуть обратно в конструкцию и взорвать скопившийся под крышкой электролизера газ (пусть его там и немного). Если не установим клапан, то контейнер повредится и щелочь вытечет наружу.
Фильтр же потребуется для изготовления водяного затвора, который будет играть роль барьера, предотвращающего взрыв. Народные умельцы, не понаслышке знакомые с конструкцией самодельной горелки на водороде, называют этот затвор «бульбулятором». И правда, он по сути лишь создает пузырьки воздуха в воде. Для самой горелки используем все тот же прозрачный шланг. Все, водородная горелка готова!
Остается лишь подсоединить ее к входу системы «теплый пол», герметизировать соединение и начать непосредственно эксплуатацию.
Водородная станция для использования в домашних условиях
Как сделать водородную горелку своими руками? Этот вопрос продолжает оставаться самым популярным у владельцев частных домов, которые стараются изготовить надежный и качественный источник отопления. Самым распространенным способом создания такого устройства считается следующий вариант:
- предварительно подготавливают герметичную емкость;
- создаются пластинные либо трубчатые электроды;
- планируется конструкция прибора: способ управления им и оснащение током;
- подготавливаются дополнительные модули для подключения к устройству;
- покупаются специальные детали (крепежи, шланги, проводка).
Конечно же, мастеру в обязательном порядке потребуются инструменты, включая специальные устройства, частотомер либо осциллограф. Как только все инструменты и материалы будут подготовлены, мастер может перейти к самому созданию водородно-отопительной горелки для домашнего использования.
Схема создания устройства
На первом этапе создания водородной горелки для отопления дома мастеру нужно проделать специальные ячейки, предназначенные для генерации водорода. Топливная ячейка отличается своей укомплектованностью (немного меньше длины и ширины корпуса генератора), поэтому не займет слишком много места. Высота блока с электродами внутри доходит до 2/3 высота главного корпуса, в который устанавливаются основные детали конструкции.
Ячейку можно создать из оргстекла либо текстолита (толщина стенки варьируется от 5 до 7 миллиметров). Для этого текстолитовая пластина разрезается на пять равных частей. Далее из них формируют прямоугольник и склеивают границы эпоксидным клеем. Нижняя часть полученной фигуры должна оставаться открытой.
Из таких пластин принято создавать корпус топливной ячейки водородного отопителя. Но в этом случае специалисты применяют немного другой способ сборки с использованием винтов.
На внешней стороне готового прямоугольника высверливают небольшие отверстия, предназначенные для проведения электродных пластин, а также одно маленькое отверстие для датчика уровня. Для комфортного высвобождения водорода потребуется дополнительное отверстие шириной от 10 до 15 миллиметров.
Внутрь вставляются платины электродов, контактные хвостики которых проводят через высверленные отверстия на верхней части прямоугольника. Далее встраивается датчик уровня воды на отметке 80 процентов заполнения ячейки. Все свободные отверстия в текстолитовой пластине (исключая то, из которого будет выходить водород) заливаются эпоксидным клеем.
Водяной затвор и предохранитель
Обратите ваше внимание на рисунок №1 – там есть две ёмкости (Я обозначил их А и Б), ну и иголка от одноразового шприца (В), всё это соединено трубками от капельниц. В первую емкость (А) необходимо наливать воду, это водяной затвор
Он необходим для того что бы взрыв не добрался до электролизёра (если он рванёт то это будет как осколочная граната)
В первую емкость (А) необходимо наливать воду, это водяной затвор. Он необходим для того что бы взрыв не добрался до электролизёра (если он рванёт то это будет как осколочная граната).
Рисунок №5 – Водяной затвор
Обратите внимание, в крышке водяного затвора есть два соединителя (я всё это приспособил от медицинской капельницы), оба они герметично вклеены в крышку при помощи эпоксидного клея. Одна трубка длинная, по ней водород с генератора должен поступать под воду, булькать, и через второе отверстие идти по трубке к предохранителю (Б)
Рисунок №6 – Предохранитель
В ёмкость с предохранителем вы можете наливать как воду (для большей надёжности) так и спирт (пары спирта повышают температуру горения пламени).
Сам предохранитель делается так: Вам необходимо проделать в крышке отверстие диаметром 15 мм, и отверстия для винтиков.
Рисунок №7 – Как выглядят отверстия в крышке
Также вам понадобится две толстых шайбы (если потребуется, то надо расширить внутренний диаметр шайбы при помощи круглого напильника) две водопроводных прокладки и фольгу от шоколадки или обыкновенный воздушный шарик.
Рисунок №8 – Эскиз защитного клапана
Собирается он достаточно просто, вам необходимо просверлить четыре соосных отверстия в железных шайбах крышке и прокладках. Сначала необходимо припаять болты к верхней шайбе, это легко можно сделать при помощи мощного паяльника и активного флюса.
Рисунок №9 – Шайба с винтиками
Рисунок №10 – Припаянные к шайбе винтики
После того как вы припаяли винтики вам необходимо надеть на шайбу одну резиновую прокладку и непосредственно ваш клапан. Я использовал тонкую резинку от лопнувшего воздушного шарика (это гораздо удобнее чем надевать тонкую фольгу), хотя фольга, тоже подходит довольно удачно, по крайней мере, когда я испытывал свою водородную горелку на предмет взрывоопасности, то в клапане была именно фольга.
Рисунок №11 – Надеваем прокладку и защитную резинку
Потом надеваем вторую прокладку и можно вставлять защиту в отверстия, проделанные в крышке.
Рисунок № 12 – Готовый клапан
Рисунок №13 – Элементы защиты
Вторая шайба и гайки нужны, что бы герметично и крепко зафиксировать защиту, закручивая гайки (посмотрите на рисунок №6).
Поймите правильно и примите к сведенью, нельзя пренебрегать правилами техники безопасности, особенно когда работаете со взрывоопасными газами. А такое нехитрое приспособление может спасти вас от неприятных неожиданностей. Работает защита по принципу «где тонко – там и рвётся», взрывом выбивает защитную плёнку (фольгу или резинку), и взрывная сила не идёт в электролизёр, к тому же этому препятствует ещё и водяной затвор. Поверьте на слово, если взорвётся электролизер, то мало вам не покажется :)!!!
Рисунок №14 – Взрыв
Следует понимать что аварийная ситуация обязательно неминуема. Дело в том, что пламя горит на выходе форсунки, (в качестве которой достаточно неплохо подходит иголка от одноразового шприца) только потому, что создается давление газа (давление согласовано).
Рисунок № 15 – Форсунка из шприца, на пьедестале
К примеру, вы работаете вашей горелкой и вот вырубило свет, поверьте! Вы не успеете отскочить от горелки, пламя моментально пойдёт обратно по трубке и прогремит взрыв защитного клапана (он и нужен что бы рванул он а не электролизёр) – это вполне нормально, когда горелка самодельная – будьте бдительны и осторожны, держитесь подальше от водородной горелки и надевайте средства индивидуальной защиты!
Лично я не в большом восторге от водородной горелки, я и попробовал её сделать только по тому, что у меня уже был готовый электролизёр. Во-первых, это очень опасно, во-вторых не очень эффективно (я говорю о своей водородной горелке а не о горелках в целом) расплавить ею то что я хотел не удалось. И потому если вам пришла в голову идея сделать такого типа горелку задайте себе вполне рациональный вопрос «а оно того стоит», так как собрать электролизёр с нуля это достаточно хлопотное дело, а ещё нужен мощный блок питания такой что бы хватало для согласования давления водорода и диаметра выходной форсунки. Потому, «лишь бы было» я вам её делать не рекомендую, а только если она вам действительно нужна.
Спасибо что посещаете bip-mip.com
Ячейки генератора
Чаще всего при создании водородного генератора используют цилиндрическую форму исполнения модулей. Электроды в такой конструкции выполнены немного по другой схеме.
Отверстие, из которого выходит водород, должно быть дополнительно оборудовано специальным штуцером. Его фиксируют креплением либо вклеивают. Готовая ячейка генерации водорода встраивается в корпус отопительного прибора и заделывается со стороны верха (в этом случае можно также использовать эпоксидную смолу).
О водородной ячейке Мейера
Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.
Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:
Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе https://www.meanders.ru/meiers8.shtml.
Для изготовления ячейки Мейера потребуется:
- цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
- трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
- провода, изоляторы.
Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.
Под ячейку Мейера можно приспособить готовый пластиковый корпус от обычного водопроводного фильтра
Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.
Принципиальная схема включения электролизера
Корпус прибора
Корпус водородного генератора для использования в домашних условиях выполняется довольно просто. Но использовать такую конструкцию для станций высокой мощности не получится, так как он просто не выдержит оказываемой нагрузки.
Перед тем как установить внутрь готовую ячейку, корпус следует хорошо подготовить. Для этого нужно:
- создать подвод жидкости в нижней части корпуса;
- сделать верхнюю крышку, оснащенную удобным и надежным крепежом;
- выбрать хороший уплотнительный материал;
- установить на крышку электрический клеммник;
- оснастить крышку водородным коллектором.
Сущность водородной сварки
Сварка водородом основана на способности Н2 сгорать с большим выделением тепла. Для пламени необходима газовая смесь с большим содержанием водорода. Кислород связывается воспламеняющимися органическими жидкостями, их требуется немного. Водородное пламя не видно в дневное время суток, в аппаратах используют специальные датчики, контролирующие подачу газа.
Для генерации водородной смеси используют электролизеры. Вода распадается на составные молекулы под действием электрического тока. Получается горючая газовая смесь с необходимым соотношением водорода и кислорода.
Среди промышленного оборудования внимания заслуживают отечественные сварочные аппараты серии «Лига». Они работают от стандартной сети 220 В, заправляются дистиллированной водой, она используется в качестве среды для электролиза. Под воздействием тока молекулы распадаются на кислород и водород. Смесь газов поступает в охладитель-обогатитель, где конденсируется избыточная влага. С газовой смеси добавляют горючие жидкости:
- бензол;
- спирт;
- бензин;
- толуол;
- другие углеводородные композиции.
Как и при других огневых работах, при сварке электролизером нужно соблюдать технику безопасности.
Финальный этап
В конце работы мастер сможет получить качественный и надежный водородный генератор для отопительной системы частного дома. Далее останутся лишь финальные штрихи:
- установить готовую топливную ячейку в главный корпус устройства;
- подключить электроды к клеммнику крышки прибора;
- штурец, установленный на отверстии выхода водорода, следует подсоединить к водородному коллектору;
- крышка накладывается сверху на корпус устройства и фиксируется через уплотнитель.
Теперь водородный генератор полностью готов к работе. Владелец частного дома может смело подключать воду и дополнительные модули для комфортного обогрева частного дома.
Применение водородного сварочного аппарата
Используя аппараты атомно-водородной сварки, производят:
- пайку металла;
- сварку стальных заготовок любого размера;
- порошковое защитное напыление;
- кислородную резку проката;
- наплавку деталей.
Водородная сварка применяется не только при строительных работах, благодаря компактности, аппараты используют:
- мастера по ремонту холодильного оборудования, радиаторов;
- стоматологи;
- ювелиры;
- радиолюбители;
- мастерские, занимающиеся кузовным ремонтом автотехники.
Диапазон использования аппаратов обширен. Используя возможности атомно-водородной сварки, ремонтируют чугунные изделия (металл характеризуется высокой текучестью). Единственное ограничение использования электролизеров – высокая экзотермия. Это фактор повышено риска, при сварке водородом используют охлаждающие системы.
Правила использования устройства
Водородная ювелирная горелка для дома должна обладать дополнительными встроенными модулями. Особо важен модуль подачи воды, который совмещается с датчиком уровня воды, встроенным в сам генератор водорода. Самые простые модели представляют собой водяной насос и контроллер управления. Насос управляется контроллером через сигнал датчика в зависимости от количества жидкости, находящейся в топливной ячейки.
Вспомогательные элементы очень важны для любой конструкции отопления. Без автоматических модулей контроля и защиты генератор на водородной основе использовать запрещено и даже опасно.
Специалисты советуют приобрести специальную систему, регулирующую частоту подаваемого электрического тока и уровня напряжения. Это важно для нормального функционирования рабочих электродов внутри топливной ячейки. Также в модуле должен находиться стабилизатор напряжения и защита от перегрузки током.
Водородный коллектор представляет собой трубку, в которую встроен специальный вентиль, манометр и обратный клапан. От коллектора водород подается в помещение посредством специального обратного клапана.
Манометр и водородный коллектор – очень важные детали в водородном генераторе, с помощью которых осуществляется равномерное распределение газа по помещению и контролируется общий уровень давления.
Любой потребитель должен помнить, что водород остается взрывоопасным газом с высокой температурой сгорания. Именно по этой причине просто взять и наполнить конструкцию отопительного прибора водородом запрещается.
Краткая теоретическая часть
Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:
- Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
- Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
- Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
- Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
- Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.
Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.
Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались
Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:
2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)
Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:
2H2O → 2H2 + O2 — Q
Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.
Как определить качество установки?
Самостоятельно создать качественную и безопасную отопительную установку для дома — трудная задача, с которой справляются не все. Например, даже при рассмотрении металла, из которого состоят трубы прибора и электродные пластины, уже можно столкнуться с большим количеством трудностей.
Время службы встроенных электродов напрямую зависит от типа металла и его основных свойств. Конечно же, можно применять ту же нержавейку, но эксплуатация таких деталей будет недолгой. Температура водородной горелки должна быть в районе 5000 К.
Особое значение играют и замеры. Все расчеты следует проводить как можно точнее, учитывая требуемую мощность, качество поступающей воды и другие критерии. Если величина отверстия между электродами не будет совпадать с расчетами, то водородный генератор может и вовсе не запуститься.
Применение метода
Газопламенная сварка осуществляется за счет горения газообразной смеси. Самой часто используемой является ацетиленовая сварка. Она основана на окислении карбида в воде.
Если необходима небольшая температура, например, для работы с мелкими деталями или тонким металлом, используется пропан. Он подается из баллона в смесительную камеру, а затем в горелку.
В эту же камеру подается кислород, поддерживающий горение газа. Регулируя давление кислорода можно достичь температуры горения до 3000 градусов, что позволяет осуществлять не только сварку, но и резку металла.
Недостатком этой технологии является необходимость использование баллона с газом. Это накладывает ограничения на применение сварки во многих сложных условиях.
Агрегат для водородной сварки.
Принцип работы водородной сварки основан на процессе разделения воды на водород и кислород. В результате последующей рекомбинации одноатомного водорода в двухатомный происходит высвобождение энергии, ускоряющей сварку.
Область сварки оказывается защищенной водородом от кислорода, что исключает окисление поверхности и обеспечивает гладкие швы.
Использовать водородные баллоны для сплава опасно. Его утечка в замкнутых помещениях может привести к удушью или головокружению. Также он является взрывоопасным.
Производство водорода, необходимого для работы сварочного аппарата, осуществляется непосредственно на месте проведения сварочных работ в электролизной камере. Это исключает указанные риски при правильном использовании оборудования и соблюдении техники безопасности.
Водородная сварка широко применяется в сложных условиях: тоннелях, шахтах, коллекторах. Использовать в таких задачах пропилен-ацетиленовые баллоны невозможно из-за высокого риска утечки смеси и ее взрыва.
Электролизное оборудование лишено этих недостатков и широко применяется в указанных областях.
Использовать водородные сварочные аппараты достаточно просто. Они не требуют частой перезарядки и быстро выходят на рабочие температуры.
Кроме того, они могут работать от бытовой сети, что делает их весьма привлекательными для простого пользователя. Особенно учитывая то, что водородная сварка может быть изготовлена своими руками по одной из многочисленных схем электролизера для сварки доступной в интернете.
