Электролизер

Не всегда и не везде хорош принцип «выше-быстрее-сильнее» - и в домашней мастерской случаются задачи для миниатюрного инструмента. Взять те же горелки. В большинстве случаев безусловное – Больше!, Мощнее! но точная пайка мелочей твердым припоем, но работа с электролизером небольшой мощности, ювелирное дело, работа со стеклом. Здесь, речь пойдет именно о стеклодувном применении небольшого стационарного электролизера.

Стеклянное приборостроение и кустарное электровакуумное производство подразумевают, в том числе и высококачественное спаивание нетолстого стекла. Обычно, такие работы выполняются в пламени настольных или ручных стеклодувных горелок. Газо-воздушных или газо-кислородо-воздушных, при этом, надежное герметичное спаивание стекла требует изрядной квалификации стеклодува. Применение для такой работы кислород-водородной горелки усложняет оборудование, но резко упрощает процесс и существенно повышает качество спаев, выполненных даже малоопытным стеклодувом.

Кислород-водородный факел очень горячий и жёсткий. Стекло он расплавляет быстро и до совершенно жидкого состояния. В стеклодувном деле гремучий газ удобен или как высококалорийная добавка к газовоздушным горелкам, или в виде самостоятельного факела очень маленького размера, еще не продавливающего, не разбрызгивающего стекло. Такая горелка с микросоплом, а речь идет о диаметрах от 0,1 мм, может преотлично питаться гремучим газом от простого электролизера относительно небольшой настольной мощности. В комплекте с простой «подогревной» горелкой с широким мягким низкотемпературным пламенем (газовоздушная - инжекционная, радиационная), для первичного разогрева стеклянной работы и предотвращения термоударов, микрогорелка на гремучем газе позволяет легко и с высоким качеством спаивать даже довольно крупные детали. 

Микрогорелки с электролизерами используются традиционно и, как правило, вынуждено. У аппаратов небольшой мощности, производительности хватает только на них. Обычно, в качестве сопла для такой горелки используется игла от медицинского шприца – выбор объяснимый легкодоступностью, но неважный в теплотехническом смысле. Игла шприца – тонкостенная трубочка из плохо проводящей тепло нержавеющей стали. Малейший локальный перегрев и она оплавляется кислород-водородным пламенем. Напротив, в качестве сопла для такой горелки следует предпочесть толстостенный капилляр из медных сплавов. В крайнем случае, иглу можно обмотать нетонкой медной проволокой и тщательно пропаять серебром.

Медные или латунные капилляры, диаметром от ~0.15 мм сейчас вполне доступны, но еще один несложный вариант изготовления микросопла – сверление. Теория говорит - для достижения спокойного ламинарного потока газа и выраженного иглоподобного факела, длина сопла должна быть не короче 3…5 её диаметров. Так, для диаметра отверстия 0,3 мм, глубина сверления может быть всего 1 мм. Более того, тонкие глубокие отверстия могут представлять затруднения в эксплуатации – сложно прочищаться при неизбежных засорах. Практика показала – сверление неглубокого отверстия спиральным сверлом 0,3 мм. в бронзе и латуни, не представляет сложности. Сверла недороги и доступны. 

Что потребовалось для работы.

Набор некрупного слесарного инструмента, мелочи. В работе использовался сверлильный станок, электролизер для пайки твердым припоем, УЗ мойка.

К делу.

Здесь, описано изготовление сменного наконечника с соплом для имеющейся микрогорелки. Для основания подобрал медную 7 мм трубку, аналогичную штатной. На трубке-заготовке уже имелся изгиб, хотя и выполненный не вполне хорошо – без внутренней набивки, а потому несколько сплющенный. Заготовка была признана удовлетворительной. Примерив и разметив, отрезал нужную часть роликовым резаком (Фото 2).

Роликовый резак продавливает мягкую медь – для выравнивания образующегося сужения пришлось поработать круглым надфилем и наждачкой.

Для сопла подобрал латунную заготовку. Латунь, превосходный материал для такого применения – легко обрабатывается, хорошо паяется мягкими и твердыми припоями, имеет малый КТР (коэффициент термического расширения).

Длинную стойку спилил у основания ювелирным лобзиком. Длинна – с запасом, для удобства предварительной обработки. Утолщенная часть с внутренней резьбой чуть великовата.

Канавки на сверле невеликие, при работе нужно часто извлекать инструмент для удаления стружки. Случается удачно приобрести сверла несколько конической формы, особенно склонные ломаться. Отчасти помогает смачивание спиртом.

В ответственных случаях канал сопла следует отполировать, например, толстой ниткой натертой пастой ГОИ. В случаях особо ответственных, заднюю часть канала, примерно на ¾ делают еще и слегка конической, специальной разверткой. Практика, однако, показала, для гремучего газа и предложенных диаметров сопла, обычного сверления довольно вполне.

От пластинки фабричного ювелирного припоя ножницами отрезал полоску и зажал в обратном пинцете. Флюс – бура. Вносить ее удобно раскалив нетолстую стальную проволочину и макнув в порошок. Налипшую подплавленную буру перенес на раскаленные детали, убрав факел – сдувает. Нагревал место пайки гремучим газом из электролизера. Дидимовые стеклодувные очки защищают глаза и вырезают натриевое «содовое свечение» - место пайки хорошо видно.

Нагрев обычной инжекционной горелкой на пропане. По остыванию – немедленная отмывка от остатков флюса в теплой воде. Сначала вручную, старой зубной щеткой, затем несколько циклов в УЗ мойке.

К слову, диаметр 0,3 мм. глубокого отверстия, теоретически, является «предельным» для гремучего газа – с таким соплом, до некоторой степени, можно быть уверенным в отсутствии обратного удара.

Babay Mazay, май, 2022 г.

Получение в электролизере кислород-водородной смеси - гремучего газа, только часть задачи. Еще солидный кусок – подготовка газа для использования практического, а обычно это сжигание. Кроме прочего, гремучий газ полезно осушать иначе весомая часть тепла факела будет тратиться на испарение воды. Это как топить печь сырыми дровами – проделать громадную работу по заготовке, а тепла получить чуть. Осушение гремучего газа в простом электролизере, как оказалось, задача нетривиальная – нужен весьма прочный сосуд выдерживающий потенциальный подрыв (а осушитель – первый аппарат на пути обратного удара пламени), герметичный, стойкий к раствору щелочи (содержится во влаге). Опять же – из доступных материалов и более-менее удобный в эксплуатации. То есть не требующий слишком частого обслуживания и оно должно быть по возможности нетрудоемким.

Собирая свой аппарат для домашней мастерской, поторопился сделать осушитель из куска стальной водопроводной трубы с патрубками-вводами, предполагая засыпать его силикагелем и пропускать газ снизу вверх через слой-столб гранул. Однако, в переписке вовремя получил совет своего наставника и вдохновителя, владельца довольно мощного самодельного электролизера, прототипа моего. Как оказалось, газ после реактора и водяного затвора довольно влажный, а силикагель работает хорошо но увы, не особенно долго. Пропуская его через засыпку, получаем высокую эффективность, но и необходимость весьма часто извлекать осушающий реагент для регенерации. Увы, приходится довольствоваться компромиссом – извлекать из газа только часть влаги, при этом разбирать осушитель и прокаливать силикагель приходится много реже.

В частичном осушителе газ проходит через перфорированную трубку окруженную засыпкой из силикагеля. Гидравлическое сопротивление трубки много меньше чем у слоя гранул и практически весь поток проходит через нее. Тем не менее, гигроскопическое окружение связывает некоторую часть паров воды из проходящего газа. Степень осушения можно подобрать количеством и диаметром отверстий в перфорации.

В мой уже готовый осушитель (Фото 1, по центру), такой перфорированный канал легко не встроить, но кое что сделать удалось.

Что понадобилось для работы.

Набор слесарного инструмента, мелочи.

К делу. 

Короткий входной штуцер вварен внизу глубокой узкой шахты (Фото 5) и добраться до него сложно. Здесь, применил зеркальный вариант частичного осушения (Рис. 2) – газ будет омывать извлекаемый перфорированный осушительный патрон. Вариант получился вполне удобный во многих отношениях, настраивать степень осушения в нем легче легкого.

Итак, общий принцип выработан, материал – пластик. Здесь не нужна значительная прочность, важна лишь стойкость к влаге и щелочи. Оглядевшись по сторонам, в качестве корпуса патрона применил обрезок серенькой канализационной трубы Ø50 мм. Верхнюю и нижнюю крышку сделал из обрезков 0,5 л ПЭТ бутылки от минеральной воды, причем в нижней части патрона применил верхнюю половинку бутылки. Ее сужение - горлышко с пробкой позволило иметь внизу зазор для прохода газа и миновать торчащий внутрь штуцер (Фото 5).

На боках трубки разметил и просверлил ряды некрупных отверстий и острым ножом срезал пластиковые заусенцы. ПЭТ бутылка с нетолстыми стенками натурально работает как термоусадочная трубка и обдувая половинки строительным феном на второй передаче, плотно усадил их на торцы патрона. Нижнюю часть удерживающую столб гранул дополнительно закрепил двумя недлинными саморезами.

Операция в принципе лишняя – индикаторные гранулы девственно голубые (при увлажнении они становятся розовыми). Тем не менее, работа была проделана для тренировки. Силикагель засыпал нетолстым слоем 1…1,5 см толщиной в стопку металлических лоточков и поместил в самодельную электропечь. Настроил термоконтроллер на 180 ̊ С и четыре часа работы. Вынул после охлаждения до 60 ̊ С.

Силикагеля в патрон поместилось около 1.5 л. Бронзовый пробковый краник разобрал, промыл растворителем от старой смазки, отшлифовал наждачкой 2000 конус пробки, удалил остатки шлифовки смазал консистентной смазкой, собрал.

Она пробирается через две промывалки и окрашивает пламя, а также регулярно кристаллизируется в микросоплах горелок. Здесь эти кристаллы отфильтровываются набивкой из базальтовой ваты в сухом фильтре (тонкая часть осушителя) и не столь заметны. Большую часть факела теперь практически не видно, только изредка вылетает частичка щелочи и проявляет этакий луч. Отчасти факел можно увидеть при сильном затемнении в движении. В целом, это тонкая игла длиной 30…35 см.  

К слову об осушении. В электролизерах фабричных, осушение часто не проводится вовсе либо проводится но не силикагелем. Нередко в качестве осушителя применяют концентрированную серную кислоту (Н2SO4) барботируя (пробулькивая) через нее гремучий газ. Она работает долго. Реактив относительно недорогой и ходовой – электролит из любого автомагазина который нетрудно упарить в эмалированной посуде до появления белого пара. Концентрированная серная кислота пассивирует черную сталь, ее возят по железной дороге в стальных цистернах, то есть теоретически можно применить аппарат – копию водяного затвора. Однако, в процессе работы концентрированная кислота постепенно превращается в разбавленную и вероятно станет реагировать с железом. Опять же, мы уже знаем что частички щелочи вместе с парами воды проникают по «системе» вплоть до сопла горелки и с кислотой они будут реагировать. С одной стороны они гарантированно отсекутся, с другой – кислота постепенно превращается в соль. Ее придется периодически обновлять полностью.

Разобрал, насосал внутрь воды и устроил длительную промывку в ультразвуковой мойке. В чистой теплой воде. В медной ручке огнепреградитеьная набивка. Очень плотная, из тонкой отожженной медной путанки. Рядом два сменных наконечника с разными соплами.

Кроме прочего, с ручки ободрал веселенькую термоусадку, заменил шток игольчатого краника на лучший, уплотнил его. Появился новый металлический маховичок взамен яркой пластмасски. В целом - суровый челябинский стимпанк.

Восстановил соединения. Всё электролизное оборудование с комфортом разместилось сбоку от рабочего стола с настольной стеклодувной горелкой и вытяжкой. На фото видны водяной затвор и осушитель, сам реактор с блоком питания рядом, в узкой щели за кирпичной печкой. Там же и удобная розетка. В кадре также бензиновый карбюратор для получения по месту горючего газа.

Babay Mazay, февраль, 2023 г.

Продолжим разговор о небольшом, для домашней лаборатории-мастерской, электролизере. Его задача – получение гремучего газа - кислородно-водородной смеси, для сжигания в горелках. В некрупных ручных и для подмешивания в горелки более мощные, для повышения температуры факела. Например, для стеклодувных работ при отсутствии баллонного кислорода.

Получить гремучий газ в электролизере – половина задачи. Оставшаяся – этот газ подготовить для сжигания, сделать процесс эффективным, безопасным и удобным. Для этого служит целый ряд вспомогательных аппаратов, один из которых – осушитель с тонким фильтром. Откуда в получаемом газе вода? Прежде всего, из самого реактора. Он разлагает воду из щелочного раствора и она испаряется, тем более, что при работе реактор нагревается. Есть и мельчайшие брызги от лопающихся пузырьков пены. Дополнительно, гремучий газ пропускается через водяной затвор сразу после электролизера – обязательная ступень безопасности, предохраняющая от обратного удара, а водород-кислородная смесь весьма к этому склонна. Пары же воды, поступающие в горелку с газом, сильно понижают его температуру.

Где – 1 – реактор, 2 – блок питания реактора, 3 – бак-накопитель с фильтром отделителем пены, 4 – подпитыватель, 5 – реле давления, 6 – водяной затвор, 7 – бензиновый барботер-промывалка, 8 – осушитель, 9 – фильтр тонкой очистки.

Фильтр тонкой очистки. Через него проходит осушенный газ и далее поступает «к потребителю». Вся газоподготовка – три аппарата – затвор, барботер с бензином для насыщения, при необходимости, газа парами углеводородов и осушитель. Практика показывает - как это не удивительно, частицы щелочи из электролизера пробираются через все препоны и рабочие жидкости и выпариваясь в горелках, кристаллы калия или натрия, регулярно забивают длинные тонкие сопла, а чистить их трудно. При использовании едкого натра в электролите, хорошо заметно характерное яркое оранжевое свечение факела, т. н. «содовое свечение».  К счастью, эти частицы неплохо улавливаются простейшей набивкой из стекловаты.

Материаловедение. Здесь, имея дело с газом и жидкостями, использовать традиционные удобные бронзу и латунь нельзя – влажной щелочью они быстро разрушаются. Хорошо бы применить никель (дорого), но неплохо и долго работает и обычная черная сталь, тем более, что для сосудов при этом, можно подобрать недорогие распространенные емкости, мощный ходовой прокат. В данном аппарате, скидку можно сделать только на выходе, где газ уже сухой и очищенный.

Здесь надо сказать и о прочности. Как уже говорилось, гремучий газ чрезвычайно подвержен обратным ударам – распространению волны горения обратно по шлангам – у этой стехиометрической смеси очень высокая скорость горения и огромная энергия взрыва. Есть и на нее заграждения, но спокойней, выполнять все сосуды достаточно крепкими, металлическими, и по возможности, оставлять в них минимум свободного места для газа. Тогда, даже их вероятный подрыв не приводит к аварии. И конечно, никакого стекла.

О заполнении аппарата многое уже сказано. Фильтр – плотная набивка из минеральной ваты, которую не следует заменять органикой – ветошью, паклей и т. п. – могут самовоспламениться. Внутри осушителя, под самую горловину силикагель.

Время работы между обслуживаниями. Конечно, зависит от производительности электролизера и частоты его использования, но примерно, для наших непромышленных размеров, измеряется месяцами, а то и сезонами-полугодиями. Забитую мелкой щелочью стекловату можно определить по упавшему давлению на выходе и окраске пламени. Ее можно промыть водой, хорошо бы в ультразвуковой мойке, но проще заменить на новую. Силикагель обычно содержит индикаторные гранулы, синеющие при общем увлажнении материала. Регенерируют его как обычно - в печи при невысокой температуре.

Что понадобилось для работы.

Набор слесарных инструментов, в том числе и для электродуговой сварки плавящимся электродом. Плюс, расходные материалы, мелочи, ЛКМ.

К делу.

Вся конструкция электролизера более-менее стационарна, невысокой мобильности, ей, в разумных пределах, допустимо быть громоздкой. Осушитель – штука немаленькая, он должен вмещать не меньше литра наполнителя-силикагеля, чтобы пореже его прокаливать, а вот фильтр тонкой очистки может быть вполне компактным. Его сделал из недлинного куска водопроводной трубы 3/4 дюйма приваренной прямо к крышке-люку осушителя. Меньше шлангов-соединителей, деталей, работы.

Первым долгом добыл железки-заготовки – кусок трубы для основного корпуса пришлось приобрести, остальное подобрал в своем металлоломе (Фото 3).

Обрезок швеллера назначен дном. Нашедшаяся пара нетонких стальных пластин автоматически решила задачу широкого герметичного загрузочного люка. Он будет фланцевого типа во весь зев трубы.

Суперзадача – придать фланцу и крышке более-менее круглую форму без токарного станка по металлу.

Разный диаметр деталей вынужденно – стачивать бОльшую пришлось бы слишком долго, а пускать искры в деревянной мастерской, более минимально необходимого – испытывать судьбу. Для однозначного положения деталей в работе, сделал на обоих метку – неглубокий надрез на краях.

Отверстие по центру – выходное, над ним будет приварен фильтр со стекловатой. Здесь можно было бы обойтись и меньшим диаметром, но удобнее будет выталкивать забитую щелочью вату. Палочкой или сварочным электродом. Детали разъединил болгаркой, зачистил следы сварки.

Входной штуцер внизу аппарата выточен из стали, аналогично дискам.

Сверлилка настроена на максимальные обороты, работает станок, работает болгарка. После абразивного диска – наждачная бумага.

Штуцер выходной. Здесь, на выходе из всех аппаратов подготовки, газ уже сухой, без щелочи и требованиями к материалам можно частично манкировать – применить медные сплавы, тем более, что дальше все равно латунные горелки. В пробку фильтра впаял доработанный пробковый краник от негодного электрического самовара – возможность отсекать аппараты от горелок удобна.

Отмыл остатки флюса в УЗ мойке. Аналогично впаял в носик краника кусочек медной трубки для отводящего шланга.

Отверстия разметил через железку, шариковой ручкой. Аккуратнейше просверлить их удалось спиральным сверлом по дереву, с шипом по середине. В сверлильном станке, на невысоких оборотах, смачивая сверло водой. На фото, в резинке еще нет небольшого выходного отверстия по центру.

Готовую железку не поленился покрасить - в два слоя, грунтом-эмалью по ржавчине. Серенькой. Высохшую работу зачистил от наплывов краски на фланцах, крышке, в отверстиях, собрал.

Наполнение осушителя не потребует особенных хлопот и расходов – как выяснилось, в настоящее время у кошколюбителей очень популярен наполнитель для ихних лоточков из, чего? Именно – из натурального силикагеля без никаких примесей. В весьма удобных и некрупных упаковках.

Babay Mazay, октябрь, 2022 г.

Мы уже говорили о некоторых доработках самодельного электролизера. Здесь, еще одна небольшая переделка касающаяся уровня-показомера электролита. Без него или при его неправильных показаниях работать с аппаратом неудобно, а местами и опасно. Конструктивная ошибка вышла из-за других изменений по ходу изготовления, а уже перед самым запуском – «Ой где были мои глаза!».

Как было дело.

Изначально предполагалась конструкция модуля реактор-бак-отстойник пены с жестко пристыкованной вертикальной трубой работающей именно как: частично бак – нижняя часть, частично – отстойник щелочной пены – часть верхняя. Внутренняя полость этого аппарата проектировалась полностью пустотелой, а нетолстый полупрозрачный силиковый шланг, проложенный параллельно корпусу и сообщающийся с ним через два угловых штуцера, выполнял функцию «смотрового окна» для визуального контроля уровня электролита (Рис. 2).

Такая схема применена в аналоге [1], и по отзывам владельца не обеспечивала должного подавления стойкой и мелкодисперсной щелочной пены. Пена практически беспрепятственно переползала по газовым шлангам до следующего аппарата – водяного затвора и растворялась в рабочей жидкости – технической воде. Процесс это вредный – пена уносит из реактора, не расходующуюся при электролизе, щелочь. Один из возможных способов препятствовать этому – иметь в водяном затворе воду не техническую, но дистиллированную, такую, как и требуется для заправки реактора. При его подпитке, следует использовать эту воду и таким образом возвращать щелочь в реактор. Второй способ – принять меры к более эффективному подавлению пены уже в самом реакторе.

Где: 1 – реактор электролизера; 2 – внешний бак электролита; 3 – шланг-уровень; 4 – перфорированная металлическая перегородка; 5 – насадка-подавитель пены. Стрелками показана циркуляция электролита при работе аппарата. Здесь появился и штуцер подпитки водой.

В ходе изготовления электролизера была изучена и опробована на лабораторном макете специальная насадка-подавитель – плотно свернутый столбик из базальтового картона. Расположен он в верхней части трубчатого внешнего бака, на месте отстойника (Рис. 3). Показал себя подавитель неплохо – при обычной размеренной работе электролизера, фильтр не пропускает пену в отводящий гремучий газ шланг. Однако, появившееся местное сопротивление потоку газа, добавлю, для успешной работы фильтра - весьма значительное, сыграло злую шутку (Рис. 4).

При включении аппарата в замкнутом объеме под фильтром подавителем создается избыточное давление Р. Оно действует на газодинамическое сопротивление фильтра – путь вверх, и на столб электролита в баке - путь вниз, пытаясь вытолкнуть его через шланг уровня.

Результат такого неправильного включения шланга-уровня – электролит по нему часто выдавливает наверх, дополнительно пропитывая пористую насадку фильтра. При этом, быстрее образуется «вторичная пена», уже в самой, пропитанной электролитом, пористой насадке. К счастью, при изготовлении, ниже фильтра выточен и вварен небольшой резервный патрубок для подпитки электролизера расходующейся в работе водой. Несколько изменив включение уровня, удалось свести неприятность к минимуму и малой кровью. Повезло.

Что понадобилось для работы.

Набор некрупного слесарного инструмента, крепеж, мелочи.

К делу.

Схема нового включения внешних шлангов будет такой (Рис. 5).

Заглушить верхний угловой штуцер с минимальной возней и без вандализма, удалось надетым отрезком шланга и миниатюрным стеклянным пузырьком в роли пробки (Фото 7, 8).

Заглушил верхний угловой штуцер уровня, укоротил шланг уровня. Подключить укороченный конец шланга к штуцеру подпитки – лишиться в дальнейшем крайне полезной функции. Вышел из положения применив фабричный тройник из нержавеющей стали (Фото 9). Той самой – стойкой к крепкому раствору щелочи.

Свободный вход металлического тройника – для подпитки электролизера дистиллированной водой. Пока будет заглушен подручными средствами.

Новый укороченный шланг-уровень (Фото 10) – длиной, тем не менее, в полный рост бака для электролита. Доработка устранив недостатки прежней конфигурации сохранила возможность подключения аппарата для моментальной подпитки водой «на ходу», без сброса избыточного давления и потери газа.

Новые шланги выбрал диаметром, соответствующим тройнику, старый шланг уровня, снизу, несколько толще. Его пришлось уплотнить еще одним слоем – кусочком такого же силиконового шланга, но меньше диаметром.

Доработка все равно не позволяет точно увидеть уровень электролита при работе – как только внутри аппарата появляется избыточное давление, жидкость частично выталкивает и через шланг. Тем не менее, электролит по шлангу не переливается, разница давлений в «ветвях» стала много меньше и оценить расход воды можно и так. С отключенным и открытым состоянием, она разнится всего на несколько сантиметров.

Расход воды удобно засекать прицепив на прозрачный шланг обычную бельевую прищепку, подобно второй, управляемой снаружи, стрелке на барометре.

Литература.

1. Бондаренко Ю. Н. Изготовление газоразрядных источников света для лабораторных целей и

   многое другое. Глава 9. Электролизер для получения гремучего газа.

Babay Mazay, июнь, 2022 г. 

Самодельный электролизер для получения кислород-водородной смеси (гремучего газа) из водного раствора щелочи предназначен для домашней лаборатории-мастерской – высокотемпературный нагрев мелочей, в том числе и пайка твердыми припоями, подмешивание гремучего газа в газовоздушное пламя стеклодувных горелок для замены баллонного кислорода. Даже крохотный кислород-водородный факел крайне полезен в стеклодувном деле и вкупе с низкотемпературным широким подогревным пламенем, хотя бы и вульгарной инжекционной горелки нахлобученной на баллончик, позволяет вполне аккуратно и надежно спаивать стекло даже начинающему мастеру.

Мой стационарный электролизер в основном был готов еще лето назад и опробован в нескольких работах, для конструктивной пайки латунью и серебром. Электролизер был снабжен упрощенным импровизированным водяным затвором для предотвращения проскока пламени в случае обратного удара.

Бутылочный водяной затвор - классической системы, с погруженным в жидкость нетолстым шлангом и кроме простоты никаких преимуществ не имеет. Зато потенциально опасен, при включении прибора с хрустом расправляется надуваясь, после работы его следует отсоединять от реактора иначе тот насосется технической воды. К счастью, плотная медная набивка в ручке горелки предохраняет от обратного удара вполне надежно и аварий не было.

Авария случилась в другом месте – потек реактор.

Избыточное давление в реакторе выдавливает электролит - крепкую щелочь через малейшие неплотности. Здесь, виноват сам – применил наряду с хорошим новым листом резины для прокладок, и пяток их вырезанных из старой тракторной камеры. Несколько изъянов, как предположил, сожмутся при сборке, уплотняться. Ой где были мои глаза! Электролит на основе едкого натра сочится по стыкам и высыхая, и реагируя с СО2 воздуха превращается в соду. Все попытки залепить снаружи, через время, так или иначе, текли. Придется действовать радикально, делать нечего.

Что потребовалось для работы.

Набор слесарных инструментов, емкости, кисть, ветошь, мелочи, набор электромонтажного инструмента.

К делу.

Отсоединил силовые провода блока питания (БП) от реактора, отключил датчик давления. Снял БП на собственной раме, убрал деревянную изолирующую прокладку (на фото, зеленого цвета) и получил доступ к реактору.

Заливал через крупный шланг восходящего канала с пристроенной воронкой. Наливал полный реактор с лишком и подержав порцию воды с часик-полтора, взболтав сливал, заливал следующую порцию чистой воды. Можно было воду чуть подкислить для нейтрализации щелочи. Например, уксусом или серной кислотой.

В целом, все обстоит благополучно. На фото – удаленные дефектные «тракторные» уплотнители. Много неприятной очистки и отмывки, но душу греет будущая работоспособность полезного прибора.

Разложение воды из электролита идет при напряжении на ячейке 1,8…2,4 В. В изначальном наборе реактора БП обеспечивал напряжение несколько выше максимальной границы, и лишнее уходило в тепло. Пользуясь случаем, не только заменил дефектные прокладки, но и добавил в набор ячеек. Привез из города метр резинового листа ТМКЩ (тепло-морозо-кислото-щелочестойкий – ах, ах! - поцеловав кончики пальцев) нарезал из него и имеющихся обрезков дополнительные уплотнители.

Старые б/у резинки-уплотнители из-за сжатия слипаются с металлическими пластинами, но оторвать их без повреждений можно. Ряд пластин с резинками не разбирал – слипшимся блоком переставил в новый набор. Весь набор разделен на две параллельные секции – «+» в середине, «-» на крайних замыкающих пластинах-швеллерах. Ряд пластин с выводами изначально предполагались для питания реактора от каскада импульсных БП и не пригодились. В новом наборе пластины с выводами объединены в две одинаковые группы для возможной настройки – по 4 ячейки в каждой секции. При очень большой необходимости их можно закоротить при настройке (увеличится падение напряжения на каждой ячейке). При сборке б/у пластины слегка зачищал в местах герметизации, резинки очищал от мусора. Из-за дополнительных ячеек высота набора возросла, но к счастью, шпильки имели запас и его хватило. В собранном и хорошо стянутом реакторе заглушил открытые шланги, приспособил ручной автомобильный насос и тщательно проверил мыльной водой все стыки и уплотнения при рабочем давлении.

Собрал электролизер – установил на реактор деревянную площадку-изолятор, пристыковал и подключил БП и шланги. Шланг восходящего канала из-за утолщения набора пластин стал короток. Несколько удлинил его проставкой из куска стальной водопроводной трубы (Фото 16, отмечено). Этот временно отсоединенный шланг удобно использовать для первичной заправки реактора щелочью (на фото).

Чтобы затвор правильно работал в обе стороны, на 5л баллон нужно ~1,5…2 л воды.

Отремонтированный и восстановленный аппарат сохраняет избыточное давление, по крайней мере, трое-четверо суток, воздух в систему не попадает (полезно для щелочи), аппарат быстро готов к работе. На каждой ячейке падает - 2.2 В при сетевом ~230 В. От сети электролизер потребляет 1 кВт, но можно настроить (концентрацией щелочи) больший ток в реакторе, при этом несколько снизится долговечность пластин (?), увеличится пенообразование.

Babay Mazay, январь, 2023 г. 

Продолжим описание некрупного стационарного электролизера для домашней лаборатории-мастерской. Какой бы небольшой производительности не был у нас сам реактор, получаем мы в нем при разложения воды, обычно – смесь газов – водород с кислородом. Заметим – смесь стехиометрическую, т. е. в идеальных, для обратного соединения (при сжигании) пропорциях и замечательным образом перемешанную. Только огонек поднести. Такая смесь имеет говорящее название – «гремучий газ». Он горит с очень высокой скоростью и имеет огромную энергию взрыва. Гремучий газ редко получают иначе чем для сжигания и обратный удар здесь – явление очень вероятное. Полный комплект практического электролизера содержит кроме реактора еще и ряд вспомогательных сосудов-аппаратов для удобства работы, газоподготовки и конечно, безопасности. Подрыв любого из них опасен, но самый кошмар – взрыв внутри реактора. Он имеет принципиально более слабую конструкцию и наполнен горячим крепким раствором щелочи. Ее разбрасывание опасно для кожи, а дважды опасно для глаз, поэтому, в любом случае, работать следует, хотя бы, в защитных очках.

Хорошо бы газы сразу в реакторе и разделять. Это было бы и удобнее и куда как безопаснее. Однако, реакторы такого типа существенно сложнее и требуют доступа к станочному оборудованию и специальным материалам для мембран. 

Существуют специальные заграждения для волны пламени идущей по шлангам, большинство из которых малоэффективно для такой быстрой смеси и должно быть сделано из стойких к щелочи материалов. Громоздким и не слишком удобным, но весьма надежным защитным аппаратом здесь может быть водяной затвор – газ пропускается через слой жидкости, обычно, воды, и вероятное пламя отсекается.

Где – 1 – реактор, 2 – его блок питания, 3 – внешний бак электролита с фильтром-отделителем щелочной пены, 4 – питатель, 5 – реле давления, 6 – обсуждаемый водяной затвор, 7 – барботер с бензином, 8 – осушитель газа, 9 – тонкий фильтр сухой щелочи.

На схеме (Рис. 2) видно положение водяного затвора – перед реактором, если следовать по пути обратного удара.

Здесь нужно сказать и о существенном нюансе – при работе реактора, он неизбежно разогревается нагревая металлические элементы конструкции, электролит. После выключения все это остывает, создавая разрежение внутри и при подобном (Рис. 2, поз 6, 7) устройстве промывалок, способное затянуть их рабочие жидкости по шлангам в аппараты соседние. Техническая вода из затвора попадает в реактор и загрязняет электролит нежелательными примесями, бензин может попасть в затвор и при следующем цикле в реактор. Пресечь это безобразие можно отсоединяя шланги от аппаратов после окончания работы, что очень неудобно. Много лучше, применить промывалки специальной конструкции (Рис. 3) лишенные этого недостатка, работающие одинаково хорошо в обоих направлениях. В химии, такие аппараты известны как «склянка Тищенко».

Практически, перегородку в цилиндрическом сосуде удобнее и надежнее выполнить в виде еще одной трубы меньшего диаметра вставленную коаксиально.

Материаловедение. Крепкий раствор щелочи в реакторе налагает табу на применение меди и сплавов, алюминия. Стоек к ней никель, специальные сорта нержавеющей стали. Удовлетворительно работает и обычная черная сталь. Несмотря на работу затвора с обычной водой, щелочь в него, более-менее, но почти неудержимо, проникает в виде пены и накапливается.

Прочность. Гремучий газ – сильное взрывчатое и своенравное вещество, а промывалки заполнены рабочими жидкостями только частично. Остальное – он. Конечно, разлет их внутренностей не столь опасен как в реакторе с концентрированной горячей щелочью, но приятного мало. Практика показывает – баллон углекислотного огнетушителя подрыв выдерживает походя, такую же прочность имеют баллоны для сжиженного пропана, хотя форма у них менее удобная. Здесь, в качестве сосуда применен именно баллон огнетушителя (не порошкового!) емкостью 5 л. Черная сталь, все соединения сваркой.

Что потребовалось для работы.

Кроме материалов – набор слесарных инструментов, в том числе ряда электрических. Использован сверлильный станок, некрупная УШМ, сварочный инвертор с принадлежностями, ЛКМ, попутные мелочи.

К делу.

Несколько списанных но все еще заряженных углекислотных огнетушителя достались по случаю. Один из них опорожнил на зарождающемся пожаре у соседей. Отстоял оставшийся без присмотра деревянный дом-дачу – есть чем гордится. Трепанацию порожнему огнетушителю лучше всего делать на токарном станке, выходит быстрее, точнее и аккуратнее, но обошелся болгаркой с диском 125 мм.

На фото – разметка торцов. Перпендикулярность обеспечивает обернутый вокруг трубы лист бумаги, здесь, довольно формата А4. Края листа должны совпадать. Край листа хорошенько намелить.

Пожалуй, поэт бы еще и добавил, что ежели он что ни будь в чем ни будь понимает, то дыра – это нора, а нора – это кролик, но попал бы мохнатым пальцем в небо.

Электроды - ОК-46 марки ESAB Тюменского разлива. Диаметром 3 мм. Герметичный шов получается без труда.

Заготовка – отрезок стального прута. Осевое отверстие 3 мм диаметром просверлил на этом же станке, неподвижным сверлом, вращая заготовку. При точении работает станок настроенный на высокие, ~3000 об/мин, работает УШМ. После абразивного диска, неровности шлифовал наждачкой, подложив под нее кусок плотного войлока.

Брызги от сварки и некоторые неровности, по возможности, зачистил. Тем же абразивным кругом снял табельную огнетушительную краску вместе со всеми липучками и наклейками. В принципе, аппарат готов, но уж больно неудобно с ним обращаться – тяжелый даже без воды, гладкий и толстый. Не схватишь. Однако, ручка нужна!

Литература.

Самодельный стационарный электролизер небольшой мощности для домашней мастерской. Авторский конспект.

Babay Mazay, октябрь, 2022 г.

Настал наконец тот долгожданный момент, когда работоспособность результата долгих умозрительных экзерсисов и длительных слесарно-электрических работ можно проверить практически – пробным включением. Напомню, электролизер – целый комплекс аппаратов [1]. Некоторые из них служат для безопасности процесса, несколько – для подготовки гремучего газа (к сжиганию) – очистка, осушение, регулируемое насыщение углеводородами. В настоящее время готов реактор с блоком питания (БП) и автоматикой, специальная ручная горелка с микросоплом. Приняв некоторые меры предосторожности, можно заправлять, включать, настраивать.  

Что понадобилось для работы.

Набор некрупных слесарных инструментов, шланги, тара, реактивы, средства индивидуальной защиты (СИЗ), мелочи, контрольно измерительные приборы.

К делу.

Гремучий газ, а мой реактор простейшего пресс-типа «без разделения газов», другого получать не умеет, весьма взрывоопасен и имеет высокую энергию горения (взрыва). Поэтому первейшей задачей следует принять достаточные меры по предотвращению подрыва реактора. Он выполнен металлическим, массивным, сварным с избыточной прочностью, но проверять ее экспериментально не хочется. Подрыв такого реактора опасен, главным образом, разбрызгиванием электролита – концентрированной горячей щелочи. Особенно опасно ее попадание в глаза. Принятые меры (препятствие «обратному удару» пламени) таковы – водяной затвор и огнегасящая набивка из медной «путанки». Вкупе с постоянным избыточным давлением в «системе» меры представляются достаточными для безопасных испытаний.

Водяной затвор должен быть значительной емкости, иначе, при высокой производительности реактора, преграда пламени будет ненадежна. Достаточной, будет емкость 5 л наполненная на ¾. Здесь, временный одноразовый затвор выполнен из 5 л  ПЭТ бутылки. Его изготовление заключается во вклеивании в крышку двух пластиковых патрубков (Фото 2…4).

С огнегасительной набивкой из медной проволоки «путанки» пришлось повозиться – она нужна весьма тонкая и без лаковой изоляции.

Процитирую сам себя – «проскок пламени внутрь горелки и далее, как повезет, зависит от скорости распространения пламени, а она от многих факторов, но в первую очередь от состава газа. Наибольшая скорость распространения у водорода в смеси с кислородом. Скорость распространения сильно зависит также и от температуры смеси, на этом и основан способ препятствия проникновению пламени внутрь горелки – медная сетка или «глубокие» отверстия. Пламя, проходя через такую сетку охлаждается настолько, что гаснет. Существует понятие – предельное отверстие. Это максимальный диаметр «глубоких» отверстий, способных выполнять пламегасительную функцию и для разных газов он разный. Например, для бензиновых паров в воздухе, скорость распространения пламени которых невелика предельное отверстие ~0,9…1мм, но как только в систему проникает кислород или гремучий газ, существенно увеличивающие скорость распространения пламени, отверстия в защитной «сетке» придется делать много меньше. Предельный диаметр отверстий, к примеру, для гремучего газа ~0,3мм, что представляет некоторую трудность при изготовлении и эксплуатации». 

Лак-изоляцию с тонкой проволоки (обмоточный провод) смотанной с катушек старых трансформаторов удалить увы трудно – обычным обжигом в пламени – сгорает и сам провод. Воздействие распространенных сильных кислот и щелочей, даже при длительном кипячении, не выражено.

В качестве набивки применил имеющиеся ~полуметровые обрезки медных чулков – экранов. Проволока несколько толще (~0,15 против 0.1 мм), зато уже без изоляции и частично перепутанная. Из современных эквивалентов – можно попробовать оплетку в катушках для удаления избытка припоя. Для плотной набивки отжег ее – в хламе подобрал толстостенную бронзовую деталь (Фото 5) и намотал мои экраны плотно, слоями, с натягом, проволокой потолще закрепил конец. Положил на кирпичик, нагрел частями до малинового свечения (Фото 6).

Территориально набивка расположена в ручке горелки, для этого та снабжена присоединительной арматурой с достаточно крупным внутренним каналом. Первой забил порцию проволоки потолще – этакий жесткий пыж, чтобы тонкие волоски меди не попали в игольчатый кран (Фото 9).

Остальной комок заталкивал небольшими порциями, вращая ручку горелки для равномерности набивки. Порции утрамбовывал что было сил стальным прутиком, мягкая отожженная медь при этом превращалась почти в монолит. Газопроницаемость полностью заполненной таким образом ручки была не блестящей – сопротивление продуваемому ртом воздуху ощущалось изрядное, но тонкому соплу хватит.

Приготовление электролита, заправка реактора – дело нешуточное. Примерно рассчитан потребный объем электролита, подготовлены реактивы – дистиллированная вода из автомагазина и сухая чистая щелочь (Фото 10).

Из операционного пространства удалены все дети с мячами и скакалками и домашние животные. На руки резиновые перчатки, на глаза защитные очки, одежда сплошная, никаких фривольных нарядов вроде футболок или шортов с сандаликами. Растворял сухую щелочь в отмытом эмалированном ведре, всыпая понемногу в воду и непрерывно помешивая деревянным веслом (Фото 11). Наоборот, как и с серной кислотой, категорически нельзя – реакция экзотермическая, с сильным нагревом – вскипит и разбрызгается. 

Стандартная концентрация электролита с NaOH (с КОН другая) – 15%. Это означает, что в 10 л (кг) воды должно быть 1.5 кг сухой щелочи. Такой электролит считается наиболее благоприятным для стойкости стальных пластин-электродов и конструкций. Простейший расчет моего электролизера не учитывал площади пластин – ток через реактор получился чрезмерным и электролит пришлось разбавлять при настройке.

Пользуясь прохладной погодой ведро сильно горячей щелочи накрыто и выставлено остужаться на улицу. Заливать из него электролит в воронку (Фото 12) неудобно, пришлось переливать малыми порциями в меньшую тару с узким горлом (Фото 13).

При приготовлении крепкого раствора щелочи не повредит иметь рядом бутылку уксуса – нейтрализовать если попадет на кожу, и запас воды.

Заправленный обычной недистиллированной водой затвор-бульбулятор все равно имеет с литр пустоты при работе реактора заполняемой гремучим газом. Случись обратный удар - затвор его не пропустит, но и погибнет сам, бутылку конечно разорвет. Бронировал ее внешне – поместил в свой самодельный, людоедских размеров, котел, в котором по осени варим варенья на уличном очаге (Фото 14, 15).

Первое же включение показало – электролит слишком проводящий, ток от БП чрезмерно высок, пришлось разбавлять водой. Дистиллированной хватило на концентрацию щелочи дающей ток 25…30 А.

Что получилось.

Реакция разложения очень бурная, фильтр отделитель щелочной пены в верхней части колоны за пол часа работы вел себя безупречно – в отводящем газ шланге не было ни намека на пену. Автоматика работает правильно.

Для сопла горелки 0,7 мм газа слишком много, при сильно открытом кранике горелки, факел задувает – можно делать более мощную горелку или наконечник с диаметром, скажем, 0,8 и 0,9 мм. Факел – тонкая длинная игла, начинается вне сопла. Пламя «жесткое», с передувом, нормальной длиной около 150…170 мм, голубовато-прозрачного цвета. Регулярно и часто окрашивается оранжевым – таки попадают частички щелочи (Фото 16). При закрытии краника горелка гаснет с негромким но отчетливым хлопком. Понять, работает ли это набивка в ручке или само сопло, трудно.

Литература.

Электролизер для домашней мастерской. Авторский конспект.

Babay Mazay, апрель, 2022 г.