Речь идет об аппарате для разложения воды на кислородно-водородую смесь (гремучий газ) из щелочного раствора. Прибор предполагается применять в домашней мастерской для подмешивания гремучего газа к воздушному дутью газовых горелок с целью повышения температуры факела и для питания чистым гремучим газом специальных мини-горелок.
Электролизер - классического типа с питанием постоянным током без каких либо фантастических параметров. Такой прибор сколько ни будь существенной производительности весьма прожорлив электрически. БП такого электролизера – один из важных и дорогостоящих элементов. Стоит заметить – конструирование домашнее, в отличии от заводского КБ, чаще всего идет от материалов и элементов удавшихся достать и от подходящего БП имеющегося в распоряжении мастера, обычно и исходит расчет – количество пластин и их коммутация [1]. От мощности этого БП зависит производительность электролизера и изменить ее после изготовления прибора нельзя без дорогостоящей замены всего БП.
Главная часть электролизера – реактор, состоит из ряда пластин-электродов соприкасающихся с электролитом или погруженных в него. Здесь и далее, рассматривается «пластинчатая» конструкция электролизера без разделения газов на кислород-водород. Такая конструкция емкость с электролитом образует между стянутым пакетом пластин-электродов с герметизирующими резиновыми прокладками-изоляторами между ними (Рис. 1) [2].
Рис.1. Эскиз устройства стационарного электролизера Ю. Н. Бондаренко для мастерской по изготовлению газоразрядных ламп специального назначения [2].
Фото 2. Фото реактора электролизера Ю. Н. Бондаренко.
Мощный БП, низкочастотный или импульсный на соответствующее напряжение (кол-во ячеек * 1,8…2,4 В) и ток не менее 10 А (исходя из эмпирических 22 Вт на одну пару электродов – далее «ячейку») подключается к крайним, замыкающим толстостенным пластинам. Остальные промежуточные электроды поляризуются соответственным образом при протекание тока через электролит.
Идея каскадного построения БП электролизера состоит в применении ряда значительно менее мощных, последовательно включенных БП, питающих, каждый свою часть пластин реактора. Эквивалентная схема обычного включения – одного общего БП и каскадного - нескольких маломощных, приведена на Рис. 3, 4.
Рис. 3. Эквивалентная схема обычного включения БП электролизера, как например на Рис. 1.
Рис. 4. Эквивалентная схема каскадного включения ряда БП в электролизере.
Предлагаю в качестве каскадного питания электролизера использовать набор компактных импульсных БП от процессоров ПК. Системные блоки ПК часто модернизируются и источники от морально устаревшей техники – ресурс бросовый, часто достающийся во вполне работоспособном виде. Многие вышедшие из строя блоки можно починить обладая даже сравнительно невысокой квалификацией. Облегчают ремонт и широко доступная литература по устройству и принципу работы узлов БП ПК и пошаговые руководства вкупе с описанием характерных неисправностей.
Импульсные БП ПК (далее ИПБ) имеют набор стандартных напряжений и стандартный же диапазон «габаритной» мощности – чаще всего попадаются блоки «заявленной» мощностью 200…500 Вт. Сильноточные напряжения – «+5 В», «+12 В».
Известен ряд доработок разной степени сложности позволяющих изменять выходные напряжения ИБП. Здесь, предлагаю иметь дело с недоработанными, штатными ИБП – это снизит трудоемкость изготовления БП электролизера, сделает отдельные ячейки (ИБП) универсальными, легко заменяемыми. Кроме прочего, оставшиеся незадействованными напряжения позволят загрузить ИБП только частично, что повысит его надежность и долговечность.
Удобнее всего подобрать ИБП с током не менее 10 А в канале +12 В, при этом в канале +5 В обычно допустимый ток min в 2 раза выше – здесь ячейки можно включить параллельно. Опять же удобнее современные ИБП формата АТХ с дежурным питанием (в толстом жгуте к материнской плате есть зеленый провод – линия «РS-ON») это позволит упростить и удешевить автоматику электролизера.
Мы уже договорились одну пару пластин с изолятором между ними называть ячейкой. Тогда «секцией» будет именоваться часть электродов запитанная от одного ИБП.
Рис. 5. Эскиз подключения электродов реактора электролизера при каскадном питании от ИБП ПК. Обозначенные цвета проводов соответствуют стандартной цветовой маркировке.
Глядя на Рис. 5 и 6, внимательный читатель даже поверхностно знакомый с конструкцией помянутых модулей питания непременно заметит, что общие провода каждого блока автоматически соединяются через заземляющий контакт в трехконтактной сетевой розетке и конструкционно - через металлический корпус. При этом в каждом ИБП начиная со второго, линия +12 В замыкается накоротко.
Этот досадный недостаток можно нейтрализовать несколькими способами, простейший из которых – включать ИБП в сетевую розетку без заземления и надежно изолировать жестяные корпуса отдельных блоков друг от друга.
Стационарный электролизер для домашней мастерской – небольшой мощности, блочного типа – из отдельно стоящих частей-аппаратов. Общие положения касающиеся прибора мы уже обсудили, здесь, отчет об изготовлении главного и важнейшего модуля – реактора, где и происходит разложение воды на составляющие её элементы – газы. От конструкции реактора, числа входящих в него ячеек-электродов, материалов и компоновки во многом зависят главные характеристики электролизера в целом – производительность и количество потраченного на процесс электричества; а так же и надежность аппарата в вероятных аварийных случаях. Напомню – реактор заполнен горячим щелочным раствором значительной концентрации, представляющей опасность при разбрызгивании, в первую очередь для глаз.
Реактор прибора – безбакового типа с пакетом стальных пластин-электродов между которыми зажаты резиновые прокладки. Это межэлектродная электрическая изоляция и герметизация пространства между пластинами. Реактор имеет простейшую конструкцию без разделения получаемых газов – в результате получаем т.н. «гремучий газ» - смесь водорода с кислородом в оптимальном для сжигания, стехиометрическом, соотношении. Наряду с достоинством – простотой, такое построение требует значительных мер по предотвращению проскока пламени внутрь прибора и/или принятия мер по предотвращению аварии.
Рис. 2 Эскиз реактора (поз. 1) электролизера с жестко соединенным внешним баком и фильтром-отделителем (поз. 3). Конструкция показана упрощенно, без соблюдения масштаба и конструктивных подробностей. Наклон аппарата нарочитый. Нумерация соответствует [2].
Реактор электролизера (Рис. 2) построен подобно [1] но отличается внутренним объемом полностью заполненным электролитом, что позволяет лучше задействовать полезную площадь электродов и вероятно снизить их коррозию. Кроме того, предпринята попытка обеспечить естественную циркуляцию электролита в реакторе и соседним с ним баком, что должно улучшить вынос пузырьков газа из межэлектродного пространства и снижение газонаполнения электролита. Это уменьшит его сопротивление и общий нагрев, увеличит КПД прибора.
Электрическое питание реактора (на Рис. 2 показано условно) нетрадиционное – от ряда относительно маломощных импульсных источников, работающих каждый на свою группу электродов [3]. Такое построение БП позволяет резко его удешевить за счет применения бросовых компьютерных модулей, хотя можно применить и один источник – импульсный или низкочастотный. Здесь стоит сказать и о способе расчета количества ячеек – пар электродов. В отличии от обычной инженерной практики, в домашней мастерской часто проектируют электролизер обратным способом – не от требуемой производительности, а от имеющегося БП. Пользуясь простыми соотношениями [2] нетрудно подсчитать количество пар электродов и необходимый ток через них и приближенно выяснить получающееся количество газа. При имеющемся слишком сильноточном источнике, ячейки соединяют параллельно [3]. В небольших пределах корректировать рабочий ток можно и концентрацией щелочи в электролите.
Что потребовалось для изготовления.
Набор слесарного инструмента, в том числе и небольшой сварочный инвертор с принадлежностями, УШМ, расходные материалы, мелочи.
Все металлические детали электролизера из «чёрной» Ст45 – стандартный прокат из строительного магазина, резина листовая (пластина) марки ТКМЩ – тепло-кислото-морозо-щелочестойкая, толщиной 5 мм. Другой не было. Электроды – лист 1.5 мм толщиной.
К делу.
Торцевые пластины.
Мне пришлось сделать из имеющегося швеллера шириной 140 мм. Отсюда многие размеры. Вариант – стальной лист толщиной 6-10 мм нужного размера и формы. Последние, обычно зависят от применяемых прокладок (самодельные или готовые) и экономного раскроя железа, словом – по ситуации.
Собрав в кучу материалы для реактора, вычертив и повертев их так и сяк в AutoCad принял размер электрода 140х300 мм. Цифра ключевая для конструкции и невольно отсылает к пчеловодству, где в принятой «системе» главное - размер ульевой рамки. Итак, размер пластины реактора принят. Это и размер резинки-изолятора, и торцевых пластин, и некоторые важные характеристики электролизера. Для точного расчета площади электродов и зависящей от них производительности обращаемся к [4].
Свой кусок швеллера почистил проволочной щеткой, разметил с угольником и слесарной чертилкой, отрезал два одинаковых куска (Фото 3). Замыкающие пластины существенно длиннее ключевых 300 мм – оставлены дополнительные выступы - этакие ножки снизу и выступы для удобного крепления БП сверху.
У железок притупил острые кромки, разметил и просверлил на каждой ряд отверстий – для стягивающих пакет электродов шпилек и стальных патрубков для соединения с соседним баком-фильтром (Рис. 2). Отверстия для патрубков диаметром 3/4" разметил, накернил и просверлил по кругу ряд некрупных отверстий, выпилил надфилем перегородки и доработал напильником.
Мои стяжки - шпильки – 8 штук М10. Равномерно распределены по периметру пакета пластин и не должны электрически соединять торцевые пластины. Для этого на одной из торцевых пластин шпильки изолированы от металлических конструкций и крепятся через специальные мощные опоры-изоляторы (Рис. 4).
Ко второй торцевой пластине шпильки крепятся непосредственно. Стягивающие пакет электродов с изоляторами шпильки, в отличии от [1] расположены снаружи пластин, что экономит металл, но требует дополнительных мер для удержания резиновых изоляторов при потенциальной аварии. Электрическая изоляция шпилек (Рис. 4, поз. 4) может быть выполнена из шланга или термотрубки. Лучший вариант – обмотать резьбовую шпильку промазанной эпоксидной смолой стеклотканью. Такая изоляция прочна и надежна, а при необходимости удаляется леркой.
Для разметки мест установки внешних креплений шпилек-стяжек, заготовки из швеллера стянул струбцинами (Фото 5) и поработал с рулеткой, угольником и чертилкой.
Фото 5. Разметка мест установки стяжек.
На условно передней пластине, крепления представляют собой приваренные стандартные «соединительные» гайки калибра М10 (Фото 6).
Фото 6. Места крепления стяжек – 6 шт. из приваренных гаек, два оставшихся – отверстия, сверху и снизу пакета электродов.
Крепления на второй, задней замыкающей пластине реактора изолированные. Для них устроены специальные мощные площадки из квадратиков стальной пластины 6 мм и крупных (М14 ?) соединительных гаек (Фото 7).
Фото 7. Нарезка заготовок для опорных площадок торцевых изоляторов.
Фото 9. Импровизированное приспособление для сварки.
Фото 10. Сверление сквозного отверстия диаметром 14 мм в опорах.
Готовые опоры для изоляторов приварил к заднему торцевому швеллеру аналогично передним. Здесь же вварил и сложный выходной патрубок из двух готовых магазинных элементов – «угол 90ͦ из черной трубы Ø3/4" (Фото 22, 23) .
Электроды.
Весь комплект электродов (кроме торцевых пластин) делится на промежуточные - без контактных площадок и с этакими выступающими наружу язычками для удобного подключения клемм БП [3]. При этом язычки на части пластин расположены по разному, что позволяет несколько разнести их в пространстве на готовой конструкции (Фото 22) и удобнее орудовать гаечными ключами при подключении и уменьшить риск замыканий при эксплуатации.
Большой лист железа (Фото 11) разметил и распустил, сначала на полосы, а потом и на отдельные пластины (Фото 12). На точиле притупил острые кромки после «болгарки». Вырезал на больших пластинах языки-контакты, по шаблону разметил и просверлил отверстия на пластинах – для клемм, на язычках и ряды сверху и снизу для циркуляции электролита и выхода гремучего газа (Фото 21).
Фото 11. Лист стали – заготовка для электродов.
Фото 12. Вырезание отдельных пластин из полос.
Межэлектродные резиновые изоляторы-уплотнители.
Вырезаны из нескольких больших кусков листа. Прежде всего разметил резину – шариковой ручкой и рулеткой, нарезал полосы, а из них и отдельные прямоугольники – острым строительным ножом, со смоченным водой лезвием, под линейку (Фото 13).
Фото 13. Вырезание заготовок резиновых изоляторов. Конец лезвия ножа периодически макал в хомячью мисочку с водой на столе.
Для удобного вырезания внутреннего контура изоляторов сделал жестяной шаблон (Фото 14) – разметил подходящий кусок кровельной оцинкованной стали 0,5 мм толщиной, вырезал ножницами по металлу. Внутренний контур выпилил своим любимым инструментом – ювелирным лобзиком с рамкой увеличенной глубины.
Фото 14. Жестяной шаблон при аккуратной работе позволяет обойтись без линейки.
Фото 15. Готовый набор резинок для реактора.
Изоляторы торцевых пластин.
Это небольшие квадратики из нетонкого текстолита. Заготовку (Фото 16), разметил линейкой и слесарной чертилкой, распилил на торцевой маятниковой пиле на дольки (Фото 17).
Фото 16. Кусок толстого текстолита – заготовка для торцевых изоляторов.
Фото 17. Распил текстолита.
Квадратики-заготовки разметил, на пересечении диагоналей каждую тюкнул керном и просверлил отверстия диаметром 14 мм (Рис. 4, Фото 18).
Фото 18. Сверление текстолитовых заготовок. Чтобы при вероятном закусывании толстого сверла при выходе, не вырвало из рук заготовку – ставил ее в станочные тиски.
У изоляторов притупил кромки, снял фаски. Текстолит всем хорош, но как и все слоистые пластики – гигроскопичен из за своей мелкопористости. Для ответственных электрических применений стоит перекрывать его лаком, не повредит и здесь, тем более, что в моем распоряжении устройство для пропитки с разрежением – готовые изоляторы рыхленько сложил в рабочую емкость, чтобы лак омывал большую часть текстолита, заполнил подогретым разжиженным лаком (яхтный – отечественный, недорогой) (Фото 19), накрыл спецкрышкой и откачал воздух. На сутки поставил прибор в теплое место и периодически отсасывал натекший из текстолита и неплотностей воздух. На следующий день снял разрежение, выловил изоляторы проволочным крючком, дал стечь лаку и нанизал на палочку для просушки в теплом месте (Фото 20).
Фото 19. Текстолитовые изоляторы в лаке.
Фото 20. Сушка пропитанных изоляторов на печи мастерской.
Сборка реактора.
Здесь, это черновая сборка для примерки сварных соединений к следующему аппарату (Рис. 2), тем не менее, при желании реактор уже можно использовать в работе, озаботившись блоком питания и защитой от проскока пламени (плотная набивка выходного патрубка чрезвычайно тонкой медной проволокой без лаковой изоляции! или водяной затвор) или беспламенным применением гремучего газа. При этом электролитом наполняется только часть реактора [1].
Фото 21. Сборка пакета электродов согласно [3].
Фото 23. Вид сзади.
Фото 24. Вид на реактор спереди. Рядом стандартный ИБП РС - один из четырех, составляющих питание электролизера [3]. Для сравнения габаритов.
Продолжение следует.
Литература.
Бондаренко Ю.Н. Лабораторная технология. Изготовление газоразрядных источников света
Электролизер относительно небольшой мощности, здесь, предназначен для повышения температуры пламени настольных и ручных стеклодувных горелок в домашней мастерской. При этом гремучий газ подмешивается в обычную горючую смесь - пропан-воздушную или пары бензина в воздухе. Сжигание чистого гремучего газа в специальных микрогорелках позволяют получить небольшой высокотемпературный факел для работы с металлами, стеклом, керамикой – разогрев, резка, пайка, сварка. Все это расширяет возможности мастерской, а в стеклодувном смысле – является почти полной заменой баллонного кислорода для работы с тугоплавкими стеклами, что позволит не связываться с неудобным в доставке баллонным кислородом - в удаленную местность и в одиночку.
Электролизер - обычного, классического принципа действия и не претендует на волшебные параметры позволяющие задействовать его для отопления или питания ДВГ автомобиля. КПД прибора меньше 1.0 - энергии на получение горючего газа тратится больше чем получается при его сжигании.
Структура прибора.
Электролизер для получения гремучего газа не является и весьма простым аппаратом превращающим воду в горючее - это сложный прибор требующий расходных материалов (ряд химикатов, электричество), внимания и регулярного обслуживания. Необходимо хорошо представлять процессы происходящие в электролизере, способы и средства для изменения параметров прибора. Кроме самого реактора - емкости с электродами разлагающими воду из электролита, электролизер должен быть снабжен рядом дополнительных аппаратов для очистки и осушения газа, обогащения его углеводородами (важно при сварке), блоком питания с автоматикой поддерживающей рабочий режим и устройствами безопасности (Рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема электролизера.
Электролизер стационарный, предназначен для многочасовой ежедневной работы и расположен близко к рабочему месту – в конструкции предусмотрены меры повышенной надежности и безопасности. Вместе с тем, прибор не содержит дорогих и дефицитных комплектующих и материалов, блочная конструкция аппарата позволяет гибко изменять конфигурацию аппарата и его мощность (производительность), легко обслуживать и ремонтировать прибор. Недостаток такого построения – большая масса и занимаемый объем аппарата, невозможность удобной транспортировки.
В целом, каждый из отдельных аппаратов прибора (Рис. 2, 3) может быть применен самостоятельно или в ином месте, заменен аналогом или в ряде случаев вовсе опущен. Словом – прибор позволяет задействовать конструкторские навыки, совершенствовать и модернизировать свои части.
Электролизер спроектирован универсальным, при его узкой специализации или пониженных требованиях к гремучему газу, от некоторых аппаратов можно отказаться или упростить их. В простейшей конфигурации может присутствовать только реактор с БП и защитный барботер с водой.
Гремучий газ имеет высокую скорость горения и большую энергию взрыва, обычные меры против «обратного удара», как например, защитные сетки в патрубках или медная «путанка» часто оказываются неэффективными, поэтому все части прибора и системы питания горелки (карбюратор для получения паров бензина) выполнены с избыточной прочностью, выдерживающие подрыв без аварии. Кроме того, в сосудах прибора, по возможности, уменьшен объем свободного пространства занимаемый гремучим газом. Говоря о вероятном взрыве, нелишне напомнить и об опасности разбрызгивания горячей (реактор при работе нагревается) вполне концентрированной щелочи, в первую очередь для глаз. Поэтому части аппарата содержащие электролит, а это сам реактор и расширительный бак-фильтр щелочной пены, физически объединены в одну мощную сварную конструкцию и расположены в мастерской за надежной перегородкой.
Существенно уменьшает вероятность обратных ударов и автоматическое поддержание в электролизере избыточного давления около 0,4 Атм. Теоретически, давление было бы выгодно поддерживать более высоким, при этом снижается газонаполнение электролита, понижается его сопротивление и уменьшаются омические потери и нагрев реактора. Практически же, конструкцию следует рассчитывать как минимум на десятикратное повышение давления в случае подрыва и исходить из соображений прочности.
Электролит.
Электролизер работает на воде. Для повышения ее сопротивления и увеличения КПД прибора в воду добавляют щелочь - NaOH или KOH. Концентрация этих веществ не одинакова, кроме того, едкий натр удобнее в эксплуатации - при потенциальных протечках электролита, высыхая, он осыпается в виде соды, в отличие от КОН который превращается в расплывающийся на воздухе поташ. В приготовленный один раз электролит добавляют только расходующуюся воду. Полностью электролит заменяют раз в несколько лет - для удаления продуктов распада электродов и резинок-изоляторов.
Электролит в реакторе не обновляется годами расходуя только воду - чистую Н2О. Все примеси из воды и щелочи остаются внутри, постепенно сгущаясь до сверхконцентрированных агрессивных растворов которые интенсивно разрушают резину и электроды - вода должна быть хорошо дистиллированной, щелочь - химически чистой. Более того, присутствие в электролите катионов металлов (Pb, Sn, Zn, Fe, Cr, Mo) приводит к их выделению на катоде в виде осадка и резкому увеличению скорости коррозии электродов.
Материаловедение.
В среде горячей щелочи, при протекании значительных токов, распространенные сорта нержавеющей стали разрушаются быстрее обычной конструкционной Ст45 и стоят много дороже. Заграничные энтузиасты рекомендуют редкий и дорогой сорт нержавейки. Заводские электролизеры также строятся из обычной черной стали. Практика показывает, что при интенсивной эксплуатации стойкость таких пластин-электродов вместе с прокладками из обычной неспециальной резины (например, транспортировочные кольца от газовых баллонов [2]) - около 10 лет. Весьма стойкие пластины получаются из чистого никеля (дорого) или при гальваническом никелировании железа.
Все части аппарата соприкасающиеся с электролитом (щелочью) её пеной или туманом, должны быть выполнены из черной стали. Алюминий и медные сплавы в такой среде быстро разрушаются.
Расчет реактора электролизера.
Точные громоздкие расчеты числа и размеров пластин–электродов [1], в практике домашней мастерской можно заменить приближенными но вполне действенными соотношениями. Они таковы:
– мощность рассеиваемую одной парой электродов не желательно принимать выше 22 Вт., при этом потери энергии на нагрев электролита и конструкций реактора умерены даже при длительной работе;
- практическое напряжение на одной паре пластин при котором идет электролиз воды – 1,8…2,4 В;
- для получения одного литра газа в минуту требуется БП с габаритной мощностью 150…200 Вт.; при этом, производительности 3,5 - 4 литра газа в минуту (БП ~750 Вт) достаточно для питания ювелирной микрогорелки;
Устройство прибора.
Рис. 3 Эскиз устройства электролизера. Части-аппараты прибора показаны условно, без соблюдения масштаба и точного конструктивного устройства.
Электролизер состоит из конструктивно отдельных узлов-аппаратов соединенных в единый прибор нетолстыми шлангами и/или электрическими линиями. Это реактор (Рис. 3, поз. 1), питающий его постоянным током блок (Рис. 3, поз. 2), аппарат объединяющий в себе бак для электролита и фильтр-гаситель щелочной пены (Рис.3, поз. 3), аппарат для пополнения реактора расходующейся при работе дистиллированной водой, без сброса давления в системе (Рис. 3, поз. 4), реле давления (Рис. 3, поз. 5), водяной затвор (Рис. 3, поз. 6), барботер для насыщения гремучего газа углеводородами (Рис. 3, поз. 7), осушитель гремучего газа (Рис. 3, поз. 8), фильтр-уловитель щелочного тумана (Рис. 3, поз. 9).
Реалии.
Свой электролизер я строю преимущественно из подножного материала, того, что удалось найти в подсобном хозяйстве и приспособить к делу. Некоторые относительно недорогие и необходимые части все таки придется приобрести. Отсюда ожидаемые невысокие параметры прибора. Главным образом - производительность. Тем не менее, я рассчитываю на получение, значительных размеров, высокотемпературного факела на горелке для любительского занятия стеклодувным делом. Мощность и производительность проектируемого прибора при возможности и необходимости, можно будет увеличить добавлением ячеек с электродами, при этом основные сложные и дорогие части электролизера будут использоваться без изменений. В этом смысле видится перспективным каскадное применение стандартных импульсных источников от системного блока ПК. Каждый такой источник может питать ячейку с комплектом электродов и изоляторов между ними.
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 самодельный 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 50 на 50 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.
Понимаю что тут такой контент не котируется, но все же. Хотел показать эксперимент с водородным генератором и волнами (ультрафиолет, ультразвук, микроволна)
у меня тупая идея собрать генератор, который будет выдавать газа больше чем потребляет, знаю что фантастика, но все может быть, тем более что показатель этой модели (тест) показал совершенно невероятные цифры, могу поделиться видео (если кому интересно)
p.s. не кидайте в меня камни, я не профи и вообще не шарю в физике и электрике, но стараюсь заполнить пробелы
Это проект о том как можно сделать стилизованный под ИКС (Индивидуальный комплекс самообспечения) реактор-электролизер. При этом подключён к системе костюма отвечающее за охлаждение (типо кондиционер). Для этого проекта потребуется : 1)лист нержавеющий стали. 2)пластиковая трубка, устойчивая к щелочи. 3) светодиоды(синие). 4)аккумулятор 18650 3шт. 5)система капельницы. Данный проект может понравиться косплеерам и фанатам.
![Рис.1. Эскиз устройства стационарного электролизера Ю. Н. Бондаренко для мастерской по изготовлению газоразрядных ламп специального назначения [2].](https://cs13.pikabu.ru/post_img/2023/09/30/6/1696061799114119089.jpg)
![Рис. 2 Эскиз реактора (поз. 1) электролизера с жестко соединенным внешним баком и фильтром-отделителем (поз. 3). Конструкция показана упрощенно, без соблюдения масштаба и конструктивных подробностей. Наклон аппарата нарочитый. Нумерация соответствует [2].](https://cs14.pikabu.ru/post_img/2023/09/30/4/1696052938118347685.png)
![Фото 21. Сборка пакета электродов согласно [3].](https://cs13.pikabu.ru/post_img/2023/09/30/4/1696053422167467568.jpg)
![Фото 24. Вид на реактор спереди. Рядом стандартный ИБП РС - один из четырех, составляющих питание электролизера [3]. Для сравнения габаритов.](https://cs14.pikabu.ru/post_img/2023/09/30/4/1696053471157468303.jpg)
