Выгодно ли получать водород в домашних условиях
Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:
- использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
- бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
- применять для газосварочных работ.
Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.
Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.
Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.
Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:
- Конечная цена установки, низкая производительность и КПД делает крайне невыгодным сжигание водорода для отопления частного дома. Чем «наматывать» счетчик электролизером, проще поставить любой из электрокотлов – ТЭНовый, индукционный либо электродный.
- Чтобы заменить 1 л бензина для автомобиля, потребуется 4766 литров чистого водорода или 7150 л гремучего газа, треть которого составляет кислород. Самый завравшийся изобретатель в интернете еще не сделал электролизер, способный обеспечить подобную производительность.
- Газосварочный аппарат, сжигающий hydrogen, компактнее и легче баллонов с ацетиленом, пропаном и кислородом. Плюс температура пламени до 3000 °С позволяет работать с любыми металлами, стоимость получения горючего здесь особой роли не играет.
Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.
Добыть — кислород
Это слово главное. Практически, в зависимости от чистоты исходных компонентов- будете получать меньше. Сие занятие- есть неоправданный гимор, ибо стоимость исходных компонентов- выше стоимости купленного кислорода. Плюс бодания с получением и хранением О2 , в скорости отобьют в Вас желание того , ради чего это затеивалось, а именно
Скорее Вашим способом хорошо заниматься в целях повышения квалификации химика-«синтезиста». Обычная газосварка- не требует такой траты времени и ресурсов. Сейчас большинство- даже ацетилен предпочитают покупать, нежели синтезировать из карбида кальция, так как опасно, неудобно хлопотно и дорого. При более- менее нормальной работе газосварщика (в смысле хотя бы по часу непрерьвного горения горелки в день)- добывание кислорода, который является основным расходным материалом при сварке (уже молчу про резку)- будет напоминать пляску с бубном, нежели нормальную работу…
§
УСТРОЙСТВО И РАБОТА КИСЛОРОДНОГО ГЕНЕРАТОРА
Пергидратный генератор кислорода (рис. 1) состоит из бачка 1, в котором хранится перекись водорода, регулятора 2, поддерживающего заданное давление и регулирующего подачу перекиси, реактора 3, где происходит каталитическое разложение перекиси, и змеевика-холодильника 4, соединенного тройником 5 с бачком 1. Вследствие такого соединения во всем аппарате поддерживается одинаковое давление, необходимое для стекания перекиси водорода в реактор.
Залитая в бачок 1 перекись водорода при открытии крана 7 через регулятор 2 стекает в реактор 3, где разлагается при соприкосновении с контактной сеткой 8.
Образующийся кислород через холодильник 4 идет в горелку, а остающаяся в реакторе вода по окончании работы сливается через кран 9.
Рис. 1. Схема кислородного генератора:
1 — бак для хранения перекиси водорода; 2 — регулятор подачи перекиси водорода и давления кислорода в генераторе; 3— реактор каталитического разложения перекиси водорода; 4 — змеевик-холодильник; 5 — тройник; 6 — манометр; 7 — пусковой вентиль; 8 — серебряная контактная сетка; 9 — кран для слива воды.
Материал для изготовления генератора должен быть инертен по отношению к перекиси водорода и не должен окисляться ею. Как показала практика, наиболее подходящим материалом является алюминий высокой чистоты.
Бак 1 сделан сварным и рассчитан на давление до 10 атм. Объем бака — 0,4 — 2,5 л. Реактор 3 по конструкции аналогичен баку 1, причем объем его составляет 0,8 от объема последнего. В нижней части реактора имеется горловина, завинчивающаяся крышкой, на которой укреплена серебряная контактная сетка (0,5—1,0 г). Вместо серебра в качестве катализатора могут быть использованы двуокись марганца, окись железа и др.
Рис. 2. Регулятор давления кислородного генератора:
1 — корпус регулятора; 2 — клапан подачи перекиси водорода; 3 — мембрана регулятора; 4— пружина регулятора; 5 — винт регулятора давления.
Дозировка количества подаваемого кислорода производится краном горелки. Давление автоматически поддерживается постоянным посредством регулятора (рис. 2). После того как будет открыт пусковой вентиль, перекись начнет поступать в корпус 1 регулятора и через зазор клапана 2 в реактор. При повышении давления в реакторе повышается давление и в заливном бачке, а следовательно, и давление перекиси, поступающей в регулятор подачи.
Мембрана 3 при этом прогибается, сжимая пружину 4, и при определенном давлении клапан 2 закрывается. Уменьшение давления в реакторе при расходе кислорода приводит к тому, что открывается клапан 2, после чего перекись снова начинает поступать в реактор.
При установившемся режиме работы мембрана занимает некоторое среднее положение; давление при котором это произойдет, определяется жесткостью пружины 4. Вращая винт 5 и наблюдая за показаниями манометра, можно установить любое необходимое давление.
Вес бака и реактора, изготовленных из алюминия толщиной 4 мм при объеме в 1,5 л, составляет около 1,0 кг. Столько же весят манометр, регулятор подачи, краны, змеевик; общий вес пустого кислородного генератора составляет 2,0—2,5 кг. При объеме бака в 0,9 л и коэффициенте заполнения 0,9 одновременно может быть залито около 1,0 кг 80-%ного водного раствора перекиси водорода, что соответствует 270 л кислорода.
Экспериментальные образцы кислородного генератора были испытаны в условиях эксплуатации. Последний из образцов (рис. 3) был выполнен из меди, полужен изнутри и хромирован снаружи. Рабочее давление составляло 2—3 атм и устанавливалось спустя 3—4 секунды после открытия пускового вентиля. Температура получаемого кислорода при длине отводящего шланга в 5 м и более не превышала 25 С (при внешней температуре в 18— 20 С).
Рис. 3. Экспериментальный образец кислородного генератора.
При резке, в связи с увеличением расхода кислорода, температура кислорода значительно повышалась (до 120—130 С), а содержание влаги доходило до 15%. Поэтому в последнем образце кислородного генератора был дополнительно смонтирован осушительный патрон, заполненный крупнозернистым силикагелем марки «КСК» с коэффициентом поглощения 0,8. Патрон содержал 1,2 кг силикагеля и работал 3—4 зарядки, после чего производилась его регенерация нагреванием до 150—1800 С.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА КОМБИНИРОВАННОГО СВАРОЧНОГО ГЕНЕРАТОРА
Сварка на кислороде, полученном из химических веществ, дороже обычной, поэтому область ее применения ограничивается условиями, окупающими эту дороговизну. В качестве горючих газов наиболее правильным является применение паров жидких горючих: бензина, бензола, керосина и т. п.
Как уже указывалось, в простейшем случае можно механически сочетать описанный выше кислородный генератор с существующими бензобачками. Однако некоторые особенности перекиси водорода позволяют сконструировать комплексный газосварочный генератор с оригинальным способом подачи горючего.
При разложении перекиси водорода выделяется около 700 ккал/кг тепла, т. е. 2 ккал на 1 л кислорода. Для нагревания 1 г бензина с 5 до 80 С с последующим испарением (удельная теплоемкость бензина 0,42, теплота парообразования 80) необходимо всего лишь 0,122 ккал, т. е. в 13 раз меньше. При резке количество выделенной теплоты еще больше превосходит энергию, необходимую для парообразования горючего. Поэтому при теплоотдаче через стенки аппарата температура в реакторе кислородного генератора достаточна для испарения и нагревания до 150—200 С нужного количества жидкого горючего.
Обычно жидкое горючее подается насосом в горелку, отличающуюся более сложным устройством и наличием в ней специального испарителя, подогреваемого отдельным пламенем или электроподогревом. Таким образом, испарение горючего происходит в самой горелке, что часто приводит к помехам в работе из-за засорения испарителя продуктами крекинга. Необходимо предъявлять особые требования к чистоте горючего, ибо в противном случае отверстия испарителя быстро засоряются и горелку приходится прочищать.
Зкзотермичность реакции разложения перекиси водорода позволяет устранить эти недостатки, осуществляя испарение горючего непосредственно в бачке за счет теплоты реакции.
Для этого бачок 1 с горючим (рис. 4) располагается отдельно от реактора 2 кислородного генератора. Реактор имеет цилиндрическую выемку, в которую вставляется испаритель 3. Внутренняя полость реактора отделена от горючего, находящегося в испарителе, двумя стенками, что гарантирует безопасность работы аппарата.
Рис. 4. Схема комбинированного аппарата для резки и сварки:
1 — бачок с горючим; 2 — кислородный генератор; 3—испаритель горючего; 4 — регулятор подачи жидкого горючего в испаритель; 5 — паропровод горючего; б — осушительный патрон.
Жидкое горючее поступает через регулятор подачи 4, аналогичный описанному выше регулятору пергидратного генератора. Паропровод 5 проходит внутри кислородного змеевика.
В кислородную магистраль включается осушительный патрон 6.
Преимущества такой схемы заключаются в следующем: 1) улучшается охлаждение кислородного реактора; 2) возможна работа на загрязненных и неочищенных сортах горючего; 3) устраняются неполадки в работе горелок, вызываемые оседанием в них продуктов крекинга.
При испытаниях этот комбинированный генератор продолжительное время работал на загрязненном горючем, которое оказалось непригодным для обычных горелок с испарителем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ходот В.В., Рудничные респираторы, 1948, стр. 50, Углетехиздат.
2. Некрасов Б.В., Курс общей химии, 1945, т. 2, стр. 631, Госхимиздат.
3. Физика и химия реактивного движения, 1949, сборник 1.
4. Химическая промышленность, 1947, № 7, стр. 28.
5. Техническая энциклопедия, т. 14, стр. 886.
6. Хомяков В.Г., Технология электрохимических производств, 1949, Госхимиздат.
Как сделать генератор кислорода своими руками
§
Концентратор кислорода своими руками
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.
- 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.
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.
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:
Реактор из пластин
Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.
Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:
- резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
- концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
- шпильки стяжные М10—14;
- обратный клапан для газосварочного аппарата;
- фильтр водяной под гидрозатвор;
- трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
- гидроокись калия в виде порошка.
Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.
Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.
Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:
- На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7—15% раствор гидроокиси калия в воде.
- В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
- Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».
Создание опытного образца
Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.
Из чего состоит примитивный электролизер:
- реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
- металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
- второй резервуар играет роль водяного затвора;
- трубки для отвода газа HHO.
Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.
Принцип работы электролизера следующий:
- К двум электродам, погруженным в воду, подводится напряжение, желательно от регулируемого источника. Для улучшения реакции в емкость добавляется немного щелочи либо кислоты (в домашних условиях – обычной соли).
- В результате реакции электролиза со стороны катода, подключенного к «минусовой» клемме, станет выделяться водород, а возле анода – кислород.
- Смешиваясь, оба газа по трубке поступают в гидрозатвор, выполняющий 2 функции: отделение водяного пара и недопущение вспышки в реакторе.
- Из второй емкости гремучий газ ННО подается на горелку, где сжигается с образованием воды.
Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.
Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:
- Плоские деревянные палочки скрутите саморезами, располагая их концами в разные стороны. Спаяйте головки шурупов между собой и подсоедините провода – получите будущие электроды.
- Проделайте отверстие в крышке, просуньте туда разрезанный корпус капельницы и провода, затем герметизируйте с 2 сторон клеевым пистолетом.
- Поместите электроды в бутылку и завинтите крышку.
- Во второй крышке просверлите 2 отверстия, вставьте трубки капельниц и накрутите на бутылку, заполненную обычной водой.
Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.
Заключение
Гидроген в составе газа ННО, полученный из самодельного водородного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.
