Способ получения кислорода и водорода. Учебный прибор для демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле Магнитное поле ионного тока в растворе

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии . Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Кроме этого, морская вода – природный электролит и содержит в 1 л несметное количество разных ионов, к примеру, положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора. Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег. Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический эффект. Это и стало темой исследования : “Энергетические возможности магнитогидродинамического эффекта”.

Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта. Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле. Предмет исследования : магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи :
1. Провести историко–логический анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации.
2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем заключается магнитогидродинамический эффект.
3. Выявление возможностей использования МГД–эффекта в качестве энергетического ресурса.
4. Изготовить модель, демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.

Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались следующие методы исследования : изучение источников информации, анализ, метод обобщений, эксперимент.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД–генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. А в 1970–80– е годы возлагались большие надежды на создание промышленных МГД–генераторов, использующих плазму (поток ионизированного газа), велись многочисленные разработки, строились экспериментальные МГД–генераторы, но постепенно всё затихло.

Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из выпусков журнала “Двигатель” .
С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с другой стороны, они не очень распространены. Попробуем разобраться в этом вопросе. Изучив соответствующую литературу , мы составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов.

Преимущества МГД–генераторов

* Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку
* В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.
* Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами - в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
* При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
* Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%
* Высокая маневренность

Недостатки МГД–генераторов

* Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с
* Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
* Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)
* Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов - общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
* Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
* При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.
* На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.

Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.

В целом этап концептуальных поисков в области МГД–генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили российским ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку “У–02”, работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно–промышленной МГД–установки “У–25”, которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на “У–02”. Успешный пуск этой первой опытно–промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.

В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К–300–240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД–энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД–части. Коэффициент полезного действия МГД–500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт–ч). Головной МГД–энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Исследования и разработки МГД–генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД–установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД–генераторы используют плазму в качестве рабочего тела. Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. В качестве примера нами проделан эксперимент, демонстрирующий МГД–эффект. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Продемонстрировать МГД–эффект можно используя следующий набор материалов :
1. Магнит;
2. Соль;
3. Перец;
4. Батарейка;
5. Медные провода.

Ход работы:
1. Делаем водный раствор соли и добавляем перец. Это необходимо для того, чтобы было видно движение потоков жидкости.
2. Ставим небольшой сосуд с приготовленным раствором на магнит.
3. Опускаем концы медной проволоки, присоединенные другими концами к полюсам батарейки, в приготовленный раствор (фото 1).
4. Наблюдаем движение потоков жидкости между концами медной проволоки.

Лодка будет перемещаться за счет движения электролита в магнитном поле.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что МГД–электричество, несмотря на все трудности, придет на службу человеку и люди научатся использовать в полной мере энергию океана. Ведь это просто необходимо современному человечеству, потому что запасы ископаемого топлива по расчетам ученых заканчиваются буквально на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля!

Литература

1. Володин В., Хазановская П. Энергия, век двадцать первый.– М.: Детская литература, 1989.– 142 с.
2. http://ru.wikipedia.org/ – свободная энциклопедия
3. http://www.naukadv.ru – сайт “Физика машин”
4. Касьян А. Напряжение плазменного смерча или просто – о МГД–генераторе //Двигатель, 2005, № 6
5. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – Махачкала: Издательско–полиграфическое объединение “Юпитер”, 1996
6. Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2–8
7. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. – Москва: Знание, 1990 – 128 с.
8. http://how-make.ru – Сайт для любителей мастерить своими руками.

Работу выполнила:

Володенок Анастасия Викторовна, ученица 10 класса

Руководитель:

Филатова Надежда Олеговна, к.п.н., учитель физики

МОУ Сибирский лицей
г. Томск

АЛАМБИК-АЛЬФА

Реферат

Показана обоснованность основных положений, положенных в основу разработки принципиально нового способа получения водорода из воды с использованием кинетической и тепловой энергии. Разработана и испытана конструкция электроводородного генератора (ЭВГ). Во время испытаний при использовании сернокислотного электролита на оборотах ротора 1500 об/мин начался электролиз воды и выход водорода (6…8 % объема.) в условиях подсоса воздуха их окружающей среды.

Проведен анализ процесса разложения воды на кислород и водород в процессе воздействия центробежной силы в генераторе. Установлено, что электролиз воды в центробежном генераторе происходит в условиях, существенно отличающихся от существующих в обычных электролизерах:

Увеличении скорости движения и давления по радиусу вращающегося электролита

Возможность автономного применения ЭВГ не создает проблем хранения и транспорта водорода.

Введение

Попытки за предыдущие 30 лет применить термохимические циклы для разложения воды с использованием более дешевой тепловой энергии по техническим причинам не дали положительного результата.

Технология получения достаточно дешевого водорода из воды с использованием энергии возобновляемых источников и получение при последующей переработке в качестве экологически чистых отходов снова воды (при сжигании в двигателях или при получении электроэнергии в топливных элементах) казались несбыточной мечтой, но с внедрением в практику центробежного электроводородного генератора (ЭВГ) станут реальностью.

ЭВГ предназначен для производства кислород - водородной смеси из воды с использованием кинетической и тепловой энергии. Во вращающийся барабан заливается подогретый электролит, в котором при вращении в результате начинающегося электрохимического процесса происходит разложение воды на водород и кислород.

Модель процесса разложения воды в центробежном поле

Во вращающийся барабан заливается подогретый электролит, в котором при вращении в результате начинающегося электрохимического процесса происходит разложение воды на водород и кислород. ЭВГ разлагает воду с помощью кинетической энергии внешнего источника и тепловой энергии подогретого электролита.

На рис. 1 показана схема движения ионов, молекул воды, электронов, молекул газов водорода и кислорода в ходе электрохимического процесса электролиза воды в кислотном электролите (предполагается, что на распределение молекул в объеме электролита влияет молекулярный вес ионов μ). При добавлении в воду серной кислоты и перемешивании происходит обратимое и равномерное распределение в объеме ионов:

H 2 SO 4 =2H + +SO 4 2- , H + +H 2 O=H 3 O + .

(1)

Раствор остается электронейтральным. Ионы и молекулы воды участвуют в броуновском и прочих движениях. С началом вращения ротора под действием центробежной силы происходит расслоение ионов и молекул воды соответственно их массе. Более тяжелые ионы SO 4 2- (μ=96 г/моль) и молекулы воды Н 2 О (μ=18 г/моль) направляются к ободу ротора. В процессе накопления ионов около обода и образования отрицательного вращающегося заряда формируется магнитное поле. Более легкие положительные ионы Н 3 О + (μ=19 г/моль) и молекулы воды (μ=18 г/моль) архимедовыми силами вытесняются в направлении к валу и образуют вращающийся положительный заряд, вокруг которого формируется свое магнитное поле. Известно , что магнитное поле оказывает силовое воздействие на находящиеся рядом отрицательные и положительные ионы, не вовлеченные еще в области зарядов вблизи ротора и вала. Анализ силового воздействия магнитного поля, сформированного вокруг этих ионов, показывает, что отрицательно заряженные ионы SO 4 2- магнитной силой прижимаются к ободу, усиливая действие на них центробежной силы, что приводит к активизации их накопления у обода .

Сила воздействия магнитного поля на положительно заряженные ионы H 3 O + усиливает действие архимедовой силы, что приводит к активизации их смещения к валу.

Электростатические силы отталкивания одноименных и притяжения разноименных зарядов препятствуют накоплению ионов у обода и вала.

Вблизи вала реакция восстановления водорода начинается при нулевом потенциале платинового катода φ + =0 :

Однако восстановление кислорода затягивается до тех пор, пока потенциал анода не достигнет φ - =-1.228 В . После этого электроны иона кислорода получают возможность переходить в платиновый анод (начинается образование молекул кислорода):

2О - - 2е=О 2 .

(4)

Начинается электролиз, через токовод начинают течь электроны, а через электролит - ионы SO 4 2- .

Образующиеся газы кислород и водород архимедовой силой выдавливаются в область малого давления вблизи вала и затем по каналам, сделанным в вале, выводятся наружу.

Поддержание в замкнутой цепи электрического тока и высокоэффективный ход термохимических реакций (1-4) возможны при обеспечении ряда условий.

Эндотермическая реакция разложения воды требует постоянного подвода тепла в зону реакции.

Из термодинамики электрохимических процессов известно [ 2,3] , что для развала молекулы воды необходимо подвести энергию:

Физики признают, что структура воды даже в нормальных условиях, несмотря на длительное изучение, пока не расшифрована .

Существующая теоретическая химия имеет серьёзные противоречия с экспериментом, но химики уклоняются от поиска причин этих противоречий, проходят мимо возникающих вопросов. Ответы на них можно получить из результатов анализа структуры молекулы воды. Вот как эта структура представляется на современном этапе её познания (см. рис. 2).

Считается, что ядра трех атомов молекулы воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами, принадлежащими атомам водорода, в основании (рис. 3А), угол между осями Н-О составляет α=104.5 о.

Этой информации о структуре молекулы воды недостаточно, чтобы получить ответы на возникшие вопросы и снять выявленные противоречия. Они следуют из анализа энергий химических связей в молекуле воды, поэтому эти энергии должны быть представлены в ее структуре.

Вполне естественно, что в рамках существующих физических и химических представлений о структуре молекулы воды и о процессе её электролиза с целью получения молекулярного водорода, трудно найти ответы на поставленные вопросы, поэтому автор предлагает свои модели структуры молекулы.

Приведенные в результаты расчетов и экспериментов показывают возможность получения дополнительной энергии при электролизе воды, но для этого надо создавать условия для реализации этой возможности.

Необходимо отметить, что электролиз воды в ЭВГ происходит в условиях, существенно отличающихся (и мало изученных) от условий работы промышленных электролизеров. Давление вблизи обода приближается к 2 МПа, окружная скорость обода около 150 м/ с, градиент скорости у вращающейся стенки достаточно велик и вдобавок к этому действуют электростатические и достаточно сильные магнитные поля. В каком направлении при этих условиях изменятся ΔH o, ΔG и Q, пока неизвестно.

Теоретическое описание процесса электромагнитной гидродинамики в электролите ЭВГ также представляет сложную проблему.

На этапе разгона электролита должно быть учтено вязкое взаимодействие ионов и нейтральных молекул воды в условиях воздействия центробежной и вытесняющей более легкие компоненты архимедовой силы, взаимного электростатического отталкивания одноименных ионов при их сближении в процессе образования заряженных областей, магнитного силового воздействия этих областей на движение заряженных ионов к зарядам.

При установившемся движении, когда начался электролиз, во вращающейся среде идет активное радиальное движение ионов (ионный ток) и всплывающих пузырьков образующегося газа, их накопление вблизи вала ротора и отвод наружу, разделение в магнитном поле парамагнитного кислорода и диамагнитного водорода, подвод (отвод) требуемых порций электролита и подключение поступающих ионов к процессу разделения зарядов.

В простейшем случае несжимаемой адиабатически изолированной жидкости при наличии положительных и отрицательно заряженных ионов и нейтральных молекул этот процесс может быть описан (для одной из компонент) в следующем виде [ 9] :

1. Уравнения движения при условии на внешней границе (r=R, V-V pom):

¶ U/¶ t =(W× Ñ )U=-grad Ф+D (a × U+b × W),

¶ W/¶ t +(U× Ñ )W=-gradФ+D (a × W+b × U),

где V- скорость движения среды, H- напряженность магнитного поля, U=V+H/(4× p × r ) 0.5 , W=V-H/(4× p × r ) 0.5 , Ф=P/r +(U-W) 2 /8, Р- давление, r - плотность среды, n , n m - кинематическая и “магнитная” вязкость, a =(n +n m)/2, b =(n -n m)/2.

2. Уравнения неразрывности жидкости и замкнутости магнитных силовых линий:

3. Уравнение потенциальности электростатического поля:

4. Уравнения кинетики химических реакций, описывающие процесс превращения веществ (типа (1,3)) может быть описан :

dC a /dτ=v·(C o.a -C a)/V е -r a ,

где C a - концентрация продукта химической реакции А (моль/м 3),

v-скорость его движения, V е - объем электролита,

r a -скорость превращения реагентов в продукт химической реакции,

С о.а - концентрация реагентов, подаваемых в зону реакции.

На границе металл- электролит необходим учет кинетики электродных процессов. Некоторые сопутствующие электролизу процессы описаны в электрохимии (электрическая проводимость электролитов, акт химического взаимодействия при соударении химически активных компонент и т.д.) , но единых дифференциальных уравнений рассматриваемых процессов пока не существует.

5. Процесс образования газовой фазы в результате электролиза может быть описан с помощью термодинамических уравнений состояния:

y k =f(x 1 ,x 2 ,….x n ,T),

где y k - внутренние параметры состояния (давление, температура Т, удельный (мольный) объем), x i - внешние параметры внешних сил, с которыми взаимодействует среда (форма объема электролита, поле центробежных и магнитных сил, условия на границе), но процесс перемещения пузырьков во вращающейся жидкости пока изучен слабо.

Следует отметить, что решения системы приведенных выше дифференциальных уравнений пока получены лишь в немногих простейших случаях.

Эффективность работы ЭВГ может быть получена из баланса энергии путем анализа всех потерь.

При установившемся вращении ротора с достаточным числом оборотов мощность двигателя N d тратится на:
преодоление аэродинамического сопротивления ротора N a ;
потери на трение в подшипниках вала N p ;
гидродинамические потери N gd при разгоне поступающего в ротор электролита, трении его о внутреннюю поверхность деталей ротора, преодолению встречного движения к валу образующихся при электролизе пузырьков газа (см. рис. 1) и т.д.;
поляризационные и омические потери N om при движении тока в замкнутом контуре в процессе электролиза (см. рис. 1);
подзарядку конденсатора N k , образованного положительным и отрицательным зарядами;
электролиз N w .

Оценив величину ожидаемых потерь, можно из баланса энергии определить долю энергии N we , расходуемую на разложение воды на кислород и водород:

N w =N d –N a -N p -N gd -N om -N k .

Помимо электроэнергии в объем электролита необходимо добавить тепло мощностью N q =N we× Q/D H o (см. выражение (6)).

Тогда полная мощность, расходуемая на электролиз, составит:

N w =N we +N q .

Эффективность получения водорода в ЭВГ равна отношению полезно полученной энергии водорода N w к затраченной в двигателе N d:

h =N w ּк /N d

где к учитывает неизвестное пока увеличение производительности ЭВГ в условиях воздействия центробежных сил и электромагнитного поля.

Несомненным преимуществом ЭВГ является возможность его автономного использования, когда отпадает необходимость длительного хранения и транспорта водорода.

Результаты испытаний ЭВГ

К настоящему времени проведены успешные испытания двух модификаций ЭВГ, подтвердившие обоснованность разработанной модели процесса электролиза и работоспособности изготовленной модели ЭВГ.

Перед испытаниями была проверена возможность регистрации водорода с помощью газоанализатора АВП-2 , датчик которого реагирует только на присутствие водорода в газе. Выделяющийся в ходе активной химической реакции Zn+H 2 SO 4 =H 2 +ZnSO 4 водород подавался к АВП-2 с помощью вакуумного компрессора ДС112 по хлорвиниловой трубке диаметром 5 мм и длиной 5м. При начальном уровне фона показаний V o =0.02 % об. АВП-2 после начала химической реакции объемное содержание водорода увеличилось до V=0.15 % об., что подтвердило возможность обнаружения газа в этих условиях.

При испытаниях 12-18.02.2004 г. в корпус ротора был залит подогретый до 60 о С раствор серной кислоты (концентрацией 4 моль/л), нагревший ротор до 40 о С. Результаты экспериментальных исследований показали следующее:

1. При вращении электролита (концентрацией 4 моль/л) центробежной силой удалось разделить положительные и отрицательные ионы различного молекулярного веса и образовать заряды в отстоящих друг от друга областях, что привело к возникновению разности потенциалов между этими областями, достаточной для начала электролиза при замыкании тока во внешней электрической цепи.

2. После преодоления электронами потенциального барьера на границе металл- электролит при числе оборотов ротора n=1000…1500 об/мин в начался электролиз воды. При 1500 об/мин анализатором водорода АВП-2 зафиксирован выход водорода V=6…8 % об. в условиях подсоса воздуха из окружающей среды.

3. При снижении оборотов до 500 об/мин электролиз прекращался и показания газоанализатора возвращались к начальным V 0 =0.02…0.1 % об.; при увеличении оборотов до 1500 об/мин объемное содержание водорода снова возрастало до V=6…8 % об..

При скорости вращения ротора 1500 об/мин обнаружено увеличение выхода водорода в 20 раз при возрастании температуры электролита от t=17 о до t=40 о С.

Заключение

Предложена, изготовлена и успешно испытана установка для проверки обоснованности нового предложенного способа разложения воды в поле центробежных сил. При вращении сернокислотного электролита (концентрацией 4 моль/л) в поле центробежных сил произошло разделение положительных и отрицательных ионов различного молекулярного веса и образовались заряды в отстоящих друг от друга областях, что привело к возникновению разности потенциалов между этими областями, достаточной для начала электролиза при замыкании тока во внешней электрической цепи. Начало электролиза зафиксировано при числе оборотов ротора n=1000 об/мин.
При 1500 об/мин водородный газоанализатор АВП-2 показал выделение водорода в объемных процентах 6…8 об.%.
Проведен анализ процесса разложения воды. Показано, что под действием центробежного поля во вращающемся электролите возможно возникновение электромагнитного поля и формирование источника электроэнергии. При определенных оборотах ротора (после преодоления потенциального барьера между электролитом и электродами) начинается электролиз воды. Установлено, что электролиз воды в центробежном генераторе происходит в условиях, существенно отличающихся от существующих в обычных электролизерах:
- увеличении скорости движения и давления по радиусу вращающегося электролита (до 2 МПа);
- активном воздействии на движение ионов электромагнитных полей, наведенных вращающимися зарядами;
- поглощении тепловой энергии из окружающей среды.
Это открывает новые возможности увеличения эффективности электролиза.
В настоящее время ведется разработка следующей более эффективной модели ЭВГ с возможностью измерения параметров вырабатываемого электрического тока, формирующегося магнитного поля, управления током в процессе электролиза, измерением объемного содержания выходящего водорода, его парциального давления, температуры и расхода. Использование этих данных вместе с уже измеряемой электрической мощностью мотора и числом оборотов ротора позволит:
- определить энергетическую эффективность ЭВГ;
- разработать методику расчета основных параметров в условиях промышленного применения;
- наметить пути его дальнейшего совершенствования;
- выяснить пока слабо изученное влияние на электролиз больших давлений, скоростей и электромагнитных полей.
Промышленная установка может быть использована при получении водородного топлива для питания двигателей внутреннего сгорания или иных энергетических и тепловых установок, а также кислорода для технологических нужд в различных отраслях промышленности; получении гремучего газа, например, для газоплазменной технологии в ряде отраслей промышленности и т.д.
Несомненным преимуществом ЭВГ является возможность автономного использования, когда отпадает необходимость технически сложного длительного хранения и транспорта водорода.
Технология получения достаточно дешевого водорода из воды с использованием бросовой низкопотенциальной тепловой энергии и выделение при последующем сжигании экологически чистых отходов (снова воды) казались несбыточной мечтой, но с внедрением в практику ЭВГ станут реальностью.
На изобретение получен ПАТЕНТ № 2224051 от 20.02.2004 г..
В настоящий момент патентуется покрытие анода и катода, а также электролита, что позволит увеличить производительность электролиза в десятки раз.

Список использованных источников

Фриш С.Э., Тиморева А.И. Курс общей физики, Том 2, М. –Л., 1952, 616 с.
Краснов К.С., Воробьев Н.К, Годнев И.Н. и др. Физическая химия. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ, М.,“Высшая школа”,2001,219 с.
Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику, 1984,10.
Путинцев Н.М. Физические свойства льда, пресной и морской воды, Докторская диссертация, Мурманск, 1995,
Канарев Ф.М. Вода- новый источники энергии, Краснодар, 2000, 155с,
Зацепин Г.Н. Свойства и структура воды, 1974, 167 с,
Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, М., “Наука”, 1971, 939 с.
Economics of Non- conventional Hydrogen Production. The Center for Electrochemical Systems and Hydrogen Research, 2002, Engineer, tamh, edutces/ceshr/center.
Анализатор водорода портативный многофункциональный АВП-2, Фирма “Альфа БАССЕНС”,Кафедра “Биофизика”, МФТИ, М., 2003.

Дата публикации: Прочитано: 60942 раз Дополнительно на данную тему

pax (МГД). Принципиальная идея такова. В рабочей камере (рис. 2) благодаря продуктам сгорания топлива поддерживается температура в несколько тысяч градусов. А при такой температуре газ, естественно, сильно ионизируется. Чтобы увеличить ионизацию электропроводящего газа, в него добавляют присадки, содержащие цезий, кальции, калий. Полученная плазма с высокой скоростью продувается через канал переменного сечения, помещенного в~ сильном магнитном поле. Как известно, на электроны и ионы плазменного потока - электрические заряженные частицы - действуют силы, которые отклоняют их либо к верхнему, либо к нижнему электродам. Появляется электрический ток.

В нашей стране уже созданы полупромышленные МГД-уста-новки, получен электрический ток.

Сегодня мы предлагаем собрать и испытать модель МГД-генератора. Поток ионизированного газа мы заменили потоком электролита. Смысл от этой замены не меняется. Модель жидкостного МГД-генератора ничуть не хуже продемонстрирует вам не только существование свободных ионов в электролитах и отсутствие их в других растворах, но и покажет наличие действующей на ионы в магнитном поле отклоняющей силы, что непременно имеет место в магнитогид-родинамическом генераторе.

Прибор представляет собой плексигласовый прямоугольный брусок 1 (рис. 3) с размерами 120 X 26 X 18 мм, внутри которого по всей длине просверлен цилиндрический канал диаметром 12 мм. Вдоль канала проложены две медные или латунные полоски сегментного сечения (обкладки конденсатора, электроды) 2, соединенные с клеммами 3. По краям прибора вставлены алюминиевые ниппели 4 для при

соединения резиновых трубок. К лицевой и обратным граням бруска приклеены плексигласовые цилиндрики 5, на которые надеты керамические кольцевые магниты 6 диаметром 20 мм из набора, выпускаемого промышленностью для школ. Прибор снабжен опорным стержнем 7 для установки его в треноге штатива.

На каждый ион текущего электролита (раствор бромида калия, хлорида натрия) действует отклоняющая сила, или, как ее называют, сила Лоренца.

Вследствие разделения ионов возникает электрическое поле, кулоновы силы которого уравновешивают силу Лоренца:

Е = ^f = VB, U = dVB.

Здесь U - разность потенциалов между электродами,

V - скорость ионов (потока),

В - индукция магнитного поля,

d - расстояние между электродами.

Поскольку электрическое сопротивление раствора очень мало, сила тока достаточна для измерения ее гальванометром от школьного демонстрационного вольтметра.

Меняя число магнитов, скорость течения электролита, концентрацию его и сам электролит, можно поставить серию забавных опытов по исследованию зависимости э.д.с. МГД-генератора от индукции магнитного поля, скорости потока, концентрации ионов, их заряда и массы.

Изобретение относится к электрохимическому производству, в частности к электролизу.
Наиболее близким изобретением является способ магнитодинамического автоэлектролиза, выбранный в качестве прототипа.
На электрохимическую систему, содержащую электроды и электролит, воздействуют внешним магнитным полем, ортогональным контурам электродов. Причем осуществляют вращение источников магнитного поля в плоскостях, параллельных контурам электродов. Благодаря этому осуществляют относительно движение ионов диссоциированного электролита в магнитном поле, перпендикулярном направлению движения. На заряды (разнополярные ионы), движущиеся относительно магнитного поля действует сила, которая направлена перпендикулярно к плоскости векторов магнитной индукции и скорости относительного движения. При относительном движении по окружности направление силы Лоренца, как и направление перемещения ионов (ионного тока), ортогонально вектору линейной скорости относительного движения и происходит в соответствии со знаком заряда в направлении радиуса-вектора к противоположным контурным электродам. В результате этого происходит поляризация электродов, причем разность потенциалов между ними при достаточных значениях линейной скорости и магнитной индукции достигает напряжения разложения электролита, что приводит к протеканию электрического тока в электрохимической системе к электролизу. Сущность электролиза, происходящего на электродах в описанном способе, не отличается от традиционного электролиза, когда электроды подключены к внешнему источнику напряжения.
В способе для повышения эффективности процесса отражены различные возможности относительного перемещения электролита в магнитном поле, в том числе и в совокупности с прокачиванием. Он предназначен для разложения воды, с целью получения экологически чистого топлива водорода. Данным способом можно разложить электролит, не прибегая к окольному пути получения постоянного напряжения для электролиза, связанному со значительными потерями при преобразовании механического движения в электроэнергию с помощью электрогенератора. Благодаря этому не только повышается эффективность электрохимического производства, но и снижаются затраты на оборудование.
Несмотря на то, что экономически выгоднее проводить электролиз описанным способом в сравнении с обычным электролизом, ему присущи определенные недостатки. Они связаны с необходимостью либо прокачивания электролита, либо вращения системы постоянных магнитов, ввиду того, что данный способ является динамическим. Это ведет к усложнению способа при его реализации вследствие использования двигательной для вращения системы постоянных магнитов или прокачивания электролита, специальных насосов для работы в агрессивных средах, а также ведет к трудностям надежного крепления массивных постоянных магнитов во вращающейся системе, балансировки такой системы и герметизации токовыводов, и напорных трубопроводов.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение способа при одновременном увеличении производительности процесса.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе магнитоиндуцируемого электролиза, включающем воздействие на электрохимическую систему магнитным полем, ортогональным плоскости электродов, используют переменное магнитное поле.
В предлагаемом способе магнитоиндуцируемый электролиз осуществляют в статической магнитоэлектрохимической системе в неподвижном электролите с помощью неподвижного источника магнитного поля за счет создания переменного магнитного поля.
В отличие от этого, в известном способе электролиз осуществляют в динамической электрохимической системе при относительном движении электролита и источника постоянного магнитного поля. При этом разность потенциалов на электродах для электролиза получают в предложенном способе за счет ЭДС магнитной индукции, возникающей в электродах, тогда как в известном способе разность потенциалов на электродах получают за счет их поляризации ионным током, возникающим в электролите вследствие действия силы Лоренца на перемещаемые в магнитном поле ионы.
В соответствии с предложенным способом в электрохимической системе, содержащей неизолированные контурные электроды и электролит, создают переменное магнитное поле с противоположным направлением внутри и вне контуров и одинаковым для всех электродов, чем обеспечивают однонаправленный индукционный ток в соответственных участках всех соседних контуров, образующих элементарную электрохимическую ячейку, и ЭДС индукции между этими контурами электродов, достигающую напряжения разложения электролита. При этом в контурах создается электронный ток магнитной индукции, на их поверхности происходит электролиз, а в электролите между соседними участками электрода протекает ионный ток за счет ЭДС магнитной индукции в контуре электрода. То есть электролит является распределенной вдоль контура электрода электрической нагрузкой.
Сущность предложенного способа заключается в преимущественном взаимодействии внешнего магнитного поля с электродами электрохимической системы в виде разомкнутых контуров из проводника первого рода, носителями зарядов в котором являются электроны, и пренебрежимом взаимодействии с окружающим неизолированные электроды неподвижным электролитом-проводником второго рода, носителями зарядов в котором являются ионы. Способ основан на известном физическом явлении электромагнитной индукции, при котором в контуре проводника, помещенном в переменное магнитное поле, возникает электродвижущая сила ЭДС индукции. Если контуром является, например, разомкнутая концентрическая неизолированная спираль, то в ней возникает распределенная межконтурная разность потенциалов, равная ЭДС индукции контура или контуров.
Плотность тока в контуре, вызванная электрическим полем в проводнике, выражается j nev neuE, где n число носителей зарядов в единице объема, е заряд носителя, v средняя скорость их упорядоченного перемещения, u электрическая подвижность заряда, Е напряженность электрического поля. Вместе с тем известно, что подвижность свободных электронов в проводнике первого рода, например, в меди, примерно в 10 4 раз выше подвижности ионов Н + и ОН - в электролите проводнике второго рода, а их концентрация превышает концентрацию этих ионов (в случае 35% раствора КОН) примерно в 20 раз, что обуславливает преимущественное взаимодействие переменного магнитного поля с проводником первого рода.
С помощью предложенного способа просто осуществить электролиз в полностью замкнутом объеме статической магнитоэлектрохимической системы без подвода извне электрического тока к электродам. Магнитоиндуцируемый электролиз осуществляется следующим образом. Переменное магнитное поле индукции пронизывает контурные электроды, в них индуцируется межконтурная распределенная разность потенциалов, в электролите создается ионный ток и на электродах протекают электрохимические реакции с выделением газообразных продуктов, например, в случае электролиза воды. Диод позволяет вести электролиз в импульсном режиме.
Сущность способа можно проиллюстрировать на примере электролиза 35% раствора едкого кали, с целью получения водорода и кислорода или их смеси. Электрохимическая система содержит неизолированные электроды в виде медной никелированной цилиндрической спирали, концы витков которой соединены перемычкой из электронного проводника или диода. Электроды помещались в тороидальную диэлектрическую емкость, заполненную электролитом, а сам тороид располагался на магнитопроводе, имеющем первичную обмотку. Первичная обмотка подключалась к промышленной сети и в электрохимической системе создавалось переменное магнитное поле.
П р и м е р 1. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 50 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 10 мТ. Сечение магнитопровода составляло 75 см 2 . Расстояние между электродами равнялось примерно 1 мм. Электрод представлял из себя спираль из медной никелированной шинки, содержащей 100 витков (контуров). На электродах реализовалась ЭДС индукции 1,5 ± 0,1 В. Поместив электродную систему в емкость, содержащую 35% раствор КОН, осуществили электролиз с выделением с 10 см 2 поверхности 0,38 л кислородно-водородной смеси в час, что в пересчете на 1 м 2 поверхности составит 0,38 м 3 /ч. В прототипе выход кислородно-водородной смеси с 1 м 2 поверхности электрода составляет 0,192 м 3 /ч.
П р и м е р 2. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 500 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 1 Т. Сечение магнитопровода составляло 12 см 2 , расстояние между электродами 10 мм. Каждый электрод состоял из одного контура. На электродах реализовалась ЭДС индукция 2,5 + 0,1 В. С 1 м 2 поверхности электрода при этом выделяется 0,9 м 3 /ч кислородно-водородной смеси.
П р и м е р 3. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение частотой 1000 Гц, создаем в магнитопроводе магнитное поле с индукцией 1,4 Т. Расстояние между электродами составляло 20 мм. Каждый электрод состоял из одного контура. На электродах реализовалась ЭДС индукции 5,0 + 0,2 В. С 1 м 2 поверхности при этом выделяется 1,4 м 3 /ч кислородно-водородной смеси.
П р и м е р 4. Условия эксперимента такие же, как в примере 1, но начало и конец контурных электродов соединены с помощью диода. Поэтому реализуется электролиз импульсным током, благодаря чему на определенных участках электродов протекают либо катодные, либо анодные процессы. При этом повышается доля тока, идущая на фарадеевский процесс за счет уменьшения емкостного тока. Результатом является повышение выхода продукта до 0,96 м 3 /ч с 1 м 2 поверхности электрода или на 7+ 0,2%
П р и м е р 5. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 1 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 1 Т. Сечение магнитопровода составляло 33 см 2 . Расстояние между электродами составляло 2 мм. Электрод содержал 100 витков с площадью 100 см 2 . На электродах реализовалась ЭДС индукции 1,5+ 0,2 В. Поместив электродную систему в емкость, содержащую 35% раствор едкого кали, осуществили электролиз с выделением за 1 ч 0,26 л водородно-кислородной смеси, что в пересчете на 1 м 2 поверхности электродов составит 0,26 м 3 /ч. В прототипе выход газовой смеси составляет с 1 м 2 поверхности электрода 0,192 м 3 /ч.
Таким образом, заявленный способ в сравнении с прототипом обладает рядом преимуществ: является статическим и не требует ни перемещения электролита, ни вращения источников магнитного поля, что ведет к упрощению способа, т.е. достижению поставленной цели. Возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле

Описание

Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, т.е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы и ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Если проводником является жидкость, то генерирование электроэнергии идет только вследствие преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной температуре.

На рис. 1 показан принцип действия МГД генератора, где указано направление магнитного поля В , приложенного к проводнику (движущемуся электролиту, металлу, ионизированному газу, плазме) со скоростью V .

Принцип действия МГД генератора

Рис. 1

Электрическая энергия снимается с концов электродов (кондукционные МГД генераторы), контактирующих с движущейся токопроводящей средой (на рис. 1 показано сопротивление нагрузки R ) или с помощью индуктивной связи потока с цепью нагрузки (индукционные МГД генераторы).

Временные характеристики

Время инициации (log to от -9 до -6);

Время существования (log tc от -6 до 15);

Время деградации (log td от -9 до -6);

Время оптимального проявления (log tk от -8 до -6).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Линейный фарадеевский секционированный МГД - генератор

Техническая реализация - схема линейного фарадеевского секционированного МГД - генератора - показана на рис. 2.

Линейный МГД генератор

Рис. 2

Обозначения:

2 - электроды;

3 - межэлектродные изоляторы;

4 - боковые изоляционные стенки;

5 - сопротивления нагрузки; стрелками указано направление тока в нагрузке

Применение эффекта

МГД эффект используется в электрореактивных ракетных двигателях, в расходомерах электропроводящих жидкостей, в магнитогидродинамических генераторах электроэнергии, в которых осуществляется прямой переход тепловой энергии в электрическую. Основное преимущество МГД - генераторов перед тепловыми (например, газовыми турбинами) состоит в том, что плазма имеет высокую температуру, а это приводит к повышению КПД.