Спосіб отримання кисню та водню. Навчальний прилад для демонстрації руху іонів електроліту в магнітному полі Магнітне поле іонного струму в розчині

Природа нам приготувала безліч електроенергії. Величезна її частина зосереджена у світовому океані. У Світовому Океані приховані колосальні запаси енергії. Поки що люди вміють використовувати лише мізерні частки цієї енергії, та й то ціною великих капіталовкладень, що повільно окупаються, так що така енергетика досі здавалася малоперспективною. Проте дуже швидке виснаження запасів викопного палива, використання якого до того ж пов'язане з істотним забрудненням навколишнього середовища змушує вчених і інженерів приділяти все більшу увагу пошукам нешкідливих джерел енергії, наприклад енергії в Світовому океані. Океан таїть у собі кілька різних видів енергії: енергію припливів і відливів, океанських течій, термальну енергію, та ін. хлору. Привабливою стає перспектива – поставити такий пристрій у природний нескінченний потік природних морських течій та отримувати в результаті недорогу електроенергію з морської води та передавати її на берег. Одним з таких пристроїв може стати генератор, у якому використовується магнітогідродинамічний ефект. Це й стало темою дослідження: “Енергетичні можливості магнітогідродинамічного ефекту”

Метою дослідженняє опис, демонстрація та можливості використання магнітогідродинамічного ефекту. Об'єктом дослідження є рух заряджених частинок в магнітному полі. Предмет дослідження: магнітогідродинамічний ефект, магнітогідродинамічний генератор.

Для реалізації поставленої мети вирішувалися наступні завдання:
1. Провести історико-логічний аналіз навчальних, наукових, науково-популярних джерел інформації.
2. Виявити фізичні закони, принципи, що пояснюють, у чому полягає магнитогидродинамический ефект.
3. Виявлення можливостей використання МГД-ефекту як енергетичний ресурс.
4. Виготовити модель, що демонструє магнітогідродинамічний ефект.

Для найбільш ефективного вирішення поставлених завдань використовувалися наступні методи дослідження: вивчення джерел інформації, аналіз, метод узагальнень, експеримент.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Магнітогідродинамічний ефект- виникнення електричного поля та електричного струму під час руху електропровідної рідини або іонізованого газу в магнітному полі. Магнітогідродинамічний ефект заснований на явищі електромагнітної індукції, тобто на виникненні струму у провіднику, що перетинає силові лінії магнітного поля. У цьому випадку провідниками є електроліти, рідкі метали або іонізовані гази (плазма). При русі упоперек магнітного поля в них виникають протилежно спрямовані потоки носіїв зарядів протилежних знаків. На основі магнітогідродинамічного ефекту створені пристрої - магнітогідродинамічні генератори (МГД-генератори), які відносяться до пристроїв прямого перетворення теплової енергії в електричну.

МГД-генератор– це енергетична установка, в якій теплова енергія робочого тіла (електроліту, рідкого металу чи плазми) перетворюється безпосередньо на електричну. Ще в 1832 році Майкл Фарадей намагався виявити ЕРС між електродами, опущеними в річку Темзу (у потоці річкової води є іони розчинених солей, що рухаються в магнітному полі Землі), але чутливість вимірювальних приладів була надто мала, щоб виявити ЕРС. А в 1970-80-ті роки покладалися великі надії на створення промислових МГД-генераторів, які використовують плазму (потік іонізованого газу), велися численні розробки, будувалися експериментальні МГД-генератори, але поступово все затихло.

Досить докладно про принцип роботи МГД-генераторів розповідається в одному з випусків журналу "Двигун".
З одного боку, МГД – генератори мають широкі можливості застосування, з іншого боку, вони дуже поширені. Спробуємо розібратися у цьому питанні. Вивчивши відповідну літературу, ми склали список переваг та недоліків МГД-генераторів.

Переваги МГД-генераторів

* Дуже висока потужність, до декількох мегават на невелику установку
* У ньому не використовуються деталі, що обертаються, отже, відсутні втрати на тертя.
* Розглянуті генератори є об'ємними машинами - в них протікають об'ємні процеси. Зі збільшенням обсягу зменшується роль небажаних поверхневих процесів (забруднення, струмів витоку). У той самий час збільшення обсягу, і з ним і потужності генератора майже нічим не обмежена (і 2 ГВт, і більше), що відповідає тенденції зростання потужності одиничних агрегатів.
* При вищому к.п.д. МГД-генераторів суттєво зменшується викид шкідливих речовин, які зазвичай містяться у відпрацьованих газах.
* Великий успіх у технічному відпрацюванні використання МГД - генераторів для виробництва електричної енергії було досягнуто завдяки комбінації магнітогідродинамічної щаблі з котельним агрегатом. В цьому випадку гарячі гази, пройшовши через генератор, не викидаються в трубу, а обігрівають парогенератори ТЕС, перед якими вміщено МГД - ступінь. Загальний ККД таких електростанцій досягають небувалої величини – 65%.
* Висока маневреність

Недоліки МГД-генераторів

* Необхідність застосування понад жароміцних матеріалів. Загроза розплавлення. Температура 2000 – 3000 К. Хімічно активний та гарячий вітер має швидкість 1000 – 2000 м/с
* Генератор виробляє лише постійний струм. Створення ефективного електричного інвертора для перетворення постійного струму на змінний.
* Середовище у МГД-генераторі з відкритим циклом – хімічно активні продукти згоряння палива. У МГД-генераторі із замкнутим циклом – хоч і хімічно неактивні інертні гази, зате дуже хімічно активна домішка (цезій)
* Робоче тіло потрапляє до так званого МГД-каналу, де і відбувається виникнення електрорушійної сили. Канал може бути трьох видів. Надійність та тривалість роботи електродів – загальна проблема всіх каналів. При температурі середовища кілька тисяч градусів електроди дуже недовговічні.
* Незважаючи на те, що генерована потужність пропорційна квадрату індукції магнітного поля, для промислових установок потрібні дуже потужні магнітні системи, набагато потужніші, ніж досвідчені.
* При температурі газу нижче 2000 ° С у ньому залишається так мало вільних електронів, що для використання в генераторі вона вже не годиться. Щоб не витрачати даремно тепло, потік газу пропускають через теплообмінники. У них тепло передається воді, а пара, що утворилася, подається в парову турбіну.
* На даний момент найбільш широко вивчені та розроблені плазмові МГД-генератори. Інформації про МГД-генератори, які використовують як робоче тіло морську воду, не знайдено.

З цього списку видно, що є низка проблем, які ще потрібно подолати. Ці проблеми вирішуються багатьма дотепними методами.

У цілому нині етап концептуальних пошуків у сфері МГД–генераторов переважно пройдено. Ще у шістдесятих роках минулого століття було проведено основні теоретичні та експериментальні дослідження, створено лабораторні установки. Результати досліджень та накопичений інженерний досвід дозволили російським ученим у 1965 р. ввести в дію комплексну модельну енергетичну установку "У-02", що працювала на природному паливі. Дещо пізніше було розпочато проектування дослідно-промислової МГД-установки "У-25", яке проводилося одночасно з дослідницькими роботами на "У-02". Успішний пуск цієї першої дослідно-промислової енергетичної установки, що мала розрахункову потужність 25 МВт, відбувся 1971 року.

В даний час на Рязанській ГРЕС використовується головний МГД-енергоблок 500 МВт, що включає МГД-генератор потужністю близько 300 МВт і паротурбінну частину потужністю 315 МВт з турбіною К-300-240. При встановленій потужності понад 610 МВт видача потужності МГД-енергоблоку в систему становить 500 МВт за рахунок значної витрати енергії на власні потреби у МГД-частині. Коефіцієнт корисної дії МГД-500 перевищує 45%, питома витрата умовного палива становитиме приблизно 270 г/(кВт-год). Головний МГД-енергоблок запроектований на використання природного газу, надалі передбачається перехід на тверде паливо. Дослідження та розробки МГД-генераторів широко розгорнуті в США, Японії, Нідерландах, Індії та ін. країнах. У США експлуатується дослідна МГД-установка на вугіллі тепловою потужністю 50 МВт. Всі перелічені МГД-генератори використовують плазму як робоче тіло. Хоча, на наш погляд, можна використовувати як електроліт і морську воду. Як приклад нами зроблено експеримент, що демонструє МГД-ефект. Для того, щоб продемонструвати енергетичні можливості МГД-генератора, виготовлений човен на МГД приводі.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

Продемонструвати МГД-ефект можна за допомогою наступного набір матеріалів:
1. Магніт;
2. Сіль;
3. Перець;
4. Батарейка;
5. Мідні дроти.

Хід роботи:
1. Робимо водний розчин солі та додаємо перець. Це необхідно для того, щоб було видно рух потоків рідини.
2. Ставимо невелику посудину з підготовленим розчином на магніт.
3. Опускаємо кінці мідного дроту, приєднані іншими кінцями до полюсів батарейки, до приготовленого розчину (фото 1).
4. Спостерігаємо рух потоків рідини між кінцями мідного дроту.

Човен переміщатиметься за рахунок руху електроліту в магнітному полі.
Таким чином, можна зробити висновок про те, що МГД-електрика, незважаючи на всі труднощі, прийде на службу людині і люди навчаться використовувати повною мірою енергію океану. Адже це просто необхідно сучасному людству, тому що запаси викопного палива за розрахунками вчених закінчуються буквально на очах у мешканців планети Земля, що нині живуть!

Література

1. Володін В., Хазановська П. Енергія, вік двадцять перший. - М.: Дитяча література, 1989. - 142 с.
2. http://ua.wikipedia.org/ – вільна енциклопедія
3. http://www.naukadv.ru - сайт "Фізика машин"
4. Касьян А. Напруга плазмового смерчу або просто - про МГД-генератор // Двигун, 2005 № 6
5. Магомедов А.М. Нетрадиційні поновлювані джерела енергії. - Махачкала: Видавничо-поліграфічне об'єднання "Юпітер", 1996
6. Ашкіназі Л. МГД-генератор // Квант, 1980 № 11, С. 2-8
7. Кирилін В.А. Енергетика. Основні проблеми. - Москва: Знання, 1990 - 128 с.
8. http://how-make.ru - Сайт для любителів майструвати своїми руками.

Роботу виконала:

Володінок Анастасія Вікторівна, учениця 10 класу

Керівник:

Філатова Надія Олегівна, к.п.н., учитель фізики

МОУ Сибірський ліцей
м. Томськ

АЛАМБІК-АЛЬФА

Реферат

Показано обґрунтованість основних положень, покладених в основу розробки принципово нового способу одержання водню з води з використанням кінетичної та теплової енергії. Розроблено та випробувано конструкцію електроводневого генератора (ЕВГ). Під час випробувань при використанні сірчанокислотного електроліту на оборотах ротора 1500 об/хв розпочався електроліз води та вихід водню (6…8 % об'єму) в умовах підсмоктування повітря навколишнього середовища.

Проведено аналіз процесу розкладання води на кисень та водень у процесі впливу відцентрової сили у генераторі. Встановлено, що електроліз води в відцентровому генераторі відбувається в умовах, які істотно відрізняються від існуючих у звичайних електролізерах:

Збільшення швидкості руху і тиску по радіусу електроліту, що обертається.

Можливість автономного застосування ЕВГ не створює проблем зберігання та транспортування водню.

Вступ

Спроби за попередні 30 років застосувати термохімічні цикли для розкладання води з використанням дешевшої теплової енергії з технічних причин не дали позитивного результату.

Технологія отримання досить дешевого водню з води з використанням енергії відновлюваних джерел та отримання при подальшій переробці як екологічно чисті відходи знову води (при спалюванні в двигунах або при отриманні електроенергії в паливних елементах) здавалися нездійсненною мрією, але з впровадженням у практику відцентрового електроводню ЕВГ) стануть реальністю.

ЕВГ призначений для виробництва кисень - водневої суміші з води з використанням кінетичної та теплової енергії. У барабан, що обертається, заливається підігрітий електроліт, в якому при обертанні в результаті електрохімічного процесу починається розкладання води на водень і кисень.

Модель процесу розкладання води у відцентровому полі

У барабан, що обертається, заливається підігрітий електроліт, в якому при обертанні в результаті електрохімічного процесу починається розкладання води на водень і кисень. ЕВГ розкладає воду за допомогою кінетичної енергії зовнішнього джерела та теплової енергії підігрітого електроліту.

На рис. 1 показано схему руху іонів, молекул води, електронів, молекул газів водню та кисню в ході електрохімічного процесу електролізу води в кислотному електроліті (передбачається, що на розподіл молекул в об'ємі електроліту впливає молекулярна вага іонів μ). При додаванні у воду сірчаної кислоти та перемішуванні відбувається оборотний та рівномірний розподіл в обсязі іонів:

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

(1)

Розчин залишається електронейтральним. Іони та молекули води беруть участь у броунівському та інших рухах. З початком обертання ротора під дією відцентрової сили відбувається розшарування іонів та молекул води відповідно до їх маси. Більш важкі іони SO 4 2- (μ=96 г/моль) та молекули води Н 2 О (μ=18 г/моль) прямують до обіду ротора. У процесі накопичення іонів біля обода і утворення негативного заряду, що обертається, формується магнітне поле.Більш легкі позитивні іони Н 3 Про + (μ=19 г/моль) і молекули води (μ=18 г/моль) архімедовими силами витісняються у напрямку до валу і утворюють позитивний заряд, що обертається, навколо якого формується своє магнітне поле. Відомо, що магнітне поле надає силовий вплив на негативні і позитивні іони, що знаходяться поруч, не залучені ще в області зарядів поблизу ротора і валу. Аналіз силового впливу магнітного поля, сформованого навколо цих іонів, показує, що негативно заряджені іони SO 4 2- магнітною силою притискаються до обода, посилюючи дію на них відцентрової сили, що призводить до активізації їх накопичення в ободі.

Сила впливу магнітного поля на позитивно заряджені іони H 3 O + посилює дію архімедової сили, що призводить до активізації їх зсуву до валу.

Електростатичні сили відштовхування однойменних та тяжіння різноїменних зарядів перешкоджають накопиченню іонів біля обода та валу.

Поблизу валу реакція відновлення водню починається за нульового потенціалу платинового катода φ + =0 :

Однак відновлення кисню затягується доти, поки потенціал анода не досягне φ - = -1.228 . Після цього електрони іону кисню отримують можливість переходити в платиновий анод (починається утворення молекул кисню):

2О - - 2е=Про 2 .

(4)

Починається електроліз, через струмовод починають текти електрони, а через електроліт - іони SO 4 2- .

Гази, що утворюються, кисень і водень архімедовою силою видавлюються в область малого тиску поблизу валу і потім по каналах, зробленим у валі, виводяться назовні.

Підтримка в замкнутому ланцюзі електричного струму та високоефективний перебіг термохімічних реакцій (1-4) можливі за умови забезпечення низки умов.

Ендотермічна реакція розкладання води вимагає постійного підведення тепла до зони реакції.

З термодинаміки електрохімічних процесів відомо [2,3], що для розвалу молекули води необхідно підвести енергію:

Фізики визнають, що структура води навіть у нормальних умовах, незважаючи на тривале вивчення, поки що не розшифрована.

Існуюча теоретична хімія має серйозні протиріччя з експериментом, але хіміки ухиляються від пошуку причин цих протиріч, проходять повз питання, що виникають. Відповіді ними можна отримати з результатів аналізу структури молекули води. Ось як ця структура представляється на етапі її пізнання (див. рис. 2).

Вважається, що ядра трьох атомів молекули води утворюють рівнобедрений трикутник з двома протонами, що належать атомам водню, в основі (рис. 3А), кут між осями Н-О становить =104.5 о.

Цієї інформації про структуру молекули води недостатньо, щоб отримати відповіді на питання і зняти виявлені протиріччя. Вони випливають із аналізу енергій хімічних зв'язків у молекулі води, тому ці енергії мають бути представлені у її структурі.

Цілком природно, що в рамках існуючих фізичних та хімічних уявлень про структуру молекули води та про процес її електролізу з метою отримання молекулярного водню, важко знайти відповіді на поставлені питання, тому автор пропонує свої моделі структури молекули.

Наведені в результати розрахунків та експериментів показують можливість отримання додаткової енергії при електролізі води, але для цього треба створювати умови для реалізації цієї можливості.

Необхідно відзначити, що електроліз води в ЕВГ відбувається в умовах, які істотно відрізняються (і мало вивчених) від умов роботи промислових електролізерів. Тиск поблизу обода наближається до 2 МПа, окружна швидкість обода близько 150 м/с, градієнт швидкості біля стінки, що обертається, досить великий і на додаток до цього діють електростатичні і досить сильні магнітні поля. У якому напрямі за цих умов зміняться ΔH o, ΔG і Q, поки невідомо.

Теоретичний опис процесу електромагнітної гідродинаміки в електроліті ЕВГ також є складною проблемою.

На етапі розгону електроліту має бути врахована в'язка взаємодія іонів і нейтральних молекул води в умовах впливу відцентрової та витісняючої легші компоненти архімедової сили, взаємного електростатичного відштовхування однойменних іонів при їх зближенні в процесі утворення заряджених областей, магнітного силового впливу цих зарядів.

При русі, що почався, коли почався електроліз, у середовищі, що обертається, йде активний радіальний рух іонів (іонний струм) і спливаючих бульбашок утворюється газу, їх накопичення поблизу валу ротора і відведення назовні, поділ в магнітному полі парамагнітного кисню і діамагнітного водню, підведення (відведення). порцій електроліту і підключення іонів до процесу поділу зарядів.

У найпростішому випадку несжимаемой адіабатично ізольованої рідини за наявності позитивних і негативно заряджених іонів і нейтральних молекул цей процес може бути описаний (для однієї з компонентів) у наступному вигляді [9]:

1. Рівняння руху за умови зовнішньої межі (r=R, V-V pom):

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

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

де V- швидкість руху середовища, H-напруженість магнітного 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-тиск, r - щільність середовища, n, n m - кінематична і "магнітна" в'язкість, a = (n + n m) / 2, b = (n -n m) / 2.

2. Рівняння нерозривності рідини та замкнутості магнітних силових ліній:

3. Рівняння потенційності електростатичного поля:

4. Рівняння кінетики хімічних реакцій, що описують процес перетворення речовин (типу (1,3)) може бути описаний:

dC a /dτ=v · (C o.a -C a)/V е -r a ,

де Ca - концентрація продукту хімічної реакції А (моль/м 3),

v-швидкість його руху, V е - об'єм електроліту,

r a -швидкість перетворення реагентів на продукт хімічної реакції,

С о.а - концентрація реагентів, що подаються до зони реакції.

На межі метал-електроліт необхідний облік кінетики електродних процесів. Деякі супутні електролізу процеси описані в електрохімії (електрична провідність електролітів, акт хімічної взаємодії при зіткненні хімічно активних компонентів тощо), але єдиних диференціальних рівнянь аналізованих процесів поки що не існує.

5. Процес утворення газової фази внаслідок електролізу може бути описаний за допомогою термодинамічних рівнянь стану:

y k =f(x 1 ,x 2 ,….x n ,T),

де y k – внутрішні параметри стану (тиск, температура Т, питомий (мольний) обсяг), x i – зовнішні параметри зовнішніх сил, з якими взаємодіє середовище (форма об'єму електроліту, поле відцентрових та магнітних сил, умови на кордоні), але процес переміщення бульбашок в рідині, що обертається, поки вивчений слабо.

Слід зазначити, що рішення системи наведених вище диференціальних рівнянь поки що отримані лише в небагатьох найпростіших випадках.

Ефективність роботи ЕВГ можна отримати з балансу енергії шляхом аналізу всіх втрат.

При обертанні ротора з достатнім числом оборотів потужність двигуна N d витрачається на:
подолання аеродинамічного опору ротора N a;
втрати на тертя в підшипниках валу N p;
гідродинамічні втрати N gd при розгоні електроліту, що надходить у ротор, терті його про внутрішню поверхню деталей ротора, подолання зустрічного руху до валу бульбашок газу, що утворюються при електролізі (див. рис. 1) і т.д.;
поляризаційні та омічні втрати N om при русі струму в замкнутому контурі в процесі електролізу (див. рис. 1);
підзарядку конденсатора N k , утвореного позитивним та негативним зарядами;
електроліз N w.

Оцінивши величину очікуваних втрат, можна з балансу енергії визначити частку енергії N we , що витрачається на розкладання води на кисень і водень:

N w = N d -N a -N p -N gd -N om -N k.

Крім електроенергії обсяг електроліту необхідно додати тепло потужністю N q =N we× Q/D Ho (див. вираз (6)).

Тоді повна потужність, що витрачається на електроліз, становитиме:

N w = N we + N q.

Ефективність отримання водню в ЕВГ дорівнює відношенню корисно отриманої енергії водню N w до витраченої двигуна N d:

h =N w ּк /N d

де довраховує невідоме поки що збільшення продуктивності ЕВГ в умовах впливу відцентрових сил та електромагнітного поля.

Безперечною перевагою ЕВГ є можливість його автономного використання, коли відпадає необхідність тривалого зберігання та транспортування водню.

Результати випробувань ЕВГ

На даний час проведено успішні випробування двох модифікацій ЕВГ, що підтвердили обґрунтованість розробленої моделі процесу електролізу та працездатності виготовленої моделі ЕВГ.

Перед випробуваннями була перевірена можливість реєстрації водню за допомогою газоаналізатора АВП-2 датчик якого реагує тільки на присутність водню в газі. Водень, що виділяється в ході активної хімічної реакції Zn+H 2 SO 4 =H 2 +ZnSO 4 подавався до АВП-2 за допомогою вакуумного компресора ДС112 по хлорвінілової трубки діаметром 5 мм і довжиною 5м. При початковому рівні тла показань V o =0.02 % про. АВП-2 після початку хімічної реакції об'ємний вміст водню збільшився до V=0.15 % об., що підтвердило можливість виявлення газу цих умовах.

При випробуваннях 12-18.02.2004 р. в корпус ротора був залитий підігрітий до 60 о С розчин сірчаної кислоти (концентрацією 4 моль/л), що нагрів ротор до 40 про С. Результати експериментальних досліджень показали наступне:

1. При обертанні електроліту (концентрацією 4 моль/л) відцентровою силою вдалося розділити позитивні та негативні іони різної молекулярної ваги та утворити заряди у віддалених один від одного областях, що призвело до виникнення різниці потенціалів між цими областями, достатньою для початку електролізу при замиканні струму у зовнішньому електричному ланцюзі.

2. Після подолання електронами потенційного бар'єру на межі метал-електроліт при числі оборотів ротора n=1000…1500 об/хв почався електроліз води. При 1500 об/хв аналізатор водню АВП-2 зафіксовано вихід водню V=6…8 % про. в умовах підсмоктування повітря з навколишнього середовища.

3. При зниженні оборотів до 500 об/хв електроліз припинявся і показання газоаналізатора поверталися до початкових V 0 =0.02…0.1 % об.; зі збільшенням оборотів до 1500 об/хв об'ємне вміст водню знову зростало до V=6…8 % об.

При швидкості обертання ротора 1500 об/хв виявлено збільшення виходу водню в 20 разів при зростанні температури електроліту від t=17 до t=40 про С.

Висновок

Запропоновано, виготовлено та успішно випробувано установку для перевірки обґрунтованості нового запропонованого способу розкладання води в полі відцентрових сил. При обертанні сірчанокислотного електроліту (концентрацією 4 моль/л) у полі відцентрових сил відбувся поділ позитивних і негативних іонів різної молекулярної ваги і утворилися заряди у віддалених один від одного областях, що призвело до виникнення різниці потенціалів між цими областями, достатньою для початку електролізу при замиканні струму у зовнішньому електричному ланцюзі. Початок електролізу зафіксовано при числі обертів ротора n=1000 об/хв.
При 1500 об/хв водневий газоаналізатор АВП-2 показав виділення водню об'ємних відсотках 6...8 об.%.
Проведено аналіз процесу розкладання води. Показано, що під дією відцентрового поля в електроліті, що обертається, можливе виникнення електромагнітного поля і формування джерела електроенергії. При певних оборотах ротора (після подолання потенційного бар'єру між електролітом та електродами) починається електроліз води. Встановлено, що електроліз води в відцентровому генераторі відбувається в умовах, які істотно відрізняються від існуючих у звичайних електролізерах:
- Збільшення швидкості руху і тиску по радіусу електроліту, що обертається (до 2 МПа);
- активний вплив на рух іонів електромагнітних полів, наведених зарядами, що обертаються;
- поглинання теплової енергії з довкілля.
Це відкриває нові можливості підвищення ефективності електролізу.
В даний час ведеться розробка наступної більш ефективної моделі ЕВГ з можливістю вимірювання параметрів електричного струму, що виробляється, що формується магнітного поля, управління струмом в процесі електролізу, вимірюванням об'ємного вмісту вихідного водню, його парціального тиску, температури і витрати. Використання цих даних разом з електричною потужністю мотора, що вже вимірюється, і числом оборотів ротора дозволить:
- Визначити енергетичну ефективність ЕВГ;
- розробити методику розрахунку основних параметрів за умов промислового застосування;
- намітити шляхи його подальшого вдосконалення;
- з'ясувати поки що слабо вивчений вплив на електроліз великих тисків, швидкостей та електромагнітних полів.
Промислова установка може бути використана при отриманні водневого палива для живлення двигунів внутрішнього згоряння або інших енергетичних та теплових установок, а також кисню для технологічних потреб різних галузей промисловості; одержанні гримучого газу, наприклад, для газоплазмової технології у ряді галузей промисловості тощо.
Безперечною перевагою ЕВГ є можливість автономного використання, коли відпадає необхідність технічно складного тривалого зберігання та транспортування водню.
Технологія отримання досить дешевого водню з води з використанням низькопотенційної теплової енергії і виділення при подальшому спалюванні екологічно чистих відходів (знов води) здавалися нездійсненною мрією, але з впровадженням в практику ЕВГ стануть реальністю.
На винахід отримано ПАТЕНТ № 2224051 від 20.02.2004р.
На даний момент патентується покриття анода та катода, а також електроліту, що дозволить збільшити продуктивність електролізу в десятки разів.

Список використаних джерел

Фріш С.Е., Тиморьова А.І. Курс загальної фізики, Том 2, М. -Л., 1952, 616 с.
Краснов К.С., Воробйов Н.К, Годнєв І.М. та ін Фізична хімія. Електрохімія. Хімічна кінетика та каталіз, М., "Вища школа", 2001,219 с.
Шпільрайн Е.Е., Малишенко С.П., Кулєшов Г.Г. Введення у водневу енергетику, 1984,10.
Путінців Н.М. Фізичні властивості льоду, прісної та морської води, Лікарська дисертація, Мурманськ, 1995,
Канарьов Ф.М. Вода-новий джерела енергії, Краснодар, 2000, 155с,
Зацепін Г.М. Властивості та структура води, 1974, 167 с,
Яворський Б.М., Детлаф А.А. Довідник з фізики, М., "Наука", 1971, 939 с.
Economics of Non-conventional Hydrogen Production. Center for Electrochemical Systems and Hydrogen Research, 2002, Engineer, tamh, edutces/ceshr/center.
Аналізатор водню портативний багатофункціональний АВП-2, Фірма "Альфа БАССЕНС", Кафедра "Біофізика", МФТІ, М., 2003.

Дата публікації: Прочитано: 60942 разів Додатково на цю тему

pax (МГД). Принципова ідея така. У робочій камері (мал. 2) завдяки продуктам згоряння палива підтримується температура кілька тисяч градусів. А за такої температури газ, природно, сильно іонізується. Щоб збільшити іонізацію електропровідного газу, додають до нього присадки, що містять цезій, кальції, калій. Отримана плазма з високою швидкістю продувається через канал змінного перерізу, вміщеного в сильному магнітному полі. Як відомо, на електрони та іони плазмового потоку - електричні заряджені частинки - діють сили, які відхиляють їх або до верхнього або нижнього електродів. З'являється електричний струм.

У нашій країні вже створено напівпромислові МГД-установки, отримано електричний струм.

Сьогодні ми пропонуємо зібрати та випробувати модель МГД-генератора. Потік іонізованого газу замінили потоком електроліту. Сенс від цієї заміни не змінюється. Модель рідинного МГД-генератора нітрохи не гірше продемонструє вам не тільки існування вільних іонів в електролітах і відсутність їх в інших розчинах, але і покаже наявність діючої на іони в магнітному полі сили, що відхиляє, що неодмінно має місце в магнітогід-родинамічному генераторі.

Прилад являє собою плексигласовий брусок прямокутний 1 (рис. 3) з розмірами 120 X 26 X 18 мм, всередині якого по всій довжині просвердлений циліндричний канал діаметром 12 мм. Уздовж каналу прокладені дві мідні або латунні смужки сегментного перерізу (обкладки конденсатора, електроди) 2, з'єднані з клемами 3. По краях приладу вставлені алюмінієві ніпелі 4

з'єднання гумових трубок. До лицьової та зворотної межі бруска приклеєні плексигласові циліндрики 5, на які одягнені керамічні кільцеві магніти 6 діаметром 20 мм з набору, що випускається промисловістю для шкіл. Прилад оснащений опорним стрижнем 7 для встановлення його в тринозі штатива.

На кожен іон поточного електроліту (розчин броміду калію, хлориду натрію) діє сила, що відхиляє, або, як її називають, сила Лоренца.

Внаслідок поділу іонів виникає електричне поле, кулонові сили якого врівноважують силу Лоренца:

Е = ^f = VB, U = dVB.

Тут U - різниця потенціалів між електродами,

V - швидкість іонів (потоку),

В - індукція магнітного поля,

d – відстань між електродами.

Оскільки електричний опір розчину дуже мало, сила струму є достатньою для вимірювання її гальванометром від шкільного демонстраційного вольтметра.

Змінюючи кількість магнітів, швидкість течії електроліту, концентрацію його і сам електроліт, можна поставити серію кумедних дослідів з дослідження залежності е.р.с. МГД-генератора від індукції магнітного поля, швидкості потоку, концентрації іонів, їх заряду та маси.

Винахід відноситься до електрохімічного виробництва, зокрема електролізу.
Найбільш близьким винаходом є спосіб магнітодинамічного автоелектролізу, вибраний як прототип.
На електрохімічну систему, що містить електроди та електроліт, впливають зовнішнім магнітним полем, ортогональних контурів електродів. Причому здійснюють обертання джерел магнітного поля у площинах, паралельних контурам електродів. Завдяки цьому здійснюють щодо рух іонів дисоційованого електроліту в магнітному полі перпендикулярному напрямку руху. На заряди (різнополярні іони), що рухаються щодо магнітного поля, діє сила, яка спрямована перпендикулярно до площини векторів магнітної індукції та швидкості відносного руху. При відносному русі по колу напрямок сили Лоренца, як і напрямок переміщення іонів (іонного струму), ортогонально вектор лінійної швидкості відносного руху і відбувається у відповідності зі знаком заряду в напрямку радіуса-вектора до протилежних контурних електродів. Внаслідок цього відбувається поляризація електродів, причому різниця потенціалів між ними при достатніх значеннях лінійної швидкості та магнітної індукції досягає напруги розкладання електроліту, що призводить до протікання електричного струму в електрохімічній системі до електролізу. Сутність електролізу, що відбувається на електродах в описаному способі, не відрізняється від традиційного електролізу, коли підключені електроди до зовнішнього джерела напруги.
У способі підвищення ефективності процесу відображені різні можливості відносного переміщення електроліту в магнітному полі, в тому числі і в сукупності з прокачуванням. Він призначений для розкладання води з метою отримання екологічно чистого палива водню. Даним способом можна розкласти електроліт, не вдаючись до манівця отримання постійної напруги для електролізу, пов'язаного зі значними втратами при перетворенні механічного руху в електроенергію за допомогою електрогенератора. Завдяки цьому як підвищується ефективність електрохімічного виробництва, а й знижуються витрати на устаткування.
Незважаючи на те, що економічно вигідніше проводити електроліз описаним способом у порівнянні зі звичайним електролізом, йому притаманні певні недоліки. Вони пов'язані з необхідністю або прокачування електроліту, або обертання системи постійних магнітів з огляду на те, що даний спосіб є динамічним. Це веде до ускладнення способу при його реалізації внаслідок використання рухової для обертання системи постійних магнітів або прокачування електроліту, спеціальних насосів для роботи в агресивних середовищах, а також веде до труднощів надійного кріплення масивних постійних магнітів в системі, що обертається, балансування такої системи і герметизації струмів. напірних трубопроводів.
Метою пропонованого винаходу є спрощення способу при одночасному збільшенні продуктивності процесу.
Поставлена мета досягається тим, що у відомому способі магнітоіндукованого електролізу, що включає вплив на електрохімічну систему магнітним полем, ортогональним площині електродів, використовують змінне магнітне поле.
У пропонованому способі магнітоіндукований електроліз здійснюють у статичній магнітоелектрохімічній системі в нерухомому електроліті за допомогою нерухомого джерела магнітного поля за рахунок створення змінного магнітного поля.
На відміну від цього, у відомому способі електроліз здійснюють динамічної електрохімічної системі при відносному русі електроліту і джерела постійного магнітного поля. При цьому різницю потенціалів на електродах для електролізу отримують у запропонованому способі за рахунок ЕРС магнітної індукції, що виникає в електродах, тоді як у відомому способі різницю потенціалів на електродах отримують за рахунок їх поляризації іонним струмом, що виникає в електроліті внаслідок дії сили Лоренца на магнітні, що переміщуються в магнітному поле іони.
Відповідно до запропонованого способу в електрохімічній системі, що містить неізольовані контурні електроди і електроліт, створюють змінне магнітне поле з протилежним напрямком всередині і поза контурами і однаковим для всіх електродів, чим забезпечують односпрямований індукційний струм у відповідних ділянках всіх сусідніх контурів, що утворюють елементарну електрохімічну та ЕРС індукції між цими контурами електродів, що досягає напруги розкладання електроліту. При цьому в контурах створюється електронний струм магнітної індукції, на поверхні відбувається електроліз, а в електроліті між сусідніми ділянками електрода протікає іонний струм за рахунок ЕРС магнітної індукції в контурі електрода. Тобто електроліт є розподіленим уздовж контуру електрода електричним навантаженням.
Сутність запропонованого способу полягає у переважному взаємодії зовнішнього магнітного поля з електродами електрохімічної системи у вигляді розімкнутих контурів з провідника першого роду, носіями зарядів в якому є електрони, і зневажливій взаємодії з навколишнім неізольовані електроди нерухомим електролітом-провідником другого роду, носіями зарядів . Спосіб заснований на відомому фізичному явищі електромагнітної індукції, при якому в контурі провідника, вміщеному в змінне магнітне поле, виникає електрорушійна сила ЕРС індукції. Якщо контуром є, наприклад, розімкнена концентрична неізольована спіраль, то в ній виникає розподілена міжконтурна різниця потенціалів, що дорівнює ЕРС індукції контуру або контурів.
Щільність струму в контурі, викликана електричним полем у провіднику, виражається j nev neuE, де n кількість носіїв зарядів в одиниці об'єму, е заряд носія, v середня швидкість їх упорядкованого переміщення, u електрична рухливість заряду, Е напруженість електричного поля. Разом з тим відомо, що рухливість вільних електронів у провіднику першого роду, наприклад, у міді, приблизно в 10 4 разів вище за рухливість іонів Н + і ОН - в електроліті провідника другого роду, а їх концентрація перевищує концентрацію цих іонів (у разі 35% розчину КОН) приблизно 20 разів, що зумовлює переважне взаємодія змінного магнітного поля з провідником першого роду.
За допомогою запропонованого способу просто здійснити електроліз у повністю замкнутому обсязі статичної магнітоелектрохімічної системи без підведення ззовні електричного струму до електродів. Магнітоіндукований електроліз здійснюється наступним чином. Змінне магнітне поле індукції пронизує контурні електроди, в них індукується міжконтурна розподілена різниця потенціалів, в електроліті створюється іонний струм і електроди протікають електрохімічні реакції з виділенням газоподібних продуктів, наприклад, у випадку електролізу води. Діод дозволяє вести електроліз у імпульсному режимі.
Сутність способу можна проілюструвати на прикладі електролізу 35% розчину їдкого калі, з метою отримання водню та кисню або їх суміші. Електрохімічна система містить неізольовані електроди у вигляді нікельованої мідної циліндричної спіралі, кінці витків якої з'єднані перемичкою з електронного провідника або діода. Електроди поміщалися в тороїдальну діелектричну ємність, заповнену електролітом, а сам тороїд розташовувався на магнітопроводі, що має первинну обмотку. Первинна обмотка підключалася до промислової мережі та в електрохімічній системі створювалося змінне магнітне поле.
П р і м е р 1. Подаючи на первинну обмотку регульовану напругу з частотою 50 Гц, створюємо в області електродів змінне магнітне поле із середнім значенням магнітної індукції 10 мТ. Перетин магнітопроводу становив 75 см 2 . Відстань між електродами дорівнювала приблизно 1 мм. Електрод являв собою спіраль з мідної нікельованої шинки, що містить 100 витків (контурів). На електродах реалізувалася ЕРС індукції 1,5 ± 0,1 В. Помістивши електродну систему в ємність, що містить 35% розчин КОН, здійснили електроліз з виділенням з 10 см 2 поверхні 0,38 л киснево-водневої суміші за годину, що в перерахунку на 1 м 2 поверхні становитиме 0,38 м 3 /год. У прототипі вихід киснево-водневої суміші з 1 м 2 поверхні електрода становить 0,192 м 3 /год.
П р і м е р 2. Подаючи на первинну обмотку регульовану напругу з частотою 500 Гц, створюємо в області електродів змінне магнітне поле із середнім значенням магнітної індукції 1 Т. Перетин магнітопроводу становив 12 см 2 відстань між електродами 10 мм. Кожен електрод складався з одного контуру. На електродах реалізувалася ЕРС індукція 2,5 + 0,1 Ст. З 1 м 2 поверхні електрода при цьому виділяється 0,9 м 3 /год киснево-водневої суміші.
П р і м е р 3. Подаючи на первинну обмотку регульовану напругу частотою 1000 Гц, створюємо в магнітопроводі магнітне поле з індукцією 1,4 Т. Відстань між електродами становила 20 мм. Кожен електрод складався з одного контуру. На електродах реалізувалася ЕРС індукції 5,0 + 0,2 В. З 1 м 2 поверхні виділяється при цьому 1,4 м 3 /год киснево-водневої суміші.
П р і м е р 4. Умови експерименту такі ж, як у прикладі 1, але початок та кінець контурних електродів з'єднані за допомогою діода. Тому реалізується електроліз імпульсним струмом, завдяки чому на певних ділянках електродів протікають або катодні або анодні процеси. При цьому підвищується частка струму, що йде на фарадіївський процес за рахунок зменшення ємнісного струму. Результатом є підвищення виходу продукту до 0,96 м 3 /год із 1 м 2 поверхні електрода або на 7+ 0,2%
П р і м е р 5. Подаючи на первинну обмотку регульовану напругу з частотою 1 Гц, створюємо в області електродів змінне магнітне поле із середнім значенням магнітної індукції 1 Т. Перетин магнітопроводу становив 33 см 2 . Відстань між електродами складала 2 мм. Електрод містив 100 витків із площею 100 см 2 . На електродах реалізувалася ЕРС індукції 1,5+ 0,2 В. Помістивши електродну систему в ємність, що містить 35% розчин їдкого калі, здійснили електроліз із виділенням за 1 год 0,26 л воднево-кисневої суміші, що в перерахунку на 1 м 2 поверхні електродів становитиме 0,26 м 3 /год. У прототипі вихід газової суміші становить 1 м 2 поверхні електрода 0,192 м 3 /год.
Таким чином, заявлений спосіб у порівнянні з прототипом має ряд переваг: є статичним і не вимагає переміщення електроліту, ні обертання джерел магнітного поля, що веде до спрощення способу, тобто. досягненню поставленої мети. Виникнення електричного поля та електричного струму під час руху електропровідної рідини або іонізованого газу в магнітному полі

Опис

Магнітогідродинамічний ефект - виникнення електричного поля та електричного струму під час руху електропровідної рідини або іонізованого газу в магнітному полі. Магнітогідродинамічний ефект ґрунтується на явищі електромагнітної індукції, тобто. на виникненні струму у провіднику, що перетинає силові лінії магнітного поля. В даному випадку, провідниками є електроліти, рідкі метали та іонізовані гази (плазма). При русі упоперек магнітного поля в них виникають протилежно спрямовані потоки носіїв зарядів протилежних знаків. На основі магнітогідродинамічного ефекту створені пристрої - магнітогідродинамічні генератори (МГД генератори), які відносяться до пристроїв прямого перетворення теплової енергії на електричну.

Якщо провідником є рідина, то генерування електроенергії йде лише внаслідок перетворення частини кінетичної або потенційної енергії потоку електропровідної рідини практично за постійної температури.

На рис. 1 показаний принцип дії МГД генератора, де зазначено напрямок магнітного поля В , прикладеного до провідника (рухомого електроліту, металу, іонізованого газу, плазмі) зі швидкістю V .

Принцип дії МГД генератора

Мал. 1

Електрична енергія знімається з кінців електродів (кондукційні МГД генератори), що контактують з струмопровідним середовищем, що рухається (на рис. 1 показано опір навантаження R ) або за допомогою індуктивного зв'язку потоку з ланцюгом навантаження (індукційні МГД генератори).

Тимчасові характеристики

час ініціації (log to від -9 до -6);

час існування (log tc від -6 до 15);

Час деградації (log td від -9 до -6);

Час оптимального прояву (log tk від -8 до -6).

Діаграма:

Технічні реалізації ефекту

Лінійний фарадіївський секційований МГД - генератор

Технічна реалізація - схема лінійного фарадіївського секційованого МГД - генератора - показано на рис. 2.

Лінійний МГД генератор

Мал. 2

Позначення:

2 – електроди;

3 – міжелектродні ізолятори;

4 – бічні ізоляційні стінки;

5 – опору навантаження; стрілками вказано напрямок струму в навантаженні

Застосування ефекту

МГД ефект використовується в електрореактивних ракетних двигунах, витратомірах електропровідних рідин, в магнітогідродинамічних генераторах електроенергії, в яких здійснюється прямий перехід теплової енергії в електричну. Основна перевага МГД – генераторів перед тепловими (наприклад, газовими турбінами) полягає в тому, що плазма має високу температуру, а це призводить до підвищення ККД.